《Power Electronic Devices and Components》：Advanced condition monitoring of IGBT power modules to address evolving industrial and automotive regulations
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状态监测是提高电力电子元器件、变流器及系统可用性与可靠性的关键使能技术，同时可降低与维护和修理相关的全生命周期成本。尽管已有众多解决方案被提出，其在工业及汽车应用中的采用仍然有限，主要原因在于实现复杂度高、成本约束、鲁棒性不足以及缺乏法律强制要求。随着电动化与
状态监测是提高电力电子元器件、变流器及系统可用性与可靠性的关键使能技术，同时可降低与维护和修理相关的全生命周期成本。尽管已有众多解决方案被提出，其在工业及汽车应用中的采用仍然有限，主要原因在于实现复杂度高、成本约束、鲁棒性不足以及缺乏法律强制要求。随着电动化与自主移动出行的转型，确保电力电子系统（尤其是电动汽车中的电力电子系统）的可靠运行比以往任何时候都更为关键。本文强调了针对电动出行定制先进状态监测方法的必要性，并审视了传统方法（如基于结温的监测和常规状态监测技术）的局限性，这些方法通常在精度、选择性和长期适用性方面存在不足。为应对这些挑战，本文提出了一种面向绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistors, IGBT）功率模块的新型多维度状态监测策略。改进的栅极驱动单元通过测量结温循环来检测特定故障，如芯片焊料分层和冷却系统污染。此外，集成了实时负载历史记录和相电流测量等功能，从而支持电动汽车电力电子中的预测性维护并提高可靠性。因此，所提出的状态监测（Condition Monitoring, CM）技术集成了多种功能，具有经济吸引力的潜力。本文首次在实际电压源逆变器中对该状态监测概念进行了研究，该逆变器在电机试验台架上运行。结果表明，该概念是一种可行且适用的IGBT功率模块状态监测方法，有望支持预测性维护并满足下一代移动出行系统的法规遵从性要求。
**论文解读：面向工业与汽车法规演进的IGBT功率模块先进状态监测研究**
**1. 研究背景与问题**
近年来，汽车工业经历了从内燃机主导到电驱动崛起的深刻变革，可持续发展已成为核心议题。联合国2030年可持续发展议程推动各国出台鼓励循环经济实践的新法规，其中数字产品护照（Digital Product Passports, DPPs）作为存储碳足迹、材料成分、制造历史、维修记录、回收方法及地理来源等关键产品信息的工具被引入。欧盟《可持续产品生态设计法规》（ESPR）及新电池法规要求从2027年起，容量超过2 kWh的多数牵引和工业电池必须配备数字电池护照。与此同时，自动驾驶领域的功能安全主要受ISO 26262标准约束，该标准定义了基于风险的安全生命周期，并为道路车辆电气/电子系统引入汽车安全完整性等级（Automotive Safety Integrity Levels, ASILs A–D）。对于牵引逆变器和功率模块，过温、冷却失效或器件退化等故障必须在规定反应时间内被检测、诊断并进入安全状态。此外，UNECE R157（自动车道保持系统法规）和ISO 21448（预期功能安全，SOTIF）进一步要求自动驾驶车辆持续监测自身状态并在运行极限附近执行安全回退操作。因此，对安全关键的电力电子器件进行可靠状态监测，已成为早期退化检测和维持安全运行包络的实际前提。然而，传统的内燃机退化可通过噪声、振动或排放等物理症状相对容易识别，而电动汽车的电机和电力电子部件在接近失效前几乎不显示外部磨损迹象，必须依赖内部传感器和先进数据分析来预测部件寿命。当前尽管存在大量状态监测方案，但其工业及汽车应用采用率仍然有限，主要原因包括实现复杂度高、成本约束、鲁棒性不足以及缺乏法律强制要求。本文旨在提出一种符合即将出台的法规且具有成本效益优势的IGBT功率模块状态监测创新方案，以跨越从研究到大规模市场应用的“鸿沟”。
**2. 研究内容与主要技术方法**
研究人员提出了一种基于栅极驱动单元集成的高频信号注入结温测量方法，并在此基础上构建了利用半正弦功率损耗激励进行热阻辨识的状态监测概念。研究在真实电压源逆变器中验证了该概念，逆变器与电机耦合在试验台架上运行。关键技术方法包括：利用IGBT内部多晶硅栅极电阻（RGi）作为温度敏感电参数（TSEP），通过外部栅极电阻上的高频正弦识别信号（fGAC，例如0.6 V、2.2 MHz）叠加测量结温，并采用均方根（RMS）转换器和模数转换器（ADC）生成校准后的传感器电压；通过单点校准补偿器件间制造公差。状态监测采用半正弦功率损耗激励DCB衬底的热容（Cth,2），通过分析结温循环的振幅（ΔTJ）和最低循环温度（TJ,Min）来区分芯片焊料退化和冷却系统故障。此外，栅极驱动单元实现了在线Rainflow循环计数算法记录负载历史，并通过测量通态集电极-发射极电压（UCE(on)）结合结温校正来计算集电极电流。
**3. 研究结果**
**3.1 结温测量原理与校准**
通过对不同型号和生产批次的功率模块（FF225R12ME4、FF600R17ME4、FS800R07A2E3）进行RLC电桥测量，发现内部栅极电阻的绝对阻值RGi0在TJ=20°C时存在±10%的分散性，但温度系数αR≈0.96×10?3K?1且变化仅±0.4%，表明该温度系数是多晶硅栅极电阻的材料特性，不受制造公差影响。单点校准后，在20°C至160°C范围内测量误差低于3%。
**3.2 实际运行条件下的实验验证**
将研制的TJ-Driver原型以“piggyback”方式安装在400 V、150 kW牵引逆变器的驱动板上，在电机试验台架上进行验证。在快速启动阶段，相电流900 ARMS、电频率1 Hz、高转矩负载下，结温振荡清晰反映正弦电流波形，振幅约为ΔTJ=30 K，验证了TJ-IGBT驱动器在现实牵引驱动条件下准确测量结温的能力。与热像仪参考温度对比，证实了测量精度。
**3.3 状态监测方法的实验验证**
在逆变器运行中（相电流650 ARMS，电频率1 Hz，冷却液温度20°C，流量8 L/min），记录结温循环。当冷却液流量降至50%时，最低循环温度升高约3.9 K，而振幅ΔTJ几乎不变（24.7 K→24.8 K），表明TJ,Min上升是冷却系统污染或热阻增加的明确指标。采用人工老化（热阻Rth,1增加11%）的功率模块替换新模块后，温度循环振幅增加约3.2 K，而最低温度略有下降（归因于模块更换时的安装差异），证明ΔTJ增加可选择性表征芯片焊料分层。同时模拟芯片焊料退化和冷却故障（老化模块+50%流量）时，振幅增加约3.4 K，最低温度升高约4.0 K，两种效应可叠加区分。
**3.4 附加功能**
负载历史记录功能采用在线Rainflow循环计数算法，结合极值滤波器，在栅极驱动单元上实时计算并存储温度循环的振幅、最低温度及加热时间。与ASTM认证的桌面Rainflow算法对比，循环计数结果高度一致；极值滤波器减少85%计算量，在线Rainflow算法减少99%存储需求。电流测量功能通过小解耦电路测量UCE(on)，并利用结温校正的校准函数计算集电极电流，在逆变器运行中与LEM霍尔传感器相比，偏差达到±15%，表明该方法的精度尚不足以用于电机控制，但可为冗余监测提供信息。
**4. 总结与结论**
讨论部分指出，温度系数αR的稳定性主要受多晶硅材料特性控制，不受功率模块主要老化机制影响，因此可在整个寿命期内保持稳定。栅极回路宽谐振带宽使测量方法对制造公差和谐振频率漂移具有鲁棒性。局限性方面，传感器和电子电路的长期漂移或元件老化对测量精度的影响尚未在本文中研究，绝对结温精度需要在实际道路工况下进一步验证。未来工作旨在将整个测量系统集成到专用集成电路（ASIC）中，以最大限度减少传感器电路老化相关的性能退化，提高长期精度并确保在长寿命周期内可靠运行。
**研究结论：** 随着汽车工业向电动化和自主移动转型，确保IGBT功率模块等电力电子器件的可靠性日益重要。本文首先强调了对嵌入式状态监测解决方案日益增长的需求，其驱动力来自预测性维护、功能安全以及数字产品护照等新兴法规要求。对现有结温测量和状态监测技术的全面综述表明，许多方法在可扩展性、鲁棒性、实现复杂度或批量生产适用性方面存在局限。基于此分析，提出了一种采用高频信号注入的栅极驱动集成结温测量方法，该方法在正常运行期间实现连续准确的结温监测，仅需对传统栅极驱动硬件进行最小修改。在实际牵引逆变器中的实验验证证明了该方法在现实工况下的可行性。在此基础上，引入了一种通过分析结温循环参数ΔTJ和TJ,min来评估芯片焊料热阻的状态监测概念。实验结果表明，芯片焊料退化、冷却系统劣化以及组合老化机制可根据其特征热信号被选择性区分。此外，栅极驱动单元利用Rainflow循环计数算法记录热负载历史，并通过补偿通态电压的温度依赖性测量集电极电流。未来工作将集中于将结温测量、状态监测、负载历史记录和电流检测集成到专用ASIC中，为下一代汽车和工业电力电子提供一个可扩展且经济吸引力的状态监测平台，同时支持预测性维护、提高可靠性以及未来的循环经济理念。
