Page 117 - 《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 2575

变化曲线，过栅压故障前信号能量几乎不变，发生故 声发射传感器的输出信号。
障后信号能量急剧增大。

20
被测IGBT器件
15
能量 / (V 2 ·s) 10 压电薄膜 压电陶瓷

5 传感器 声发射传感器

图 14 压电陶瓷声发射传感器与压电薄膜传感器贴合位置
Fig. 14 Mounting positions of piezoelectric ceramic AE sensor
0
20 40 60 80
and piezoelectric film sensor
栅极电压 / V

图 12 不同栅极电压下的自激电磁振动信号能量变化 图 15 所示为不同关断电流下两种传感器测量的
自激电磁振动时域波形。随着关断电流的增大，压
Fig. 12 Variation of SEMV signal energy under different gate
voltages 电陶瓷声发射传感器与压电薄膜传感器检测的自激

电磁振动信号幅值均呈显著上升趋势，但二者的幅
综上所述，IGBT 器件的导通电流、集射电压和
值水平存在明显差异。压电陶瓷声发射传感器的输
栅极电压对 IGBT 关断过程中自激电磁振动信号的
出幅值整体高于压电薄膜，且信号衰减速度较快；而
幅值、频谱分布及能量均有显著正相关影响。进一
压电薄膜传感器的幅值相对较低，但信号形态更加
步地，为了评估压电薄膜传感器相比于传统压电陶
平滑，持续时间更长。
瓷声发射传感器的幅频响应能力和适用场景差异，

本研究将对压电薄膜传感器与压电陶瓷声发射传感 0.10
102 A
器的自激电磁振动检测结果进行对比分析。 0.05 75 A
50 A

电压 / V 0
5 不 同 传 感 器 检 测 效 果 对 比
−0.05
−0.10 压电陶瓷声发射传感器
为了评估不同类型传感器（如图 13 所示）在 IGBT
0.02
102 A
关断时刻的自激电磁振动检测性能差异，本文采用 75 A
0.01 50 A
传播延时检测方法开展了压电薄膜传感器与压电陶
瓷声发射传感器的对比试验。考虑到传感器之间的 电压 / V 0
串扰及传播路径差异可能对试验结果造成影响，本 −0.01
研究将两类传感器通过导波板贴合在距被测器件相 −0.02 压电薄膜传感器
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
同距离的两侧，如图 14 所示，以保证测试条件的一 时间 / ms

致性和可比性。试验中，母线电压设定为 150 V，负
图 15 不同关断电流下的自激电磁振动信号时域波形
载电感为 100 μH，通过改变被测器件的触发脉宽实 Fig. 15 Time-domain waveforms of SEMV signals under
现不同关断电流条件下的 IGBT 器件自激电磁振动 different turn-off current

信号测试，并同步采集压电薄膜传感器和压电陶瓷
进一步地，对采集到的信号进行傅里叶变换，得

到如图 16 所示的自激电磁振动信号频谱分布。压
电陶瓷声发射传感器的有效信号主要集中在 15~45 kHz
以及 50~140 kHz 两个频段。而压电薄膜声发射传感
器的频谱主要集中在 50 kHz 以下，幅值整体较低但
谱线相对平稳，体现出其在 50 kHz 以下低频范围的
(a) 压电陶瓷声发射传感器 (b) 压电薄膜传感器
(a) Piezoelectric ceramic AE sensor (b) Piezoelectric film sensor 自激电磁振动信号稳定检测能力。质量轻、柔性

图 13 不同类型的自激电磁振动信号检测传感器 高、机械阻抗低等特性，使其在低频振动作用下能
Fig. 13 Different types of SEMV signal detection sensors 够产生更显著的应变响应并实现更充分的表面贴