电动汽车(EV)耐久性：设计和测试数百万次循环的SiC

高性能、可扩展的电动出行模块和其他碳化硅(SiC)半导体为电动汽车(EV)动力总成带来了显著的效率提升。在各国政府和全球对于可再生和可持续出行的倡议下，电动汽车等电动出行应用的需求比以往任何时候都要大。

 

无论是电力驱动还是燃油驱动，驾驶员都期望汽车能在他们需要的将他们安全带到目的地，内燃机汽车经过多年的不断的进步和改进而趋近完善，直到现在内燃机汽车几乎很少会出现问题。

 

 

随着电动汽车的引入，组成内燃机的组件被电子元件所取代。然而，对可靠性和可用性的要求仍然相同。因此，迫切需要解决可靠性、可用性和安全性问题，并提出在这些领域保持性能的适当解决方案。

 

转向电动机是有利的，因为电力机车已被证明非常可靠。电力机车在其生命周期内可以覆盖数百万公里，电动汽车有朝一日也可能实现类似的目标。

 

虽然在电力机车等电动驱动系统的其他应用中获得的知识可以有用，但应用是不同的。例如，机车展示了相对恒定的功率，有些则在停车后需要峰值功率，但总体上保持相对稳定的负载。电动汽车有很多停顿(例如在交通信号灯或路口)，并且必须应对不断变化的速度限制，这意味着功率需求频繁变化。

 

应用差异反映在任务配置文件中，代表了特定使用情况下车辆随时间的功率需求。根据目标受众稍作调整后，这些任务配置文件可以包括特定要求，例如拖车上坡启动或赛道高速加速。个别使用案例基于频率或里程，而多个此类任务配置文件的综合结果就是考虑了多种使用案例的综合任务配置文件，实现这一目标的典型时间框架是八年和40万公里。

 

虽然试图涵盖所有关键操作点，但设计师必须保持现实。过度加载要求将导致个别组件的过度设计，进而可能导致不可接受的成本。

 

重要的半导体参数

 

从综合任务配置文件中，可以推导出电力半导体的重要参数，例如最大结温或热循环次数。电力半导体模块也可以基于任务配置文件进行设计，并确定所需的SiC芯片数量以实现所需性能。环境温度(例如冷却液温度)也被考虑在内。

 

此外，循环对电力半导体模块的设计以及连接和粘接技术的使用有深远的影响。很快就会显而易见，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结合。

 

上面插图分别显示了发生概率(计数)。图中橙色越多，情况发生的可能性就越大。左侧，绘制了与结温有关的热变化的可能性。高结温范围内的热变化更加关键，影响组件的寿命。右侧，我们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一个挑战。与机车任务配置文件的相同分析相比，差异非常显著。频繁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对任务配置文件做出了更具体的说明。它引入了分为两个不同时间范围的负荷循环测试：PC秒，开关时间少于5秒;PC分，开关时间超过15秒。假设在15秒后，已达到热稳定状态，特别是对于电力半导体，因此更长的开关循环不会导致额外的加热。测试被定义为故障测试，必须连续监测各种参数。

 

AQC 324要求热阻(Rth)的增加应小于20%，而漏源电压(VDS)或反向源漏电压(VSD)的增加应低于5%。特别是在PC分测试中，热阻变化对源漏电压变化的依赖性，即使在小范围内，也构成了挑战。例如，Rth增加<10%可能导致VSD变化5%。这是由于导通态电阻(RDSon)与温度之间的强烈关系。

 

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)，所有逻辑开关都必须适当加载并包含在评估中。

 

结温是一个重要参数，通常通过主体二极管的压降间接测量。当然，这个测量是在两个半桥上进行的，即所有逻辑开关。

 

测试是耗时的，因为预计会有很多(在100,000范围内)循环。在PC秒情况下，开时间5秒，关时间5秒，这相当于1,000,000秒，即12天。对于1,000,000次循环，这将是116天。还可以预期，随着结温的增加，循环次数会减少，即结和冷却温度之间的温差越大。

 

日立能源的RoadPak行为可以在下表中看到：

 

除了开启/关闭时间行为(ton/toff)之外，表中还显示了之前提到的结和冷却介质之间的温差(ΔTj)和达到的最大结温(Tj,max)。为了获得有意义的结果，测试必须对多个样本进行。在这种情况下，六个模块并行使用。

 

理解测试结果

 

理解结果的意义非常重要。冷却介质与结温之间的差异越大，值越小，从而缩短电力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且理解的。对ton/toff的依赖性也很明显——这些时间越短，可以切换的循环越多。

 

对于设计用于私人使用的电动汽车，PC秒循环需要100,000-400,000。对于卡车、巴士和出租车，该值应超过1,000,000次循环。这些值是根据车辆的不同寿命得出的。表格结果确认RoadPak符合私人和公共/商业/工业用途的预期要求。