引言

　　電驅系統是電動汽車“三電”系統中直接輸出動力的子系統，電機控制器可根據整車控制器發出的轉速/扭矩請求指令輸出相應的轉速/扭矩信號。IGBT，作為電機控制器的關鍵功率元器件，它能把電池包輸出直流電逆變成交流電，從而驅動交流電機運轉。

　　因此，IGBT的性能及可靠性直接決定了電驅系統動力輸出的穩定和可靠性，其失效時可能會導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雪崩能量EAR時發生漏源雪蹦;或者柵極產生尖峰電壓，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，導致IGBT失效。整車上會觸發電機控制器電壓故障，嚴重者會反沖擊電池包，引起電池管理系統報故障。

　　2.2電流失效

　　異常大的電流和電壓同時疊加，造成瞬態發熱，導致IGBT失效。漏源標稱電流如果偏小，在設計降額不充裕的系統中可能會引起電流擊穿的風險;如果漏源最大脈沖電流IDM、最大連續續流電流IS、最大脈沖續流電流ISM偏小，系統發生過流或過載情況，同樣會發生電流擊穿風險。整車上可能會觸發電機控制器報電流故障，嚴重者會引起電池包內部熔斷器熔斷或繼電器粘連。

　　2.3過溫失效

　　三相橋臂門極開關瞬態開通不一致，極限情況下引起單管承受所有相電流;或者MOS管內阻及功率回路抗擾差異，導致穩態不均流;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，發生過溫失效。發生過溫失效的直接原因是溫升超過結溫TSTG及貯存溫度TJ，如果系統設計時把模塊的結到封裝的熱阻Rthjc、封裝到散熱片的熱阻Rthcs以及結到空氣的熱阻Rthja設計越小，系統散熱越快;或者導通電阻RDS(ON)值越小，工作時損耗越小，溫升越慢，發生過溫失效的幾率就會越小。整車上可能會觸發電機控制器過溫保護，嚴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生IGBT失效，可能會導致比較嚴重的后果。直接導致電機控制器報故障(過電流或過電壓)，觸發下高壓停止動力輸出，甚者電流過大沖擊動力蓄電池引發其他故障。同時，IGBT功率轉化效率也會直接影響電驅系統效率，進而影響到續航里程。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斷時間，損耗，電流電壓變化率，以及安全工作區，并驗證驗證短路閾值及保護設置的可靠性。

　　圖1為基于雙脈沖測試原理搭建的測試設備系統框圖，該測試系統由電池模擬器、可調電感負載、數據采集模塊、安全模塊以及上位機組成。通過調節電池模擬器電壓、電感負載可以實現不同電壓以及電流下的IGBT開關特性(開通時間tdon，上升時間tr，關斷延時時間tdoff，下降時間tf，開通能量Eon，關斷能量Eoff，集電極持續工作電流ISC等)、損耗以及安全區，優化驅動參數，選擇合理最小死區時間。

　　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連接負載，一直處于關閉狀態，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，當門極輸入脈沖開關信號驅動下管IGBT工作時，監控Vce以及Ic波形即可獲得其開關特性。

　　通過雙脈沖測試可以獲得IGBT模組開關實際應用下的重要技術參數，包括可能導致電壓、電流失效的開關能量、柵極電壓、集電極電流等，比對其出廠技術規格書，對IGBT選型及應用具有指導性意義。

　　3.2　溫升測試

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

　　圖3為電機測功機系統框圖，基于該設備可以測試IGBT內的NTC、芯片以及PN結在不同工況條件下溫度，如NEDC循環工況、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條件測試。使用圖3設備，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條件下IGBT運行情況，驗證極限工況下IGBT性能。在該設備基礎上增加環境倉，測試IGBT在極限環境條件下，如分別在-40℃存儲及工作、85℃存儲、55℃工作等惡劣環境條件下驗證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定性，本文針對IGBT的設計，提出以下建議：

　　(1)提高IGBT功率模塊器件級可靠性，包括IGBT在線健康監測以及提高其故障下電氣拓撲容錯率。

　　(2)提高基于逆變器拓撲結構電路級可靠性，包括IGBT故障下電路重構以及采用具有容錯性能的電驅逆變器電路拓撲結構。

　　(3)設計和選型時選擇適當余量的技規格參數，如柵極電壓、漏極電流以及熱阻等。

　　(4)大功率驅動電機系統在設計時應適當提高工作電壓，降低系統電流，不僅可以降低IGBT過流及過溫失效風險，系統熱損耗也會明顯的改善，系統效率得到較高提升。

　　5　總結與展望

　　目前IGBT模塊材料主要還是Si，在經歷了40多年的發展后，Si材料的性能已經接近物理極限。為了獲得更高的允許使用結溫、更高的集成度、更優的安全工作區性能以及更長的循環壽命，SiC、GaN等半導體材料成為了解決以上問題的理想材料。隨著半導體材料的發展，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。