從零了解汽車電控IGBT模塊

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

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

電驅系統(tǒng)和IGBT模塊的作用

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

1、什么是“三電系統(tǒng)”和“電驅系統(tǒng)”？

三電系統(tǒng)，即動力電池（簡稱電池）、驅動電機（簡稱電機）、電機控制器（簡稱電控），也被人們成為三大件，加起來約占新能源車總成本的70%以上，是決定整車運動性能核心的組件。

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

但嚴格定義上講，根據進精電動招股說明書，電驅動系統(tǒng)包括三大總成：驅動電機總成（將動力電池的電能轉化為旋轉的機械能，是輸出動力的來源）、控制器總成（基于功率半導體的硬件及軟件設計，對驅動電機的工作狀態(tài)進行實時控制，并持續(xù)豐富其他控制功能）、傳動總成（通過齒輪組降低輸出轉速提高輸出扭矩，以保證電驅動系統(tǒng)持續(xù)運行在高效區(qū)間）。

電驅系統(tǒng)示意圖（來源：進精電動招股說明書）

2、什么是“多合一電驅系統(tǒng)”？

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

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

圖片來源：弗迪動力

當然，也并不是說集成度越高就越好，需要解決的有散熱結構設計、系統(tǒng)穩(wěn)定性、生產工藝成熟度等問題，對消費者來說，后期維修成本也是一大問題。所以具體怎樣選用多合一電驅系統(tǒng)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：通過非通即斷的半導體特性，不考慮過渡過程和寄生效應，我們將單個IGBT芯片看做一個理想的開關。我們在模塊內部搭建起若干個IGBT芯片單元的并串聯(lián)結構，當直流電通過模塊時，通過不同開關組合的快速開斷，來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IGBT模塊應用

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

4、IGBT模塊實物長啥樣？

IGBT模塊的標準封裝形式是一個扁平的類長方體，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（來源：翠展微）

如上圖所示，在IGBT模塊/單管中，一般統(tǒng)稱一單元是IGBT單管，二單元是單個橋臂（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+一個制動單元，八單元一般是六單元+制動單元+預充電單元。

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

英飛凌Primepack IGBT模塊（來源：耿博士電力電子技術）

6、IGBT模塊的生產流程？

IGBT 標準封裝結構橫切面（來源：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（動態(tài)測試、絕緣測試、反偏測試）。

· 貼片，首先將IGBT wafer上的每一個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，需要檢測在敢接過程中出現(xiàn)的氣泡情況，即空洞，空洞的存在將會嚴重影響器件的熱阻和散熱效率，以致出現(xiàn)過溫、燒壞、爆炸等問題。一般汽車IGBT模塊要求空洞率低于1%；

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

· 中間會有一系列的外觀檢測、靜態(tài)測試，過程中有問題的模塊直接報廢；

· 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；

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

7、常見的汽車IGBT模塊封裝類型有哪些？

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

· HP1全橋封裝，主要用在中小功率車型上，包括部分A級車、絕大部分的A0、A00車，峰值功率一般在70kW以內，型號以650V400A為主，其他規(guī)格如750V300A、750V400A、750V550A等；

· HPD全橋封裝，中大功率型車上使用，大部分A級車及以上，以750V820A的規(guī)格占據市場主流，其他規(guī)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；

· TO247單管并聯(lián)，市場上也有少量使用TO247單管封裝的電控系統(tǒng)方案。使用單管并聯(lián)方案的優(yōu)勢主要有兩點：①單管方案可以實現(xiàn)靈活的線路設計，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：①每個并聯(lián)單管之間均流和平衡比較困難，一致性比較難得到保障，例如實現(xiàn)同時的開斷，相同的電流、溫度等；②客戶的系統(tǒng)設計、工藝難度非常大；③接口比較多，對產線的要求很高。

8、汽車IGBT模塊要做哪些測試驗證？

汽車IGBT模塊對產品性能和質量的要求要明顯高于消費和工控領域，因此車規(guī)認證成為了汽車IGBT模塊市場的最重要壁壘，一般來說，車規(guī)級IGBT需要2年左右的車型導入周期。

汽車IGBT模塊測試標準主要參照AEC-Q101和AQG-324，同時車企會根據自己的車型特點提出相應的要求，主要測試方法包括：參數測試、ESD測試、絕緣耐壓、機械振動、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)次數可能從幾萬次到十萬次不等。主要目的是測試鍵合線、焊接層等機械連接層的耐久情況。測試時的失效機理主要是，芯片、鍵合線、DBC、焊料等的熱膨脹系數不一致，導致鍵合線脫落、斷裂，芯片焊層分離，以及焊料老化等。

中國汽車IGBT市場情況

隨著國內新能源汽車產業(yè)的快速發(fā)展，產業(yè)鏈上游大有逐步完成國產替代，甚至引領世界的趨勢，諸如整車品牌、動力電池、電池材料等等已經走得比較靠前。而汽車電控IGBT模塊是新能源汽車最核心的功率器件，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，但隨著比亞迪半導體、斯達半導、中車時代、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能夠滿足國產需求，相信在不久的將來，國內汽車半導體企業(yè)會更大更強！