新能源汽车核心部件—从零了解电控IGBT模块

IGBT

当前的新能源车的模块系统由很多部分组成，如电池、VCU、BSM、电机等，但是这些都是发展比较成熟的产品，国内外的模块厂商已经开发了很多，但是有一个模块需要引起行业内的重视，那就是电机驱动部分，则是电机驱动部分最核心的元件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管芯片）。

根据乘联会数据，2022年6月新能源车国内零售渗透率27.4%，并且2022年6月29日欧盟对外宣布，欧盟27个成员国已经初步达成一致，欧洲将于2035年禁售燃油车。市场越来越景气，同时国内近期新发布的新能源车型也百花齐放。不论是普通消费者、新能源汽车产业相关从业者，还是一二级市场投资人，也逐渐深入关注研究新能源车的一些核心部件，尤其是功率器件IGBT模块，今天小编就用问答的形式给大家展开讲讲，希望能够用比较通俗的解释帮助到大家。

电驱系统和IGBT模块的作用

要弄明白IGBT模块，就要先了解新能源汽车的电驱系统，先用一句话概括电驱系统如何工作：在驾驶新能源汽车时，电机控制器把动力电池放出的直流电（DC）变为交流电（AC）（这个过程即逆变），让驱动电机工作，电机将电能转换成机械能，再通过传动系统（主要是减速器）让汽车的轮子跑起来。反过来，把车轮的机械能转换存储到电池的过程就是动能回收。

1、什么是“三电系统”和“电驱系统”？

三电系统，即动力电池（简称电池）、驱动电机（简称电机）、电机控制器（简称电控），也被人们成为三大件，加起来约占新能源车总成本的70%以上，是决定整车运动性能核心的组件。

电驱系统，我们一般简单把电机、电控、减速器，合称为电驱系统。

但严格定义上讲，根据进精电动招股说明书，电驱动系统包括三大总成：驱动电机总成（将动力电池的电能转化为旋转的机械能，是输出动力的来源）、控制器总成（基于功率半导体的硬件及软件设计，对驱动电机的工作状态进行实时控制，并持续丰富其他控制功能）、传动总成（通过齿轮组降低输出转速提高输出扭矩，以保证电驱动系统持续运行在高效区间）。

图：电驱系统示意图

图片来源：进精电动招股说明书

2、什么是“多合一电驱系统”？

一开始电机、电控、减速器都是各自独立的零部件，但随着技术的进步，我们把这三个部分集合在一起做成一个部件，就变成了“三合一电驱”。集成的目的主要是节省空间、降低重量、提升性能、降低成本。

图源：巨一科技官网、翠展微整理

目前市场上集成度较高的有比亚迪旗下弗迪动力的“八合一电动力总成”，这套八合一电驱系统集成了驱动电机、电机控制器、减速器、车载充电器、直流变换器、配电箱、整车控制器、电池管理器。

图源：弗迪动力

当然，也并不是说集成度越高就越好，需要解决的有散热结构设计、系统稳定性、生产工艺成熟度等问题，对消费者来说，后期维修成本也是一大问题。所以具体怎样选用多合一电驱系统还需要综合。

3、IGBT模块究竟如何工作？

在电控模块中，IGBT模块是逆变器的最核心部件，总结其工作原理：通过非通即断的半导体特性，不考虑过渡过程和寄生效应，我们将单个IGBT芯片看做一个理想的开关。我们在模块内部搭建起若干个IGBT芯片单元的并串联结构，当直流电通过模块时，通过不同开关组合的快速开断，来改变电流的流出方向和频率，从而输出得到我们想要的交流电。

IGBT模块结构和汽车IGBT模块应用

上面提到了IGBT模块在电驱系统中的作用，下面我们展开来具体看看IGBT模块的结构。

4、IGBT模块实物长啥样？

IGBT模块的标准封装形式是一个扁平的类长方体，下图为HP1模块的正上方视角，最外面白色的都是塑料外壳，底部是导热散热的金属底板（一般是铜材料）。可以看到模块外面还有非常多的端子和引脚，各自有自己的作用：

1是DC正，2是DC负；3，4，5是三相交流电的U、V、W接口；6，25，22是集电极的信号端子，7，9，11，13，15，17是门极信号端子；8，10，12，14，16，18是发射极信号端子；19是DC负极信号端子；23，24是NTC热敏电阻端子。

图源：HP1模块等效电路图

图：HP1模块等效电路图

图源：翠展微

5、IGBT的基础拓扑结构是怎样的？

图：IGBT模块基础电路拓扑结构

图源：翠展微

如上图所示，在IGBT模块/单管中，一般统称一单元是IGBT单管，二单元是单个桥臂（半桥），四单元是H桥（单相桥），六单元是三相桥（全桥），七单元一般是六单元+一个制动单元，八单元一般是六单元+制动单元+预充电单元。

一个单元由1对、2对或3对FRD+IGBT组成。其中1对，可以是1个FRD+1个IGBT，也可以是1个FRD+2个IGBT等。

具体实物可参照下图，这是一个6单元的IGBT模块。

图：英飞凌Primepack IGBT模块

图源："耿博士电力电子技术"公众号

6、IGBT模块的生产流程？

图：IGBT 标准封装结构横切面

图源：翠展微

如上图所示，可以看到IGBT模块横切面的界面，目前壳封工艺的模块基本结构都相差不大。IGBT模块封装的流程大致如下：贴片→真空回流焊接→超声波清洗→X-ray缺陷检测→引线键合→静态测试→二次焊接→壳体灌胶与固化→端子成形→功能测试（动态测试、绝缘测试、反偏测试）

贴片，首先将IGBT wafer上的每一个die贴片到DBC上。DBC是覆铜陶瓷基板，中间是陶瓷，双面覆铜，DBC类似PCB起到导电和电气隔离等作用，常用的陶瓷绝缘材料为氧化铝（Al2O3）和氮化铝（AlN）；

真空焊接，贴片后通过真空焊接将die与DBC固定，一般焊料是锡片或锡膏；

X-ray空洞检测，需要检测在敢接过程中出现的气泡情况，即空洞，空洞的存在将会严重影响器件的热阻和散热效率，以致出现过温、烧坏、爆炸等问题。一般汽车IGBT模块要求空洞率低于1%；

接下来是wire bonding工艺，用金属线将die和DBC键合，使用最多的是铝线，其他常用的包括铜线、铜带、铝带；

中间会有一系列的外观检测、静态测试，过程中有问题的模块直接报废；

重复以上工序将DBC焊接和键合到铜底板上，然后是灌胶、封壳、激光打码等工序；

出厂前会做最后的功能测试，包括电气性能的动态测试、绝缘测试、反偏测试等等。

7、常见的汽车IGBT模块封装类型有哪些？

Econodual 系列半桥封装，应用在商用车上为主，主要规格为1200V/450A，1200V/600A等；

HP1全桥封装，主要用在中小功率车型上，包括部分A级车、绝大部分的A0、A00车，峰值功率一般在70kW以内，型号以650V400A为主，其他规格如750V300A、750V400A、750V550A等；

HPD全桥封装，中大功率型车上使用，大部分A级车及以上，以750V820A的规格占据市场主流，其他规格如750V550A等；

DC6全桥封装，基于UVW三相全桥的整体式封装方案，具备封装紧凑，功率密度高，散热性能好等特点；

TO247单管并联，市场上也有少量使用TO247单管封装的电控系统方案。使用单管并联方案的优势主要有两点：①单管方案可以实现灵活的线路设计，需要多大的电流就用相应的单管并联就好了，所以成本也有一定优势；②寄生电感问题比IGBT模块好解决。但是使用单管并联也存在一些待解决的难点：①每个并联单管之间均流和平衡比较困难，一致性比较难得到保障，例如实现同时的开断，相同的电流、温度等；②客户的系统设计、工艺难度非常大；③接口比较多，对产线的要求很高。

8、汽车IGBT模块要做哪些测试验证？

汽车IGBT模块对产品性能和质量的要求要明显高于消费和工控领域，因此车规认证成为了汽车IGBT模块市场的最重要壁垒，一般来说，车规级IGBT需要2年左右的车型导入周期。

汽车IGBT模块测试标准主要参照AEC-Q101和AQG-324，同时车企会根据自己的车型特点提出相应的要求，主要测试方法包括：参数测试、ESD测试、绝缘耐压、机械振动、机械冲击、高温老化、低温老化、温度循环、温度冲击、UHAST（高温高湿无偏压）、HTRB（高温反偏）、HTGB（高温删偏）、H3TRB/HAST（高温高湿反偏）、功率循环、可焊性。

其中功率循环和温度循环作为代表的耐久测试，要求极为严格，例如功率循环次数可能从几万次到十万次不等。主要目的是测试键合线、焊接层等机械连接层的耐久情况。测试时的失效机理主要是，芯片、键合线、DBC、焊料等的热膨胀系数不一致，导致键合线脱落、断裂，芯片焊层分离，以及焊料老化等。

中国汽车IGBT市场情况随着国内新能源汽车产业的快速发展，产业链上游大有逐步完成国产替代，甚至引领世界的趋势，诸如整车品牌、动力电池、电池材料等等已经走得比较靠前。而汽车电控IGBT模块是新能源汽车最核心的功率器件，之前一直被诸如英飞凌、安森美、赛米控、三菱电机等国外供应商垄断，但随着比亚迪半导体、斯达半导、中车时代、士兰微、翠展微等国内供应商的崛起，目前在一定程度上已经能够满足国产需求，相信在不久的将来，国内汽车半导体企业会更大更强！