電控IGBT模塊入門詳解

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(guó)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(guó)際上公認(rèn)的電子革命中最具代表性的產(chǎn)品。將多個(gè)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(qiáng)，在新能源汽車領(lǐng)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(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

電驅(qū)系統(tǒng)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。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(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）。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：

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(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。

? 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(shè)計(jì)和生產(chǎn)，IGBT模塊封裝測(cè)試的開發(fā)和生產(chǎn)等環(huán)節(jié)同樣有著非常高的技術(shù)要求和工藝要求。

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。

04 ? ? ? 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。

05 ? ? ? 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)！