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新能源汽车核心部件——电控IGBT模块入门详解,从小白到精通

来源:翠展微电子

#翠展微电子#

07-18 11:18

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考量。

图片来源,弗迪动力

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: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!

图:汽车电控IGBT模块市场情况

图片来源,翠展微

附主要汽车IGBT模块供应商介绍:

英飞凌,英飞凌科技公司于1999年4月1日在德国慕尼黑正式成立,是全球领先的半导体公司之一。其前身是西门子集团的半导体部门,于1999年独立,2000年上市。2021财年(截止2021年9月30日),英飞凌在全球市场总营收约为110.60亿欧元。英飞凌在全球拥有大约52280名员工(截至2021年09月),英飞凌的业务遍及全球,在全球共有56家研发机构和20家生产工厂。

比亚迪半导体,比亚迪半导体股份有限公司是国内领先的半导体企业,成立于2004年10月15日,主要从事功率半导体、智能控制IC、智能传感器、光电半导体,半导体制造及服务,覆盖了对光、电、磁等信号的感应、处理及控制,产品广泛应用于汽车、能源、工业和消费电子等领域,具有广阔的市场前景。比亚迪半导体矢志成为高效、智能、集成的新型半导体供应商。根据其招股说明书,2020年营收14.4亿,净利润0.58亿。

斯达半导,嘉兴斯达半导体股份有限公司成立于2005年4月,是一家专业从事功率半导体芯片和模块尤其是IGBT芯片和模块研发、生产和销售服务的国家级高新技术企业,股票简称:斯达半导,代码:603290。公司总部位于浙江嘉兴,占地106亩,在上海和欧洲均设有子公司,并在国内和欧洲设有研发中心,是目前国内IGBT领域的领军企业。2021年营收17.07亿,其中IGBT模块营收15.95亿。

瑞萨电子Renesas,瑞萨电子株式会社(TSE:6723),是全球无线网络、汽车、消费与工业市场设计制造嵌入式半导体的全球领先供应商,产品包括微控制器、SoC解决方案和各种模拟与功率器件。现在的瑞萨电子,是由NEC、三菱半导体、日立半导体,三大巨头构成的。2003年4月1日由日立制作所半导体部门和三菱电机半导体部门合并成立了瑞萨科技,NEC电子和瑞萨科技于2010年4月合并,由此诞生了瑞萨电子。

日本电装,日本电装公司(DENSO股份有限公司)成立于1949年12月16日,是世界汽车系统零部件的顶级供应商,目前共拥有198家公司(日本 63、北美 21、欧洲 27、亚洲 80、其他 7),2021年4月1日~2022年3月31日合并收入5兆5155亿日元。

富士电机,富士电机控股公司FUJI ELECTRIC HOLDINGS CO., LTD.成立于成立时间:1923年8月29日,富士电机是古河电器工业与德国西门子以资本技术资本合作成立的公司。产品涵盖电机系统、电子设备、零售终端设备、半导体、发电设备、能源管理等,员工人数超过26757名。

三菱电机,三菱电机株式会社,是三菱MITSUBISHI财团之一,全球500强。公司成立于1921 年 1 月 15 日,当时三菱造船公司(现在的三菱重工业株式会社)将日本神户的一家工厂脱离出去,组建了一家名为三菱电机株式会社的新公司,专门为远洋船舶制造电机。目前三菱电机拥有145,653名员工,业务范围包括重电系统、工业自动化系统、信息通讯系统、电子元器件、家用电器等,最近一个财报年营收47,979.21 亿日元。

时代电气,株洲中车时代电气股份有限公司(下称中车时代电气)是中国中车旗下股份制企业,其前身及母公司——中车株洲电力机车研究所有限公司创立于1959年。中车时代电气秉承“双高双效”高速牵引管理模式,坚持“同心多元化”发展战略,围绕技术与市场,形成了“基础器件+装置与系统+整机与工程”的完整产业链结构,产业涉及高铁、机车、城轨、轨道工程机械、通信信号、大功率半导体、传感器、海工装备、新能源汽车、环保、通用变频器等多个领域,业务遍及全球20多个国家和地区。2021年营收151.21亿。

翠展微电子,翠展集团是车规级IGBT模块设计生产供应商,成立于2018年, 公司总部及生产基地位于浙江省嘉兴市,同时在上海、苏州、合肥、天津、重庆、深圳设立子(分)公司,集团拥有超过100名员工。公司是国内为数不多的汽车电控IGBT模块量产供应商,位于嘉善的IGBT模块产线已经通过 IATF 16949 质量认证体系认证,公司产品的性能和生产良率处于国内领先水平,并已经批量给多个汽车客户供应自主IGBT模块。公司主要产品及服务包括:汽车主电控IGBT模块、定制一体化IGBT模块、SIC模块,工业IGBT模块,PIR芯片、TO247单管,汽车底层软件服务、电机控制方案、软件开发工具链等。

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