Новости PCB - Знакомство с IGBT-модулями, основным электронным компонентом для новых энергетических транспортных средств

Современная система новых энергетических автомобильных модулей состоит из множества компонентов, таких как аккумуляторы, VCU, BSM, двигатели и т.д., Но это относительно зрелые продукты. Производители автомобильных модулей разработали множество, но есть один модуль, который должен привлечь внимание отрасли. Самое важное - это IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), основной электронный компонент приводной части двигателя.

Как центральный процессор в индустрии силовой электроники, IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) признан на международном уровне наиболее представительным продуктом электронной революции. Несколько микросхем IGBT интегрированы и упакованы вместе, образуя IGBT-модуль, который обладает большей мощностью и более эффективными возможностями рассеивания тепла. Она играет чрезвычайно важную роль и оказывает влияние в области создания новых энергетических транспортных средств.

1.Что такое трехэлектрическая система и система электропривода?

Три электрические системы, а именно аккумуляторная батарея (далее - аккумулятор), приводной двигатель (далее - электродвигатель) и контроллер двигателя (далее - электронное управление), также считаются тремя основными компонентами, на долю которых в совокупности приходится около 70% общей стоимости новой энергетической электроники автомобиля. Выше перечислены электронные компоненты, которые определяют основные спортивные характеристики автомобиля.

Что касается систем электропривода, то мы обычно просто называем двигатель, электронное управление и редуктор системой электропривода.

Но, строго говоря, согласно проспекту компании Jinjing Electric, система электропривода включает в себя три основных узла: приводной двигатель в сборе (который преобразует электрическую энергию силовой батареи во вращающуюся механическую энергию и является источником выходной мощности) и контроллер в сборе (основанный на разработке аппаратного и программного обеспечения оснащенный силовыми транзисторами, он контролирует рабочее состояние приводного двигателя в режиме реального времени и продолжает расширять другие функции управления), трансмиссия в сборе (снижает выходную скорость и увеличивает выходной крутящий момент за счет набора передач, чтобы обеспечить непрерывную работу системы электропривода в эффективном диапазоне).

Работа системы электропривода: При движении нового энергетического транспортного средства контроллер двигателя преобразует постоянный ток (DC), вырабатываемый аккумуляторной батареей, в переменный ток (AC) (этот процесс называется инверсией), позволяя приводному двигателю работать, а двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Затем колеса автомобиля приводятся в движение с помощью трансмиссии (в основном, редуктора). В свою очередь, процесс преобразования и накопления механической энергии колес в аккумуляторе является рекуперацией кинетической энергии.

IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором)

2. Как работает IGBT-модуль?

Стандартная форма упаковки IGBT-модуля представляет собой плоский прямоугольный параллелепипед. Внешняя часть представляет собой пластиковую оболочку, а нижняя - теплопроводящую и рассеивающую тепло металлическую подложку (обычно из меди). Вы можете видеть, что снаружи автомобильного электронного модуля расположено множество клемм и выводов, каждый из которых выполняет свою функцию.

Среди автомобильных электронных модулей управления IGBT-модуль является основным электронным компонентом инвертора. Давайте кратко опишем принцип его работы.

Благодаря характеристикам транзисторов без включения и выключения, без учета переходного процесса и паразитных эффектов, мы рассматриваем один IGBT-чип как идеальный переключатель. Мы создаем параллельную и последовательную структуру из нескольких IGBT-чипов внутри модуля. Когда через модуль проходит напряжение постоянного тока, направление и частота выходящего тока изменяются за счет быстрого открывания и закрывания различных комбинаций переключателей, тем самым обеспечивая требуемую мощность переменного тока.

3. Процесс производства IGBT-модуля

Порог для IGBT-индустрии очень высок. Помимо проектирования и производства пластин, разработка и производство упаковки и тестирования IGBT-модулей также сопряжены с очень высокими технологическими требованиями. Интерфейс поперечного сечения IGBT-модуля и базовая структура модуля в текущем процессе герметизации корпуса не сильно отличаются.

Процесс упаковки IGBT-модуля выглядит примерно следующим образом:

Ламинирование -> вакуумная пайка оплавлением -> ультразвуковая очистка -> Рентгенологическое обнаружение дефектов -> склеивание свинцом -> статический тест -> вторичная пайка -> заполнение и отверждение оболочки -> формование клемм -> функциональный тест (динамический тест, тест изоляции, тест на обратное смещение)

Для исправления сначала прикрепите каждую матрицу на IGBT-пластине к DBC. DBC представляет собой керамическую подложку, покрытую медью, с керамикой посередине и медью с обеих сторон. DBC аналогична печатной плате и играет роль проводимости и электрической изоляции. Обычно используемыми керамическими изоляционными материалами являются оксид алюминия (Al2O3) и нитрид алюминия (AlN).

Сварка в вакууме. После склеивания матрица и DBC фиксируются вакуумной сваркой. Как правило, в качестве припоя используется листовая жесть или паяльная паста.

Рентгеновский метод обнаружения пустот необходим для обнаружения пузырьков, то есть пустот, которые появляются в процессе соединения. Наличие пустот серьезно влияет на термостойкость и эффективность рассеивания тепла устройством, что приводит к таким проблемам, как перегрев, перегорание и взрыв. Как правило, для автомобильных IGBT-модулей требуется уровень пустот менее 1%.

Далее следует процесс склеивания проволокой, при котором для соединения матрицы с DBC используется металлическая проволока.Чаще всего используются алюминиевые провода.Другие широко используемые материалы включают медные провода, медные полосы и алюминиевые полосы.

В середине будет проведена серия проверок внешнего вида и статических испытаний. Модули, в которых в процессе эксплуатации возникнут проблемы, будут сразу же утилизированы.

Повторите описанный выше процесс для сварки и прикрепления DBC к медной опорной плите, после чего выполните заливку клеем, герметизацию, лазерное кодирование и другие процессы.

Перед отправкой с завода будет проведено окончательное функциональное тестирование, включая динамическое тестирование энергоэффективности, тестирование изоляции, тестирование обратного смещения и т.д.

Модуль IGBT

4. Каковы распространенные типы упаковки автомобильных IGBT-модулей?

Полумостовые модули серии Econodual в основном используются в коммерческих автомобилях. Основные характеристики: 1200 В/450 А, 1200 В/600 А и т.д.

Полномостовой блок HP1 в основном используется в моделях малой и средней мощности, включая некоторые автомобили класса A и большинство автомобилей A0 и A000. Максимальная мощность, как правило, составляет 70 кВт. Основные модели - 650V400A. Другие технические характеристики включают 750V300A, 750V400A, 750V550A и т.д. .

Комплектация HPD full-bridge, используемая в автомобилях средней и большой мощности, большинстве автомобилей класса А и выше, со спецификациями 750V820A, занимающими лидирующие позиции на рынке, и другими спецификациями, такими как 750V550A и т.д.

Комплексное упаковочное решение DC6 full-bridge, основанное на трехфазной технологии UVW full-bridge, обладает компактной упаковкой, высокой плотностью энергопотребления и хорошей эффективностью рассеивания тепла.

Однотрубное параллельное соединение TO247 На рынке также имеется небольшое количество электронных систем управления, использующих однотрубную упаковку TO247. У использования однотрубного параллельного соединения есть два основных преимущества: 

1. Однотрубное решение позволяет добиться гибкой схемы. Просто используйте соответствующее однотрубное параллельное соединение для получения требуемого тока, поэтому стоимость также имеет определенные преимущества. 

2. Проблема паразитной индуктивности лучше, чем у IGBT-модуля, который легко решается. 

Однако при параллельном использовании отдельных трубок необходимо устранить некоторые трудности: 

1. Трудно распределить и сбалансировать ток между каждой параллельной трубкой и обеспечить согласованность, например, добиться одновременного открытия и закрытия, одинакового тока, температуры и т.д. 

2. Проектирование системы и технологический процесс заказчика очень сложны. 

3. Существует множество интерфейсов, а требования к производственной линии очень высоки.

5. Как проводится экспертиза и верификация пользователей для автоматизированных электронных IGBT-модулей?

Требования к эксплуатационным характеристикам и качеству автомобильных IGBT-модулей значительно выше, чем в области потребительского и промышленного контроля. Поэтому сертификация автомобилей стала наиболее важным барьером на пути к рынку автомобильных IGBT-модулей. В целом, для получения IGBT-модулей автомобильного класса требуется около 2 лет. Цикл внедрения модели.

Стандарты тестирования автомобильных IGBT-модулей в основном относятся к AEC-Q101 и AQG-324. В то же время автомобильные компании будут выдвигать соответствующие требования, основываясь на характеристиках своих моделей. Основные методы испытаний включают в себя: проверку параметров, электростатическое воздействие, изоляцию, выдерживающую напряжение, механическую вибрацию и механические удары. , высокотемпературное старение, низкотемпературное старение, температурный цикл, температурный шок, UHAST (без учета высокой температуры и высокой влажности), HTRB (обратное смещение при высокой температуре), HTGB (стирание смещения при высокой температуре), H3TRB/HAST (обратное смещение при высокой температуре и высокой влажности), контур питания, свариваемость.

К силовому контуру и температурному контуру, которые являются типичными испытаниями на долговечность, предъявляются чрезвычайно строгие требования. Например, количество силовых контуров может варьироваться от десятков тысяч до ста тысяч раз. Основная цель - проверить долговечность слоев механических соединений, таких как соединительная проволока и сварочные слои. Основной механизм поломки во время тестирования заключается в несоответствии коэффициентов теплового расширения пластины, соединительной проволоки, DBC, припоя и т.д., что приводит к выпадению и разрыву соединительной проволоки, отделению слоя припоя на пластине и старению припоя.

Выше мы рассказали о IGBT-модуле с электронным управлением, основном электронном компоненте автомобильной электроники new energy.