电控IGBT模块入门详解

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最核心的元件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管芯片）。作为电力电子行业里的“CPU”，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是国际上公认的电子革命中最具代表性的产品。将多个IGBT芯片集成封装在一起形成IGBT模块，其功率更大、散热能力更强，在新能源汽车领域发挥着极为重要的功用和影响。  

01       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

电驱系统工作：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。电驱系统工作示意图如下：

02       IGBT模块究竟如何工作？

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：

图：HP1模块等效电路图

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。

  03       IGBT模块的生产流程

IGBT行业的门槛非常高。除了芯片的设计和生产，IGBT模块封装测试的开发和生产等环节同样有着非常高的技术要求和工艺要求。

图：IGBT标准封装结构横切面

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。

04       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。

05       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！

图：汽车电控IGBT模块市场情况

审核编辑：刘清