功率器件退化监测装置与方法

本发明属于功率器件健康状态评估，尤其涉及一种功率器件退化监测装置与方法。

背景技术：

1、功率器件的健康状态对于保证电力电子系统的可靠运行非常重要。功率器件在量产前需要对其可靠性进行验证，功率循环测试便是考核器件封装可靠性的一项重要内容。

2、在功率循环测试过程中，通常通过监测器件的电参数(例如饱和压降)和热参数(例如稳态热阻)来表征器件的封装退化程度。一方面，监测器件的电参数和热参数需要复杂的外围电路支持，可能导致系统稳定性下降以及增加系统的故障率，对器件状态的监测精度有限；另一方面控制算法复杂，对电参数和热参数的监测需要涉及到精确、复杂的控制算法，才能确保监测数据的准确性和稳定性。

3、研究表明，功率器件在开关时刻会释放能够被声发射传感器所测量的应力波信号(参见文献：karkkainen t j,talvitie j p,kuisma m等.acoustic emission in powersemiconductor modules—first observations[j].ieee transactions on powerelectronics,2014,29(11):6081–6086.)，这些应力波信号包含了能够反映器件健康状态的信息。但是，鲜有研究工作将功率器件所释放的应力波应用至功率循环测试过程中器件的退化监测。声发射监测技术具有无损、实时、准确、简便的特点，将声发射监测技术应用至功率器件的功率循环测试中以监测功率器件的健康状态具有较大意义。

4、bejger a等人(参见文献：bejger a,kozak m,gordon r.the use of acousticemission elastic waves as diagnosis method for insulated-gate bipolartransistor[j].journal of marine engineering&technology,taylor&francis,2020,19(4):186–196.)比较了健康功率器件和故障功率器件在开关时刻释放的应力波，结果表明它们的功率谱存在显著差异，但是并未给出具体的测量方式，且没有利用应力波特征实现对器件退化状态的定量表征。choe c等人(参见文献：choe c,chen c,nagao s,等.real-time acoustic emission monitoring of wear-out failure in sic power electronicdevices during power cycling tests[j].ieee transactions on power electronics,2021,36(4):4420–4428.)利用功率器件释放的应力波实现了对器件封装退化程度的表征，但是其测量应力波的传感器直接贴装在功率芯片上，这种测量方法操作复杂，成本太高，且功率器件在功率循环测试过程中存在的温升可能会影响声发射传感器的灵敏度，不利于实际应用。

5、由于功率器件在功率循环测试过程中其温度会发生变化且会发出电磁干扰，这不利于利用接触式声发射传感器对器件所释放的应力波进行直接测量；另外，功率器件在不同健康状态下所释放的应力波有所不同，如何提取其有效特征来表征器件的健康状态也是将声发射监测技术应用至功率器件退化监测的关键技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种功率器件退化监测装置与方法，以解决将声发射传感器直接贴装于功率器件表面测试应力波信号时由于器件温度变化影响传感器灵敏度，导致测试不准确问题。

2、本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种功率器件退化监测装置，包括功率循环测试系统、散热器、声发射传感器、被测功率器件以及信号处理系统；所述声发射传感器、被测功率器件均设于所述散热器上；

3、所述功率循环测试系统，用于对被测功率器件进行功率循环测试；

4、所述散热器，用于对被测功率器件进行散热，以及在功率循环测试过程中将被测功率器件在每个关断时刻释放的应力波信号传递给声发射传感器；

5、所述声发射传感器，用于采集散热器传递的被测功率器件在每个关断时刻释放的应力波信号；

6、所述信号处理系统，用于对声发射传感器采集的应力波信号进行预处理，从预处理后的应力波信号中提取特征分量，计算出所述特征分量的关键特征参数，以及将计算出的关键特征参数与被测功率器件在健康状态下的关键特征参数进行比较，得到被测功率器件的退化状态。

7、进一步地，所述功率循环测试系统包括电源单元、电子负载以及控制单元；所述电源单元用于给所述被测功率器件提供供电电压；所述控制单元用于控制所述被测功率器件的开关状态；所述电子负载用于在功率循环测试过程中作为被测功率器件的负载。

8、进一步地，所述关键特征参数包括应力波信号在100khz～150khz频段的时域分量的幅值和峰峰值、以及应力波信号在150khz～250khz频段的时域分量的信号能量。

9、进一步地，所述信号处理系统包括预处理单元、特征提取单元以及计算与比较单元；

10、所述预处理单元，用于对声发射传感器采集的应力波信号进行预处理；

11、所述特征提取单元，用于从预处理后的应力波信号中提取特征分量，所述特征分量包括100khz～150khz频段的时域分量以及150khz～250khz频段的时域分量；

12、所述计算与比较单元，用于计算出每个特征分量的关键特征参数，以及将计算出的关键特征参数与被测功率器件在健康状态下的关键特征参数进行比较，得到被测功率器件的退化状态。

13、进一步地，所述预处理单元包括低通滤波器和放大器模块；所述低通滤波器用于滤除应力波信号中的高频噪声，所述放大器模块用于对应力波信号进行放大处理。

14、进一步地，所述特征提取单元包括第一带通滤波器和第二带通滤波器；

15、所述第一带通滤波器，用于从预处理后的应力波信号中提取100khz～150khz频段的时域分量；

16、所述第二带通滤波器，用于从预处理后的应力波信号中提取150khz～250khz频段的时域分量。

17、进一步地，所述信号处理系统还用于获取被测功率器件的栅极驱动关断信号，根据所述栅极驱动关断信号控制所述声发射传感器采集被测功率器件在每个关断时刻释放的应力波信号。

18、基于同一构思，本发明还提供一种功率器件退化状态监测方法，基于如上所述的功率器件退化监测装置，所述监测方法包括以下步骤：

19、步骤1：获取被测功率器件在健康状态下的关键特征参数；

20、步骤2：对被测功率器件进行功率循环测试；

21、步骤3：在功率循环测试过程中，采集被测功率器件在当前关断时刻释放的应力波信号；

22、步骤4：对所述应力波信号进行预处理；

23、步骤5：从预处理后的应力波信号中提取特征分量；

24、步骤6：计算出所述特征分量的关键特征参数；

25、步骤7：将计算出的关键特征参数与被测功率器件在健康状态下的关键特征参数进行比较，得到被测功率器件的退化状态；

26、步骤8：采集被测功率器件在下一个关断时刻释放的应力波信号，转入步骤4，直到功率循环测试完成。

27、有益效果

28、与现有技术相比，本发明的优点在于：

29、本发明将功率器件和声发射传感器均设于散热器上，减小了温度对声发射传感器灵敏度的影响，能够检测到更加微小的故障和异常；同时利用应力波信号传递到声发射传感器的时间差抑制了干扰信号，提高了声发射传感器采集的应力波信号的质量和准确性。本发明采用声发射技术，无需对功率器件进行任何物理干扰或拆卸，实现了非侵入式检测，减少了维护和操作的复杂性。

30、本发明从应力波信号中提取并计算特征分量的关键特征参数，能够更加准确地表征功率器件的退化状态，提高了退化状态监测的准确性。

31、本发明无需复杂的调试或设备，监测装置易于部署和维护，简化了监测操作流程，减少了操作失误的可能性，从而提高了监测装置的可用性和友好性。