電子電路功率器件故障特征參數提取技術綜述

漯河醫學高等專科學校 馬學濤

電子電路功率器件故障特征參數提取技術綜述

漯河醫學高等專科學校 馬學濤

在電子電路核心組成部分中，主功率器件是一個重要的部分，一旦其發生故障，將會導致整個電子電路無法正常運行，因此需要對電子電路功率器件故障特征參數進行提取，從而對故障進行分析，最終實現電子電路可靠運行。本文主要對電子電路功率器件故障特征參數提取技術進行探討，旨在提高對電子電路的故障診斷技術水平。

電子電路；功率器件故障特征；參數提取

現代化的電力電子電路經常被應用到各個領域中，一般情況下，電力電子主動率器件是一個相當重要的組成部分，因此需要利用對現有的源功率器件來進行開關的控制。在此種情況下，就需要充分的對電路中的重要功率器件進行狀態的檢測，并且提取出相關的故障特征參數來充分的實現對電路運行每個功率器件的故障診斷，從而提升整個電子電路系統的穩定性。

1.電子電路關鍵元器件的失效原理以及其故障特征參數

在電子電路的關鍵元器件中，其發生鋁電解電容的主要功能部件為電容器芯子，由介質、電解液、襯墊紙等部分，其中襯墊紙起著絕緣作用，可以實現對介質中能量的充分儲藏，因此進行鋁電解電容的失效可分為災難性失效和緩變型失效兩種失效機制。災難性失效主要指由于短路或開路造成電容的功能完全失效，而緩變型失效主要是指隨著電容工作時間的增加對其性能產生衰退的作用。引起失效現象的原因有較高的工作電壓、反向偏壓、紋波電流等。在鋁電解電容的性能方面主要是根據其介質的部分發生的變化而產生相對應的變化的，也可以被稱之為陽極金屬氧化膜，在金屬氧化的過程中，受到了其工作應力的嚴重影響，對電解液會造成一定程度的影響，電解液會不斷修補并增厚該氧化膜，使得電容的等效串聯的電流產生增大的現象，與此同時其中的電容值也會得到不斷的減小。且在這個過程中ESR的消耗也會進一步的增大，在提升了工作溫度的同時，也不斷加速了電解液的揮發，最終導致了電容值的快速下降的現象。

在電力電路器件的運過程中，電感器屬于一個相當重要的部分，可以起到儲能和濾波的作用。因此如果處于高頻的工作條件之下的話，在工作時間得到不斷加深的同時，其中的電感的線圈溫度也會得到不斷的加深，最終對電路的工作狀態產生相當大的影響。

2.電力電路參數故障特征的診斷方式

元器件故障是電子電路故障的主要形式之一，因此在對其故障進行檢測的過程中，要對電路中所產生的變化程度來對其電路的性能做出不斷的分析。電路故障可以分為結構性和參數性故障。結構性故障是指電力電子電路中的開關元器件出現開路、短路、或者由于驅動電路故障而導致電路拓撲發生變化的故障。參數性故障是指電器元器件所具有的參數值和標準值相比較過程中產生較大偏移而引起的一類故障模式，從而實現對組成電力電子電路的各種功率元器件所造成的工作應力產生一定的影響，比如電路正常運行的時，經常需要承受較大的電流、高壓以及溫度等外界因素，因此在工作應力方面會產生相當大的影響，最終對元器件的性能造成影響，對元器件自身的參數造成一定的偏差，在其中的偏差值超過允許的范圍之內的情況下，就會產生參數性的故障現象，對參數的電路輸出特性造成相當大的影響，最終影響其整體系統的功能發揮。如果在這種情況中，不加以快速的診斷和處理元器件，其中的參數下降就會對整體的結構性能產生嚴重的影響，因此在對參數性故障技術進行診斷的時候需要對元器件中的微小故障進行排除，從而對元器件進行故障的診斷預測。

3.特征參數的提取技術的實際應用

本文除了對電子電路運行過程中所出現的故障技術進行詳細的分析，還要在此基礎上，對其特征參數進行提取，本文以信號處理的特征參數為主要的研究對象，在對信號處理的特征參數提取的過程，本文主要對頻率分析的提取方式進行了分析，利用電力電子系統的已經測量得到的信號進行獲取，但是利用此種方式獲取到的故障信號特征值是非常小的，因此就需要利用相關的技術對所測的信號進行處理，以便抽取出有用的故障信息或者找出區別于電路正常工作信號的特征。對信號的處理過程，主要是對信號進行提取、變換、分析、綜合等方式，在進行信號的處理方式方面，也可以分為多種方式類別，其中主要有沃爾什變換、基函數、傅里葉變換、小波變換、高階譜分析等方式，在進行分析的時候，也可以對信號的方差、幅值、頻率等特征進行測量提取，從而作為系統中的故障測量值進行試驗。在電力電子電路中所出現的故障信息的關鍵點一般都是具有周期性的，因此在進行提取方面可以利用傅里葉變換將周期性信號從時域轉換到頻域中進行分析，從而實現對其故障特征值的有效提取。

在電力電子電路轉換器中，可以分為幾種不同的工作模式，需要利用每種不同的開關功率器件來實現對每種工作模式的控制，因此也就產生了不同的輸出電壓波形的形狀，由于其不同的功率器件會導致輸出電壓波形的不同形狀，在電壓的頻譜方面也就形成不同的狀態。在本文中主要利用傅里葉分析的方法實現了對三相變流器主電路的故障特征的提取。在進行操作的過程中，首先需要根據其電壓的幅度頻譜特征診斷出故障的類別；之后就可以對特征值進行提取，從而判斷出發生故障的元器件。在這個過程，如果發生了參數性故障的現象，輸出的電壓并不會產生太多的變化，因此在頻譜變化幅度不大的情況下，就需要對諧波的含量做出定量定性的分析，最終實現對特征值的提取。在對控制電機的三相逆變器的研究中，需要保證在開關管斷開的瞬間利用分析開關器件的內部寄生參數和電機繞組之間所產生的開關管源漏極電壓的震蕩幅值和頻率進行分析，并且在經過分析之后還需要對其中的高頻分量信號進行提取，最終實現判斷功率管老化的狀態和程度，如圖1所示。從圖2中可以充分的看出在老化之后的功率管內部的計生參數發生了嚴重的變化，最終使得元器件在開關斷開的瞬間，功率管源漏極電壓諧振峰值以及和震蕩頻率出現了明顯下降的現象。

圖1 老化前后 IGBT 模塊關斷瞬間兩端電壓波形變化

四、結束語

綜上所述，在電力電子系統的可靠性問題的研究過程中需要對其電力電子的故障診斷和預測技術進行不斷地研究，電力電子的主功率器件作為核心部件來說，其正常的數值可以對電力電子電路的安全可靠性工作起到一個相當重要的工作，因此在需要將對電力電子系統的故障診斷作為重要的環節進行研究，在研究的過程中，可以充分的利用功率器件失效的原理進行對故障的特征參數進行不斷的確定，從而利用科學的檢測方式提取功率器件故障參數，最終保證電子電路的可靠穩定。

[1]任磊,韋徵,龔春英等.電力電子電路功率器件故障特征參數提取技術綜述[J].中國電機工程學報,2015(12).

[2]韓冬.淺析電力電子電路功率器件故障特征參數提取技術[J].科學家,2016(2).

馬學濤（1975—），男，河南郾城人，大學本科，講師，研究方向：物理學教學。