汽车电控IGBT模块的工作原理

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块在汽车电控系统中发挥着关键作用。在电驱系统中，当驾驶新能源汽车时，电机控制器将动力电池放出的直流电（DC）转变为交流电（AC），这个过程被称为逆变，从而让驱动电机工作，电机将电能转化为机械能，再通过传动系统让汽车轮子转动。IGBT模块是逆变器的核心部件，其工作原理如下： 通过半导体非通即断的特性，不考虑过渡过程和寄生效应，将单个IGBT芯片视作理想开关。在模块内部构建若干个IGBT芯片单元的并串联结构，当直流电通过模块时，通过不同开关组合的快速开断，改变电流的流出方向和频率，从而输出期望的交流电。

IGBT模块的标准封装形式通常是一个扁平的类长方体，最外面是塑料外壳，底部是导热散热的金属底板（一般为铜材料）。模块外部有众多端子和引脚，各自具有特定作用。

IGBT模块的生产流程具有很高的技术和工艺要求，大致包括：贴片→真空回流焊接→超声波清洗→X-ray缺陷检测→引线键合→静态测试→二次焊接→壳体灌胶与固化→端子成形→功能测试（动态测试、绝缘测试、反偏测试）。在贴片环节，首先将IGBT wafer上的每一个die贴片到DBC（覆铜陶瓷基板）上，DBC中间是陶瓷，双面覆铜，起到导电和电气隔离作用，常用陶瓷绝缘材料为氧化铝（Al2O3）和氮化铝（AlN）。真空焊接时，贴片后通过真空焊接将die与DBC固定，一般焊料是锡片或锡膏。X-ray空洞检测用于检测焊接过程中出现的气泡情况，即空洞，空洞存在会严重影响器件的热阻和散热效率，导致过温、烧坏、爆炸等问题，一般汽车IGBT模块要求空洞率低于1%。接下来是wirebonding工艺，用金属线将die和DBC键合，使用最多的是铝线，其他常用的包括铜线、铜带、铝带。中间会有一系列的外观检测、静态测试，过程中有问题的模块直接报废。重复以上工序将DBC焊接和键合到铜底板上，然后是灌胶、封壳、激光打码等工序。出厂前会做最后的功能测试，包括电气性能的动态测试、绝缘测试、反偏测试等。

汽车电控IGBT模块的应用领域

汽车电控IGBT模块在新能源汽车领域有着广泛的应用，主要包括以下几个方面：

• 电动控制系统：用于大功率直流/交流（DC/AC）逆变后驱动汽车电机。

• 车载空调控制系统：实现小功率直流/交流（DC/AC）逆变，使用电流较小的IGBT和FRD。

• 充电桩：在智能充电桩中作为开关元件使用。

IGBT模块凭借出色的开关特性、耐高温性、轻量化和极具成本效益等特色，成为各个产业的热门选择，包括汽车、工业和可再生能源。在车辆中，IGBT模块主要作为电气开关使用，能够将直流电（DC）转换成交流电（AC），反之亦然。如电动汽车和混合动力汽车，可用车载逆变器系统来控制电动马达，其优势在于改善开关速度、散热稳定、重量轻巧和成本可控。此外，IGBT模块在智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端均有应用，在轨道交通的交流传动系统中，IGBT也是牵引变流器最核心的器件之一。

汽车电控IGBT模块的主要品牌

目前，汽车电控IGBT模块的主要品牌包括：

• 国外品牌：英飞凌、富士、三菱、西门康等。

• 国内品牌：

• 嘉兴斯达半导体股份有限公司：自2005年成立以来，专注于IGBT芯片和模块的研发、生产与销售服务，成功研发出全系列IGBT芯片、FRD芯片及IGBT模块，在新能源汽车、变频器、逆变焊机、UPS、光伏/风力发电、SVG、白色家电等领域得到广泛应用。

• 江苏宏微科技股份有限公司：长期从事电力电子产品研发和生产，专注于设计、研发、生产和销售功率半导体芯片、单管和模块，为国家IGBT和FRED标准起草单位提供支持。

• 南京银茂微电子制造有限公司：专注于工业和其他应用的功率IGBT和MOSFET模块产品的设计和制造，2016年通过TS16949认证之后，进入新能源汽车级IGBT/SIC功率模块生产制造领域，产品广泛用于工业变频、新能源、电源装备、公共交通、航空航天和国防领域等多个领域。

• 比亚迪半导体有限公司：国内领先的半导体企业，产品涵盖MOSFET、IGBT、IPM、SiC功率器件等多个领域，基于高密度TrenchFS的IGBT5.0技术已实现量产，正在积极布局新一代IGBT技术，是国内少数能够实现车规级IGBT量产装车的IDM厂商。

• 上汽英飞凌汽车功率半导体（上海）有限公司：由上汽集团和英飞凌共同出资成立的合资企业，从事车规级IGBT功率模块的生产、销售、本土化的应用服务与开发支持，工厂全方位引进了德国英飞凌的先进设备、生产工艺与质量保证体系，建立了国内第一家具备国际领先水平的车规级全自动IGBT模块封装测试产线和高度集成的生产制造系统。

汽车电控IGBT模块的发展趋势

近年来，中国新能源汽车产量增长迅速，IGBT作为新能源汽车核心零部件，其需求量也不断提升。IGBT分为低压、中压和高压，应用场景广泛，适用于各类需要交流电和直流电转换及高低电压转换的应用场景。在新能源汽车取代燃油汽车的趋势下，IGBT作为其核心零部件，需求量也将得到提升。

然而，IGBT市场长期被大型国外跨国企业垄断，近年来国内厂商逐渐发力。在国内新能源汽车IGBT模块市场中，英飞凌公司占据较大市场份额，中车时代电气等国内企业的市场份额也在逐渐攀升。随着市场的发展和国家政策的推动，中国IGBT行业取得了一定的技术进步，国产化趋势明显，预计未来市场规模将继续扩大。

汽车电控IGBT模块的故障诊断与维修

在对IGBT模块进行检测和维修时，需要注意以下方面：

• 极性判断：将万用表拨在R×1KΩ挡，若某一极与其它两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大，则此极为栅极（G）。其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中，红表笔接的为集电极（C），黑表笔接的为发射极（E）。

• 好坏判断：将万用表拨在R×10KΩ挡，用黑表笔接IGBT的集电极（C），红表笔接IGBT的发射极（E），此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极（G）和集电极（C），这时IGBT被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站住指示在某一位置，即可判断IGBT是好的。

IGBT模块可能出现多种故障，常见的故障原因及处理方式如下：

• 过电流损坏：

• 锁定效应：IGBT为复合器件，其内有一个寄生晶闸管，当漏极电流大到一定程度时，会发生锁定效应，导致集电极电流过大，造成器件损坏。

• 长时间过流运行：IGBT模块长时间过流运行是指其运行指标达到或超出RBSOA（反偏安全工作区）所限定的电流安全边界，如选型失误、安全系数偏小等，电路必须能在电流到达RBSOA限定边界前立即关断器件，以保护器件。

• 短路超时（10us）：如果此时IGBT所承受的最大电压也超过器件标称值，IGBT必须在更短的时间内被关断。

• 过电压损坏和静电损坏：IGBT在关断时，由于逆变电路中存在电感成分，关断瞬间产生尖峰电压，如果尖峰电压超过IGBT器件的最高峰值电压，将造成IGBT击穿损坏。多数情况下，可采用电压钳位，在集电极-栅极两端并接齐纳二极管，采用栅极电压动态控制，避免IGBT因受集电极发射极过电压而损坏。

• 过热损坏：过热损坏一般指使用中IGBT模块的结温超过晶片的最大温度限定，目前应用的IGBT器件还是以Tjmax=150°C的NPT技术为主流，在IGBT模块应用中其结温应限制在该值以下。

• G-E间开放状态下外加主电路电压：在门极一发射极问开放的状态下外加主电路电压，会使IGBT自动导通，通过过大的电流，使器件损坏。为防止这种损坏，必须先将主电路（C-E间）的电压放电至0V，再进行门极信号的切换。

• 机械应力对产品的破坏：IGBT器件的端子如果受到强外力或振动，就会产生应力，可能导致损坏IGBT器件内部电气配线等情况，在实际安装时应避免发生类似的应力。

IGBT芯片封装清洗剂选择：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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