一文带你了解新能源汽车核心部件-电控IGBT模块

电驱系统和IGBT模块的作用

要了解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

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。

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。

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。

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

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

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

6、IGBT模块的生产流程？

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。