汽車電控IGBT模塊的工作原理

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊在汽車電控系統中發揮著關鍵作用。在電驅系統中，當駕駛新能源汽車時，電機控制器將動力電池放出的直流電（DC）轉變為交流電（AC），這個過程被稱為逆變，從而讓驅動電機工作，電機將電能轉化為機械能，再通過傳動系統讓汽車輪子轉動。IGBT模塊是逆變器的核心部件，其工作原理如下： 通過半導體非通即斷的特性，不考慮過渡過程和寄生效應，將單個IGBT芯片視作理想開關。在模塊內部構建若干個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，改變電流的流出方向和頻率，從而輸出期望的交流電。

IGBT模塊的標準封裝形式通常是一個扁平的類長方體，最外面是塑料外殼，底部是導熱散熱的金屬底板（一般為銅材料）。模塊外部有眾多端子和引腳，各自具有特定作用。

IGBT模塊的生產流程具有很高的技術和工藝要求，大致包括：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）。在貼片環節，首先將IGBT wafer上的每一個die貼片到DBC（覆銅陶瓷基板）上，DBC中間是陶瓷，雙面覆銅，起到導電和電氣隔離作用，常用陶瓷絕緣材料為氧化鋁（Al2O3）和氮化鋁（AlN）。真空焊接時，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空洞檢測用于檢測焊接過程中出現的氣泡情況，即空洞，空洞存在會嚴重影響器件的熱阻和散熱效率，導致過溫、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wirebonding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。

汽車電控IGBT模塊的應用領域

汽車電控IGBT模塊在新能源汽車領域有著廣泛的應用，主要包括以下幾個方面：

• 電動控制系統：用于大功率直流/交流（DC/AC）逆變后驅動汽車電機。

• 車載空調控制系統：實現小功率直流/交流（DC/AC）逆變，使用電流較小的IGBT和FRD。

• 充電樁：在智能充電樁中作為開關元件使用。

IGBT模塊憑借出色的開關特性、耐高溫性、輕量化和極具成本效益等特色，成為各個產業的熱門選擇，包括汽車、工業和可再生能源。在車輛中，IGBT模塊主要作為電氣開關使用，能夠將直流電（DC）轉換成交流電（AC），反之亦然。如電動汽車和混合動力汽車，可用車載逆變器系統來控制電動馬達，其優勢在于改善開關速度、散熱穩定、重量輕巧和成本可控。此外，IGBT模塊在智能電網的發電端、輸電端、變電端及用電端均有應用，在軌道交通的交流傳動系統中，IGBT也是牽引變流器最核心的器件之一。

汽車電控IGBT模塊的主要品牌

目前，汽車電控IGBT模塊的主要品牌包括：

• 國外品牌：英飛凌、富士、三菱、西門康等。

• 國內品牌：

• 嘉興斯達半導體股份有限公司：自2005年成立以來，專注于IGBT芯片和模塊的研發、生產與銷售服務，成功研發出全系列IGBT芯片、FRD芯片及IGBT模塊，在新能源汽車、變頻器、逆變焊機、UPS、光伏/風力發電、SVG、白色家電等領域得到廣泛應用。

• 江蘇宏微科技股份有限公司：長期從事電力電子產品研發和生產，專注于設計、研發、生產和銷售功率半導體芯片、單管和模塊，為國家IGBT和FRED標準起草單位提供支持。

• 南京銀茂微電子制造有限公司：專注于工業和其他應用的功率IGBT和MOSFET模塊產品的設計和制造，2016年通過TS16949認證之后，進入新能源汽車級IGBT/SIC功率模塊生產制造領域，產品廣泛用于工業變頻、新能源、電源裝備、公共交通、航空航天和國防領域等多個領域。

• 比亞迪半導體有限公司：國內領先的半導體企業，產品涵蓋MOSFET、IGBT、IPM、SiC功率器件等多個領域，基于高密度TrenchFS的IGBT5.0技術已實現量產，正在積極布局新一代IGBT技術，是國內少數能夠實現車規級IGBT量產裝車的IDM廠商。

• 上汽英飛凌汽車功率半導體（上海）有限公司：由上汽集團和英飛凌共同出資成立的合資企業，從事車規級IGBT功率模塊的生產、銷售、本土化的應用服務與開發支持，工廠全方位引進了德國英飛凌的先進設備、生產工藝與質量保證體系，建立了國內第一家具備國際領先水平的車規級全自動IGBT模塊封裝測試產線和高度集成的生產制造系統。

汽車電控IGBT模塊的發展趨勢

近年來，中國新能源汽車產量增長迅速，IGBT作為新能源汽車核心零部件，其需求量也不斷提升。IGBT分為低壓、中壓和高壓，應用場景廣泛，適用于各類需要交流電和直流電轉換及高低電壓轉換的應用場景。在新能源汽車取代燃油汽車的趨勢下，IGBT作為其核心零部件，需求量也將得到提升。

然而，IGBT市場長期被大型國外跨國企業壟斷，近年來國內廠商逐漸發力。在國內新能源汽車IGBT模塊市場中，英飛凌公司占據較大市場份額，中車時代電氣等國內企業的市場份額也在逐漸攀升。隨著市場的發展和國家政策的推動，中國IGBT行業取得了一定的技術進步，國產化趨勢明顯，預計未來市場規模將繼續擴大。

汽車電控IGBT模塊的故障診斷與維修

在對IGBT模塊進行檢測和維修時，需要注意以下方面：

• 極性判斷：將萬用表撥在R×1KΩ擋，若某一極與其它兩極阻值為無窮大，調換表筆后該極與其它兩極的阻值仍為無窮大，則此極為柵極（G）。其余兩極再用萬用表測量，若測得阻值為無窮大，調換表筆后測量阻值較小。在測量阻值較小的一次中，紅表筆接的為集電極（C），黑表筆接的為發射極（E）。

• 好壞判斷：將萬用表撥在R×10KΩ擋，用黑表筆接IGBT的集電極（C），紅表筆接IGBT的發射極（E），此時萬用表的指針在零位。用手指同時觸及一下柵極（G）和集電極（C），這時IGBT被觸發導通，萬用表的指針擺向阻值較小的方向，并能站住指示在某一位置，即可判斷IGBT是好的。

IGBT模塊可能出現多種故障，常見的故障原因及處理方式如下：

• 過電流損壞：

• 鎖定效應：IGBT為復合器件，其內有一個寄生晶閘管，當漏極電流大到一定程度時，會發生鎖定效應，導致集電極電流過大，造成器件損壞。

• 長時間過流運行：IGBT模塊長時間過流運行是指其運行指標達到或超出RBSOA（反偏安全工作區）所限定的電流安全邊界，如選型失誤、安全系數偏小等，電路必須能在電流到達RBSOA限定邊界前立即關斷器件，以保護器件。

• 短路超時（10us）：如果此時IGBT所承受的最大電壓也超過器件標稱值，IGBT必須在更短的時間內被關斷。

• 過電壓損壞和靜電損壞：IGBT在關斷時，由于逆變電路中存在電感成分，關斷瞬間產生尖峰電壓，如果尖峰電壓超過IGBT器件的最高峰值電壓，將造成IGBT擊穿損壞。多數情況下，可采用電壓鉗位，在集電極-柵極兩端并接齊納二極管，采用柵極電壓動態控制，避免IGBT因受集電極發射極過電壓而損壞。

• 過熱損壞：過熱損壞一般指使用中IGBT模塊的結溫超過晶片的最大溫度限定，目前應用的IGBT器件還是以Tjmax=150°C的NPT技術為主流，在IGBT模塊應用中其結溫應限制在該值以下。

• G-E間開放狀態下外加主電路電壓：在門極一發射極問開放的狀態下外加主電路電壓，會使IGBT自動導通，通過過大的電流，使器件損壞。為防止這種損壞，必須先將主電路（C-E間）的電壓放電至0V，再進行門極信號的切換。

• 機械應力對產品的破壞：IGBT器件的端子如果受到強外力或振動，就會產生應力，可能導致損壞IGBT器件內部電氣配線等情況，在實際安裝時應避免發生類似的應力。

IGBT芯片封裝清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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