電動(dòng)汽車(chē)(EV)耐久性：設(shè)計(jì)和測(cè)試數(shù)百萬(wàn)次循環(huán)的SiC

高性能、可擴(kuò)展的電動(dòng)出行模塊和其他碳化硅(SiC)半導(dǎo)體為電動(dòng)汽車(chē)(EV)動(dòng)力總成帶來(lái)了顯著的效率提升。在各國(guó)政府和全球?qū)τ诳稍偕涂沙掷m(xù)出行的倡議下，電動(dòng)汽車(chē)等電動(dòng)出行應(yīng)用的需求比以往任何時(shí)候都要大。

無(wú)論是電力驅(qū)動(dòng)還是燃油驅(qū)動(dòng)，駕駛員都期望汽車(chē)能在他們需要的將他們安全帶到目的地，內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)經(jīng)過(guò)多年的不斷的進(jìn)步和改進(jìn)而趨近完善，直到現(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)幾乎很少會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

隨著電動(dòng)汽車(chē)的引入，組成內(nèi)燃機(jī)的組件被電子元件所取代。然而，對(duì)可靠性和可用性的要求仍然相同。因此，迫切需要解決可靠性、可用性和安全性問(wèn)題，并提出在這些領(lǐng)域保持性能的適當(dāng)解決方案。

轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)是有利的，因?yàn)殡娏C(jī)車(chē)已被證明非常可靠。電力機(jī)車(chē)在其生命周期內(nèi)可以覆蓋數(shù)百萬(wàn)公里，電動(dòng)汽車(chē)有朝一日也可能實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的目標(biāo)。

雖然在電力機(jī)車(chē)等電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的其他應(yīng)用中獲得的知識(shí)可以有用，但應(yīng)用是不同的。例如，機(jī)車(chē)展示了相對(duì)恒定的功率，有些則在停車(chē)后需要峰值功率，但總體上保持相對(duì)穩(wěn)定的負(fù)載。電動(dòng)汽車(chē)有很多停頓(例如在交通信號(hào)燈或路口)，并且必須應(yīng)對(duì)不斷變化的速度限制，這意味著功率需求頻繁變化。

應(yīng)用差異反映在任務(wù)配置文件中，代表了特定使用情況下車(chē)輛隨時(shí)間的功率需求。根據(jù)目標(biāo)受眾稍作調(diào)整后，這些任務(wù)配置文件可以包括特定要求，例如拖車(chē)上坡啟動(dòng)或賽道高速加速。個(gè)別使用案例基于頻率或里程，而多個(gè)此類(lèi)任務(wù)配置文件的綜合結(jié)果就是考慮了多種使用案例的綜合任務(wù)配置文件，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的典型時(shí)間框架是八年和40萬(wàn)公里。

雖然試圖涵蓋所有關(guān)鍵操作點(diǎn)，但設(shè)計(jì)師必須保持現(xiàn)實(shí)。過(guò)度加載要求將導(dǎo)致個(gè)別組件的過(guò)度設(shè)計(jì)，進(jìn)而可能導(dǎo)致不可接受的成本。

重要的半導(dǎo)體參數(shù)

從綜合任務(wù)配置文件中，可以推導(dǎo)出電力半導(dǎo)體的重要參數(shù)，例如最大結(jié)溫或熱循環(huán)次數(shù)。電力半導(dǎo)體模塊也可以基于任務(wù)配置文件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并確定所需的SiC芯片數(shù)量以實(shí)現(xiàn)所需性能。環(huán)境溫度(例如冷卻液溫度)也被考慮在內(nèi)。

此外，循環(huán)對(duì)電力半導(dǎo)體模塊的設(shè)計(jì)以及連接和粘接技術(shù)的使用有深遠(yuǎn)的影響。很快就會(huì)顯而易見(jiàn)，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(shù)，例如銀燒結(jié)連接，這是一種不會(huì)熔化的更強(qiáng)的結(jié)合。

上面插圖分別顯示了發(fā)生概率(計(jì)數(shù))。圖中橙色越多，情況發(fā)生的可能性就越大。左側(cè)，繪制了與結(jié)溫有關(guān)的熱變化的可能性。高結(jié)溫范圍內(nèi)的熱變化更加關(guān)鍵，影響組件的壽命。右側(cè)，我們看到熱負(fù)荷循環(huán)對(duì)熱變化的依賴(lài)性。在這里，具有大熱負(fù)荷循環(huán)的許多循環(huán)是一個(gè)挑戰(zhàn)。與機(jī)車(chē)任務(wù)配置文件的相同分析相比，差異非常顯著。頻繁發(fā)生的情況分布在整個(gè)范圍內(nèi)，而不是集中在幾個(gè)點(diǎn)上。

AQG 324對(duì)任務(wù)配置文件做出了更具體的說(shuō)明。它引入了分為兩個(gè)不同時(shí)間范圍的負(fù)荷循環(huán)測(cè)試：PC秒，開(kāi)關(guān)時(shí)間少于5秒;PC分，開(kāi)關(guān)時(shí)間超過(guò)15秒。假設(shè)在15秒后，已達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，特別是對(duì)于電力半導(dǎo)體，因此更長(zhǎng)的開(kāi)關(guān)循環(huán)不會(huì)導(dǎo)致額外的加熱。測(cè)試被定義為故障測(cè)試，必須連續(xù)監(jiān)測(cè)各種參數(shù)。

AQC 324要求熱阻(Rth)的增加應(yīng)小于20%，而漏源電壓(VDS)或反向源漏電壓(VSD)的增加應(yīng)低于5%。特別是在PC分測(cè)試中，熱阻變化對(duì)源漏電壓變化的依賴(lài)性，即使在小范圍內(nèi)，也構(gòu)成了挑戰(zhàn)。例如，Rth增加<10%可能導(dǎo)致VSD變化5%。這是由于導(dǎo)通態(tài)電阻(RDSon)與溫度之間的強(qiáng)烈關(guān)系。

在這些測(cè)試中，對(duì)于具有多個(gè)邏輯開(kāi)關(guān)的模塊(例如半橋模塊或具有六個(gè)邏輯開(kāi)關(guān)的模塊)，所有邏輯開(kāi)關(guān)都必須適當(dāng)加載并包含在評(píng)估中。

結(jié)溫是一個(gè)重要參數(shù)，通常通過(guò)主體二極管的壓降間接測(cè)量。當(dāng)然，這個(gè)測(cè)量是在兩個(gè)半橋上進(jìn)行的，即所有邏輯開(kāi)關(guān)。

測(cè)試是耗時(shí)的，因?yàn)轭A(yù)計(jì)會(huì)有很多(在100,000范圍內(nèi))循環(huán)。在PC秒情況下，開(kāi)時(shí)間5秒，關(guān)時(shí)間5秒，這相當(dāng)于1,000,000秒，即12天。對(duì)于1,000,000次循環(huán)，這將是116天。還可以預(yù)期，隨著結(jié)溫的增加，循環(huán)次數(shù)會(huì)減少，即結(jié)和冷卻溫度之間的溫差越大。

日立能源的RoadPak行為可以在下表中看到：

除了開(kāi)啟/關(guān)閉時(shí)間行為(ton/toff)之外，表中還顯示了之前提到的結(jié)和冷卻介質(zhì)之間的溫差(ΔTj)和達(dá)到的最大結(jié)溫(Tj,max)。為了獲得有意義的結(jié)果，測(cè)試必須對(duì)多個(gè)樣本進(jìn)行。在這種情況下，六個(gè)模塊并行使用。

理解測(cè)試結(jié)果

理解結(jié)果的意義非常重要。冷卻介質(zhì)與結(jié)溫之間的差異越大，值越小，從而縮短電力半導(dǎo)體成功完成指定循環(huán)所需的時(shí)間。這在硅半導(dǎo)體領(lǐng)域是眾所周知且理解的。對(duì)ton/toff的依賴(lài)性也很明顯——這些時(shí)間越短，可以切換的循環(huán)越多。

對(duì)于設(shè)計(jì)用于私人使用的電動(dòng)汽車(chē)，PC秒循環(huán)需要100,000-400,000。對(duì)于卡車(chē)、巴士和出租車(chē)，該值應(yīng)超過(guò)1,000,000次循環(huán)。這些值是根據(jù)車(chē)輛的不同壽命得出的。表格結(jié)果確認(rèn)RoadPak符合私人和公共/商業(yè)/工業(yè)用途的預(yù)期要求。