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电动汽车用IGBT失效模式及测试方法研究

  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   2021-10-11 次浏览

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

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。

电动汽车用IGBT失效模式及测试方法研究


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。

电动汽车用IGBT失效模式及测试方法研究


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。

电动汽车用IGBT失效模式及测试方法研究


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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