检测电力转换设备的早期故障

图1。声学发射 （AE） 用于使用 Ag 烧结芯片附件监控分立 SiC 肖特基阻隔二极管 （SBD） 器件中的磨损故障，首次成功监控 Al 功能区故障的实时进度。（a） SiC-SBD设备的光学图像。（b） 横截面SEM图像。（c） 用于功率循环试验和实时 AE 监测的实验装置。（d） 收集的 AE 信号的波形及其特性，包括计数和振幅。（e） 在电力循环测试期间，在电力电子装置中生成、传播和收集 AE 信号（即弹性波）。来源：大阪大学

电力电子装置调节和修改电力。它们采用计算机、动力转向系统、太阳能电池和许多其他技术。研究人员正在寻求通过使用碳化硅半导体来增强电力电子元件。但是，磨损故障（如裂纹）仍然存在问题。为了帮助研究人员改进未来的设备设计，需要提前在电力电子设备中进行损坏检测，然后再进行完全故障检测。

大阪大学的研究人员在最近出版的《电力电子的 IEEE交易》上，实时监测了碳化硅肖特斯二极管在功率循环测试中的裂缝传播情况。研究人员使用一种称为声发射的分析技术，这种技术以前没有报道过。

在电源循环测试期间，研究人员反复模拟打开和关闭设备，以监测随着时间的推移对二极管造成的损坏。增加的声学发射对应于对贴在碳化硅肖茨基二极管上的铝丝带的渐进损坏。研究人员将监测的声发射信号与最终导致故障的特定阶段的设备损坏关联。

"传感器在功率循环测试中将声发射信号转换为可测量的电气输出，"主要作者ChanYang Choe解释道。"我们观察到了突发型波形，这些波形与设备中的疲劳开裂是一致的。

图2.通过噪声滤波消除背景 AE 噪声（包括开电源开关和环境噪声）后，在电源循环测试期间成功收集了 SiC 器件的 AE 信号。（a） 动力循环测试后故障分立SiC-SBD设备故障分析结果。（b） 一个故障前Al带的横截面，在界面上观察到许多裂缝。（c） 将 AE 单监测与传统故障监测方法进行比较：在功率循环测试期间使用正向电压。结果表明，AE监测可用于了解Al功能区（即失效机制）中的疲劳传播，并用作电力电子设备灾难性升空断裂前的预警。来源：大阪大学

检查电源设备是否损坏的传统方法是在电源循环测试期间监控正向电压的异常增加。使用传统方法，研究人员发现正向电压突然增加，但只有当设备接近完全失效时。相比之下，声发射计数要敏感得多。在功率循环测试中，声学发射计数有明确的趋势，而不是全有或无响应。

"与前进电压图不同，声发射图表示裂纹开发的所有三个阶段，"资深作者陈传通说。"我们检测到裂纹启动、裂纹传播和设备故障，并通过显微成像证实了我们的解释。

迄今为止，还没有一种敏感的预警方法来检测导致碳化硅肖茨基二极管完全失效的疲劳裂纹。这里所报道的声学发射监测就是这样一种方法。在未来，这一发展将帮助研究人员确定碳化硅器件失败的原因，并改进未来通用和先进技术的设计。