【技術】TI：監控牽引逆變器應用中SiC器件健康狀態(SOH)的技術

碳化硅器件在電動汽車牽引逆變器應用中具有許多系統級優勢，包括提高功率轉換效率，特別是在輕負載、更小的磁性元件和可能更簡單的冷卻系統下。在本文中，我們討論了一種用于監控牽引逆變器應用中 SiC 器件健康狀態 (SOH) 的技術，該技術由德克薩斯大學達拉斯分校和德州儀器 (TI) 的團隊提出。

1.選擇要測量的設備參數以識別故障模式

• 該參數應對設備老化敏感并提供早期預警。柵極氧化物損壞引起的柵極漏電流 (I GSS )是一個參數的示例，該參數更多地是災難性故障的信號，因此可能不太適合在線狀態監控。理想情況下，測試參數應顯示逐漸退化。

  
  

• 即使在 SiC 可能遇到的相對快速的開關條件下，它也應該易于測量和實施。相對難以測量的參數的一個例子是器件開關瞬態的測量，例如開啟延遲，它是器件結溫的良好指標，但需要高傳感分辨率。

  
  

• 它應該獨立于設備操作條件，或者如果不獨立，則具有可以在數據分析中校準的響應。這樣就可以區分由于操作條件和老化引起的參數變化。

  
  

• 由于上述原因，該參數應該對封裝可靠性敏感，特別是對于牽引逆變器應用。

  
  

該研究的作者得出結論，器件的通態電阻 (R DS(on)?) 滿足所有這些要求。下面，我們討論具體的測試方法以及為驗證該方法而收集的數據。

2.測試設置和數據分析

該逆變器設置由位于縮小版 230V 直流總線上的六個 1,200V、20A SiC MOSFET 組成，驅動三相永磁同步電機。逆變器的開關頻率為 20 kHz。RDS(on) 計算涉及器件的通態電壓 (V DS ) 和漏極電流 (I D ) 的測量。V DS測量電路的簡化原理圖如圖 2 所示。

一些特征是：

• Texas Instruments 柵極驅動器 UCC5870 用于驅動 SiC?MOSFET。該驅動器芯片內的模數轉換器 (ADC) 和短路去飽和保護功能用于 V DS測量，從而減少了額外的組件數量。

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• D1 和 D2 是相同的高壓、快速反向恢復二極管。在R4=R5的條件下，簡單分析可得低邊開關管導通時的VU1 = VDS 。U2 用于將這種擬合縮放到 ADC 所需的輸入范圍。二極管之間的不匹配會導致錯誤，需要在分析中進行表征和校準。

數據分析在 F28388D C2000 MCU 上執行。V DS和I DS不是嚴格周期性的。使用無序等效時間采樣 (ETS)，與順序 ETS 相比，它可以將給定數據集所需的周期數減少幾個數量級。根據電機的電角度，以峰值 I D為中心進行數據采樣（每個開關 50 個點），以最大限度地減少零交叉點附近的計算誤差。嘈雜的系統條件需要數據過濾，在本例中，使用卡爾曼濾波器來處理 R DS(on)數據。

目標是找到指示失敗 (F) 的 R DS(on)變化 (R) 的概率（即P ( F | R )，其中考慮了所有六個開關的獨立和組合響應。老化引起的R DS(on)變化與工作條件（如柵極電壓、結溫和I D）引起的變化不同，采用貝葉斯SOH算法，其簡化表示為：

P?(?F?|?R?) =?P?(?R?|?F?) ×?P?(?F?) ÷?P?(?R?)

算法中使用了所有六個開關上的逆變器的對稱性及其相似的平均工作條件，此外，雖然正常退化同時發生，但由于封裝問題（例如引線鍵合剝離）而導致的故障發生的可能性很低同時在所有開關上。這有助于消除 R DS(on)中與工作點相關的變化，并有助于為每個交換機上的實際故障設置正確的閾值。假設失敗對 R DS(on)的影響呈正態概率分布，即P ( R | F）。

存儲每個函數的平均值和標準偏差，這可以根據初始測量數據確定，如下所述。在正常情況下，鍵合線電阻占總R DS(on)的比例非常小，并且由V TH偏移引起的變化按比例要大得多，這可以在貝葉斯模型中使用。實際上，R DS(on)的自適應警告級別可以推導出來考慮負載條件和正常老化，這優于使用固定警告級別，后者需要權衡過度敏感（并生成錯誤故障）或過于寬松（因此不生成早期警告）。

貝葉斯算法本質上是遞歸的，這使其對于模型中使用的初始條件而言高效且穩健。此外，可以在其中使用設備特征和行為數據以使其準確。

測試驗證

作為初始驗證練習，使用上面所示的設置在負載條件下測量了所有六個開關的R DS(on) 。與 B1506 參數分析儀讀取的值相比，誤差在 1.2% 以內。

接下來，故意切斷兩個開關（S3 和 S4）上的一根源極接合線。圖 3 顯示了 R DS(on)測量結果，比較了正常和損壞的鍵合線開關。可以看到 3 至 5 mΩ 的偏移。

初始數據可用于設置貝葉斯推理模型的平均值和標準差。然后在圖 4 列出的條件下測試該 SOH 算法。

圖 4 中的結果驗證了該算法，并表明該模型能夠正確檢測引線鍵合失敗，即使 R DS(on) 變化僅為2 %占總數的 4%。由于 R DS(on)的變化較小，因此檢測開關 S4 中的故障需要稍長的時間。然而，這相當于實時時間只有幾百秒。該算法對誤報敏感且穩健。

參考資料:

1萬卡亞拉帕蒂等人。（2023）。“適用于 SiC 牽引逆變器的實用開關狀態監測解決方案。” IEEE 電力電子新興和精選主題雜志。

2故障測試通常是內插的，例如在汽車應用中，因為它們的運行時間比實際應用更長。太陽能逆變器應用就是一個推斷的例子，其中預期壽命可能超過 20 年。

3法哈迪等人。（2023）。“基于 SiC 的牽引逆變器的交流電源循環測試設置和狀態監測工具。” IEEE 車輛技術匯刊。

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