電驅系統和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系統，先用一句話概括電驅系統如何工作：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）變為交流電（AC）（這個過程即逆變），讓驅動電機工作，電機將電能轉換成機械能，再通過傳動系統（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。

1、什么是“三電系統”和“電驅系統”？

三電系統，即動力電池（簡稱電池）、驅動電機（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。

電驅系統，我們一般簡單把電機、電控、減速器，合稱為電驅系統。

但嚴格定義上講，根據進精電動招股說明書，電驅動系統包括三大總成：驅動電機總成（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，對驅動電機的工作狀態進行實時控制，并持續豐富其他控制功能）、傳動總成（通過齒輪組降低輸出轉速提高輸出扭矩，以保證電驅動系統持續運行在高效區間）。

圖：電驅系統示意圖

2、什么是“多合一電驅系統”？

一開始電機、電控、減速器都是各自獨立的零部件，但隨著技術的進步，我們把這三個部分集合在一起做成一個部件，就變成了“三合一電驅”。集成的目的主要是節省空間、降低重量、提升性能、降低成本。

目前市場上集成度較高的有比亞迪旗下弗迪動力的“八合一電動力總成”，這套八合一電驅系統集成了驅動電機、電機控制器、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。

弗迪動力

當然，也并不是說集成度越高就越好，需要解決的有散熱結構設計、系統穩定性、生產工藝成熟度等問題，對消費者來說，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系統還需要綜合考量。

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。我們在模塊內部搭建起若干個IGBT芯片單元的并串聯結構，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。

IGBT模塊結構和汽車IGBT模塊應用

上面提到了IGBT模塊在電驅系統中的作用，下面我們展開來具體看看IGBT模塊的結構。

4、IGBT模塊實物長啥樣？

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）。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：1是DC正，2是DC負；3，4，5是三相交流電的U、V、W接口；6，25，22是集電極的信號端子，7，9，11，13，15，17是門極信號端子；8，10，12，14，16，18是發射極信號端子；19是DC負極信號端子；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的基礎拓撲結構是怎樣的？

圖：IGBT模塊基礎電路拓撲結構

如上圖所示，在IGBT模塊/單管中，一般統稱一單元是IGBT單管，二單元是單個橋臂（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+一個制動單元，八單元一般是六單元+制動單元+預充電單元。

一個單元由1對、2對或3對FRD+IGBT組成。其中1對，可以是1個FRD+1個IGBT，也可以是1個FRD+2個IGBT等。

具體實物可參照下圖，這是一個6單元的IGBT模塊。

圖：英飛凌Primepack IGBT模塊

6、IGBT模塊的生產流程？

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→靜態測試→二次焊接→殼體灌膠與固化→端子成形→功能測試（動態測試、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、靜態測試，過程中有問題的模塊直接報廢；

重復以上工序將DBC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測試、絕緣測試、反偏測試等等。

7、常見的汽車IGBT模塊封裝類型有哪些？

Econodual 系列半橋封裝，應用在商用車上為主，主要規格為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，型號以650V400A為主，其他規格如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的規格占據市場主流，其他規格如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，市場上也有少量使用TO247單管封裝的電控系統方案。使用單管并聯方案的優勢主要有兩點：①單管方案可以實現靈活的線路設計，需要多大的電流就用相應的單管并聯就好了，所以成本也有一定優勢；②寄生電感問題比IGBT模塊好解決。但是使用單管并聯也存在一些待解決的難點：①每個并聯單管之間均流和平衡比較困難，一致性比較難得到保障，例如實現同時的開斷，相同的電流、溫度等；②客戶的系統設計、工藝難度非常大；③接口比較多，對產線的要求很高。

8、汽車IGBT模塊要做哪些測試驗證？

汽車IGBT模塊對產品性能和質量的要求要明顯高于消費和工控領域，因此車規認證成為了汽車IGBT模塊市場的最重要壁壘，一般來說，車規級IGBT需要2年左右的車型導入周期。

汽車IGBT模塊測試標準主要參照AEC-Q101和AQG-324，同時車企會根據自己的車型特點提出相應的要求，主要測試方法包括：參數測試、ESD測試、絕緣耐壓、機械振動、機械沖擊、高溫老化、低溫老化、溫度循環、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、可焊性。

其中功率循環和溫度循環作為代表的耐久測試，要求極為嚴格，例如功率循環次數可能從幾萬次到十萬次不等。主要目的是測試鍵合線、焊接層等機械連接層的耐久情況。測試時的失效機理主要是，芯片、鍵合線、DBC、焊料等的熱膨脹系數不一致，導致鍵合線脫落、斷裂，芯片焊層分離，以及焊料老化等。

中國汽車IGBT市場情況

隨著國內新能源汽車產業的快速發展，產業鏈上游大有逐步完成國產替代，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、翠展微等國內供應商的崛起，目前在一定程度上已經能夠滿足國產需求，相信在不久的將來，國內汽車半導體企業會更大更強！

圖：汽車電控IGBT模塊市場情況

附主要汽車IGBT模塊供應商介紹：

英飛凌，英飛凌科技公司于1999年4月1日在德國慕尼黑正式成立，是全球領先的半導體公司之一。其前身是西門子集團的半導體部門，于1999年獨立，2000年上市。2021財年（截止2021年9月30日），英飛凌在全球市場總營收約為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），英飛凌的業務遍及全球，在全球共有56家研發機構和20家生產工廠。

比亞迪半導體，比亞迪半導體股份有限公司是國內領先的半導體企業，成立于2004年10月15日，主要從事功率半導體、智能控制IC、智能傳感器、光電半導體，半導體制造及服務，覆蓋了對光、電、磁等信號的感應、處理及控制，產品廣泛應用于汽車、能源、工業和消費電子等領域，具有廣闊的市場前景。比亞迪半導體矢志成為高效、智能、集成的新型半導體供應商。根據其招股說明書，2020年營收14.4億，凈利潤0.58億。

斯達半導，嘉興斯達半導體股份有限公司成立于2005年4月，是一家專業從事功率半導體芯片和模塊尤其是IGBT芯片和模塊研發、生產和銷售服務的國家級高新技術企業，股票簡稱：斯達半導，代碼：603290。公司總部位于浙江嘉興，占地106畝，在上海和歐洲均設有子公司，并在國內和歐洲設有研發中心，是目前國內IGBT領域的領軍企業。2021年營收17.07億，其中IGBT模塊營收15.95億。

瑞薩電子Renesas，瑞薩電子株式會社（TSE：6723），是全球無線網絡、汽車、消費與工業市場設計制造嵌入式半導體的全球領先供應商，產品包括微控制器、SoC解決方案和各種模擬與功率器件。現在的瑞薩電子，是由NEC、三菱半導體、日立半導體，三大巨頭構成的。2003年4月1日由日立制作所半導體部門和三菱電機半導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，是世界汽車系統零部件的頂級供應商，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，富士電機控股公司FUJI ELECTRIC HOLDINGS CO., LTD.成立于成立時間：1923年8月29日，富士電機是古河電器工業與德國西門子以資本技術資本合作成立的公司。產品涵蓋電機系統、電子設備、零售終端設備、半導體、發電設備、能源管理等，員工人數超過26757名。

三菱電機，三菱電機株式會社，是三菱MITSUBISHI財團之一，全球500強。公司成立于1921 年 1 月 15 日，當時三菱造船公司（現在的三菱重工業株式會社）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株式會社的新公司，專門為遠洋船舶制造電機。目前三菱電機擁有145,653名員工，業務范圍包括重電系統、工業自動化系統、信息通訊系統、電子元器件、家用電器等，最近一個財報年營收47,979.21 億日元。