從零了解汽車電控IGBT模塊

當(dāng)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(jī)等，但是這些都是發(fā)展比較成熟的產(chǎn)品，國內(nèi)外的模塊廠商已經(jīng)開發(fā)了很多，但是有一個(gè)模塊需要引起行業(yè)內(nèi)的重視，那就是電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，則是電機(jī)驅(qū)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）。

想要從零了解汽車電控IGBT模塊看這一篇就夠了！

根據(jù)乘聯(lián)會(huì)數(shù)據(jù)，2022年6月新能源車國內(nèi)零售滲透率27.4%，并且2022年6月29日歐盟對(duì)外宣布，歐盟27個(gè)成員國已經(jīng)初步達(dá)成一致，歐洲將于2035年禁售燃油車。市場(chǎng)越來越景氣，同時(shí)國內(nèi)近期新發(fā)布的新能源車型也百花齊放。不論是普通消費(fèi)者、新能源汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)從業(yè)者，還是一二級(jí)市場(chǎng)投資人，也逐漸深入關(guān)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(qū)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(qū)系統(tǒng)，先用一句話概括電驅(qū)系統(tǒng)如何工作：在駕駛新能源汽車時(shí)，電機(jī)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)過程即逆變），讓驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過傳動(dòng)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(jī)械能轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)到電池的過程就是動(dòng)能回收。

1、什么是“三電系統(tǒng)”和“電驅(qū)系統(tǒng)”？

三電系統(tǒng)，即動(dòng)力電池（簡稱電池）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)（簡稱電機(jī)）、電機(jī)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(yùn)動(dòng)性能核心的組件。

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

但嚴(yán)格定義上講，根據(jù)進(jìn)精電動(dòng)招股說明書，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括三大總成：驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成（將動(dòng)力電池的電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，是輸出動(dòng)力的來源）、控制器總成（基于功率半導(dǎo)體的硬件及軟件設(shè)計(jì)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并持續(xù)豐富其他控制功能）、傳動(dòng)總成（通過齒輪組降低輸出轉(zhuǎn)速提高輸出扭矩，以保證電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行在高效區(qū)間）。

電驅(qū)系統(tǒng)示意圖（來源：進(jìn)精電動(dòng)招股說明書）

2、什么是“多合一電驅(qū)系統(tǒng)”？

一開始電機(jī)、電控、減速器都是各自獨(dú)立的零部件，但隨著技術(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(qū)”。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(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(qū)系統(tǒng)集成了驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)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(dòng)力

當(dāng)然，也并不是說集成度越高就越好，需要解決的有散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)穩(wěn)定性、生產(chǎn)工藝成熟度等問題，對(duì)消費(fèi)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(qū)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(jié)其工作原理：通過非通即斷的半導(dǎo)體特性，不考慮過渡過程和寄生效應(yīng)，我們將單個(gè)IGBT芯片看做一個(gè)理想的開關(guān)。我們?cè)谀K內(nèi)部搭建起若干個(gè)IGBT芯片單元的并串聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)直流電通過模塊時(shí)，通過不同開關(guān)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(jié)構(gòu)和汽車IGBT模塊應(yīng)用

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

4、IGBT模塊實(shí)物長啥樣？

IGBT模塊的標(biāo)準(zhǔn)封裝形式是一個(gè)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(dǎo)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(fù)；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(hào)端子，7、9、11、13、15、17是門極信號(hào)端子；8、10、12、14、16、18是發(fā)射極信號(hào)端子；19是DC負(fù)極信號(hào)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(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是怎樣的？

IGBT模塊基礎(chǔ)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（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(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(yù)充電單元。

一個(gè)單元由1對(duì)、2對(duì)或3對(duì)FRD+IGBT組成。其中1對(duì)，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（來源：耿博士電力電子技術(shù)）

6、IGBT模塊的生產(chǎn)流程？

IGBT 標(biāo)準(zhǔn)封裝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(cè)→引線鍵合→靜態(tài)測(cè)試→二次焊接→殼體灌膠與固化→端子成形→功能測(cè)試（動(dòng)態(tài)測(cè)試、絕緣測(cè)試、反偏測(cè)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類似PCB起到導(dǎo)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(cè)，需要檢測(cè)在敢接過程中出現(xiàn)的氣泡情況，即空洞，空洞的存在將會(huì)嚴(yán)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(huì)有一系列的外觀檢測(cè)、靜態(tài)測(cè)試，過程中有問題的模塊直接報(bào)廢；

· 重復(fù)以上工序?qū)BC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(huì)做最后的功能測(cè)試，包括電氣性能的動(dòng)態(tài)測(cè)試、絕緣測(cè)試、反偏測(cè)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(yīng)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(jí)車、絕大部分的A0、A00車，峰值功率一般在70kW以內(nèi)，型號(hào)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(jí)車及以上，以750V820A的規(guī)格占據(jù)市場(chǎng)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(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(tǒng)方案。使用單管并聯(lián)方案的優(yōu)勢(shì)主要有兩點(diǎn)：①單管方案可以實(shí)現(xiàn)靈活的線路設(shè)計(jì)，需要多大的電流就用相應(yīng)的單管并聯(lián)就好了，所以成本也有一定優(yōu)勢(shì)；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(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(xiàn)同時(shí)的開斷，相同的電流、溫度等；②客戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工藝難度非常大；③接口比較多，對(duì)產(chǎn)線的要求很高。

8、汽車IGBT模塊要做哪些測(cè)試驗(yàn)證？

汽車IGBT模塊對(duì)產(chǎn)品性能和質(zhì)量的要求要明顯高于消費(fèi)和工控領(lǐng)域，因此車規(guī)認(rèn)證成為了汽車IGBT模塊市場(chǎng)的最重要壁壘，一般來說，車規(guī)級(jí)IGBT需要2年左右的車型導(dǎo)入周期。

汽車IGBT模塊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要參照AEC-Q101和AQG-324，同時(shí)車企會(huì)根據(jù)自己的車型特點(diǎn)提出相應(yīng)的要求，主要測(cè)試方法包括：參數(shù)測(cè)試、ESD測(cè)試、絕緣耐壓、機(jī)械振動(dòng)、機(jī)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(cè)試，要求極為嚴(yán)格，例如功率循環(huán)次數(shù)可能從幾萬次到十萬次不等。主要目的是測(cè)試鍵合線、焊接層等機(jī)械連接層的耐久情況。測(cè)試時(shí)的失效機(jī)理主要是，芯片、鍵合線、DBC、焊料等的熱膨脹系數(shù)不一致，導(dǎo)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(chǎng)情況

隨著國內(nèi)新能源汽車產(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(shì)，諸如整車品牌、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(jī)等國外供應(yīng)商壟斷，但隨著比亞迪半導(dǎo)體、斯達(dá)半導(dǎo)、中車時(shí)代、士蘭微、翠展微等國內(nèi)供應(yīng)商的崛起，目前在一定程度上已經(jīng)能夠滿足國產(chǎn)需求，相信在不久的將來，國內(nèi)汽車半導(dǎo)體企業(yè)會(huì)更大更強(qiáng)！