Page 115 - 《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 2573

险，试验需要在传感器与散热侧之间加入绝缘垫片
以确保安全。绝缘垫片与器件散热侧之间涂抹耦合 4 电 路 参 数 影 响 分 析
剂，用于实现两者之间声阻抗匹配，减少增加垫片导
致的信号衰减。 为了进一步分析 IGBT 关断过程中自激电磁振
不同传播路径下获取的自激电磁振动信号如图 5 动信号的特性及其与电路参数的关系，本文开展了
所示。结果表明，无论是否使用耦合剂，当传感器安 电路参数变化条件对 IGBT 器件关断自激电磁振动
装在散热侧时，测得的信号均呈现为单一的振荡衰 信号的影响规律试验研究。试验中，高压直流电源
减波形，缺乏丰富的频率成分。这类信号特征与高 的母线电压保持在 200 V，负载电感设定为 50 μH，通
电压应力所引起的电磁干扰高度一致，说明压电薄 过调整信号发生器脉冲宽度改变 IGBT 的关断电流。
膜传感器在散热侧的测量结果受到器件与传感器之 信号发生器脉冲占空比固定为 50%，周期从 12.5 μs
间的容性串扰影响 [20] 较为显著，难以反映 IGBT 内部的 逐步增加至 62.5 μs，步进为 12.5 μs，共获得 5 组试验
真实应力波特征。 数据。理论计算关断电流范围为 25~125 A，但由于

0.02 无耦合剂+封装侧 电路寄生电感、电容及负载电感饱和等因素的影
电压 / V −0.02 0 0.3 ms 响，实际关断电流范围约为 26~125 A，分析过程中以

0.05 实测电流值为准。
无耦合剂+散热侧 如图 6 所示为不同关断电流下压电薄膜声发射
电压 / V −0.05 0 传感器测量的自激电磁振动信号时域波形，信号主

0.02 有耦合剂+散热侧 要分布在 0.5 ms 时间内，且幅值随关断电流的增大
而增大。为了分析不同关断电流下的频域特性，对 1 ms
电压 / V 0 内的信号进行快速傅里叶变换，得到如图 7 所示的
−0.02
频谱分布。不同关断电流下自激电磁振动信号频谱
0.02
电压 / V 0 有耦合剂+封装侧 的有效信号主要集中在 35、57 和 135 kHz 三个频率
−0.02 0.5 ms 附近，且有效信号频谱整体幅值随关断电流增大而
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 提升。因此后续主要分析 150 kHz 以下的自激电磁
时间 / ms
振动信号频域成分。
图 5 不同传播路径下的自激电磁振动信号时域波形
Fig. 5 Time-domain waveforms of SEMV signals under 0.10
125 A
different propagation paths
99 A
74 A
相比之下，传感器安装在封装侧时，所得信号中 0.05
50 A
均包含较丰富的高频成分，这些频率分量与自激电 26 A
磁振动的典型频谱特征相符，表明其为有效的应力 电压 / V 0
波信号源。此外，是否使用耦合剂在信号幅值与能
量保持方面表现出明显差异。在封装侧使用耦合剂 −0.05
时，有效信号的持续时间更长，波形衰减更缓慢，能
量损耗较低。这是由于耦合剂可以有效降低界面声 −0.10
阻抗，提高应力波从器件表面向传感器的能量传递 0 0.25 0.50 0.75 1.00
效率，同时还能减小压电薄膜与被测表面之间的直 时间 / ms
接摩擦，防止长时间测试过程中的划伤与磨损。 图 6 不同关断电流下的自激电磁振动信号时域波形
综合图 5 的试验结果，选择“封装侧+有耦合剂” Fig. 6 Time-domain waveforms of SEMV signals under
的压电薄膜传感器安装方案作为后续测量 IGBT 自 different turn-off currents
激电磁振动信号的方式。该方案能够在保证信号质 进一步地，为了量化关断电流对压电薄膜声发
量的同时有效降低外部干扰，并提升传感器长期使 射传感器测量的自激电磁振动信号的影响，选取不
用的可靠性。因此，本文后续试验将压电薄膜传感 同关断电流下采集得到的自激电磁振动信号能量特
器通过耦合剂紧贴在被测物封装表面。耦合剂可减 征进行分析，结果如图 8 所示。基于多项式拟合公
小机械波从器件传至传感器界面时的反射损耗，有 式绘制出自激电磁振动信号能量与关断电流的二次
效匹配传感器与被测器件之间的声阻抗，确保压电 拟合曲线，拟合 R 为 2 0.9907。
薄膜能有效检测 IGBT 器件的自激电磁振动信号。 此外，为探究母线电压对压电薄膜测得的自激