電驅(qū)系統(tǒng)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(qū)系統(tǒng)，先用一句話概括電驅(qū)系統(tǒng)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?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(zhuǎn)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(zhuǎn)換存儲到電池的過程就是動能回收。

1、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(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機械能，是輸出動力的來源）、控制器總成（基于功率半導(dǎo)體的硬件及軟件設(shè)計，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(zhuǎn)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
2、什么是“多合一電驅(qū)系統(tǒng)”？
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(shù)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(qū)”。集成的目的主要是節(jié)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(qū)系統(tǒng)集成了驅(qū)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(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)穩(wěn)定性、生產(chǎn)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(qū)系統(tǒng)還需要綜合考量。

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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(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IGBT芯片看做一個理想的開關(guān)。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(jié)構(gòu)，當直流電通過模塊時，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。
IGBT模塊結(jié)構(gòu)和汽車IGBT模塊應(yīng)用
上面提到了IGBT模塊在電驅(qū)系統(tǒng)中的作用，下面我們展開來具體看看IGBT模塊的結(jié)構(gòu)。
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(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：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****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(chǔ)拓撲結(jié)構(gòu)是怎樣的？

圖：IGBT模塊基礎(chǔ)電路拓撲結(jié)構(gòu)
如上圖所示，在IGBT模塊/單管中，一般統(tǒng)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(yù)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(chǎn)流程？

圖：IGBT 標準封裝結(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→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(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，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(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。

7、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(shè)計，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；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(shè)計、工藝難度非常大；③接口比較多，對產(chǎn)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(chǎn)品性能和質(zhì)量的要求要明顯高于消費和工控領(lǐng)域，因此車規(guī)認證成為了汽車IGBT模塊市場的最重要壁壘，一般來說，車規(guī)級IGBT需要2年左右的車型導(dǎo)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(jù)自己的車型特點提出相應(yīng)的要求，主要測試方法包括：參數(shù)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(huán)、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(huán)、可焊性。
其中功率循環(huán)和溫度循環(huán)作為代表的耐久測試，要求極為嚴格，例如功率循環(huán)次數(shù)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(shù)不一致，導(dǎo)致鍵合線脫落、斷裂，芯片焊層分離，以及焊料老化等。

AEC-Q101認證

AEC-Q101標準是用于分立半導(dǎo)體器件的，標準全稱：Failure Mechanism Based Stress Test Qualification For Discrete Semiconductors，基于分立半導(dǎo)體應(yīng)力測試認證的失效機理，名字有點長，所以一般就叫“分立半導(dǎo)體的應(yīng)力測試標準”。現(xiàn)在的Rev E版本是2021.03.01剛發(fā)布的最新版。

AEC-Q101認證包含了分立半導(dǎo)體元件最低應(yīng)力測試要求的定義和參考測試條件，目的是要確定一種器件在應(yīng)用中能夠通過應(yīng)力測試以及被認為能夠提供某種級別的品質(zhì)和可靠性。

AEC-Q101按Wafer Fab晶圓制造技術(shù)，分為以下幾種，主要是MOS、IGBT、二極管、三極管、穩(wěn)壓管、TVS、可控硅等。

AEC-Q101測試流程

華碧實驗室車規(guī)電子檢測認證

華碧實驗室是國內(nèi)領(lǐng)先的集檢測、鑒定和認證為一體的第三方檢測與分析的新型綜合實驗室，是質(zhì)量和誠信的基準。華碧實驗室擁有豐富的車規(guī)級電子認證經(jīng)驗，已成功協(xié)助300多家汽車分立半導(dǎo)體企業(yè)制定相對應(yīng)的AEC-Q101驗證步驟與實驗方法，并順利通過AEC-Q系列認證。

華碧實驗室憑借廣泛的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，專業(yè)的技術(shù)團隊及先進的實驗室，提供全面的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)解決方案，服務(wù)范圍覆蓋供應(yīng)鏈上下游，幫助分立器件廠商把控良率并順利進入車廠供應(yīng)鏈，助力其產(chǎn)品在市場端建立穩(wěn)固的質(zhì)量信任，推動國產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)取得新的技術(shù)突破與穩(wěn)健的持續(xù)性發(fā)展。

審核編輯 黃宇