高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估方法及系统

本申请涉及高压功率模块封装绝缘状态评估，具体涉及一种高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估方法及系统。

背景技术：

1、高压功率模块广泛应用于新能源并网、高压直流输电、电动汽车牵引、工业变频和储能变流等装备中。随着功率电子装备向高电压、高频率和高功率密度方向发展，功率模块封装结构长期承受电、热、机械复合应力，其封装绝缘可靠性逐渐成为制约模块长期稳定运行的重要因素。

2、在典型功率模块封装结构中，铜电极、硅凝胶封装层与陶瓷基板构成胶固界面和三结合点区域。该区域存在介电常数突变、材料热膨胀系数差异和几何边界不连续等因素，是界面局部放电和绝缘劣化的优先发生位置。

3、实际运行中，功率模块往往经历频繁启停、负载波动、冷却条件变化和环境温度变化，胶固界面会反复经历高低温循环。温度循环会在电极、硅凝胶和陶瓷基板之间产生周期性热-机械失配，导致界面黏结能力下降、局部脱粘、微气隙和气泡缺陷产生。气泡缺陷又会引入显著介电不连续性，使缺陷边界处电场畸变增强，甚至诱发局部放电集中发展。

4、现有胶固界面退化评估方法多关注单一放电幅值、局部放电起始电压或最终击穿结果，缺少对温度循环后界面气泡缺陷形貌、界面放电参数和气泡内电场/空间电荷演化之间关联关系的联合评估。因此，现有技术难以准确识别由温度循环诱导的胶固界面早期缺陷，也难以给出能够支撑封装绝缘寿命评估和结构优化的退化分级结果。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供了一种高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估方法及系统，以解决现有技术难以准确识别温度循环诱导产生的胶固界面早期缺陷，且无法输出可支撑封装绝缘寿命评估与结构优化的退化分级结果，评估可靠性不足的问题。

2、为实现上述目的，本申请采用的技术方案如下：

3、本申请的第一方面，提供一种高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估方法，包括：获取待测试样的胶固界面在第一状态和第二状态下的局部放电信号和界面图像；第一状态为未施加预设温度循环的状态，第二状态为已施加预设温度循环的状态；基于局部放电信号提取局部放电参数，以第一状态下的局部放电参数为基准，确定第二状态相对于第一状态的局部放电参数变化率；从界面图像中分割气泡缺陷区域并提取气泡缺陷参数，以第一状态下的气泡缺陷参数为基准，确定第二状态相对于第一状态的气泡缺陷参数变化量；建立含气泡缺陷区域的电场模型并求解电场强度参数，以第一状态的电场强度参数为基准，确定第二状态相对于第一状态的电场强度参数变化率；对局部放电参数变化率、气泡缺陷参数变化量和电场强度参数变化率进行归一化及加权融合，得到胶固界面的退化指数并确定对应的退化等级。

4、在一种可能的实施方式中，待测试样包括电极、硅凝胶封装层和陶瓷基板，电极、硅凝胶封装层和陶瓷基板在待测试样上交汇形成三结合点；胶固界面包括位于三结合点的邻近区域的硅凝胶-陶瓷界面和硅凝胶-电极界面。

5、在一种可能的实施方式中，还包括：确定胶固界面在第二状态下的等效应力场并提取应力峰值区域，基于应力峰值区域与气泡缺陷区域的空间重合度，确定界面绝缘薄弱区域。

6、在一种可能的实施方式中，应力峰值区域由等效应力场中不小于预设应力分位值的网格区域构成；空间重合度包括应力峰值区域和气泡缺陷区域的交集区域面积与应力峰值区域和气泡缺陷区域的并集区域面积的比值；当空间重合度大于或等于预设阈值时，将应力峰值区域与气泡缺陷区域的交集区域确定为界面绝缘薄弱区域。

7、在一种可能的实施方式中，局部放电参数包括局部放电起始电压、最大放电幅值和放电次数；气泡缺陷参数包括气泡数量、平均等效直径、最大等效直径、气泡面积占比和气泡连通度；电场强度参数包括气泡缺陷区域的最大电场强度参数。

8、在一种可能的实施方式中，局部放电参数变化率包括局部放电起始电压下降率、最大放电幅值增长率和放电次数增长率；气泡缺陷参数变化量为至少两个气泡缺陷参数各自对应的参数变化量经归一化加权求和得到的融合结果；电场强度参数变化率包括气泡缺陷区域的最大电场强度参数变化率。

9、在一种可能的实施方式中，退化指数的计算公式包括：

10、d=w1x1+w2x2+w3x3+w4x4+w5x5；

11、其中，d为退化指数，x1为归一化局部放电起始电压下降率，x2为归一化最大放电幅值增长率，x3为归一化放电次数增长率，x4为归一化气泡缺陷参数变化量，x5为归一化最大电场强度参数变化率，w1为第一权重系数，w2为第二权重系数，w3为第三权重系数，w4为第三权重系数，w5为第五权重系数，且w1+w2+w3+w4+w5=1。

12、在一种可能的实施方式中，预设温度循环包括低温段、高温段、升温段、降温段和至少一个恒温保持段；低温段的温度介于-40℃~0℃之间，高温段的温度介于125℃~175℃之间，升温段和降温段的温度变化速率的绝对值介于0.1℃/min~15℃/min，恒温保持段的保持时间介于5min~30min之间。

13、在一种可能的实施方式中，退化等级按照退化程度从低到高依次包括第一等级、第二等级、第三等级和第四等级；当退化指数小于第一阈值时，确定为第一等级；当退化指数大于或等于第一阈值且小于第二阈值时，确定为第二等级；当退化指数大于或等于第二阈值且小于第三阈值时，确定为第三等级；当退化指数大于或等于第三阈值时，确定为第四等级；其中，第一阈值大于第二阈值，第二阈值大于第三阈值。

14、本申请的第二方面，提供一种高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估系统，包括温度循环组件、试样夹具、方波电压源、局部放电传感器、图像采集器和计算装置；温度循环组件用于对待测试样施加预设温度循环；试样夹具用于装夹待测试样；方波电压源的输出端与安装在试样夹具上的待测试样的电极连接；局部放电传感器与待测试样的胶固界面相对设置；图像采集器的光轴朝向胶固界面；局部放电传感器的输出端和图像采集器的输出端均与计算装置连接；计算装置被配置为执行第一方面及第一方面任一实施方式中的高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估方法。

15、相对于现有技术，本申请具有以下有益效果：

16、本申请实施例所提供的高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估方法，通过获取待测试样胶固界面温度循环前后两个状态下的局部放电信号与界面图像，分别得到局部放电参数变化率、气泡缺陷参数变化量，结合气泡缺陷区域电场模型求解得到电场强度参数变化率，再将三类参数进行归一化及加权融合得到退化指数并判定退化等级，实现对温度循环诱导下胶固界面气泡缺陷的多维度综合量化评估，能够识别胶固界面早期隐性缺陷，输出可用于封装绝缘寿命评估与结构优化的退化等级结果，提升胶固界面退化评估的整体可靠性。

1.一种高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估方法，其特征在于，所述待测试样包括电极、硅凝胶封装层和陶瓷基板，所述电极、所述硅凝胶封装层和所述陶瓷基板在所述待测试样上交汇形成三结合点；所述胶固界面包括位于所述三结合点的邻近区域的硅凝胶-陶瓷界面和硅凝胶-电极界面。

3.根据权利要求1所述的高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估方法，其特征在于，还包括：

4.根据权利要求3所述的高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估方法，其特征在于，所述应力峰值区域由所述等效应力场中不小于预设应力分位值的网格区域构成；所述空间重合度包括所述应力峰值区域和所述气泡缺陷区域的交集区域面积与所述应力峰值区域和所述气泡缺陷区域的并集区域面积的比值；当所述空间重合度大于或等于预设阈值时，将所述应力峰值区域与所述气泡缺陷区域的交集区域确定为所述界面绝缘薄弱区域。

5.根据权利要求1所述的高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估方法，其特征在于，所述局部放电参数包括局部放电起始电压、最大放电幅值和放电次数；所述气泡缺陷参数包括气泡数量、平均等效直径、最大等效直径、气泡面积占比和气泡连通度；所述电场强度参数包括所述气泡缺陷区域的最大电场强度参数。

6.根据权利要求5所述的高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估方法，其特征在于，所述局部放电参数变化率包括局部放电起始电压下降率、最大放电幅值增长率和放电次数增长率；所述气泡缺陷参数变化量为至少两个所述气泡缺陷参数各自对应的参数变化量经归一化加权求和得到的融合结果；所述电场强度参数变化率包括所述气泡缺陷区域的最大电场强度参数变化率。

7.根据权利要求6所述的高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估方法，其特征在于，所述退化指数的计算公式包括：

8.根据权利要求1所述的高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估方法，其特征在于，所述预设温度循环包括低温段、高温段、升温段、降温段和至少一个恒温保持段；所述低温段的温度介于-40℃~0℃之间，所述高温段的温度介于125℃~175℃之间，所述升温段和所述降温段的温度变化速率的绝对值介于0.1℃/min~15℃/min，所述恒温保持段的保持时间介于5min~30min之间。

9.根据权利要求1所述的高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估方法，其特征在于，所述退化等级按照退化程度从低到高依次包括第一等级、第二等级、第三等级和第四等级；

10.一种高压功率模块胶固界面气泡缺陷的局部放电退化评估系统，其特征在于，包括温度循环组件、试样夹具、方波电压源、局部放电传感器、图像采集器和计算装置；