电动汽车用IGBT失效模式及测试方法研究

黄薪槐　秦晴　唐容辉　胡慧婧　邹世伟

摘 要：IGBT是电机控制器的核心功率元器件，其失效时可能会导致电动汽车下高压，从而无法行驶。因此，对其性能及可靠性进行研究和测试分析具有的重要意义。为此，本文重点分析了电动汽车用IGBT常见的失效模式以及原因，并针对性地提出了相应的测试项目及方法，最后给出了提高其稳定性和可靠性的建议。

关键词：电动汽车 IGBT 失效模式 测试

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。

2 IGBT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[2]。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[1]。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。

图2为双脉冲测试原理电路图[4]，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。

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。

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，提出以下建議：

（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术规格参数，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[5]。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。

基金项目：广西创新驱动发展专项资助项目（桂科AA18242039）;柳州市科学研究与技术开发计划资助项目（2018AG10501）。

参考文献：

[1]张树冰，刘雪婷.功率模块IGBT失效机理与寿命预测研究综述[J].电器开关2017（05）：19-22.

[2]王希平，丁祥宽，姚芳.IGBT模块失效机理及状态检测研究综述[J].中国电力2019（52）：61-69.

[3]曾健.IGBT测试系统[J].通信电源技术，2016（25）：10-12.

[4]王瑞.功率器件IGBT测试方法的探究[J].测试工具与解决方法，2014：85-87.

[5]刘志红，汤艺，盛况.逆导型IGBT发展综述[J].中国电机工程学报，2019（39）：550-558.

作者简介

黄薪槐：男，上汽通用五菱汽车股份有限公司新能源测试主任工程师。研究方向：电动汽车用电驱系统测试。