高性能、可扩展的电动汽车模块和其他碳化硅 (SIC) 半导体可显着提高电动汽车 (EV) 动力系统的效率。它们推动电动汽车和电动巴士等电动交通应用的发展，随着政府和全球针对可再生和可持续交通的倡议的实施，对这些应用的需求比以往任何时候都更大。

　　无论是电动还是燃油动力，驾驶员都希望车辆能够在他们想要的时候运行并能够行驶到目的地。这种期望已经建立了几十年，并且由于不断的进步和改进而在内燃机车辆中实现了。如今，内燃机汽车很少出现无法按预期工作的情况。

　　当考虑到必须完美运行以使发动机按预期运行的组件的复杂性和数量时，结果是多年来出色的工程工作的令人印象深刻的证据。这通常基于对可能错误的详细分析，并且许多此类故障场景在市场推出之前都经过了详细测试;因此，它们发生的概率大大降低。

　　随着电动汽车的引入，构成内燃机的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，并提供适当的解决方案来维持这些领域的性能。

　　改用电动机是有益的，因为事实证明电力机车极其可靠。一台电力机车在其使用寿命内可以行驶数百万公里，而电动汽车有一天也可能实现类似的目标。

　　尽管在电力传动系统的其他应用(例如电力机车)中获得的知识可能有用，但应用是不同的。例如，机车在停止后表现出相对恒定的功率和一些峰值功率要求，但总的来说，保持相对稳定的负载。电动汽车有很多停靠站(例如，在红绿灯或十字路口)，并且必须应对不同的速度限制，这意味着电力需求变化会频繁停车。

　　应用的差异反映在任务配置文件中，代表车辆在特定用例中随时间推移所需的功率。根据目标受众，配置文件会略有调整。它们还可以包括特定要求，例如使用拖车上坡起步或在赛道上进行测试的高速加速。各个用例基于频率或里程，并且多个此类任务配置文件会产生考虑多个用例的综合任务配置文件。例如，实现这一目标的典型时间范围是八年 400,000 公里。

　　尽管试图涵盖所有关键操作点，但设计人员必须保持现实。超载的要求将导致单个组件尺寸过大，进而导致不可接受的成本。

　　重要的半导体参数

　　从综合的任务概况中，可以推断出功率半导体的重要参数，例如最大结温或热循环次数。功率半导体模块还可以根据任务概况进行设计，并确定实现所需性能所需的 SiC 芯片数量。还考虑环境温度(例如冷却剂温度)。此外，周期深刻影响功率半导体模块的设计以及连接和键合技术的使用。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(一种不熔化的更强的粘合)，很快就会变得显而易见。

　　提供的两个插图分别表示发生的概率(计数)。图中可见的橙色越多，这种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的可能性。高结温范围内的热变化更为关键，会影响元件的使用寿命。在右侧，我们看到热负荷循环对热变化的依赖性。在这里，具有大热负载循环的许多循环是挑战。与机车任务概况的相同分析相比，多样性是惊人的。频繁发生的案例分布在整个范围内，而不是集中在几个点上。

　　AQG 324 对任务概况做出了更具体的声明。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和开启时间大于15秒的PCmin。假设 15 秒后已达到热稳定状态，特别是对于功率半导体而言，因此较长的接通周期不会导致额外的加热。该测试被定义为失效测试，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 PCmin 测试中，热阻变化(即使是很小的程度)对 MOSFET 源极-漏极电压变化的依赖性提出了挑战。例如，Rth 增加 <10% 可能会导致 VSD 变化 5%。这是由于导通电阻 (RDSon) 和温度之间存在密切关系。

　　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)来说，重要的是所有逻辑开关都被适当加载并包括在评估中。

　　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，该测量是在两个半桥(即所有逻辑开关)上执行的。

　　测试非常耗时，因为预计会进行多次(在 100,000 次范围内)循环。如果 PCsec 的开启时间为 5 秒，关闭时间为 5 秒，则相当于 1,000,000 秒，相当于 12 天。对于 1,000,000 个周期，则需要 116 天。还可以预期，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 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和冷却介质之间的温差 (ΔTj) 以及达到的最大结温度 (T j,max) 。为了获得有意义的结果，必须使用多个样本进行测试。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，该值越小，从而缩短功率半导体成功完成指定周期所需的时间。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，可以切换的周期就越多。

　　对于专为私人使用而设计的电动汽车，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。这些值是由于车辆的不同使用寿命而产生的。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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