大阪大学的研究人员发现了一种利用声发射计数来检测电力转换设备未来故障的早期方法， Science Daily 报道。

 

“在最近发表于 《IEEE电力电子学汇刊》的一项研究中，大阪大学的研究人员在功率循环测试期间实时监测了碳化硅肖特基二极管中裂纹的扩展。研究人员使用了一种称为声发射的分析技术，此前尚未有人将其用于此目的，”Science Daily 指出。

电力电子器件用于调节和转换电能，广泛应用于计算机、动力转向系统、太阳能电池等众多技术领域。研究人员正致力于通过使用碳化硅半导体来改进电力电子器件。然而，裂纹等磨损性故障仍然是一大难题。为帮助研究人员改进未来的器件设计，需要在器件完全失效之前及早检测出损伤。

 

 

图1. 采用声发射（AE）技术监测采用银烧结芯片贴装的分立式碳化硅肖特基势垒二极管（SBD）器件的磨损性失效，首次成功实时监测了铝带的失效进程。（a）碳化硅SBD器件的光学图像。（b）横截面扫描电镜图像。（c）用于功率循环测试和实时声发射监测的实验装置。（d）采集到的声发射信号波形及其特征，包括计数和幅值。（e）功率循环测试期间电力电子器件中声发射信号（即弹性波）的产生、传播和采集。图片来源：大阪大学

 

研究人员在反复开关器件的过程中持续监测二极管的损伤情况，发现固定在碳化硅肖特基二极管上的铝带出现了渐进性损伤，且声发射的增加与铝带损伤的加剧相对应。

“换能器可将功率循环测试期间的声发射信号转换为可测量的电信号，”该报告的第一作者 ChanYang Choe 表示。“我们观察到了突发型波形，这与器件中的疲劳裂纹相符。”

 

图2. 通过噪声过滤消除背景声发射噪声（包括电源开关噪声和环境噪声）后，成功采集到了碳化硅器件在功率循环测试期间的声发射信号。（a）功率循环测试后失效的分立式碳化硅SBD器件的剥离失效分析结果。（b）一根失效前铝带的横截面，可见界面处存在大量裂纹。（c）将声发射单独监测与传统失效监测方法（即功率循环测试期间监测正向电压）进行了对比。结果表明，声发射监测可用于理解铝带中的疲劳扩展（即失效机理），也可作为电力电子器件发生灾难性剥离断裂前的早期预警手段。图片来源：大阪大学

 

研究人员发现  正向电压会出现骤增，但这种情况只有在器件接近完全失效时才会出现。这种传统方法通过监测功率循环测试期间的异常增量来检查电力器件的损伤情况。研究发现声发射计数的灵敏度要高得多。该方法显示出了 功率 循环测试期间声发射计数的变化趋势。

“与正向电压曲线不同，声发射曲线能够反映裂纹发展的全部三个阶段，”资深作者 Chuantong Chen 表示。“我们检测到了裂纹萌生、裂纹扩展和器件失效，并通过显微成像验证了我们的判断。”

此前，业界尚无可用于监测可能导致碳化硅二极管完全失效的疲劳裂纹的灵敏早期预警系统。但根据该研究，声发射监测有望成为解决方案。采用这种方法将有助于研究碳化硅器件失效的原因，从而帮助常规及先进技术改进未来的设计。