界面缺陷及老化状态下电力电子器件封装绝缘应力波检测与分析

电力电子器件在运行过程中会产生应力波，该信号可以表征器件的内部信息和工作状态，可用于器件的在线监测。该文首先从测量绝缘内部空间电荷的电声脉冲法原理出发，从封装绝缘的角度对脉冲边沿时刻应力波的形成机理进行了深入探讨，发现绝缘材料中空间电荷在脉冲边沿处的振动可能是应力波的发射源之一。在此基础上，设置具有单一的界面缺陷和老化缺陷的试样，进行脉冲边沿时刻的应力波检测，并将其与正常状态下的应力波进行对比，探究不同缺陷类型对应力波参数的影响。结果显示，界面缺陷会使得应力波在高频处产生新的峰，而老化缺陷则会导致应力波的频域分量向低频处集中，不同的缺陷类型与应力波的时域和频域检测结果存在良好的对应关系。该研究可为建立电力电子器件缺陷状态与应力波参数之间的关联关系奠定基础。     

焊接型电力电子器件失效机理及量化评估方法

电力电子器件作为现代大功率电能变换装置的核心部件,随着功率等级提升,对其可靠性要求也越来越高,尤其是针对装置的功率体积密度有较高要求的应用场合,仍然缺乏有效的失效量化评估方法,传统的粗犷式设计已经无法满足要求。因此,为了提高装置的功率体积密度和可靠性,需要对器件的工作机理和可靠性边界进行准确表征。针对焊接型电力电子器件,首先从器件的失效机理入手,总结归纳了目前焊接型电力电子器件失效研究现状;然后从器件失效的内部和外部因素两方面分析了电力电子器件的失效机理;最后,从过压失效、过流失效以及疲劳失效三方面,提出了器件的失效量化评估方法,尤其是基于器件物理模型的评估方法,并以二极管和绝缘栅双极晶体管（IGBT）为例进行了验证。为实现电力电子器件的尽限应用提供了支撑。     

一种新型电力线路故障处理方法在重庆电网的实用化研究

电网网架结构迅速变化升级,新能源、电缆线路和电力电子器件的大量运用,对电力调度员进行线路快速故障处置提出了挑战。重庆电网提出基于暂态信息的电力线路故障处理方法,并将其在调度协同监控平台故障处置模块中进行实用化部署和不断改进,充分利用协同平台现有数据源提供的故障录波信息,选取双端时域暂态信号,采用分布参数线路模型对故障线路进行分析求解,实现线路故障快速定位、故障原因判断分析和故障反演溯源,以快速、准确进行故障处置和故障分析。该处理方法实用化能为电力调度专业人员和研究学者提供参考,具有实用性和推广意义。     

基于声发射的Cascode型GaN HEMT器件机械应力波检测与分析EI北大核心CSCD

近年来,以氮化镓(gallium nitride,Ga N)材料为代表的第三代功率半导体器件开始被广泛地应用于高压高温高频的工作场合。在这些环境下对器件进行及时、高效的无损检测可以防患于未然,减少或避免器件损伤带来的损失。文中基于声发射检测技术,对目前应用较多的共栅共源型GaN高电子迁移率晶体管的机械应力波进行检测与分析。分别对器件散热侧和封装侧进行多组重复性实验,利用声发射探头采集其工作时发出的声信号并进行滤波分析,最后总结出该器件开通、关断应力波参数的特征和变化规律。旨在探究器件机械应力波受漏源电压以及栅源电压的影响规律,为下一步进行功率循环实验,建立器件健康状态与其机械应力波之间联系奠基。     

IGBT模块栅氧老化机理分析与表征方法研究

绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）作为电力电子系统的核心器件,广泛应用于新能源发电、轨道机车牵引、电动汽车驱动以及航空航天等重要领域。栅氧层作为IGBT中相对薄弱的环节,如何准确地预测IGBT栅氧层老化状态成为学术界和工业界的研究热点。首先,分析IGBT栅氧层老化机理以及栅氧层老化对IGBT关断过程的影响,提出关断延迟时间td(off)作为IGBT栅氧层老化状态的状态参数。其次,建立IGBT栅氧层老化仿真模型,并对td(off)表征IGBT栅氧层老化状态进行仿真分析。最后,搭建了双脉冲实验平台,获得了栅氧层老化影响IGBT功率模块相关电气参数的实验结果,并与仿真结果进行了比较验证。实验结果证明td(off)可以有效地表征IGBT栅氧层老化状态。该研究对电力电子器件和装置的运行维护与状态预测具有重要的应用价值。     

30V条件下功率MOSFET器件应力波理论与试验研究

功率金属–氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxidesemiconductor field-effect transistor,MOSFET)在电磁热机等物理场相互作用下产生的应力波,对器件的可靠性设计和状态监测有重要意义。根据理论分析可知,功率MOSFET开通或关断可以产生瞬态电磁场,器件中的带电粒子在磁场中所受洛伦兹力,因此产生机械应力波。在30V低压条件下,采用脉冲测试电路并对功率MOSFET进行试验,应用声发射测量平台采集试验过程中功率MOSFET器件产生的瞬态电磁场和机械应力波。对不同电气参数下得到的声发射信号进行处理和分析,发现器件漏源电压导致高频电磁波的产生,而栅源电压和漏源电压共同影响低频机械应力波,为功率MOSFET器件产生声发射现象提供理论依据。     

IGBT模块失效机理及状态监测研究综述

随着电力电子系统性能要求的不断提高,绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）模块不仅要拥有高功率密度,还要具有良好的热-机械性能,以提高其可靠性。首先介绍了IGBT模块的主要失效模式,对封装中键合线和焊料层失效机理进行了详细阐述,重点介绍了IGBT模块健康状态监测,分别对结温、键合线与焊料层健康状态监测及其量化评估研究进展进行了详细分析。最后,对降低热-机械应力以提高整机可靠性设计和运行工况下在线监测研究的发展前景进行了展望。     

电力设备机械振动–超声波融合检测传感器研制及应用EI北大核心CSCD

电力变压器、气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)等大型电力设备不仅是复杂的电气设备,还是复杂的机械设备,运行中极易产生机械和绝缘缺陷,导致设备故障。振动及局部放电是设备机械和绝缘缺陷的有效表征信号,为了实现电力设备机械和绝缘缺陷的同时检测,该文提出可同时、同点、同步进行振动加速度和超声信号检测的融合传感器结构,设计融合信号多功能调理电路,研制振动加速度–超声波融合传感器,实现机械振动和局部放电信号在空间和时间上的同步检测及数据处理。进行融合传感器振动和超声校准试验,1Hz~4kHz内的平均振动灵敏度为98.1mV/g;20kHz~100kHz内的频响曲线谐振频率为46kHz,平均超声灵敏度为73dB(V/(m/s))。基于实际GIS设备开展局部放电和机械振动联合检测试验,试验结果表明融合传感器可准确检测电力设备机械振动和超声局放信号,为电力设备状态多物理量融合检测提供了新的思路与方案。     

“电力电子器件及装备的可靠运行与健康管理”专题特约主编寄语

正随着大容量电力电子器件及装备在中国战略性产业领域中的广泛应用与深度融合,其运行环境和工况日益复杂多样,可靠性要求也愈加严苛。同时,以碳化硅/氮化镓材料为代表的第三代功率半导体器件技术也在蓬勃发展。电力电子器件在提高装备功率密度和变换效率的同时,也带来了诸如高频电磁干扰、极端条件运行下可靠性不高等问题。其关键原因,一是缺乏有效的电力电子器件及其组合失效机理与可靠性建模分析方法,难以对其运行边界进行准确评估;二是缺乏电力电子器件及装备运行可靠性主动调控方法,无法实现器件及装备健康状态的高效管理,制约了电力电子装备的快速发展。因此,研究电力电子器件失     

温度及老化程度对变压器绝缘纸板复弹性模量的影响

电力变压器绝缘纸板的复弹性模量与纸板所处温度和老化程度等密切相关,对其进行研究有助于深入掌握电力变压器绕组动力学特性及基于振动信号的绕组机械状态检测技术。文中从材料的粘弹性理论出发,对绝缘纸板进行加速老化试验,使用动态热机械分析仪(DMA)研究了老化纸板在100 Hz应力作用下,在不同温度和老化程度的情况下,储能模量和机械损耗角的变化规律,建立了纸板复弹性模量与温度和老化程度的联系。结果表明,纸板的复弹性模量随着老化程度的增加和温度的升高而降低,机械损耗角的正切值则基本保持不变,其值小于0.055;复弹性模量受温度的影响系数α随老化程度的增加而减小。研究结果对于利用振动信号评估变压器老化及机械状态具有重要的指导意义。