Page 112 - 《振动工程学报》2025年第11期

2570 振 动 工 程 学 报 第 38 卷

近年来，智能电网、轨道交通、新能源发电、电 高的灵敏度、更大的响应值以及受安装以及位置角
动汽车及特种电源等领域迅速发展，绝缘栅双极性 度的限制较小的优点。张继轩等 [19] 发现基于微机电
晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）器件作 系统的压电薄膜传感器可同时兼顾高灵敏度和微型
为这些领域电能变换与控制的核心单元，其运行的 化，在齿轮故障诊断方面也具有较高的可靠性和准
安全与可靠性直接关系到整个系统的稳定与效率 [1-4] 。 确性。因此，压电薄膜传感器在 IGBT 器件开关过程
一旦该器件出现退化或故障，轻则降低装置性能，重 产生的自激电磁振动信号（也称电磁声发射信号）检
则引发系统级失效，带来巨大的安全隐患与经济风 测方面也具有广阔的应用前景。
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险 。因此，构建快速、在线、无损的 IGBT 器件传感 为此，本文在室温条件下将压电薄膜声发射传
与状态监测技术，对提升 IGBT 器件寿命与系统稳定 感器柔性贴附于 IGBT 封装侧面，通过触发脉冲信号
性具有重要意义。现有 IGBT 器件的状态监测方法 激励引发 IGBT 器件的自激电磁振动信号并同步采
主要围绕电、热、磁等物理量展开 [6-8] 。这些方法均 集电参数信号，与压电陶瓷声发射传感器进行时/频
有助于 IGBT 器件/模块的状态检测和故障诊断，提 域特征对比，评估压电薄膜检测方案在自激电磁振
升器件的可靠性，但是难以同时满足快速、无损、非 动信号检测中的灵敏性、保真性与可行性，为功率
侵入式、早期预警等状态监测需求。 器件自激电磁振动信号的在线监测提供技术手段。

自激电磁振动（self-excited electromagnetic vibration，
SEMV）检测技术以功率器件开关过程内部能量快速 1 基 础 理 论
释放所激发的瞬态弹性波为载体，通过分析功率器

件封装表面的振动特征参数，可对功率器件的微小
1.1 IGBT 器件自激电磁振动信号的产生机理
损伤和早期缺陷实现高灵敏监测 [9-10] ，有望同时满足
IGBT 器件的上述状态监测需求。 IGBT 器件开关过程的自激电磁振动信号是由
国内外许多学者已经对功率器件的自激电磁振 瞬态电磁力和瞬态热应力共同作用产生的 [17] 。当
动信号进行了相关研究。KÄRKKÄINEN 等 [11] 通过 IGBT 进行开关动作时，电流迅速变化，引起器件内
试验确认 IGBT 在开关时刻会产生可以被压电陶瓷 部导体间瞬间吸引/排斥力发生变化，器件结构受到
声发射（acoustic emission，AE）传感器检测到的自激 脉冲式机械加载；同时结温突然变化使芯片材料产
电磁振动信号。随后，MÜLLER 等 [12] 对比健康与退 生膨胀或收缩冲击。这两个因素叠加在硅芯片和封
化功率器件的频谱差异，证明自激电磁振动特征可 装结构中激发出弹性应力波，并以机械波的形式在
用于刻画器件的老化状态。DAVARI 等 [13] 则提出了 材料中传播，引起器件封装外壳振动。这种无需外
基于绝对最大差值的自激电磁振动信号指标，与传 部激励源而由器件内部物理过程触发的弹性波，可
统电参数对比，并验证了其在器件老化评估中的有 以在器件封装外壳利用压电传感器捕获，进而分析
效性。CHOE 等 [14] 基于功率循环试验发现焊接型功 器件状态信息以评估其健康状态和可靠性。

率器件应力波信号的信号计数特征会随着功率循环
1.2 压电薄膜传感器的工作原理与特性
而增加，对应于在铝键合线中观察到的疲劳裂纹扩
展缺陷。LI 等 [15] 揭示了 IGBT 器件关断电流与波形 本文采用的压电薄膜传感器（SDT1-028K）采用
时/频域特征之间的定性关系，讨论了功率器件在不 聚偏氟乙烯（PVDF）压电薄膜作为敏感元件。该传
同耦合路径下自激电磁振动信号成分的差异 [16] ，并 感器结构上由一片厚度 d约为 28 μm 的压电薄膜叠
基于电磁力模型和热弹性模型解释了自激电磁振动 覆在聚酯薄片（Mylar）基底上，双面涂有导电电极并
在 IGBT 器件中的产生机理与传播规律 [17] 。上述研 引出同轴屏蔽的导线。当有自激电磁振动作用于传
究在自激电磁振动传感方法方面均采用压电陶瓷声 感器膜片时，薄膜发生微小形变，内部产生电荷迁
发射传感器，但是压电陶瓷声发射传感器具备一定 移，从而在上下电极间形成电压信号。这一原理基
的附加质量和较大的安装空间需求，在特殊结构表 于压电效应：外力引起的应力/应变能在压电材料中
面、狭窄空间与嵌入式部署等方面的应用场景受到 转化为电信号。对于厚度方向上的应力 T 3 , 压电薄
一定限制。 膜内部会产生与之成正比的极化电场强度 E 3 ，比例
压电薄膜传感器对复杂检测结构和检测空间具 系数为压电电压常数 g 33 。例如，在厚度方向上：
有很强的适应性，近年来也广泛应用于声发射信号 E 3 = g 33 ·T 3 （1）
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检测研究。何佳霖等 [18] 采用柔性压电薄膜传感器检 其中，PVDF 材料的 g 33 约为 0.25 m /C。在开路条件
测了管道的泄露信号，发现柔性薄膜传感器相比于 下，薄膜两端的输出电压 u A 等于电场强度 E 3 乘以
E
压电陶瓷传感器在管道泄漏声发射检测方面具有更 厚度 d：