Page 113 - 《振动工程学报》2025年第11期

第 11 期 何赟泽，等：IGBT 自激电磁振动信号的压电薄膜传感与检测 2571

u AE = E 3 ·d = g 33 ·T 3 ·d （2） 上管 电流
因此，压电薄膜传感器检测的应力越大，输出电 IGBT 通路 电感负载
Ⅱ L load
压幅值越高。
高压直流 −5 V
当自激电磁振动通过 IGBT 器件内部传到传感 电源U 母线电容C
器时，引起 PVDF 薄膜拉伸或弯曲形变，由于压电效
驱动信号
应，薄膜两侧电极便产生感应电荷，输出对应的电压
脉冲信号。为了评估该传感器在不同工作条件下的
下管 电流通路Ⅰ
IGBT 器件自激电磁振动信号检测性能，本文将在后 DUT IGBT
续部分构建专用的脉冲测试试验平台，对自激电磁
振动信号进行采集与预处理，进而分析传播路径、 图 1 脉冲测试电路原理图
电路参数对自激电磁振动信号特征的影响。 Fig. 1 Schematic diagram of the pulse test circuit

2.2 试验平台设置
2 试 验 平 台 和 信 号 预 处 理
根据脉冲测试电路原理图搭建的 IGBT 器件自

激电磁振动信号检测平台如图 2 所示，主要由信号
2.1 IGBT 器件自激电磁振动信号产生电路
控制模块、功率驱动模块、被测 IGBT 器件、传感器
由于 IGBT 器件开通和关断过程产生的自激电 测量模块以及数据采集与记录模块组成。信号发生
磁振动信号在测试方法、产生机理方面存在一定的 器为整个系统提供精确可控的脉冲控制信号，该信
相似性，研究方法和研究结果可以相互借鉴。因此， 号经由驱动电路作用于下管 IGBT 的栅极，用于控制
本文选取 IGBT 器件关断时刻产生的自激电磁振动 其导通与关断时序。为了保证驱动信号幅值稳定且
信号作为研究对象，并设计了感性负载的脉冲测试 具备足够的驱动能力，试验平台配备了独立的低压
电路。脉冲测试电路是目前试验研究中最常用的 直流电源为驱动电路供电，从而避免驱动环节受到
IGBT 自激电磁振动激发电路，其电路原理图如图 1
高压母线侧的电气干扰。与此同时，高压直流电源
所示。下管 IGBT 是被测器件（device under test，DUT）。
负责对母线电容进行充电，为脉冲放电过程提供短
该电路依托高压直流电源对母线电容进行预充电，
时间内足够的能量释放，进而在 IGBT 关断瞬间产生
为后续脉冲过程提供短时高功率的能量输出。在电
一定幅值的瞬态电磁力和热冲击，以激发自激电磁
路工作初始阶段，高压直流电源通过充电支路向母
振动信号。
线电容充电，使其储存足够的电能；此时上管 IGBT

处于关断状态，其主要作用是在后续关断阶段为负
载电感提供续流通道，同时阻断高压直流电源与下
信号发生器 低压直流电源
管之间的直接连接，从而避免额外的能量耦合。当
驱动电路向下管 IGBT 输出高电平控制信号时，器件 示波器 高压直流电源
栅极电压 V GE 超过开启阈值 V th ，下管 IGBT 进入导通
电感负载
状态。此时，母线电容中储存的电荷通过下管 IGBT 母线电容
向电感负载 L load 放电（电流通路Ⅰ ），在电感自感电动
势作用下，电流按近似线性规律上升，可表示为： 驱动电路
U ·t on
I = （3）
L load
式中，U 表示母线电压（高压直流电源电压）。随着 被测器件和传感器细节
导通时间 t on 的延长，电感磁场能量逐步积累，电流幅
图 2 IGBT 器件自激电磁振动信号检测平台
值不断增大。
Fig. 2 The SEMV signal detection platform for IGBT devices
在设定的导通脉宽结束后，驱动信号从高电平
骤然切换为低电平，下管 IGBT 迅速关断，导致其电 被 测 IGBT 器 件 选 用 意 法 半 导 体 公 司 生 产 的
流路径瞬间中断。由于电感中储存的磁场能量无法 STGYA50M120DF3 型号，该器件额定电压和电流裕
突变消失，按照楞次定律，电感会通过上管 IGBT 或 量较高，具备优良的开关特性，能够在试验条件下稳
续流二极管释放能量以维持回路电流连续性（电流 定模拟较大范围的电压和电流工作条件。自激电磁
通路Ⅱ ）。被测 IGBT 器件在关断时刻由于电磁力和 振 动 的 检 测由 SDT1-028K 压 电 薄 膜 传 感 器 完 成 。
热弹性力的共同作用会产生自激电磁振动信号。 SDT1-028K 传感器采用自屏蔽结构，内置屏蔽层可