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[分享] SiC功率半导体可靠性测试

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发表于 2024-5-21 18:09:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
SiC功率半导体可靠性测试还存在一定的挑战,需要逐步完善。一是老化测试方法有着明显的缺陷。除了在筛选时长以及成本上损耗过高,还可能出现由于长时间施加高温高压导致的阈值电压和导通电阻漂移现象。二是动态性能检测标准不完善。除了对静态电学参数的评估外,SiC器件长期稳定工作和极端条件下的可靠性也是器件应用过程中尤为重要的问题。目前业界并没有一套广泛公认的 SiC MOSFET 器件可靠性测试的方法,基于硅基器件的可靠性标准并不适用于 SiC MOSFET。


三是没有统一的车规级SiC功率半导体测试标准。AEC-Q101是汽车准入的非常基本的入门,并不是最高标准,而仅依靠AQG-324与AEC-Q101容易出现 SiC 模块和器件测不准、测不全、不可靠的情况。四是成本高、流程长。以功率循环为例,AQG-324标准要求器件厂商自己建立循环测试寿命模型,并通过第三方实验室的检验。这种寿命模型有3个可变参数,导致一台功率循环设备完成寿命模型需要2年多时间,6台以上设备可将时间缩短至4个月左右。


工业电机也是能耗大户,包括工业低压驱动器、伺服驱动器以及热泵和空调,合计占全球每年总电力消耗的 45% 以上。目前,这些电机的驱动器主要基于硅(IGBT 和二极管),具有显着的实际效益。但欧洲、北美和中国已经制定严苛的能效标准,以降低电机能耗。根据欧洲能效法规,自 2023年7月1日起,规定的电机额定值将强制满足IE4能效等级。2.2 kW 四极电机从IE2过渡到IE3,损耗减少15.2%,从IE3过渡到IE4损耗减少21%,总效率提高到89.5%。这种转变需要重新设计系统,从硅基器件转向SiC可以使这一过程变得更容易,因此未来工业电机领域的SiC需求增速将高于其他领域。


除了工业电机外,家用空调也是降低碳排放的关键。国际能源署2021报告显示,家用电器是居民能源消耗的第二大来源,占住宅总能耗的20%以上,且该比例预计未来仍将呈增长态势。尤其是空调制冷,据彭博新能源研究显示,2018年全球住宅和商业空调用电量达1932万亿瓦时,中国则占34%。如果能效平均提升2%,则可节省400亿千瓦时电量,几乎接近半个三峡大坝的年发电量。为此,各国政府也在修订新的能效法规,以推动这一领域开发绿色节能的产品,服务“双碳”目标。


传统飞机行业也在大力探索电动化“脱碳”,而VTOL 等新型飞机行业正在蓬勃发展,但飞机行业迈向电动化的挑战较大,主要面临几个主要挑战:飞机重量、航程和充电速度,因此需要一系列颠覆性解决方案,因为未来的电动飞机(混合动力和全电动)需要兆瓦级的功率才能运行,这势必要求电力电子在集成、性能、效率以及组件尺寸和重量方面做成巨大改进。


然而,硅基IGBT已经不适用,一是其开关频率通常限制在20kHz以下;二是电动飞机直接将带有功率转换器的电启动器/发电机(ESG)安装在燃气涡轮发动机的轴上,而硅基功率器件的最高结温通常低于150℃,难以承受高于 200℃的高环境温度。相比传统的硅基逆变器,800VSiC逆变器可以打造更快、更高效和更轻的动力传动系统,从而提供更快的充电、更快的速度和更长的续航里程。电动飞机的电源转换器需要高功率密度,以减小滤波器尺寸,减少整体转换器的重量,提高能效。

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