新能源电驱系统标准解读与拓展：控制器运行耐久试验

导语

控制器运行耐久，属于控制器单体耐久试验，与带载温度循环试验(Power thermal cycle endurance,PTCE)相辅相成，联合验证了控制器功率转换模块在热应力、电应力作用下的耐久情况。

01 为什么要进行控制器运行耐久试验?



控制器作为三合一电驱动动力总成系统的"大脑"，在整个生命周期内主要承受两方面的负荷影响：一、外部环境变换产生的温度负荷(TC)；二、内部定期负载电流产生的温度负荷(PC)。


系统层面的温度循环耐久试验(PTCE)，反映的是整车生命周期内，在经历一定次数的温度变化后，子系统及其组件的耐久可靠性。对于控制器而言，主要考核功率器件和电子器件的焊层和焊点，以及密封件的粘结层，在一定热机械应力作用下的老化/破裂情况。(#PTCE对电机、减速器子系统及其零件的考核后续会进行专题解读#）

BUT，PTCE更多的是考虑外部温度负荷的影响，对于内部电应力产生的温度负荷的影响，并没有考虑或者即使有也并不充分。(#"不充分"的理由后续会补充解读#)。因此，有必要在PTCE之前对控制器单体的运行耐久进行验证，即定期重复的施加负载电流，促使内部导体温度快速变化，以验证关键功率转换部件的耐久特性。

02 如何设计控制器运行耐久试验？

这里引入一种通用的控制器运行耐久试验标准。

测试架构图

试验通过如下图两种架构形式均可实现：

1) 控制器+电机+负载电机



2) 控制器+电机模拟器



测试条件

环境温度和温度：除非有特殊要求，一般在23±5℃环境温度和25%~75%的环境湿度下进行测试。

冷却水温: 不做降额处理的最高冷却水温度，一般为65℃。

冷却流量：不做降额处理的最低冷却水流量，一般为8l/min.

加载曲线

一张图表示控制器运行耐久加载曲线：



其中，I_t=1800表示持续运行30min的最大电流；I_t=2~30表示持续运行2~30s的最大电流 。

其中，n/f一般定义为额定转速或电频率；

其中，t_1一般定义为120s；t_3和t_5一般定义为2~30s范围内， 具体根据 控制频率f 和 热平衡温度T而确定；t_2/t_4/t_6,一般分别定义为3s/4s/3s。

其中，循环次数N常规定义为3000次。

测试通过标准

试验前后对如下部件进行性能测试和分析：

→ 功率转换芯片：电阻抗和热阻抗变化率<10% (对于IGBT，要测量集电极和发射极之间电阻)；

→ 薄膜电容：在通常使用的频率下，电容和阻抗特性差异<10％。

"知其然，知其所以然，上述参数为什么这样定义？是否合理？整车参数和应用环境对试验参数定义有何影响?" 请看03解读。

03 解读：控制器运行耐久的"定制化"设计

为了回答02部分遗留的问题，透过表象，去挖掘事物的本质，回归物理和数学模型中。

通过上述解读可以了解，控制器运行耐久试验主要考核的是IGBT/Diode和薄膜电容，其在内部负载电流作用下，因温度负荷产生的老化或失效问题。本文只对IGBT进行分析 。

IGBT的失效形式及机理

IGBT功率模块一般结构简图如下：


其主要的两种失效模式如下：

■ 芯片顶部铝键合线的开裂和翘起：这是因为电流流经导线产生热量，在热冲击作用下产生热机械应变，严重时，导致金属线的翘起和开裂，如下图。



■ 焊料层的老化：由于焊接材料具有不同的的热膨胀系数，温度冲击导致焊料层内部产生热机械应变的产生，由周期性应变引起的焊料疲劳将导致内部裂纹的扩散，进一步地导致热阻增加。这也解释了为什么要对功率器件的热电阻进行复检的原因。



综上，一句话概括失效形式和机理 ： 电流→热冲击→机械应力→疲劳老化或失效。

"知道了IGBT失效形式和机理，如何从整车角度对IGBT寿命进行校核呢？"

IGBT的寿命计算流程

 IGBT的寿命模型较复杂，在这里不展开讨论，只对其计算流程做简单介绍，如下图所示(关键)：

01 根据整车路谱计算电流、cosφ等参数，同时考虑冷却水流量和温度

02 根据上述参数，结合IGBT热特性，计算获得时域上的温度谱
(如下示意图所示)

03 根据雨流法，计算获得ΔT及对应次数n

04 根据等效模型，计算获得疲劳损伤度，估算寿命



据此，我们可以根据整车寿命和路谱信息，估算获得IGBT的寿命，为控制器的运行耐久试验的 循环次数 和 时间 提供依据。

BUT，这并不够，试验过程中还要保证以下两点原则：

① 试验连续、完整，无降额运行；

② 其他零部件功能完好，比如DC/AC Busbar的完好(#不能先坏了#)。 这也解释了为什么 02 中选择额定电流I_t=1800进行加载，目的是要保证busbar镀层的完好。

综上，从IGBT的视角，通过对失效形式的理解和寿命的等效计算，对控制器运行耐久试验的几个参数进行把控：加载电流及其对应的时间、电频率、循环次数，实现了其"定制化"的设计。

写在最后：

不仅是IGBT，对二极管和电容也可采用相同方法论对其失效机理进行分析，感兴趣的朋友可以尝试下；另外对IGBT寿命校核感兴趣的朋友也可留言，欢迎进一步交流。

以上是根据实际经验对理论进行的总结，整理的过程中仍有很多不理解的地方，如解读有不当，期待能得到大家指正，也欢迎随时留言交流，我们共同进步！