電動汽車用IGBT失效模式及測試方法研究

黃薪槐　秦晴　唐容輝　胡慧婧　鄒世偉

摘 要：IGBT是電機控制器的核心功率元器件，其失效時可能會導(dǎo)致電動汽車下高壓，從而無法行駛。因此，對其性能及可靠性進(jìn)行研究和測試分析具有的重要意義。為此，本文重點分析了電動汽車用IGBT常見的失效模式以及原因，并針對性地提出了相應(yīng)的測試項目及方法，最后給出了提高其穩(wěn)定性和可靠性的建議。

關(guān)鍵詞：電動汽車 IGBT 失效模式 測試

Study on Failure Mode and Test Method of IGBT for Electric Vehicle

Huang Xinhuai Qin Qing Tang Ronghui Hu Huijing Zou Shiwei

Abstract：IGBT is the core power component of the motor controller. When it fails， it may cause the high pressure of the electric vehicle and make it impossible to drive. Therefore， it is of great significance to study and test its performance and reliability. Then， this paper focuses on the analysis of the common failure modes and causes of IGBT for electric vehicles， and puts forward the corresponding test items and methods， and finally gives some suggestions to improve its stability and reliability.

Key words：electric vehicles， IGBT， failure mode， test

1 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。

2 IGBT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[2]。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[1]。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M(jìn)OS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(hù)，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(jìn)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(hù)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[4]，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)余量的技術(shù)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[5]。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。

基金項目：廣西創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展專項資助項目（桂科AA18242039）;柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃資助項目（2018AG10501）。

參考文獻(xiàn)：

[1]張樹冰，劉雪婷.功率模塊IGBT失效機理與壽命預(yù)測研究綜述[J].電器開關(guān)2017（05）：19-22.

[2]王希平，丁祥寬，姚芳.IGBT模塊失效機理及狀態(tài)檢測研究綜述[J].中國電力2019（52）：61-69.

[3]曾健.IGBT測試系統(tǒng)[J].通信電源技術(shù)，2016（25）：10-12.

[4]王瑞.功率器件IGBT測試方法的探究[J].測試工具與解決方法，2014：85-87.

[5]劉志紅，湯藝，盛況.逆導(dǎo)型IGBT發(fā)展綜述[J].中國電機工程學(xué)報，2019（39）：550-558.

作者簡介

黃薪槐：男，上汽通用五菱汽車股份有限公司新能源測試主任工程師。研究方向：電動汽車用電驅(qū)系統(tǒng)測試。