医疗器械企业新能源汽车核心部件电控IGBT模块详解

2024-10-10 14:35:11

　　当前的新能源车的模块系统由很多部分组成，如电池、VCU、BSM、电机等，但是这些都是发展比较成熟的产品，国内外的模块厂商已经开发了很多，但是有一个模块需要引起行业内的重视，那就是电机驱动部分最核心的元件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管芯片）。作为电力电子行业里的“CPU”，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是国际上公认的电子革命中最具代表性的产品。将多个IGBT芯片集成封装在一起形成IGBT模块，其功率更大、散热能力更强，在新能源汽车领域发挥着极为重要的功用和影响。

　　三电系统，即动力电池（简称电池）、驱动电机（医疗器械企业简称电机）、电机控制器（简称电控），也被人们成为三大件，加起来约占新能源车总成本的70%以上，是决定整车运动性能核心的组件。

　　但严格定义上讲，根据进精电动招股说明书，电驱动系统包括三大总成：驱动电机总成（将动力电池的电能转化为旋转的机械能，是输出动力的来源）、控制器总成（基于功率半导体的硬件及软件设计，对驱动电机的工作状态进行实时控制，并持续丰富其他控制功能）、传动总成（通过齿轮组降低输出转速提高输出扭矩，以保证电驱动系统持续运行在高效区间）。

　　电驱系统工作：在驾驶新能源汽车时，电机控制器把动力电池放出的直流电（DC）变为交流电（AC）（这个过程即逆变），让驱动电机工作，电机将电能转换成机械能，再通过传动系统（主要是减速器）让汽车的轮子跑起来。反过来，把车轮的机械能转换存储到电池的过程就是动能回收。电驱系统工作示意图如下：

　　IGBT模块的标准封装形式是一个扁平的类长方体，下图为HP1模块的正上方视角，最外面白色的都是塑料外壳，底部是导热散热的金属底板（一般是铜材料）。可以看到模块外面还有非常多的端子和引脚，各自有自己的作用：

　　通过非通即断的半导体特性，不考虑过渡过程和寄生效应，我们将单个IGBT芯片看做一个理想的开关。我们在模块内部搭建起若干个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，来改变电流的流出方向和频率，从而输出得到我们想要的交流电。

　　IGBT行业的门槛非常高。除了芯片的设计和生产，IGBT模块封装测试的开发和生产等环节同样有着非常高的技术要求和工艺要求。

　　如上图所示，可以看到IGBT模块横切面的界面，目前壳封工艺的模块基本结构都相差不大。IGBT模块封装的流程大致如下：

　　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）

　　贴片，首先将IGBT wafer上的每一个die贴片到DBC上。DBC是覆铜陶瓷基板，中间是陶瓷，双面覆铜，DBC类似PCB起到导电和电气隔离等作用，常用的陶瓷绝缘材料为氧化铝（Al2O3）和氮化铝（AlN）；

　　真空焊接，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，需要检测在敢接过程中出现的气泡情况，即空洞，空洞的存在将会严重影响器件的热阻和散热效率，以致出现过温、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wire bonding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；

　　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、反偏测试等等。

　　HP1全桥封装，主要用在中小功率车型上，包括部分A级车、绝大部分的A0、A00车，峰值功率一般在70kW以内，型号以650V400A为主，其他规格医疗器械企业如750V300A、750V400A、750V550A等；

　　HPD全桥封装，中大功率型车上使用，大部分A级车及以上，以750V820A的规格占据市场主流，其他规格如750V550A等；

　　DC6全桥封装，基于UVW三相全桥的整体式封装方案，具备封装紧凑，功率密度高，散热性能好等特点；

　　TO247单管并联，市场上也有少量使用TO247单管封装的电控系统方案。使用单管并联方案的优势主要有两点：①单管方案可以实现灵活的线路设计，需要多大的电流就用相应的单管并联就好了，所以成本也有一定优势；②寄生电感问题比IGBT模块好解决。但是使用单管并联也存在一些待解决的难点：①每个并联单管之间均流和平衡比较困难，一致性比较难得到保障，例如实现同时的开断，相同的电流、温度等；②客户的系统设计、工艺难度非常大；③接口比较多，对产线、中国汽车IGBT市场情况

　　随着国内新能源汽车产业的快速发展，产业链上游大有逐步完成国产替代，甚至引领世界的趋势，诸如整车品牌、动力电池、电池材料等等已经走得比较靠前。而汽车电控IGBT模块是新能源汽车最核心的功率器件，之前一直被诸如英飞凌、安森美、赛米控、三菱电机等国外供应商垄断，但随着比亚迪半导体、斯达半导、中车时代、士兰微、翠展微等国内供应商的崛起，目前在一定程度上已经能够满足国产需求，相信在不久的将来，国内汽车半导体企业会更大更强！

　　英飞凌科技公司于1999年4月1日在德国慕尼黑正式成立，是全球领先的半导体公司之一。其前身是西门子集团的半导体部门，于1999年独立，2000年上市。英飞凌的业务遍及全球，在全球共有56家研发机构和20家生产工厂。

　　微控制器、智能传感器、射频收发IC、雷达、分立式和集成式功率半导体、充电模块、充电器、控制器、DCDC、IGBT、智能网联处理器、网关芯片、AI芯片

　　比亚迪半导体股份有限公司是国内领先的半导体企业，成立于2004年10月15日，主要从事功率半导体、智能控制IC、智能传感器、光电半导体，半导体制造及服务，覆盖了对光、电、磁等信号的感应、处理及控制，产品广泛应用于汽车、能源、工业和消费电子等领域，具有广阔的市场前景。比亚迪半导体矢志成为高效、智能、集成的新型半导体供应商。

　　电源管理芯片、功率MOSFET、LED驱动芯片、电量计、复位芯片、IGBT芯片及模组、智能功率模块及IGBT智能驱动模块、CMOS图像传感器、音频功放、消噪IC、笔记本触控面板、触摸控制芯片、TVS管和电流传感器、摄像头

　　嘉兴斯达半导体股份有限公司成立于2005年4月，是一家专业从事功率半导体芯片和模块尤其是IGBT芯片和模块研发、生产和销售服务的国家级高新技术企业。公司总部位于浙江嘉兴，在上海和欧洲均设有子公司，并在国内和欧洲设有研发中心，是目前国内IGBT领域的领军企业。

　　瑞萨电子株式会社，是全球无线网络、汽车、消费与工业市场设计制造嵌入式半导体的全球领先供应商，产品包括微控制器、SoC解决方案和各种模拟与功率器件。现在的瑞萨电子，是由NEC、三菱半导体、日立半导体，三大巨头构成的。2003年4月1日由日立制作所半导体部门和三菱电机半导体部门合并成立了瑞萨科技，NEC电子和瑞萨科技于2010年4月合并，由此诞生了瑞萨电子。

　　微控制器、微处理器、传感器、模拟功率器件、SoC产品、AI芯片、电源管理、电池管理、抬头显示、网关芯片

　　日本电装公司(DENSO股份有限公司）成立于1949年12月16日，是世界汽车系统零部件的顶级供应商，目前共拥有198家公司(日本63、北美21、欧洲27、亚洲80、其他7)。

　　动力传动系统产品（如喷油器、燃油泵、ECU等）、空调相关产品（如空调单元、压缩机、冷凝器等）、车身相关产品（如雨刮系统，仪表等）、驾驶安全相关产品（如安全气囊ECU，毫米波雷达等）、信息通信产品（如车载导航等）、汽车后市场产品（如火花塞、雨刮片等）以及机械手、扫码器等其他领域产品、IGBT，OTA方案、W-HUD、中控仪表、车载DMS系统、T-Box、智能座舱、导航影音一体机/车机、液晶仪表、安全带提醒器（SBR）、座椅电机、域控制器、W-BMS业务

　　富士电机控股公司FUJI ELECTRIC HOLDINGS CO., LTD.成立于成立时间：1923年8月29日，富士电机是古河电器工业与德国西门子以资本技术资本合作成立的公司医疗器械企业。产品涵盖电机系统、电子设备、零售终端设备、半导体、发电设备、能源管理等。

　　三菱电机株式会社，是三菱MITSUBISHI财团之一，全球500强。公司成立于1921年1月15日，当时三菱造船公司（现在的三菱重工业株式会社）将日本神户的一家工厂脱离出去，组建了一家名为三菱电机株式会社的新公司，专门为远洋船舶制造电机。目前三菱业务范围包括重电系统、工业自动化系统、信息通讯系统、电子元器件、家用电器等。

　　变压器、高压开关、IGBT、LED显示系统、功率器件、光器件和光模块、微波和射频器件、液晶显示屏

　　株洲中车时代电气股份有限公司（下称中车时代电气）是中国中车旗下股份制企业，其前身及母公司——中车株洲电力机车研究所有限公司创立于1959年。中车时代电气秉承“双高双效”高速牵引管理模式，坚持“同心多元化”发展战略，围绕技术与市场，形成了“基础器件+装置与系统+整机与工程”的完整产业链结构，产业涉及高铁、机车、城轨、轨道工程医疗器械企业机械、通信信号、大功率半导体、传感器、海工装备、新能源汽车、环保、通用变频器等多个领域，业务遍及全球20多个国家和地区。

　　大功率半导体产业（IGBT、双极器件、功率组件）、新能源乘用车电驱动系统

　　浙江翠展微电子有限公司是车规级IGBT模块设计生产供应商，成立于2018年,公司总部及生产基地位于浙江省嘉兴市，同时在上海、苏州、合肥、天津、重庆、深圳设立子（分）公司。公司是国内为数不多的汽车电控IGBT模块量产供应商，位于嘉善的IGBT模块产线质量认证体系认证，公司产品的性能和生产良率处于国内领先水平，并已经批量给多个汽车客户供应自主IGBT模块。

　　汽车主电控IGBT模块、定制一体化IGBT模块、SIC模块，工业IGBT模块，PIR芯片、TO247单管，汽车底层软件服务、电机控制方案、软件开发工具链等。

　　公司的客户有上汽集团，比亚迪，江淮汽车，吉利汽车，长城汽车，奇瑞汽车，滴滴，蔚来汽车，小鹏汽车，威马汽车，北汽新能源，上海电气，昌辉汽车，鸿创新能源，华人运通，株洲中车时代，德欧科技、日虹科技、深川变频医疗器械企业、廊坊科森等业内知名企业。

　　赛米控是全球领先的功率模块和系统制造商之一,产品主要涉及中等功率输出范围(约2 kW至10 MW)。我们的产品是现代节能型电机驱动器和工业自动化系统中的核心器件

　　IGBT模块、SiC（全碳化硅功率模块、混合碳化硅功率模块）、分立元件（芯片、二极管、晶闸管）、MOSFET模块、晶闸管/二极管模块、桥式整流器模块、IPM、IGBT驱动、热界面材料等

　　安森美半导体(ON Semiconductor)是应用于高能效电子产品的首要高性能硅方案供应商。公司的产品系列包括电源和信号管理、逻辑、分立及定制器件，帮助客户解决他们在汽车、通信、计算机、消费电子、工业、LED照明、医疗、军事/航空及电源应用的独特设计挑战，既快速又符合高性价比。

　　罗姆半导体（上海）有限公司ROHM(罗姆)成立于1958年，是全球知名的半导体厂商。

　　存储器、放大器/比较器、电源管理、时钟/计时器、开关/多路转换器/逻辑、数据转换器、传感器/MEMS、显示用驱动器、电机/执行机构驱动器、接口、通信LSI(LAPIS)、音频/视频、MOSFET、双极晶体管、二极管、功率晶体管、功率二极管SiC（碳化硅）功率元器件、IGBT、智能功率模块、电阻器、导电性高分子电容器、钽电容器、贴片LED、LED显示器、激光二极管、光学传感器、无线通信模块热敏打印头、薄膜压电MEMS、晶圆(LAPIS)、WL-CSP(LAPIS)

　　江苏宏微科技股份有限公司是由一批长期在国内外从事电力电子产品研发和生产，具有多种专项技术的科技人员组建的国家重点高新技术企业。是国家高技术产业化示范工程基地，国家IGBT和FRED标准起草单位；江苏省新型高频电力半导体器件工程技术研究中心等。

　　快恢复二极管芯片、分立器件（IGBT分立器件、MOSFET分立器件、FRED分立器件）、功率模块（IGBT模块、快恢复二极管模块、整流二极管模块、晶闸管模块、整流桥模块），电源模组（新能源大巴空调控制器、车载DCDC、预充单元PTC控制器、车载逆变器、风机调速模块）等

　　意法半导体（中国）投资有限公司1987年，两家历史悠久的半导体公司-意大利SGS Microelettronica和法国汤姆逊半导体公司（Thomson Semiconducteurs）-合并成立了今天的意法半导体公司，1994年起成为上市公司。意法半导体拥有丰富的芯片制造工艺，包括先进的FD-SOI（全耗尽绝缘体上硅）、CMOS（互补金属氧化物半导体）、混合信号、模拟和电源制造工艺，是国际半导体开发联盟（ISDA）开发下一代CMOS技术的合作企业之一。

　　江苏中科君芯科技有限公司是一家专注于IGBT、FRD等新型电力电子芯片研发的中外合资高科技企业。公司成立于2011年底，依托中国科学院的科研团队和研发平台，结合海内外的技术精英以及专业的市场管理团队共同组建而成。

　　吉林华微电子股份有限公司是集功率半导体器件设计研发、芯片加工、封装测试及产品营销为一体的国家级高新技术企业，公司经科技部、中科院等国家机构认证。目前公司已形成IGBT、MOSFET、SCR、SBD、IPM、FRD、BJT等为营销主线的系列产品，产品种类基本覆盖功率半导体器件全部范围，广泛应用于汽车电子、电力电子医疗器械企业、光伏逆变、工业控制与LED照明等领域，并不断在新能源汽车、光伏、变频等战略性新兴领域快速拓展。

　　功率半导体器件设计研发、芯片加工、封装测试（IGBT、MOSFET、SCR、SBD、IPM、FRD、BJT等）

　　东芝电子元件（上海）有限公司提供各种车载半导体器件，有提高驾驶安全性的车载图像识别处理器，有针对新能源汽车的变频器控制方案，相关电机驱动器和功率器件，以及车载信息娱乐解决方案等。

　　新能源车用光耦隔离器件TLX系列、ADAS用最新图像识别芯片VisconTI4、新能源车用IGBT芯片、冷却水泵控制芯片、无刷EPS电机驱动芯片与MOSFET、新能源车冷却水阀驱动芯片等

　　引用地址：新能源汽车核心部件电控IGBT模块详解上一篇：特斯拉Model3搭载SiC，宽禁带半导体迎来爆发

　　芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于Cadence IC 617

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