电力电子器件在运行过程中会产生应力波，该信号可以表征器件的内部信息和工作状态，可用于器件的在线监测。山东大学电气工程学院山东省特高压输变电技术与装备重点实验室、国网山东省电力公司济南供电公司的何东欣、魏君宇、王婉君、徐喆、李清泉，在2023年第3期《电工技术学报》上撰文，从测量绝缘内部空间电荷的电声脉冲法原理出发，从封装绝缘的角度对脉冲边沿时刻应力波的形成机理进行了深入探讨，发现绝缘材料中空间电荷在脉冲边沿处的振动可能是应力波的发射源之一。

科研人员在此基础上，设置具有单一的界面缺陷和老化缺陷的试样，进行脉冲边沿时刻的应力波检测，并将其与正常状态下的应力波进行对比，探究不同缺陷类型对应力波参数的影响。他们的研究结果显示，界面缺陷会使得应力波在高频处产生新的峰，而老化缺陷则会导致应力波的频域分量向低频处集中，不同的缺陷类型与应力波的时域和频域检测结果存在良好的对应关系。该研究可为建立电力电子器件缺陷状态与应力波参数之间的关联关系奠定基础。

山东大学中心校区校门

现代电力系统中，以IGBT、MOSFET为代表的电力电子器件具有体积小、作用灵活、使用方便等优点，在直流输电、新能源并网等领域得到了广泛的应用。然而，电力电子器件的可靠性却难以满足现代电力系统的需求。调查报告显示，电力系统中发生的绝大多数故障都是由于电力电子器件的失效导致的。

一方面，电力电子器件在工作过程中所承受的温度、电压等外界条件变化十分剧烈，加快了材料的疲劳失效，使得器件应对外界条件变化的能力变弱；另一方面，对性能的过分追求导致器件的裕量通常设计得很低，这也增加了运行过程中故障发生的可能性。因此，监测电力电子器件的工作状态，对保障电力系统的正常运行具有重大意义。

国内外学者对电力电子器件的失效机理进行了许多研究，发现失效是在电-热-应力场的共同作用下导致的。传统的电力电子器件监测方法，主要建立在对器件工作过程中电、磁、热等信息参数的提取上。

基于电信息的监测方法主要是对器件工作过程中关键位置的电气量进行提取，并通过机械学习、建立模型等方法，分析电气量与器件状态之间的对应关系。基于磁信息的监测方法则是利用巨阻磁效应，借助于器件内部的磁场传感器，来获得器件内部的结构信息。基于温度信息的监测方法主要是利用传感器，对器件的内部结温、表面温度等热力学量进行提取，然后借助软件对数据进行处理量化，将结果与正常工作状态下得到的结果进行比较，从而判断器件的工作状态。

上述方法都可以对电力电子器件的工作状态进行有效的监测与评估，然而由于器件的内部结构太过复杂，所以目前的绝大多数研究局限于通过物理量来表征器件的工作状态，而不能确定具体的故障类型。因此，需要探寻其他能够表征器件工作状态的物理量，对电力电子器件的监测方法进行扩展。

局部能量的快速释放会产生应力波，该信号能够表征发射源内部缺陷及其物理性质，因而可用于发射源状态的评估。该方法具有快速、实时、非侵入等特点，符合电力电子设备在线监测的需求，因此在近几年得到了国内外学者的广泛关注。

有关文献对电力电子器件开断过程中释放应力波的影响因素进行了探究。然而，现有文献主要针对器件整体开展应力波检测。研究显示，在器件内部存在多个应力波发射源，不同发射源产生的应力波信号掺杂在一起，给器件内部状态分析带来了很大的困难。此外，这种方法对于器件内部状态的界定不明确，很难建立具体的缺陷类型与状态同应力波的直接关联关系。因此，需要尝试研究特定的发射源在确定的缺陷类型下的机械应力波特性。

山东大学电气工程学院的科研人员近年来开展了脉冲电场下绝缘材料电荷行为及响应特性的研究，前期研究已发现聚酰亚胺（Polyimide, PI）、有机硅等器件封装材料在脉冲上升沿和下降沿时刻的电荷振动现象，通过压电传感器检测到脉冲边沿时刻的应力波信号，并从电荷受力平衡的角度对应力波产生机理进行了阐述。

他们通过与现有的电力电子器件应力波检测的研究结果比较分析，发现绝缘封装中的电荷振动现象可能是脉冲时刻器件应力波的来源之一，即器件内部的半导体或绝缘材料中的界面或空间电荷，在脉冲电场力作用下发生快速位移，并带动束缚电荷的分子或晶体结构发生振动，进而形成应力波。通过实验室制作的封装绝缘模型，可以获得明确的材料和结构条件下的应力波，便于探讨应力波产生的物理机制。

更为方便的是，可以人为设置不同的绝缘缺陷类型，研究缺陷形式与应力波特性的直接关联关系，进而映射到实际的器件缺陷检测中。因此，他们提出研究人为设置缺陷的实验室模型的应力波特性的方法，可以作为器件应力波检测技术研究的新思路。

图1 分子振动信号测试平台

研究者首先从微观的角度，对电力电子器件在运行过程中产生应力波的机理进行了分析。然后基于电力电子器件在运行过程中常见的封装绝缘故障形式，设置了不同材料界面和绝缘老化两种缺陷类型，对不同缺陷状态下的应力波进行了探测。并且分别在时域和频域内，将存在缺陷时的应力波与正常状态下的应力波进行了对比分析。最后总结了不同缺陷下器件应力波的参数特征。

他们得出的主要结论如下：

1）电力电子器件的通断会引起本身承受的电场急剧变化，导致封装绝缘中带电粒子的受力平衡被打破，使其振动并产生应力波。而器件中的缺陷会导致内部结构发生变化，进而导致应力波参数的变化。因此，通过对器件在工作过程中产生的应力波信号进行监测，可以获知器件的工作状态。

2）界面缺陷对应力波的影响主要体现在产生机理和传播过程两方面。界面处产生的应力波可以看作相邻两个试样界面积累的表面电荷所产生的应力波的叠加。由于信号会在界面处存在衰减和色散，其包含的频域分量发生变化，这使得合成后的信号在高频处产生新的峰。此外，耦合剂会使得部分分子间的弹性系数发生变化，因此存在耦合剂时，高频峰的峰值比不存在耦合剂时的峰值更大。

3）老化会使得分子之间的耦合程度降低，这导致分子振动产生的应力波所包含的低频分量增加，高频分量减少。这种现象随着试样老化程度的增加而愈加明显。因此，通过对电力电子器件发射的应力波进行频域分析，可获知器件的老化程度。

研究者指出，本工作对电力电子器件封装绝缘中产生的应力波进行分析，得到了不同缺陷类型对应力波的影响因素。不过，所设置的缺陷模型较为简单，尚不能全面反映器件内部的各种缺陷状态。在后续工作中，将考虑器件结构、封装布局等因素对声信号传播造成的影响，对应力波信号参数与故障类型之间的关系进行进一步的深入探究。

本文编自2023年第3期《电工技术学报》，论文标题为“界面缺陷及老化状态下电力电子器件封装绝缘应力波检测与分析”。本课题得到国家自然科学基金和山东省自然科学基金资助项目的支持。