高性能、可扩展的电动汽车模块和其他碳化硅 (SIC) 半导体可显著提高电动汽车 (EV) 动力系统的效率。它们推动了电动汽车和电动巴士等电动汽车应用的发展

，随着各国政府和全球对可再生和可持续交通的倡议
，这些应用的需求比以往任何时候都要大。

　　无论是电动汽车还是内燃机汽车
，驾驶员都希望汽车能够在需要时运行，并能够行驶到目的地。这种期望已经积累了数十年，并且由于不断的进步和改进，内燃机汽车也实现了这一期望
。如今，内燃机汽车很少出现无法按预期运行的情况。

　　考虑到发动机正常运行所需的所有部件的复杂性和数量
，其结果是多年来工程设计工作的杰出成果。这通常基于对可能出现的错误的详细分析，许多此类故障场景在上市前都经过了详细测试;因此，发生故障的概率大大降低。

　　随着电动汽车的推出
，内燃机的组成部件已被电子部件取代。然而，对可靠性和可用性的要求保持不变
。因此，迫切需要解决可靠性、可用性和安全性问题，并提出适当的解决方案来保持这些领域的性能。

　　改用电动机是有益的，因为电力机车已被证明非常可靠。电力机车在其使用寿命内可以行驶数百万公里

，电动汽车有朝一日也可能实现类似的目标

。

　　虽然在电力驱动系统的其他应用(如电力机车)中获得的知识可能有用
，但应用却有所不同。例如
，机车表现出相对恒定的功率
，在停车后有一些峰值功率需求
，但总体而言，保持相对稳定的负载。电动汽车有许多停靠点(例如，在交通灯或十字路口)
，并且必须应对不同的速度限制，这意味着功率需求变化频繁停止。

　　应用上的差异反映在任务配置文件中
，表示车辆在特定用例中随时间所需的功率。配置文件会根据目标受众略作调整。它们还可以包括特定要求，例如带拖车的上坡启动或在赛道上进行测试的高速加速
。单个用例基于频率或里程，多个这样的任务配置文件会产生一个考虑多种用例的综合任务配置文件。实现这一目标的典型时间范围是八年和 400,000 公里
。

　　重要的半导体参数

　　从综合的任务概况中，可以推导出功率半导体的重要参数，例如最大结温或热循环次数。还可以根据任务概况设计功率半导体模块，并确定实现所需性能所需的 SiC 芯片数量。环境温度(例如冷却剂温度)也需要考虑。此外，循环对功率半导体模块的设计以及连接和键合技术的使用有深远的影响

。很快就会发现某些组件之间的传统焊接连接是否足够，或者是否需要其他连接技术，例如银烧结连接，这是一种不会熔化的更强的键合。

　　提供的两个图表分别表示发生概率(计数)
。图表中橙色越多，情况发生的可能性就越大。左侧绘制了与结温相关的热变化可能性
。高结温范围内的热变化更为关键，会影响组件寿命。右侧，利发国际可以看到热负荷循环对热变化的依赖性
。在这里
，具有大热负荷循环的许多循环是挑战
。与机车任务曲线的相同分析相比
，多样性是惊人的
。经常发生的情况分布在整个范围内，而不是集中在几个点上。

　　AQG 324 对任务概况进行了更具体的陈述
。它引入了分为两个不同时间范围的负载循环测试：开启时间小于 5 秒的 PCsec 和开启时间超过 15 秒的 PCmin。假设 15 秒后已经达到热稳定状态
，尤其是对于功率半导体
，因此较长的开启周期不会导致额外的加热
。该测试被定义为故障测试
，必须持续监测各种参数
。

　　AQC 324 要求热阻 (Rth) 的增幅应小于 20%

，而漏源电压 (VDS) 或反向源漏电压 (VSD) 的增幅应低于 5%
。特别是在 PCmin 测试中，热阻变化对 MOSFET 中源漏电压变化的依赖性(即使程度很小)也带来了挑战。例如
，Rth 的增幅小于 10% 可能导致 VSD 发生 5% 的变化
。这是由于导通电阻 (RDSon) 与温度之间存在密切的关系
。

　　在这些测试中，对于具有多个逻辑开关的模块(例如
，半桥模块或具有六个逻辑开关的模块)，重要的是所有逻辑开关都适当加载并纳入评估。

　　结温是一个重要参数，通常通过体二极管两端的压降间接测量

。当然，这个测量是在两个半桥(即所有逻辑开关)上进行的。

　　测试非常耗时，因为预计需要进行许多次(在 100,000 个范围内)循环
。对于具有 5 秒开启时间和 5 秒关闭时间的 PCsec
，这相当于 1,000,000 秒，相当于 12 天。对于 1,000,000 次循环，则需要 116 天
。还可以预期的是
，随着结温升高(即结温与冷却温度之间的温差增大)
，循环次数会减少。

　　日立能源的RoadPak的行为如下表所示：

　　除了开/关时间行为 (ton/toff) 之外
，表中还显示了前面提到的结点与冷却介质之间的温差 (ΔTj) 以及达到的最大结点温度 (T j,max)。为了获得有意义的结果，必须对多个样品进行测试。在这种情况下，并行使用六个模块。

　　了解测试结果

　　理解结果的意义非常重要。冷却介质和结温之间的差异越大，值越小，从而缩短功率半导体成功完成指定循环所需的时间。这在硅半导体领域是众所周知和理解的
。对 ton/toff 的依赖性也很明显——这些时间越短，可以切换的循环就越多。

　　对于设计用于私人用途的电动汽车，需要 100,000-400,000 次 PCsec 循环
。对于卡车、公共汽车和出租车，该值应超过 1,000,000 次循环。这些值是由车辆的不同使用寿命决定的
。表格结果证实
，RoadPak 满足私人和公共/商业/工业用途的预期要求。

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