投身车电领域的入门课：IGBT和SiC功率模块

2020 年初，疫情期间的封锁政策并未对电动汽车行业造成太大影响。2021 年，由于疫情期间人们对电动汽车的需求上升，再加上全球各国政府纷纷采取激励措施，电动汽车充电站的需求量开始增加。在过去的三年里，电动车领导品牌的销量纷纷呈现巨幅成长的趋势。
低成本、低排放汽车的不断发展，将推动整个亚太地区的电动汽车市场实现稳步扩张。同时，不断加码的政府激励措施和持续扩张的高性能车市场也推动着北美和欧洲地区电动汽车市场的快速增长。因此，根据MarketsandMarkets 市调数据估计，全球电动汽车市场规模将从 2022 年的 815.1 万辆增加到 2030 年的 3920.8 万辆，预计年复合增长率为 21.7%。
为确保电动汽车拥有出色的性能，应谨慎选择合理的控制模块。控制模块很大程度上决定着电动汽车或混合动力汽车的运行性能。毋庸置疑，目前全球最广为应用的功率模块，当属 IGBT和SiC。SiC模块最初是被应用在特斯拉汽车上，现在也被其他制造商用于功率逆变器。

何谓 IGBT 模块？
绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种三端功率半导体器件，当IGBT的栅极（Gate）被施加电压，它会在集电极和发射极之间创建一条电流通道。由于IGBT可以在处理较高的电流和电压的情况下，不会导致过热或损坏器件，因此常被使用于电子开关。


 
图一 : 透过自动化导入车电相关模块生产线，可满足客户更多样的模块需求。（source：环旭电子）

凭借出色的开关特性、耐高温性、轻量化和极具成本效益等特色，IGBT模块已经成为各个产业的热门选择，包括汽车、工业和可再生能源。IGBT 电源模块在车辆中主要作为电气开关使用。转换开关可以将直流电（DC）可以转换成交流电（AC），反之亦然。如电动汽车和混合动力汽车，可用车载逆变器系统来控制电动马达，因此逐渐成为电动汽车等大功率应用的首选技术，其优势在于以下几个方面。
改善开关速度：IGBT 模块具有快速的开关速度，能够在开与关之间灵活切换，减少能量损失、提高效率，并降低热能产生。
 散热稳定：IGBT 模块可允许的作业温度范围特别广泛，使之在恶劣环境下仍然可以正常运行不受损。也因此，这让它成为汽车动力系统的理想选择。
重量轻巧和成本可控：IGBT 模块小而轻巧，组件密度极高的电动车尤其需要。IGBT 模块可简化车载逆变器系统组装，改善动力系统的总成本。

为何SiC 模块受到市场高度关注？
碳化硅（SiC）将硅（Si）和碳（C）结合在一起，形成独特的电学特性，能提供更高的绝缘耐压、导热能力、及降低切换损失，绝佳的特性，适合于各种高压大电力的运用。硅的制造成本很低，制造技术也广为人知。与传统硅器件相较之下，碳化硅无论是从技术上还是实践上，都同样可用于生产功率半导体组件。与硅相比，碳化硅是一种更有效的电导体。SiC 电源模块可以提高电流和电压的转换效率。市场上越来越多制造商发现 600-1,700V的SiC功率器件可以快速有效地取代传统的硅（Si）功率器件。
凭借更加优越的转换效率，碳化硅功率半导体不仅有助于节省成本，而且能够提高电动汽车充电器、太阳能转换器、电动汽车和动力电子设备等多种应用的系统性能。因此，预计碳化硅功率半导体的需求量将大幅增加。

电动车性能中的关键要角
对于由电池驱动的电动汽车（BEV）而言，能源转换效率还有相当大的改进空间。尽管如此，该如何在动力系统中使用新型开关设备来提高电动汽车的性能，仍然是个难题。
Mordor Intelligence的数据显示，2020 年IGBT的市值为60.47亿美元，预计到 2026 年将达到110.1亿美元。IGBT市值快速增加的另一个原因是电动汽车和混合动力汽车（EV/HEV）动力系统的电气化发展。IGBT可以显著降低传导损耗和开关损耗，从而直接影响车辆的整体效率。电动汽车在欧洲、北美和中国的热销为IGBT应用在基础设施和电动汽车制造领域打下了坚实基础。这些销售佳绩有助于进一步巩固 IGBT 的市场地位。

随着宽带隙（WBG）材料在电动汽车及其他功率转换设备中的应用越来越广泛，最新一代的SiC模块为电动汽车的发展创造了更有利的条件。在高温和重复应力环境下，它可能是最适合电动汽车的功率模块，不仅能够提高效率，加快开关速度，还可以节省成本、缩小尺寸，以及大幅降低能源消耗。相较于IGBT，SiC模块的差异在于：
˙ 满负载时损耗降低 70%，低负载时损耗更低，因此在相同的负载范围内可以使用更小的电池。
˙ 在负载损耗降低的同时，冷却系统缩小了 40%，降低了满负载时的损耗，使冷却系统更加小巧。
˙ 整体负载范围内的可靠性得到明显的提升。


 
图二 : 环旭电子IGBT模块已投入量产，预计在2023年正式生产SiC模块。（source：环旭电子）

蓄势待发
环旭电子推动自动化生产，不断改进与电动汽车相关的动力总成制造和测试技术。近年来开始全球布局，为欧洲、美国、日本等国家和地区的主要国际功率半导体供货商提供功率模块的组装和测试服务。
为此，环旭电子已经在 2022 年将电动汽车逆变器所使用的 IGBT 模块投入量产，并预计在今（2023）年正式生产 SiC模块。在未来 5 年内，电动汽车市场将继续增长，为汽车车用电子业务带来新的增长。