引言

　　電驅(qū)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車“三電”系統(tǒng)中直接輸出動(dòng)力的子系統(tǒng)，電機(jī)控制器可根據(jù)整車控制器發(fā)出的轉(zhuǎn)速/扭矩請(qǐng)求指令輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速/扭矩信號(hào)。IGBT，作為電機(jī)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(dòng)交流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　因此，IGBT的性能及可靠性直接決定了電驅(qū)系統(tǒng)動(dòng)力輸出的穩(wěn)定和可靠性，其失效時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致整車下高壓而無(wú)法輸出動(dòng)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(guò)其單脈沖雪崩能量EAS或多次脈沖能量超過(guò)其重復(fù)雪崩能量EAR時(shí)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(huì)觸發(fā)電機(jī)控制器電壓故障，嚴(yán)重者會(huì)反沖擊電池包，引起電池管理系統(tǒng)報(bào)故障。

　　2.2電流失效

　　異常大的電流和電壓同時(shí)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(jì)降額不充裕的系統(tǒng)中可能會(huì)引起電流擊穿的風(fēng)險(xiǎn);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(guò)流或過(guò)載情況，同樣會(huì)發(fā)生電流擊穿風(fēng)險(xiǎn)。整車上可能會(huì)觸發(fā)電機(jī)控制器報(bào)電流故障，嚴(yán)重者會(huì)引起電池包內(nèi)部熔斷器熔斷或繼電器粘連。

　　2.3過(guò)溫失效

　　三相橋臂門極開(kāi)關(guān)瞬態(tài)開(kāi)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(guò)高，發(fā)生過(guò)溫失效。發(fā)生過(guò)溫失效的直接原因是溫升超過(guò)結(jié)溫TSTG及貯存溫度TJ，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)越小，系統(tǒng)散熱越快;或者導(dǎo)通電阻RDS(ON)值越小，工作時(shí)損耗越小，溫升越慢，發(fā)生過(guò)溫失效的幾率就會(huì)越小。整車上可能會(huì)觸發(fā)電機(jī)控制器過(guò)溫保護(hù)，嚴(yán)重者會(huì)引起溫度傳感器燒毀。

　　3 IGBT測(cè)試項(xiàng)目及方法

　　上文分析了IGBT主要失效模式，在電動(dòng)汽車上如果在行車中發(fā)生IGBT失效，可能會(huì)導(dǎo)致比較嚴(yán)重的后果。直接導(dǎo)致電機(jī)控制器報(bào)故障(過(guò)電流或過(guò)電壓)，觸發(fā)下高壓停止動(dòng)力輸出，甚者電流過(guò)大沖擊動(dòng)力蓄電池引發(fā)其他故障。同時(shí)，IGBT功率轉(zhuǎn)化效率也會(huì)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(duì)IGBT的性能測(cè)試具有重要意義。本文提出以下3種IGBT測(cè)試方法。

　　3.1雙脈沖測(cè)試

　　基于雙脈沖測(cè)試原理測(cè)試IGBT模塊在一倍電流和兩倍電流條件下的開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間，損耗，電流電壓變化率，以及安全工作區(qū)，并驗(yàn)證驗(yàn)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(cè)試原理搭建的測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)框圖，該測(cè)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(jī)組成。通過(guò)調(diào)節(jié)電池模擬器電壓、電感負(fù)載可以實(shí)現(xiàn)不同電壓以及電流下的IGBT開(kāi)關(guān)特性(開(kāi)通時(shí)間tdon，上升時(shí)間tr，關(guān)斷延時(shí)時(shí)間tdoff，下降時(shí)間tf，開(kāi)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(dòng)參數(shù)，選擇合理最小死區(qū)時(shí)間。

　　圖2為雙脈沖測(cè)試原理電路圖，該電路主要由兩個(gè)IGBT、一個(gè)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(cè)對(duì)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(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)下管IGBT工作時(shí)，監(jiān)控Vce以及Ic波形即可獲得其開(kāi)關(guān)特性。

　　通過(guò)雙脈沖測(cè)試可以獲得IGBT模組開(kāi)關(guān)實(shí)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(kāi)關(guān)能量、柵極電壓、集電極電流等，比對(duì)其出廠技術(shù)規(guī)格書，對(duì)IGBT選型及應(yīng)用具有指導(dǎo)性意義。

　　3.2　溫升測(cè)試

　　針對(duì)IGBT過(guò)溫失效，本文提出了在驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中，基于整車應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)在電機(jī)控制器中IGBT模組內(nèi)部布置溫度傳感器，采集其實(shí)際使用工況下溫升情況，評(píng)價(jià)其溫升性能。

　　圖3為電機(jī)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)框圖，基于該設(shè)備可以測(cè)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(cè)試

　　基于電機(jī)測(cè)功機(jī)設(shè)備，測(cè)試極限電壓、極限電流、極限溫度下IGBT邊界條件測(cè)試包括堵轉(zhuǎn)條件測(cè)試。使用圖3設(shè)備，測(cè)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(yùn)行情況，驗(yàn)證極限工況下IGBT性能。在該設(shè)備基礎(chǔ)上增加環(huán)境倉(cāng)，測(cè)試IGBT在極限環(huán)境條件下，如分別在-40℃存儲(chǔ)及工作、85℃存儲(chǔ)、55℃工作等惡劣環(huán)境條件下驗(yàn)證IGBT性能。

　　4　提高IGBT模塊可靠性建議

　　目前電動(dòng)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(duì)IGBT的設(shè)計(jì)，提出以下建議：

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

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

　　(3)設(shè)計(jì)和選型時(shí)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(dòng)電機(jī)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)流及過(guò)溫失效風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)熱損耗也會(huì)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(zhǎng)的循環(huán)壽命，SiC、GaN等半導(dǎo)體材料成為了解決以上問(wèn)題的理想材料。隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展，電動(dòng)汽車用功率器件也會(huì)越來(lái)越安全，電動(dòng)出行也會(huì)更加安全。