界面缺陷及老化狀態下電力電子器件封裝絕緣應力波檢測與分析

何東欣 魏君宇 王婉君 徐喆 李清泉

界面缺陷及老化狀態下電力電子器件封裝絕緣應力波檢測與分析

何東欣1魏君宇1王婉君2徐喆1李清泉1

（1. 山東大學電氣工程學院山東省特高壓輸變電技術與裝備重點實驗室 濟南 250061 2. 國網山東省電力公司濟南供電公司 濟南 250000）

電力電子器件在運行過程中會產生應力波，該信號可以表征器件的內部信息和工作狀態，可用于器件的在線監測。該文首先從測量絕緣內部空間電荷的電聲脈沖法原理出發，從封裝絕緣的角度對脈沖邊沿時刻應力波的形成機理進行了深入探討，發現絕緣材料中空間電荷在脈沖邊沿處的振動可能是應力波的發射源之一。在此基礎上，設置具有單一的界面缺陷和老化缺陷的試樣，進行脈沖邊沿時刻的應力波檢測，并將其與正常狀態下的應力波進行對比，探究不同缺陷類型對應力波參數的影響。結果顯示，界面缺陷會使得應力波在高頻處產生新的峰，而老化缺陷則會導致應力波的頻域分量向低頻處集中，不同的缺陷類型與應力波的時域和頻域檢測結果存在良好的對應關系。該研究可為建立電力電子器件缺陷狀態與應力波參數之間的關聯關系奠定基礎。

電力電子器件 應力波 狀態監測 界面缺陷 老化狀態

0 引言

現代電力系統中，以IGBT、MOSFET為代表的電力電子器件具有體積小、作用靈活、使用方便等優點，在直流輸電、新能源并網等領域得到了廣泛的應用[1-2]。然而，電力電子器件的可靠性卻難以滿足現代電力系統的需求。調查報告顯示，電力系統中發生的絕大多數故障都是由于電力電子器件的失效導致的[3]。一方面，電力電子器件在工作過程中所承受的溫度、電壓等外界條件變化十分劇烈，加快了材料的疲勞失效，使得器件應對外界條件變化的能力變弱；另一方面，對性能的過分追求導致器件的裕量通常設計得很低，這也增加了運行過程中故障發生的可能性[4-5]。因此，監測電力電子器件的工作狀態，對保障電力系統的正常運行具有重大意義。

國內外學者對電力電子器件的失效機理進行了許多研究，發現失效是在電-熱-應力場的共同作用下導致的[6-7]。傳統的電力電子器件監測方法，主要建立在對器件工作過程中電、磁、熱等信息參數的提取上[8-11]。基于電信息的監測方法主要是對器件工作過程中關鍵位置的電氣量進行提取，并通過機械學習、建立模型等方法，分析電氣量與器件狀態之間的對應關系[12-15]。基于磁信息的監測方法則是利用巨阻磁效應，借助于器件內部的磁場傳感器，來獲得器件內部的結構信息[16]。基于溫度信息的監測方法主要是利用傳感器，對器件的內部結溫、表面溫度等熱力學量進行提取，然后借助軟件對數據進行處理量化，將結果與正常工作狀態下得到的結果進行比較，從而判斷器件的工作狀態[17-18]。上述方法都可以對電力電子器件的工作狀態進行有效的監測與評估，然而由于器件的內部結構太過復雜，所以目前的絕大多數研究局限于通過物理量來表征器件的工作狀態，而不能確定具體的故障類型。因此，需要探尋其他能夠表征器件工作狀態的物理量，對電力電子器件的監測方法進行擴展。

局部能量的快速釋放會產生應力波，該信號能夠表征發射源內部缺陷及其物理性質，因而可用于發射源狀態的評估[19]。該方法具有快速、實時、非侵入等特點，符合電力電子設備在線監測的需求，因此在近幾年得到了國內外學者的廣泛關注[20]。芬蘭拉普蘭塔理工大學的T. J. K?rkk?inen等首次觀察到功率半導體模塊的通斷瞬間會發射聲信號[21]。波蘭什切青海事大學的R. Gordon等對IGBT器件連續開斷釋放的應力波進行了分析，發現器件的開斷是應力波產生的主要原因[22]。德國開姆尼茨工業大學的S. Müller在頻域范圍內對老化器件釋放的應力波進行了分析，發現老化使得應力波信號在主頻率處的幅值增大，在諧振頻率處的幅值減小[23]。湖南大學的何赟澤等對電力電子器件在工作過程中釋放的應力波的產生機理及影響因素進行了深入研究，并對應力波信號中的不同頻域分量進行分析，得到了不同工作條件下應力波參數與電氣參數之間的關系[24-26]。

上述文獻對電力電子器件開斷過程中釋放應力波的影響因素進行了探究。然而，現有文獻主要針對器件整體開展應力波檢測。研究顯示，在器件內部存在多個應力波發射源，不同發射源產生的應力波信號摻雜在一起，給器件內部狀態分析帶來了很大的困難[27]。此外，這種方法對于器件內部狀態的界定不明確，很難建立具體的缺陷類型與狀態同應力波的直接關聯關系。因此，需要嘗試研究特定的發射源在確定的缺陷類型下的機械應力波特性。

本課題組近年來開展了脈沖電場下絕緣材料電荷行為及響應特性的研究，前期研究已發現聚酰亞胺（Polyimide, PI）、有機硅等器件封裝材料在脈沖上升沿和下降沿時刻的電荷振動現象，通過壓電傳感器檢測到脈沖邊沿時刻的應力波信號，并從電荷受力平衡的角度對應力波產生機理進行了闡述[28]。通過與現有的電力電子器件應力波檢測的研究結果比較分析，發現絕緣封裝中的電荷振動現象可能是脈沖時刻器件應力波的來源之一，即器件內部的半導體或絕緣材料中的界面或空間電荷，在脈沖電場力作用下發生快速位移，并帶動束縛電荷的分子或晶體結構發生振動，進而形成應力波。通過實驗室制作的封裝絕緣模型，可以獲得明確的材料和結構條件下的應力波，便于探討應力波產生的物理機制。更為方便的是，可以人為設置不同的絕緣缺陷類型，研究缺陷形式與應力波特性的直接關聯關系，進而映射到實際的器件缺陷檢測中。因此，本文提出研究人為設置缺陷的實驗室模型的應力波特性的方法，可以作為器件應力波檢測技術研究的新思路。

本文首先從微觀的角度，對電力電子器件在運行過程中產生應力波的機理進行了分析。然后基于電力電子器件在運行過程中常見的封裝絕緣故障形式，設置了不同材料界面和絕緣老化兩種缺陷類型，對不同缺陷狀態下的應力波進行了探測。并且分別在時域和頻域內，將存在缺陷時的應力波與正常狀態下的應力波進行了對比分析。最后總結了不同缺陷下器件應力波的參數特征。

1 脈沖邊沿處應力波的產生機理

在現代電力電子領域中，為了使得到的波形變得平滑，器件通常工作在較高通斷頻率的狀態下，這使得其承受高重復頻率和高電壓上升率的方波脈沖電壓[29]。由此推斷，長期承受高頻、高幅值、陡上升沿和下降沿的脈沖電壓的沖擊作用，是高壓電力電子裝備的普遍工況。

由于外加電場和極化的影響，降低了電子逸出電極的勢壘，從電極發射的電子在外加電場的作用下產生遷移，在遷移過程中被介質中的陷阱所捕獲，從而形成空間電荷。空間電荷的存在會導致局部電場的畸變，進而影響材料的絕緣性能。目前較為常用的空間電荷檢測方法為電聲脈沖（Pulsed Electro-Acoustic, PEA）法，其基本原理為：給試樣施加一個微擾場脈沖，破壞空間電荷原本的平衡狀態，由于電荷與原子核或分子單元之間的強耦合作用，電荷會帶動分子振動并產生應力波[30]。根據電聲脈沖法的原理，帶電分子會在窄場脈沖的作用下發生振動，考慮到電力電子器件在工作過程中始終受到高頻率、陡上升下降沿的方波脈沖電壓的影響，脈沖的上升和下降時間均處于ns范圍內，其頻率分量與電聲脈沖法所施加的微擾場脈沖所包含的頻率分量相近。據此推測，在正常工況下，電力電子器件絕緣與半導體材料中的分子或晶格結構會由于脈沖上升下降沿的激勵作用發生振動，并產生應力波。

在先前的研究中[28]，以聚酰亞胺為研究對象，對脈沖電場上升沿和下降沿處分子的行為進行了研究，發現在脈沖的上升沿和下降沿處，分子的確發生了振動，并檢測到了振動產生的應力波，如圖1所示。其中脈沖電壓幅值為-1kV，脈沖的上升和下降時間均為100ns。應力波可以分為三部分。由于試樣與傳感器之間存在鋁電極板，并不直接接觸，因此分子振動所產生的應力波被傳感器接收要經過一定的延時。此裝置中鋁電極的厚度為15mm，鋁中的聲速約為6 300m/s，可以計算出應力波從產生到被傳感器接收所經過的延時約為2.4μs。由此可以判斷，圖中第二部分即為分子振動所產生的應力波。第一部分信號的傳播時延為0，這說明第一部分信號是由于在脈沖邊沿時刻電壓突變所產生的電磁信號，由于電磁波傳播速度極快，約為光速，因此在其產生的瞬間便被傳感器所捕獲。第三部分信號和第二部分信號之間的時間間隔為4.8μs，是在鋁板中傳播時間的兩倍，且幅值與第二段波形相比具有明顯衰減。因此，第三部分信號是第二部分信號的反射波形。

圖1 脈沖電壓邊沿處的波形

對第一部分和第二部分信號進行傅里葉分解（由于第三部分信號是第二部分信號的反射波形，其所包含的頻域分量與第二部分基本一致，因此不進行分析），得到脈沖邊沿處分子振動信號的頻譜圖如圖2所示。發現第二部分信號的頻域分量主要集中在0～20MHz范圍內，屬于低頻分量；第一部分信號的上限截止頻率高達1 000MHz，屬于高頻分量。在其他學者的研究中也發現了類似的現象。湖南大學的何赟澤等對功率MOSFET在通斷過程中發射的應力波的成分進行了分析，發現由低頻分量和高頻分量兩部分組成，低頻信號與高頻信號之間存在時延，如圖3所示[24]。

圖2 脈沖邊沿處分子振動信號的頻譜圖

圖3 MOSFET通斷時產生的應力波信號

關于應力波的來源，目前主流的觀點是器件通斷時刻劇烈變化的電磁場使帶電粒子和晶格發生振動，從而釋放應力波。T. J. K?rkk?inen、何赟澤、李孟川等從電磁應力的角度出發，認為器件關斷時刻內部的電流會急劇變化，在周圍空間中產生劇烈變化的電磁場，帶電粒子由于電磁力的作用發生振動并釋放應力波[21,24-25]。耿學峰等則從能量的角度入手，認為電流變化的瞬間會產生瞬時脈沖功率并釋放熱量，熱量進入芯片薄層后會使材料晶格動能增加，導致晶格振動并釋放應力波[31]。由此可見，國內外學者普遍從電流的角度，對應力波的產生機理進行了深入剖析，而關于通斷時刻劇烈變化的電場對應力波的產生是否有影響，目前還沒有明確的結論。本課題組基于電聲脈沖法的基本原理，同時考慮到電力電子器件運行過程中的實際工況，從電場的角度對應力波的成因進行了解釋：器件開斷時刻內部電場急劇變化，破壞了帶電粒子的受力平衡，導致帶電粒子振動并產生應力波。這幾種觀點分別從電場、磁場、能量的角度，對電力電子器件通斷過程中應力波的產生機理進行了闡述，可以互為補充。

綜上所述，應力波由低頻分量和高頻分量組成。其中，低頻信號是由于器件內部分子振動而產生，同內部結構緊密相關，其所反映的器件工作狀態信息更加準確。且低頻信號與高頻信號相比，不但波形更為簡潔，所包含的頻域分量也更少，還可以通過低通濾波器對其進行提取，分析過程更為簡便。因此本文主要對應力波的低頻分量，即分子振動所產生的信號進行研究。當器件出現故障時，由于內部結構以及物理性質發生變化，應力波的參數也會發生變化。因此，可以通過對應力波進行提取和分析，來評估電力電子器件的工作狀態。

2 實驗系統及缺陷設置

2.1 電力電子器件失效機理

電力電子器件的失效類型，可以根據失效部位分為兩大類：芯片失效和封裝失效[32]。芯片失效是指電力電子器件的集成芯片在運行過程中出現功能異常等問題，通常是由電、熱、應力等因素共同導致的。由于芯片具有結構復雜、密封性好等特點，迄今為止并沒有研發出比較好的針對芯片失效的在線監測方法。封裝失效是指除了芯片外的其他結構出現異常的現象，常見的類型有鍵合線失效、焊料層疲勞等[33-34]。封裝失效并非偶發性故障，而是由于運行過程中缺陷的長期積累所致，如裂縫等局部缺陷及材料的老化疲勞等。通常情況下，器件內部的缺陷會導致內部結構及材料性質發生變化，應力波信號的參數也會發生改變。本文即面向封裝失效缺陷中的界面缺陷和材料老化缺陷，設置單一缺陷實驗模型，來探究器件內部缺陷對應力波參數的影響。

2.2 振動應力波信號測試平臺

實驗裝置的整體原理及實物如圖4所示，該系統主要由高壓脈沖電源、分子振動測量單元、觸發控制電路、放大器、示波器組成。其中，高壓脈沖電源可以產生納秒級別上升下降時間的方波脈沖電壓，用來模擬電力電子器件在運行中的實際工況。方波脈沖電壓的波形如圖5所示，其上升沿和下降沿時間均為100ns。觸發控制電路可以控制觸發時間，從而實現脈沖邊沿處分子行為的測量。分子振動測量單元由高壓電極、半導電層、待測試樣、接地電極、聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride, PVDF）壓電傳感器、放大器組成。PVDF壓電傳感器接收到待測試樣中分子振動發出的聲信號，會由于受到壓力的作用發生形變，產生聲電反應，從而將微弱的聲信號轉換為電信號。電信號經放大器放大后被示波器所接收。半導電層放置在高壓電極和試樣之間，作用是改善高壓電極周圍的電場分布，防止閃絡現象的發生。

圖4 分子振動信號測試平臺

圖5 方波脈沖電壓波形

2.3 界面缺陷設置

電力電子器件在運行過程中，劇烈變化的電場、溫度場、應力場會對材料的微觀結構造成損傷，在局部形成氣隙。例如局部畸變的電場會對絕緣材料的分子鏈產生破壞，在絕緣層內部形成電樹枝。過高的溫度場會加劇焊料層承受的不均勻熱應力，導致焊料層中出現空洞、裂紋、分層。氣隙的存在會破壞分子取向、結構、物理性質的連續性，導致界面的產生。由于界面兩側的物理性質存在差異，以及界面之間聲阻的存在，應力波在界面傳播時會發生衰減和畸變。此外，界面處由于電導率和介電常數等參數不連續，會積累大量界面電荷，因此脈沖邊沿時刻界面兩側分子振動十分劇烈。基于界面缺陷的上述性質，本實驗中，通過試樣疊放的方式來模擬器件內部的界面缺陷，如圖6所示。通過改變疊放的試樣類型（相同試樣疊放/不同試樣疊放）來改變界面兩側的物理性質，通過在兩片試樣的接觸面處涂抹耦合劑來改變界面處的聲阻。聚酰亞胺由于具有極佳的耐高溫性能、機械性能和介電性能，成為電力電子領域最常用的材料之一[35]。而交聯聚乙烯（Cross-Linked Polyethyline, XLPE）由于其優良的環境耐受性能以及絕緣性能，在高壓領域得到了廣泛的應用。因此，本實驗以交聯聚乙烯和聚酰亞胺作為研究對象。具體的界面缺陷設置情況見表1。

圖6 界面缺陷示意圖

表1 界面缺陷設置

Tab.1 Interface defect setting

2.4 老化缺陷設置

在電力電子器件的運行過程中，嚴苛的溫度及電場環境會加劇器件的老化損傷，使其性能發生劣化。電力電子器件的老化主要可以分為兩類：①長期的電熱應力作用導致的金屬疲勞，主要包括金屬疲勞裂紋的產生以及焊點的脫落[36]；②局部放電和高溫對高分子材料中分子結構造成的損傷，比如分子鏈的斷裂、分子的裂解等[37-38]。相較于金屬材料，高分子材料中聲信號發射的現象更加明顯。R. Khazaka等對高溫下聚酰亞胺薄膜的老化特性進行了研究，發現聚酰亞胺材料的機械及電氣特性受老化的影響較小[39]，因此以交聯聚乙烯為研究對象，探究老化對應力波信號參數的影響。考慮到電力電子器件的老化是在電-熱耦合場的共同作用下導致的[40]，本實驗通過將試樣放置在高溫、強電場環境中的方法，來加快試樣的老化速度。研究表明，114℃是XLPE試樣晶區達到解列峰值的溫度，因此，試樣老化環境的溫度和電壓分別設置為114℃和30kV。根據老化效果，老化時間分別設置為0天、120天、200天。不同老化時間下的老化試樣如圖7所示。

圖7 XLPE老化試樣

3 界面缺陷對應力波的影響

3.1 實驗結果

不同界面缺陷下應力波時域波形如圖8所示，不同界面聲阻抗下應力波的疊加和界面對應力波傳播的影響分別如圖9和圖10所示。完全理想狀態下，由于兩片試樣和PVDF壓電傳感器之間的距離不同，因此PVDF壓電傳感器應該先檢測到靠近下電極的試樣產生的應力波，隨后檢測到靠近上電極的試樣產生的應力波，示波器上應連續顯示兩個單層試樣產生的應力波，且兩個信號之間沒有相互干擾，如圖9a所示。然而，由于介質內部的弛豫現象，以及界面兩側介質不同，應力波在界面處傳播時存在損耗和色散，這會導致應力波在經過界面時波形的畸變，具體表現為波形的峰值減小，寬度變寬，且出現拖尾現象，如圖10所示。下層試樣產生的應力波在到達PVDF壓電傳感器之前，只需經過試樣與下極板形成的界面，因此PVDF壓電傳感器接收到的波形不會發生較為嚴重的失真。而上層試樣產生的應力波在傳播時，除了需要經過下層試樣與下極板形成的界面外，還需要經過上層試樣和下層試樣之間形成的界面，這導致上層試樣產生的應力波在傳播過程時的衰減和色散更為嚴重。因此，兩片試樣產生的應力波存在相互重疊的區域，導致示波器上顯示的波形發生畸變，如圖9b所示。接觸面不涂耦合劑的情況與涂有硅油的情況相比，界面處的聲阻更大，發生的損耗和色散更加嚴重，應力波信號的拖尾也更加嚴重，這會導致應力波重合的區域更大，波形的畸變也更加嚴重，如圖9c所示。

圖8 不同界面缺陷下應力波時域波形

由于PI和XLPE的聚合單元的結構以及數目不同，產生的應力波信號的時域波形存在較大的差異。對比圖8a和圖8b可知，在激勵源固定的情況下，PI產生的應力波的正峰值為1.5V，負峰值為0.2V，且整體波形較為平滑；而XLPE產生的應力波的正峰值僅有0.4V，遠小于PI產生的應力波對應的峰值，且XLPE產生的應力波在峰值過后還存在電壓過沖。因此，PI疊加XLPE界面產生的應力波與PI疊加PI界面產生的應力波相比，兩個正電荷峰之間的幅值差距較大。此外，由于界面兩側的物理性質差距更大，在界面處傳播時發生的損耗和色散也更加嚴重，因此與相同試樣疊加發射的應力波相比，不同試樣疊加產生的應力波存在更嚴重的拖尾現象，且波形中的毛刺也更加明顯。

圖9 不同界面聲阻抗下應力波的疊加

圖10 界面對應力波傳播的影響

3.2 應力波的頻譜分析

根據上述分析可知，界面的存在會使應力波產生畸變，畸變的程度與界面兩側的物理性質以及界面處的聲阻大小有關。應力波是能量在介質中傳播產生的機械波，其本質是一種能量釋放現象，而頻譜圖可以直觀地反映各個頻段內能量的分布情況。為了更直觀地分析界面情況對應力波的影響，對實驗結果進行傅里葉分解，得到不同界面情況下應力波的頻譜如圖11所示。

實驗結果顯示，應力波的頻域分量主要集中在0～20MHz的范圍內。不同界面情況下，應力波頻譜圖的尖峰頻域段及其幅值各不相同。單層PI試樣產生的應力波僅在2MHz處存在尖峰；單層XLPE試樣產生的應力波，分別在2MHz與10MHz處存在尖峰。相同試樣疊加產生的應力波，除了在2MHz處存在尖峰外，在13MHz處也存在一個峰值更小的尖峰。相同試樣疊加且界面處涂有硅油的情況下，13MHz處的峰值與2MHz處的峰值之比為0.67；而界面處不涂硅油的情況下，13MHz處的峰值與2MHz處的峰值之比為0.23。這表明界面的存在會使得應力波的頻譜產生額外的峰，該峰與主峰的比值隨著界面耦合程度的增加而增加，這種現象出現的原因可能是上下層試樣產生的應力波的頻域分量不同導致的。通過3.1節中對應力波的時域波形分析可知，存在界面時的應力波可以看做上下層試樣單獨產生的應力波的疊加。在理想情況下，上下層試樣產生的應力波完全相同，所包含的頻域分量也相等。然而由于界面的存在，上層試樣產生的應力波發生色散，這使得其包含的頻域分量發生變化，因此在頻域內產生了新的頻譜峰。耦合劑屬于黏性材料，其存在會改變界面兩側分子振動的彈性系數，從而加劇了應力波頻譜的畸變。因此，與界面不作處理的情況相比，涂有耦合劑時高頻處的頻譜峰與主頻譜峰的比值更大。對于不同試樣疊加產生的應力波，由于XLPE產生的應力波的強度小于PI產生的應力波的強度，因此其對頻域的影響更小。在實驗結果中表現為：PI與XLPE疊加的情況下，除了在2MHz處存在尖峰外，在10MHz附近并沒有產生新的頻譜峰，而是形成了一段較為平坦的結構。

4 老化狀態對應力波的影響

不同老化階段的試樣所產生應力波的時域及頻域圖如圖12所示。時域結果顯示，應力波的拖尾程度隨著試樣老化程度的增加而增大。而從頻譜圖中可以看出，頻域分量主要集中在0～20MHz的范圍內。未經老化的XLPE試樣產生的應力波，分別在2.6MHz和10.8MHz處存在頻譜峰。在114℃、30kV的條件下老化120天的試樣產生的應力波，同樣在1.7MHz和11.7MHz處存在兩個頻譜峰。與未老化的試樣相比，其頻域分量主要集中在低頻范圍內，高頻處的頻域分量明顯減弱。在114℃、30kV的條件下老化200天的試樣產生的應力波，頻域分量集中在低頻處的現象更加明顯，僅在1.4MHz處存在一個頻譜峰。

圖12 老化試樣的應力波時域及頻譜圖

實驗結果顯示，老化會使得試樣產生的應力波信號的頻域分量發生變化。隨著老化程度的增加，頻域分量逐漸向低頻范圍內集中。這種現象是由于材料分子的內部結構變化導致的。分子之間的結合力主要是電磁力，其大小與分子之間的相對位置有關，且作用機理表現為與分子所受到的形變力相對抗，可以看作彈性力。因此在受到微擾時，分子會在外力與彈性力的共同作用下發生振動，并產生應力波。應力波的頻率與分子的振動頻率有關，而分子的振動頻率則受到分子之間耦合程度的影響。耦合越劇烈，振動頻率越大。而在老化狀態下，由于分子結構遭到破壞，彼此之間的耦合程度降低，這會導致分子的振動頻率降低。因此，隨著老化程度的增加，試樣產生的應力波信號的高頻分量逐漸減少，低頻分量逐漸增加。

5 結論

本文從微觀尺度下分子振動的角度，對電力電子器件在工作過程中產生應力波的現象進行了分析，發現急劇變化的電場會導致絕緣材料中的空間電荷振動并產生應力波，進而推測電力電子器件的封裝絕緣部分可能是應力波的來源之一。并通過實驗的方法，探究了界面缺陷和老化缺陷兩類缺陷對應力波參數的影響。主要結論如下：

1）電力電子器件的通斷會引起本身承受的電場急劇變化，導致封裝絕緣中帶電粒子的受力平衡被打破，使其振動并產生應力波。而器件中的缺陷會導致內部結構發生變化，進而導致應力波參數的變化。因此，通過對器件在工作過程中產生的應力波信號進行監測，可以獲知器件的工作狀態。

2）界面缺陷對應力波的影響主要體現在產生機理和傳播過程兩方面。界面處產生的應力波可以看作相鄰兩個試樣界面積累的表面電荷所產生的應力波的疊加。由于信號會在界面處存在衰減和色散，其包含的頻域分量發生變化，這使得合成后的信號在高頻處產生新的峰。此外，耦合劑會使得部分分子間的彈性系數發生變化，因此存在耦合劑時，高頻峰的峰值比不存在耦合劑時的峰值更大。

3）老化會使得分子之間的耦合程度降低，這導致分子振動產生的應力波所包含的低頻分量增加，高頻分量減少。這種現象隨著試樣老化程度的增加而愈加明顯。因此，通過對電力電子器件發射的應力波進行頻域分析，可獲知器件的老化程度。

本文對電力電子器件封裝絕緣中產生的應力波進行分析，得到了不同缺陷類型對應力波的影響因素。不過，所設置的缺陷模型較為簡單，尚不能全面反映器件內部的各種缺陷狀態。在后續工作中，將考慮器件結構、封裝布局等因素對聲信號傳播造成的影響，對應力波信號參數與故障類型之間的關系進行進一步的深入探究。

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Detection and Analysis of Stress Wave in Power Electronic Device Packaging Insulation under Interface Defects and Aging Conditions

He Dongxin1Wei Junyu1Wang Wanjun2Xu Zhe1Li Qingquan1

（1. Shandong Provincial Key Laboratory of UHV Transmission Technology and Equipment School of Electrical Engineering Shandong University Jinan 250061 China 2. State Grid Shandong Jinan Electric Power Company Jinan 250000 China）

Power electronic devices generate stress wave during operation. This signal can reveal the internal information and working state of the devices, and can be used for on-line monitoring of power electronic devices. It is found that there are many stress wave emission sources in the devices. However, the existing research mainly focuses on the stress wave generated by the whole device, but ignores the correlation between the specific defect types and the stress wave. To solve this problem, this paper proposes a stress wave research method based on artificially set defects to explore the direct relationship between defect form and stress wave characteristics.

Firstly, from the phenomenon that space charge generates acoustic signals after being disturbed by pulsed electric field, the formation mechanism of stress wave is analyzed from the perspective of packaging insulation. It is found that the vibration of space charge at the edge of pulse in insulating material may be one of the emission sources of stress wave. Then the samples with single interface defects and aging defects were set, and the stress wave was detected. In the time domain and frequency domain, the stress wave generated by the defective samples are compared with those generated by the normal samples, to explore the influence of different defect types on stress wave parameters.

The experimental results show that the stress wave generated by the sample with interface defects can be regarded as the dislocation superposition of the stress wave generated by the sample under two normal conditions, and the waveform is related to the physical properties on both sides of the interface and the acoustic resistance at the interface. The reason for this phenomenon is that space charges will accumulate on both sides of the interface, and the stress wave generated by its vibration will interfere with the original stress wave. In addition, the acoustic resistance at the interface will also make the stress wave attenuate and disperse in the propagation process, resulting in the distortion of time-domain waveform. The spectrum analysis results show that the frequency domain components of stress waves are mainly concentrated in the range of 0～20MHz. In the case of interface, the frequency spectrum of stress wave will produce additional peaks at high frequencies, its position and amplitude are related to the interface conditions. The experimental results of aging samples show that with the increase of aging degree, the frequency domain component of stress wave gradually concentrates to the low frequency range. The reason is due to the internal structure changes of material molecules. The interaction force between molecules can be regarded as elastic force, and its vibration frequency is affected by the degree of coupling between molecules. The stronger the coupling, the greater the vibration frequency. In the aging state, due to the destruction of the molecular structure, the degree of coupling between them decreases, which leads to the reduction of the molecular vibration frequency.

Through the study of the stress wave generated by the sample under the interface and aging defects, the following conclusions can be drawn: ①Defects in power electronic devices lead to changes in the internal structure, which result in changes in the stress wave parameters. ②The influence of interface defects on stress wave is mainly reflected in the generation mechanism and propagation. The existence of the interface will distort the time-domain waveform of the stress wave and produce new spectral peaks at high frequencies. ③Aging defects reduce the coupling degree between molecules, which leads to the increase of the low-frequency component and the decrease of the high-frequency component of the stress wave generated by molecular vibration. This phenomenon becomes more obvious with the increase of the aging degree of the sample.

Power electronic devices, stress wave, condition monitoring, interface defect, aging state

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221282

TM930

國家自然科學基金（51907105，U1966209）和山東省自然科學基金（ZR2019QEE013）資助項目。

2022-06-30

2022-07-22

何東欣 男，1990年生，碩士生導師，研究方向為電力電纜等電氣設備在線監測與故障診斷、電氣絕緣空間電荷理論及其應用。E-mail：hdx@sdu.edu.cn

李清泉 男，1969年生，教授，博士生導師，研究方向為高電壓技術、電力變壓器內絕緣狀態在線監測、絕緣劣化機理和輸配線路防雷技術等。E-mail：lqq@sdu.edu.cn（通信作者）

（編輯 李冰）