從零了解汽車(chē)電控IGBT模塊

當前的新能源車(chē)的模塊系統由很多部分組成，如電池、VCU、BSM、電機等，但是這些都是發(fā)展比較成熟的產(chǎn)品，國內外的模塊廠(chǎng)商已經(jīng)開(kāi)發(fā)了很多，但是有一個(gè)模塊需要引起行業(yè)內的重視，那就是電機驅動(dòng)部分，則是電機驅動(dòng)部分最核心的元件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管芯片）。

想要從零了解汽車(chē)電控IGBT模塊看這一篇就夠了！

根據乘聯(lián)會(huì )數據，2022年6月新能源車(chē)國內零售滲透率27.4%，并且2022年6月29日歐盟對外宣布，歐盟27個(gè)成員國已經(jīng)初步達成一致，歐洲將于2035年禁售燃油車(chē)。市場(chǎng)越來(lái)越景氣，同時(shí)國內近期新發(fā)布的新能源車(chē)型也百花齊放。不論是普通消費者、新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)相關(guān)從業(yè)者，還是一二級市場(chǎng)投資人，也逐漸深入關(guān)注研究新能源車(chē)的一些核心部件，尤其是功率器件IGBT模塊。

電驅系統和IGBT模塊的作用

要弄明白IGBT模塊，就要先了解新能源汽車(chē)的電驅系統，先用一句話(huà)概括電驅系統如何工作：在駕駛新能源汽車(chē)時(shí)，電機控制器把動(dòng)力電池放出的直流電（DC）變?yōu)榻涣麟姡ˋC）（這個(gè)過(guò)程即逆變），讓驅動(dòng)電機工作，電機將電能轉換成機械能，再通過(guò)傳動(dòng)系統（主要是減速器）讓汽車(chē)的輪子跑起來(lái)。反過(guò)來(lái)，把車(chē)輪的機械能轉換存儲到電池的過(guò)程就是動(dòng)能回收。

1、什么是“三電系統”和“電驅系統”？

三電系統，即動(dòng)力電池（簡(jiǎn)稱(chēng)電池）、驅動(dòng)電機（簡(jiǎn)稱(chēng)電機）、電機控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)電控），也被人們成為三大件，加起來(lái)約占新能源車(chē)總成本的70%以上，是決定整車(chē)運動(dòng)性能核心的組件。

電驅系統，我們一般簡(jiǎn)單把電機、電控、減速器，合稱(chēng)為電驅系統。

但嚴格定義上講，根據進(jìn)精電動(dòng)招股說(shuō)明書(shū)，電驅動(dòng)系統包括三大總成：驅動(dòng)電機總成（將動(dòng)力電池的電能轉化為旋轉的機械能，是輸出動(dòng)力的來(lái)源）、控制器總成（基于功率半導體的硬件及軟件設計，對驅動(dòng)電機的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并持續豐富其他控制功能）、傳動(dòng)總成（通過(guò)齒輪組降低輸出轉速提高輸出扭矩，以保證電驅動(dòng)系統持續運行在高效區間）。

電驅系統示意圖（來(lái)源：進(jìn)精電動(dòng)招股說(shuō)明書(shū)）

2、什么是“多合一電驅系統”？

一開(kāi)始電機、電控、減速器都是各自獨立的零部件，但隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，我們把這三個(gè)部分集合在一起做成一個(gè)部件，就變成了“三合一電驅”。集成的目的主要是節省空間、降低重量、提升性能、降低成本。

目前市場(chǎng)上集成度較高的有比亞迪旗下弗迪動(dòng)力的“八合一電動(dòng)力總成”，這套八合一電驅系統集成了驅動(dòng)電機、電機控制器、減速器、車(chē)載充電器、直流變換器、配電箱、整車(chē)控制器、電池管理器。

圖片來(lái)源：弗迪動(dòng)力

當然，也并不是說(shuō)集成度越高就越好，需要解決的有散熱結構設計、系統穩定性、生產(chǎn)工藝成熟度等問(wèn)題，對消費者來(lái)說(shuō)，后期維修成本也是一大問(wèn)題。所以具體怎樣選用多合一電驅系統還需要綜合。

3、IGBT模塊究竟如何工作？

在電控模塊中，IGBT模塊是逆變器的最核心部件，總結其工作原理：通過(guò)非通即斷的半導體特性，不考慮過(guò)渡過(guò)程和寄生效應，我們將單個(gè)IGBT芯片看做一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)。我們在模塊內部搭建起若干個(gè)IGBT芯片單元的并串聯(lián)結構，當直流電通過(guò)模塊時(shí)，通過(guò)不同開(kāi)關(guān)組合的快速開(kāi)斷，來(lái)改變電流的流出方向和頻率，從而輸出得到我們想要的交流電。

IGBT模塊結構和汽車(chē)IGBT模塊應用

上面提到了IGBT模塊在電驅系統中的作用，下面我們展開(kāi)來(lái)具體看看IGBT模塊的結構。

4、IGBT模塊實(shí)物長(cháng)啥樣？

IGBT模塊的標準封裝形式是一個(gè)扁平的類(lèi)長(cháng)方體，下圖為HP1模塊的正上方視角，最外面白色的都是塑料外殼，底部是導熱散熱的金屬底板（一般是銅材料）。

可以看到模塊外面還有非常多的端子和引腳，各自有自己的作用：1是DC正，2是DC負；3、4、5是三相交流電的U、V、W接口；6、25、22是集電極的信號端子，7、9、11、13、15、17是門(mén)極信號端子；8、10、12、14、16、18是發(fā)射極信號端子；19是DC負極信號端子；23、24是NTC熱敏電阻端子。

圖：HP1模塊等效電路圖

5、IGBT的基礎拓撲結構是怎樣的？

IGBT模塊基礎電路拓撲結構（來(lái)源：翠展微）

如上圖所示，在IGBT模塊/單管中，一般統稱(chēng)一單元是IGBT單管，二單元是單個(gè)橋臂（半橋），四單元是H橋（單相橋），六單元是三相橋（全橋），七單元一般是六單元+一個(gè)制動(dòng)單元，八單元一般是六單元+制動(dòng)單元+預充電單元。

一個(gè)單元由1對、2對或3對FRD+IGBT組成。其中1對，可以是1個(gè)FRD+1個(gè)IGBT，也可以是1個(gè)FRD+2個(gè)IGBT等。具體實(shí)物可參照下圖，這是一個(gè)6單元的IGBT模塊。

英飛凌Primepack IGBT模塊（來(lái)源：耿博士電力電子技術(shù)）

6、IGBT模塊的生產(chǎn)流程？

IGBT 標準封裝結構橫切面（來(lái)源：翠展微）

如上圖所示，可以看到IGBT模塊橫切面的界面，目前殼封工藝的模塊基本結構都相差不大。IGBT模塊封裝的流程大致如下：貼片→真空回流焊接→超聲波清洗→X-ray缺陷檢測→引線(xiàn)鍵合→靜態(tài)測試→二次焊接→殼體灌膠與固化→端子成形→功能測試（動(dòng)態(tài)測試、絕緣測試、反偏測試）。

· 貼片，首先將IGBT wafer上的每一個(gè)die貼片到DBC上。DBC是覆銅陶瓷基板，中間是陶瓷，雙面覆銅，DBC類(lèi)似PCB起到導電和電氣隔離等作用，常用的陶瓷絕緣材料為氧化鋁（Al2O3）和氮化鋁（AlN）；

· 真空焊接，貼片后通過(guò)真空焊接將die與DBC固定，一般焊料是錫片或錫膏；

· X-ray空洞檢測，需要檢測在敢接過(guò)程中出現的氣泡情況，即空洞，空洞的存在將會(huì )嚴重影響器件的熱阻和散熱效率，以致出現過(guò)溫、燒壞、爆炸等問(wèn)題。一般汽車(chē)IGBT模塊要求空洞率低于1%；

· 接下來(lái)是wire bonding工藝，用金屬線(xiàn)將die和DBC鍵合，使用最多的是鋁線(xiàn)，其他常用的包括銅線(xiàn)、銅帶、鋁帶；

· 中間會(huì )有一系列的外觀(guān)檢測、靜態(tài)測試，過(guò)程中有問(wèn)題的模塊直接報廢；

· 重復以上工序將DBC焊接和鍵合到銅底板上，然后是灌膠、封殼、激光打碼等工序；

· 出廠(chǎng)前會(huì )做最后的功能測試，包括電氣性能的動(dòng)態(tài)測試、絕緣測試、反偏測試等等。

7、常見(jiàn)的汽車(chē)IGBT模塊封裝類(lèi)型有哪些？

· Econodual 系列半橋封裝，應用在商用車(chē)上為主，主要規格為1200V/450A，1200V/600A等；

· HP1全橋封裝，主要用在中小功率車(chē)型上，包括部分A級車(chē)、絕大部分的A0、A00車(chē)，峰值功率一般在70kW以?xún)?，型號?50V400A為主，其他規格如750V300A、750V400A、750V550A等；

· HPD全橋封裝，中大功率型車(chē)上使用，大部分A級車(chē)及以上，以750V820A的規格占據市場(chǎng)主流，其他規格如750V550A等；

· DC6全橋封裝，基于UVW三相全橋的整體式封裝方案，具備封裝緊湊，功率密度高，散熱性能好等特點(diǎn)；

· TO247單管并聯(lián)，市場(chǎng)上也有少量使用TO247單管封裝的電控系統方案。使用單管并聯(lián)方案的優(yōu)勢主要有兩點(diǎn)：①單管方案可以實(shí)現靈活的線(xiàn)路設計，需要多大的電流就用相應的單管并聯(lián)就好了，所以成本也有一定優(yōu)勢；②寄生電感問(wèn)題比IGBT模塊好解決。但是使用單管并聯(lián)也存在一些待解決的難點(diǎn)：①每個(gè)并聯(lián)單管之間均流和平衡比較困難，一致性比較難得到保障，例如實(shí)現同時(shí)的開(kāi)斷，相同的電流、溫度等；②客戶(hù)的系統設計、工藝難度非常大；③接口比較多，對產(chǎn)線(xiàn)的要求很高。

8、汽車(chē)IGBT模塊要做哪些測試驗證？

汽車(chē)IGBT模塊對產(chǎn)品性能和質(zhì)量的要求要明顯高于消費和工控領(lǐng)域，因此車(chē)規認證成為了汽車(chē)IGBT模塊市場(chǎng)的最重要壁壘，一般來(lái)說(shuō)，車(chē)規級IGBT需要2年左右的車(chē)型導入周期。

汽車(chē)IGBT模塊測試標準主要參照AEC-Q101和AQG-324，同時(shí)車(chē)企會(huì )根據自己的車(chē)型特點(diǎn)提出相應的要求，主要測試方法包括：參數測試、ESD測試、絕緣耐壓、機械振動(dòng)、機械沖擊、高溫老化、低溫老化、溫度循環(huán)、溫度沖擊、UHAST（高溫高濕無(wú)偏壓）、HTRB（高溫反偏）、HTGB（高溫刪偏）、H3TRB/HAST（高溫高濕反偏）、功率循環(huán)、可焊性。

其中功率循環(huán)和溫度循環(huán)作為代表的耐久測試，要求極為嚴格，例如功率循環(huán)次數可能從幾萬(wàn)次到十萬(wàn)次不等。主要目的是測試鍵合線(xiàn)、焊接層等機械連接層的耐久情況。測試時(shí)的失效機理主要是，芯片、鍵合線(xiàn)、DBC、焊料等的熱膨脹系數不一致，導致鍵合線(xiàn)脫落、斷裂，芯片焊層分離，以及焊料老化等。

中國汽車(chē)IGBT市場(chǎng)情況

隨著(zhù)國內新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈上游大有逐步完成國產(chǎn)替代，甚至引領(lǐng)世界的趨勢，諸如整車(chē)品牌、動(dòng)力電池、電池材料等等已經(jīng)走得比較靠前。而汽車(chē)電控IGBT模塊是新能源汽車(chē)最核心的功率器件，之前一直被諸如英飛凌、安森美、賽米控、三菱電機等國外供應商壟斷，但隨著(zhù)比亞迪半導體、斯達半導、中車(chē)時(shí)代、士蘭微、翠展微等國內供應商的崛起，目前在一定程度上已經(jīng)能夠滿(mǎn)足國產(chǎn)需求，相信在不久的將來(lái)，國內汽車(chē)半導體企業(yè)會(huì )更大更強！