IGBT开关诱导产生机械应力波的低压试验研究

周雅楠，胡 毅，何赟泽，邹 翔，耿学峰，黄守道，白 芸，刘 菲

(1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082；2.国网安徽省电力有限公司芜湖供电公司，安徽 芜湖 241000)

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)是实现高效高质电力电子电能变换技术的基石，在大功率特种电源、高铁牵引、新能源发电、智能电网等国防与工业领域应用广泛[1-3]。IGBT一旦发生故障或者性能弱化，会影响电力电子装置的正常运行，进而给变换系统和使用电力电子设备的系统带来巨大的国民经济损失[4-5]。而IGBT可靠性与其开关特性紧密相关，开关损耗会影响装置的性能和效率。器件开关特性与开关损耗紧密相连，器件开关过程的du/dt和di/dt可能会引起过电流、过电压、电磁干扰等问题[6-11]。因此，IGBT运行参数的检测和状态的实时监测一直都是国内外专家学者的研究热点。

利用材料内局域源能量快速释放产生瞬态弹性波的声发射检测技术已广泛应用于石油、化工、电力和航空航天等领域，实现材料缺陷和物理特性的检测，具有快速、非侵入式和实时在线检测等特点。IGBT具有导通与关断2种工作状态，这2种工作状态会产生空穴、电子相对运动和复合，从而在器件内由电磁应力的快速释放产生瞬态弹性波，传递到器件表面形成声发射信号，可以用声发射测量系统捕获到这种信号。因此，基于应力波的状态监测方法未来有潜力成为一种新的IGBT可靠性监测方法。近几年国内外部分单位对于声发射技术在IGBT检测监测领域展开了研究。文献[12]在2014年使用双脉冲测试电路和声发射测量系统检测到IGBT在关断瞬间会产生声发射信号，并通过信号传播延时的方法证明了声发射信号源于IGBT内部；文献[13]通过采用2种不同带宽的传感器对IGBT关断瞬间产生的声发射信号进行测量，发现不同型号的传感器捕获到的声发射信号存在不同；文献[14]在2015年提取了IGBT门—射极短路或集—射极短路失效时产生的声发射信号，发现2种与失效模式相关的声发射信号，2种信号明显不同，一种出现在IGBT失效发生数10 ms后，持续时间通常小于1 ms；一种出现在IGBT失效瞬间，信号持续大约为1 ms或更长时间；文献[15]在2016年使用IGBT功率循环测试电路与声发射测量系统，提取了IGBT老化过程中产生的声发射信号，发现随着老化程度加深，声发射波信号在50～150 kHz频率范围内幅值逐渐减小；文献[16]通过试验提取了IGBT器件关断产生的机械应力波，并进行时域和频域分析，获得其特征参数；文献[17]提取了在IGBT模块在功率循环过程中的声发射信号，发现声发射信号与通态电压降有很强的相关性，进一步说明声发射检测技术在IGBT状态监测领域有很好的应用前景；文献[18]对IGBT器件关断机械应力波的进行分析，发现高频分量的2个脉冲波时间间隔与驱动信号的宽度相同，两脉冲波的频率组成成分单一并且相位相反，其中高频分量与集电极电流关联度不高，低频分量的不同特征参数均与关断电流呈强线性关系。

本文首先阐述应力波信号的产生机理，再通过搭建脉冲测试电路和声发射信号采集系统提取IGBT在不同条件下所产生的应力波信号；并分析提取应力波信号时域和频域的特征参数，得出不同状态下应力波信号的特征区别与联系，同时建立IGBT参数与应力波特征参数之间的关系，为后续研究高压或老化条件下IGBT的开关应力波信号和IGBT的实时检测监测奠定基础。

1 应力波/声发射产生机理分析

如图1所示，IGBT是一种五层三结的MOS控制性器件。它的控制端即门极通常为MOS的栅极，门极和发射极都位于器件的上表面。沟道位于p基区表面，紧贴着控制区，与2次扩散的横向结深有关。发射区位于p基区中，并且和p基区短路，可以消除n+发射区、p基区和n-漂移区所形成的寄生npn晶体管。IGBT的输出端为集电极，在器件的下表面。在p+集电区和n-漂移区之间有一层缓冲层n，缓冲层可以压缩n-漂移区的电场，还能够提高IGBT的导通和开关能力。

本试验主要为了探究IGBT在单脉冲的驱动条件时的3种不同状态下所产生的应力波信号特征，3种状态下IGBT内部微观结构变化分别对应图1的(a)、(b)、(c)。其中，状态1：门极电压VGE大于开启阈值电压VT并且无VCE；状态2：VGE大于开启阈值电压VT并且VCE大于零；状态3：VGE小于等于零并且VCE大于零。

图1 IGBT不同状态下的微观结构Figure 1 Microstructure diagram of IGBT in different states

状态1 无VCE时即器件无关断电流，此时给门极施加正向脉冲触发信号，相当于给器件的门极和发射极施加了电荷，门极和发射极可看成2个极板，极板上有了电荷就会在极板附近产生电场，只不过该电场的强度较弱。外加电场瞬间会使IGBT内部电场会发生变化，电场变化会产生磁场，器件内部电子会受到洛伦兹力作用，洛伦兹力带来的能量变化会以机械应力波的形式传递出来，被声发射传感器耦合。同理，触发脉冲消失瞬间也会产生类似应力波信号。该状态下的IGBT是不处于正常工作状态的，研究这种条件并不是无实际意义。由于对机械应力波产生机理还处于试验探究阶段，所了解的知识体系还不够完善，研究这种状态的主要目的就是为了深入了解并探究机械应力波信号的来源与影响因素，再与IGBT正常工作条件下形成对比，进而推出一定的结论。

状态2 给门极施加脉冲信号，使得VGE大于开启阈值电压VT，p基区表面反型，形成MOS导电通道，n+发射区的电子会通过导电沟道进入n-漂移区，导致n-漂移区的电位降低，从而p+集电区的空穴会通过n缓冲层向n-漂移区注入。进入n-漂移区的电子会与空穴不断复合，形成电子电流，部分空穴会经p基区流入发射极，形成空穴电流，使得IGBT开通。整个过程持续时间极短，瞬间通过IGBT的电流变化率很大，会在器件内部产生变化的磁场，电子会受到洛伦兹力的作用，这种力会导致内部结构形变和振动，从而产生机械应力波信号，这种机械应力波信号会沿着器件的焊料层和基板传播出来。同时开通瞬间，使得IGBT所承受的电压和流经IGBT的电流会发生剧烈变化，因此产生有脉冲特征的电磁能量变化，这种能量变化会生成电磁波，也会被传感器所耦合。

状态3 通过门电极短接或反接使得门极电容放电，即VGE小于等于零时，p基区表面的n型反型层会消失，无法形成导电沟道，这样n+发射区的电子就无法注入到n-漂移区，IGBT内部无电子的运动就会导致没有电子电流和空穴电流的产生，进而导致发射极电流迅速减小，导致IGBT关断。同样关断过程极短，也会在器件内部产生变化的磁场，电子会受到洛伦兹力的作用，这种力使得器件内部发生形变，进而以机械应力波的形式传递出来。由于关断时的电流变化率与开通时相反，就会导致所产生的应力波信号的相位相反。同时施加的是脉冲信号，当VCE存在时，电流在变为零的过程中，也会生成具有脉冲特征的瞬态电磁波传递出来，被传感器所耦合。接下来通过搭建脉冲测试平台、大量对比试验以及对信号特征参数进行分析，探索这3种状态下所生成的应力波信号特征。

2 试验系统

试验系统由IGBT脉冲测试电路和声发射信号测量平台两部分组成，如图2(a)所示。脉冲测试电路原理如图2(b)所示，采用的是单脉冲测试时序的感性负载电路，选择单脉冲触发主要是为了易于采集、记录以及分析IGBT开关所产生的应力波信号，当然采用双脉冲的方式也是可行的。测试器件型号为IGW30N60TP，电感值为100 μH，通过直流电压源DC给电路充电，同轴电阻的型号是SDN-414-01,阻值为0.01 Ω，其外壳可有效屏蔽外部噪声源，可以测量小电流值和瞬态电流。试验时使用国产RIGOL任意波形信号发生器给测试电路板加单脉冲触发信号，并使用示波器实时观测VGE、VCE、IC波形。

图2 测试系统与电路Figure 2 Test system and circuit

声发射测量平台包含压电传感器型号为VS45-H(带宽为20～450 kHz，带宽满足实际测量需求，后期工作会对比研究不同带宽传感器所采集的信号)，放大器型号为AEP5，声发射仪是德国Vallen公司生产的AMSY-6(带宽10 MHz)，如图3所示，测试时直接将传感器贴在IGBT正背面，可通过计算机上的声发射信号采集软件实时显示监测到的声发射信号。

图3 传感器位置放置示意Figure 3 Schematic diagram of sensor location

试验测试时序如图4所示，t1时刻门极电压VGE变高，IGBT导通，集电极电流IC开始上升；t2时刻VGE由正压变为负压，IGBT关断，得到关断过程的集电极电压VCE和电流IC的波形。

图4 脉冲测试时序Figure 4 Pulse test sequence diagram

3 试验研究

环境噪声过大会影响有效信号的采集，因此，测试前先使用声发射仪对环境噪声进行测试，得出环境噪声在35 dB附近上下波动，噪声信号的时域波形如图5所示，可看出信号幅值为0.04 mV，因此可设置信号的采样阈值为45 dB，有效排除环境噪声对信号采集时的干扰。假如测试的噪声分贝过大，需采取有效方法对噪声进行屏蔽。

图5 噪声信号的时域波形Figure 5 Time-domain waveform of noise

3.1 应力波信号的成分分析

传感器的耦合方式有2种：①耦合剂耦合，使用的耦合剂为真空封脂；②空气耦合(近似看作无介质)，主要用于对比试验。

在使用真空封脂耦合并且其余条件保持一致的情况下，状态1、2下所采集的应力波信号如图6所示，对比发现：当VCE存在时，可发现应力波信号的时域波形中有两处明显的高幅值信号尖峰，且两处信号尖峰的间隔时间正好为信号的脉冲宽度，同时存在明显的高频成分；当VCE为0 V时，相同条件下，无类似尖峰信号，也无高频成分。

图6 有、无VCE时应力波信号时域波形Figure 6 Time-domain waveforms of stress wave signal with/without VCE

分别对VCE为30、0 V，脉宽为40 μs时进行短时傅里叶变换，得到应力波信号时频，如图7所示，对比发现：有VCE时信号的开通和关断瞬间能量明显强于无VCE时，可推断出IGBT开关所产生的应力波信号是由VCE和VGE叠加所产生，并且高频信号与VCE有关。

图7 有、无VCE时应力波信号时频谱Figure 7 Time-frequency spectrums of stress wave signal with/without VCE

为了验证IGBT开关状态下产生的应力波信号高频部分成分为电磁波，低频信号是机械应力波，可根据机械应力波与电磁波的传播方式不同，电磁波不需要介质就可以传播，而机械应力波传播需要介质，因此，采取空气耦合的方式与采用耦合剂耦合方式形成对比，提取相同条件下的声发射信号。空气耦合下有VCE条件下的应力波信号时域波形如图8所示，空气可近似看成无介质，此种耦合方式下传感器探头与器件表面的间隙会使电磁波的信号减弱，但同时也阻碍了机械应力波的传播。

图8 空气耦合下有VCE的应力波信号时域波形Figure 8 Time-domain waveform of stress wave signal with signal with VCE under air coupling

通过上述对比试验可发现，IGBT开关状态下所产生的应力波信号的成分包含低频和高频2个部分，低频信号是机械应力波，高频部分成分为电磁波，同时，IGBT开关所产生的应力波信号是由VCE和VGE叠加所产生，并且高频信号与VCE有关。

3.2 应力波信号的低频成分分析

信号的高频和低频主要根据信号频谱来分段，一般分为两段，并且以300 kHz进行分段。截取信号的高频段分析，发现高频主要集中在2.7 MHz处。信号频谱分段可以将2种频率的特征参数与IGBT电参数间建立联系。

状态1时VCE设置为0 V，对不同脉冲宽度下采集到的应力波信号进行分析，由文3.1中的成分分析可知，低频部分为机械应力波，因此，通过设置低频数字滤波器对采集到的应力波信号进行处理，截止频率设置为300 kHz。由于正向脉冲时间极短，IGBT在负脉冲时产生的应力波信号会与正脉冲时产生的机械应力波信号发生叠加，导致不同脉宽下的机械应力波的实际波形形状不同，但开通时峰值幅值基本相同，且频率成分一致，主要集中在50～150 kHz范围内。

状态2、3时VCE不为零，分别对不同VCE相同脉宽、相同VCE不同脉宽状态下的应力波信号进行分析。由于器件的整个开关过程时间极短，开通和关断产生的应力波信号会发生叠加现象，导致传感器耦合的信号为叠加后的信号。试验设置VGE为15 V，使用真空封脂耦合剂耦合，分别调节VCE和脉冲宽度，观察IGBT开通时刻应力波信号的脉冲尖峰幅值，并记录如表1所示。

表1 不同VCE下声发射信号特征参数Table 1 Characteristic parameters of acoustic emission signals under different VCE

根据表1中数据，以保持VCE为30 V调整脉冲宽度、保持脉冲宽度为40 μs调节VCE为例，分别画出IGBT开通瞬间应力波信号脉冲尖峰幅值与VCE、脉冲宽度之间的拟合曲线，如图9所示。

图9 脉宽/VCE变化与开通瞬间应力波信号幅值关系(未加滤波器)Figure 9 Relationship between the change of pulse width/VCE and the amplitude of stress wave signal at the conducting moment(without filter)

当对信号低频成分进行分析时，需对试验采集到的信号加一个低通数字滤波器，截止频率为300 kHz。低频为机械应力波信号，同样观察开通时刻声发射信号的脉冲尖峰幅值，并记录如表2所示。根据表2中数据，以保持VCE为30 V调整脉冲宽度、保持脉冲宽度为40 μs调节VCE为例，分别画出低频应力波信号的开通瞬间信号脉冲尖峰幅值与VCE、脉冲宽度之间的拟合曲线，如图10所示。

表2 不同VCE下低频应力波信号特征参数Table 2 Characteristic parameters of low frequency stress wave signals under different VCE

图10 脉宽/VCE变化与开通瞬间低频应力波信号幅值关系Figure 10 Relationship between the change of pulse width/VCE and the amplitude of low frequency stress wave signal at the conducting moment

分别给出相同VCE(30 V)不同脉冲宽度、不同VCE相同脉冲宽度(40 μs)2种条件下所采集的应力波信号的时域波形和频谱图，对比结果分别如图11、12所示。

图11 低通滤波后不同脉宽下的信号时域波形及频谱Figure 11 Time-domain waveforms and spectrums of signals under different pulse widths after low-pass filtering

图12 低通滤波后不同VCE下的信号时域波形及频谱Figure 12 Time-domain waveforms and spectrums of signals under different VCE signals after low-pass filtering

通过分析表2中数据、拟合关系曲线以及应力波信号的时域波形、频谱图，在不同VCE下，改变脉冲宽度可以发现：VCE不变时改变脉冲宽度，开通时刻的应力波信号脉冲尖峰的幅值不变，低频机械应力波信号仍满足此规律；低频应力波信号主要集中在50～150 kHz，脉冲宽度的改变对于机械应力波的频谱基本无影响，只是改变了时域波形的叠加时间，导致时域波形不一致；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，并且呈线性增长，低频机械应力波信号仍满足此规律，同时，VCE的变化对应力波的时域波形的形状基本无影响，只是改变了信号的幅值；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。

3.3 应力波信号的高频成分分析

信号的高频部分虽然不在20～450 kHz内，但是高频部分在声发射传感器VS45-H中有较好的响应。针对状态1，VCE设置为0 V，脉宽为40 μs下所提取应力波信号的时域波形和频谱如图13所示，同时，对不同脉冲宽度下的声发射信号进行频谱分析，可发现无明显脉冲尖峰并且无高频成分，由此可推出高频电磁波与VCE有关。

图13 无VCE时信号的时域波形及频谱Figure 13 Time-domain waveform plots and spectrum of signals without VCE

针对状态2、3，对试验设置VGE为15 V、真空封脂耦合剂耦合所采集到的应力波信号加一个高通数字滤波器，下限设置为300 kHz，同样观察IGBT开通时刻应力波信号的脉冲尖峰幅值，并记录如表3所示。

表3 不同VCE下高频应力波信号特征参数Table 3 Characteristic parameters of high frequency stress wave signals under different VCE

根据表3中数据，以保持VCE为30 V、调整/保持脉冲宽度为40 μs不变调节VCE为例，分别画出低频应力波信号的开通瞬间信号脉冲尖峰幅值与VCE/脉冲宽度之间的拟合曲线，如图14所示。

图14 脉宽/VCE变化与开通瞬间高频应力波信号幅值关系Figure 14 Relationship between the change of pulse width/VCE and the amplitude of high frequency stress wave signal at the conducting moment

在其余条件保持不变的前提下，分别给出相同VCE(30 V)不同脉冲宽度、不同VCE相同脉冲宽度(40 μs)2种条件下所采集的应力波信号高频成分的时域波形和频谱，分别如图15、16所示。

图15 高通滤波后不同脉宽下的信号时域波形及频谱Figure 15 Time-domain waveforms and spectrums of signals under different pulse widths after high-pass filtering

图16 高通滤波后不同VCE下的信号时域波形及频谱Figure 16 Time-domain waveforms and spectrums of signals under different VCE after high-pass filtering

通过分析表3中数据、拟合曲线以及应力波信号的时域波形和频谱图，高频信号的频率范围主要集中在2.7 MHz附近；同时在不同VCE条件下，改变脉冲宽度可发现：VCE不变时改变脉冲宽度，开通时刻的高频应力波信号脉冲尖峰的幅值不变，并且频率点要密集一些；当脉冲宽度相同时，开通时刻的高频应力波信号脉冲尖峰幅值随着VCE的增大而增大，并且呈线性增长。

4 结语

本文分析了IGBT在不同状态下应力波信号的产生机理，再通过搭建脉冲测试电路和声发射信号检测平台采集IGBT在不同的状态、不同传感器耦合方式下产生的应力波信号；并分析了应力波信号的组成成分，再通过数字滤波技术提取了高频和低频应力波信号时域和频域的特征参数，建立了特征参数与IGBT参数之间的关系。

1)IGBT开通和关断都会产生应力波信号，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50～150 kHz和2.7 MHz附近，应力波信号由电磁波信号和低频应力波信号共同组成；2)VCE不变时改变脉冲宽度，开通时刻的应力波信号脉冲尖峰的幅值不变，低频和高频信号成分也有相同特点，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；3)脉宽相同时开通时刻的应力波信号脉冲尖峰幅值随着VCE的增大而增大，并且呈线性增长，低频和高频信号成分也有相同特点，同时VCE的变化对信号时域波形的形状基本无影响，只是改变了信号的幅值；4)IGBT在没有关断电流时也会有应力波信号产生，且高频信号成分与VCE有关，同时发现有关断电流时，应力波信号的能量有明显的增大。

本文研究的IGBT在低压条件下不同状态时应力波信号的特征，产生的AE信号包含了大量的信息。AE信号与IGBT电气参数之间的联系表明，该方法是一种潜在的监测功率器件状态的方法，尽管本文还没有探索所有的方法，但通过分析IGBT声发射信号的机理和对信号处理，最终得出基于声发射技术监测功率器件具有巨大潜力的结论。对于器件老化甚至失效与机械应力波之间的联系需要进一步讨论，在接下来的试验中会针对长时间老化或者制造失效条件来观测器件产生机械应力波的变化。本文为后续研究高压及老化状态奠定了基础，具有重要的意义。