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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、電動汽車等領域的應用越來越廣泛，保障其可靠安全運行將具有重要意義。電力電子器件一旦發(fā)生故障或者性能弱化，會對整個裝置乃至系統(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鍵技術，現(xiàn)有技術主要建立在對器件的電、磁、熱等物理信息進行測量之上。雖然這些方法均可以實現(xiàn)對功率器件的狀態(tài)監(jiān)測和故障檢測，具有一定的應用價值，但是卻很難同時滿足快速、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力波（Stress Wave, SW））的檢測技術，具有快速、無損、在線的特點，已經(jīng)被廣泛應用于絕緣子污穢放電檢測、變壓器局部放電檢測、風機葉片及健康監(jiān)測等領域。如果能把聲發(fā)射技術應用在功率器件的監(jiān)測或者檢測中，勢必能夠進一步完善電力電子器件的可靠性評估理論。

國外機構最先開始對絕緣柵極雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）應力波進行相關研究。國內(nèi)對IGBT應力波的研究則起步較晚。由于脈沖信號在各個頻率段都存在分量，利用數(shù)字濾波技術對應力波提取存在缺陷。已有的研究表明：IGBT在關斷瞬間能夠產(chǎn)生應力波（SW），且AE傳感器能夠?qū)Σㄐ盘栠M行測量，但在測量時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的來源，并將其與應力波解耦，以進一步分析應力波的影響因素及來源。

湖南大學電氣與信息工程學院、電力設備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學）的耿學鋒、何赟澤、王廣鑫、劉松源、李運甲，在2022年第21期《電工技術學報》上撰文，分析了普通AE傳感器干擾信號產(chǎn)生的原因，提出基于差分式AE傳感器的應力波測量方法，并從理論角度論證了差分式AE傳感器的抗干擾機理。

圖1 IGBT應力波的提取及研究思路

他們搭建試驗平臺，通過試驗證明差分式AE傳感器具有較好的抗電氣干擾能力，能夠?qū)GBT關斷應力波進行有效地提取。進一步地，對不同關斷電流條件下的IGBT進行應力波的測量和分析，發(fā)現(xiàn)關斷電流與應力波的強度強相關，可為后續(xù)探索應力波產(chǎn)生機理及實現(xiàn)IGBT在線監(jiān)測提供參考。

圖2 IGBT脈沖觸發(fā)測試平臺

研究人員表示，周圍電壓的變化會對普通單端式AE傳感器產(chǎn)生干擾。由于不同回路導體間互容的存在，變化的電壓會通過互容，從一個回路耦合到另一個回路，產(chǎn)生串擾。而差分式AE傳感器在提取IGBT關斷應力波時具有更好的效果。IGBT開通關斷時電壓的變化會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，提高抗電氣干擾能力。

圖3 不同傳感器的抗干擾對比試驗裝置

圖4 測量IGBT關斷應力波的試驗裝置

圖5 不同關斷電流下IGBT關斷應力波試驗

他們指出，關斷電流是影響IGBT關斷應力波強度的重要因素。通過控制變量法，用差分式AE傳感器對不同關斷電流條件下的IGBT關斷應力波進行提取，發(fā)現(xiàn)關斷電流與應力波幅值、峰-峰值、信號能量、第一主頻峰值、第二主頻峰值均呈強正相關。從兩個器件的測試中發(fā)現(xiàn)關斷電流對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)。

研究人員進一步表示，到目前為止，有關IGBT關斷應力波的產(chǎn)生機理仍然沒有一個明確解釋，后續(xù)工作中需要進一步對IGBT關斷應力波的機理進行研究；另外，對器件進行老化和失效試驗，并形成以超聲信號特征量為判斷依據(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《電工技術學報》，論文標題為“IGBT關斷時刻的應力波測量優(yōu)化及影響因素分析”。本課題得到國家自然科學基金面上項目、長沙市科技計劃項目、湖南省科技創(chuàng)新計劃項目科技人才專項; 和電力設備電氣絕緣國家重點實驗室開放基金項目的支持。