高性能、可擴展的電動汽車模塊和其他碳化硅 (SIC) 半導體可顯著提高電動汽車 (EV) 動力系統(tǒng)的效率。它們推動電動汽車和電動巴士等電動交通應用的發(fā)展，隨著政府和全球針對可再生和可持續(xù)交通的倡議的實施，對這些應用的需求比以往任何時候都更大。

　　無論是電動還是燃油動力，駕駛員都希望車輛能夠在他們想要的時候運行并能夠行駛到目的地。這種期望已經(jīng)建立了幾十年，并且由于不斷的進步和改進而在內燃機車輛中實現(xiàn)了。如今，內燃機汽車很少出現(xiàn)無法按預期工作的情況。

　　當考慮到必須完美運行以使發(fā)動機按預期運行的組件的復雜性和數(shù)量時，結果是多年來出色的工程工作的令人印象深刻的證據(jù)。這通常基于對可能錯誤的詳細分析，并且許多此類故障場景在市場推出之前都經(jīng)過了詳細測試;因此，它們發(fā)生的概率大大降低。

　　隨著電動汽車的引入，構成內燃機的部件已被電子部件取代。然而，對可靠性和可用性的要求保持不變。因此，迫切需要解決可靠性、可用性和安全性問題，并提供適當?shù)慕鉀Q方案來維持這些領域的性能。

　　改用電動機是有益的，因為事實證明電力機車極其可靠。一臺電力機車在其使用壽命內可以行駛數(shù)百萬公里，而電動汽車有一天也可能實現(xiàn)類似的目標。

　　盡管在電力傳動系統(tǒng)的其他應用(例如電力機車)中獲得的知識可能有用，但應用是不同的。例如，機車在停止后表現(xiàn)出相對恒定的功率和一些峰值功率要求，但總的來說，保持相對穩(wěn)定的負載。電動汽車有很多停靠站(例如，在紅綠燈或十字路口)，并且必須應對不同的速度限制，這意味著電力需求變化會頻繁停車。

　　應用的差異反映在任務配置文件中，代表車輛在特定用例中隨時間推移所需的功率。根據(jù)目標受眾，配置文件會略有調整。它們還可以包括特定要求，例如使用拖車上坡起步或在賽道上進行測試的高速加速。各個用例基于頻率或里程，并且多個此類任務配置文件會產(chǎn)生考慮多個用例的綜合任務配置文件。例如，實現(xiàn)這一目標的典型時間范圍是八年 400,000 公里。

　　盡管試圖涵蓋所有關鍵操作點，但設計人員必須保持現(xiàn)實。超載的要求將導致單個組件尺寸過大，進而導致不可接受的成本。

　　重要的半導體參數(shù)

　　從綜合的任務概況中，可以推斷出功率半導體的重要參數(shù)，例如最大結溫或熱循環(huán)次數(shù)。功率半導體模塊還可以根據(jù)任務概況進行設計，并確定實現(xiàn)所需性能所需的 SiC 芯片數(shù)量。還考慮環(huán)境溫度(例如冷卻劑溫度)。此外，周期深刻影響功率半導體模塊的設計以及連接和鍵合技術的使用。某些組件之間的傳統(tǒng)焊接連接是否足夠，或者是否需要其他連接技術，例如銀燒結連接(一種不熔化的更強的粘合)，很快就會變得顯而易見。

　　提供的兩個插圖分別表示發(fā)生的概率(計數(shù))。圖中可見的橙色越多，這種情況發(fā)生的可能性就越大。左側繪制了與結溫相關的熱變化的可能性。高結溫范圍內的熱變化更為關鍵，會影響元件的使用壽命。在右側，我們看到熱負荷循環(huán)對熱變化的依賴性。在這里，具有大熱負載循環(huán)的許多循環(huán)是挑戰(zhàn)。與機車任務概況的相同分析相比，多樣性是驚人的。頻繁發(fā)生的案例分布在整個范圍內，而不是集中在幾個點上。

　　AQG 324 對任務概況做出了更具體的聲明。它引入了分為兩個不同時間范圍的負載循環(huán)測試：開啟時間小于5秒的PCsec和開啟時間大于15秒的PCmin。假設 15 秒后已達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，特別是對于功率半導體而言，因此較長的接通周期不會導致額外的加熱。該測試被定義為失效測試，必須連續(xù)監(jiān)測各種參數(shù)。

　　AQC 324 要求熱阻 (Rth) 的增加應小于 20%，而漏源電壓 (VDS) 或反向源漏電壓 (VSD) 的增加應低于 5%。特別是在 PCmin 測試中，熱阻變化(即使是很小的程度)對 MOSFET 源極-漏極電壓變化的依賴性提出了挑戰(zhàn)。例如，Rth 增加 <10% 可能會導致 VSD 變化 5%。這是由于導通電阻 (RDSon) 和溫度之間存在密切關系。

　　在這些測試中，對于具有多個邏輯開關的模塊(例如，半橋模塊或具有六個邏輯開關的模塊)來說，重要的是所有邏輯開關都被適當加載并包括在評估中。

　　結溫是一個重要參數(shù)，通常通過體二極管兩端的壓降間接測量。當然，該測量是在兩個半橋(即所有邏輯開關)上執(zhí)行的。

　　測試非常耗時，因為預計會進行多次(在 100,000 次范圍內)循環(huán)。如果 PCsec 的開啟時間為 5 秒，關閉時間為 5 秒，則相當于 1,000,000 秒，相當于 12 天。對于 1,000,000 個周期，則需要 116 天。還可以預期，隨著結溫升高，即結溫與冷卻溫度之間的溫差增大，循環(huán)次數(shù)會減少。

　　日立能源 RoadPak 的行為如下表所示：

　　除了開/關時間行為 (ton/toff) 之外，表中還顯示了前面提到的結和冷卻介質之間的溫差 (ΔTj) 以及達到的最大結溫度 (T j,max) 。為了獲得有意義的結果，必須使用多個樣本進行測試。在這種情況下，并行使用六個模塊。

　　了解測試結果

　　理解結果的意義非常重要。冷卻介質和結溫之間的差異越大，該值越小，從而縮短功率半導體成功完成指定周期所需的時間。這在硅半導體領域是眾所周知和理解的。對 ton/toff 的依賴性也很明顯——這些時間越短，可以切換的周期就越多。

　　對于專為私人使用而設計的電動汽車，需要 100,000-400,000 次 PCsec 循環(huán)。對于卡車、公共汽車和出租車，該值應超過 1,000,000 次循環(huán)。這些值是由于車輛的不同使用壽命而產(chǎn)生的。表格結果證實 RoadPak 滿足私人和公共/商業(yè)/工業(yè)用途的預期要求。

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