基于聲發射檢測技術的電力電子器件/模塊機械應力波綜述

李孟川 何赟澤, 孟志強 周雅楠 李運甲

（1. 湖南大學電氣與信息工程學院 長沙 410082 2. 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學） 西安 710049）

0 引言

電力電子器件/模塊是實現高效高質量電力電子電能變換技術的基石，在智能電網、特種電源、電機驅動、高鐵牽引、新能源發電、電動汽車等領域應用越來越廣泛[1-3]。電力電子器件/模塊一旦發生故障或者性能弱化，會對整個裝置乃至系統的正常運行造成極大危害[4-5]。測試與檢測是保證與提高電力電子器件/模塊可靠性的關鍵技術，貫穿于器件/模塊的研發、生產、服役和維修等過程。現有檢測技術主要建立在測量電、磁、熱物理信息上[6-10]，這些方法均可以實現器件/模塊的健康狀態檢測和故障診斷，提升其可靠性，具有一定的使用價值。電應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鍵位置的電壓或電流，實現截壓、截流控制及過電壓、過電流保護；間接提取法對測量的電信號進行數據處理，利用處理后的信號判斷電力電子器件/模塊的故障狀態，目前大部分工作處于仿真階段；磁應力信息提取方法利用巨磁阻效應，借助內埋于器件和模塊內部的巨磁阻磁場傳感器來獲取電氣信號，需要對干擾信號進行準確解耦并改造器件/模塊的內部結構；熱應力信息的提取方法包含光學非接觸式測量法、物理接觸式測量法、熱敏感電參數法和熱阻抗模型法[11]。其中，光學非接觸測量法一般采用紅外熱像儀來測量器件和模塊內部的結溫，需要打開器件和模塊的封裝，難以實現在線檢測；物理接觸式測量法通常在器件和模塊內部預埋熱敏電阻來測溫，響應速度慢，需要改變器件/模塊的結構；熱敏感電參數提取法利用與電力電子器件/模塊結溫密切相關的電學特性來間接測量器件的結溫，能夠實現快速、非侵入和在線監測；熱阻抗模型預測法通過仿真技術，利用器件/模塊的功耗和熱阻模型來計算芯片的結溫。

但是，基于機械應力的電力電子器件/模塊狀態監測方法沒有得到廣泛的研究和關注，尚處于初始發展階段。目前，急需擴展該方面的研究內容來完善電力電子器件/模塊的狀態監測體系，從而保障電力電子裝備的運行可靠性。利用材料內能量快速釋放產生瞬態彈性波的聲發射（Acoustic Emission,AE）檢測技術具有快速、實時、在線等特點[12]，已應用于絕緣子污穢放電檢測、變壓器局部放電檢測、風機葉片健康監測等。電力電子器件/模塊氧化層裂紋的產生、金屬疲勞裂紋的產生及焊點的脫落等動態行為也會產生彈性波[13-14]，屬于傳統聲發射（Traditional Acoustic Emission, TAE），由故障或缺陷直接產生。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構相互耦合會產生電磁聲發射（Electromagnetic Acoustic Emission,EMAE），這種電磁聲發射即機械應力波（Mechanical Stress Wave, MSW），與傳統聲發射是不同的，伴隨著器件/模塊的正常工作產生[15-16]。近年來，芬蘭拉普蘭塔理工大學、德國開姆尼茨工業大學、丹麥奧爾堡大學、波蘭什切青海事大學、湖南大學的學者都對電力電子器件/模塊中的機械應力波進行了試驗研究，發現器件/模塊在開關切換時可以產生機械應力波[17]，分析機械應力波的組成模式和對應源機制[18]，探索器件/模塊老化與機械應力波參數之間的關系[19]，發現機械應力波參數與集-射極飽和壓降的變化趨勢相一致[20]。因此，電力電子器件/模塊開關時產生的機械應力波具有重要研究價值和廣闊應用前景。目前，尚沒有文獻對電力電子器件/模塊的機械應力波進行系統的歸納和總結，因而不利于該內容的進一步研究。

本文將總結適用于電力電子器件/模塊機械應力波的機理、檢測方法、測試檢測電路、聲發射傳感器和信號處理方法，分析國內外電力電子器件/模塊機械應力波的發展現狀，提出電力電子器件/模塊機械應力波存在的關鍵問題，展望電力電子器件/模塊機械應力波的未來研究方向。因此，本文將有助于以機械應力波為基礎的電力電子器件/模塊狀態監測方法的進一步發展。

1 機械應力波基礎內容

1.1 機理

在開關過程中，電力電子器件/模塊處于電氣瞬態，電氣參數（如驅動信號、開關電壓、開關電流）在很短的時間內發生變化，引起內部電磁場的變化，從而形成變化的電磁力，釋放機械應力波。因此，機械應力波與電參數引起的電磁場變化是耦合的。以硅基絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）和金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）為例，開關過程產生的機械應力波由高頻分量和低頻分量組成，高頻分量與開關電壓有關，低頻分量與驅動信號和開關電流有關[16,18,21]。

1.2 檢測方法

基于機械應力波的電力電子器件/模塊狀態檢測方法如圖1 所示[11]，使用測試電路、聲發射壓電傳感器、前置放大器和聲發射測量儀來提取電力電子器件/模塊的機械應力波，測試檢測電路將在1.3節中介紹；使用時域、頻域和時頻分析等方法來處理機械應力波，獲取其特征參數，信號處理方法將在1.5 節中介紹；使用人工神經網絡和深度智能學習方法建立特征參數與器件/模塊狀態的對應關系，利用這些對應關系評估電力電子器件/模塊的健康狀態。

圖1 基于機械應力波的電力電子器件/模塊狀態監測方法Fig.1 Condition monitoring method of power electronics device/module based on mechanical stress wave

1.3 測試檢測電路

測試檢測電路包含功率器件測試電路和機械應力波檢測電路，測試電路用于產生機械應力波，檢測電路主要用于捕獲機械應力波。

功率器件/模塊典型測試電路如圖2 所示，包括脈沖測試電路和功率循環測試電路。脈沖測試電路通過控制開關頻率、驅動信號、開關電流、開關電壓和負載類型，在不同條件下產生機械應力波；功率循環電路使用直流加熱源和散熱裝置反復加熱和冷卻功率器件/模塊，使器件/模塊內部的鍵合線脫落或焊料層疲勞，導致其電氣性能退化。功率循環的控制方式包括恒定開通和關斷時間、恒定殼溫波動、恒定功率損耗和恒定結溫波動四種，具體控制策略詳見文獻[22-23]，試驗人員可根據試驗條件，采用適合的控制方式來老化功率器件/模塊。

圖2 電力電子器件/模塊測試電路Fig.2 Test circuits of power electronics device/module

機械應力波檢測電路一般由聲發射傳感器、前置放大器和記錄裝置組成，聲發射傳感器用于測量機械應力波，將在1.4 節中進行描述；前置放大器用于放大機械應力波、匹配傳感器與記錄裝置的阻抗，從而增大信號的傳輸距離、減小信號衰減；記錄裝置通常包含示波器[17,20,24-26]、聲發射采集卡[21,27]和聲發射測量儀[15-16,18-19,28]三種類型。直接使用示波器觀測機械應力波，測量方式簡單便捷，但機械應力波信號會包含大量干擾，在強電磁干擾環境下，難以直接測量機械應力波；聲發射采集卡由模擬信號調制濾波單元、模/數轉換單元、數字信號處理單元等組成，模擬信號調理濾波單元將模擬信號調制成模/數轉換單元能夠處理的信號，數字信號處理單元能夠對模/數轉換后的數字信號進行濾波處理，從而準確測量機械應力波信號[29]；聲發射測量儀一般由多通道采集卡、外參數采集卡、高精度電源、主板和工業專用機箱組成，能夠同時采集多通道機械應力波信號，獨立處理機械應力波及其特征參數，適應嚴苛現場環境、并排除市電對測量干擾[30]。預算不充足推薦購置聲發射采集卡，預算充足推薦購置聲發射測量儀。

1.4 傳感器

用于測量電力電子器件/模塊機械應力波的傳感器主要為聲發射壓電傳感器。壓電傳感器的工作原理如下：材料內部應力變化釋放的彈性應力波到達材料表面時，對緊貼在材料表面傳感器的內部壓電元件施加壓力，壓電效應將機械信號轉換為易于處理的電信號[31-32]。聲發射壓電傳感器的壓電材料主要為鋯鈦酸鉛（Lead Zirconate Titanate, PZT），具有低成本和高靈敏度的特點。目前，市售的聲發射壓電傳感器主要為諧振型和寬帶型，諧振型壓電傳感器在低頻（10～100kHz）、標準（100～450kHz）和高頻（400～1 000kHz）段內具有高靈敏度[33]；寬帶型壓電傳感器在典型頻帶內（20～450kHz、100～1 000kHz、100～2 500kHz、300～2 200kHz和500～4 000kHz）具有平坦的頻率響應[34-35]。由于電力電子器件/模塊的電磁聲發射包含電磁波和高頻聲波，覆蓋頻帶較寬，推薦使用寬帶型壓電傳感器。

1.5 信號處理方法

機械應力波屬于mV 級微弱信號，易受背景噪聲的干擾。需對其進行處理來提升信噪比，從而有效提取其特征參數。檢測過程中根據背景噪聲的幅值和帶寬，在聲發射測量儀中設置檢測閾值和濾波頻段來抑制噪聲。隨后，對濾波的機械應力波進行時域、頻域和時頻分析，提取特征參數并分析源機制。使用時域特征參數法對機械應力波進行分析，機械應力波可以簡化為如幅值、上升時間、持續時間、計數、命中等特征參數，通過相關分析、分布分析和經歷分析等方法，形成基于時域特征參數的直方圖和趨勢圖，研究機械應力波源的時域特性。基于特征參數分析的時域分析法便于在線監測，已成為聲發射檢測技術的主要信號處理手段，但該方法簡化了聲發射信號的時域波形，忽略了聲發射源的部分信息[36]。使用快速傅里葉變換獲得機械應力波的幅頻特性曲線，或借助自相關函數和傅里葉變化獲得機械應力波的功率譜密度后，可提取峰值頻率、質心頻率、頻帶和頻譜峰度等頻域特征參數，研究機械應力波源的頻域特性。頻域分析法利用信號的完整信息，反映了機械應力波時間平均的頻域分布，能夠有效識別不同種類的源機制，傳統傅里葉變換結果受頻域分辨率影響，功率譜密度分析結果不受頻域分辨率影響，但基于傳統傅里葉變換和功率譜密度的頻域分析法都難以有效捕獲信號的局部特征[19,28]。使用短時傅里葉變換、小波變換、希爾伯特-黃變換等方法可提取機械應力波的時頻譜，時頻譜使用顏色編碼顯示幅度，在二維圖中顯示信號隨時間變化的頻譜信息，便于研究機械應力波源的時頻特性。時頻分析方法具有更強的信號處理能力，能夠同時在時域和頻域上表征機械應力波的局部特征，從而獲得有關源機制的更多信息，但時頻分析算法相對復雜，需要更多的運算時間[37-39]。

2 機械應力波的研究現狀

2.1 健康狀態

電力電子器件/模塊開關產生的機械應力波在近幾年才得到研究和關注。

2014～2017 年，芬蘭拉普蘭塔理工大學T. J.K?rkk?inenal 等在高低壓帶電感負載條件（開關電壓30～600V、開關電流75A）下，首次檢測到了IGBT 模塊（SK80GB125T）的關斷機械應力波及其傳播延時[17]，如圖3 所示。探究了聲發射傳感器和測試電壓對關斷機械應力波測量的影響[24-25]；給出了關斷機械應力波測量的注意事項[26]。如圖3a 所示，當傳感器逐漸遠離功率模塊時，機械應力波傳播延時不斷增加，證明了關斷機械應力波來自IGBT模塊內部。KRNBB-PC（寬帶型、100～1 000kHz）和Kistler 8152B111（諧振型、50～400kHz）聲發射傳感器測量的關斷機械應力如圖3b 和圖3c 所示，寬帶型傳感器在時域上響應較慢，測量的機械應力波頻譜顯著低于傳感器的測量帶寬；諧振型傳感器在時域上響應快，測量的機械應力波頻譜位于傳感器測量帶寬內。SK80GB125T 模塊的機械應力波時頻譜如圖4 所示，測試電壓對機械應力波影響顯著，高電壓使機械應力波出現更多的干擾、更寬的頻率分量和更短的持續時間。此外，聲發射傳感器通常安裝在模塊基板封裝側，聲發射傳感器的最高工作溫度應大于80℃。

圖3 SK80GB125T 模塊機械應力波及其傳播延時（集-射極電壓30V 和集電極電流75A）Fig.3 Mechanical stress waves and propagation delays of SK80GB125T module (collector-emitter voltage of 30V and collector current of 75A)

圖4 SK80GB125T 模塊的機械應力波時頻譜Fig.4 Time-frequency spectra of mechanical stress waves for SK80GB125T module

2018～2019 年，波蘭什切青海事大學R. Gordon等在低壓帶電阻負載條件（1Hz 開關頻率、20V 開關電壓、2.2A 開關電流條件）下，分析了IGBT 器件連續開關產生的機械應力波[21,27]，如圖5 所示。如圖5a 所示，IRG4BC40S 器件每間隔0.5s 都會出現機械應力波，表明功率器件的開關狀態切換是產生機械應力波的主要原因；圖5b 顯示了IRG4BC40S器件在開通時刻的機械應力波，其波形與驅動信號（二階RLC 電路的欠阻尼狀態）高度相似、呈正弦衰減振蕩狀。

圖5 低壓下IRG4BC40S 器件的機械應力波（集-射極電壓20V 和集電極電流2.2A）Fig.5 Mechanical stress waves of IRG4BC40S device under low voltage (collector-emitter voltage of 20V and collector current of 2.2A)

2018～2020 年，湖南大學李孟川、鄒翔等在高低壓帶電感負載條件（開關電壓10～400V、開關電流2～50A）下，提取并分析了硅（Silicon, Si）基IGBT、Si 基MOSFET、碳化硅（Silicon Carbide, SiC）MOSFET 器件開關過程產生的機械應力波[15]，首次發現了機械應力波的組成模式，探究了應力波不同分量的產生和傳播機制[16,18]，如圖6～圖8 所示。圖中，電力電子器件的機械應力波由低頻分量和高頻分量組成。高頻分量包含兩個脈沖波，兩脈沖波相位相反，時間間隔與驅動信號寬度相等，其特征參數與開關電壓呈線性關系；低頻分量的特征參數與集電極電流和驅動信號呈較強線性關系。此外，通過改變傳感器的耦合方式，發現高頻分量主要通過空氣傳播，低頻分量主要通過耦合劑傳播，低壓下STW58N60DM2AG 器件不同耦合條件如圖7所示。

圖6 高壓下IRG4PC40FDPBF 器件機械應力波組成模式（集-射極電壓300V 和集電極電流50A）Fig.6 Composition mode of mechanical stress wave in IRG4PC40FDPBF device under high voltage(collector-emitter voltage of 300V and collector current of 50A)

圖7 低壓下STW58N60DM2AG 器件不同耦合條件機械應力波（驅動電壓10V 和漏源電壓10V）Fig.7 Mechanical stress waves of STW58N60DM2AG device under different coupling conditions (gate voltage of 10V and drain-source voltage of 10V)

圖8 高壓下IMZ120R045M1 器件機械應力波及其時頻譜（漏源電壓400V 和漏源電流40A）Fig.8 Mechanical stress waves and time-frequency spectra of IMZ120R045M1device under high voltage (drain-source voltage of 400V and drain-source current of 40A)

上述研究表明，即使對于同一器件，機械應力波受測試條件、測試電路、檢測電路等條件影響，不利于機械應力波測量分析。但是通過上述研究可以確定以下內容：即使在低電壓電流條件下，仍有足夠強度的機械應力波被聲發射測量裝置捕獲；開關機械應力波包含了不同頻率分量，其中高頻分量出現在開關時刻，主要成分為電磁波，信號波形呈脈沖狀，傳播介質為空氣，傳播速度快，持續時間短，與開關電壓線性度高；低頻分量出現在開關時刻后，是開關切換過程中器件/模塊內部能量釋放在介質中傳播形成的聲波，這種聲波不同于人耳可聽的聲音，頻率一般高于20kHz，波形呈衰減振蕩狀，傳播介質為耦合劑，傳播速度慢，持續時間長，與開關電流和驅動信號線性度高。目前，涉及的機械應力波機理分析較淺，沒有從器件/模塊內部電磁瞬態和電-力-結構耦合機制等方面分析。

2.2 老化狀態

隨著開關次數的增加，電力電子器件/模塊內部鍵合線發生脫落、焊料層產生疲勞，導致功率器件/模塊性能退化。因此器件/模塊內部的機械參數發生變化，使開關機械應力波發生變化。

2018 年，德國開姆尼茨工業大學S. Müller 將單次開關機械應力波與模塊健康狀態相關聯[19]。不同狀態下IGBT 模塊機械應力波的頻譜如圖9 所示。老化使模塊單次開關產生的機械應力波在主頻率的頻域幅值明顯增強，諧振頻率的頻域幅值明顯降低，即機械缺陷對聲波調制的非線性現象。丹麥奧爾堡大學F. Iannuzzo 等將連續開關機械應力波頻域特征參數和IGBT 模塊集-射極導通壓降相關聯[20]，頻域幅值差值與DP25F1200 模塊集-射極導通壓降的關系如圖10 所示，不同狀態的IGBT 模塊在開關頻率處出現明顯頻域幅值差值（Maximum Absolute Error,MAE），并與集-射極導通壓降的變化趨勢一致，都隨功率循環而明顯增加。此外，圖10a 顯示的頻譜也出現了機械缺陷對機械應力波調制的非線性現象，即主頻率的頻域幅值降低，諧振頻率的頻域幅值升高。2020 年，不同狀態IRG4PC40S 器件機械應力波的功率譜密度如圖11 所示，波蘭什切青海事大學的A. Bejger 等發現，IGBT 器件狀態的改變使機械應力波功率譜密度的分布特性發生變化，但沒有對功率譜密度變化特征進行描述[28]。

圖9 不同狀態下IGBT 模塊機械應力波的頻譜Fig.9 Frequency spectra of mechanical stress waves in IGBT module under different conditions

圖10 頻域幅值差值與DP25F1200 模塊集射極導通壓降的關系Fig.10 Relationship between difference value of frequency domain peak and collector-emitter conduction voltage drop of DP25F1200 module

圖11 不同狀態IRG4PC40S 器件機械應力波的功率譜密度Fig.11 Power spectral densities of mechanical stress waves in IRG4PC40S device under different conditions

上述研究表明，老化使功率器件/模塊內部的機械參數發生變化，并可能在其內部出現機械缺陷，使機械應力波出現非線性超聲調制現象（主頻率峰值增強諧振頻率峰值減小或主頻率峰值減小諧振頻率峰值增強）[40]。因此，可以利用老化狀態對機械應力波的非線性調制現象來監測功率器件/模塊的健康狀態。但是，目前研究沒有涉及機械應力波與器件/模塊機械損傷的定量關系分析，無法評估損傷屬性。

3 討論與展望

相較于其他檢測技術，聲發射技術能夠更快地檢測物體內部的機械損傷，為設備的維護決策提供更長的響應時間，并具備快速、在線和非侵入的優點，在電力電子器件/模塊狀態檢測方面具有巨大的發展潛力。但現有研究距離形成基于機械應力波的電力電子器件/模塊狀態監測方法還有一定的距離，主要體現在以下五個方面：

（1）機械應力波的理論研究剛剛起步。現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，導致不能深入研究功率器件/模塊機械應力波機理。

（2）現有研究主要集中在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展機械應力波的檢測范圍。

（3）多數研究以實驗獲得的信號分析為主，測量的信號混合了瞬態電磁場信號與電磁干擾，給機械應力波測量、分析和特征提取造成了困難。

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

（5）現有聲發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/模塊內部，且難以滿足現場嚴苛條件的應用需求。

基于現有研究存在的問題，功率器件/模塊機械應力波的發展趨勢主要集中在以下五個方面：

（1）電力電子器件/模塊開關產生的電磁聲發射信號由兩部分組成，高頻分量反映了電磁瞬態過程，低頻分量反映了電-力-結構間的耦合信息。因此，高頻分量可通過SIwave/HFSS[41]、CST MWS[42]等電磁和射頻仿真軟件研究其產生與傳播機制；低頻分量可通過TCAD 與Ansys 結合[43]、COMSOL[44]、ABAQUS[45]等有限元仿真軟件研究其產生與傳播機制。

（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部的機械應力波，形成較為通用的功率器件/模塊機械應力波檢測方法。

（3）使用強大的信號處理算法來抑制干擾信號，盲源分離和自適應濾波技術似乎是合適的選擇，因為在現場測試強干擾條件下，這些算法能夠在復合材料[46]、混凝土[47]和鋼軌[48]中有效提取機械損壞產生的聲發射信號特征。

（4）借助維卷積神經網絡、循環神經網絡、長短期記憶網絡等深度學習模型，建立基于時間序列深度學習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。在強噪聲干擾和大量無序信號的條件下，這些算法在橋梁[49]和壓力容器[50]缺陷識別方面，仍具有很高的識別精度。

（5）基于MEMS 傳感器[51]和光纖傳感器[52]尺寸小和可嵌入的特點，利用新型制造工藝將其嵌入功率器件/模塊內部，便于在惡劣的現場測試條件下測量機械應力波，擴展機械應力波檢測技術的應用范圍。

4 結論

電力電子器件/模塊在開關切換時產生的電磁聲發射不同于傳統聲發射，其伴隨著器件/模塊的正常工作產生，具有很強的研究價值。現有研究已經證明了機械應力波檢測技術的高靈敏度，初步形成了機械應力波產生與傳播的機理，發現了功率器件/模塊老化對機械應力波的非線性調制現象，證明了基于機械應力波的電力電子器件/模塊狀態監測技術的可行性。

但現有研究距離形成功率器件/模塊的機械應力波狀態監測方法還有很長的距離，特別是在機理完善分析、特征參數有效提取和診斷模型準確構建方面。隨著電力電子裝備多物理場仿真建模技術、智能濾波技術和深度學習算法快速發展，填補這些研究空白只是時間問題。相信在不遠的未來，機械應力波狀態監測方法能夠快速、在線和非侵入地檢測功率器件/模塊內部的機械損傷，完善電力電子裝備狀態監測體系，保障電力電子裝備的服役可靠性。