環旭電子 | 電動車心臟，藏著看不見的對手：如何以「物理模型化」破解損耗難題？

06/17/2026

電動車心臟，藏著看不見的對手：如何以「物理模型化」破解損耗難題？

作者：USI 環旭電子先進功率模組研發團隊 / Albert Lin、Jack Chen、Bob Jan、Rick Lin

電動車的普及，正讓「功率模組（Power Module）」這個零組件成為產業焦點。它是電動車動力系統「逆變器（Traction Inverter）」的核心，負責把電池的直流電（DC）轉換成驅動馬達的交流電（AC）。近年來，採用碳化矽（SiC）半導體的功率模組，因為切換速度更快、效率更高，被視為提升電動車續航與性能的關鍵，效率每提升一個百分點，都可能是一場勝負之爭。然而，速度快是一把雙面刃，SiC 對 PCB 佈線（Layout）所產生的「寄生效應」極為敏感。一段看不見的寄生電感，就可能讓原本該省下的能量，又默默變回熱白白耗掉。

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圖一｜本案功率模組以 12 顆 SiC 元件構成，功率路徑與控制迴路在版圖上彼此交織。

功率模組 JDM 首例，遇上「翻倍」的開關損耗

在 USI 環旭電子第一個功率模組 JDM（共同設計製造）專案中，我們正面遇上了這個挑戰。這是一個與客戶共同開發、應用於高性能賽車的功率模組，採用了最新的 SiC 技術。值得一提的是，在傳統 IGBT 中，開關損耗約佔總損耗的 80%；換成 SiC 後，這個比例可降到約 50%，這正是業界積極導入 SiC 的主因。但前提是佈線必須夠「乾淨」，否則寄生效應會把 SiC 的優勢一口吃掉。

果不其然，初步模擬顯示：在納入 PCB Layout 的影響後，高壓側（High-Side）的開關損耗竟比理想基準值高出近一倍，遠超客戶預期。若不解決，功率模組在高負載下會嚴重發熱，墊高散熱成本、降低可靠度，甚至牽動出貨時程。客戶的要求很明確：找出根本原因，並提出可量化的具體改善方案。

圖二｜納入 PCB Layout 後，高壓側導通損耗（Eon）暴增至基準值的 2.05 倍，遠高於低壓側。

為什麼傳統模擬，找不到兇手？

問題是，傳統設計流程主要依賴「數值模型化（Numerical Modeling）」。這類由模擬軟體自動產生的模型雖然精準，卻像一個「黑盒子」，它能告訴你結果不對勁，卻無法對應到實際 PCB 上的哪一段銅箔、哪一條打線（Bonding Wire）才是問題來源。工程師看得到異常，卻抓不到兇手，只能反覆修改佈線、重跑模擬，既耗時又難以收斂。這正是許多功率模組開發案最大的痛點：知道「病了」，卻找不到「病灶」。

向射頻工程借一招：把電路「畫」回 PCB 上

為了突破瓶頸，我們導入了一套在「射頻（RF）工程」領域行之有年、但在功率模組設計中相對少見的方法：「物理模型化（Physical Modeling）」。它的精神，是依照 PCB Layout 上實際的電流路徑，把等效電路「畫」回實體結構，讓每一個電感、電阻都能對應到版圖的具體位置。我們特別聚焦在「控制迴路（Control Loop）」與「功率迴路（Power Path）」相互重疊的「共用路徑」，因為這正是共用路徑寄生電感（Ls）最容易作怪的地方。由於切換暫態的能量集中在電流的劇烈變化，我們把分析重點放在串聯寄生電感、而非並聯電容，讓模型既能抓住關鍵物理，又不至於過度複雜。為取得精確數值，我們以 ANSYS Q3D 萃取 PCB 的 S 參數模型，並依切換暫態約 10 MHz 的頻率，逐段計算每條路徑的寄生電阻與電感。

圖三｜物理模型化將控制迴路與功率路徑的電流，逐段映射回實體 PCB 版圖，標示出兩者重疊的共用路徑電感。

真兇現形：高壓側共用電感是低壓側的 2.9 倍

真兇很快現形。當控制訊號讓 SiC 導通、電流急速上升時，共用路徑電感會產生一個感應電壓（Ls × di/dt），把 SiC 的閘極電壓（VGS）從理想的 14.5V 壓抑到只剩約 5V。電壓不足，SiC 就停留在高導通電阻的「半開」狀態，切換時間被拉長，能量損耗自然飆升。透過物理模型化逐段比對，我們算出高壓側的共用路徑電感高達 6.07 nH，是低壓側 2.07 nH 的 2.9 倍，這正好解釋了為什麼高壓側損耗特別嚴重，也精準對應到 PCB 上需要修正的實體位置。

圖四｜物理等效模型量化出高壓側共用電感 6.07 nH、低壓側 2.07 nH，差距達 2.9 倍，且可回溯至版圖實體位置。

從「設計準則」到「凱文連接」的雙重解方

找到兇手後，USI 提出雙重解方。短期上，我們把物理模型算出的電感值回饋到模擬軟體，為共用路徑電感訂出「設計上限」，形成可重複套用的設計準則（Design Rule），避免日後設計重蹈覆轍。長期上，我們則採用「凱文連接（Kelvin Connection）」設計，把控制迴路與功率迴路從晶片焊墊徹底分離，從根本消除共用路徑。雖然得多打幾條 Bonding Wire，卻能顯著降低開關損耗，同時抑制電壓振鈴（Ringing），避免過衝（Overshoot）超過規格而損壞元件。這個方案，最終被本案正式採用。

不只製造，更是共同設計夥伴

對 USI 環旭電子而言，這個專案的價值不只在於解決一個技術問題。我們建立了一套「可定位、可量化、可複製」的標準分析流程：在模擬階段就能預先揪出佈線缺陷，把過去需要多輪試錯的迭代壓縮成一次到位；更能為客戶劃出設計架構的「物理極限」，作為是否要做重大設計變更的決策依據。在電動車與 SiC 加速滲透的浪潮中，USI 環旭電子不只是製造夥伴，更以共同設計（JDM）的角色，協助客戶在最前端的設計階段，就把效率、可靠度與量產可行性一次到位，這正是我們在高階功率模組供應鏈中持續深化的核心價值。

展望未來，SiC 在電動車、儲能與工業電源的滲透率只會持續攀升，功率密度也愈推愈高，佈線寄生效應的影響將更加放大。這意味著，把問題在設計最前端就攔截下來，會從「加分項」變成「必選項」。USI 環旭電子將持續把這套物理模型化方法，延伸到更多高階功率模組與先進封裝專案，並結合我們在系統級封裝（SiP）與先進製造的長期累積，為客戶提供從設計、模擬到量產的一條龍服務。對供應鏈夥伴與投資人而言，這代表的是一個能把前沿技術穩定轉化為可量產產品的可靠合作對象。

常見問題 Q&A

Q1. 什麼是功率模組（Power Module）？它在電動車中扮演什麼角色？
功率模組是整合多顆功率半導體（如 MOSFET、IGBT、SiC）的電子模組，是電動車逆變器（Traction Inverter）的核心，負責把電池的直流電轉換成驅動馬達的交流電。它的效率直接影響電動車的續航與性能表現。

Q2. 為什麼 SiC 功率模組更容易受到 PCB Layout 影響？
SiC 的切換速度比傳統 IGBT 快很多，電流變化率（di/dt）更高，因此對 PCB 佈線產生的寄生電感更敏感。一段微小的共用路徑電感，就可能造成額外的感應電壓，抑制閘極電壓並推高開關損耗，甚至引發電壓振鈴。

Q3. 什麼是「物理模型化（Physical Modeling）」？它和傳統數值模擬有何不同？
物理模型化是依 PCB 實際電流路徑建立等效電路，讓每個寄生電感、電阻都能對應到版圖的具體位置。相較於數值模擬只能呈現「結果」卻難以定位問題，物理模型化能直接指出「哪一段路徑」是問題來源。這套方法源自射頻（RF）工程的分析思維。

Q4. 這個專案最關鍵的發現是什麼？
USI 透過物理模型化發現，高壓側的共用路徑電感達 6.07 nH，是低壓側 2.07 nH 的 2.9 倍，正是導致高壓側開關損耗近乎翻倍的根本原因，並能精準對應到 PCB 版圖上的實體位置。

Q5. 什麼是凱文連接（Kelvin Connection）？為什麼能改善開關損耗？
凱文連接是把控制迴路與功率迴路從晶片焊墊分離的設計，徹底消除兩者的共用路徑與寄生電感（Ls）。雖然需要增加打線（Bonding Wire），但能顯著降低開關損耗，並抑制電壓振鈴與過衝，提升模組可靠度。

Q6. USI 環旭電子在這個案子中扮演什麼角色？
這是 USI 首個功率模組 JDM（共同設計製造）專案。USI 不只負責製造，更以共同設計夥伴的角色，在最前端的設計階段協助客戶定位問題、建立設計準則，並提出凱文連接等解決方案，與客戶共同達成性能目標。

Q7. 物理模型化方法為客戶帶來哪些實際效益？
它能在模擬階段就預先發現佈線缺陷，把多輪試錯壓縮為一次到位，縮短開發時程；同時建立可重複使用的設計準則，避免未來設計重複犯錯，並為設計架構劃出物理極限，作為是否進行重大設計變更的決策依據。