《电动汽车电力电子技术及市场-2023版》

 

据麦姆斯咨询介绍，英国知名研究公司IDTechEx预测纯电动汽车（BEV）市场未来十年的复合年增长率（CAGR）将达到15%，这将推动电动汽车电力电子产品需求的大幅增长。目前，全球各地的纯电动汽车的加权平均电池容量都在增加，为电池供应链带来了压力和不确定性，从而使汽车的驱动循环效率必须成为动力系统设计的重中之重，这意味着高压宽带隙（WBG）电力电子产品的时代已经到来。

在本报告中，IDTechEx深入研究了电动汽车电力电子产品，剖析了不断发展的半导体和封装材料，包括硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）半导体、芯片贴装材料、引线键合材料和热管理材料等。IDTechEx按电压和半导体类型提供了逆变器、车载充电器（OBC）以及DC-DC转换器的详细市场预测。

宽带隙（WBG）半导体

20年来，Si IGBT一直在中高功率器件领域占据主导地位（包括电动汽车电力电子领域），但是正逐渐让位于新一代WBG材料：SiC和GaN。这将从根本上影响新型功率器件的设计（包括封装材料），更小、更高功率密度，并且能够在更高温度下工作的功率模块应运而生。

SiC MOSFET的采用是中期展望的主旋律，将迅速增长并主导市场份额，IDTechEx在报告中给出了各类器件的应用时间表。虽然经过验证的SiC MOSFET与理论SiC MOSFET之间的性能差距通常小于一个数量级，存在一定的改进空间，但是相比之下，GaN功率器件比其理论极限低了两个数量级，反映了巨大的长期潜力。

由于技术还不成熟，GaN功率器件的商业化目前受到其低功率/电压操作的限制，这方面的改进决定了其在电动汽车中的应用前景。如今，结体块式（Bulk）GaN的成本令人望而却步，但随着第一批600V GaN逆变器开始出现，Gan-on-Si将率先被采用。

OBC和DC-DC转换器的运行功率比逆变器低得多，但采用WBG半导体仍将受益。除了提高整体功率密度外，更高的效率还能够通过OBC更快地对电池充电，并在低压电池充电期间（通过转换器）减少能量损失，增加电动汽车的续航里程。IDTechEx报告预测，由于功率和电压要求较低，OBC和DC-DC转换器转向GaN的时间将略早于逆变器。

封装材料和热管理的发展趋势

本报告对比分析了新一代紧凑高效的封装结构，这些结构设计旨在更高的功率密度和工作温度。其方案包括直接基板冷却、带状键合、直接引线键合、铜带键合、银或铜烧结芯片贴装、集成散热片、避免使用热界面材料（TIM）、油冷却、双面冷却等。

芯片贴装材料是一个明显的痛点，具有较高的结温和对铅材料的禁令，导致市场转向银和铜烧结材料。银烧结多年来一直处于验证阶段，IDTechEx认为这是一项非常有前途的技术，现在时机已到。事实上，如今迅速采用的纳米银烧结已经有七年多的开发历史。铜烧结材料仍在很大程度上处于预商业化阶段，但在提供更好通用性的同时，具有提高银烧结性能的潜力。本报告重点介绍并对比分析了烧结材料，提供了对新兴供应链的洞察。

另一个关键领域是引线键合材料。第一代电力电子器件封装采用铝线键合，无需太大的力或时间即可轻松应用于芯片。然而，铝的表面积覆盖率较差（<20%），导热率低于铜。这导致市场出现不同类型的铜线键合，这带来了新的制造挑战，要求更高的键合功率，而WBG材料会导致芯片厚度缩小，变得更脆弱。本报告提供了电动汽车应用中各种铜线键合类型的案例研究。

在热管理方面，许多逆变器供应商现在已经消除了散热器和基板之间的热界面材料以提高热阻，但这并不意味着电力电子产品中没有热界面材料机遇。许多组件仍然需要热界面材料，通常它们仍被用于将模块散热器连接到水乙二醇冷板。本报告对这些趋势以及应用背后的驱动因素进行了分析。

逆变器IGBT或SiC MOSFET模块主要使用水乙二醇冷却。单面和双面冷却均有使用，它们各有优势。此外，使用油来冷却电力电子器件也有所增加，以消除电驱动单元中的大部分水乙二醇成分，还将同样的油应用于电机和逆变器。虽然目前市场尚未采用这种方案，但IDTechEx认为这种方案很有前景，并对采用空气、水或油冷却的电动汽车逆变器提供了10年期展望。

 

审核编辑 ：李倩