界面缺陷及老化状态下电力电...件封装绝缘应力波检测与分析_何东欣.pdf

2023 年2 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.3 第 38 卷第 3 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.221282 界面缺陷及老化状态下电力电子器件封装绝缘应力波检测与分析 何东欣1 魏君宇1 王婉君2 徐 喆1 李清泉1（1.山东大学电气工程学院山东省特高压输变电技术与装备重点实验室 济南 250061 2.国网山东省电力公司济南供电公司 济南 250000）摘要 电力电子器件在运行过程中会产生应力波，该信号可以表征器件的内部信息和工作状态，可用于器件的在线监测。该文首先从测量绝缘内部空间电荷的电声脉冲法原理出发，从封装绝缘的角度对脉冲边沿时刻应力波的形成机理进行了深入探讨，发现绝缘材料中空间电荷在脉冲边沿处的振动可能是应力波的发射源之一。在此基础上，设置具有单一的界面缺陷和老化缺陷的试样，进行脉冲边沿时刻的应力波检测，并将其与正常状态下的应力波进行对比，探究不同缺陷类型对应力波参数的影响。结果显示，界面缺陷会使得应力波在高频处产生新的峰，而老化缺陷则会导致应力波的频域分量向低频处集中，不同的缺陷类型与应力波的时域和频域检测结果存在良好的对应关系。该研究可为建立电力电子器件缺陷状态与应力波参数之间的关联关系奠定基础。关键词：电力电子器件 应力波 状态监测 界面缺陷 老化状态 中图分类号：TM930 0 引言 现代电力系统中，以 IGBT、MOSFET 为代表的电力电子器件具有体积小、作用灵活、使用方便等优点，在直流输电、新能源并网等领域得到了广泛的应用1-2。然而，电力电子器件的可靠性却难以满足现代电力系统的需求。调查报告显示，电力系统中发生的绝大多数故障都是由于电力电子器件的失效导致的3。一方面，电力电子器件在工作过程中所承受的温度、电压等外界条件变化十分剧烈，加快了材料的疲劳失效，使得器件应对外界条件变化的能力变弱；另一方面，对性能的过分追求导致器件的裕量通常设计得很低，这也增加了运行过程中故障发生的可能性4-5。因此，监测电力电子器件的工作状态，对保障电力系统的正常运行具有重大意义。国内外学者对电力电子器件的失效机理进行了许多研究，发现失效是在电-热-应力场的共同作用下导致的6-7。传统的电力电子器件监测方法，主要建立在对器件工作过程中电、磁、热等信息参数的提取上8-11。基于电信息的监测方法主要是对器件工作过程中关键位置的电气量进行提取，并通过机械学习、建立模型等方法，分析电气量与器件状态之间的对应关系12-15。基于磁信息的监测方法则是利用巨阻磁效应，借助于器件内部的磁场传感器，来获得器件内部的结构信息16。基于温度信息的监测方法主要是利用传感器，对器件的内部结温、表面温度等热力学量进行提取，然后借助软件对数据进行处理量化，将结果与正常工作状态下得到的结果进行比较，从而判断器件的工作状态17-18。上述方法都可以对电力电子器件的工作状态进行有效的监测与评估，然而由于器件的内部结构太过复杂，所以目前的绝大多数研究局限于通过物理量来表征器件的工作状态，而不能确定具体的故障类型。因此，需要探寻其他能够表征器件工作状态的物理量，对电力电子器件的监测方法进行扩展。局部能量的快速释放会产生应力波，该信号能够表征发射源内部缺陷及其物理性质，因而可用于发射源状态的评估19。该方法具有快速、实时、非侵入等特点，符合电力电子设备在线监测的需求，因此在近几年得到了国内外学者的广泛关注20。芬 国家自然科学基金（51907105，U1966209）和山东省自然科学基金（ZR2019QEE013）资助项目。收稿日期 2022-06-30 改稿日期 2022-07-22 第 38 卷第 3 期 何东欣等 界面缺陷及老化状态下电力电子器件封装绝缘应力波检测与分析 611 兰拉普兰塔理工大学的 T.J.Krkkinen 等首次观察到功率半导体模块的通断瞬间会发射声信号21。波兰什切青海事大学的 R.Gordon 等对 IGBT 器件连续开断释放的应力波进行了分析，发现器件的开断是应力波产生的主要原因22。德国开姆尼茨工业大学的 S.Mller 在频域范围内对老化器件释放的应力波进行了分析，发现老化使得应力波信号在主频率处的幅值增大，在谐振频率处的幅值减小23。湖南大学的何赟泽等对电力电子器件在工作过程中释放的应力波的产生机理及影响因素进行了深入研究，并对应力波信号中的不同频域分量进行分析，得到了不同工作条件下应力波参数与电气参数之间的关系24-26。上述文献对电力电子器件开断过程中释放应力波的影响因素进行了探究。然而，现有文献主要针对器件整体开展应力波检测。研究显示，在器件内部存在多个应力波发射源，不同发射源产生的应力波信号掺杂在一起，给器件内部状态分析带来了很大的困难27。此外，这种方法对于器件内部状态的界定不明确，很难建立具体的缺陷类型与状态同应力波的直接关联关系。因此，需要尝试研究特定的发射源在确定的缺陷类型下的机械应力波特性。本课题组近年来开展了脉冲电场下绝缘材料电荷行为及响应特性的研究，前期研究已发现聚酰亚胺（Polyimide,PI）、有机硅等器件封装材料在脉冲上升沿和下降沿时刻的电荷振动现象，通过压电传感器检测到脉冲边沿时刻的应力波信号，并从电荷受力平衡的角度对应力波产生机理进行了阐述28。通过与现有的电力电子器件应力波检测的研究结果比较分析，发现绝缘封装中的电荷振动现象可能是脉冲时刻器件应力波的来源之一，即器件内部的半导体或绝缘材料中的界面或空间电荷，在脉冲电场力作用下发生快速位移，并带动束缚电荷的分子或晶体结构发生振动，进而形成应力波。通过实验室制作的封装绝缘模型，可以获得明确的材料和结构条件下的应力波，便于探讨应力波产生的物理机制。更为方便的是，可以人为设置不同的绝缘缺陷类型，研究缺陷形式与应力波特性的直接关联关系，进而映射到实际的器件缺陷检测中。因此，本文提出研究人为设置缺陷的实验室模型的应力波特性的方法，可以作为器件应力波检测技术研究的新思路。本文首先从微观的角度，对电力电子器件在运行过程中产生应力波的机理进行了分析。然后基于电力电子器件在运行过程中常见的封装绝缘故障形式，设置了不同材料界面和绝缘老化两种缺陷类型，对不同缺陷状态下的应力波进行了探测。并且分别在时域和频域内，将存在缺陷时的应力波与正常状态下的应力波进行了对比分析。最后总结了不同缺陷下器件应力波的参数特征。1 脉冲边沿处应力波的产生机理 在现代电力电子领域中，为了使得到的波形变得平滑，器件通常工作在较高通断频率的状态下，这使得其承受高重复频率和高电压上升率的方波脉冲电压29。由此推断，长期承受高频、高幅值、陡上升沿和下降沿的脉冲电压的冲击作用，是高压电力电子装备的普遍工况。由于外加电场和极化的影响，降低了电子逸出电极的势垒，从电极发射的电子在外加电场的作用下产生迁移，在迁移过程中被介质中的陷阱所捕获，从而形成空间电荷。空间电荷的存在会导致局部电场的畸变，进而影响材料的绝缘性能。目前较为常用的空间电荷检测方法为电声脉冲（Pulsed Electro-Acoustic,PEA）法，其基本原理为：给试样施加一个微扰场脉冲，破坏空间电荷原本的平衡状态，由于电荷与原子核或分子单元之间的强耦合作用，电荷会带动分子振动并产生应力波30。根据电声脉冲法的原理，带电分子会在窄场脉冲的作用下发生振动，考虑到电力电子器件在工作过程中始终受到高频率、陡上升下降沿的方波脉冲电压的影响，脉冲的上升和下降时间均处于 ns 范围内，其频率分量与电声脉冲法所施加的微扰场脉冲所包含的频率分量相近。据此推测，在正常工况下，电力电子器件绝缘与半导体材料中的分子或晶格结构会由于脉冲上升下降沿的激励作用发生振动，并产生应力波。在先前的研究中28，以聚酰亚胺为研究对象，对脉冲电场上升沿和下降沿处分子的行为进行了研究，发现在脉冲的上升沿和下降沿处，分子的确发生了振动，并检测到了振动产生的应力波，如图 1所示。其中脉冲电压幅值为-1kV，脉冲的上升和下降时间均为 100ns。应力波可以分为三部分。由于试样与传感器之间存在铝电极板，并不直接接触，因此分子振动所产生的应力波被传感器接收要经过一定的延时。此装置中铝电极的厚度为 15mm，铝中的声速约为 6 300m/s，可以计算出应力波从产生到被传感器接收所经过的延时约为 2.4s。由此可以判断，图中第二部分即为分子振动所产生的应力波。第一部分信号的传播时延为 0，这说明第一部分信 612 电 工 技 术 学 报 2023 年 2 月 号是由于在脉冲边沿时刻电压突变所产生的电磁信号，由于电磁波传播速度极快，约为光速，因此在其产生的瞬间便被传感器所捕获。第三部分信号和第二部分信号之间的时间间隔为 4.8s，是在铝板中传播时间的两倍，且幅值与第二段波形相比具有明显衰减。因此，第三部分信号是第二部分信号的反射波形。图 1 脉冲电压边沿处的波形 Fig.1 The waveform measured at the edge of pulse voltage 对第一部分和第二部分信号进行傅里叶分解（由于第三部分信号是第二部分信号的反射波形，其所包含的频域分量与第二部分基本一致，因此不进行分析），得到脉冲边沿处分子振动信号的频谱图如图 2 所示。发现第二部分信号的频域分量主要集中在 020MHz 范围内，属于低频分量；第一部分信号的上限截止频率高达 1 000MHz，属于高频分量。在其他学者的研究中也发现了类似的现象。湖南大学的何赟泽等对功率 MOSFET 在通断过程中发射的 图 2 脉冲边沿处分子振动信号的频谱图 Fig.2 Spectrum of molecular vibration signal at the edge of pulse 应力波的成分进行了分析，发现由低频分量和高频分量两部分组成，低频信号与高频信号之间存在时延，如图 3 所示24。图 3 MOSFET 通断时产生的应力波信号 Fig.3 Stress wave signal generated during MOSFET on-off 关于应力波的来源，目前主流的观点是器件通断时刻剧烈变化的电磁场使带电粒子和晶格发生振动，从而释放应力波。T.J.Krkkinen、何赟泽、李孟川等从电磁应力的角度出发，认为器件关断时刻内部的电流会急剧变化，在周围空间中产生剧烈变化的电磁场，带电粒子由于电磁力的作用发生振动并释放应力波21,24-25。耿学峰等则从能量的角度入手，认为电流变化的瞬间会产生瞬时脉冲功率并释放热量，热量进入芯片薄层后会使材料晶格动能增加，导致晶格振动并释放应力波31。由此可见，国内外学者普遍从电流的角度，对应力波的产生机理进行了深入剖析，而关于通断时刻剧烈变化的电场对应力波的产生是否有影响，目前还没有明确的结论。本课题组基于电声脉冲法的基本原理，同时考虑到电力电子器件运行过程中的实际工况，从电场的角度对应力波的成因进行了解释：器件开断时刻内部电场急剧变化，破坏了带电粒子的受力平衡，导致带电粒子振动并产生应力波。这几种观点分别从电场、磁场、能量的角度，对电力电子器件通断过程中应力波的产生机理进行了阐述，可以互为补充。综上所述，应力波由低频分量和高频分量组成。其中，低频信号是由于器件内部分子振动而产生，同内部结构紧密相关，其所反映的器件工作状态信息更加准确。且低频信号与高频信号相比，不但波形更为简洁，所包含的频域分量也更少，还可以通过低通滤波器对其进行提取，分析过程更为简便。因此本文主要对应力波的低频分量，即分子振动所产生的信号进行研究。当器件出现故障时，由于内部结构以及物理性质发生变化，应力波的参数也会发生变化。因此，可以通过对应力波进行提取和分析，来评估电力电子器件 第 38 卷第 3 期 何东欣等 界面缺陷及老化状态下电力电子器件封装绝缘应力波检测与分析 613 的工作状态。2 实验系统及缺陷设置 2.1 电力电