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電力電子器件在智能電網(wǎng)、特種電源、高鐵牽引、新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，保障其可靠安全運(yùn)行將具有重要意義。電力電子器件一旦發(fā)生故障或者性能弱化，會(huì)對(duì)整個(gè)裝置乃至系統(tǒng)造成極大危害。狀態(tài)監(jiān)測和故障檢測是保障與提高電力電子器件可靠性的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)有技術(shù)主要建立在對(duì)器件的電、磁、熱等物理信息進(jìn)行測量之上。雖然這些方法均可以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件的狀態(tài)監(jiān)測和故障檢測，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，但是卻很難同時(shí)滿足快速、無損、在線的需求。

聲發(fā)射（Acoustic Emission, AE）是材料內(nèi)部能量快速釋放產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波（在本研究中被稱為應(yīng)力波（Stress Wave, SW））的檢測技術(shù)，具有快速、無損、在線的特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于絕緣子污穢放電檢測、變壓器局部放電檢測、風(fēng)機(jī)葉片及健康監(jiān)測等領(lǐng)域。如果能把聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用在功率器件的監(jiān)測或者檢測中，勢必能夠進(jìn)一步完善電力電子器件的可靠性評(píng)估理論。

國外機(jī)構(gòu)最先開始對(duì)絕緣柵極雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）應(yīng)力波進(jìn)行相關(guān)研究。國內(nèi)對(duì)IGBT應(yīng)力波的研究則起步較晚。由于脈沖信號(hào)在各個(gè)頻率段都存在分量，利用數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)應(yīng)力波提取存在缺陷。已有的研究表明：IGBT在關(guān)斷瞬間能夠產(chǎn)生應(yīng)力波（SW），且AE傳感器能夠?qū)?yīng)力波信號(hào)進(jìn)行測量，但在測量時(shí)容易受到周圍電場的干擾。因此，有必要研究此脈沖干擾信號(hào)的來源，并將其與應(yīng)力波解耦，以進(jìn)一步分析應(yīng)力波的影響因素及來源。

湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院、電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安交通大學(xué)）的耿學(xué)鋒、何赟澤、王廣鑫、劉松源、李運(yùn)甲，在2022年第21期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，分析了普通AE傳感器干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因，提出基于差分式AE傳感器的應(yīng)力波測量方法，并從理論角度論證了差分式AE傳感器的抗干擾機(jī)理。

圖1 IGBT應(yīng)力波的提取及研究思路

他們搭建試驗(yàn)平臺(tái)，通過試驗(yàn)證明差分式AE傳感器具有較好的抗電氣干擾能力，能夠?qū)GBT關(guān)斷應(yīng)力波進(jìn)行有效地提取。進(jìn)一步地，對(duì)不同關(guān)斷電流條件下的IGBT進(jìn)行應(yīng)力波的測量和分析，發(fā)現(xiàn)關(guān)斷電流與應(yīng)力波的強(qiáng)度強(qiáng)相關(guān)，可為后續(xù)探索應(yīng)力波產(chǎn)生機(jī)理及實(shí)現(xiàn)IGBT在線監(jiān)測提供參考。

圖2 IGBT脈沖觸發(fā)測試平臺(tái)

研究人員表示，周圍電壓的變化會(huì)對(duì)普通單端式AE傳感器產(chǎn)生干擾。由于不同回路導(dǎo)體間互容的存在，變化的電壓會(huì)通過互容，從一個(gè)回路耦合到另一個(gè)回路，產(chǎn)生串?dāng)_。而差分式AE傳感器在提取IGBT關(guān)斷應(yīng)力波時(shí)具有更好的效果。IGBT開通關(guān)斷時(shí)電壓的變化會(huì)耦合至傳感器回路中形成干擾，而利用差分式AE傳感器可以解耦此干擾信號(hào)，提高抗電氣干擾能力。

圖3 不同傳感器的抗干擾對(duì)比試驗(yàn)裝置

圖4 測量IGBT關(guān)斷應(yīng)力波的試驗(yàn)裝置

圖5 不同關(guān)斷電流下IGBT關(guān)斷應(yīng)力波試驗(yàn)

他們指出，關(guān)斷電流是影響IGBT關(guān)斷應(yīng)力波強(qiáng)度的重要因素。通過控制變量法，用差分式AE傳感器對(duì)不同關(guān)斷電流條件下的IGBT關(guān)斷應(yīng)力波進(jìn)行提取，發(fā)現(xiàn)關(guān)斷電流與應(yīng)力波幅值、峰-峰值、信號(hào)能量、第一主頻峰值、第二主頻峰值均呈強(qiáng)正相關(guān)。從兩個(gè)器件的測試中發(fā)現(xiàn)關(guān)斷電流對(duì)第一主頻峰值的影響更大，可以利用監(jiān)測第一主頻峰值的變化來在線監(jiān)測IGBT健康狀態(tài)。

研究人員進(jìn)一步表示，到目前為止，有關(guān)IGBT關(guān)斷應(yīng)力波的產(chǎn)生機(jī)理仍然沒有一個(gè)明確解釋，后續(xù)工作中需要進(jìn)一步對(duì)IGBT關(guān)斷應(yīng)力波的機(jī)理進(jìn)行研究；另外，對(duì)器件進(jìn)行老化和失效試驗(yàn)，并形成以超聲信號(hào)特征量為判斷依據(jù)的IGBT健康狀態(tài)在線監(jiān)測方法也是未來的研究方向。

本文編自2022年第21期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“IGBT關(guān)斷時(shí)刻的應(yīng)力波測量優(yōu)化及影響因素分析”。本課題得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、長沙市科技計(jì)劃項(xiàng)目、湖南省科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目科技人才專項(xiàng); 和電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目的支持。