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電力電子器件/模塊是實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量電力電子電能變換技術(shù)的基石，在智能電網(wǎng)、特種電源、電機(jī)驅(qū)動、高鐵牽引、新能源發(fā)電、電動汽車等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。電力電子器件/模塊一旦發(fā)生故障或者性能弱化，會對整個裝置乃至系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成極大危害。測試與檢測是保證與提高電力電子器件/模塊可靠性的關(guān)鍵技術(shù)，貫穿于器件/模塊的研發(fā)、生產(chǎn)、服役和維修等過程。

現(xiàn)有檢測技術(shù)主要建立在測量電、磁、熱物理信息上，這些方法均可以實(shí)現(xiàn)器件/模塊的健康狀態(tài)檢測和故障診斷，提升其可靠性，具有一定的使用價值。

電應(yīng)力信息提取方法包括直接提取法和間接提取法，直接提取法直接檢測電力電子器件關(guān)鍵位置的電壓或電流，實(shí)現(xiàn)截壓、截流控制及過電壓、過電流保護(hù)；間接提取法對測量的電信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用處理后的信號判斷電力電子器件/模塊的故障狀態(tài)，目前大部分工作處于仿真階段；

磁應(yīng)力信息提取方法利用巨磁阻效應(yīng)，借助內(nèi)埋于器件和模塊內(nèi)部的巨磁阻磁場傳感器來獲取電氣信號，需要對干擾信號進(jìn)行準(zhǔn)確解耦并改造器件/模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；

熱應(yīng)力信息的提取方法包含光學(xué)非接觸式測量法、物理接觸式測量法、熱敏感電參數(shù)法和熱阻抗模型法。其中，光學(xué)非接觸測量法一般采用紅外熱像儀來測量器件和模塊內(nèi)部的結(jié)溫，需要打開器件和模塊的封裝，難以實(shí)現(xiàn)在線檢測；物理接觸式測量法通常在器件和模塊內(nèi)部預(yù)埋熱敏電阻來測溫，響應(yīng)速度慢，需要改變器件/模塊的結(jié)構(gòu)；熱敏感電參數(shù)提取法利用與電力電子器件/模塊結(jié)溫密切相關(guān)的電學(xué)特性來間接測量器件的結(jié)溫，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、非侵入和在線監(jiān)測；熱阻抗模型預(yù)測法通過仿真技術(shù)，利用器件/模塊的功耗和熱阻模型來計算芯片的結(jié)溫。

但是，基于機(jī)械應(yīng)力的電力電子器件/模塊狀態(tài)監(jiān)測方法沒有得到廣泛的研究和關(guān)注，尚處于初始發(fā)展階段。目前，急需擴(kuò)展該方面的研究內(nèi)容來完善電力電子器件/模塊的狀態(tài)監(jiān)測體系，從而保障電力電子裝備的運(yùn)行可靠性。

利用材料內(nèi)能量快速釋放產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的聲發(fā)射（Acoustic Emission, AE）檢測技術(shù)具有快速、實(shí)時、在線等特點(diǎn)，已應(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)葉片健康監(jiān)測等。電力電子器件/模塊氧化層裂紋的產(chǎn)生、金屬疲勞裂紋的產(chǎn)生及焊點(diǎn)的脫落等動態(tài)行為也會產(chǎn)生彈性波，屬于傳統(tǒng)聲發(fā)射（Traditional Acoustic Emission, TAE），由故障或缺陷直接產(chǎn)生。

電力電子器件/模塊在正常工作時有載流子變化，由此引起的電磁力與結(jié)構(gòu)相互耦合會產(chǎn)生電磁聲發(fā)射（Electromagnetic Acoustic Emission, EMAE），這種電磁聲發(fā)射即機(jī)械應(yīng)力波（Mechani- cal Stress Wave, MSW），與傳統(tǒng)聲發(fā)射是不同的，伴隨著器件/模塊的正常工作產(chǎn)生。

近年來，芬蘭拉普蘭塔理工大學(xué)、德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué)、丹麥奧爾堡大學(xué)、波蘭什切青海事大學(xué)、湖南大學(xué)的學(xué)者都對電力電子器件/模塊中的機(jī)械應(yīng)力波進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)器件/模塊在開關(guān)切換時可以產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力波，分析機(jī)械應(yīng)力波的組成模式和對應(yīng)源機(jī)制，探索器件/模塊老化與機(jī)械應(yīng)力波參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力波參數(shù)與集-射極飽和壓降的變化趨勢相一致。因此，電力電子器件/模塊開關(guān)時產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力波具有重要研究價值和廣闊應(yīng)用前景。目前，尚沒有文獻(xiàn)對電力電子器件/模塊的機(jī)械應(yīng)力波進(jìn)行系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，因而不利于該內(nèi)容的進(jìn)一步研究。

為推動以機(jī)械應(yīng)力波為基礎(chǔ)的電力電子器件/模塊狀態(tài)監(jiān)測方法的進(jìn)一步發(fā)展，湖南大學(xué)科研人員總結(jié)了適用于電力電子器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波的機(jī)理、檢測方法、測試檢測電路、聲發(fā)射傳感器和信號處理方法，分析國內(nèi)外電力電子器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波的發(fā)展現(xiàn)狀，提出電力電子器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波存在的關(guān)鍵問題，展望電力電子器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波的未來研究方向。

圖1 基于機(jī)械應(yīng)力波的器件狀態(tài)監(jiān)測方法

科研人員指出，相較于其他檢測技術(shù)，聲發(fā)射技術(shù)能夠更快地檢測物體內(nèi)部的機(jī)械損傷，為設(shè)備的維護(hù)決策提供更長的響應(yīng)時間，并具備快速、在線和非侵入的優(yōu)點(diǎn)，在電力電子器件/模塊狀態(tài)檢測方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α５F(xiàn)有研究距離形成基于機(jī)械應(yīng)力波的電力電子器件/模塊狀態(tài)監(jiān)測方法還有一定的距離，主要體現(xiàn)在以下五個方面：

（1）機(jī)械應(yīng)力波的理論研究剛剛起步。現(xiàn)有仿真模型不能同時考慮微觀載流子與宏觀電磁力，也缺少耦合電磁熱力多物理場的器件模型，導(dǎo)致不能深入研究功率器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波機(jī)理。

（2）現(xiàn)有研究主要集中在Si基器件/模塊，很少涉及碳化硅和氮化鎵等寬禁帶功率器件/模塊，急需完善該方面的研究來擴(kuò)展機(jī)械應(yīng)力波的檢測范圍。

（3）多數(shù)研究以實(shí)驗(yàn)獲得的信號分析為主，測量的信號混合了瞬態(tài)電磁場信號與電磁干擾，給機(jī)械應(yīng)力波測量、分析和特征提取造成了困難。

（4）機(jī)械應(yīng)力波特征值尚沒有與器件/模塊內(nèi)部損傷對應(yīng)起來，不能用于反演損傷屬性，更沒有建立智能損傷診斷模型。

（5）現(xiàn)有聲發(fā)射壓電傳感器尺寸較大，通常安裝在器件/模塊封裝或散熱器上，難以集成在功率器件/模塊內(nèi)部，且難以滿足現(xiàn)場嚴(yán)苛條件的應(yīng)用需求。

基于現(xiàn)有研究存在的問題，他們認(rèn)為功率器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波的發(fā)展趨勢主要集中在以下五個方面：

（1）電力電子器件/模塊開關(guān)產(chǎn)生的電磁聲發(fā)射信號由兩部分組成，高頻分量反映了電磁瞬態(tài)過程，低頻分量反映了電-力-結(jié)構(gòu)間的耦合信息。因此，高頻分量可通過SIwave/HFSS、CST MWS等電磁和射頻仿真軟件研究其產(chǎn)生與傳播機(jī)制；低頻分量可通過TCAD與Ansys結(jié)合、COMSOL、ABAQUS等有限元仿真軟件研究其產(chǎn)生與傳播機(jī)制。

（2）需要探索適用于寬禁帶功率器件/模塊的測量裝置和測量方案研究其內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力波，形成較為通用的功率器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波檢測方法。

（3）使用強(qiáng)大的信號處理算法來抑制干擾信號，盲源分離和自適應(yīng)濾波技術(shù)似乎是合適的選擇，因?yàn)樵诂F(xiàn)場測試強(qiáng)干擾條件下，這些算法能夠在復(fù)合材料、混凝土和鋼軌中有效提取機(jī)械損壞產(chǎn)生的聲發(fā)射信號特征。

（4）借助維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、長短期記憶網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)模型，建立基于時間序列深度學(xué)習(xí)的損傷智能評估模型。目的是為器件損傷提供可靠的診斷模型。在強(qiáng)噪聲干擾和大量無序信號的條件下，這些算法在橋梁和壓力容器缺陷識別方面，仍具有很高的識別精度。

（5）基于MEMS傳感器和光纖傳感器尺寸小和可嵌入的特點(diǎn)，利用新型制造工藝將其嵌入功率器件/模塊內(nèi)部，便于在惡劣的現(xiàn)場測試條件下測量機(jī)械應(yīng)力波，擴(kuò)展機(jī)械應(yīng)力波檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍。

最后，科研人員表示，隨著電力電子裝備的多物理場仿真建模技術(shù)、智能濾波技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法快速發(fā)展，填補(bǔ)這些研究空白只是時間問題。相信在不遠(yuǎn)的未來，機(jī)械應(yīng)力波狀態(tài)監(jiān)測方法能夠快速、在線和非侵入地檢測功率器件/模塊內(nèi)部的機(jī)械損傷，完善電力電子裝備狀態(tài)監(jiān)測體系，保障電力電子裝備的服役可靠性。

以上研究成果發(fā)表在2021年第22期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于聲發(fā)射檢測技術(shù)的電力電子器件/模塊機(jī)械應(yīng)力波綜述”，作者為李孟川、何赟澤 等。