电力电子器件在智能电网、特种电源、高铁牵引、新能源发电、电动汽车等领域的应用越来越广泛，保障其可靠安全运行将具有重要意义。电力电子器件一旦发生故障或者性能弱化，会对整个装置乃至系统造成极大危害。状态监测和故障检测是保障与提高电力电子器件可靠性的关键技术，现有技术主要建立在对器件的电、磁、热等物理信息进行测量之上。虽然这些方法均可以实现对功率器件的状态监测和故障检测，具有一定的应用价值，但是却很难同时满足快速、无损、在线的需求。
声发射（Acoustic Emission, AE）是材料内部能量快速释放产生瞬态弹性波（在本研究中被称为应力波（Stress Wave, SW））的检测技术，具有快速、无损、在线的特点，已经被广泛应用于绝缘子污秽放电检测、变压器局部放电检测、风机叶片及健康监测等领域。如果能把声发射技术应用在功率器件的监测或者检测中，势必能够进一步完善电力电子器件的可靠性评估理论。
国外机构最先开始对绝缘栅极双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）应力波进行相关研究。国内对IGBT应力波的研究则起步较晚。由于脉冲信号在各个频率段都存在分量，利用数字滤波技术对应力波提取存在缺陷。已有的研究表明：IGBT在关断瞬间能够产生应力波（SW），且AE传感器能够对应力波信号进行测量，但在测量时容易受到周围电场的干扰。因此，有必要研究此脉冲干扰信号的来源，并将其与应力波解耦，以进一步分析应力波的影响因素及来源。
湖南大学电气与信息工程学院、电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学）的耿学锋、何赟泽、王广鑫、刘松源、李运甲，在2022年第21期《电工技术学报》上撰文，分析了普通AE传感器干扰信号产生的原因，提出基于差分式AE传感器的应力波测量方法，并从理论角度论证了差分式AE传感器的抗干扰机理。
图1 IGBT应力波的提取及研究思路
他们搭建试验平台，通过试验证明差分式AE传感器具有较好的抗电气干扰能力，能够对IGBT关断应力波进行有效地提取。进一步地，对不同关断电流条件下的IGBT进行应力波的测量和分析，发现关断电流与应力波的强度强相关，可为后续探索应力波产生机理及实现IGBT在线监测提供参考。
图2 IGBT脉冲触发测试平台
研究人员表示，周围电压的变化会对普通单端式AE传感器产生干扰。由于不同回路导体间互容的存在，变化的电压会通过互容，从一个回路耦合到另一个回路，产生串扰。而差分式AE传感器在提取IGBT关断应力波时具有更好的效果。IGBT开通关断时电压的变化会耦合至传感器回路中形成干扰，而利用差分式AE传感器可以解耦此干扰信号，提高抗电气干扰能力。
图3 不同传感器的抗干扰对比试验装置
图4 测量IGBT关断应力波的试验装置
图5 不同关断电流下IGBT关断应力波试验
他们指出，关断电流是影响IGBT关断应力波强度的重要因素。通过控制变量法，用差分式AE传感器对不同关断电流条件下的IGBT关断应力波进行提取，发现关断电流与应力波幅值、峰-峰值、信号能量、第一主频峰值、第二主频峰值均呈强正相关。从两个器件的测试中发现关断电流对第一主频峰值的影响更大，可以利用监测第一主频峰值的变化来在线监测IGBT健康状态。
研究人员进一步表示，到目前为止，有关IGBT关断应力波的产生机理仍然没有一个明确解释，后续工作中需要进一步对IGBT关断应力波的机理进行研究；另外，对器件进行老化和失效试验，并形成以超声信号特征量为判断依据的IGBT健康状态在线监测方法也是未来的研究方向。
本文编自2022年第21期《电工技术学报》，论文标题为“IGBT关断时刻的应力波测量优化及影响因素分析”。本课题得到国家自然科学基金面上项目、长沙市科技计划项目、湖南省科技创新计划项目科技人才专项; 和电力设备电气绝缘国家重点实验室开放基金项目的支持。
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