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          從零了解汽車電控IGBT模塊

          作者: 時間:2024-04-23 來源: 收藏

          當前的新能源車的模塊系統(tǒng)由很多部分組成,如電池、VCU、BSM、電機等,但是這些都是發(fā)展比較成熟的產品,國內外的模塊廠商已經開發(fā)了很多,但是有一個模塊需要引起行業(yè)內的重視,那就是電機驅動部分,則是電機驅動部分最核心的元件(Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管芯片)。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202404/457960.htm

          想要從零了解模塊看這一篇就夠了!

          根據(jù)乘聯(lián)會數(shù)據(jù),2022年6月新能源車國內零售滲透率27.4%,并且2022年6月29日歐盟對外宣布,歐盟27個成員國已經初步達成一致,歐洲將于2035年禁售燃油車。市場越來越景氣,同時國內近期新發(fā)布的新能源車型也百花齊放。不論是普通消費者、新能源產業(yè)相關從業(yè)者,還是一二級市場投資人,也逐漸深入關注研究新能源車的一些核心部件,尤其是功率器件模塊。

          電驅系統(tǒng)和IGBT模塊的作用

          要弄明白IGBT模塊,就要先了解新能源的電驅系統(tǒng),先用一句話概括電驅系統(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ˋC)(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(tǒng)(主要是減速器)讓汽車的輪子跑起來。反過來,把車輪的機械能轉換存儲到電池的過程就是動能回收。

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          1、什么是“三電系統(tǒng)”和“電驅系統(tǒng)”?

          三電系統(tǒng),即動力電池(簡稱電池)、驅動電機(簡稱電機)、電機控制器(簡稱),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(tǒng),我們一般簡單把電機、、減速器,合稱為電驅系統(tǒng)。

          但嚴格定義上講,根據(jù)進精電動招股說明書,電驅動系統(tǒng)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(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速提高輸出扭矩,以保證電驅動系統(tǒng)持續(xù)運行在高效區(qū)間)。

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          電驅系統(tǒng)示意圖(來源:進精電動招股說明書)

          2、什么是“多合一電驅系統(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”。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”,這套八合一電驅系統(tǒng)集成了驅動電機、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。

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          圖片來源: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構設計、系統(tǒng)穩(wěn)定性、生產工藝成熟度等問題,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系統(tǒng)還需要綜合。

          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(lián)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。

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          IGBT模塊結構和汽車IGBT模塊應用

          上面提到了IGBT模塊在電驅系統(tǒng)中的作用,下面我們展開來具體看看IGBT模塊的結構。

          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是發(fā)射極信號端子;19是DC負極信號端子;23、24是NTC熱敏電阻端子。

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          圖:HP1模塊等效電路圖

          5、IGBT的基礎拓撲結構是怎樣的?

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          IGBT模塊基礎電路拓撲結構(來源:翠展微)

          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。

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          英飛凌Primepack IGBT模塊(來源:耿博士電力電子技術)

          6、IGBT模塊的生產流程?

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          IGBT 標準封裝結構橫切面(來源:翠展微)

          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(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(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,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)靈活的線路設計,需要多大的電流就用相應的單管并聯(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)設計、工藝難度非常大;③接口比較多,對產線的要求很高。

          8、汽車IGBT模塊要做哪些測試驗證?

          汽車IGBT模塊對產品性能和質量的要求要明顯高于消費和工控領域,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,導致鍵合線脫落、斷裂,芯片焊層分離,以及焊料老化等。

          中國汽車IGBT市場情況

          隨著國內新能源汽車產業(yè)的快速發(fā)展,產業(yè)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(yè)會更大更強!

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          關鍵詞: 汽車 電控 IGBT

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