汽车中功率器件的测试挑战和解决方案

引言

汽车电气化程度逐年提高，所有迹象都表明，这一趋势未来还将加速。这种发展趋势的形成因素包括越来越多使用混合动力和纯电动汽车来满足“绿色能源”的目标，期望电子元件一般能够提供更高的可靠性，以及需要减少汽车召回（很大程度上是由于机械故障，而不是电气故障）。此外，全球化趋势导致汽车和汽车配件行业出现激烈的竞争，因为每个人都希望以更低的成本开发汽车功能，同时不会降低能效、安全性和可靠性。本技术概述简要探讨了汽车电子系统、其面临的挑战以及汽车电子工程师为应对此类挑战而需采用的工具。结尾部分介绍了是德科技为了应对此类挑战而推出的解决方案。下方展示了应用电气化的汽车功能。

动力传动系统控制/充电器

• 电动汽车 (EV)
• 混合动力电动汽车(HEV)
• 车载充电器
• 充电站

车体控制

• 电动门/窗
• 高亮度气体放电灯（HID）照明系统

安全控制

• 电动助力转向
• 制动系统

传感器

• 压力传感器
• 加速计
• 电流传感器
• 光传感器

汽车电气化面临的挑战

如今，很多汽车功能都是通过电子方式予以控制。图 2 显示了一些典型汽车电子应用的框图。

混合动力电动汽车（HEV）以及电动汽车（EV）技术可大幅提高汽车燃料效率（甚至能够完全摆脱对液体燃料的需求）。此类车辆电气化技术的核心是电气化动力传动系统，其中包含升压转换器和马达驱动逆变器。由于动力传动系统是所有 HEV/EV 系统的核心，因此它必须非常可靠。在动力传动系统所面临的挑战中，有一项为 EV 测试，要求能够经受高电压和电流（高达 650 V 和200 A），以及能够在严峻的温度（-40 至 40°C）和高湿度条件下正常运行。动力传动系统中使用的功率器件（比如绝缘闸双极晶体管（IGBT）或二极管）在运行过程中会消耗能量，最终的工作温度可能会超过 100°C。但是，即使在此类极端条件下，动力传动系统仍需实现可靠运行。

动力传动系统电路中使用的二极管和 IGBT 的效能，对实现高燃料效率起着关键性作用。使用低导电损耗和低开关损耗的器件，对实现这一目标至关重要。此外，通过提高转换器/逆变器的工作频率，可以让周围的电容器和传感器变得更小，进而降低车重并提高燃料效率。采用 SiC 和GaN 等新材料制造的元件，可以提供更高的工作频率和更加稳定的温度性能，因而成为未来汽车电力系统中倍受青睐的元件。

毋庸置疑，即使是不采用电气动力传动系统的车辆，同样配备有诸多重要的电气系统。车载充电器和充电系统中使用直流对直流转换器以及整流器，此类电路的要求类似于动力传动系统。显而易见，电动助力转向、制动以及照明系统均对汽车安全性起着关键性作用，其运行需尽可能可靠。因此，此类系统中使用的所有元件（金属氧化物半导体场效晶体管（MOSFET)、二极管、电容器、传感器等等）在各种条件下均必须保持稳定效能。汽车中使用的电传感器提供有关运动控制、工作效率以及安全性的重要信息，因此其性能和可靠性同样非常重要。为此，诸多汽车和汽车元件制造商正积极开发此类传感器的改进版本。

车辆电气化系统面临的关键挑战

• 在各种条件下均必须实现可靠运行
• 采用高工作电流和电压（例如 200 A、650 V）
• 必须在广泛的温度范围（例如 -40 至 +150°C）中正常运行
• 需要实现高转换效率
• 需要实现高工作频率，以便减小模块尺寸，降低车重
• 需要采用可靠的传感器，以提供关键安全性信息
• 必须采用 SiC/GaN 器件，以提高效率并扩大正常工作的温度范围

汽车电路面临的挑战设计人员面临的挑战是？

由于汽车行业的电气工程师需要开发高效、安全和可靠的电路，因此对最终电路的特性进行评测是至关重要的。为此必须对整个电路的效率进行评测，包括验证电路每个节点的电流和电压波形。为实现这一点，工程师必须详细了解电路中使用的功率器件、元件以及传感器。对于电路中使用的功率器件（比如 IGBT 和 MOSFET）而言尤其如此，原因在于其性能通常会决定整个电路的效率、安全性以及可靠性。可惜，器件制造商提供的技术资料通常不足以满足此类需求。

技术资料中的条件通常不同于实际使用条件，而且提供的信息通常拥有较大的裕量，未提供元件变体的相关信息。因此，仅仅使用器件和元件制造商提供的信息通常很难设计出可靠且高效的电路。以下章节更详细地描述了元件级测试所需的关键因素，并说明了是德科技为帮助汽车行业应对此类挑战而开发的 EV 测试和电力电路仿真器解决方案。

通过选择适合的器件实现更高的电路效率

要实现更高的电路性能和效率，需要更充分的数据，这超出了传统曲线追踪仪的能力。在开关频率使开关损耗增加，驱动损耗开始成为主要器件功耗的情况下，尤其如此。鉴于这一点，对器件电容、栅极电阻和栅极电荷进行表征，变得至关重要。但是，由于此类参数难以测量，因此许多汽车工程师并未尝试涉足这一领域。B1506A 不仅能够自动测量所有这些参数，而且能够使用提取的参数执行功耗计算，从而成功解决这一难题。

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