Page 114 - 《振动工程学报》2025年第11期

2572 振 动 工 程 学 报 第 38 卷

以减少外界杂散电场对信号的耦合干扰。 仅截取其中的 1 ms 有效信号作为分析对象。

由于自激电磁振动信号在产生后幅值极低（通
常为毫伏级甚至更低），因此需要在传感器与示波器 3 传 播 路 径 影 响
之间连接前置放大器（增益设置为 40 dB），用于在信
号进入采集环节前对其进行放大，从而改善信噪比 自激电磁振动信号在检测过程中容易受到环境
并放大有效信号的特征细节。信号被放大后，经同 振动及电磁干扰的影响。如果应力波在传播路径中
轴屏蔽电缆输入四通道数字示波器进行带电参数- 受到过多衰减或被干扰成分掩盖，其有效信号成分
自激电磁振动参数同步采集。4 个采集通道分别用 将难以被完整保留。因此，为了提升自激电磁振动
于记录：①集电极电流 I C ，用于反映器件导通与关断 信号的信噪比，有必要对自激电磁振动从器件内部
瞬间的电流变化；②栅极电压 V GE ，用于确认器件的 传播到压电薄膜传感器的路径影响进行分析，并基
驱动时序与工作状态；③集电极-发射极电压 V CE ，用 于分析结果优化压电薄膜传感器的自激电磁振动信
于监测器件集射极电压变化过程；④自激电磁振动 号检测方式。
信号 V SEMV ，用于分析由 IGBT 内部开关过程产生的 本研究分析了不同安装位置和传感器侧耦合条
自激电磁振动波形。 件下的 IGBT 器件自激电磁振动信号特性，以确定最
如图 3 所示，示波器采集得到的自激电磁振动 佳的压电薄膜传感器测量配置。试验设置高压直流
信号持续时间为 10 ms，其中有效信号主要集中在 电源的母线电压为 100 V，负载电感为 200 μH，IGBT
器件的导通时间为 160 μs。在此条件下，通过改变
IGBT 器件关断后的约 1 ms 内。为提高后续特征提
传感器安装位置与传感器侧耦合剂使用情况，探究
取与分析的有效性，本研究对采集波形进行预处理，
最优的自激电磁振动信号采集路径。本文对比了传

0.10 感器与检测表面之间是否涂抹耦合剂对检测结果的
0.05
影响，即传感器侧有/无耦合剂。表 1 给出了本次试
0
0.05 验压电薄膜传感器测得自激电磁振动信号的传播路
−0.05
径设置方案。具体传感器检测方案如图 4 所示。考
电压 / V 0 虑到在散热侧测量时存在高电压击穿传感器的风
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

表 1 传播路径设置
−0.05
Tab. 1 Propagation path settings

测量方案 传感器与器件间有/无耦合剂 传感器放置位置
−0.10
1 # 无 散热侧
0 2 4 6 8 10
时间 / ms 2 # 无 封装侧
#
图 3 完整信号时域波形 3 有 散热侧
4 # 有 封装侧
Fig. 3 Time-domain waveform of complete signal

封装侧 压电薄膜
传感器
耦合剂

绝缘垫片
封装侧
压电薄膜
传感器 散热侧
测量方案1 # 测量方案2 #
封装侧 压电薄膜
传感器
绝缘垫片
耦合剂
散热侧 耦合剂

压电薄膜
传感器 散热侧
被测IGBT器件 测量方案3 # 测量方案4 #

图 4 IGBT 器件自激电磁振动信号的压电薄膜测量方案
Fig. 4 Measurement scheme of SEMV signals for IGBT devices based on piezoelectric film