逆變電路中功率器件聲發(fā)射信號分析

劉 菲， 何赟澤， 唐銳洋， 任丹彤， 白 蕓， 劉松源

(湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082)

逆變技術是一種應用功率半導體器件將直流電變換為交流電的變流技術[1]。隨著電力半導體器件的發(fā)展，逆變技術廣泛應用于航空、電動汽車、新能源和并網逆變[2-5]等方面。由電力電子功率半導體器件組成的逆變電路是逆變器中的核心部分，由于功率器件處于不停的開關狀態(tài)，導致逆變電路成為系統的薄弱裝置，是主要的失效組件[6-7]。在整個逆變系統中，任何一個器件的故障或者損壞都會導致整個電路甚至系統的癱瘓，造成嚴重的安全事故或經濟損失，因此提高功率器件的可靠性是提高整個逆變系統可靠性的重要環(huán)節(jié)[8]。智能制造中的感知、分析和決策等重要環(huán)節(jié)都離不開狀態(tài)監(jiān)測技術[9]。目前，狀態(tài)監(jiān)測技術是提高功率器件可靠性的最有效的手段和方法[10]。電力電子器件內部狀態(tài)提取主要包括：基于電參數、磁參數、熱參數和聲發(fā)射參數的狀態(tài)提取。其中，基于電參數的器件狀態(tài)提取方法主要有故障狀態(tài)直接提取[11]和間接提取[12]；基于磁參數的器件狀態(tài)提取方法主要是巨磁阻場探測器法[13]；基于熱參數的器件狀態(tài)提取方法主要有物理接觸式測量法[14]、紅外光學非接觸式測量法[15]、熱敏感電參數[16]和熱阻抗模型預測法[17]。這些方法大都不能對功率器件實現非侵入式快速實時監(jiān)測，因此提出一種新的在線監(jiān)測方法——聲發(fā)射檢測技術。

聲發(fā)射檢測技術是無損檢測中的一種新方法，它可以提供連續(xù)的狀態(tài)信息，適合設備的在線監(jiān)控及早期破壞預警[18-19]。2014年，芬蘭拉普蘭塔理工大學Karkkainen等[20]采用雙脈沖測試電路和聲發(fā)射測量系統監(jiān)測絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)開關期間的聲發(fā)射信號，可以清楚地觀察到聲發(fā)射信號是在電力電子模塊的關閉過程中發(fā)生的。之后，Karkkainen等[21]探究了傳感器帶寬對測量的影響，發(fā)現由于2個傳感器的特性不同，2個傳感器的輸出存在顯著差異，并且KRNBB-PC型聲發(fā)射傳感器檢測到的信號中低頻成分可能是由傳感器內部裝置共振引起的。2015年，Karkkainen等[22]通過聲發(fā)射檢測技術研究了IGBT的電氣故障，通過試驗發(fā)現了IGBT的2種電氣故障可能產生2種聲發(fā)射信號，即立即發(fā)射和故障后發(fā)射。2016年，德國Muller等[23]使用IGBT功率循環(huán)測試電路與聲發(fā)射測量系統，提取了IGBT老化過程中產生的聲發(fā)射信號，觀察到在關閉過程中，老化的電力電子模塊在50～150 kHz處的振幅要比未老化的電力電子模塊低。2018年，Davari等[24]建立額定電壓為1200 V和額定電流為25 A的三相功率模塊，發(fā)現循環(huán)數次后的聲發(fā)射信號頻域最大幅值與零次循環(huán)頻域最大幅值和平均通態(tài)壓降相關性非常大，并且為所提出方法的概念提供了可靠的證明。國內方面，湖南大學李孟川等[25]通過信號處理與頻譜分析得到了機械應力波的時域和頻域特征參數，例如幅值、峰峰值、峰值頻率和頻率范圍，研究結果表明：合理設置采樣閾值和阻帶頻率能夠測量機械應力波。湖南大學何赟澤等[26]在低壓條件下，設計了單脈沖測試電路并對功率MOSFET進行試驗，發(fā)現系統采集的高頻電磁波是由器件漏源電壓導致的，低頻機械應力波受柵源電壓和漏源電壓共同影響。

筆者在2種逆變電路正常工作的基礎上，采集了功率器件在不同工作條件下的聲發(fā)射信號，提取了其應力波的特征參數，重點探討了應力波的時域峰值、頻域峰值、峰值頻率、上升時間和能量與逆變器電路負載之間的關系，為逆變器在線監(jiān)測提供了新的方法和新的思路。

1 實驗原理與實驗系統

圖1為聲發(fā)射采集系統，包括聲發(fā)射傳感器、信號線、前置放大器、同軸電纜、聲發(fā)射儀和PC端。其中，聲發(fā)射傳感器利用壓電效應可以將振動信號轉化成電信號。聲發(fā)射儀器使用的是德國Vallen公司的ASMY-6多通道聲發(fā)射儀，傳感器型號為帶寬型聲發(fā)射傳感器VS-45H(帶寬范圍為20～450 kHz)，34 dB前置放大器APE5，PC采集軟件為Vallen VisualAE。

圖2為功率器件聲發(fā)射信號的采集原理。在逆變電路工作時，功率器件開關產生的瞬態(tài)彈性波經過耦合劑到達傳感器表面，傳感器由于壓電效應將表面微弱振動信號轉換為電信號，經過前置放大器被聲發(fā)射儀捕獲，在PC端顯示。在傳感器采集電力電子器件聲發(fā)射信號的過程中，信號會隨著傳播路徑而衰減，并且電路周圍會有電磁干擾影響傳感器采集的信號，為了增強應力波的質量，往往在器件表面與傳感器表面涂一層固體耦合劑。耦合劑不僅能夠減小聲發(fā)射信號的衰減，而且可以起到一定的潤滑作用，從而減小器件表面與傳感器表面的摩擦。

圖2 功率器件聲發(fā)射信號的采集原理

圖3為方波逆變電路原理圖，圖4為正弦波逆變電路原理圖。方波逆變電路由2個功率MOSFET器件構成，2個器件交替導通，當VT1導通VT2截止時，輸出端為正電壓;當VT1借助VT2導通時，輸出端為負電壓，這樣輸出端就會得到交流方波。正弦波逆變實驗由4個功率MOSFET器件構成，V1和V3一組，V2和V4一組，兩組器件交替導通，采用SPWM調制，這樣輸出端就會得到正弦波。

圖3 方波逆變電路原理圖

圖4 正弦波逆變電路原理圖

圖5為方波逆變實物平臺，圖6為正弦波逆變實物平臺，均采用一套聲發(fā)射檢測系統。表1為方波逆變實驗參數設置，表2為正弦波逆變實驗參數。方波逆變實驗在6種逆變頻率和6個負載阻值下進行聲發(fā)射信號的采集，正弦波逆變實驗在5種輸出電壓和6個負載阻值下進行聲發(fā)射信號的采集。

圖5 方波逆變實物平臺

圖6 正弦波逆變實物平臺

表1 方波逆變實驗參數設置

表2 正弦波逆變實驗參數設置

2 方波逆變實驗數據分析

2.1 應力波的提取

已知應力波在固體中傳播能量損失少，在空氣中傳播能量損失巨大，實驗中傳感器表面與功率器件表面之間采用2種耦合方式，即空氣耦合和固體耦合劑耦合。圖7為空氣耦合和固體耦合劑耦合聲發(fā)射信號的時域與頻域波形。從圖7中可以看出，空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號與固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號在時域和頻域上有明顯的不同。在開通時刻信號時域中，固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射波形細節(jié)更加豐富，具有一定的信號時長；在開通時刻信號頻域中，固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號在100 kHz以下的頻率范圍內具有較高的頻域幅值，而空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號在頻域上沒有過多的信息。這說明了器件在開關過程中產生的應力波會通過固體耦合劑傳播到傳感器，而空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號大多是電路周圍的電磁干擾。

圖7 空氣耦合與固體耦合劑耦合條件下聲發(fā)射信號的時域與頻域波形

經過100 kHz低通濾波后的開通應力波時域波形如圖8所示。其對應的頻域波形如圖9所示。從時域波形中可以看出，應力波在器件開通時刻后不久上升到最大值，經過一段時間后應力波幾乎消失，關斷應力波的幅值比開通應力波的幅值大。從頻域波形中可以看出，開通時刻應力波有2個峰值，頻率為24 kHz和80 kHz；關斷應力波也有2個峰值，頻率為18 kHz和84.5 kHz。由此可知，關斷應力波頻域峰值比開通應力波頻域峰值大。將不同工作條件下的聲發(fā)射信號進行100 kHz低通濾波得到不同工作條件下的應力波，下面將從時域和頻域分析應力波與實驗參數的關系。

圖8 逆變頻率50 Hz負載阻值500 Ω開關應力波時域波形

圖9 開通和關斷應力波頻域波形

2.2 應力波時域分析

2.2.1 時域峰值

用MATLAB畫出濾波后的應力波的時域圖，依次得到功率器件在開通和關斷時時域峰值，為了減小誤差，對多個應力波時域峰值求取平均值。如圖8所示，逆變頻率為50 Hz、負載阻值為500 Ω的開關應力波開通時刻時域峰值為1.242 mV，關斷時刻時域峰值為56.9 mV，求出這個開關時刻前后幾個開關周期的開關應力波時域峰值，并求取平均值，得到逆變頻率為50 Hz、負載阻值為500 Ω時功率器件開通時應力波時域峰值的均值約為1.234 mV，功率器件關斷時應力波時域峰值的均值約為56.89 mV。

根據上述方法對不同逆變頻率和不同負載阻值的應力波求取時域峰值，得到一系列的器件在開通時刻和關斷時刻的應力波時域峰值，如表3和表4所示。

將表3和表4中的數據繪制成點線圖，如圖10所示?？梢钥闯?，當負載阻值增加時，功率器件開通時刻應力波時域峰值在小范圍內有減小的趨勢；功率器件關斷時刻的應力波時域峰值隨著負載阻值的增大而減小。在同一個逆變頻率下，輸出電壓不變，負載阻值的增大會導致電流減小，所以應力波的幅值也減小，側面說明應力波的幅值隨著電流的增大而增大。

表3 開通時各頻率下每個負載阻值對應的時域峰值 單位:mV

表4 關斷時各頻率下每個負載阻值對應的時域峰值 單位:mV

圖10 開通時刻和關斷時刻應力波時域峰值與負載阻值的關系

2.2.2 能量

信號的能量反映了信號強度的大小，信號的能量越大，其強度越大；信號的能量越小，其強度也越小。圖11為應力波的上包絡線，利用包絡線求得應力波的能量，開通時刻和關斷時刻應力波的能量如表5和表6所示。將求得的開通時刻應力波的能量和關斷時刻應力波的能量描繪成點線圖，如圖12所示。從負載阻值與應力波能量的關系中可以看出開通時刻應力波的能量與關斷時刻應力波的能量都會隨著負載阻值的增大而減小，關斷時刻在500 Ω、600 Ω和700 Ω應力波的能量減小速度較快，在700 Ω、800 Ω、900 Ω和1000 Ω應力波的能量減小速度趨于緩慢。

圖11 應力波時域及其上包絡線

表5 開通時刻信號的能量 單位：×103·mV·mV·μs

表6 關斷時刻信號的能量 單位：×105·mV·mV·μs

圖12 開通時刻和關斷時刻應力波能量與負載阻值的關系

2.2.3 上升時間

以器件開通(關斷)時刻到應力波上升到峰值的時刻這段時間稱為應力波的上升時間，如圖13所示,可得出逆變頻率為50 Hz、負載電阻為500 Ω的應力波上升時間為93.6 μs。按此方法依次得到器件開通和關斷時刻的應力波上升時間如表7和表8所示。

圖13 逆變頻率為50 Hz、負載阻值為500 Ω應力波的上升時間

表7 開通時各參數下的信號上升時間 單位:μs

表8 關斷時刻各參數下的信號上升時間 單位:μs

將表7和表8的數據轉換成點線圖，如圖14所示?？梢钥闯瞿孀冸娐饭ぷ鲿r，器件開通時刻信號的上升時間幾乎不會隨著負載阻值的改變而改變，最大為94 μs，最小為89.6 μs，整體大約穩(wěn)定在均值92 μs左右；關斷時刻信號的上升時間很短，且具有隨著負載阻值的增加而增大的趨勢。由逆變電路分析，器件在開通時刻電路的電流從無到有，因此開通時刻無論負載阻值多大，電流瞬時都是從0增加，信號的上升時間基本不變；器件在關斷時刻電路的電流從有到無，因此關斷時刻電流瞬時都是從某個值減小，且負載阻值不一樣，關斷時刻的電流值不一樣，導致信號的上升時間不一樣。

圖14 開通時刻和關斷時刻應力波上升時間與負載阻值的關系

2.3 應力波頻域分析

2.3.1 頻域峰值

已知在100 kHz范圍內應力波在頻域有2個峰值，如圖15所示，分別為峰值1和峰值2，統計2個峰值的幅值記錄下來。開通時刻2個頻域峰值如表9和表10所示，關斷時刻兩個頻域峰值如表11和表12所示。

表9 開通時刻應力波頻域峰值1 單位:mV

表10 開通時刻應力波頻域峰值2 單位:mV

表11 關斷時刻應力波頻域峰值1 單位:mV

表12 關斷時刻應力波頻域峰值2 單位:mV

圖15 應力波開通時刻兩個頻域峰值

將表9～表12轉換為點線圖，如圖16和圖17所示，可以看出在開通時刻，應力波在頻域的2個峰值均會隨著負載阻值的增大而減小；在關斷時刻，應力波在頻域的2個峰值均隨著負載阻值的增大而減小，且頻域峰值2的減小在700～1000 Ω之間趨向于緩慢。

圖16 開通時刻應力波的頻域峰值1和峰值2與負載阻值的關系

圖17 關斷時刻應力波的頻域峰值1和峰值2與負載阻值的關系

2.3.2 峰值頻率

分別記錄開通時刻和關斷時刻應力波頻域內2個峰值的頻率，分別如表13和表14、表15和表16所示。根據表13～表16可以看出，應力波的2個峰值頻率變化不大。開通時刻應力波在頻域內的2個峰值頻率穩(wěn)定在24 kHz和84 kHz，關斷時刻應力波在頻域內的2個峰值頻率為18 kHz、18.5 kHz和84 kHz、84.5 kHz、85 kHz，頻率變化不大，說明應力波的峰值頻率不隨負載阻值的改變而改變，也不會隨逆變頻率的改變而改變。

表13 開通時刻應力波峰值1的頻率 單位：kHz

表14 開通時刻應力波峰值2的頻率 單位：kHz

表15 關斷時刻應力波峰值1的頻率 單位：kHz

表16 關斷時刻應力波峰值2的頻率 單位：kHz

3 正弦波逆變實驗數據分析

3.1 非周期衰減信號的疊加

圖18為6個相同的衰減信號的疊加，信號1～信號6之間的時間間隔不均勻，它們稱為一組非周期衰減信號。6個信號經過疊加后如圖中的藍色疊加信號，可以看出，疊加后的信號是不規(guī)則的。

圖18 6個相同的衰減信號及其疊加信號

正弦波逆變電路是利用SPWM脈寬調制使輸出為正弦波。而SPWM脈寬調制會使功率器件的開關不再是一個固定的周期，并且器件開關速率很快，因此會導致器件在開通和關斷時刻的聲發(fā)射信號出現非周期的疊加，即上一個聲發(fā)射信號產生后不同的時間內都會有新的聲發(fā)射信號產生，在上一個聲發(fā)射信號的持續(xù)時間內，會有非等時間間隔的新的聲發(fā)射信號進行疊加，且疊加后的信號是非周期不規(guī)則的，所以聲發(fā)射信號進行后續(xù)的分析時不能夠進行一對一的單個分析，要在一段時間內進行全局分析。

3.2 應力波的提取

空氣耦合和固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號的時域和頻域波形如圖19所示。可以看出，在信號的時域中，固體耦合劑條件下的聲發(fā)射信號的幅值比空氣耦合條件下的高；在信號的頻域中，固體耦合劑條件下的聲發(fā)射信號的幅值比空氣耦合條件下的信號多了一個明顯的50 kHz以下的低頻。

采用50 kHz低通濾波器分別對空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號和固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號進行低通濾波，濾波后2種不同耦合方式的聲發(fā)射信號如圖19(c)和圖19(d)所示。在信號的時域中，空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號與固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號均有減小，空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號保留了濾波之前的信號波形形狀趨勢，而固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號與濾波之前的信號波形有較大差別。根據上文非周期開關信號的疊加的介紹，固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號在濾波前后產生的較大差別是由于SPWM調制中功率器件非周期性的開關造成的，且其變化周期與輸出電壓的周期一致，由輸出電壓過零點變化引起的尖峰脈沖也減小了很多。50 kHz低通濾波后固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號的時域幅值比空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號的時域幅值大，幾乎超過10倍。在信號的頻域中，空氣耦合條件下聲發(fā)射信號的頻域幅值在50 kHz以下幾近為0，而固體耦合劑耦合條件下聲發(fā)射信號的頻域幅值在此頻率段內具有2個尖峰，其主頻主要集中在40 kHz左右。通過對空氣耦合和固體耦合劑耦合兩種耦合方式下的聲發(fā)射信號的對比可以發(fā)現，本次實驗中功率器件在開通時刻和關斷時刻的應力波在50 kHz以下。

圖19 空氣耦合與固體耦合劑耦合時域與頻域波形

由于正弦波逆變實驗中功率器件的開關周期都比較短，器件的開關時間短且不均勻，出現了聲發(fā)射信號(應力波信號)的疊加，因此之后的信號數據處理與分析時不能夠像方波逆變實驗中那樣單獨分析1個應力波，要利用信號的整體分析法來進行信號的處理與分析。圖20為正弦波逆變實驗應力波的瞬態(tài)時域波形和瞬態(tài)頻域波形?？梢钥闯鼋涍^SPWM調制后應力波疊加后的波形不具有衰減性，其瞬時頻域具有1個40 kHz左右的頻域峰值。

圖20 應力波的瞬態(tài)時域波形與瞬態(tài)頻域波形

3.3 應力波時域分析

與方波逆變實驗的數據不同，正弦波逆變實驗的聲發(fā)射信號由于疊加在一起，無法單個分析信號的上升時間，只能對信號的時域峰值、能量、頻域峰值和峰值頻率進行分析。將固體耦合即條件下的不同輸出電壓與不同負載阻值下的聲發(fā)射信號進行50 kHz濾波處理，分析信號的時域峰值、能量、頻域峰值和峰值頻率。

3.3.1 時域峰值

提取聲發(fā)射儀采集的一個聲發(fā)射數據點，該數據點包含一個長度為0.1 s的數據長度的應力波，將該數據進行低通50 kHz濾波。圖21為輸出電壓為190 V空載條件下的時域圖。

圖21 輸出電壓為190V空載條件下的時域圖

將低通濾波后的數據進行0.1 s長度內的峰值標記與求平均值，可以得到輸出電壓190 V空載條件下的應力波的時域峰值為0.7870 mV，按照此方法將輸出電壓為190 V、200 V、210 V、220 V和230 V，負載阻值為500 Ω、600 Ω、700 Ω、800 Ω、900 Ω和1000 Ω條件下的應力波時域峰值提取出來，表17為不同輸出電壓下各負載阻值對應的時域峰值。

由表17中的數據可以看出，輸出電壓為190 V、200 V、210 V、220 V和230 V時，不同負載阻值的應力波時域峰值大致在0.75 mV、0.4 mV、0.34 mV、0.5 mV和0.6 mV左右，為了直觀地將應力波的變化趨勢體現出來，將表17中的數據轉換成點線圖,如圖22所示?？梢钥闯?，輸出電壓為190 V、200 V、210 V和220 V時，隨著負載阻值的增大，應力波的時域峰值沒有很大的變化，趨向于穩(wěn)定狀態(tài)；輸出電壓為230 V時，隨著負載阻值的增大，其應力波的時域峰值具有向下減小的趨勢。

表17 不同輸出電壓下各負載阻值對應的時域峰值 單位:mV

圖22 不同輸出電壓和負載阻值下的應力波時域峰值

3.3.2 能量

由于對應力波進行了疊加，那么應力波的能量也會相應增大，對應力波的包絡線求取能量，圖23為應力波時域波形及其上包絡線。

圖23 應力波時域波形及其上包絡線

將低通濾波后的所有數據進行0.1 s長度內的上包絡線求取，再依次求得每個上包絡線的能量，可以得到不同輸出電壓下各負載阻值對應的信號能量，如表18所示。

表18 不同輸出電壓下各負載阻值對應的信號能量 單位：×105·mV·mV·μs

將表18中的能量數據轉換成點線圖，如圖24(a)所示。可以看出在輸出電壓為190 V、200 V、210 V和220 V時，隨著負載阻值的增大，功率器件的應力波能量幾乎不變，輸出電壓為230 V時，隨著負載阻值的增大，其功率器件的應力波能量略微有向下減小的趨勢，這與前面應力波時域峰值隨負載阻值變化規(guī)律一致。

3.4 應力波頻域分析

3.4.1 頻域峰值

將濾波之后的應力波進行傅里葉變換，得到不同輸出電壓下各負載阻值的頻域幅值，如表19所示。

表19 不同輸出電壓下各負載阻值對應的頻域幅值 單位:mV

將表19中的數據轉換成點線圖，如圖24(b)所示，可以看出同一個輸出電壓下，隨著負載的改變，應力波的頻域幅值幾乎不變。

圖24 應力波能量和應力波頻域峰值與負載阻值的關系

3.4.2 頻域峰值

表20為不同輸出電壓與不同負載阻值下的應力波峰值頻率，可以看出應力波的峰值頻率在40 kHz左右，最大為40.01 kHz、最小為39.7 kHz，可以得到應力波的峰值頻率基本不變。

表20 不同輸出電壓下各負載阻值下的峰值頻率 單位：kHz

4 結束語

基于2種逆變電路對功率器件進行聲發(fā)射檢測，采集了不同輸出電壓與不同負載阻值下的聲發(fā)射信號，提取了功率器件在開關狀態(tài)下的應力波，通過對機械應力波的提取、處理和分析，可以得出以下結論。

① 通過空氣耦合和固體耦合劑耦合的對比試驗，驗證了方波逆變電路中功率器件產生的應力波頻率位于100 kHz以內，正弦波逆變電路應力波位于50 kHz以內。

② 方波逆變實驗應力波時域特征值：在器件開通和關斷時刻，應力波的時域峰值都會隨負載阻值的增大而減??；應力波在開通和關斷時刻的能量隨負載阻值的增大而減??；器件開通時刻的應力波上升時間幾乎不隨負載電阻的變化而變化，穩(wěn)定在92 μs左右；器件關斷時刻應力波的上升時間非常短，并且隨著負載電阻的增加而上升。

③ 方波逆變實驗應力波頻域特征值：隨著負載阻值的增加，開通時刻應力波的2個頻域峰值都具有減小的趨勢，關斷時刻應力波的2個頻域峰值也隨著負載阻值的增大而減小；應力波的峰值頻率幾乎不隨負載電阻的變化而變化，也不隨逆變器頻率的變化而變化。

④ 正弦波逆變實驗應力波時域特征值：輸出電壓一定的條件下，隨著負載阻值的增大，應力波的時域峰值基本不變；輸出電壓不變的條件下，隨著負載阻值的增大，應力波的能量基本不變。

⑤ 正弦波逆變實驗應力波頻域特征值：在同一個輸出電壓下，隨著負載阻值的增大，應力波的頻域峰值基本不變；不同輸出電壓與不同負載阻值下應力波的峰值頻率均為40 kHz左右。

基于以上實驗研究，為后續(xù)的器件老化監(jiān)測提供了理論基礎，為電力電子功率器件狀態(tài)監(jiān)測提出了一種新的方法與思路。