随着新能源汽车的快速发展，电驱系统和IGBT模块成为了电动汽车技术中的核心组成部分。虽然许多人已经习惯了电动汽车的出行体验，但对于这些技术背后的运作机制却知之甚少。如何将直流电转变为交流电供驱动电机使用？如何通过先进的半导体技术，控制电流流向并确保电池的高效运转？这些问题的答案都指向了IGBT模块——这一电控系统中的关键部件。
文将深入探讨汽车电控IGBT模块的工作原理、结构以及它在电驱系统中的重要作用。通过对电驱系统、三电系统的解析，带您逐步了解为何IGBT模块在新能源汽车的动力系统中占据如此重要的位置。从基础的封装类型到复杂的生产流程，您将全面掌握这些模块如何通过精密设计与高效工作支撑新能源汽车的动力需求。同时，我们还将关注国内IGBT模块市场的崛起，以及它如何在全球汽车电控领域中逐渐占据一席之地。
如果您也对新能源汽车技术、尤其是电控系统背后的创新与发展感兴趣，那么本篇文章将为您提供一次全面而深入的理解，助您一文搞懂汽车电控IGBT模块。
电驱系统和IGBT模块的作用
要理解IGBT模块，首先需要了解新能源汽车的电驱系统。简单来说，电驱系统的工作原理是：在驾驶新能源汽车时，电机控制器将动力电池释放的直流电（DC）转换成交流电（AC），这个过程叫做逆变。转换后的交流电驱动电机工作，电机将电能转化为机械能，驱动汽车行驶。通过传动系统（如减速器），车轮开始转动。而当汽车制动时，车轮的机械能会转化为电能，回充到电池中，这个过程叫做动能回收。
1．什么是“三电系统”和“电驱系统”？
“三电系统”是指动力电池（简称电池）、驱动电机（简称电机）、电机控制器（简称电控），这三大核心组件决定了整车的动力性能和成本，约占新能源汽车总成本的70%以上。可以说，这三大件是新能源汽车的“心脏”。
而电驱系统则是一个更加广泛的概念，通常我们把电机、电控、减速器称作电驱系统。严格来说，电驱系统包括三大总成：驱动电机总成（负责将电池的电能转化为机械能），控制器总成（通过功率半导体的硬件和软件，控制电机的运行状态），以及传动总成（通过齿轮组降低转速，提高扭矩，保证电驱系统高效运行）。
2.什么是“多合一电驱系统”？
早期，电机、电控和减速器是分开设计和制造的，随着技术的发展，这些零部件被集成在一个部件中，形成了所谓的“三合一电驱”。这样的集成设计可以节省空间，减轻重量，提升性能，并且降低成本。
目前，市场上较为先进的集成方案之一是比亚迪旗下弗迪动力的“八合一电动力总成”。这套系统不仅集成了驱动电机、电机控制器、减速器，还包括了车载充电器、直流变换器、配电箱、整车控制器和电池管理器等多种功能部件。
尽管集成度越高，系统的紧凑性和性能优势也越明显，但也带来了挑战。例如，散热结构的设计、系统稳定性的保障以及生产工艺的成熟度等问题，这些都需要仔细权衡。另外，高度集成的系统可能带来较高的后期维修成本，因此在选择多合一电驱系统时需要综合考虑多方面因素。
3.IGBT模块如何工作？
在电控系统中，IGBT模块是逆变器的核心组件。其工作原理可以用一个简单的比喻来解释：把IGBT芯片看作一个理想的开关，它能够快速开关电流的流向和频率。具体来说，IGBT模块内部包含多个IGBT芯片单元，这些单元按一定的方式并联或串联。当直流电流通过模块时，这些IGBT芯片通过快速切换电流的方向和频率，蕞终将直流电转化为我们需要的交流电（AC）。
简单来说，IGBT模块通过调节电流的流向和频率，实现从直流电到交流电的转换，驱动电机工作。这是电驱系统中不可或缺的一环，也是新能源汽车能够高效运行的关键之一。
通过这样的解析，您可以看到IGBT模块在电驱系统中的重要作用，它如何帮助新能源汽车的动力系统高效运作。
IGBT模块结构和汽车IGBT模块应用
我们来深入了解一下IGBT模块的结构与工作原理：
1. IGBT模块的外观
IGBT模块的标准封装通常是一个扁平的长方体形状。以HP1模块为例，外面是白色的塑料外壳，底部是导热散热的金属底板（一般采用铜材质）。在模块的表面，我们可以看到多个端子和引脚，它们各自有不同的功能：
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
2． IGBT的基础拓扑结构
IGBT模块的拓扑结构可以从单个单元到多个单元，逐步增加复杂性。常见的单元配置如下：
·1单元：由1对FRD（自由反向二极管）和1个IGBT组成；
·2单元：一个半桥结构；
·4单元：一个H桥（单相桥）；
·6单元：三相桥（全桥）；
·7单元：六单元加一个制动单元；
·8单元：六单元加制动单元和预充电单元。
这些单元的配置有助于模块根据不同需求进行定制，以适应不同类型的电驱系统。
图：英飞凌Primepack IGBT模块
3. IGBT模块的生产流程
IGBT模块的生产过程非常精细，以下是主要步骤：
1.贴片：首先将IGBT芯片（die）贴在DBC（陶瓷基板）上。DBC基板一般采用氧化铝或氮化铝材料，具有良好的导电性和电气隔离特性。
2.真空回流焊接：通过真空焊接将芯片和基板固定，焊料通常使用锡片或锡膏。
3.X-ray检测：检查焊接过程中是否有气泡或空洞，空洞可能会影响热传导，导致过热或故障。
4.键合（Wire bonding）：使用金属线（常用铝线）将芯片和基板连接起来。
5.外观检查与静态测试：对模块进行外观检查并进行初步的静态性能测试，发现问题的模块将被淘汰。
6.封壳与灌胶：将模块封入外壳中，并进行灌胶和固化处理，以增强模块的结构稳定性。
7.功能测试：蕞终进行动态测试、绝缘测试和反偏测试等，以确保模块的电气性能符合要求。
4.常见的汽车IGBT模块封装类型
汽车IGBT模块有多种封装形式，适用于不同功率等级的车型。常见的封装类型包括：
·Econodual系列半桥封装：主要应用在商用车上，规格如1200V/450A、1200V/600A等；
·HP1全桥封装：主要用于中小功率车型，常见的规格如650V400A，适用于部分A级车和大多数A0、A00车型；
·HPD全桥封装：用于中大功率车型，规格如750V820A，占据市场主流；
·DC6全桥封装：这种封装方案紧凑，功率密度高，散热性能好，适合高功率应用；
·TO247单管并联封装：这种封装形式用于灵活的电路设计，可以通过并联多个单管来达到所需电流，成本较低，但并联的电流一致性和系统设计难度较大。
5.汽车IGBT模块的测试验证
汽车IGBT模块的质量要求比消费电子和工业应用更高，因此它们需要经过严格的车规认证，通常需要大约2年的车型导入周期。主要的测试标准包括AEC-Q101和AQG-324，汽车厂商还会根据车型特点进行个性化要求。常见的测试方法有：
·参数测试：检测模块的基本电气性能；
·ESD测试（静电放电）；
·绝缘耐压测试；
·机械振动与冲击测试；
·高温老化与低温老化；
·温度循环与温度冲击；
·高温高湿无偏压（UHAST）；
·高温反偏（HTRB）和高温删偏（HTGB）；
·功率循环与可焊性测试。
其中，功率循环和温度循环是针对模块耐久性的重要测试，目的是评估模块在长时间高负荷运行中的可靠性。测试过程中的失效机理主要包括芯片、键合线和焊料的热膨胀不一致，可能导致键合线脱落或芯片焊层分离等问题。
通过这些详细的测试和生产工艺，IGBT模块得以保证在汽车电驱系统中发挥稳定、长效的作用。
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