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)。
圖片來源:進精電動招股說明書
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。
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。
圖片來源,翠展微
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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。
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。
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。
汽車IGBT模塊測試標準主要參照AEC-Q101和AQG-324,同時車企會根據自己的車型特點提出相應的要求,主要測試方法包括:參數測試、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、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、可焊性。
其中功率循環和溫度循環作為代表的耐久測試,要求極為嚴格,例如功率循環次數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。