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电动汽车用IGBT失效模式及测试方法研究

2021-09-28 10:29:54·  来源：电动学堂  作者：黄薪槐等  
　
文章来源：1.上汽通用五菱汽车股份有限公司2.联合汽车电子有限公司1引言电驱系统是电动汽车三电系统中直接输出动力的子系统，电机控制器可根据整车控制器发出的
文章来源：1.上汽通用五菱汽车股份有限公司2.联合汽车电子有限公司

1引言
电驱系统是电动汽车“三电”系统中直接输出动力的子系统，电机控制器可根据整车控制器发出的转速/扭矩请求指令输出相应的转速/扭矩信号。IGBT，作为电机控制器的关键功率元器件，它能把电池包输出直流电逆变成交流电，从而驱动交流电机运转。
因此，IGBT的性能及可靠性直接决定了电驱系统动力输出的稳定和可靠性，其失效时可能会导致整车下高压而无法输出动力。
2IGBT失效模式
2.1电压失效
母线电压、变压器反射电压以及漏极尖峰电压等叠加，当漏源极承受最大单次脉冲能量超过其单脉冲雪崩能量EAS或多次脉冲能量超过其重复雪崩能量EAR时发生漏源雪蹦；或者栅极产生尖峰电压，栅极是模块最薄弱的地方，在任何条件下，其接入的电压必须在小于栅极电压VGS，否则引起击穿，导致IGBT失效。整车上会触发电机控制器电压故障，严重者会反冲击电池包，引起电池管理系统报故障。
2.2电流失效
异常大的电流和电压同时叠加，造成瞬态发热，导致IGBT失效。漏源标称电流如果偏小，在设计降额不充裕的系统中可能会引起电流击穿的风险；如果漏源最大脉冲电流IDM、最大连续续流电流IS、最大脉冲续流电流ISM偏小，系统发生过流或过载情况，同样会发生电流击穿风险。整车上可能会触发电机控制器报电流故障，严重者会引起电池包内部熔断器熔断或继电器粘连。
2.3过温失效
三相桥臂门极开关瞬态开通不一致，极限情况下引起单管承受所有相电流；或者MOS管内阻及功率回路抗扰差异，导致稳态不均流；以及晶元与leadframe、leadframe与PCB铜箔之间存在空洞，局部温升高，引起IGBT模块温度过高，发生过温失效。发生过温失效的直接原因是温升超过结温TSTG及贮存温度TJ，如果系统设计时把模块的结到封装的热阻Rthjc、封装到散热片的热阻Rthcs以及结到空气的热阻Rthja设计越小，系统散热越快；或者导通电阻RDS（ON）值越小，工作时损耗越小，温升越慢，发生过温失效的几率就会越小。整车上可能会触发电机控制器过温保护，严重者会引起温度传感器烧毁。
3 IGBT测试项目及方法
上文分析了IGBT主要失效模式，在电动汽车上如果在行车中发生IGBT失效，可能会导致比较严重的后果。直接导致电机控制器报故障（过电流或过电压），触发下高压停止动力输出，甚者电流过大冲击动力蓄电池引发其他故障。同时，IGBT功率转化效率也会直接影响电驱系统效率，进而影响到续航里程。因此，针对IGBT的性能测试具有重要意义。本文提出以下3种IGBT测试方法。
3.1双脉冲测试
基于双脉冲测试原理测试IGBT模块在一倍电流和两倍电流条件下的开通关断时间，损耗，电流电压变化率，以及安全工作区，并验证验证短路阈值及保护设置的可靠性。
图1为基于双脉冲测试原理搭建的测试设备系统框图，该测试系统由电池模拟器、可调电感负载、数据采集模块、安全模块以及上位机组成。通过调节电池模拟器电压、电感负载可以实现不同电压以及电流下的IGBT开关特性（开通时间tdon，上升时间tr，关断延时时间tdoff，下降时间tf，开通能量Eon，关断能量Eoff，集电极持续工作电流ISC等）、损耗以及安全区，优化驱动参数，选择合理最小死区时间。

图2为双脉冲测试原理电路图，该电路主要由两个IGBT、一个电感以及电压源组成。
上管IGBT连接负载，一直处于关闭状态，下管IGBT是被测对象。其中电感L已知，Vce及Ic可以分别使用电压钳、电流钳采集，当门极输入脉冲开关信号驱动下管IGBT工作时，监控Vce以及Ic波形即可获得其开关特性。

通过双脉冲测试可以获得IGBT模组开关实际应用下的重要技术参数，包括可能导致电压、电流失效的开关能量、栅极电压、集电极电流等，比对其出厂技术规格书，对IGBT选型及应用具有指导性意义。
3.2　温升测试
针对IGBT过温失效，本文提出了在驱动电机系统测试过程中，基于整车应用场景，通过在电机控制器中IGBT模组内部布置温度传感器，采集其实际使用工况下温升情况，评价其温升性能。
图3为电机测功机系统框图，基于该设备可以测试IGBT内的NTC、芯片以及PN结在不同工况条件下温度，如NEDC循环工况、急加速工况、爬坡工况等。

3.3　极限测试
基于电机测功机设备，测试极限电压、极限电流、极限温度下IGBT边界条件测试包括堵转条件测试。使用图3设备，测试在最低工作电压、最高工作电压、最大工作电流甚至堵转条件下IGBT运行情况，验证极限工况下IGBT性能。在该设备基础上增加环境仓，测试IGBT在极限环境条件下，如分别在-40℃存储及工作、85℃存储、55℃工作等恶劣环境条件下验证IGBT性能。
4　提高IGBT模块可靠性建议
目前电动汽车用IGBT的失效概率还比较高，为保证其可靠性和稳定性，本文针对IGBT的设计，提出以下建议：
（1）提高IGBT功率模块器件级可靠性，包括IGBT在线健康监测以及提高其故障下电气拓扑容错率。
（2）提高基于逆变器拓扑结构电路级可靠性，包括IGBT故障下电路重构以及采用具有容错性能的电驱逆变器电路拓扑结构。
（3）设计和选型时选择适当余量的技规格参数，如栅极电压、漏极电流以及热阻等。
（4）大功率驱动电机系统在设计时应适当提高工作电压，降低系统电流，不仅可以降低IGBT过流及过温失效风险，系统热损耗也会明显的改善，系统效率得到较高提升。
5　总结与展望
目前IGBT模块材料主要还是Si，在经历了40多年的发展后，Si材料的性能已经接近物理极限。为了获得更高的允许使用结温、更高的集成度、更优的安全工作区性能以及更长的循环寿命，SiC、GaN等半导体材料成为了解决以上问题的理想材料。随着半导体材料的发展，电动汽车用功率器件也会越来越安全，电动出行也会更加安全。
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