电力电子模块集成技术

电力电子模块集成技术是将功率电路中的功率模块、驱动电路、控制电路和保护电路封装在一个集成模块内部，称为一个功能相对完整的、具有一定通用性的元件，一般有以下几种集成形式：

（1）单片集成

将所要集成的所有元器件都采用统一的加工工艺和技术，集成在同一片硅片上。目前由于制造工艺、高压和低压的距离、电磁隔离和散热等技术的不成熟，单片集成技术仅适用于小功率电力电子电路的集成。单片集成有可能成为电力电子集成技术的未来发展方向。

（2）混合集成

采用封装的技术手段，将分别包含功率模块、驱动、保护和控制电路的多个硅片封装在同一模块中，形成具有部分或完整功能且相对独立的单元。这种集成方式可以较好地解决不同工艺的电路之间的组合和高电压隔离等问题，具有较高的集成度，也可以比较有效地减小集成模块的体积和质量，但目前还存在分布参数、电磁兼容、散热等具有高难度的技术问题，并且还不能有效地降低成本，达到较高的可靠性，因此目前仍以中等功率应用为主，并且正在向大功率模块集成发展。混合集成将是目前电力电子集成技术的主要方向。

（3）系统集成

根据电力电子系统集成理论和设计规则，利用上述集成的子系统方便地集成和扩展为最终用户所需要的具有独立功能和用途的子系统。

车用高集成度电力电子集成控制器采用的是混合集成技术，主要包括以下几类关键技术： （1）电力电子功率模块封装技术

电力电子功率模块封装技术包括铜基板预弯技术、铝丝键合技术以及DBC焊接气孔控制技术等关键技术。

① 铜基板预弯技术。

模块内部的不同材料膨胀系数不同，如Cu的热膨胀系数为16×10-6/K，Al2O3的热膨胀系数为5.5×10-6/K，在焊接过程中，峰值温度可以达到180 ℃以上，在降温过程中焊接固化，之前自由膨胀的两种材料在冷却过程中因焊料固化而导致收缩受限，最终表现为铜基板向内凹进，如果凹进太多会严重影响模块的散热性能，造成模块内部热量散发不出去，芯片温升超过最高允许温度，最终导致模块失效。因此铜基板预弯技术是补偿不同材料之间的热形变的关键技术。

②铝丝键合技术。

模块信号端子和功率端子都是通过铝丝键合的方式与模块内部控制部分和功率部分连接在一起的，而不是传统的焊接方式。采用该工艺技术一方面是因为铝丝为软连接，可以提高连接的抗振动性能；另一方面是相对于传统的焊接方式需要大量的人工操作，新型的铝丝键合方式更适合于自动化生产，可以大大提高生产效率。

键合技术主要的工艺难点是嵌于外壳上的功率端子和信号端子的键合性能，其端子的生产工艺如下：先在铜材上划槽，然后在槽内敷上一层铝，然后切割成所需要的结构（信号端子、功率端子），模块内部的铝线是键合在该端子的敷铝部分。这样可以使得铝线与铝表面的结合强度和可靠性达到最佳状态，信号端子和功率端子具有较低的电阻和优异的导热性能，

③ DBC焊接气孔控制技术。

模块内部 DBC 板采用三层结构，两侧为高导无氧板，中间为陶瓷绝缘材料。因为要在DBC板上刻蚀电路结构，所以刻蚀完成后的DBC一般会向上凸起，同时因为铜基板是经过预弯的，在焊接时，焊接面向下凹陷，如果焊接控制不好，容易形成焊接气孔，如果气孔率超过标准会影响模块的散热性能和可靠性。

对于DBC和铜基板的焊接，通常采用超声波检测设备，同样有极其严格的总气孔率和单个气孔率的控制标准，严格保证每个模块的焊接特性都能满足要求。

（2）复合母排和电解电容/薄膜电容模块化结构设计技术

直流侧电容作为车用功率变换器中最重要的无源元件，是影响功率模块功率密度、可靠性及成本的关键部件之一。与传统的电解电容相比，采用新型低电感、高频大电流薄膜电容可以有效减小功率模块的体积和质量，同时提高驱动器的寿命。采用新型薄膜电容器和复合母排技术，不仅能提升系统的电气性能，而且能够有效减小功率变换器直流侧电容容量和体积，极大地提高了功率变换器功率密度和使用寿命，是解决当前车用功率变换器技术瓶颈的有效方法。

（3）集成控制器的高温、高换热系数的散热底板技术

功率变换器在电能转换过程中热损耗占2%～10%，甚至更高。在车用电机驱动系统中，散热大多采用水冷方式，集成控制器散热底板的设计对于控制器的可靠运行至关重要。冷却系统设计目标为：在保证系统散热要求的前提下，优化散热底板设计，以有效减小散热底板面积，降低散热底板质量，达到提高系统功率密度的目的。

（4）多功能全数字控制电路小型化技术

在电力电子集成控制器内部，采用先进的控制器芯片 MCU 和可编程逻辑芯片CPLD/FPGA 构成全数字控制电路，这会使集成控制器具有很强的通用性和智能性，可以实现复杂的控制方案和控制策略。