近年来,电动汽车行业发展迅猛。自2009年我国推出新能源汽车的相关政策和战略布局以来,该行业逐渐深入发展。到了2019至2020年间,尤其是在2021年,行业经历了爆发式的增长。截至2023年,中国新能源汽车的产销量分别达到了958.7万辆和949.5万辆,同比增长率分别为35.8%和37.9%,市场渗透率达到31.6%,在全球新能源汽车销量中占据了超过六成的份额。
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图 2017-2025中国(左)/全球(右)新能源汽车销量 来源:中信证券
新能源汽车的核心动力来自电驱动系统,这一系统包括电机(Electrical Machine)、逆变器(Inverter)、DC-DC转换器(DCDC)和车载充电器(OBC)等关键组件。其中逆变器在电动汽车的电气架构中占据重要地位,且成本较高,主要负责将电池储存的直流电(DC)转换为电机所需的交流电(AC),并控制电机的运作,将这些能量转化为车轮的动力。因此,逆变器是与DCDC和OBC同样承担着能量转换和管理的关键角色。而在逆变器中,功率半导体是其核心部件。
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在电动汽车中,逆变器通常采用三相设计,需要六个开关管来操作。这些开关管主要使用IGBT和MOSFET。在IGBT模块中,常见的内部拓扑结构是三个半桥或集成为一个全桥。通过精确控制这些半桥的开关状态,可以调整电流在电机中的流向,进而驱动电机。
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图 逆变器工作模式(左)三相逆变电路(右) 来源:TheEngineeringMindset
逆变器在实际应用中需要不断切换相位,因此,有效控制和减少损耗,提高IGBT和MOSFET的性能对提升逆变器性能至关重要。在这方面,更耐高温高压的SiC MOS以其卓越性能正逐渐取代Si MOS。
在车用功率模块的封装技术方面,IGBT和SiC模块目前主要采用标准化的壳体封装,便于电控系统的装配。同时,塑料封装作为SiC模块的新趋势,通过定制化封装可更充分地利用芯片性能,同时降低杂散电感和热阻,提高整体可靠性。
摄于翠展微展台
国内的比亚迪汉车型是首个采用SiC模块的车型,使用自研自产单面散热(Single-sided cooling, SSC)壳封 SiC 功率模块;特斯拉作为全球最早使用SiC模块的车企,Model 3/Y采用是意法半导体定制的TPAK(Tesla Pack)单面塑封 SiC模块;日本丰田Camry则采用双面散热(Double-sided cooling, DSC)封装技术,研制了高功率密度的 SiC 车用电机控制器。目前在国内市场,TPAK封装的应用逐渐增多,意味着SiC模块技术正向更广泛的应用领域拓展。
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图 车用SiC模块应用电机控制器实例 来源:车用SiC功率模块-原位表征、系统集成与寿命评估-曾正
总体来看,SiC模块的封装技术正在从中低端市场的低成本解决方案,向高端市场的高度定制化方向发展。在不同价格区间的汽车中,可以预见到模块应用的多样化,从单管模块到HP Drive封装,再到高端车型的定制化封装,各自体现出不同的技术特色和市场定位。
参考资料:
1.意法半导体、The Engineering Mindset等公开资料
2.中信证券《新能源汽车电驱动系统专题报告:技术迭代推动降本增效》
3.曾正《车用SiC功率模块-原位表征、系统集成与寿命评估》
4.王民《电动汽车主驱功率模块的开发和应用》
原文始发于微信公众号(艾邦半导体网):电动汽车行业发展及主驱动模块封装概述