投身車電領(lǐng)域的入門課：IGBT和SiC功率模塊

2020 年初，疫情期間的封鎖政策并未對電動汽車行業(yè)造成太大影響。2021 年，由于疫情期間人們對電動汽車的需求上升，再加上全球各國政府紛紛采取激勵措施，電動汽車充電站的需求量開始增加。在過去的三年里，電動車領(lǐng)導(dǎo)品牌的銷量紛紛呈現(xiàn)巨幅成長的趨勢。
低成本、低排放汽車的不斷發(fā)展，將推動整個亞太地區(qū)的電動汽車市場實現(xiàn)穩(wěn)步擴(kuò)張。同時，不斷加碼的政府激勵措施和持續(xù)擴(kuò)張的高性能車市場也推動著北美和歐洲地區(qū)電動汽車市場的快速增長。因此，根據(jù)MarketsandMarkets 市調(diào)數(shù)據(jù)估計，全球電動汽車市場規(guī)模將從 2022 年的 815.1 萬輛增加到 2030 年的 3920.8 萬輛，預(yù)計年復(fù)合增長率為 21.7%。
為確保電動汽車擁有出色的性能，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇合理的控制模塊?？刂颇K很大程度上決定著電動汽車或混合動力汽車的運(yùn)行性能。毋庸置疑，目前全球最廣為應(yīng)用的功率模塊，當(dāng)屬 IGBT和SiC。SiC模塊最初是被應(yīng)用在特斯拉汽車上，現(xiàn)在也被其他制造商用于功率逆變器。

何謂 IGBT 模塊？
絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是一種三端功率半導(dǎo)體器件，當(dāng)IGBT的柵極（Gate）被施加電壓，它會在集電極和發(fā)射極之間創(chuàng)建一條電流通道。由于IGBT可以在處理較高的電流和電壓的情況下，不會導(dǎo)致過熱或損壞器件，因此常被使用于電子開關(guān)。


 
圖一 : 透過自動化導(dǎo)入車電相關(guān)模塊生產(chǎn)線，可滿足客戶更多樣的模塊需求。（source：環(huán)旭電子）

憑借出色的開關(guān)特性、耐高溫性、輕量化和極具成本效益等特色，IGBT模塊已經(jīng)成為各個產(chǎn)業(yè)的熱門選擇，包括汽車、工業(yè)和可再生能源。IGBT 電源模塊在車輛中主要作為電氣開關(guān)使用。轉(zhuǎn)換開關(guān)可以將直流電（DC）可以轉(zhuǎn)換成交流電（AC），反之亦然。如電動汽車和混合動力汽車，可用車載逆變器系統(tǒng)來控制電動馬達(dá)，因此逐漸成為電動汽車等大功率應(yīng)用的首選技術(shù)，其優(yōu)勢在于以下幾個方面。
改善開關(guān)速度：IGBT 模塊具有快速的開關(guān)速度，能夠在開與關(guān)之間靈活切換，減少能量損失、提高效率，并降低熱能產(chǎn)生。
 散熱穩(wěn)定：IGBT 模塊可允許的作業(yè)溫度范圍特別廣泛，使之在惡劣環(huán)境下仍然可以正常運(yùn)行不受損。也因此，這讓它成為汽車動力系統(tǒng)的理想選擇。
重量輕巧和成本可控：IGBT 模塊小而輕巧，組件密度極高的電動車尤其需要。IGBT 模塊可簡化車載逆變器系統(tǒng)組裝，改善動力系統(tǒng)的總成本。

為何SiC 模塊受到市場高度關(guān)注？
碳化硅（SiC）將硅（Si）和碳（C）結(jié)合在一起，形成獨(dú)特的電學(xué)特性，能提供更高的絕緣耐壓、導(dǎo)熱能力、及降低切換損失，絕佳的特性，適合于各種高壓大電力的運(yùn)用。硅的制造成本很低，制造技術(shù)也廣為人知。與傳統(tǒng)硅器件相較之下，碳化硅無論是從技術(shù)上還是實踐上，都同樣可用于生產(chǎn)功率半導(dǎo)體組件。與硅相比，碳化硅是一種更有效的電導(dǎo)體。SiC 電源模塊可以提高電流和電壓的轉(zhuǎn)換效率。市場上越來越多制造商發(fā)現(xiàn) 600-1,700V的SiC功率器件可以快速有效地取代傳統(tǒng)的硅（Si）功率器件。
憑借更加優(yōu)越的轉(zhuǎn)換效率，碳化硅功率半導(dǎo)體不僅有助于節(jié)省成本，而且能夠提高電動汽車充電器、太陽能轉(zhuǎn)換器、電動汽車和動力電子設(shè)備等多種應(yīng)用的系統(tǒng)性能。因此，預(yù)計碳化硅功率半導(dǎo)體的需求量將大幅增加。

電動車性能中的關(guān)鍵要角
對于由電池驅(qū)動的電動汽車（BEV）而言，能源轉(zhuǎn)換效率還有相當(dāng)大的改進(jìn)空間。盡管如此，該如何在動力系統(tǒng)中使用新型開關(guān)設(shè)備來提高電動汽車的性能，仍然是個難題。
Mordor Intelligence的數(shù)據(jù)顯示，2020 年IGBT的市值為60.47億美元，預(yù)計到 2026 年將達(dá)到110.1億美元。IGBT市值快速增加的另一個原因是電動汽車和混合動力汽車（EV/HEV）動力系統(tǒng)的電氣化發(fā)展。IGBT可以顯著降低傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗，從而直接影響車輛的整體效率。電動汽車在歐洲、北美和中國的熱銷為IGBT應(yīng)用在基礎(chǔ)設(shè)施和電動汽車制造領(lǐng)域打下了堅實基礎(chǔ)。這些銷售佳績有助于進(jìn)一步鞏固 IGBT 的市場地位。

隨著寬帶隙（WBG）材料在電動汽車及其他功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中的應(yīng)用越來越廣泛，最新一代的SiC模塊為電動汽車的發(fā)展創(chuàng)造了更有利的條件。在高溫和重復(fù)應(yīng)力環(huán)境下，它可能是最適合電動汽車的功率模塊，不僅能夠提高效率，加快開關(guān)速度，還可以節(jié)省成本、縮小尺寸，以及大幅降低能源消耗。相較于IGBT，SiC模塊的差異在于：
˙ 滿負(fù)載時損耗降低 70%，低負(fù)載時損耗更低，因此在相同的負(fù)載范圍內(nèi)可以使用更小的電池。
˙ 在負(fù)載損耗降低的同時，冷卻系統(tǒng)縮小了 40%，降低了滿負(fù)載時的損耗，使冷卻系統(tǒng)更加小巧。
˙ 整體負(fù)載范圍內(nèi)的可靠性得到明顯的提升。


 
圖二 : 環(huán)旭電子IGBT模塊已投入量產(chǎn)，預(yù)計在2023年正式生產(chǎn)SiC模塊。（source：環(huán)旭電子）

蓄勢待發(fā)
環(huán)旭電子推動自動化生產(chǎn)，不斷改進(jìn)與電動汽車相關(guān)的動力總成制造和測試技術(shù)。近年來開始全球布局，為歐洲、美國、日本等國家和地區(qū)的主要國際功率半導(dǎo)體供貨商提供功率模塊的組裝和測試服務(wù)。
為此，環(huán)旭電子已經(jīng)在 2022 年將電動汽車逆變器所使用的 IGBT 模塊投入量產(chǎn)，并預(yù)計在今（2023）年正式生產(chǎn) SiC模塊。在未來 5 年內(nèi)，電動汽車市場將繼續(xù)增長，為汽車車用電子業(yè)務(wù)帶來新的增長。