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激光雷达的工作原理
1、激光雷达的工作原理是什么？ 激光雷达是一种以发射激光束来探测目标位置、速度等特征量的雷达系统。这个系统也可以通过扫描发射和接收装置来获取目标物体的三维形状，在不同角度发射和接收激光脉冲，可以构建出物体的完整三维轮廓。激光雷达的工作原理基于光的发射、传播和接收，最终通过测量光脉冲从发射到接收的时间来确定距离，下图是激光雷达测量距离的基本步骤。 发射激光脉冲：激光雷达设备发射一束激光脉冲，这些脉冲通常是红外或近红外光。 光的传播：激光脉冲以光速传播，向目标物体移动。 光的反射：当激光脉冲遇到目标物体时，部分光会被反射回来。 接收反射光：激光雷达设备中的接收器捕捉反射回来的激光。接收器通常与发射器紧密对齐，以确保接收到的光是直接从目标物体反射回来的。 时间测量：设备内部的计时器记录激光脉冲发射和接收的时间间隔。由于光速是已知的，这个时间间隔可以用来计算光脉冲往返目标物体的距离。 计算距离：距离的计算公式是，距离=光速×时间/2，其中时间是光脉冲往返的时间。 数据处理：测量到的距离数据可以用于生成点云，这激光雷达在短时间内可以获取大量的位置点信息（或者称为激光点云），这些点云可以进一步处理，生成三维模型或地形图。 2、激光雷达如何分类？激光雷达有很多种不同的分类方法：（1）按照波长分类，可分为905nm、1550nm、940nm等，目前主流的激光雷达主要有905nm和1550nm两种波长。 905nm：激光雷达接收器可以直接选用价格较低的硅材质，905nm激光雷达成为了当下最主流的激光雷达所选用的波长。不过人眼可识别的可见光波长处在390~780nm，而400~1400nm波段内激光都可以穿过玻璃体，聚焦在视网膜上，而不会被晶状体和角膜吸收，人眼视网膜温度上升10℃就会造成感光细胞损伤。因此905nm激光雷达为了避免对人眼造成伤害，发射功率需先在在对人无害的范围内。因此，905nm激光的探测距离也会受到限制。 1550nm：相比905nm激光，1550nm激光会被人眼晶状体和角膜吸收，不会对视网膜产生伤害，因此1550nm激光雷达可以发射更大功率，探测距离也可以做到更远。但是1550nm激光雷达无法采用常需要用到更加昂贵的铟镓砷（InGaAs）材质，因此在价格上较905nm激光雷达会较高。 （2）按照测量方式分类，可以分为ToF激光雷达和FMCW激光雷达 ToF（Time of Flight，飞行时间）：ToF激光雷达通过直接测量发射激光与回波的信号的时间差，基于光在空气中的传播速度得到目标物体的距离信息，具有响应速度快，探测精度高的优势。ToF方案技术成熟度高，成本相对低，为目前主要激光雷达使用的方案。 FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波）：FMCW激光雷达将发射激光的光频进行线性调制，通过回波信号与参考光进行相干拍频得到频率差，从而间接获得飞行时间推出目标距离。FMCW具有可直接测量速度信息和抗干扰强的优势。 （3）按照扫描方式分类，可以分为机械式、半固态和全固态雷达，雷达正在经历机械式到半固态，再由半固态到全固态的发展过程。 机械式激光雷达：以一定的速度旋转，在水平方向采用机械结构进行 360°的旋转扫描，在垂直方向采用定向分布式扫描，机械式激光雷达的发射器、接收器都跟随扫描部件一同旋转。机械式激光雷达作为最早装车的产品，技术已经比较成熟，因为其是由电机控制旋转，所以可以长时间内保持转速稳定，每次扫描的速度都是线性的。 半固态激光雷达：发射器和接收器固定不动，只通过少量运动部件实现激光束的扫描。半固态激光雷达由于既有固定部件又有运动部件，因此也被称为混合固态激光雷达。根据运动部件类型不同，半固态激光雷达又可以细分为转镜类半固态激光雷达、MEMS半固态激光雷达和棱镜类半固态激光雷达。 全固态激光雷达：内部完全没有运动部件，使用半导体技术实现光束的发射、扫描和接收。固态激光雷达又可分为Flash固态激光雷达和OPA固态激光雷达。其中OPA（Optical Phase Array的简称，即光学相控阵）固态雷达应用的是相控阵技术，相控阵雷达发射的是电磁波，而OPA激光雷达发射的是光，而光和电磁波一样也表现出波的特性，所以原理上是一样的。波与波之间会产生干涉现象，通过控制相控阵雷达平面阵列各个阵元的电流相位，利用相位差可以让不同的位置的波源会产生干涉（类似的是两圈水波相互叠加后，有的方向会相互抵消，有的会相互增强），从而指向特定的方向，往复控制便得以实现扫描效果。光和电磁波一样也表现出波的特性，因此同样可以利用相位差控制干涉让激光“转向”特定的角度，往复控制实现扫描效果。 3、激光雷达的应用场景有哪些？ 激光雷达在众多领域都发挥着重要作用，并且随着技术的不断发展，其应用范围还在不断扩大。 自动驾驶：在自动驾驶汽车中，激光雷达能够精确地感知车辆周围的环境，包括车辆、行人、障碍物的位置、速度和形状等，为车辆的路径规划和决策提供关键信息。 智能交通：用于交通流量监测、道路状况评估和智能交通信号控制。它可以实时检测道路上的车辆数量、速度和间距，优化交通流量。 测绘与地理信息：能够快速、高精度地获取地形、地貌和建筑物的三维信息，用于地图绘制、城市规划和土地测量。比如在大规模的地形测绘项目中，激光雷达可以生成详细的数字高程模型。 工业自动化：在工厂自动化中，用于物料搬运、机器人导航和质量检测。例如，在仓储物流中，激光雷达可以帮助自动导引车（AGV）准确地在仓库中行驶和装卸货物。 航空航天：用于飞机的防撞系统、地形跟随和地形规避。同时，在卫星遥感中，激光雷达可以测量大气参数和地表特征。 军事领域：用于目标侦察、武器制导和战场态势感知等。例如，在导弹制导系统中，激光雷达可以提高导弹的命中精度。 4、激光雷达选型时有哪些关键参数？ 选择激光雷达时需要注意一些关键规格参数 测距精度：表示为距离的误差 角分辨率：可以探测到最小角度，与激光束发射和接收统计相关。 扫描频率：每秒扫描次数，也称帧率，影响激光雷达的实时性能。 视场角：雷达可以覆盖的水平和垂直角度范围，决定了激光雷达可以检测到多少个目标。 工作距离：可以探测到的最远距离，实际应用和激光功率、接收机灵敏度等相关。 数据输出方式：输出数据的格式和接口类型 扫地机器人是应用非常广泛的机器人形态，扫地机器人的的关键指标主要包括，清洁能力指标，含清洁吸力、清扫部件设计、续航时间和清扫面积指标、尘盒容量、噪音指标等；智能化指标，含建图能力、导航能力、传感器配置、避障能力、自动回充能力等；控制APP易用性指标，含清扫模式设定、定时清扫设定、虚拟墙设置、地图存储等。 1、扫地机器人关键的技术指标有哪些？（1）清洁能力 吸力指标：吸力的强弱直接影响清扫效果，是衡量扫地机器人清洁能力的重要指标，单位为帕斯卡（Pa）。日常家用清洁1500~2500Pa的吸力可以应对灰尘、毛发等常见垃圾；如果需要清理较大颗粒杂物或较顽固的污渍，则需要更高的吸力。当然，吸力越大通常意味着噪音和能耗也会相应增加。 清扫部件设计：包含滚刷、边刷等清洁部件的设计。滚刷位于扫地机器人底部吸尘口前方，主要作用是将底部灰尘扫起。滚刷材质有胶条滚刷和刷毛滚刷，胶条滚刷能刮掉地面顽固颗粒，刷毛滚刷可拔出地砖和地板缝隙的灰尘，一些产品采用两者结合的方式，滚刷的形状、长度、转速等设计也会影响清扫效果。边刷位于扫地机器人的边缘，可将墙边和角落的灰尘清扫出来，边刷的长度、材质以及转动灵活度等也会影响其清扫性能。对于扫拖一体的扫地机器人还需要考虑拖布的设计，拖布的材质、形状、湿润度控制等都很关键。 清扫面积和续航时间指标：续航时间决定了机器人在一次充电后能清扫的面积，单位为分钟；清扫面积以平方米（m²）计算。电池容量在3000mAh的家用扫地机器人可满足大多数日常清洁需求。 尘盒容量设计：尘盒用于收集垃圾，尘盒容量越大，可容纳的垃圾就越多，减少清理尘盒的频率。 噪音指标：清扫工作时产生的噪音，通常以分贝（dB）为单位，影响用户体验。噪音在60分贝以下的扫地机器人较为适合家用场景使用，一些扫地机器人会采用涡流降噪技术等方式来降低噪音。 （2）智能化程度 建图能力：通过机器人的激光传感器扫描周围环境，构建地图，定位精度高、建图速度快。 定位和导航：可通过激光雷达传感器、惯性传感器、视觉传感器等协同导航。定位和导航中应用的不同传感器都会遇到一些限制，如应用视觉导航对光线条件有要求，光线较暗影响导航精度；应用陀螺仪和加速度计等惯性传感器获取机器人的运动信息，容易产生累积误差。 路径规划：合理的路径规划可提高扫地机器人的清洁效率和覆盖率，避免漏扫和重复清扫。比如根据房间的布局和障碍物分布，自动规划高效的清扫路线，先沿边清扫、再分区清扫等。 避障能力：扫地机器人在清扫过程中避免碰撞家具、墙壁等障碍物，减少机身磨损和损坏。通过红外避障、超声波避障、激光避障、视觉避障、碰撞传感器等协同实现避障。不同成本的扫地机器人，会配置不同的传感器组合。 自动充电：自动回充功能可以让扫地机器人在电量不足时自动返回充电座充电，充电完成后继续工作， （3）控制APP易用性指标 机器人需支持手机等终端的APP控制、并有清洁模式选择、定时清扫、虚拟墙设置、地图存储等功能。 2、"聪明"和"不聪明"的扫地机器人的区别是什么？ 智能化的扫地机器人需要具备自主导航、路径优化、动态避障、自动充电等能力。扫地机器人的智能化差别主要体现在以下几个方面。 （1）扫地机器人导航能力差别 不聪明的：通常采用随机导航，仅仅依靠超声波探测实现基础避障；容易重复清扫或遗漏区域。 聪明的：使用激光雷达、摄像头等进行地图构建和路径规划，能够高效避障。 （2）扫地机器人环境感知能力差别 不聪明的：传感器较少，缺乏学习能力，仅能进行基本的碰撞检测。 聪明的：配备多种传感器，通过不同的传感器协同能识别不同地面类型、障碍物和污垢区域。 （3）扫地机器人清扫模式能力差别 不聪明的：功能简单，可能有一种或几种基本清扫模式。 聪明的：支持多种清扫模式，如自动清扫，局部清扫，边缘清扫，定点清扫，区域清扫，深度清扫，静音清扫等。聪明的扫地机器人会跟人一样，区分清楚哪些是干净的地方哪些是比较脏的地方，通过先沿边清扫、再分区清扫、最后定点深度清扫等组合操作实现智能清扫。 早期的扫地机器人就属于“不聪明”的模式，模式是“随机”清扫，没有规划能力，走到哪里扫到哪里，碰到哪里就改变路线。现在智能化的扫地机器人是“聪明”的模式，清扫告别了“横冲直撞”的随机式，利用定位导航技术让清扫变得有规划，提高清扫效率，降低机器损耗。1、机器人进入了未知的环境会怎样？ 当我们去了一个陌生的环境，为了迅速熟悉环境并到达自己想去的地方，如图书馆、旅店、咖啡厅等，我们会做下面这些事情。 眼睛观察周围地标，如建筑、大树、花坛等，并记住他们的特征。 根据双眼获得的信息，在自己的脑海中把特征地标在三维地图中重建出来，形成完整的对环境认知的三维信息。 在行走时不断获取新的特征地标，并且校正自己头脑中的地图模型。 根据自己前一段时间行走获得的特征地标，确定自己的位置。 走了很长一段路的时候，我们可能会回头看看，和脑海中之前的地标进行匹配。 如以上五步在整个行进的过程中，我们同时进行定位和建图。如果将一个机器人放入未知的环境中的未知位置，是否有办法让机器人一边逐步描绘出此环境完全的地图，一边决定应该往哪个方向行进？例如扫地机器人，如何能不受障碍物影响行进到房间，并进入每个角落完成清扫工作。这就涉及到两个主要的任务，建图任务与定位任务，并且这两个任务是并发的。2、SLAM是什么？SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，即同步定位与地图构建），是一种在机器人学、自动驾驶和移动机器人和增强现实等领域中非常重要的技术。SLAM最早由Smith、Self和Cheeseman于1988年提出，是实现真正全自主移动机器人的关键。SLAM技术解决的问题是，机器人被放置在一个它从未见过的环境中，SLAM技术让机器人在没有任何先验地图信息的情况下，通过自身的传感器来探索环境，同时构建出环境的地图，并在这个过程中确定自己在地图中的位置。定位（Localization）任务和地图构建任务（Mapping）是同时进行的。下图是一个3D SLAM的示例。 SLAM可以分为激光SLAM和视觉SLAM，激光SLAM可以分为2D SLAM和3D SLAM，视觉SLAM可以分为Sparse SLAM和Dense SLAM Sparse（稀疏） SLAM如下示例 Dense（密集）SLAM如下示例 SLAM技术的发展涉及到多个学科，包括计算机视觉、机器人学、人工智能和控制理论等。随着技术的进步，SLAM在精度、效率和应用范围上都有了显著的提升。 3、SLAM中有哪些关键技术点？ （1）传感器技术：外部信息的采集依赖惯性测量单元（IMU）、霍尔编码器（Encoder）、激光雷达（Lidar）、深度摄像机等。 惯性测量单元：IMU提供姿态和位置信息， 霍尔编码器：通过编码器获取车轮的运动数据，原理参考霍尔传感器 - 从左手定则到嵌入式编码 (qq.com) 激光雷达：Lidar通过发射激光束来探测目标位置、速度等特征量，感知外部信息， 摄像机：包括单目摄像头、双目摄像头、深度摄像机，核心都是获取RGB和depth map（深度信息）。 （2）算法技术 应用SLAM算法的时候主要考虑下面几个方面 如何表示地图？比如根据实际场景需求去选择dense或sparse算法。 如何感知信息？比如选择激光雷达或者深度摄像机去感知外部环境。 如何关联传感器数据？对于不同sensor的数据类型、时间戳、坐标系表达方式各有不同，需要统一处理。 如何进行定位与构图？这是指实现位姿估计和建模，这里面涉及到很多数学问题，物理模型建立，状态估计和优化。 以视觉SLAM（VSLAM）为例，SLAM处理信息处理流程可以归纳为如下流程图，其中“前端”是视觉里程计，提取每帧图像特征点，利用相邻帧图像，进行特征点匹配，然后去除大噪声进行匹配，得到一个位姿信息，同时利用IMU提供的姿态信息进行滤波融合。“后端”则是通过非线性算法对前端输出的结果进行优化，涉及的数学知识较多，需利用滤波理论（EKF、UKF、PF）、或者优化理论等算法进行优化，最终得到最优的位姿估计。 常见的SLAM算法包括一下算法。PTAM算法，这是早期的视觉 SLAM 算法；Mono-SLAM算法，是单目视觉SLAM算法；ORB-SLAM算法，是基于 ORB 特征的视觉SLAM算法，具有较好的实时性和鲁棒性；还有RGBD-SLAM算法、LSD-SLAM算法等。实际应用中，SLAM建图具体实现方式会因使用的算法、传感器类型以及应用场景的不同而有所差异。 使用ROS实现机器人的SLAM是非常方便的，因为有较多现成的功能包可供开发者使用，如gmapping、hector_slam、cartographer、rgbdslam、ORB_SLAM、move_base、amcl等，并且开发者还能应用仿真环境进行验证。 4、SLAM技术在自动驾驶中的应用 （1）SLAM技术在自动驾驶中的应用体现在以下几个方面 环境感知：自动驾驶汽车通过搭载的传感器（如激光雷达、相机、雷达等）实时获取周围环境的信息。利用SLAM技术，车辆能够从这些传感器数据中提取特征，构建出周围环境的地图。 实时定位：在行驶过程中，车辆需要实时确定自身在地图中的位置。SLAM技术通过传感器数据和地图信息，计算出车辆的精确位置和姿态。这种定位不仅依赖于GPS，还依赖于车辆自身的传感器，确保在GPS信号弱或无信号的环境中也能准确定位。 路径规划：有了环境地图和自身定位信息，自动驾驶汽车可以进行路径规划。SLAM技术帮助车辆识别可行路径，避开障碍物，规划出最优行驶路线。 自动避障：在行驶过程中，车辆需要实时检测和避开障碍物。SLAM技术通过传感器数据，识别出前方的障碍物，并计算出避障路径。 回环检测：回环检测是SLAM中的一个重要环节，指的是车辆在行驶过程中识别出曾经经过的地点。这有助于校正地图和定位信息，避免重复探索和定位误差。 动态地图更新：环境是动态变化的，自动驾驶汽车需要不断更新其地图信息。SLAM技术能够实时处理新的传感器数据，更新地图，确保地图的准确性和时效性。 传感器融合：自动驾驶汽车通常搭载多种传感器，每种传感器都有其优缺点。SLAM技术通过融合不同传感器的数据，提高整体的感知能力和鲁棒性。 数据关联：不同传感器的数据类型和时间戳可能不同，SLAM技术需要将这些数据关联起来，确保数据的一致性和准确性。 （2）SLAM技术具体实现步骤 传感器数据采集：车辆通过激光雷达、相机、IMU、超声波等传感器获取周围环境的图像和距离信息。 特征提取与匹配：从传感器数据中提取特征点，并在不同时间点的图像中进行匹配。 位姿估计：利用特征点匹配结果，计算车辆在地图中的位置和姿态。 地图构建：将车辆的移动轨迹和环境特征结合起来，逐步构建出环境地图。 路径规划与优化：根据地图和车辆定位信息，规划出最优行驶路径，并在行驶过程中不断优化。 动态更新：实时处理新的传感器数据，更新地图和定位信息，应对环境变化。 通过这些步骤，SLAM技术为自动驾驶汽车提供了强大的环境感知和导航能力，确保其在复杂环境中的安全和高效行驶。 参考文档《一文看懂激光雷达LIDAR基本工作原理》 https://zhuanlan.zhihu.com/p/602055107
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新能源汽车的电驱动关键技术
一般来说，大三电包括：驱动电机、电控、变速器；小三电则包括：高压配电盒PDU、车载充电机OBC和DC/DC变换器。 1、大三电 包含三大总成部件： 驱动电机总成 控制器总成 传动总成 新能源汽车的电驱动系统在高温、高湿、振动的复杂工作环境下，基于实时响应的软件算法，高频精确地控制电力电子元器件的功率输出特性，实现对驱动电机的控制，最终通过精密机械零部件对外传输动力。 2、小三电 同样包含三个总成： DC/DC变换器 车载充电机OBC（On-Board Charger） 高压配电盒PDU（Power Distribution Unit） 其主要功能为提供电力转换及电池的充放电功能，车载电源作为新能源汽车动力总成中的重要组成部分，必须满足功率密度大、体积小、质量轻、抗干扰能力强、可靠性强、寿命长等特点。 电驱动关键技术 1、电机高速化 驱动电机主要为机械部件，在行业竞争日趋激烈的情况下，提升电机的功率重量密度和功率体积密度，使电机质量减轻是降低驱动电机产品成本的有效方式。 提升电机转速，则对电机的设计提出了更高的要求，轴承选型、电机散热、转轴材料、定转子硅钢片材料、电磁仿真、机械强度仿真、热仿真、公差计算匹配等等都变得更有挑战性。 近年来不论是国内还是国外的产品，电机的最高转速都在不断的提升过程中。 2、电机扁线化 扁线电机，即采用扁平铜包线绕组定子的电机。与普通圆漆包线绕组相比，扁线绕组在相同的体积下，具有能量密度更高，电机效率更高的特点。 其优点包括： 更高的槽满率：相比传统圆线电机，裸铜槽满率可提升20~30%，有效降低绕组电阻进而降低铜损耗。 散热性能更好：扁线形状更规则，在定子槽内紧密贴合，热传导效率更高，提升电机峰值和持续性能。 更短的端部尺寸：相比圆线电机绕组端部尺寸更短，端部总高度短5~10mm，有效降低端部绕组铜耗。 更好的NVH表现：扁线结构绕组有更好的刚度，同时扁线绕组通过铁芯端部插线，电磁设计上可以选择更小的槽口设计，有效降低齿槽转矩脉动。 特斯拉、上汽新能源、雪佛兰Volt、丰田第四代Prius、长城蜂巢、东风岚图、保时捷Taycan、大众ID.4、汉GT、吉利极氪等车型或平台中都采用了扁铜线定子电机。 扁线电机已经进入大规模量产期，未来随着技术工艺的进一步成熟，扁线电机的生产成本有望低于传统圆线电机。 3、IGBT单管并联分立式技术 IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品。 封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。 采用MOSFET以及IGBT单管并联技术（PEBB电力电子集成技术）的理念制作功率模块，有利于电机控制器灵活扩容，精准功率匹配，降低成本，保障了产品的可靠性，且具有良好的电磁兼容性。 根据英搏尔公司2021年半年报，其采取单管并联方案的“集成芯”动力总成其重量、体积、成本均低于目前主流产品20%以上。 同时，在电机控制器向高压大功率趋势发展的情况下，第三代功率半导体SiC的应用成为共识，因其导通电阻小，开关速度快的特点，运用单管并联技术才能发挥其最优特性。 4、SiC提升电控性能 在新能源汽车电机控制器当中，电力转换是通过控制IGBT的开关来实现的。IGBT受材料本身的局限，较难工作在200℃以上。 高功率密度的电机控制器需要高效的电力转换效率和更高的工作温度，这对功率器件也提出了更高的要求，如：更低的导通损耗、耐高温、高导热能力等。 基于SiC单晶材料的功率器件，具有高频率、高效率、小体积等优点（比IGBT功率器件小70-80%），已经在特斯拉 Model 3 车型中得到了应用。 SiC半导体控制器能使新能源汽车实现更长的续航里程、更短的充电时间、更高的电池电压。 与二代硅基IGBT相比，半导体SiC 750V时能效增加8-12%，总损耗减少约1/7，模块体积仅为IGBT的1/5左右，开关频率为IGBT的5-10倍。 电驱动总成技术发展趋势 1、系统集成化 系统集成化为确定性趋势，是技术发展和成本压力下的选择。 电驱动系统集成化是未来确定性的趋势，同时集成化产品也增加了行业的进入壁垒，技术层面，集成化程度更高的产品优势包括： 机械方面壳体、轴等部件上能够做到集成化，这样减少了使用零件的个数与部件的重量，节省了成本； 电气方面大三电集成能够减少控制器与电机相连三相线的长度，效率提升的同时也节省了线束成本，密闭的壳体空间内使电磁兼容方面的性能也能够提升；小三电方面共电路板设计也能够降低成本和产品体积。 系统层面，集成产品由一家来供应也可在最初始阶段就进行优化设计达到系统的成本最优，节省成本的同时也节省空间，在整车装配更迅速快捷。 2018年，分体式90kw电驱动系统电机、电控、减速箱、高压连接线束总价在11000元左右； 2020年，集成式90KW电驱动系统平均产品价格已经降到了7500元左右，降幅超过30%，同时体积和重量也下降明显。 2、多合一将逐渐代替三合一 随着电驱动产品集成化的进一步提升，除电机、电机控制器、减速器之外，高压分线盒、DC/DC、充电机OBC等零部件也可能集成进去，形成功能更全的多合一动力总成系统。
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电动汽车线束有何不同？
线束，有时也称为电缆组件或电缆线束，用于电子行业的每个角落，包括消费电器、商业设备、机器人和工业系统、计算机和服务器、电信设备、医疗系统、航空航天平台，当然还有卡车和汽车。
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旋转变压器的工作频率对性能有何影响？
变压器有很多种不同的类型，其中一种便是旋转变压器。为增进大家对旋转变压器的认识，本文的对旋转变压器、旋转变压器的历史和发展予以介绍。如果你对变压器、旋转变压器具有兴趣，不妨和小编一起来继续往下阅读哦...
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如何选择大功率半导体模块的封装技术
摘要： 大功率半导体模块的发展进化是电力电子系统升级和产业发展的最关键因素。文章根据功率模块的主要应用领域分类，综述了其产品和封装技术的最新进展，分析了新型模块产品的结构和技术特点；然后提出了当前模块封装面临的技术、成本以及新型应用系统要求等方面的挑战，讨论了向高频、高温、高可靠性、模块化等方向发展的挑战；最后对大功率半导体模块的互连及连接技术、集成化和灌封材料、紧凑封装结构的中长期趋势进行了探讨和展望。 0 引言 功率分立器件和模块是大功率半导体器件的主要产品形式，二者 2021 年的总市场规模为 275 亿美元，占全球半导体市场的 4.95%，预计 2026 年将达到 360 亿美元，年均增长率为 5.5% 左右[1-3]。单管分立器件是功率晶体管、晶闸管、金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET） 和小功率绝缘栅双极型晶体管 （Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT） 主要的封装形式，它具有工艺简单、成本低、应用灵活等优势，在中小功率应用系统如消费电子、家用电器、工业驱动等领域具有广泛的应用[2]。功率模块是多个芯片并联结构，对封装技术和材料有更高的要求，是中大功率应用MOSFET 和IGBT 的主要产品形式，在功率密度提升、寄生参数优化、先进技术和材料应用、冷却形式选择、可靠性增强等方面具有较大优势。大功率系统应用对模块需求的持续增加，功率模块对分立器件的市场优势正逐年增大，初步估计到 2026 年，功率模块的销售金额将达到分立器件的 1.6 倍左右[2]。本文将主要讨论大功率 IGBT 模块和宽禁带半导体模块封装技术的近期进展与展望。 功率模块的整体性能和可靠性主要依赖于芯片和封装技术两个层面，而其电流特性、功率密度、温度特性、开关 频 率 、 开关 损 耗 、 安全 工 作 区 （Soft Operation Area，SOA） 等电学性能在较大程度上依赖于芯片技术。目前，中低压 1 700 V 以下IGBT 已发展到第七代，750 V IGBT 芯片的电流密度已提升到300 A/cm2以上，IGBT的饱和电压持续降低，开关频率达到 20 kHz 以上，开关结温Tj 上升至175 ℃，短路能力不断增强[4-8]。 近年来，由于功率半导体芯片的研发和生产投入快速增长，功率模块封装技术和产品的开发节奏也随之加快。在过去的几十年，以 IGBT 模块为代表的功率模块封装技术和产品，也在不断地换代升级：在封装结构方面，持续向紧凑、低热阻、低电感、高效冷却的方向发展；在封装技术方面，先进的互连、连接、端子键合、灌封等技术一直是研发的热点；在封装材料方面，几乎所有的材料如外壳、硅胶、衬板、基板、焊料、树脂等都在持续更新[9-13]。这些方面的不断发展，提升了功率模块的性能和可靠性，基本满足了绝大部分功率系统用户的要求。然而，随着更先进芯片技术的开发，以及新型材料功率半导体器件如 SiC、GaN 芯片的逐渐成熟，芯片的电学性能和热学性能得到了更大提升。目前的功率模块封装技术，已经呈现出不能满足芯片技术对封装需求的趋势，从而限制了芯片性能 （如工作温度、短路能力、开关速度、效率等） 的发挥[14-15]。 本文将主要讨论大功率半导体封装的进展，并对未来的发展进行展望。在新型模块产品和封装技术方面，总结业界的最新进展，并对其产品性能和特点进行分析；基于芯片技术发展需求和客户端不断提出的更高要求，探讨当前大功率半导体模块封装面临的挑战；最后，对功率半导体封装技术发展趋势和前景进行展望。 1 大功率半导体模块封装技术现状与进展 近年来，世界各国政府机构和企业在大功率半导体器件方面的研发和投入迅速增长，新兴的研发机构和企业数量也逐年增加。相对于功率芯片的开发，大功率模块封装研发所需的技术、设备和人员投入相对较小，因而许多研究机构和初创企业选择从封装技术、表征测试、可靠性和寿命、应用技术等方面入手。有关大功率模块的新型封装结构和概念层出不穷，新型的产品和技术也在不断推出，但许多创新的封装结构还处于概念和样品等早期阶段，本文主要关注大功率半导体模块在产品层面的一些最新进展。 1.1 先进开源模块 开源模块 （Open Source） 的概念源于日本日立功率半导体有限公司 （以下简称日立） 于 2013 年提出的nHPD2 系列模块，即下一代高功率密度双开关模块[16]。在推出该模块的同时也提出了标准化尺寸 （最初为 140mm ×94 mm） 和电学接口，用以替代目前的工业级标准模块 （140 mm ×130 mm 和140 mm ×190 mm），具有性能 （如功率密度、寄生电感） 优良、模块化和易于应用等方面优点。概念一经提出，立即引起了各主要功率模块厂商的极大兴趣，后面陆续推出了各自的样品，并完成了相关产品的验证[16-21]。 开源模块分为中低压 （1 200~＜3 300 V） 系列和高压 （3 300~6 500 V） 系列2 个版本，图 1 为日立公司最初的开源模块概念设计。其中，高压版本的外壳增加了爬电距离设计，用以提升模块耐压水平；低压版本的直流 （DC+与 DC-） 端子均为 2 个，以承受更大电流。在提升功率密度的同时，一些先进的封装互连、连接和灌封技术已经应用于开源模块之中，如英飞凌科技股份公司 （以下简称英飞凌） 的 XHP2 应用了 .XT技术，三菱电机株式会社 （以下简称三菱） 的 LV100集成 了 基 板 技 术 （Integrated Metal Baseplate， IMB），塞米 控 国 际 有 限 公 司 （以下 简 称 塞 米 控） 的 SEMI‐TRANS 20 采用烧结芯片和 AlCu 引线键合技术，ABB有限公司 （以下简称 ABB） 的LinPak 超声焊接端子和高可靠性焊接技术等[17, 19, 21]。此外，Si3N4衬板和 AlSiC基板 已 普 遍 使 用 ， 直接 水 冷 （Direct Liquid Cooling，DLC） 集成针翅基板也逐渐成为中低压模块版本的主要形式，因此模块的热性能和可靠性得到了大幅提升。尽管开源模块产品的性能和可靠性已经完全优于上一代工业标准模块，并且能够大幅降低应用系统回路的总电感，但目前其市场容量仍然不大，一方面是由于模块生产商依然在不断提升上一代工业标准模块的性能和可靠性，以满足客户需求，另一方面是改变现有系统设计的形势还不紧迫。 1.2 新型压接式 IGBT 功率模块 压接式 （Press Pack，PP） IGBT 模块是专门为新一代柔性直流输电系统开发的产品，用以取代可关断晶闸管 （Gate Turn-off Thyristor，GTO）。PP IGBT的概念也来自于 GTO 的封装结构，即晶圆级封装，将电极与晶圆上下表面通过压力接触，具有大电流能力、低寄生电感、短路失效、易于串联应用、双面散热的优点。由于 IGBT 芯片的工艺难度和成品率的原因，采用晶圆级压接封装没有优势。PP IGBT 采用的是小尺寸芯片并联结构，芯片通过各自的刚性或柔性压接部件与外部电极连接，通过外部电极施加压力。目前，高压直流输电 （High Voltage Direct Current，HVDC） 系统的电压已经超过 1 000 kV，需要数百个 4.5 kV 及以上的高压 IGBT 模块串联。PP IGBT 的上下表面为电极的结构，使其容易通过压力串联起来，而传统的 IGBT 模块则很难串联应用。PP IGBT 模块的长期短路失效的优点也使其更适合串联应用，当一些模块失效时，整个系统可以维持较长时间的功能[22]。 早期推出 PP IGBT 产品的厂家有ABB、Westcode、富士电子、东芝、英飞凌等[22]，均采用圆形结构。为了提升功率密度和可靠性，日立新能源与 ABB 开发了方形结构柔性压接 StakPak 产品。StakPak 产品的芯片焊接在子模块基板上，模块管盖通过弹簧与芯片上部接触，并对其施加压力，每个模块由数个子模块单元并联构成，子模块共用管盖电极和底部电极。图 2 是StakPak 子模 块 结 构 示 意 图 和 5 200 V/3 000 A产品[23-24]。 株洲中车时代半导体有限公司 （以下简称中车时代半导体） 开发了具有自主知识产权的 PP IGBT 模块产品，并成功应用于国内柔性 HVDC 工程，图3 是其PP IGBT 模块子单元和模块产品。该 IGBT 的芯片通过双面银烧结技术与钼片连接，然后组装成子单元，子单元与模块管盖电极通过柔性压力接触，实现并联。银烧结工艺技术提升了模块的长期可靠性，柔性压接提高了芯片压力的均匀性，有助于提升芯片电学性能和热学性能的一致性。目前，中车时代半导体的 PPIGBT 产品的电压等级已经达到了 6 500 V，是市场上的第一家达到该电压等级的产品[8]。 1.3 先进工业级 IGBT 模块 62 mm ×152 mm IGBT 半桥模块被认为是最成功的IGBT 模块产品之一，如英飞凌 EconoDUAL 系列产品和其他半导体厂家同类封装的产品。该类半桥模块具有功率密度高、可靠性高、应用简单、成本低等优势，在工业、新能源和商用农用车领域的应用非常广泛。 目前，这类封装的 1 200 V 和1 700 V IGBT 模块的最大电流已经达到 900 A，相较于早期提供的 450 A 产品，功率密度最高提升了 1 倍，可满足新能源领域更高功率的需求。此外，在采用最新的 IGBT 芯片和 FRD 芯片提升电学性能的同时，模块的封装材料技术也在进行升级，如主端子与衬板连接以及衬板互连采用铜线、预涂敷相变导热硅脂材料 （Phase Change Thermal Inter‐face Material， PCTIM）、 IMB 和环 氧 树 脂 灌 封 材 料（Epoxy Molding Compound， EMC）、 采用 PressFIT 辅助端子等，以满足大电流输出和更高可靠性的要求。近 2 年，62 mm ×152 mm 封装 IGBT 模块产品的升级主要有以下 2 个方面： ①采用黑色外壳无基板封装结构，如图 4 所示。由于产品底部没有基板，实现了“结-壳”热阻 （RthJ-C）、重量和成本的降低。应用时通过外壳上的安装孔将衬板与散热器压装在一起，并且对主端子结构也进行了优化，主端子和辅助端子都通过超声焊接技术与衬板连接，从而提高了电流能力、热性能和机械可靠性，大幅降低了母排端子的寄生电阻和最高温度[25-27]。仿真结果显示，在 2.5 kHz 的开关频率和强迫风冷条件下，电流输出能力比标准模块提升了 9%，而在更高频率下其优势更加明显[27]。 ②基板集成铝带结构 （Wave），可实现直接水冷散热[28]，其产品如图 5 所示。通过热仿真和计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD） 仿真设计铝带的结构、尺寸、形状、布局，以实现最低的“结-冷却液”热阻 RthJ-F 和降低冷却液进出口之间的流阻。铝带键合在普通基板背面通过引线键合完成，工艺比较简单，相对于直接水冷针翅基板，可以大幅降低成本，并且重量降低很多，同时在应用中不需要涂覆导热硅脂，节省了成本，降低了 RthJ-F，从而提升了模块电流能力 ， 增强 了 产 品 可 靠 性[28-29]。 1 200 V/900 A 规格IGBT 模块的 RthJ-F为 0.08 K/W 左右，与预涂导热硅脂材料、没有铝带的标准模块的“结-散热器”热阻 RthJ-H0.07 K/W 相差不大，而后者在应用中还要考虑散热器的热阻影响。试验结果显示，在输出电流 500 A 和冷却水流量 15 L/min 的条件下，集成铝带结构的 IGBT 最高结温降低 25 K，而且温度波动很小；在相同的结温下，输出电流最高增加 20%~30%，寿命增加了 5 倍，模块结温和寿命比较如图 6 所示[29]。 1.4 汽车级 IGBT 模块产品进展 电动汽车电机控制器对大功率半导体模块的更高要求是汽车级 IGBT 模块技术不断发展的主要驱动力之一。基于性能、可靠性、寿命提升、成本降低的持续追求，使汽车级 IGBT 模块成为功率模块结构、技术和材料发展的主要推动力量。表 1 是汽车级 IGBT 模块产品验证标准，在温度冲击、机械振动和冲击、功率循环寿命等方面的标准比工业级模块更加严格[30]，表 2 是汽车模块产品代次发展及其主要特征。 目前 ， 6 开关HybridPACK Drive 直接 液 体 冷 却IGBT 模块及其同封装产品已经成为中高端电动汽车驱动器的主流产品，一些厂商以该模块形式进行了宽禁带功率器件 （如 SiC MOSFET，GaN HEMT） 封装[31]。在采用新型结构、先进技术和材料的基础上，汽车IGBT 模块的最新产品形式主要有以下 2 个方面： 一是转模灌封模块。。转模灌封技术广泛用于集成电路、分立器件的封装，但直到近年才被用于大功率IGBT 模块封装。转模灌封的优点：①工作温度更高，目前 EMC 材料的最大玻璃化温度达到 200 ℃以上，因而比硅胶更适用于高温封装；②EMC 材料的热膨胀系数 （Coefficient of Temperature Expansion，CTE） 比硅胶低一个数量级，目前已经能做到 15 ppm/K 以下，在温度变化过程中，EMC 材料半导体芯片、互连金属、绝缘衬板的热应力更小，从而提高了模块的“热-机械”稳定性和寿命；③转模灌封的防潮能力强，EMC材料对湿气的抵抗能力更强，保证了模块在潮湿工作环境下的长期可靠性；④抗机械振动和冲击的能力更强，EMC 材料经固化后强度很高，并与端子、衬板等材料具有很强的结合性，因而减小了机械振动和冲击对模块的影响，提高了模块的可靠性。目前，主要的IGBT 模块厂商都推出了转模产品，主要的应用领域是电动汽车，如图 7 [32-36]所示。转模封装的设备和工艺要求比传统硅胶填充更高，需要定制化的工装，因而工艺过程较长，成本较高。此外，转模封装主要适用于无基板结构和尺寸较小的模块产品，而当前主要拓扑结构是半桥结构。这是因为在灌封后，需要对 EMC 在高温下进行较长时间的固化，此过程使得基板形成很大的“热-机械”应力，造成基板变形。但转模灌封是大功率密度、高可靠性、轻量化功率模块封装的主要技术 方 向 ， 是先 进 新 型 宽 禁 带 （Wide Band Gap，WBG） 大功率模块的主要产品形式。 二是先进互连双面散热模块。传统 IGBT 模块采用铝线键合互连，主要通过衬板基板通道散热，在电流能力、散热能力和功率循环可靠性等方面存在局限性，其中键合引线脱落和根部断裂被认为是大功率模块失效的主要模式。先进互连技术旨在增强互连结构电流通过能力和可靠性，降低失效发生率。目前，比较广泛应用的先进互连技术主要包括：①平面互连，通过上层衬板或 PCB 形成电路；②直接导线键合 （Direct-Lead Bonding，DLB） 技术，通过主电流端子与芯片连接形成互连；③铜线键合，采用电流通过能力、散热能力 更 强 和 CTE 更低 的 铜 线 实 现 互 连 ； ④ 金属 夹（Clip） 互连技术，用于芯片间、芯片与衬板的互连，金属夹不与主端子一体化[37-41]。 通过平面互连技术，如平面金属层或衬板结构，可以实现双面散热封装。模块的热损耗可以向上、下 2个方 向 传 输 ， 达到 双 面 冷 却 （Double Side Cooling，DSC） 的效果。DSC 结构的RthJ-C 比同规格的单面散热结构降低 30% 左右[41]，从而大幅降低芯片结温 Tj，提高热稳定性。DSC 模块采用转模灌封技术，具有双面冷却和转模封装的诸多优势。图 8 是一款典型的 DSC转模模块及其剖面结构图，用于电动汽车电机驱动。当前的 DSC 模块一般不是直接水冷，在应用中需要通过导 热 材 料 （或通 过 焊 接 工 艺） 与外 部 散 热 器接触[41]。 1.5 先进 SiC 模块产品 为了发挥 SiC 材料在电学和热学方面的优势，大功率 SiC 模块封装的主要方向包括：①直流母排间寄生电感降低至 5 nH 以下；②提升模块最高工作温度Tj max至200 ℃以上；③降低 RthJ-C和 RthJ-F；④提高功率密度、增强电流能力和长期可靠性。目前，市场上的 SiC 模块产品主要是对 Si 基IGBT 模块产品形式的延用和小范围优化 ， 如 HybridPACK Drive、 62 mm 封装 系 列 产 品 、Easy 系列、平面转模结构等[42-46]，以及采用传统结构和技术的产品，如 Rohm、Wolfspeed、富士电子、三菱等公司的产品[33, 47-49]。专门针对大功率 SiC 器件的封装还不多见，仍未形成占主导优势、广泛被市场接受的标准 SiC 模块产品。 针对性能和可靠性要求最高的汽车控制器应用，塞米控公司推出了当前市场上最具竞争力的汽车级SiC模块产品 eMPack[50-51]，其外观如图 9 所示。eMPack 采用塞米控的 SKiN 技术[37]，其芯片互连采用双层柔性PCB 实现，分别形成功率和栅极回路，降低了寄生电感；芯片的上下表面通过银烧结技术分别与 PCB、绝缘衬板连接；冷却方式灵活，可采用直接水冷或客户定制的冷却结构 （如封闭铝散热器结构）；外壳通过压力结构系统 （Direct Pressed Die，DPD） 将压力施加于芯片和衬板之上，使 PCB 与芯片、衬板与散热器紧密接触，从而可以减小导热硅脂厚度，达到减小热阻的效果。eMPack的剖面图和 DPD 系统原理如图 10 所示。其母排和辅助端子通过激光焊接技术与衬板结合，激光焊接技术对衬板无损伤，具有接触电阻低、焊接速度快、安装体积小、成本低、可靠性高[52]等优点。 eMPack 模块采用的是 6 开关三相逆变电路的拓扑结构，适用于 1 200 V 及以下电压等级。目前的最高电流等级是有效值 900 A，输出功率最高达 750 kW，模块外形尺寸为 153 mm ×111 mm，主功率回路总寄生电感降低至 2.5 nH。该模块已经获得汽车生产商的极大兴趣和认可，并与德国一家大型车企签订了10 亿欧元的订单，将于 2025 年批量供货[53]。为了保证 SiC 芯片的供应，塞米控已经与意法半导体、罗姆公司签订了供货 合 同 ， Rohm 公司 也 获 得 了 eMPack 模块 的 生 产许可。 在高压 SiC 模块方面，3 300 V/750 A 和 3 300 V /1 000 A 半桥模块产品已经成功推出[54]，并在轨道交通牵引驱动系统获得了初步应用。该模块采用低压开源模块形式，主要在母排形状和布局方面进行了优化，直流回路总寄生电感在 10 nH 以下，采用铜线键合、芯片银烧结和衬板扩散焊接技术、Si3N4 衬板和 AlSiC 基板，如图 11 所示。在工业和新能源应用领域，模块的效率、体积、重量和成本成为关键指标，新型的 SiC 模块产品尚未出现。 近期，已经相继报道了平面封装转模 SiC 模块产品，如意法半导体公司的汽车级 STPAK2 双面冷却模块，该模块通过铜钼金属柱将芯片表面与上层 Si3N4绝缘衬板互连，芯片上下表面、金属柱与上层衬板之间都通过银烧结连接，如图 12 [55] 所示。安森美公司也推出了汽车级转模双面冷却 SiC 模块，寄生电感为 6.5nH，芯片与 AlN 衬板通过烧结连接，如图 13[56] 所示。DENSO 的双面冷却 SiC 模块已经批量应用于丰田的Mirai II 的升压控制器中，其结构与普通双面冷却结构类似，但未采用烧结技术，如图 14[57]所示。其他已经形成产品的新型 SiC 模块还有日立能源的RoadPak[34]、丹佛斯的 DCM1000X[35]等。 650 V 功率 GaN HEMT 器件主要应用在功率较低的领域，如消费电子、汽车充电机和 DC-DC 变换器等，其产品形式主要是分立器件。由于大功率的电机驱动应用尚不成熟，新型的 GaN 封装形式仍未形成，主要是采用传统的 IGBT 模块结构和技术，如 VisIC、GaN Systems 等公司的产品[58-62]。目前，GaN HEMT 芯片表面金属化布局不适用于平面互连，一般都采用引线键合形式，当应用于超高频率时，降低寄生电阻、电感和电容，实现芯片间栅极回路寄生参数均衡和动态均流都是需要重点考虑的问题。此外，对平面导电器件，还需关注背面接地设计。 1.6 新型航空功率半导体模块 航空功率系统是功率半导体器件新兴应用领域之一，随着世界范围内清洁太空计划的推进，多电飞机（More Electric Aircraft，MEA） 的研发日渐增多。MEA已经成为航空科技的重要发展方向，它将机载二级能源系统 （如液压、气动能源系统） 由电力系统替代，从而提高燃油经济性、实现轻量化、提高可靠性和可维护性。MEA 的电力系统包含发电、配电和用电等一系列 功 率 等 级 不 同 的 AC/DC、 DC/AC 系统 。 目前 ，MEA 的标准直流系统电压是±270 V，并有提升到±540V 的趋势。鉴于 MEA 对系统效率、体积和重量等方面的要求，1 200 V SiC MOSFET 成为航空应用的主流器件，随着直流电压的提升，1 700 V 或三电平 1 200 V SiC 模块将逐渐得到应用。 2022 年，Microchip 公司推出了航空标准 1 200 VSiC 模块 BL 系列，具有多种拓扑结构，电流最高达到145 A，可以满足 0.1~20 kW 的各种电源系统。图 15 是BL 系列模块的典型外观、尺寸和性能参数。该系列模块采用厚铜 Si3N4 衬板、应力缓解结构母排端子设计、无基板结构，具有体积小、重量轻[63]等优点，图 16 是该系列模块的内部结构图。图 17 是中车时代半导体开发的 1 200 V 三电平中点箝制 （Neutral Point Clamped，NPC） 航空 SiC 功率模块，输出电流有效值/功率为 250A/100 kW，主要优点是优化了各主电流回路的寄生电感 ， 实现 了 主 电 流 回 路 寄 生 参 数 均 衡 ， 以及 芯 片栅极 回 路 的 电 感 均 衡[64] 。 目前 ， 航空 功 率 模 块 产品的 验 证 标 准 还 没 有 建 立 ， 一般 参 照 航 空 系 统 标准RTCA/DO-160G，如高湿高温(95±4)%RH，长时间过压 170 kPa，15 s 内快速减压63.66 kPa，以及机械冲击和振动等方面的标准，其余验证标准参照工业级模块[63]。 2 大功率半导体模块封装面临的挑战 目前，世界各国都在发展低碳经济，实现电气化清洁能源、高效的能量转换等成为能源行业不断追求的目标，电力电子系统的应用和性能对上述目标的实现具有重要作用。其中，功率半导体模块是能量传输、转换和控制应用等电力电子系统的核心器件，其性能、可靠性和成本对整个系统具有关键影响。随着新兴行业 （如电动汽车、新能源、 HVDC 系统、多电飞机等）对电力电子系统要求的提升，大功率半导体模块的封装面临着以下挑战。 2.1 先进封装与产品成本的矛盾 在提升模块的功率密度、工作温度和可靠性等方面，业界已经开发并储备了一系列的先进封装方案和技术，并且一直在探索和完善之中，如新型互连与烧结工艺、高温灌封、压力接触、双面冷却等。相比于传统的封装结构和技术，这些先进方案和技术都在一定程度上增加工艺的复杂性、降低可制造性，并影响成品率，从而导致模块产品的成本增加。表 3 是当前主要先进技术的优势及其对产品制造和成本的影响。对功率模块供应商来说，需要根据客户的具体需求，通过结构、先进技术和材料的优化组合，开发相应的产品。 2.2 高频封装与回路寄生电感 回路存在杂散寄生电感是提高开关频率的最大障碍，也是栅极误导通的主要原因。模块间主回路寄生电感和模块内各芯片栅极回路寄生电感的不均匀，将导致模块和芯片不均流，从而引发失效。高开关频率是先进 Si 基和新型宽禁带 （WBG） 功率器件的主要优势之一，也是电力电子系统用户追求的主要目标之一。对功率模块而言，为降低开关损耗，减小功率回路和栅极回路的寄生电感、保证各芯片栅极回路电感的均衡 ， 是当 前 及 下 一 代 封 装 技 术 面 临 的 主 要 挑 战 之一[65-67]。表 4 是功率模块寄生电感的来源及其对性能的影响。 2.3 高温封装技术 Si 基 IGBT 芯片的最高工作温度为 200 ℃以上，而第三代 WBG 器件的工作 Tj 则可达 300 ℃以上。然而，受封装技术限制，目前主流功率模块产品的最高结温Tj max仍然被限制在 175 ℃。提高 Tj可降低对模块封装结构、材料热特性和散热能力的要求，但对高温封装技术和耐高温材料的选择提出了更高的挑战。因此，高温封 装 技 术 一 直 是 业 界 重 点 关 注 和 研 发 的 方 向 之一[67-69] ，表 5 为目前高温封装技术所面临的挑战及其技术解决方案。随着先进互连和连接技术的发展，封装技术将不再是高温封装的主要限制，而新型高温材料则成为提高模块 Tj的关键因素。 2.4 模块化和集成智能化 模块化和集成智能化封装是提升可制造性和可靠性，降低封装和应用成本的有效方案[70]。基于应用端的要求和电压等级的不同，需要储备完整的封装技术和材料体系、开发不同开关频率等级的小型化栅极驱动和系统控制技术、集成监测模块性能和健康状态的运维技术、考虑最优的封装形式和技术平台，形成标准模块化体系下的系列化产品。 2.5 新型应用系统的需求和挑战 早期的功率 IGBT 模块基本采用标准的封装结构和技术，应用范围主要是家用电器和工业变频等领域，而大容量的功率系统 （如轨道交通、输配电等） 则由晶闸 管 主 导 。 随着 新 型 芯 片 （IGBT 或 SiC MOSFET等） 和封装技术的快速进步，功率模块覆盖的应用领域越来越广泛，除替代上述应用领域的晶闸管模块外，还在电动汽车、新能源、航空航天等行业得到广泛应用。 不同类型电力电子系统虽然对功率模块的要求具有较大的共性，如性能提升、小型化、长期可靠性、高 SOA、电磁兼容、低成本等，但由于运行环境和工况的差别，不同系统会有特殊的需求，其产品标准也存在一定差异，在功率模块的开发过程中，需要特别关注。表 6 是新型应用系统对功率模块的特别需求。 3 大功率半导体封装技术展望 面对未来先进 IGBT 芯片和 WBG功率芯片封装的需求，需要在封装结构、封装技术和材料等方面不断进行升级和突破。本文从以下 5 个方面对大功率半导体封装的技术趋势进行展望。 3.1 先进互连技术 对于功率开关器件，互连技术是提升电流能力、降低寄生电感和提高可靠性的关键。对非转模形式的大功率模块，先进的互连技术主要有铜线键合、DLB、DTS、柔性 PCB、铜夹 （Cu Clip） 等技术[37-41]。表 7 是这 5 种技术在性能、工艺、可靠性和成本等方面的比较。由表 7 可知，铜夹技术具有一定的整体优势，通过采用铜钼合金可降低 CTE，从而减小结合层所受的热机械应力，其可靠性会进一步增加，有望成为未来大功率半导体封装的主流技术。 3.2 端子连接技术 端子连接是大功率半导体模块可靠性主要弱点之一，其失效机制主要为由于“热-机械”应力引起的连接层退化失效，以及机械冲击和振动造成的端子脱落或断裂。因此，端子连接的可靠性对高温度冲击和高机械应力的应用场景尤其重要，如电动汽车、新能源、航空等。当前，超声焊接 （Ultrasonic Welding，USW）已成为传统结构大功率模块母排和辅助端子的主流连接技术，而对无基板模块则存在工艺控制困难。 对于无基板模块，无压力烧结、TLPS 和激光焊接将成为功率端子与辅助端子主要的连接技术。在平面转模封装中，端子以引线框架的形式通过烧结或扩散焊接技术与衬板结合，其温度稳定性高。转模灌封能够加强其对机械冲击和振动的抵抗能力，而且其工艺与其他工艺步骤兼容。相对于 USW，烧结或扩散焊接的过程更快、成本更低，所以在传统有基板模块中，也有较大应用前景。激光焊接已经成功应用于大功率汽车模块及其模块端子与外部电路的连接，它的主要优势在前文已经提及。目前，激光焊接技术的主要限制是端子的焊接部位不能太厚，需要专门设计[52, 71-72]。 3.3 新型基板及灌封技术 集成金属基板 IMB 有 3 层结构。其中，上层薄铜可用于电路拓扑布局，中间层是一层厚度约为 0.1 mm的绝缘树脂，下层是一层较厚的铜金属层，用于支撑和散热。其优势是集成了衬板和基板的功能，具有降低热阻、整体厚度薄、体积小、重量轻、成本低等优点。通过在背面金属层集成针翅结构，实现直接水冷冷却，进一步提升模块的性能和可靠性。IMB 可以与高温 EMC 灌封技术很好结合，其模块整体优势和可靠性已经得到验证[73]，将有望成为高温、高性能、紧凑封装的主要技术方向之一。 集成 金 属 衬 板 （Integrated Metal Substrate， IMS）也有 3 层结构，其中上层用于金属电路布局，中间层是传统陶瓷层，下层是较厚的金属层，也可集成针翅结构。采用 IMS 不须基板，降低了模块的热阻、体积、重量和成本。采用 AlN 陶瓷层，模块的热性能和可靠性更具优势[74-75]。IMS 与高温 EMC 灌封结合的紧凑型高功率模块产品也是近几年的研发重点。 3.4 先进冷却结构 直接水冷散热已经成为汽车 IGBT 模块的标准产品，其应用系统非常成熟，下一代工业标准模块的趋势也是直接冷却结构[28-29]。双面散热 DSC 转模模块的研发已经持续了近十年，其结构和技术已基本定型，产品也相继推出[55-57]。然而，DSC 模块的应用还未普及，主要原因是其性能优势不是很明显，应用相对比较复杂。DSC 转模模块未来的发展目标是双面直接水冷，在模块上下表面金属层上集成针翅结构或类似结构，这将大幅降低模块的总热阻、提高模块的电流能力和长期可靠性，充分发挥先进芯片的优势，对高端系统用户的意义很大。 3.5 3D 封装结构 低电感、高功率密度、紧凑封装的长期解决方案是采用多层芯片堆叠嵌入式 3D 封装结构。通过在垂直方向上增加芯片层数，将芯片连接在衬板或功率端子上，同时嵌入电容、电感等无源元件，其采取的常用冷却技术是嵌入衬板或芯片的微通道[76-77]。在当前的DSC 模块中，只有 1 层芯片，其上表面有金属柱互连，一般被认为是实现 3D 封装的过渡形式。3D 封装一般采用烧结、转模和倒装芯片 （Flip Chip，FC） 技术。FC技术在小尺寸、小功率IC 封装中应用已经非常成熟，其关键是倒装芯片的位置控制和栅极连接，采用自动贴片机和栅极焊接 （或烧结） 技术，可以实现这个工艺。虽然大功率 3D 封装技术还在探索之中，距离产品及应用还有较长的时间，但将成为先进封装尤其是高频、高功率密度 WBG 器件封装的趋势之一。 4 结束语 随着 IGBT/FRD 芯片性能和工作温度的不断提升，以及高频、高温 WBG 功率芯片产品的成熟和强劲的市场需求，对先进封装技术的探索日益紧迫。小型化、高效率、高频、高温、高可靠性和低成本是大功率半导体器件用户的持续追求，也是功率半导体业界竞争的重点。对于这些指标的提升，封装技术发挥着至关重要的作用。来自电动汽车、新能源发电、多电飞机等中高端用户的要求，促使新的封装结构、先进封装技术和材料应用不断呈现。 本文从模块产品和封装技术层面介绍了功率半导体业界在新型封装方面的进展，对新型工业、新能源、汽车、WBG 以及航空功率器件模块产品进行了讨论和分析，讨论了当前大功率半导体模块封装面临的系列挑战，同时从模块封装技术 （如互连、端子连接及灌封）、新型结构和材料如集成基板、新型散热和紧凑封装等方面，对大功率半导体封装进行了探讨和展望。
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设计一个车载超级电容测试系统
目录 1.测试系统原理 2.各主要模块的实现 2.1采集模块的实现 2.2中央处理模块实现 3.测试内容 4.实验结果 随着科技的进步，电动汽车技术也得到了迅速的发展;相比内燃机汽车，电动汽车具有零排放、高能量效率、低噪声、低热辐射、易操纵和易维护等优点，将是未来汽车发展的方向，也是现行研究的热点。电动汽车的动力电池有如下三类：燃料电池、蓄电池和超级电容，而对于车载用电源，为达到较高功率和能量，超级电容往往采用多块单体串联的形式。但随着电容串级的提升，电池整体电压也随之提高，然而这样高峰值的电压引起的波动会带来强烈的电磁干扰，为电容组件的检测带来很大的困难。同时由于串联超级电容往往采用大电流充放电(通常在50A～150A之间)，电压、电流变化十分迅速，这样迅速的充放电速度和幅度带来的噪音影响也是十分巨大。因此针对超级电容特殊的工作状况，本文给出了一种利用单片机设计的超级电容电池测试系统方案。 1.测试系统原理 超级电容管理系统可实现对超级电容工作电流和电压的实时采集，整体结构框图如图1所示。系统共由3个主要模块组成：现场电压、电流、采集与调理模块(即采集模块)，信号隔离与MCU信号处理模块(即中央处理模块)，电源管理模块。采集模块内，霍尔电压、霍尔电流传感器分别对超级电容电压和电流进行现场采集，采集信号经过仪用放大，然后转化为4mA～20mA电流信号并发送到中央处理模块。中央处理模块内，采集模块发送的4mA～20mA电流信号，经过电流电压变换后，再进行隔离放大、AD转换并送到MCU;MCU将数据处理后通过CAN接口传送到上位机;当检测到数据异常时MCU输出故障信号，以便工作人员能即时采取措施。电源管理模块为各功能模块提供稳定隔离的电压。增加RS232通信串口，以便MCU程序烧录。 图1 超级电容管理系统整体结构图 2.各主要模块的实现 本测试系统分别采用四块电路板，以实现三大功能模块——采集模块、中央处理模块和电源管理模块。即电压采集与初调理板、中央处理板以及电源板。下边着重介绍电压、电流采集模块和中央处理模块的实现。 2.1采集模块的实现 采集模块包括总线电流的采集、总线电压的采集两个部分，图2即为电流采集原理图。采用霍尔电流传感器隔离被测系统，比传统的基于电阻采样的电流分压电路精度高，安全性能好，抗干扰能力强。本文选用的是基于磁补偿原理的霍尔闭环电流传感器CSNK591，测量范围±1200A，线性精度达到0.1%，总体精度达到0.5%，响应速度小于1μs，完全满足了系统的要求。采集信号经精密电阻转变为电压信号，再由仪用放大器放大为±5V双极性电压信号。系统选用AD620BR仪用放大芯片，该芯片在增益较低时具有较大的共模抑制比(G=10时，共模抑制比最小为100dB)，能较强地抑制由于温度、电磁噪声等因素引起的共模干扰。放大信号通过OP27GS芯片抬升至0～10V单极性信号，经过射极跟随器送至变送器XTR110KU，转为4mA～20mA的电流信号送到中央处理模块。之所以将采集信号转变为4mA～20mA电流信号，是考虑到与工业接口标准的统一，并且采用电流传输抗干扰能力强。 图2 电流采集模块原理图 总线电压的采集同样选用基于磁补偿原理的闭环霍尔电压传感器VSM025A，实现原理与电流采集相同。 2.2中央处理模块实现 中央处理模块是测试系统的核心部分，包括MCU和AD单元、模拟信号二次调理单元、故障输出单元和CAN接口单元等，如图3所示。 图3 电压信号调理支路 采集模块输入的4mA～20mA电流信号首先经过模拟信号二次调理单元，进行信号的变送、隔离、滤波和放大。模拟信号的隔离方式很多，常用的方法为隔离放大器、线性光耦以及电压频率转化，其中隔离放大器和线性光耦隔离电压高，抗干扰能力强，线性度高，但线性光耦隔离线路复杂，需要调整的参数较多，并且当输入电压比较小时，线性度较差。本文选用的是高精度ISO124U隔离运算放大器完成输入模拟信号的隔离，隔离后的信号经5阶Butterworth低通滤波MAX280电路过滤高频干扰，随后通过一射极跟随器送出。 二次调理后的采集信号，经过12位高速AD7891送至MCU。MCU对数据进行处理并将数据通过CAN接口传送到上位机。单片机选用STC系列8位高速单片机STC89C58RD+。该单片机具有强抗干扰性，4kV快速脉冲干扰(EFT)和高抗静电(ESD)，可通过6000V静电，很好地满足了超级电容高电压大电流的工作环境。该单片机可实现6时钟模式，在本系统采用24M晶振情况下，单片机工作频率可达到4MIPS，相当于普通51系列单片机运行速度的4倍。 另外，测试系统设置3通道故障诊断输出，能显示欠压、过压、过流等状态。测试系统与上位机采用抗干扰能力强、稳定性好的CAN通信方式，保证测试系统送入上位机数据的可靠性。 实际系统有模拟±15V，数字±5V，模拟±12V供电需求，电源管理模块在提供系统各部分所需电压的同时，进行模拟、数字电路隔离，从而避免两类电压互相影响。各部分电源入口都增加了TVS保护，防止浪涌电压对系统的损坏。同时在诸多电源入口处设置相应的滤波电路，如在AD供电入口处增加了π形滤波电路，较好地消除电源信号对所供电路的干扰。 而且外部连线均采用屏蔽线，能较强地屏蔽线路传输中的电磁干扰。所有电流板使用型材铝盒包装，采用标准航空接头与外界联线，这样在保护电路板的同时隔离外界磁场。 3.测试内容 实验选定以70A和150A两种模式对两组串联的超级电容组件进行充放电测试。首先，对电容进行恒流充电，当总线电压达到300V时，转为恒压充电，当总线电流降低到10A时进行70A恒流放电，如此循环测试5个周期。 4.实验结果 图4、图5、图6给出了两种情况下的测试曲线对比。其中，图4表示70A和150A两种标准测试情况下，电流的变化曲线。图5、图6表示两种情况下，电压曲线特性。可以看出两者的匹配程度很好。电压测试精度高于电流测试精度，这是由于一方面充放电系统本身电压比电流控制精度要高，另一方面电流传感器安置在电容箱体内并且紧靠单体电容，电容充放电时产生的噪声干扰比较严重。同时，霍尔电流传感器孔径较大，穿过电流总线后仍有一定空隙，在一定程度上影响了测试精度。对比各组电流曲线，可以看出随着电流的增大，测试结果的相对误差减小，但绝对误差保持一致，不超过3A。 图4 70A与150A充放电电流测试对比曲线 图5 70A充放电电压测试对比曲线 图6 150A充放电电压测试对比曲线 总结 以上就是基于单片机的车载超级电容测试系统设计介绍了。该系统采用基于磁补偿原理的霍尔闭环电流、电压传感器采集总线信号，以抗高压脉冲干扰的STC51高速单片机进行信号处理，并采用仪用放大、电流传输、模拟信号隔离、5阶低通滤波等措施，尽可能地减少信号传输过程的噪音。通过对超级电容组件充放电测试，表明本系统具有抗干扰能力强、检测精度高等优点，能很好的满足车载超级电容高电压大电流环境下的测试要求。
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工程师对单片机编程的总结
ller Unit 的简称，中文叫微控制器，俗称单片机，是把CPU的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口。
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