電驅(qū)系統(tǒng)和IGBT模塊的作用

電驅(qū)系統(tǒng)和IGBT模塊的作用

要了解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?a target="_blank">AC）（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(jiǎn)稱電池）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)（簡(jiǎn)稱電機(jī)）、電機(jī)控制器（簡(jiǎn)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(jiǎn)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）。

圖：電驅(qū)系統(tǒng)示意圖

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。

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)還需要綜合考量。

弗迪動(dòng)力

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(zhǎng)啥樣？

IGBT模塊的標(biāo)準(zhǔn)封裝形式是一個(gè)扁平的類長(zhǎng)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）?？梢钥吹侥K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

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？

圖：IGBT模塊基礎(chǔ)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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。

圖：英飛凌Primepack IGBT模塊

6、IGBT模塊的生產(chǎn)流程？

圖：IGBT 標(biāo)準(zhǔn)封裝結(jié)構(gòu)橫切面

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(guó)汽車IGBT市場(chǎng)情況

隨著國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)產(chǎn)需求，相信在不久的將來，國(guó)內(nèi)汽車半導(dǎo)體企業(yè)會(huì)更大更強(qiáng)！

圖：汽車電控IGBT模塊市場(chǎng)情況

附主要汽車IGBT模塊供應(yīng)商介紹：

英飛凌，英飛凌科技公司于1999年4月1日在德國(guó)慕尼黑正式成立，是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司之一。其前身是西門子集團(tuán)的半導(dǎo)體部門，于1999年獨(dú)立，2000年上市。2021財(cái)年（截止2021年9月30日），英飛凌在全球市場(chǎng)總營(yíng)收約為110.60億歐元。英飛凌在全球擁有大約52280名員工（截至2021年09月），英飛凌的業(yè)務(wù)遍及全球，在全球共有56家研發(fā)機(jī)構(gòu)和20家生產(chǎn)工廠。

比亞迪半導(dǎo)體，比亞迪半導(dǎo)體股份有限公司是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的半導(dǎo)體企業(yè)，成立于2004年10月15日，主要從事功率半導(dǎo)體、智能控制IC、智能傳感器、光電半導(dǎo)體，半導(dǎo)體制造及服務(wù)，覆蓋了對(duì)光、電、磁等信號(hào)的感應(yīng)、處理及控制，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、能源、工業(yè)和消費(fèi)電子等領(lǐng)域，具有廣闊的市場(chǎng)前景。比亞迪半導(dǎo)體矢志成為高效、智能、集成的新型半導(dǎo)體供應(yīng)商。根據(jù)其招股說明書，2020年?duì)I收14.4億，凈利潤(rùn)0.58億。

斯達(dá)半導(dǎo)，嘉興斯達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司成立于2005年4月，是一家專業(yè)從事功率半導(dǎo)體芯片和模塊尤其是IGBT芯片和模塊研發(fā)、生產(chǎn)和銷售服務(wù)的國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)，股票簡(jiǎn)稱：斯達(dá)半導(dǎo)，代碼：603290。公司總部位于浙江嘉興，占地106畝，在上海和歐洲均設(shè)有子公司，并在國(guó)內(nèi)和歐洲設(shè)有研發(fā)中心，是目前國(guó)內(nèi)IGBT領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)。2021年?duì)I收17.07億，其中IGBT模塊營(yíng)收15.95億。

瑞薩電子Renesas，瑞薩電子株式會(huì)社（TSE：6723），是全球無線網(wǎng)絡(luò)、汽車、消費(fèi)與工業(yè)市場(chǎng)設(shè)計(jì)制造嵌入式半導(dǎo)體的全球領(lǐng)先供應(yīng)商，產(chǎn)品包括微控制器、SoC解決方案和各種模擬與功率器件?，F(xiàn)在的瑞薩電子，是由NEC、三菱半導(dǎo)體、日立半導(dǎo)體，三大巨頭構(gòu)成的。2003年4月1日由日立制作所半導(dǎo)體部門和三菱電機(jī)半導(dǎo)體部門合并成立了瑞薩科技，NEC電子和瑞薩科技于2010年4月合并，由此誕生了瑞薩電子。

日本電裝，日本電裝公司(DENSO股份有限公司）成立于1949年12月16日，是世界汽車系統(tǒng)零部件的頂級(jí)供應(yīng)商，目前共擁有198家公司(日本 63、北美 21、歐洲 27、亞洲 80、其他 7)，2021年4月1日～2022年3月31日合并收入5兆5155億日元。

富士電機(jī)，富士電機(jī)控股公司FUJI ELECTRIC HOLDINGS CO., LTD.成立于成立時(shí)間：1923年8月29日，富士電機(jī)是古河電器工業(yè)與德國(guó)西門子以資本技術(shù)資本合作成立的公司。產(chǎn)品涵蓋電機(jī)系統(tǒng)、電子設(shè)備、零售終端設(shè)備、半導(dǎo)體、發(fā)電設(shè)備、能源管理等，員工人數(shù)超過26757名。

三菱電機(jī)，三菱電機(jī)株式會(huì)社，是三菱MITSUBISHI財(cái)團(tuán)之一，全球500強(qiáng)。公司成立于1921 年 1 月 15 日，當(dāng)時(shí)三菱造船公司（現(xiàn)在的三菱重工業(yè)株式會(huì)社）將日本神戶的一家工廠脫離出去，組建了一家名為三菱電機(jī)株式會(huì)社的新公司，專門為遠(yuǎn)洋船舶制造電機(jī)。目前三菱電機(jī)擁有145,653名員工，業(yè)務(wù)范圍包括重電系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)、信息通訊系統(tǒng)、電子元器件、家用電器等，最近一個(gè)財(cái)報(bào)年?duì)I收47,979.21 億日元。