大洋电机2011开始IGBT模块封装技术的研发
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电机控制器是新能源汽车的核心功率电子单元,其作用是接收整车控制器的车辆行驶控制指令,把动力电池的直流电转换为所需的高压交流电,控制电机输出指定的扭矩和转速,驱动电机输出机械能并带动车辆行驶。
研究报告电机控制器的硬件部分由控制电路、驱动电路、外壳结构及各种传感器(电流互感器、温度传感器、旋转变压器)组成。其中控制电路由微控制器MCU(单片机、DSP等)、旋变解码电路、监控电路、传感器接口电路等组成,主要作用是接受整车控制器指令、根据整车控制器指令及传感器信息计算产生开关信号;驱动电路由IGBT模块、驱动电路板和直流母线支撑电容组成,主要作用是将开关信号放大后驱动IGBT,同时提供电压隔离和保护的功能。外壳结构采用高防护等级、集成一体化液冷设计。
行业研究电机控制器最重要的三大元器件是IGBT模块、直流母线支撑电容和电流互感器。其中,直流母线支撑电容已基本上不再采用铝电解电容,更换为性能更好的薄膜电容器,由厦门法拉电子、AVX、松下、EPCOS等国内外供应商供应,未来的发展方向是更薄、体积更小、耐压和耐温能力更强。电流互感器的发展方向是低成本、易集成且高温稳定性好。我国在这两大领域的技术水平和产业化程度已经比较高。
新能源汽车电机控制器的工作原理图

日立电机控制器的内部结构图

薄膜电容器与立方体型薄膜电容器

常见的非接触式霍尔电流传感器

国外厂商多是在采购IGBT裸芯片后自行进行汽车级IGBT模块的封装,在封装结构上进行了优化,如优化模块的焊接工艺、改进绑定线材料并优化绑定线连接回路、加强芯片结构等。因此功率密度高一般可达到每千克14至15kVA。以丰田为例,第二代普锐斯中的IGBT模块仍沿用传统的工业级模块封装结构。而在第三代普锐斯中,丰田改变了原有的IGBT模块封装结构,取消了功率模块基板和导热硅脂层,将DBA层直接焊接于特质的铝材散热器上,实现了直接冷却,散热性能提升30%。同时,新的封装结构在DBA与散热器之间嵌入特制缓冲孔板,更好的实现二者之间热膨胀系数的匹配。更高品质的汽车级IGBT模块,使得第三代普锐斯电机控制器的功率密度有了显著提升。(汽车级IGBT模块的特点见附录3)
第二代普锐斯IGBT模块的封装结构

第三代普锐斯IGBT模块的封装结构

国内电机控制器厂商多是采购现成的标准封装、工业级IGBT模块,体积大,功率密度在每千克6kVA左右,行业龙头上海电驱动为每千克8kVA。国产电机控制器的体积比国外产品要大50%到60%。
大洋电机有望成为国内首个突破汽车级IGBT模块封装技术的公司。2011年,公司启动了大功率IGBT及IPM模块封装建设项目,与中科院电工所进行合作研发,封装生产线位于北京市海淀区永丰高新技术产业基地,计划年产量15万只IGBT模块,可供5万个新能源汽车电机控制器使用,规格主要有1200V/450A、1200V/600A、600V/450A、600V/600A等。目前正处于样品测试阶段,尚未投入批量化生产。
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