《電動汽車電力電子技術及市場-2023版》

據麥姆斯咨詢介紹，英國知名研究公司IDTechEx預測純電動汽車（BEV）市場未來十年的復合年增長率（CAGR）將達到15%，這將推動電動汽車電力電子產品需求的大幅增長。目前，全球各地的純電動汽車的加權平均電池容量都在增加，為電池供應鏈帶來了壓力和不確定性，從而使汽車的驅動循環(huán)效率必須成為動力系統(tǒng)設計的重中之重，這意味著高壓寬帶隙（WBG）電力電子產品的時代已經到來。

在本報告中，IDTechEx深入研究了電動汽車電力電子產品，剖析了不斷發(fā)展的半導體和封裝材料，包括硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）半導體、芯片貼裝材料、引線鍵合材料和熱管理材料等。IDTechEx按電壓和半導體類型提供了逆變器、車載充電器（OBC）以及DC-DC轉換器的詳細市場預測。

寬帶隙（WBG）半導體

20年來，Si IGBT一直在中高功率器件領域占據主導地位（包括電動汽車電力電子領域），但是正逐漸讓位于新一代WBG材料：SiC和GaN。這將從根本上影響新型功率器件的設計（包括封裝材料），更小、更高功率密度，并且能夠在更高溫度下工作的功率模塊應運而生。

SiC MOSFET的采用是中期展望的主旋律，將迅速增長并主導市場份額，IDTechEx在報告中給出了各類器件的應用時間表。雖然經過驗證的SiC MOSFET與理論SiC MOSFET之間的性能差距通常小于一個數量級，存在一定的改進空間，但是相比之下，GaN功率器件比其理論極限低了兩個數量級，反映了巨大的長期潛力。

由于技術還不成熟，GaN功率器件的商業(yè)化目前受到其低功率/電壓操作的限制，這方面的改進決定了其在電動汽車中的應用前景。如今，結體塊式（Bulk）GaN的成本令人望而卻步，但隨著第一批600V GaN逆變器開始出現，Gan-on-Si將率先被采用。

OBC和DC-DC轉換器的運行功率比逆變器低得多，但采用WBG半導體仍將受益。除了提高整體功率密度外，更高的效率還能夠通過OBC更快地對電池充電，并在低壓電池充電期間（通過轉換器）減少能量損失，增加電動汽車的續(xù)航里程。IDTechEx報告預測，由于功率和電壓要求較低，OBC和DC-DC轉換器轉向GaN的時間將略早于逆變器。

封裝材料和熱管理的發(fā)展趨勢

本報告對比分析了新一代緊湊高效的封裝結構，這些結構設計旨在更高的功率密度和工作溫度。其方案包括直接基板冷卻、帶狀鍵合、直接引線鍵合、銅帶鍵合、銀或銅燒結芯片貼裝、集成散熱片、避免使用熱界面材料（TIM）、油冷卻、雙面冷卻等。

芯片貼裝材料是一個明顯的痛點，具有較高的結溫和對鉛材料的禁令，導致市場轉向銀和銅燒結材料。銀燒結多年來一直處于驗證階段，IDTechEx認為這是一項非常有前途的技術，現在時機已到。事實上，如今迅速采用的納米銀燒結已經有七年多的開發(fā)歷史。銅燒結材料仍在很大程度上處于預商業(yè)化階段，但在提供更好通用性的同時，具有提高銀燒結性能的潛力。本報告重點介紹并對比分析了燒結材料，提供了對新興供應鏈的洞察。

另一個關鍵領域是引線鍵合材料。第一代電力電子器件封裝采用鋁線鍵合，無需太大的力或時間即可輕松應用于芯片。然而，鋁的表面積覆蓋率較差（<20%），導熱率低于銅。這導致市場出現不同類型的銅線鍵合，這帶來了新的制造挑戰(zhàn)，要求更高的鍵合功率，而WBG材料會導致芯片厚度縮小，變得更脆弱。本報告提供了電動汽車應用中各種銅線鍵合類型的案例研究。

在熱管理方面，許多逆變器供應商現在已經消除了散熱器和基板之間的熱界面材料以提高熱阻，但這并不意味著電力電子產品中沒有熱界面材料機遇。許多組件仍然需要熱界面材料，通常它們仍被用于將模塊散熱器連接到水乙二醇冷板。本報告對這些趨勢以及應用背后的驅動因素進行了分析。

逆變器IGBT或SiC MOSFET模塊主要使用水乙二醇冷卻。單面和雙面冷卻均有使用，它們各有優(yōu)勢。此外，使用油來冷卻電力電子器件也有所增加，以消除電驅動單元中的大部分水乙二醇成分，還將同樣的油應用于電機和逆變器。雖然目前市場尚未采用這種方案，但IDTechEx認為這種方案很有前景，并對采用空氣、水或油冷卻的電動汽車逆變器提供了10年期展望。