劉 菲， 何赟澤， 唐銳洋， 任丹彤， 白 蕓， 劉松源

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

逆變技術(shù)是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件將直流電變換為交流電的變流技術(shù)[1]。隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，逆變技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、電動(dòng)汽車、新能源和并網(wǎng)逆變[2-5]等方面。由電力電子功率半導(dǎo)體器件組成的逆變電路是逆變器中的核心部分，由于功率器件處于不停的開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)致逆變電路成為系統(tǒng)的薄弱裝置，是主要的失效組件[6-7]。在整個(gè)逆變系統(tǒng)中，任何一個(gè)器件的故障或者損壞都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路甚至系統(tǒng)的癱瘓，造成嚴(yán)重的安全事故或經(jīng)濟(jì)損失，因此提高功率器件的可靠性是提高整個(gè)逆變系統(tǒng)可靠性的重要環(huán)節(jié)[8]。智能制造中的感知、分析和決策等重要環(huán)節(jié)都離不開狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)[9]。目前，狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)是提高功率器件可靠性的最有效的手段和方法[10]。電力電子器件內(nèi)部狀態(tài)提取主要包括：基于電參數(shù)、磁參數(shù)、熱參數(shù)和聲發(fā)射參數(shù)的狀態(tài)提取。其中，基于電參數(shù)的器件狀態(tài)提取方法主要有故障狀態(tài)直接提取[11]和間接提取[12]；基于磁參數(shù)的器件狀態(tài)提取方法主要是巨磁阻場(chǎng)探測(cè)器法[13]；基于熱參數(shù)的器件狀態(tài)提取方法主要有物理接觸式測(cè)量法[14]、紅外光學(xué)非接觸式測(cè)量法[15]、熱敏感電參數(shù)[16]和熱阻抗模型預(yù)測(cè)法[17]。這些方法大都不能對(duì)功率器件實(shí)現(xiàn)非侵入式快速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此提出一種新的在線監(jiān)測(cè)方法——聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)。

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是無損檢測(cè)中的一種新方法，它可以提供連續(xù)的狀態(tài)信息，適合設(shè)備的在線監(jiān)控及早期破壞預(yù)警[18-19]。2014年，芬蘭拉普蘭塔理工大學(xué)Karkkainen等[20]采用雙脈沖測(cè)試電路和聲發(fā)射測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)開關(guān)期間的聲發(fā)射信號(hào)，可以清楚地觀察到聲發(fā)射信號(hào)是在電力電子模塊的關(guān)閉過程中發(fā)生的。之后，Karkkainen等[21]探究了傳感器帶寬對(duì)測(cè)量的影響，發(fā)現(xiàn)由于2個(gè)傳感器的特性不同，2個(gè)傳感器的輸出存在顯著差異，并且KRNBB-PC型聲發(fā)射傳感器檢測(cè)到的信號(hào)中低頻成分可能是由傳感器內(nèi)部裝置共振引起的。2015年，Karkkainen等[22]通過聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)研究了IGBT的電氣故障，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了IGBT的2種電氣故障可能產(chǎn)生2種聲發(fā)射信號(hào)，即立即發(fā)射和故障后發(fā)射。2016年，德國Muller等[23]使用IGBT功率循環(huán)測(cè)試電路與聲發(fā)射測(cè)量系統(tǒng)，提取了IGBT老化過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，觀察到在關(guān)閉過程中，老化的電力電子模塊在50～150 kHz處的振幅要比未老化的電力電子模塊低。2018年，Davari等[24]建立額定電壓為1200 V和額定電流為25 A的三相功率模塊，發(fā)現(xiàn)循環(huán)數(shù)次后的聲發(fā)射信號(hào)頻域最大幅值與零次循環(huán)頻域最大幅值和平均通態(tài)壓降相關(guān)性非常大，并且為所提出方法的概念提供了可靠的證明。國內(nèi)方面，湖南大學(xué)李孟川等[25]通過信號(hào)處理與頻譜分析得到了機(jī)械應(yīng)力波的時(shí)域和頻域特征參數(shù)，例如幅值、峰峰值、峰值頻率和頻率范圍，研究結(jié)果表明：合理設(shè)置采樣閾值和阻帶頻率能夠測(cè)量機(jī)械應(yīng)力波。湖南大學(xué)何赟澤等[26]在低壓條件下，設(shè)計(jì)了單脈沖測(cè)試電路并對(duì)功率MOSFET進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)采集的高頻電磁波是由器件漏源電壓導(dǎo)致的，低頻機(jī)械應(yīng)力波受柵源電壓和漏源電壓共同影響。

筆者在2種逆變電路正常工作的基礎(chǔ)上，采集了功率器件在不同工作條件下的聲發(fā)射信號(hào)，提取了其應(yīng)力波的特征參數(shù)，重點(diǎn)探討了應(yīng)力波的時(shí)域峰值、頻域峰值、峰值頻率、上升時(shí)間和能量與逆變器電路負(fù)載之間的關(guān)系，為逆變器在線監(jiān)測(cè)提供了新的方法和新的思路。

1 實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為聲發(fā)射采集系統(tǒng)，包括聲發(fā)射傳感器、信號(hào)線、前置放大器、同軸電纜、聲發(fā)射儀和PC端。其中，聲發(fā)射傳感器利用壓電效應(yīng)可以將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。聲發(fā)射儀器使用的是德國Vallen公司的ASMY-6多通道聲發(fā)射儀，傳感器型號(hào)為帶寬型聲發(fā)射傳感器VS-45H(帶寬范圍為20～450 kHz)，34 dB前置放大器APE5，PC采集軟件為Vallen VisualAE。

圖2為功率器件聲發(fā)射信號(hào)的采集原理。在逆變電路工作時(shí)，功率器件開關(guān)產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波經(jīng)過耦合劑到達(dá)傳感器表面，傳感器由于壓電效應(yīng)將表面微弱振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過前置放大器被聲發(fā)射儀捕獲，在PC端顯示。在傳感器采集電力電子器件聲發(fā)射信號(hào)的過程中，信號(hào)會(huì)隨著傳播路徑而衰減，并且電路周圍會(huì)有電磁干擾影響傳感器采集的信號(hào)，為了增強(qiáng)應(yīng)力波的質(zhì)量，往往在器件表面與傳感器表面涂一層固體耦合劑。耦合劑不僅能夠減小聲發(fā)射信號(hào)的衰減，而且可以起到一定的潤滑作用，從而減小器件表面與傳感器表面的摩擦。

圖2 功率器件聲發(fā)射信號(hào)的采集原理

圖3為方波逆變電路原理圖，圖4為正弦波逆變電路原理圖。方波逆變電路由2個(gè)功率MOSFET器件構(gòu)成，2個(gè)器件交替導(dǎo)通，當(dāng)VT1導(dǎo)通VT2截止時(shí)，輸出端為正電壓;當(dāng)VT1借助VT2導(dǎo)通時(shí)，輸出端為負(fù)電壓，這樣輸出端就會(huì)得到交流方波。正弦波逆變實(shí)驗(yàn)由4個(gè)功率MOSFET器件構(gòu)成，V1和V3一組，V2和V4一組，兩組器件交替導(dǎo)通，采用SPWM調(diào)制，這樣輸出端就會(huì)得到正弦波。

圖3 方波逆變電路原理圖

圖4 正弦波逆變電路原理圖

圖5為方波逆變實(shí)物平臺(tái)，圖6為正弦波逆變實(shí)物平臺(tái)，均采用一套聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)。表1為方波逆變實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，表2為正弦波逆變實(shí)驗(yàn)參數(shù)。方波逆變實(shí)驗(yàn)在6種逆變頻率和6個(gè)負(fù)載阻值下進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)的采集，正弦波逆變實(shí)驗(yàn)在5種輸出電壓和6個(gè)負(fù)載阻值下進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)的采集。

圖5 方波逆變實(shí)物平臺(tái)

圖6 正弦波逆變實(shí)物平臺(tái)

表1 方波逆變實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

表2 正弦波逆變實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

2 方波逆變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 應(yīng)力波的提取

已知應(yīng)力波在固體中傳播能量損失少，在空氣中傳播能量損失巨大，實(shí)驗(yàn)中傳感器表面與功率器件表面之間采用2種耦合方式，即空氣耦合和固體耦合劑耦合。圖7為空氣耦合和固體耦合劑耦合聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域與頻域波形。從圖7中可以看出，空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號(hào)與固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)域和頻域上有明顯的不同。在開通時(shí)刻信號(hào)時(shí)域中，固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射波形細(xì)節(jié)更加豐富，具有一定的信號(hào)時(shí)長；在開通時(shí)刻信號(hào)頻域中，固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號(hào)在100 kHz以下的頻率范圍內(nèi)具有較高的頻域幅值，而空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號(hào)在頻域上沒有過多的信息。這說明了器件在開關(guān)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力波會(huì)通過固體耦合劑傳播到傳感器，而空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號(hào)大多是電路周圍的電磁干擾。

圖7 空氣耦合與固體耦合劑耦合條件下聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域與頻域波形

經(jīng)過100 kHz低通濾波后的開通應(yīng)力波時(shí)域波形如圖8所示。其對(duì)應(yīng)的頻域波形如圖9所示。從時(shí)域波形中可以看出，應(yīng)力波在器件開通時(shí)刻后不久上升到最大值，經(jīng)過一段時(shí)間后應(yīng)力波幾乎消失，關(guān)斷應(yīng)力波的幅值比開通應(yīng)力波的幅值大。從頻域波形中可以看出，開通時(shí)刻應(yīng)力波有2個(gè)峰值，頻率為24 kHz和80 kHz；關(guān)斷應(yīng)力波也有2個(gè)峰值，頻率為18 kHz和84.5 kHz。由此可知，關(guān)斷應(yīng)力波頻域峰值比開通應(yīng)力波頻域峰值大。將不同工作條件下的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行100 kHz低通濾波得到不同工作條件下的應(yīng)力波，下面將從時(shí)域和頻域分析應(yīng)力波與實(shí)驗(yàn)參數(shù)的關(guān)系。

圖8 逆變頻率50 Hz負(fù)載阻值500 Ω開關(guān)應(yīng)力波時(shí)域波形

圖9 開通和關(guān)斷應(yīng)力波頻域波形

2.2 應(yīng)力波時(shí)域分析

2.2.1 時(shí)域峰值

用MATLAB畫出濾波后的應(yīng)力波的時(shí)域圖，依次得到功率器件在開通和關(guān)斷時(shí)時(shí)域峰值，為了減小誤差，對(duì)多個(gè)應(yīng)力波時(shí)域峰值求取平均值。如圖8所示，逆變頻率為50 Hz、負(fù)載阻值為500 Ω的開關(guān)應(yīng)力波開通時(shí)刻時(shí)域峰值為1.242 mV，關(guān)斷時(shí)刻時(shí)域峰值為56.9 mV，求出這個(gè)開關(guān)時(shí)刻前后幾個(gè)開關(guān)周期的開關(guān)應(yīng)力波時(shí)域峰值，并求取平均值，得到逆變頻率為50 Hz、負(fù)載阻值為500 Ω時(shí)功率器件開通時(shí)應(yīng)力波時(shí)域峰值的均值約為1.234 mV，功率器件關(guān)斷時(shí)應(yīng)力波時(shí)域峰值的均值約為56.89 mV。

根據(jù)上述方法對(duì)不同逆變頻率和不同負(fù)載阻值的應(yīng)力波求取時(shí)域峰值，得到一系列的器件在開通時(shí)刻和關(guān)斷時(shí)刻的應(yīng)力波時(shí)域峰值，如表3和表4所示。

將表3和表4中的數(shù)據(jù)繪制成點(diǎn)線圖，如圖10所示?？梢钥闯?，當(dāng)負(fù)載阻值增加時(shí)，功率器件開通時(shí)刻應(yīng)力波時(shí)域峰值在小范圍內(nèi)有減小的趨勢(shì)；功率器件關(guān)斷時(shí)刻的應(yīng)力波時(shí)域峰值隨著負(fù)載阻值的增大而減小。在同一個(gè)逆變頻率下，輸出電壓不變，負(fù)載阻值的增大會(huì)導(dǎo)致電流減小，所以應(yīng)力波的幅值也減小，側(cè)面說明應(yīng)力波的幅值隨著電流的增大而增大。

表3 開通時(shí)各頻率下每個(gè)負(fù)載阻值對(duì)應(yīng)的時(shí)域峰值 單位:mV

表4 關(guān)斷時(shí)各頻率下每個(gè)負(fù)載阻值對(duì)應(yīng)的時(shí)域峰值 單位:mV

圖10 開通時(shí)刻和關(guān)斷時(shí)刻應(yīng)力波時(shí)域峰值與負(fù)載阻值的關(guān)系

2.2.2 能量

信號(hào)的能量反映了信號(hào)強(qiáng)度的大小，信號(hào)的能量越大，其強(qiáng)度越大；信號(hào)的能量越小，其強(qiáng)度也越小。圖11為應(yīng)力波的上包絡(luò)線，利用包絡(luò)線求得應(yīng)力波的能量，開通時(shí)刻和關(guān)斷時(shí)刻應(yīng)力波的能量如表5和表6所示。將求得的開通時(shí)刻應(yīng)力波的能量和關(guān)斷時(shí)刻應(yīng)力波的能量描繪成點(diǎn)線圖，如圖12所示。從負(fù)載阻值與應(yīng)力波能量的關(guān)系中可以看出開通時(shí)刻應(yīng)力波的能量與關(guān)斷時(shí)刻應(yīng)力波的能量都會(huì)隨著負(fù)載阻值的增大而減小，關(guān)斷時(shí)刻在500 Ω、600 Ω和700 Ω應(yīng)力波的能量減小速度較快，在700 Ω、800 Ω、900 Ω和1000 Ω應(yīng)力波的能量減小速度趨于緩慢。

圖11 應(yīng)力波時(shí)域及其上包絡(luò)線

表5 開通時(shí)刻信號(hào)的能量 單位：×103·mV·mV·μs

表6 關(guān)斷時(shí)刻信號(hào)的能量 單位：×105·mV·mV·μs

圖12 開通時(shí)刻和關(guān)斷時(shí)刻應(yīng)力波能量與負(fù)載阻值的關(guān)系

2.2.3 上升時(shí)間

以器件開通(關(guān)斷)時(shí)刻到應(yīng)力波上升到峰值的時(shí)刻這段時(shí)間稱為應(yīng)力波的上升時(shí)間，如圖13所示,可得出逆變頻率為50 Hz、負(fù)載電阻為500 Ω的應(yīng)力波上升時(shí)間為93.6 μs。按此方法依次得到器件開通和關(guān)斷時(shí)刻的應(yīng)力波上升時(shí)間如表7和表8所示。

圖13 逆變頻率為50 Hz、負(fù)載阻值為500 Ω應(yīng)力波的上升時(shí)間

表7 開通時(shí)各參數(shù)下的信號(hào)上升時(shí)間 單位:μs

表8 關(guān)斷時(shí)刻各參數(shù)下的信號(hào)上升時(shí)間 單位:μs

將表7和表8的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)線圖，如圖14所示?？梢钥闯瞿孀冸娐饭ぷ鲿r(shí)，器件開通時(shí)刻信號(hào)的上升時(shí)間幾乎不會(huì)隨著負(fù)載阻值的改變而改變，最大為94 μs，最小為89.6 μs，整體大約穩(wěn)定在均值92 μs左右；關(guān)斷時(shí)刻信號(hào)的上升時(shí)間很短，且具有隨著負(fù)載阻值的增加而增大的趨勢(shì)。由逆變電路分析，器件在開通時(shí)刻電路的電流從無到有，因此開通時(shí)刻無論負(fù)載阻值多大，電流瞬時(shí)都是從0增加，信號(hào)的上升時(shí)間基本不變；器件在關(guān)斷時(shí)刻電路的電流從有到無，因此關(guān)斷時(shí)刻電流瞬時(shí)都是從某個(gè)值減小，且負(fù)載阻值不一樣，關(guān)斷時(shí)刻的電流值不一樣，導(dǎo)致信號(hào)的上升時(shí)間不一樣。

圖14 開通時(shí)刻和關(guān)斷時(shí)刻應(yīng)力波上升時(shí)間與負(fù)載阻值的關(guān)系

2.3 應(yīng)力波頻域分析

2.3.1 頻域峰值

已知在100 kHz范圍內(nèi)應(yīng)力波在頻域有2個(gè)峰值，如圖15所示，分別為峰值1和峰值2，統(tǒng)計(jì)2個(gè)峰值的幅值記錄下來。開通時(shí)刻2個(gè)頻域峰值如表9和表10所示，關(guān)斷時(shí)刻兩個(gè)頻域峰值如表11和表12所示。

表9 開通時(shí)刻應(yīng)力波頻域峰值1 單位:mV

表10 開通時(shí)刻應(yīng)力波頻域峰值2 單位:mV

表11 關(guān)斷時(shí)刻應(yīng)力波頻域峰值1 單位:mV

表12 關(guān)斷時(shí)刻應(yīng)力波頻域峰值2 單位:mV

圖15 應(yīng)力波開通時(shí)刻兩個(gè)頻域峰值

將表9～表12轉(zhuǎn)換為點(diǎn)線圖，如圖16和圖17所示，可以看出在開通時(shí)刻，應(yīng)力波在頻域的2個(gè)峰值均會(huì)隨著負(fù)載阻值的增大而減小；在關(guān)斷時(shí)刻，應(yīng)力波在頻域的2個(gè)峰值均隨著負(fù)載阻值的增大而減小，且頻域峰值2的減小在700～1000 Ω之間趨向于緩慢。

圖16 開通時(shí)刻應(yīng)力波的頻域峰值1和峰值2與負(fù)載阻值的關(guān)系

圖17 關(guān)斷時(shí)刻應(yīng)力波的頻域峰值1和峰值2與負(fù)載阻值的關(guān)系

2.3.2 峰值頻率

分別記錄開通時(shí)刻和關(guān)斷時(shí)刻應(yīng)力波頻域內(nèi)2個(gè)峰值的頻率，分別如表13和表14、表15和表16所示。根據(jù)表13～表16可以看出，應(yīng)力波的2個(gè)峰值頻率變化不大。開通時(shí)刻應(yīng)力波在頻域內(nèi)的2個(gè)峰值頻率穩(wěn)定在24 kHz和84 kHz，關(guān)斷時(shí)刻應(yīng)力波在頻域內(nèi)的2個(gè)峰值頻率為18 kHz、18.5 kHz和84 kHz、84.5 kHz、85 kHz，頻率變化不大，說明應(yīng)力波的峰值頻率不隨負(fù)載阻值的改變而改變，也不會(huì)隨逆變頻率的改變而改變。

表13 開通時(shí)刻應(yīng)力波峰值1的頻率 單位：kHz

表14 開通時(shí)刻應(yīng)力波峰值2的頻率 單位：kHz

表15 關(guān)斷時(shí)刻應(yīng)力波峰值1的頻率 單位：kHz

表16 關(guān)斷時(shí)刻應(yīng)力波峰值2的頻率 單位：kHz

3 正弦波逆變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 非周期衰減信號(hào)的疊加

圖18為6個(gè)相同的衰減信號(hào)的疊加，信號(hào)1～信號(hào)6之間的時(shí)間間隔不均勻，它們稱為一組非周期衰減信號(hào)。6個(gè)信號(hào)經(jīng)過疊加后如圖中的藍(lán)色疊加信號(hào)，可以看出，疊加后的信號(hào)是不規(guī)則的。

圖18 6個(gè)相同的衰減信號(hào)及其疊加信號(hào)

正弦波逆變電路是利用SPWM脈寬調(diào)制使輸出為正弦波。而SPWM脈寬調(diào)制會(huì)使功率器件的開關(guān)不再是一個(gè)固定的周期，并且器件開關(guān)速率很快，因此會(huì)導(dǎo)致器件在開通和關(guān)斷時(shí)刻的聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)非周期的疊加，即上一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生后不同的時(shí)間內(nèi)都會(huì)有新的聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，在上一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，會(huì)有非等時(shí)間間隔的新的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行疊加，且疊加后的信號(hào)是非周期不規(guī)則的，所以聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的分析時(shí)不能夠進(jìn)行一對(duì)一的單個(gè)分析，要在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行全局分析。

3.2 應(yīng)力波的提取

空氣耦合和固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域和頻域波形如圖19所示?？梢钥闯?，在信號(hào)的時(shí)域中，固體耦合劑條件下的聲發(fā)射信號(hào)的幅值比空氣耦合條件下的高；在信號(hào)的頻域中，固體耦合劑條件下的聲發(fā)射信號(hào)的幅值比空氣耦合條件下的信號(hào)多了一個(gè)明顯的50 kHz以下的低頻。

采用50 kHz低通濾波器分別對(duì)空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號(hào)和固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行低通濾波，濾波后2種不同耦合方式的聲發(fā)射信號(hào)如圖19(c)和圖19(d)所示。在信號(hào)的時(shí)域中，空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號(hào)與固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號(hào)均有減小，空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號(hào)保留了濾波之前的信號(hào)波形形狀趨勢(shì)，而固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號(hào)與濾波之前的信號(hào)波形有較大差別。根據(jù)上文非周期開關(guān)信號(hào)的疊加的介紹，固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號(hào)在濾波前后產(chǎn)生的較大差別是由于SPWM調(diào)制中功率器件非周期性的開關(guān)造成的，且其變化周期與輸出電壓的周期一致，由輸出電壓過零點(diǎn)變化引起的尖峰脈沖也減小了很多。50 kHz低通濾波后固體耦合劑耦合條件下的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域幅值比空氣耦合條件下的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域幅值大，幾乎超過10倍。在信號(hào)的頻域中，空氣耦合條件下聲發(fā)射信號(hào)的頻域幅值在50 kHz以下幾近為0，而固體耦合劑耦合條件下聲發(fā)射信號(hào)的頻域幅值在此頻率段內(nèi)具有2個(gè)尖峰，其主頻主要集中在40 kHz左右。通過對(duì)空氣耦合和固體耦合劑耦合兩種耦合方式下的聲發(fā)射信號(hào)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，本次實(shí)驗(yàn)中功率器件在開通時(shí)刻和關(guān)斷時(shí)刻的應(yīng)力波在50 kHz以下。

圖19 空氣耦合與固體耦合劑耦合時(shí)域與頻域波形

由于正弦波逆變實(shí)驗(yàn)中功率器件的開關(guān)周期都比較短，器件的開關(guān)時(shí)間短且不均勻，出現(xiàn)了聲發(fā)射信號(hào)(應(yīng)力波信號(hào))的疊加，因此之后的信號(hào)數(shù)據(jù)處理與分析時(shí)不能夠像方波逆變實(shí)驗(yàn)中那樣單獨(dú)分析1個(gè)應(yīng)力波，要利用信號(hào)的整體分析法來進(jìn)行信號(hào)的處理與分析。圖20為正弦波逆變實(shí)驗(yàn)應(yīng)力波的瞬態(tài)時(shí)域波形和瞬態(tài)頻域波形?？梢钥闯鼋?jīng)過SPWM調(diào)制后應(yīng)力波疊加后的波形不具有衰減性，其瞬時(shí)頻域具有1個(gè)40 kHz左右的頻域峰值。

圖20 應(yīng)力波的瞬態(tài)時(shí)域波形與瞬態(tài)頻域波形

3.3 應(yīng)力波時(shí)域分析

與方波逆變實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)不同，正弦波逆變實(shí)驗(yàn)的聲發(fā)射信號(hào)由于疊加在一起，無法單個(gè)分析信號(hào)的上升時(shí)間，只能對(duì)信號(hào)的時(shí)域峰值、能量、頻域峰值和峰值頻率進(jìn)行分析。將固體耦合即條件下的不同輸出電壓與不同負(fù)載阻值下的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行50 kHz濾波處理，分析信號(hào)的時(shí)域峰值、能量、頻域峰值和峰值頻率。

3.3.1 時(shí)域峰值

提取聲發(fā)射儀采集的一個(gè)聲發(fā)射數(shù)據(jù)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)點(diǎn)包含一個(gè)長度為0.1 s的數(shù)據(jù)長度的應(yīng)力波，將該數(shù)據(jù)進(jìn)行低通50 kHz濾波。圖21為輸出電壓為190 V空載條件下的時(shí)域圖。

圖21 輸出電壓為190V空載條件下的時(shí)域圖

將低通濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行0.1 s長度內(nèi)的峰值標(biāo)記與求平均值，可以得到輸出電壓190 V空載條件下的應(yīng)力波的時(shí)域峰值為0.7870 mV，按照此方法將輸出電壓為190 V、200 V、210 V、220 V和230 V，負(fù)載阻值為500 Ω、600 Ω、700 Ω、800 Ω、900 Ω和1000 Ω條件下的應(yīng)力波時(shí)域峰值提取出來，表17為不同輸出電壓下各負(fù)載阻值對(duì)應(yīng)的時(shí)域峰值。

由表17中的數(shù)據(jù)可以看出，輸出電壓為190 V、200 V、210 V、220 V和230 V時(shí)，不同負(fù)載阻值的應(yīng)力波時(shí)域峰值大致在0.75 mV、0.4 mV、0.34 mV、0.5 mV和0.6 mV左右，為了直觀地將應(yīng)力波的變化趨勢(shì)體現(xiàn)出來，將表17中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)線圖,如圖22所示?？梢钥闯?，輸出電壓為190 V、200 V、210 V和220 V時(shí)，隨著負(fù)載阻值的增大，應(yīng)力波的時(shí)域峰值沒有很大的變化，趨向于穩(wěn)定狀態(tài)；輸出電壓為230 V時(shí)，隨著負(fù)載阻值的增大，其應(yīng)力波的時(shí)域峰值具有向下減小的趨勢(shì)。

表17 不同輸出電壓下各負(fù)載阻值對(duì)應(yīng)的時(shí)域峰值 單位:mV

圖22 不同輸出電壓和負(fù)載阻值下的應(yīng)力波時(shí)域峰值

3.3.2 能量

由于對(duì)應(yīng)力波進(jìn)行了疊加，那么應(yīng)力波的能量也會(huì)相應(yīng)增大，對(duì)應(yīng)力波的包絡(luò)線求取能量，圖23為應(yīng)力波時(shí)域波形及其上包絡(luò)線。

圖23 應(yīng)力波時(shí)域波形及其上包絡(luò)線

將低通濾波后的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行0.1 s長度內(nèi)的上包絡(luò)線求取，再依次求得每個(gè)上包絡(luò)線的能量，可以得到不同輸出電壓下各負(fù)載阻值對(duì)應(yīng)的信號(hào)能量，如表18所示。

表18 不同輸出電壓下各負(fù)載阻值對(duì)應(yīng)的信號(hào)能量 單位：×105·mV·mV·μs

將表18中的能量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)線圖，如圖24(a)所示?？梢钥闯鲈谳敵鲭妷簽?90 V、200 V、210 V和220 V時(shí)，隨著負(fù)載阻值的增大，功率器件的應(yīng)力波能量幾乎不變，輸出電壓為230 V時(shí)，隨著負(fù)載阻值的增大，其功率器件的應(yīng)力波能量略微有向下減小的趨勢(shì)，這與前面應(yīng)力波時(shí)域峰值隨負(fù)載阻值變化規(guī)律一致。

3.4 應(yīng)力波頻域分析

3.4.1 頻域峰值

將濾波之后的應(yīng)力波進(jìn)行傅里葉變換，得到不同輸出電壓下各負(fù)載阻值的頻域幅值，如表19所示。

表19 不同輸出電壓下各負(fù)載阻值對(duì)應(yīng)的頻域幅值 單位:mV

將表19中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)線圖，如圖24(b)所示，可以看出同一個(gè)輸出電壓下，隨著負(fù)載的改變，應(yīng)力波的頻域幅值幾乎不變。

圖24 應(yīng)力波能量和應(yīng)力波頻域峰值與負(fù)載阻值的關(guān)系

3.4.2 頻域峰值

表20為不同輸出電壓與不同負(fù)載阻值下的應(yīng)力波峰值頻率，可以看出應(yīng)力波的峰值頻率在40 kHz左右，最大為40.01 kHz、最小為39.7 kHz，可以得到應(yīng)力波的峰值頻率基本不變。

表20 不同輸出電壓下各負(fù)載阻值下的峰值頻率 單位：kHz

4 結(jié)束語

基于2種逆變電路對(duì)功率器件進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，采集了不同輸出電壓與不同負(fù)載阻值下的聲發(fā)射信號(hào)，提取了功率器件在開關(guān)狀態(tài)下的應(yīng)力波，通過對(duì)機(jī)械應(yīng)力波的提取、處理和分析，可以得出以下結(jié)論。

① 通過空氣耦合和固體耦合劑耦合的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了方波逆變電路中功率器件產(chǎn)生的應(yīng)力波頻率位于100 kHz以內(nèi)，正弦波逆變電路應(yīng)力波位于50 kHz以內(nèi)。

② 方波逆變實(shí)驗(yàn)應(yīng)力波時(shí)域特征值：在器件開通和關(guān)斷時(shí)刻，應(yīng)力波的時(shí)域峰值都會(huì)隨負(fù)載阻值的增大而減?。粦?yīng)力波在開通和關(guān)斷時(shí)刻的能量隨負(fù)載阻值的增大而減??；器件開通時(shí)刻的應(yīng)力波上升時(shí)間幾乎不隨負(fù)載電阻的變化而變化，穩(wěn)定在92 μs左右；器件關(guān)斷時(shí)刻應(yīng)力波的上升時(shí)間非常短，并且隨著負(fù)載電阻的增加而上升。

③ 方波逆變實(shí)驗(yàn)應(yīng)力波頻域特征值：隨著負(fù)載阻值的增加，開通時(shí)刻應(yīng)力波的2個(gè)頻域峰值都具有減小的趨勢(shì)，關(guān)斷時(shí)刻應(yīng)力波的2個(gè)頻域峰值也隨著負(fù)載阻值的增大而減??；應(yīng)力波的峰值頻率幾乎不隨負(fù)載電阻的變化而變化，也不隨逆變器頻率的變化而變化。

④ 正弦波逆變實(shí)驗(yàn)應(yīng)力波時(shí)域特征值：輸出電壓一定的條件下，隨著負(fù)載阻值的增大，應(yīng)力波的時(shí)域峰值基本不變；輸出電壓不變的條件下，隨著負(fù)載阻值的增大，應(yīng)力波的能量基本不變。

⑤ 正弦波逆變實(shí)驗(yàn)應(yīng)力波頻域特征值：在同一個(gè)輸出電壓下，隨著負(fù)載阻值的增大，應(yīng)力波的頻域峰值基本不變；不同輸出電壓與不同負(fù)載阻值下應(yīng)力波的峰值頻率均為40 kHz左右。

基于以上實(shí)驗(yàn)研究，為后續(xù)的器件老化監(jiān)測(cè)提供了理論基礎(chǔ)，為電力電子功率器件狀態(tài)監(jiān)測(cè)提出了一種新的方法與思路。