图1 AE传感器结构原理
Fig.1 Structure schematic of AE sensor
摘要 绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）是电能变换的核心器件，其健康状态与系统的可靠运行直接相关。声发射（AE）是一种快速、无损、在线的检测方法，广泛应用于电力行业，在IGBT的状态评估中具有潜在的应用价值。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。该文分析了普通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。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。
关键词：声发射 IGBT关断 应力波 干扰抑制
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[1–7]。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[8]。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[9-14]。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（在本文中被称为应力波（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[15]。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。文献[16]通过研究从IGBT模块到声发射传感器之间的传播延时，首次证明了IGBT在关断时刻会有应力波的产生。随后，一些学者开始验证并探索应力波在表征IGBT状态时的可能性和方法，其中文献[17]通过试验得到了短路状态下IGBT的两种不同类型的应力波信号；文献[18]对比健康状态和退化状态下IGBT的频谱，发现退化状态IGBT应力波的频谱相较于健康状态会发生改变；文献[19]则提出利用应力波信号最大绝对值残差法来评估器件的老化程度，并通过功率循环试验与传统的集电极饱和电压法进行对比，验证了该方法的有效性。
国内对IGBT应力波的研究则起步较晚。文献[20]利用数字滤波技术试图对IGBT的关断应力波进行提取，发现传感器所测到的信号同时包含低频和高频分量，且低频分量的强度与电流大小呈正相关；进一步地，文献[21]则对比耦合剂和空气耦合条件下MOSFET开通关断时的传感器信号，发现其高频分量可以通过空气传播，而低频分量只能通过固体介质传播，这证明传感器所测信号的低频信号即为应力波信号（应力波的传播需要介质的存在），而高频分量则为耦合到传感器中的脉冲干扰信号。然而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。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。
本文首先分析AE传感器干扰信号的产生机理，对单端和差分AE传感器进行抗干扰试验的对比测试；随后通过对信号的特征参数进行提取和分析，得到关断电流对IGBT关断应力波的影响结果。
AE传感器的结构原理如图1所示。AE传感器在实际应用中可分为接触型和非接触型两类。往往由于大部分声发射信号极其微弱，所以接触式声发射传感器的应用较为广泛，其内部结构如图1a所示。在对声发射信号进行检测时，传感器的耦合面和物体界面之间采用耦合剂耦合，以减小声发射源所释放弹性波在不同固体界面传播时的反射和衰减，保证其最终能够传播到压电晶体。根据压电效应，压电晶体能够将弹性波信号转换为电信号并输出。
图1 AE传感器结构原理
Fig.1 Structure schematic of AE sensor
通常在声发射传感器中仅考虑压电晶体厚度方向（即图1b所示z轴方向）的压电效应[22-23]，即
（1）
式中，T3为压电晶体z轴厚度方向所受到的应力（N/m2）；E3为z轴厚度方向压电晶体内部产生的极化电场强度（V/m）；g33为z轴厚度所示方向的压电常数（(V∙m)/N）。
根据静电场理论
（2）
可计算开路电压，即传感器的输出电压信号uAE，有
（3）
式中，uAE为压电晶体在z轴厚度方向所输出的电压值（V）；t为压电晶体的厚度（m）。
AE传感器周围电压变化的时候，由于电位差的存在，附近导体会和传感器内部输出端子之间产生一个分布电容，即互容。因此周围变化的电压便可以通过此电容耦合到传感器中产生干扰信号，其耦合机理和等效电路分别如图2和图3所示，其中回路1为传感器附近导体，回路2为传感器内部输出端子。
图2 传感器中干扰信号的产生机理
Fig.2 Generation mechanism of the interference signal in the sensor
图3 传感器产生干扰信号的等效电路
Fig.3 Equivalent circuit of interference signal generated by sensor
当回路1导体上的电位
发生变化时，会通过互容C注入一个耦合电流iM（也称互容电流）至回路2，iM满足
（4）
式中，C为回路1、2所形成的互容（F），其值与回路1、2间的距离成反比；
为两条回路之间的电位差（V）。
由基尔霍夫定律，输出噪声电压unoise满足
（5）
式中，R为下一级的输入电阻（Ω）。进一步地，式（5）在频域中可以表示为
（6）
差分式AE传感器内部含有两个极性相反的压电陶瓷片，与以往文献中所采用的单端式声发射传感器相比，抗电气干扰能力大大增强，适用于变压器、电机等电场和磁场交互复杂的场合。其中，单端式和差分式的AE传感器结构对比如图4所示。
图4 不同类型AE传感器的内部结构对比
Fig.4 Internal structure of single-ended and differential AE sensors
在图4b所示的差分式AE传感器中，外界电压变化通过分布电容分别耦合到差分线1、2上所输出的噪声电压unoise1、unoise2满足
（7）
（8）
式中，R1、R2分别为压电陶瓷1、2的后级输入电阻（Ω）；C1、C2分别为压电陶瓷1、2后级回路与传感器附近导体之间的互容（F）。
因此在对应力波信号进行测量时，差分线1、2输出的信号uout1、uout2满足
（9）
（10）
式中，uAE1、uAE2分别为应力波作用下压电陶瓷1和压电陶瓷2所输出的电压（V）。
由于差分式AE传感器内部压电陶瓷极性相反且传感器结构具有对称性，因此满足
（11）
（12）
（13）
（14）
通过对差分线1、2的输出进行差分运算，可得到传感器最终输出的电压信号uout为
（15）
由式（15）可知，差分式AE传感器不仅具有较高的抗电气干扰能力，且输出响应也有所提高。
文献[16, 20-21]均认为应力波的产生与电流的瞬变有关。而IGBT在关断瞬间不仅存在电流的瞬变，集电极电位也会发生较大的变化，由此而产生的du/dt会被耦合至声发射传感器中。因此若要对IGBT应力波进行相关研究，必须解耦此干扰信号以保证AE传感器所测信号来自IGBT内部。在对IGBT应力波信号进行有效测量后才能对IGBT应力波信号进行相应的特征提取，并分析不同条件下应力波的变化规律。文中IGBT应力波的提取及研究思路如图5所示。
图5 IGBT应力波的提取及研究思路
Fig.5 Extraction and research approach to IGBT’s stress wave
IGBT在关断时刻会有应力波的产生，因此本文使用脉冲触发电路对IGBT进行单次脉冲关断以记录IGBT单次关断时刻所产生的应力波。IGBT脉冲触发电路原理如图6所示。脉冲触发电路由待测器件（Device under Test, DUT）VT2、续流器件VT1、负载电感Lload、2×20μF母线电容、恒压源Vdc组成（如图6a所示）。图6b为脉冲触发电路的时序，其工作原理如下：当t=ton时，通过给DUT一个正的电压脉冲，VT2导通，电流流向如路径Ⅰ所示，此时由于负载电感Lload的存在，电流无法瞬态变化，并且线性增大，因此基本不会产生应力波[20]；当t=toff时，IGBT关断，此时上管VT1起到续流的作用，电流路径如Ⅱ所示，此时电流发生瞬变，从关断值Ice迅速降为0，这个瞬间VT2可以产生应力波。脉冲触发电路的实物搭建如图7所示，DUT的型号选用IKW40N120T2、FGH60N60SFDTU，并分别使用罗氏线圈（DK—MIN350）、高压差分传感器（THDP0200）对其集-射电流ice、栅-射电压uge和集-射电压uce进行测量；高压直流电源、信号发生器、示波器分别采用62100H—1000、DG4162、MDO3024，以提供电压支撑、产生驱动信号和显示波形。
图6 IGBT脉冲触发电路原理
Fig.6 Principle of pulse test circuit for IGBT
图7 IGBT脉冲触发测试平台
Fig.7 Pulse test platform for IGBT
通常来讲，完整的声发射信号采集流程可以分为以下三个过程：
（1）数据采集。数据的采集工作主要由AE传感器来完成，而当前主流的AE传感器主要利用压电效应将应力信号转换成电压信号，从而完成测量。
（2）信号前处理。声发射信号一般都较为微弱，所以为了提高所采集数据的信噪比，必须要对所采集信号进行适当的前处理。通常前处理可以使用硬件和软件两种方式实现：硬件上使用前置放大器以放大所测量的声发射信号并实现传感器（高阻抗）和声发射采集仪（低阻抗）之间的阻抗匹配；软件上可以通过在声发射采集处理软件中设置合理的触发阈值和带通滤波器对信号进行测量，以达到抑制噪声的目的[15]。
（3）信号后处理。经过前两个阶段得到较为理想的声发射信号后，可以利用声发射软件对信号进行一定的处理（如滤波、傅里叶变换），提取信号特征参数。在这过程中可以利用Matlab对数据进行批量处理，以提高处理的效率。
需要注意的是，经过前置放大器作用的信号也可以直接输出至示波器中显示，这使得试验过程中可以利用示波器将声发射信号和电信号进行同步对比，有助于理解干扰信号的耦合机理，因此2.3节所述试验采用示波器MDO3024来获得AE传感器所测量的波形。然而由于示波器难以对采集到的声发射数据进行实时处理和分析，故在2.4节所述试验中，采用华伦声发射采集仪ASMY—6及声发射处理软件（Vallen Visual AE）对声发射信号进行实时采集和分析，以得到不同关断电流的条件下IGBT应力波特征的变化规律。
为对比电场变化对AE传感器的干扰程度，可以使用信号发生器直接输出电压波形至声发射传感器的耦合面，以确定不同类型电压波形对声发射传感器的影响。本文选用华伦单端AE传感器VS—45H和富士差分AE传感器AE503D进行抗电场干扰的对比试验，试验装置如图8所示。试验过程中首先让信号发生器DG4162输出变化的电压信号（频率改变的正弦信号、周期改变的方波信号、幅值改变的方波信号）至金属板，并将两种AE传感器贴合在金属板上，接着通过前置放大器PXPA6输出至示波器，以单独清晰地测量电场变化耦合到传感器中的干扰信号。
图8 不同AE传感器的抗干扰对比试验装置
Fig.8 Comparison test device of anti-electric field interference between different AE sensors
另外，为探究差分式声发射传感器对于IGBT应力波提取是否有较好的抗干扰能力，并直观地与电信号作同步对比，试验过程中将两种类型声发射传感器通过真空封脂耦合剂贴至DUT的金属侧并用示波器同时记录IGBT在开通关断时的声发射传感器输出信号uout、集-射电压uce、栅-射电压uge和集-射电流信号ice，试验装置如图9所示。
图9 不同AE传感器测量IGBT关断应力波的试验装置
Fig.9 Comparison test device of the turn-off stress wave of the IGBT measured by different AE sensors
为了进一步验证差分AE传感器的有效性，本文采用控制变量法，固定其他电参数保持不变，改变关断电流，对两种不同型号IGBT（IKW40N120T2、FGH60N60SFDTU）进行独立试验，试验平台如图10所示。
图10 不同关断电流条件下IGBT关断应力波试验平台
Fig.10 IGBT’s turn-off stress wave test platform under different turn-off currents
试验利用脉冲测试平台对IGBT进行单脉冲关断试验，通过包含差分式AE传感器的声发射采集系统对IGBT关断时产生的应力波进行实时采集并提取特征，最后采用Matlab对数据进行处理。
由第1节可知，AE传感器在周围存在电场的变化时会产生干扰信号。当激励为正弦波和方波信号时，单端式AE传感器华伦VS—45H和差分式AE传感器富士AE503D的响应如图11所示。
图11 不同传感器在不同激励下的响应
Fig.11 Response of different sensors under different excitations
由图11可知，对于单端AE传感器来讲，当激励为正弦信号时，传感器的响应是一个相位发生变化的正弦波；当激励为方波信号时，传感器的响应为脉冲信号。而对于内部含有两个相反极性压电陶瓷片的差分AE传感器，无论激励是正弦信号还是方波信号，传感器的响应都不是很明显，这说明差分传感器对变化电压的抗干扰能力有所增强。
为进一步量化差分传感器相对于单端传感器的抗干扰强化程度，定义相对增益Gain为
（16）
式中，Vvallen为华伦单端传感器的输出电压（mV）；Vfuji为富士差分传感器的输出电压（mV）。Gain越大，表示富士差分传感器的抗干扰能力越强。
改变信号发生器输出正弦电压信号的频率，并保持电压幅值不变，提取VS—45H和AE503D传感器的响应峰值、峰-峰值，并计算相对增益Gain，结果如图12所示。同样地，改变输入方波电压信号的周期并保持峰值不变，计算不同传感器的响应峰值、峰-峰值及相对增益Gain，结果如图13所示。改变输入方波信号的幅值并保持周期不变，计算不同传感器的响应峰值、峰-峰值及相对增益Gain，结果如图14所示。由图12～图14的结果可知，差分AE传感器相对于单端AE传感器的抗电气干扰能力大大增强。
图12 不同频率正弦信号两传感器的响应值及相对增益
Fig.12 Response and gain of two sensors under sine excitations with different frequencies
图13 不同周期方波信号两传感器的响应值及相对增益
Fig.13 Response and gain of two sensors under square excitations with different periods
图14 不同幅值方波信号两传感器的响应值及相对增益
Fig.14 Response and gain of two sensors under square excitations with different amplitudes
应力波是能量在固体介质中传播形成的，可通过AE传感器进行提取。而由3.1节可知，差分AE传感器能够大大提升测量时的抗电气干扰能力，本节选择IKW40N120T2I作为待测对象，利用脉冲触发电路，分别使用华伦单端传感器VS—45H和富士差分传感器AE503D对其进行关断应力波的提取，并输出至示波器，试验波形如图15所示。
图15 不同AE传感器测到的IGBT应力波信号对比
Fig.15 IGBT’s stress wave signals measured by different sensors
由图15可知，单端AE传感器所测到的信号显然存在脉冲干扰信号，而利用差分AE传感器所测到的信号已经屏蔽了周围电压变化带来的干扰，此时获得的信号即为IGBT关断时所产生的应力波。进一步地，还可以发现IGBT的开通时刻（电流为0）并没有应力波的产生，而在IGBT关断时刻（电流发生瞬变）则产生了较为明显的应力波信号。在获得IGBT应力波信号后，需要对其进行傅里叶变换，得到如图16所示的应力波的时频图，并提取其时频特征，主要包括幅值、峰-峰值、20～30kHz频段（第一主频）峰值及频率、80～100kHz频段（第二主频）峰值及频率、信号能量。其中信号能量的表达式为
（17）
式中，p(t)为采集到的应力波信号。
图16 典型IGBT关断应力波的特征参数
Fig.16 Characteristic parameters of IGBT’s typical stress wave
3.3.1 噪声的影响分析
在使用声发射采集系统对IGBT关断应力波进行采集前，首先需要对环境噪声进行测试，得到噪声幅值为65～70dB。噪声幅值Amp与测量电压的关系为
（18）
式中，V0为基准电压值，V0=0.001mV；V为传感器得到的测量电压（mV）。
故可取触发噪声幅值阈值为75dB，由式（18）可计算得到触发阈值电压Vth≈5.62mV，噪声电压幅值Vnoise≈1.78～3.16mV；而IGBT关断应力波幅值V
Vnoise。因此只有所测信号电压值超过Vth时才会触发ASMY—6系统的采集，并且可以认为背景噪声对所测信号的影响基本可以忽略。
3.3.2 关断电流的影响分析
在本组试验中，脉冲触发电路的详细电参数见表1，表中，T为开通信号周期，D为开通信号占空比。
表1 IGBT单脉冲触发电路参数
Tab.1 Parameters of IGBT’s pulse test circuit
IGBT器件Vdc/VT/μsD(%) IKW40N120T22008050 FGH60N60SFDTU2008050
将波形调试成功以后，控制母线电压Vdc保持不变，通过更换负载电感Lload来改变关断电流的大小。当Lload=100μH、200μH、300μH、500μH、600μH时，器件IKW40N120T2所对应的关断电流Ice=70A、40A、25.2A、16.4A、14.2A；器件FGH60N60SDTU所对应的关断电流为Ice=65A、35A、23.2A、14.2A、10.8A。随后得到各个关断电流条件下的应力波，提取信号的时频特征见表2，其中应力波信号峰值、峰-峰值、信号能量、第一主频峰值、第二主频峰值与Ice相关性较高，将其拟合后如图17～图21所示。可以得到，关断电流Ice的值与应力波的强度呈正相关。
图17 Ice对应力波幅值的影响
Fig.17 Effect of Ice on the amplitude of stress wave
表2 Ice对应力波特征参数的影响
Tab.2 Effect of Ice on the characteristic parameters of stress wave
器件型号Ice/A幅值/mV峰-峰值/mV信号能量/(mV2·s)第一主频第二主频 频率/kHz峰值/mV频率/kHz峰值/mV IKW40N120T214.216.425.240.070.0258.79308.23469.51732.121 417.54489.96585.17896.301 407.782 732.850.751.072.556.4826.1823.9523.9523.9523.9523.953.364.006.4510.6422.9987.9887.9887.9887.9387.932.222.684.116.6313.14 FGH60N60SFDTU10.814.223.235.065.0250.70320.59555.14930.331 965.79431.67550.84952.151 598.513 427.891.081.644.3511.0844.8025.6625.6625.6625.6625.663.694.477.2611.9324.9991.5191.6091.3891.6491.993.464.216.599.5715.62
图18 Ice对应力波峰-峰值的影响
Fig.18 Effect of Ice on the peak-peak of stress wave
图19 Ice对应力波信号能量的影响
Fig.19 Effect of Ice on the energy of stress wave
图20 Ice对应力波第一主频峰值的影响
Fig.20 Effect of Ice on the Peak 1 value of stress wave
图21 Ice对应力波第二主频峰值的影响
Fig.21 Effect of Ice on the Peak 2 value of stress wave
本文重点分析了AE传感器脉冲干扰信号的产生机理，对比了单端式和差分式AE传感器的抗干扰性能，测试了IKW40N120T2、FGH60N60SFDTU在不同关断电流Ice时的应力波信号。主要结论如下：
1）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。
2）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。
3）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。
4）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。
然而到目前为止，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。
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Measurement Optimization and Analysis of Influencing Factors of IGBT’s Turn-off Stress Wave
Abstract Insulated gate bipolar transistor (IGBT) is the key component of power conversion, and its health state is directly related to the safe operation of the system. Acoustic emission (AE) is a fast, non-destructive and on-line detection method, which is widely used in power industry, and has potential application value in the condition evaluation of IGBT. It is reported that IGBT can generate the stress wave (SW) at the moment of turn-off, while AE sensors can measure SW signals. However, AE sensors are susceptible to interference from surrounding electric fields when measuring SW signals. In this paper, the causes of interference signals in AE sensors were analyzed, a method for measuring SW based on differential AE sensor was presented, and the anti-interference mechanism of differential AE sensor was demonstrated theoretically. The experimental results show that the differential AE sensor has good resistance to electrical interference and can extract the turn-off stress wave of IGBT effectively. Further, stress waves of IGBT under the condition of different turn-off current were extracted. It can be concluded that the turn-off current is strongly related to the strength of the SW, which can provide a reference for the exploration of the generation mechanism of stress waves and the realization of online monitoring of IGBT in the future.
keywords：Acoustic emission, IGBT’s turn-off, stress wave, interference suppression
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211249
中图分类号：TM930
国家自然科学基金面上项目（52077063）、长沙市科技计划项目（kq2004006）、湖南省科技创新计划项目科技人才专项（2018RS3039）和电力设备电气绝缘国家重点实验室开放基金项目（EIPE20202）资助。
收稿日期 2021-08-11
改稿日期 2021-10-19
耿学锋 男，1998 年生，博士研究生，研究方向为电力电子装备的故障检测与状态监测。E-mail：gengxuefeng_hnu@163.com
何赟泽 男，1983 年生，博士，教授，研究方向为故障检测与状态监测。E-mail：hejicker@163.com（通信作者）
（编辑 李冰）