IGBT开关诱导产生机械应力波的低压试验与信号分析研究

摘要

随着能源技术的发展对电力电子装备的性能要求越来越高，IGBT作为电力电子装置的核心元件，其可靠性直接决定了电气节能、新能源发电、智能电网等系统的正常运行。IGBT发生故障或老化，会对电力系统及使用电力电子装备的系统可靠性运行造成危害，严重时会导致难以估计的经济损失。因此，应对IGBT的运行状态进行在线监测。现有针对IGBT器件的状态监测方法，大多数是基于器件内部电-磁-热应力信息参数提取与分析，对于反映IGBT器件的所处的状态，不能同时满足快速、非侵入式及实时在线的检测需求。在开关和故障等状态下，IGBT器件内部电磁热力等多物理场相互耦合作用会产生反映状态与故障的机械应力波，对应力波的检测可作为一种潜在的IGBT状态监测方案。　　本文通过机理分析、试验验证和信号处理等手段对IGBT开关机械应力波展开研究。首先介绍了IGBT的结构并从微观上分析了器件在不同工作条件下内部机械应力波的产生与传播机理，为后期的试验研究奠定了理论基础。然后从测量平台的原理入手，介绍了机械应力波测试电路、驱动电路以及多通道信号测量平台的原理，并完成了实物的搭建，同时实时在线测量了不同状态下IGBT内部所产生的机械应力波信号。最后对提取信号的时域及频域进行分析，快速提取出机械应力波的特征参数，发现IGBT开通和关断都会产生声发射信号，开通时刻信号幅值为正，关断时信号幅值为负，信号主要集中在50-150Khz和2.7Mhz附近，同时声发射信号由电磁波信号和低频应力波信号共同组成；当集射极电压VCE不变时，改变触发脉冲宽度，开通时刻的声发射信号脉冲尖峰的幅值不变，低频和高频声发射信号也有相同特点，并且脉冲宽度的改变对于机械应力波的频谱范围基本无影响，只是改变了时域波形的叠加时间，导致时域波形不一致；触发脉冲宽度相同时，开通时刻的声发射信号脉冲尖峰幅值随着VCE的增大而增大，呈线性增长趋势，低频和高频声发射信号也有相同特点，同时VCE的变化对时域波形的形状基本无影响，只是改变了信号的幅值；IGBT在没有关断电流时也会有声发射信号产生，且高频部分声发射信号与VCE有关，同时发现有关断电流时，声发射信号的能量有明显的增大。　　本文通过对IGBT开关机械应力波的研究，建立的快速、非侵入式、实时在线的机械应力波测量及特征参数提取方法，最终目的是为了建立IGBT参数与开关机械应力波特征参数之间的关系，为后期研究大容量电力电子装备的可靠性评估和性能提升提供理论与技术支撑。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 IGBT 状态检测监测的国内外研究现状

1.2.1 基于电应力和磁应力的 IGBT 状态监测

1.2.2 基于热应力的 IGBT 器件状态检测

1.2.3 基于机械应力波的 IGBT 状态检测

1.2.4 不同检测方法对比

1.3 本文主要工作及论文结构

第2章 IGBT 开关机械应力波产生理论

2.1 声发射现象

2.2 IGBT 微观结构

2.3 IGBT 的两种典型工作状态

2.3.1 开关状态

2.3.2 老化状态

2.4 IGBT 的不同工作条件下应力波的产生机理

2.4.1 无关断电流触发

2.4.2 IGBT 开通

2.4.3 IGBT 关断

2.5 本章小结

第3章 试验系统设计与数据采集试验

3.1 机械应力波测试电路设计

3.2 IGBT 驱动电路选择

3.3 多通道声发射信号测量平台

3.3.1 声发射传感器原理

3.3.2 前置放大器

3.3.3 声发射仪

3.4 数据采集试验

3.4.1 试验系统元件及设备的选择

3.4.2 试验参数设置与试验步骤

3.5 本章小结

第4章 信号分析与处理

4.1 软件介绍

4.1.1 声发射软件

4.1.2 Matlab

4.2 信号分析方法

4.2.1 时域分析法

4.2.2 频域分析法

4.3 信号分析

4.3.1 环境噪声分析

4.3.2 应力波信号的成分分析

4.4 机械应力波与 IGBT 参数关系的分析

4.4.1 应力波信号与 IGBT 参数的关系分析

4.4.2 低频应力波信号与 IGBT 参数的关系分析

4.4.3 高频应力波信号与 IGBT 参数的关系分析

4.5 本章小结

结论与展望

参考文献

附录 A 攻读硕士学位期间取得的研究成果

附录 B 机械应力波测试电路原理图和 PCB 图

致谢