环旭电子功率模组如何破解电动车损耗难题

作者：USI 环旭电子先进功率模组研发团队 / Albert Lin、Jack Chen、Bob Jan、Rick Lin

电动车的普及，正让「功率模组（Power Module）」这个零组件成为产业焦点。它是电动车动力系统「逆变器（Traction Inverter）」的核心，负责把电池的直流电（DC）转换成驱动马达的交流电（AC）。近年来，采用碳化硅（SiC）半导体的功率模组，因为切换速度更快、效率更高，被视为提升电动车续航与性能的关键，效率每提升一个百分点，都可能是一场胜负之争。然而，速度快是一把双面刃，SiC 对 PCB 布线（Layout）所产生的「寄生效应」极为敏感。一段看不见的寄生电感，就可能让原本该省下的能量，又默默变回热白白耗掉。

图一｜本案功率模组以 12 颗 SiC 元件构成，功率路径与控制回路在版图上彼此交织

功率模组 JDM 首例，遇上「翻倍」的开关损耗

在 USI 环旭电子第一个功率模组 JDM（共同设计制造）专案中，我们正面遇上了这个挑战。这是一个与客户共同开发、应用于高性能赛车的功率模组，采用了最新的 SiC 技术。值得一提的是，在传统 IGBT 中，开关损耗约占总损耗的 80%；换成 SiC 后，这个比例可降到约 50%，这正是业界积极导入 SiC 的主因。但前提是布线必须够「干净」，否则寄生效应会把 SiC 的优势一口吃掉。

果不其然，初步模拟显示：在纳入 PCB Layout 的影响后，高压侧（High-Side）的开关损耗竟比理想基准值高出近一倍，远超客户预期。若不解决，功率模组在高负载下会严重发热，垫高散热成本、降低可靠度，甚至牵动出货时程。客户的要求很明确：找出根本原因，并提出可量化的具体改善方案。

图二｜纳入 PCB Layout 后，高压侧导通损耗（Eon）暴增至基准值的 2.05 倍，远高于低压侧。

为什么传统模拟，找不到凶手？

问题是，传统设计流程主要依赖「数值模型化（Numerical Modeling）」。这类由模拟软体自动产生的模型虽然精准，却像一个「黑盒子」──它能告诉你结果不对劲，却无法对应到实际 PCB 上的哪一段铜箔、哪一条打线（Bonding Wire）才是问题来源。工程师看得到异常，却抓不到凶手，只能反复修改布线、重跑模拟，既耗时又难以收敛。这正是许多功率模组开发案最大的痛点：知道「病了」，却找不到「病灶」。

向射频工程借一招：把电路「画」回 PCB 上

为了突破瓶颈，我们导入了一套在「射频（RF）工程」领域行之有年、但在功率模组设计中相对少见的方法：「物理模型化（Physical Modeling）」。它的精神，是依照 PCB Layout 上实际的电流路径，把等效电路「画」回实体结构，让每一个电感、电阻都能对应到版图的具体位置。我们特别聚焦在「控制回路（Control Loop）」与「功率回路（Power Path）」相互重迭的「共用路径」，因为这正是共用路径寄生电感（Ls）最容易作怪的地方。由于切换暂态的能量集中在电流的剧烈变化，我们把分析重点放在串联寄生电感、而非并联电容，让模型既能抓住关键物理，又不至于过度复杂。为取得精确数值，我们以 ANSYS Q3D 萃取 PCB 的 S 参数模型，并以切换暂态约 10 MHz 的频率，逐段计算每条路径的寄生电阻与电感。

图三｜物理模型化将控制回路与功率路径的电流，逐段映射回实体 PCB 版图，标示出两者重迭的共用路径电感

真凶现形：高压侧共用电感是低压侧的 2.9 倍

真凶很快现形。当控制讯号让 SiC 导通、电流急速上升时，共用路径电感会产生一个感应电压（Ls × di/dt），把 SiC 的闸极电压（VGS）从理想的 14.5V 压抑到只剩约 5V。电压不足，SiC 就停留在高导通电阻的「半开」状态，切换时间被拉长，能量损耗自然飙升。透过物理模型化逐段比对，我们算出高压侧的共用路径电感高达 6.07 nH，是低压侧 2.07 nH 的 2.9 倍，这正好解释了为什么高压侧损耗特别严重，也精准对应到 PCB 上需要修正的实体位置。

图四｜物理等效模型量化出高压侧共用电感 6.07 nH、低压侧 2.07 nH，差距达 2.9 倍，且可回溯至版图实体位置

从「设计准则」到「凯文连接」的双重解方

找到凶手后，USI 提出双重解方。短期上，我们把物理模型算出的电感值回馈到模拟软体，为共用路径电感订出「设计上限」，形成可重复套用的设计准则（Design Rule），避免日后设计重蹈覆辙。长期上，我们则采用「凯文连接（Kelvin Connection）」设计，把控制回路与功率回路从晶片焊垫彻底分离，从根本消除共用路径。虽然得多打几条 Bonding Wire，却能显著降低开关损耗，同时抑制电压振铃（Ringing），避免过冲（Overshoot）超过规格而损坏元件。这个方案，最终被本案正式采用。

不只制造，更是共同设计伙伴

对 USI 环旭电子而言，这个专案的价值不只在于解决一个技术问题。我们建立了一套「可定位、可量化、可复制」的标准分析流程：在模拟阶段就能预先揪出布线缺陷，把过去需要多轮试错的迭代压缩成一次到位；更能为客户划出设计架构的「物理极限」，作为是否要做重大设计变更的决策依据。在电动车与 SiC 加速渗透的浪潮中，USI 环旭电子不只是制造伙伴，更以共同设计（JDM）的角色，协助客户在最前端的设计阶段，就把效率、可靠度与量产可行性一次到位，这正是我们在高阶功率模组供应链中持续深化的核心价值。

展望未来，SiC 在电动车、储能与工业电源的渗透率只会持续攀升，功率密度也愈推愈高，布线寄生效应的影响将更加放大。这意味着，把问题在设计最前端就拦截下来，会从「加分项」变成「必选项」。USI 环旭电子将持续把这套物理模型化方法，延伸到更多高阶功率模组与先进封装专案，并结合我们在系统级封装（SiP）与先进制造的长期累积，为客户提供从设计、模拟到量产的一条龙服务。对供应链伙伴与投资人而言，这代表的是一个能把前沿技术稳定转化为可量产产品的可靠合作对象。