从零了解汽车电控IGBT模块 汽车电瓶技术

佚名 2024-02-15


GBT

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)。


IGBT专栏

想要从零了解

汽车电控IGBT模块

 看这一篇就够了!

根据乘联会数据,2024年6月新能源车国内零售渗透率27.4%,并且2024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

  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。

图片来源,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。

图片来源,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,我们来归纳一下其工作原理:

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。

图:IGBT逆变原理

                图片来源网络,侵删

   IGBT模块结构

   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:HP1模块等效电路图

 图:HP1模块等效电路图

 图片来源,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

图片来源,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

图片来源,"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

图片来源,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!

来源: 汽车工艺师
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