新能源电机控制器原理工艺

电机控制器基本功能：通过逆变桥调制输出正玄波来驱动电机，多合一的控制器包括

配电回路：为集成控制器各部分提供配电，如TM接触器、熔断器、电空调回路供电、电除霜回路供电等等；

IGBT驱动回路：接收控制信号，驱动IGBT并反馈状态，提供电压隔离以及保护；

辅助电源：为控制电路提供电源，为驱动电路提供隔离电源；

DSP电路：接收整车控制指令，并提供反馈信息，检测电机系统传感器信息，根据指令传输电机控制信号；

结构与散热系统：为电机控制器提供散热，提供控制器安装支持，提供控制器安全防护。

1.3 电机控制器的组成

控制器主要由支撑电容、IGBT、驱动板、控制板、EMC滤波板、电流传感器、磁环、铜排、散热器、机箱、连接器、线束等部分组成，具体器件介绍如下：

IGBT是绝缘栅双极晶体管，在控制器内主要起交直流转变的作用，是电机控制器的核心电子器件，它的选型决定了控制器的输入输出特性。

目前乘用车控制器内应用最广泛的就是英飞凌HPDriver模块了。不过随着国产器件的发展，国内中车及BYD等都有类似封装的IGBT。

随着近年来新能源技术的不断发展创新，控制器内不再局限于使用IGBT模块。TESLA Model 3、Audi etron、Toyota prius等车型的出现，也使得单管IGBT、双面水冷IGBT、SiC等功率器件在控制器内开始百花齐放。

图1 英飞凌HPD FS820R08A6P2B IGBT模块

支撑电容：支撑电容主要在控制器内使直流母线上的电压波动保持在允许范围内，并且防止来自直流母线的电压过冲和瞬时过电压对IGBT的影响。目前主要采用金属聚丙烯薄膜介质电容器。支撑电容在控制器内部属于定制件，需要依据电控内部具体布局设计外形，然后由供应商依据外形设计内部布局。

图2 一种支撑电容

图3 一种电流传感器

电流传感器：电流传感器主要在控制器内用于检测直流母线输入电流及交流三相输出电流。

驱动板：驱动板主要在控制器内用于集成驱动电路。包含IGBT驱动部分、电源转换部分、电流采样部分及通信部分等。

控制板：控制板主要在控制器内用于集成控制电路。包含主控芯片、PWM输出电路、滤波电路、加密芯片、旋变解码电路等。

EMC滤波板：EMC滤波板主要在控制器内用于集成X/Y电容滤波电路。

磁环：磁环主要在控制器内用于EMC滤波。

机箱：控制器外壳，用于集成内部所有器件并提供安装位置；提供诸如密封、承受冲击和振动、方便维修、对IGBT进行冷却、防EMC等功能。

铜排：铜排主要用于连接各器件，承载电流。

电机控制器中功率模块单元上下管的SiC模块在平面上进行连接。SiC模块单元采用标准6-switches 逆变器拓扑，其正极直接连接至电容的DC+，负极则采用DC- Cu bus与母线电容的DC-进行连接，DC-Cu bus紧贴在模块的上表面。由于Model 3的inverter有厚度的要求，需确保不同电位导电层间距更近，因此设计上考虑对不同电位导电层进行绝缘处理。从图中可以发现，一共采用4 块塑料绝缘件来增加模块和散热器的耐压，这类塑料的加工成本低，工艺简单， 其在BOM成本中占比较小，基本不影响inverter的成本。为确保模块的电极端子对散热器的爬电距离满足要求，Tesla专门在模块下方的散热器上设计凸台结构，便于将塑料绝缘件的部分置于模块底部。塑料绝缘件在电极连接的下方还设计凸起结构，便于对电极连接采用激光焊接工艺进行结构支撑，以实现可靠稳定的电气连接。Tesla采用简单却很巧妙的塑料绝缘件设计，侧面也反映出其正向设计思路清晰，零部件尽可能复用以实现多个功能，简化材料体系和结构。

1.4 功率模块组装工艺

Tesla的功率模块单元在inverter的组装中，借鉴了功率模块封装工艺。模块底部的散热器上有前面提及的凸台，凸台表面镀银。模块和散热器凸台之间连接采用烧结银连接技术，可实现高可靠、高导热的连接。由于烧结银连接技术的主要材料成分是银，所以成本比传统焊料贵，其常规的连接厚度较薄，约为25~100um照片和肉眼都难以观察。该技术主要用于功率模块中芯片和基板的连接，很多Tier 1的控制器公司和Tier2的功率模块制造商，在汽车模块中均或多或少的采用该技术，如Semikron, Infineon, Danfoss, continental等。目前烧结银技术主要用于对可靠性和散热高要求的市场，如汽车，风电等。

模块剖面和主要工艺流程于对其结构、工艺和材料进行说明。

第一步，SiC芯片通过烧结银连接至Si3N4 AMB基板，烧结银具有更高的可靠性和导热，Si3N4 AMB基板的可靠性在所有陶瓷基板中最高 (与Al2O3和AlN，BeO等陶瓷比较)，同时双面敷铜可以更厚，有利于散热；

第二步，芯片门极采用标准的铝线键合技术实现电气互联，为成熟标准的封装工艺；

第三步，在相应位置点高铅锡膏，通过回流设备对lead-frame进行焊接，引出该单管模块的电极，高铅焊料的可靠性同样非常高，虽然散热特性比烧结银差，但焊接位置均没有主要的散热路径，所以该工艺仍采用传统的高铅焊料；

第四步，对单管功率模块进行塑封，以实现模块的环境保护。后续还有切筋成型，端子电镀等，均为传统单管的标准封装工艺。