投身車(chē)電領(lǐng)域的入門(mén)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(dòng)汽車(chē)行業(yè)造成太大影響。2021 年，由于疫情期間人們對電動(dòng)汽車(chē)的需求上升，再加上全球各國政府紛紛采取激勵措施，電動(dòng)汽車(chē)充電站的需求量開(kāi)始增加。在過(guò)去的三年里，電動(dòng)車(chē)領(lǐng)導品牌的銷(xiāo)量紛紛呈現巨幅成長(cháng)的趨勢。
低成本、低排放汽車(chē)的不斷發(fā)展，將推動(dòng)整個(gè)亞太地區的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)實(shí)現穩步擴張。同時(shí)，不斷加碼的政府激勵措施和持續擴張的高性能車(chē)市場(chǎng)也推動(dòng)著(zhù)北美和歐洲地區電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的快速增長(cháng)。因此，根據MarketsandMarkets 市調數據估計，全球電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)規模將從 2022 年的 815.1 萬(wàn)輛增加到 2030 年的 3920.8 萬(wàn)輛，預計年復合增長(cháng)率為 21.7%。
為確保電動(dòng)汽車(chē)擁有出色的性能，應謹慎選擇合理的控制模塊?？刂颇K很大程度上決定著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)或混合動(dòng)力汽車(chē)的運行性能。毋庸置疑，目前全球最廣為應用的功率模塊，當屬 IGBT和SiC。SiC模塊最初是被應用在特斯拉汽車(chē)上，現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體器件，當IGBT的柵極（Gate）被施加電壓，它會(huì )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(huì )導致過(guò)熱或損壞器件，因此常被使用于電子開(kāi)關(guān)。


 
圖一 : 透過(guò)自動(dòng)化導入車(chē)電相關(guān)模塊生產(chǎn)線(xiàn)，可滿(mǎn)足客戶(hù)更多樣的模塊需求。（source：環(huán)旭電子）

憑借出色的開(kāi)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(gè)產(chǎn)業(yè)的熱門(mén)選擇，包括汽車(chē)、工業(yè)和可再生能源。IGBT 電源模塊在車(chē)輛中主要作為電氣開(kāi)關(guān)使用。轉換開(kāi)關(guān)可以將直流電（DC）可以轉換成交流電（AC），反之亦然。如電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)，可用車(chē)載逆變器系統來(lái)控制電動(dòng)馬達，因此逐漸成為電動(dòng)汽車(chē)等大功率應用的首選技術(shù)，其優(yōu)勢在于以下幾個(gè)方面。
改善開(kāi)關(guān)速度：IGBT 模塊具有快速的開(kāi)關(guān)速度，能夠在開(kāi)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行不受損。也因此，這讓它成為汽車(chē)動(dòng)力系統的理想選擇。
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(dòng)車(chē)尤其需要。IGBT 模塊可簡(jiǎn)化車(chē)載逆變器系統組裝，改善動(dòng)力系統的總成本。

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

電動(dòng)車(chē)性能中的關(guān)鍵要角
對于由電池驅動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)（BEV）而言，能源轉換效率還有相當大的改進(jìn)空間。盡管如此，該如何在動(dòng)力系統中使用新型開(kāi)關(guān)設備來(lái)提高電動(dòng)汽車(chē)的性能，仍然是個(gè)難題。
Mordor Intelligence的數據顯示，2020 年IGBT的市值為60.47億美元，預計到 2026 年將達到110.1億美元。IGBT市值快速增加的另一個(gè)原因是電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)（EV/HEV）動(dòng)力系統的電氣化發(fā)展。IGBT可以顯著(zhù)降低傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗，從而直接影響車(chē)輛的整體效率。電動(dòng)汽車(chē)在歐洲、北美和中國的熱銷(xiāo)為IGBT應用在基礎設施和電動(dòng)汽車(chē)制造領(lǐng)域打下了堅實(shí)基礎。這些銷(xiāo)售佳績(jì)有助于進(jìn)一步鞏固 IGBT 的市場(chǎng)地位。

隨著(zhù)寬帶隙（WBG）材料在電動(dòng)汽車(chē)及其他功率轉換設備中的應用越來(lái)越廣泛，最新一代的SiC模塊為電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展創(chuàng )造了更有利的條件。在高溫和重復應力環(huán)境下，它可能是最適合電動(dòng)汽車(chē)的功率模塊，不僅能夠提高效率，加快開(kāi)關(guān)速度，還可以節省成本、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(mǎn)負載時(shí)損耗降低 70%，低負載時(shí)損耗更低，因此在相同的負載范圍內可以使用更小的電池。
˙ 在負載損耗降低的同時(shí)，冷卻系統縮小了 40%，降低了滿(mǎn)負載時(shí)的損耗，使冷卻系統更加小巧。
˙ 整體負載范圍內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(dòng)自動(dòng)化生產(chǎn)，不斷改進(jìn)與電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)的動(dòng)力總成制造和測試技術(shù)。近年來(lái)開(kāi)始全球布局，為歐洲、美國、日本等國家和地區的主要國際功率半導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(dòng)汽車(chē)逆變器所使用的 IGBT 模塊投入量產(chǎn)，并預計在今（2023）年正式生產(chǎn) SiC模塊。在未來(lái) 5 年內，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)將繼續增長(cháng)，為汽車(chē)車(chē)用電子業(yè)務(wù)帶來(lái)新的增長(cháng)。