當前的新能源車的模塊系統由很多部分組成，如電池、VCU、BSM、電機等，但是這些都是發展比較成熟的產品，國內外的模塊廠商已經開發了很多，但是有一個模塊需要引起行業內的重視，那就是電機驅動部分最核心的元件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管芯片）。作為電力電子行業里的“CPU”，IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是國際上公認的電子革命中最具代表性的產品。將多個IGBT芯片集成封裝在一起形成IGBT模塊，其功率更大、散熱能力更強，在新能源汽車領域發揮著極為重要的功用和影響。 ?

01 ? ? ? 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

電驅系統工作：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。電驅系統工作示意圖如下：

02 ? ? ? IGBT模塊究竟如何工作？

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：

圖：HP1模塊等效電路圖

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。

? 03 ? ? ? IGBT模塊的生產流程

IGBT行業的門檻非常高。除了芯片的設計和生產，IGBT模塊封裝測試的開發和生產等環節同樣有著非常高的技術要求和工藝要求。

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。

04 ? ? ? 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。

05 ? ? ? 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

審核編輯：劉清