各种材料介电常数硅的介电常数是多少( 三 )

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图6 测试电路
由图可以看出，当一块IGBT芯片上的铝键合线全部脱落即芯片失效时，VGE波形明显向左上方偏，即上升速率增大；当铝键合线发生部分脱落故障时，VGE波形向右下方偏，即上升速率减小，而且由于各种寄生参数的存在，其波形并不是随着铝键合线脱落根数的增加逐渐向下偏而是有所交叉。由于我们目的不是准确判断几根铝键合线脱落而是铝键合线是否已经出现脱落现象，而且一根铝键合线脱落会加速其他铝键合线脱落，所以只要监测出VGE发生异常就应该及时更换IGBT模块。

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图7 铝键合线正常和故障时门极电压波形
4 故障特征信息提取
故障初期VGE波形变化可能不明显，人眼辨识存在一定的局限性，这就要求对所测信号进行处理，以便抽取出有用的故障信息或找出区别于电路正常工作信号的特征。本节将小波分析与信息熵结合，将小波包分解的能量信号作为故障特征量，求取其能谱熵值，通过熵值的变化来判断IGBT器件是否发生铝键合线故障。
将小波变换与信息熵结合，可以得到信号的小波能谱熵、小波时间熵等定义及其计算方法。IGBT器件老化失效使得VGE发生变化，意味着电压的频谱不一样，相应的各频带信号的能量也会发生变化，因此本文选用小波能谱熵的计算方法进行分析。
设E=E1，E2，…，Em，为信号VGE在m尺度上的小波能谱。根据正交小波变换特性，某一时间窗内信号的总功率E等于各分量功率Ej之和，设pj=Ej/E，则∑pj=1，相应的小波能谱熵的定义为：
式中pj表示尺度Ej的能量占整个函数能量的百分比，各分量的功率为：
式中，Dj(n)为小波分解系数，n为采样点数。为克服小波分解在高频段频率分辨率较差而在低频段时间分辨率差的问题，本文采用更精细的小波包分解。
小波能谱熵代表信号在各个小波尺度上能量分布均匀性。信号频率成分越简单，信号能量就越集中于少数几个尺度上，小波能谱熵就越小[11] 。
按照式(5)、式(6)对电压信号进行小波包分解并计算能谱熵得到表1结果。
从表1可以看出，VGE的能谱熵可以作为表征铝键合线脱落故障的特征值。当铝键合线发生脱落1-5根时，VGE的能谱熵值减小26%~37%，虽然没有随铝键合线故障根数增加严格递减，但是相对于正常情况下也发生了较大变化；当铝键合线全部脱落时，其能谱熵值增大了99.96%，较正常值发生了很大变化。故用小波能谱熵的分析方法对IGBT铝键合线的脱落故障进行状态监测是可行的，这种方法物理意义明确且容易实现。

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5 结论
本文在分析铝键合线故障对杂散阻抗和门极电压的影响的基础上，通过实验模拟铝键合线脱落故障并测量门极电压变化，得出如下结论：
(1)铝键合线故障前后，门极开通电压发生了变化且表现出一定的规律：部分铝键合线脱落VGE向右下角方向偏，全部脱落时其波形向左上角方向偏。
(2)通过小波能谱熵算法计算铝键合线故障前后的能谱熵值，故障值较正常值变化明显，结果直观、准确，为实现IGBT器件的状态监测提供了依据。
参考文献
[1] Yang Shaoyang，BRYANT A，MAWBY P，et al．An industrybased survey of reliability in power electronic converters[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2011，47(3)：1441-1451.
[2] Jonas Sjolte，Gaute Tjensvoll，Marta Molinas.Reliability analysis of IGBT inverter for wave energy converter with focus on thermal cycling[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2014,1-7.

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