【技术】TI：监控牵引逆变器应用中SiC器件健康状态(SOH)的技术

碳化硅器件在电动汽车牵引逆变器应用中具有许多系统级优势，包括提高功率转换效率，特别是在轻负载、更小的磁性元件和可能更简单的冷却系统下。在本文中，我们讨论了一种用于监控牵引逆变器应用中 SiC 器件健康状态 (SOH) 的技术，该技术由德克萨斯大学达拉斯分校和德州仪器 (TI) 的团队提出。

1.选择要测量的设备参数以识别故障模式

• 该参数应对设备老化敏感并提供早期预警。栅极氧化物损坏引起的栅极漏电流 (I GSS )是一个参数的示例，该参数更多地是灾难性故障的信号，因此可能不太适合在线状态监控。理想情况下，测试参数应显示逐渐退化。

  
  

• 即使在 SiC 可能遇到的相对快速的开关条件下，它也应该易于测量和实施。相对难以测量的参数的一个例子是器件开关瞬态的测量，例如开启延迟，它是器件结温的良好指标，但需要高传感分辨率。

  
  

• 它应该独立于设备操作条件，或者如果不独立，则具有可以在数据分析中校准的响应。这样就可以区分由于操作条件和老化引起的参数变化。

  
  

• 由于上述原因，该参数应该对封装可靠性敏感，特别是对于牵引逆变器应用。

  
  

该研究的作者得出结论，器件的通态电阻 (R DS(on) ) 满足所有这些要求。下面，我们讨论具体的测试方法以及为验证该方法而收集的数据。

2.测试设置和数据分析

该逆变器设置由位于缩小版 230V 直流总线上的六个 1,200V、20A SiC MOSFET 组成，驱动三相永磁同步电机。逆变器的开关频率为 20 kHz。RDS(on) 计算涉及器件的通态电压 (V DS ) 和漏极电流 (I D ) 的测量。V DS测量电路的简化原理图如图 2 所示。

一些特征是：

• Texas Instruments 栅极驱动器 UCC5870 用于驱动 SiC MOSFET。该驱动器芯片内的模数转换器 (ADC) 和短路去饱和保护功能用于 V DS测量，从而减少了额外的组件数量。

• 
  

• D1 和 D2 是相同的高压、快速反向恢复二极管。在R4=R5的条件下，简单分析可得低边开关管导通时的VU1 = VDS 。U2 用于将这种拟合缩放到 ADC 所需的输入范围。二极管之间的不匹配会导致错误，需要在分析中进行表征和校准。

数据分析在 F28388D C2000 MCU 上执行。V DS和I DS不是严格周期性的。使用无序等效时间采样 (ETS)，与顺序 ETS 相比，它可以将给定数据集所需的周期数减少几个数量级。根据电机的电角度，以峰值 I D为中心进行数据采样（每个开关 50 个点），以最大限度地减少零交叉点附近的计算误差。嘈杂的系统条件需要数据过滤，在本例中，使用卡尔曼滤波器来处理 R DS(on)数据。

目标是找到指示失败 (F) 的 R DS(on)变化 (R) 的概率（即P ( F | R )，其中考虑了所有六个开关的独立和组合响应。老化引起的R DS(on)变化与工作条件（如栅极电压、结温和I D）引起的变化不同，采用贝叶斯SOH算法，其简化表示为：

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

算法中使用了所有六个开关上的逆变器的对称性及其相似的平均工作条件，此外，虽然正常退化同时发生，但由于封装问题（例如引线键合剥离）而导致的故障发生的可能性很低同时在所有开关上。这有助于消除 R DS(on)中与工作点相关的变化，并有助于为每个交换机上的实际故障设置正确的阈值。假设失败对 R DS(on)的影响呈正态概率分布，即P ( R | F）。

存储每个函数的平均值和标准偏差，这可以根据初始测量数据确定，如下所述。在正常情况下，键合线电阻占总R DS(on)的比例非常小，并且由V TH偏移引起的变化按比例要大得多，这可以在贝叶斯模型中使用。实际上，R DS(on)的自适应警告级别可以推导出来考虑负载条件和正常老化，这优于使用固定警告级别，后者需要权衡过度敏感（并生成错误故障）或过于宽松（因此不生成早期警告）。

贝叶斯算法本质上是递归的，这使其对于模型中使用的初始条件而言高效且稳健。此外，可以在其中使用设备特征和行为数据以使其准确。

测试验证

作为初始验证练习，使用上面所示的设置在负载条件下测量了所有六个开关的R DS(on) 。与 B1506 参数分析仪读取的值相比，误差在 1.2% 以内。

接下来，故意切断两个开关（S3 和 S4）上的一根源极接合线。图 3 显示了 R DS(on)测量结果，比较了正常和损坏的键合线开关。可以看到 3 至 5 mΩ 的偏移。

初始数据可用于设置贝叶斯推理模型的平均值和标准差。然后在图 4 列出的条件下测试该 SOH 算法。

图 4 中的结果验证了该算法，并表明该模型能够正确检测引线键合失败，即使 R DS(on) 变化仅为2 %占总数的 4%。由于 R DS(on)的变化较小，因此检测开关 S4 中的故障需要稍长的时间。然而，这相当于实时时间只有几百秒。该算法对误报敏感且稳健。

参考资料:

1万卡亚拉帕蒂等人。（2023）。“适用于 SiC 牵引逆变器的实用开关状态监测解决方案。” IEEE 电力电子新兴和精选主题杂志。

2故障测试通常是内插的，例如在汽车应用中，因为它们的运行时间比实际应用更长。太阳能逆变器应用就是一个推断的例子，其中预期寿命可能超过 20 年。

3法哈迪等人。（2023）。“基于 SiC 的牵引逆变器的交流电源循环测试设置和状态监测工具。” IEEE 车辆技术汇刊。

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，碳化硅芯观察转载仅为了传达观点，仅代表碳化硅芯观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系碳化硅芯观察。