電控IGBT模塊入門詳解

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(chǎn)品，國內(nèi)外的模塊廠商已經(jīng)開發(fā)了很多，但是有一個模塊需要引起行業(yè)內(nèi)的重視，那就是電機驅(qū)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）。作為電力電子行業(yè)里的“CPU”，IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是國際上公認的電子革命中最具代表性的產(chǎn)品。將多個IGBT芯片集成封裝在一起形成IGBT模塊，其功率更大、散熱能力更強，在新能源汽車領域發(fā)揮著極為重要的功用和影響。 ?

01 ? ? ? 什么是“三電系統(tǒng)”和“電驅(qū)系統(tǒng)”？

三電系統(tǒng)，即動力電池（簡稱電池）、驅(qū)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(qū)系統(tǒng)，我們一般簡單把電機、電控、減速器，合稱為電驅(qū)系統(tǒng)。

但嚴格定義上講，根據(jù)進精電動招股說明書，電驅(qū)動系統(tǒng)包括三大總成：驅(qū)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(qū)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(qū)動系統(tǒng)持續(xù)運行在高效區(qū)間）。

圖：電驅(qū)系統(tǒng)示意圖

電驅(qū)系統(tǒng)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?a target="_blank">AC）（這個過程即逆變），讓驅(qū)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。電驅(qū)系統(tǒng)工作示意圖如下：

02 ? ? ? IGBT模塊究竟如何工作？

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）?？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：

圖：HP1模塊等效電路圖

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(nèi)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。

? 03 ? ? ? IGBT模塊的生產(chǎn)流程

IGBT行業(yè)的門檻非常高。除了芯片的設計和生產(chǎn)，IGBT模塊封裝測試的開發(fā)和生產(chǎn)等環(huán)節(jié)同樣有著非常高的技術要求和工藝要求。

圖：IGBT標準封裝結構橫切面

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?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。

04 ? ? ? 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(nèi)，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(jù)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(chǎn)線的要求很高。

05 ? ? ? 中國汽車IGBT市場情況

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，甚至引領世界的趨勢，諸如整車品牌、動力電池、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(nèi)供應商的崛起，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)汽車半導體企業(yè)會更大更強！

圖：汽車電控IGBT模塊市場情況

審核編輯：劉清