运行中的电力电子器件为什么会产生应力波？
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。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。
科技电路板上的IOT芯片，三维渲染
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，**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。
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。
有学者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。
图1 脉冲电压边沿处的波形
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2.4μs。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4.8μs，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。
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0～20MHz范围内，属于低频分量；第一部分信号的上限截止频率高达1000MHz，属于高频分量。
图2 脉冲边沿处分子振动信号的频谱图
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。
图3 MOSFET通断时产生的应力波信号
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。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。
山东大学科研人员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，**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。
总结来说，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。
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的工作状态。
本文摘编自2023年第3期《电工技术学报》，**标题为“界面**及老化状态下电力电子器件封装绝缘应力波检测与分析”。本课题得到国家自然科学基金和山东省自然科学基金资助项目的支持。
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