多应力下电动汽车变流器功率器件的可靠性及控制方法

This project will study the aging and invalidation phenomenon of converter power devices with the aim to improve the reliability and efficiency of high power devices in electric vehicle converters. The aging process and failure mechanism of converter power devices in multi-stresses environment will be examined. Moreover, the high accuracy lifetime models of EV power devices under actual working conditions will be established..Firstly, the fatigue failure mechanism of power devices in multi-stresses environment is studied, and their aging characteristic and parameters are extracted; Next, by building up the thermal-electric coupled models of EV converters in actual operation condition, the converter lifetime model is estimated; Finally, improved design for high reliability power devices of converter to reduce the junction temperature and their fluctuation of power devices in some extreme-high-stress environments(such as frequently speeding up, motor stalling, hillholding and so on) is proposed..The initiatives of this project are as follows:.1. Study the normalized criterions of power devices’ aging and failure in multi-stresses, and build up quantitative thermal resistance degradation models..2. Establish high-accuracy lifetime models of the converter power devices based on the actual operation conditions of EV..3. Propose reliability oriented control strategies of power converter, so as to retard the power devices’ aging process and improve their reliabilities by reducing converters' power loss and increasing safety margin under large dynamic loads, while retaining the controlling performance and functions.

本项目以提高电动汽车变流器大功率器件的可靠性和运行效率为目标，以功率器件的老化和失效问题为研究对象，研究多环境应力下变流器功率器件的老化进程和失效机理，建立电动汽车实际工况下功率器件的高准确寿命模型。.本项目将首先研究多环境应力下功率器件的疲劳失效机理，提取其老化特征参数；然后，通过建立实际运行工况下电动汽车变流器电热耦合模型，预测变流器的使用寿命；最后，提出改善功率器件可靠性的控制策略，减小变流器在部分极高应力下（如频繁加速、堵转和坡中启动等）功率器件的结温和结温波动。.本课题的创新点有：1.建立多应力下的功率器件的老化和失效统一判据，以及量化的热阻退化失效模型。2.根据电动汽车实际运行工况，建立变流器功率器件的高准确度寿命模型。3.提出面向功率器件可靠性的变流器控制策略，在不改变控制性能的前提下，减小变流器的功率损耗和提高大动态负载下的安全裕度，最终减缓功率器件老化，提高可靠性。

变流器是电动汽车的关键部分也是主要的失效组件，其故障很大程度上归因于其功率器件的失效。因此，探究功率器件的动态热行为、对功率器件进行寿命预测、优化变流器的运行和设计，能够有效提高电动汽车的可靠性。本课题以电动汽车变流器功率器件为研究对象，结合EV实际运行工况，搭建了运行工况下功率器件热应力测试平台，探索了实际运行工况环境下功率器件的应力特征；提出了变流器功率模块的定制化设计方法，建立了非互易性的多芯片耦合热网络；提出了基于开关轨迹优化的驱动电路设计，减小功率器件的结温波动，改善功率器件可靠性。.本课题的主要研究内容包括：.1）运行工况下功率器件热应力测试平台设计.传统的变流器全实物测试平台由功率变流器、电机、传感器和开关设备等组成，研发周期长、成本高昂、占用大量空间大和功耗较大。运行工况下功率器件热应力测试平台的搭建，为运行工况下功率器件的热行为分析和控制提供了有益的基础。此平台的运用，可以使车企的模块测试工作具有灵活、精准和经济的特点，达到事倍功半的效果。.2）电动汽车变流器功率模块的定制化设计.国内电动汽车行业中的变流器一般直接选用厂商提供的IGBT模块，没有专门针对电动汽车用IGBT来设计IGBT及其封装结构，主要原因是目前IGBT市场几乎完全由国外厂商垄断。在建立多芯片IGBT功率模块的非互易耦合热网络模型的基础上，提出了一种EV变换器优化设计方法来定制化设计最合适的功率器件，实现变流器能量损耗、寿命和成本之间的最佳折中，有效提高车企在变流器设计上的竞争性。.3）基于开关轨迹优化的功率器件主动控制驱动技术.要实现电力电子装置的灵活性、智能性，驱动器的快速、精确控制必不可少。本内容通过在特定阶段有针对性地升高或降低栅极电流值，达到优化开关轨迹，加快开关速度，减少开关损耗的目的。本质上通过对器件损耗实时控制，实现对器件损耗实时控制。该方法的应用，能够达到抑制结温波动，减缓了器件的老化的效果，对功率器件的可靠性提高有重要意义。