電動汽車用IGBT失效模式及測試方法研究

　　引言

　　電驅(qū)系統(tǒng)是電動汽車“三電”系統(tǒng)中直接輸出動力的子系統(tǒng)，電機控制器可根據(jù)整車控制器發(fā)出的轉(zhuǎn)速/扭矩請求指令輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速/扭矩信號。IGBT，作為電機控制器的關(guān)鍵功率元器件，它能把電池包輸出直流電逆變成交流電，從而驅(qū)動交流電機運轉(zhuǎn)。

　　因此，IGBT的性能及可靠性直接決定了電驅(qū)系統(tǒng)動力輸出的穩(wěn)定和可靠性，其失效時可能會導(dǎo)致整車下高壓而無法輸出動力。

　　2IGBT失效模式

　　2.1電壓失效

　　母線電壓、變壓器反射電壓以及漏極尖峰電壓等疊加，當(dāng)漏源極承受最大單次脈沖能量超過其單脈沖雪崩能量EAS或多次脈沖能量超過其重復(fù)雪崩能量EAR時發(fā)生漏源雪蹦;或者柵極產(chǎn)生尖峰電壓，柵極是模塊最薄弱的地方，在任何條件下，其接入的電壓必須在小于柵極電壓VGS，否則引起擊穿，導(dǎo)致IGBT失效。整車上會觸發(fā)電機控制器電壓故障，嚴(yán)重者會反沖擊電池包，引起電池管理系統(tǒng)報故障。

　　2.2電流失效

　　異常大的電流和電壓同時疊加，造成瞬態(tài)發(fā)熱，導(dǎo)致IGBT失效。漏源標(biāo)稱電流如果偏小，在設(shè)計降額不充裕的系統(tǒng)中可能會引起電流擊穿的風(fēng)險;如果漏源最大脈沖電流IDM、最大連續(xù)續(xù)流電流IS、最大脈沖續(xù)流電流ISM偏小，系統(tǒng)發(fā)生過流或過載情況，同樣會發(fā)生電流擊穿風(fēng)險。整車上可能會觸發(fā)電機控制器報電流故障，嚴(yán)重者會引起電池包內(nèi)部熔斷器熔斷或繼電器粘連。

　　2.3過溫失效

　　三相橋臂門極開關(guān)瞬態(tài)開通不一致，極限情況下引起單管承受所有相電流;或者MOS管內(nèi)阻及功率回路抗擾差異，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)不均流;以及晶元與leadframe、leadframe與PCB銅箔之間存在空洞，局部溫升高，引起IGBT模塊溫度過高，發(fā)生過溫失效。發(fā)生過溫失效的直接原因是溫升超過結(jié)溫TSTG及貯存溫度TJ，如果系統(tǒng)設(shè)計時把模塊的結(jié)到封裝的熱阻Rthjc、封裝到散熱片的熱阻Rthcs以及結(jié)到空氣的熱阻Rthja設(shè)計越小，系統(tǒng)散熱越快;或者導(dǎo)通電阻RDS(ON)值越小，工作時損耗越小，溫升越慢，發(fā)生過溫失效的幾率就會越小。整車上可能會觸發(fā)電機控制器過溫保護，嚴(yán)重者會引起溫度傳感器燒毀。

　　3 IGBT測試項目及方法

　　上文分析了IGBT主要失效模式，在電動汽車上如果在行車中發(fā)生IGBT失效，可能會導(dǎo)致比較嚴(yán)重的后果。直接導(dǎo)致電機控制器報故障(過電流或過電壓)，觸發(fā)下高壓停止動力輸出，甚者電流過大沖擊動力蓄電池引發(fā)其他故障。同時，IGBT功率轉(zhuǎn)化效率也會直接影響電驅(qū)系統(tǒng)效率，進而影響到續(xù)航里程。因此，針對IGBT的性能測試具有重要意義。本文提出以下3種IGBT測試方法。

　　3.1雙脈沖測試

　　基于雙脈沖測試原理測試IGBT模塊在一倍電流和兩倍電流條件下的開通關(guān)斷時間，損耗，電流電壓變化率，以及安全工作區(qū)，并驗證驗證短路閾值及保護設(shè)置的可靠性。

　　圖1為基于雙脈沖測試原理搭建的測試設(shè)備系統(tǒng)框圖，該測試系統(tǒng)由電池模擬器、可調(diào)電感負(fù)載、數(shù)據(jù)采集模塊、安全模塊以及上位機組成。通過調(diào)節(jié)電池模擬器電壓、電感負(fù)載可以實現(xiàn)不同電壓以及電流下的IGBT開關(guān)特性(開通時間tdon，上升時間tr，關(guān)斷延時時間tdoff，下降時間tf，開通能量Eon，關(guān)斷能量Eoff，集電極持續(xù)工作電流ISC等)、損耗以及安全區(qū)，優(yōu)化驅(qū)動參數(shù)，選擇合理最小死區(qū)時間。

　　圖2為雙脈沖測試原理電路圖，該電路主要由兩個IGBT、一個電感以及電壓源組成。

　　上管IGBT連接負(fù)載，一直處于關(guān)閉狀態(tài)，下管IGBT是被測對象。其中電感L已知，Vce及Ic可以分別使用電壓鉗、電流鉗采集，當(dāng)門極輸入脈沖開關(guān)信號驅(qū)動下管IGBT工作時，監(jiān)控Vce以及Ic波形即可獲得其開關(guān)特性。

　　通過雙脈沖測試可以獲得IGBT模組開關(guān)實際應(yīng)用下的重要技術(shù)參數(shù)，包括可能導(dǎo)致電壓、電流失效的開關(guān)能量、柵極電壓、集電極電流等，比對其出廠技術(shù)規(guī)格書，對IGBT選型及應(yīng)用具有指導(dǎo)性意義。

　　3.2　溫升測試

　　針對IGBT過溫失效，本文提出了在驅(qū)動電機系統(tǒng)測試過程中，基于整車應(yīng)用場景，通過在電機控制器中IGBT模組內(nèi)部布置溫度傳感器，采集其實際使用工況下溫升情況，評價其溫升性能。

　　圖3為電機測功機系統(tǒng)框圖，基于該設(shè)備可以測試IGBT內(nèi)的NTC、芯片以及PN結(jié)在不同工況條件下溫度，如NEDC循環(huán)工況、急加速工況、爬坡工況等。

　　3.3　極限測試

　　基于電機測功機設(shè)備，測試極限電壓、極限電流、極限溫度下IGBT邊界條件測試包括堵轉(zhuǎn)條件測試。使用圖3設(shè)備，測試在最低工作電壓、最高工作電壓、最大工作電流甚至堵轉(zhuǎn)條件下IGBT運行情況，驗證極限工況下IGBT性能。在該設(shè)備基礎(chǔ)上增加環(huán)境倉，測試IGBT在極限環(huán)境條件下，如分別在-40℃存儲及工作、85℃存儲、55℃工作等惡劣環(huán)境條件下驗證IGBT性能。

　　4　提高IGBT模塊可靠性建議

　　目前電動汽車用IGBT的失效概率還比較高，為保證其可靠性和穩(wěn)定性，本文針對IGBT的設(shè)計，提出以下建議：

　　(1)提高IGBT功率模塊器件級可靠性，包括IGBT在線健康監(jiān)測以及提高其故障下電氣拓?fù)淙蒎e率。

　　(2)提高基于逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路級可靠性，包括IGBT故障下電路重構(gòu)以及采用具有容錯性能的電驅(qū)逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　(3)設(shè)計和選型時選擇適當(dāng)余量的技規(guī)格參數(shù)，如柵極電壓、漏極電流以及熱阻等。

　　(4)大功率驅(qū)動電機系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)提高工作電壓，降低系統(tǒng)電流，不僅可以降低IGBT過流及過溫失效風(fēng)險，系統(tǒng)熱損耗也會明顯的改善，系統(tǒng)效率得到較高提升。

　　5　總結(jié)與展望

　　目前IGBT模塊材料主要還是Si，在經(jīng)歷了40多年的發(fā)展后，Si材料的性能已經(jīng)接近物理極限。為了獲得更高的允許使用結(jié)溫、更高的集成度、更優(yōu)的安全工作區(qū)性能以及更長的循環(huán)壽命，SiC、GaN等半導(dǎo)體材料成為了解決以上問題的理想材料。隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展，電動汽車用功率器件也會越來越安全，電動出行也會更加安全。