從IGBT到SiC，特斯拉汽車(chē)功率器件的變遷

來(lái)源：01芯聞

作者：棟幺

原標題：《特斯拉澎湃動(dòng)力來(lái)自何方？》

互聯(lián)網(wǎng)上關(guān)于特斯拉電動(dòng)汽車(chē)的拆解和分析很多，例如老爺子Sandy Munro對Model 3/Y和油管上Weber Auto等up主對動(dòng)力總成部分的拆解，楊逸軒@知乎也寫(xiě)了一系列不錯的綜述文章?？紤]到這些視頻或者報告多集中在整車(chē)或者系統方面，本文將從特斯拉歷代車(chē)型動(dòng)力總成中用到的核心功率器件展開(kāi)，簡(jiǎn)要講述逆變器部分的演進(jìn)歷史。

備注：本文資料均來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)。對任何可能涉及到NDA的細節內容，筆者全部略過(guò)。

01第一代Roadster
在回顧特斯拉逆變器設計之前，不得不提到AC Propulsion這一家在電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展史上留下濃重一筆的公司。創(chuàng )始人Al Cocconi曾參與第一款量產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)通用EV1的研發(fā)，但是在通用汽車(chē) “殺死” EV1后，Cocconi出走南加創(chuàng )立AC Propulsion，設計并少量打造了一款原型電動(dòng)車(chē)T-Zero。該車(chē)僅供一人使用，車(chē)門(mén)只有小小一條，進(jìn)出困難。動(dòng)力部分由鉛酸電池并串聯(lián)供電，逆變器中每個(gè)橋臂的上下橋由20片IGBT單管并聯(lián)，總共使用了120片IGBT單管，其裸片總面積達到7200平方毫米。如果考慮到前道工序和后道工序的良率，一臺T-Zero需要使用差不多當時(shí)一整片6寸晶圓能制造出的IGBT。
特斯拉成立后，從AC Propulsion處獲得了動(dòng)力總成系統的技術(shù)授權，包括第一代Roadster逆變器中用到的IGBT單管并聯(lián)技術(shù)。一直到特斯拉生產(chǎn)了大約500臺動(dòng)力總成系統，并在系統控制從模擬方式改成數字方式后，才停止向AC Propulsion支付專(zhuān)利費用。
但是自此之后，多管并聯(lián)成為特斯拉逆變器設計的核心特征。這除了路徑依賴(lài)的原因，也有供應鏈方面的考慮。在本世紀出的前十年，市場(chǎng)上推出的量產(chǎn)車(chē)規級IGBT模塊產(chǎn)品寥寥無(wú)幾，僅有英飛凌HybridPACK1等，但是不能滿(mǎn)足特斯拉對功率輸出的要求。而工業(yè)模塊雖然有大電流版本，但是畢竟不是為汽車(chē)設計，可靠性、可追溯性以及外形尺寸不能滿(mǎn)足特斯拉的要求，當時(shí)也沒(méi)有廠(chǎng)商愿意為特斯拉定制昂貴的車(chē)規級功率模塊產(chǎn)品。
時(shí)也，勢也，當時(shí)IGBT單管雖然電流規格尚小，但是供應商較多，特別是IGBT主要廠(chǎng)商之一International Rectifier（IR）總部也位于加州，方便特斯拉與之進(jìn)行溝通，選擇甚至定制合適的IGBT單管。這方面具體的過(guò)程可以參考當時(shí)IR此項目的負責人之一志宏老板的回憶錄《贏(yíng)得特斯拉ModelS IGBT合同的一段往事》。
Roadster的動(dòng)力總成部分稱(chēng)為PEM（Power Electronics Module），占據了后備箱的前半部分，位于電池包之后，電機之上。PEM從2008年開(kāi)始量產(chǎn)，1.5版本之前除了“Tesla Motors”的logo外，還有”P(pán)EM 185”的標識，意味輸出功率185kW。而2.0和2.5版本則只留下logo，或者將“Tesla Motors”的標識改為“Roadster Sport”。從下面PEM的拆解中，可以看到各個(gè)版本內部總體布置大致相同，其中一半的空間為高壓連接件、高壓繼電器和保險絲等，另一半為逆變器部分，三塊半橋橋臂水平擺放。但是再進(jìn)一步拆解可以看到逆變器設計至少有過(guò)兩個(gè)版本。
較早的PEM 185采用的IGBT單管為標準TO247封裝，每個(gè)開(kāi)關(guān)由14片IGBT單管并聯(lián)，總共使用了84片IGBT單管，采用過(guò)的型號至少包括英飛凌75A IGBT IKW75N60T。
在之后的版本中，Tesla換用了IR為其定制的600V 120A AUIRGPS4067D1，同樣采用14片并聯(lián)。該IGBT采用TO-247 Plus封裝（亦稱(chēng)為T(mén)P-247，Super-247），取消了TO247封裝中固定用的螺絲過(guò)孔，因此可以裝入更大尺寸的裸片，增大輸出電流。
但是這兩種IGBT采用相同的安裝方式，均為IGBT折彎管腳（Trim and Form）后90度貼于功率PCB板上，背面的導電集電極（Collector）則通過(guò)絕緣導熱膏涂層貼在散熱片上，再用螺絲將整個(gè)IGBT功率板固定在散熱器上。這種安裝方式的主要失效模式是經(jīng)過(guò)長(cháng)期使用，絕緣導熱層龜裂導致的IGBT短路，以及電解電容的損壞。
02Model S/X
2012年量產(chǎn)的Model S則對動(dòng)力總成進(jìn)行了重大改進(jìn)，逆變器設計也完全拋棄了上一代中的平鋪方式，改為立體構造。2015年量產(chǎn)的Model X也沿用同樣的設計，因此可稱(chēng)之為第二代動(dòng)力總成。
第二代特斯拉動(dòng)力總成分為L(cháng)arge Drive Unit（下簡(jiǎn)稱(chēng)LDU）和Small Drive Unit（下簡(jiǎn)稱(chēng)SDU）兩種。前者主要用于Model S/X單電機版本，以及雙電機高性能四驅版本中的后輪驅動(dòng)。而后者主要用于雙電機普通版本的前后驅?zhuān)碗p電機高性能版本中的前驅。
顧名思義，LDU體積較大，為圓筒形，輸出功率也較大，SDU則反之。雖然兩款動(dòng)力總成出現在相同車(chē)型中，但是LDU開(kāi)發(fā)時(shí)間早于SDU，退出市場(chǎng)的時(shí)間也較早，主要因為成本和功率密度的考量。

LDU中的逆變器呈三棱鏡構造，每相或者說(shuō)每個(gè)半橋部分占據三棱鏡的一個(gè)面。三棱鏡的頂端和底端分別是高壓直流輸入部分和高壓交流輸出部分。在直流輸入側另有三塊小三角形PCB，這是每相的驅動(dòng)PCB板。
LDU采用與PEM相同的，TO247封裝的IKW75N60T，但是用量較多，每個(gè)開(kāi)關(guān)為16 個(gè)IGBT單管并聯(lián)，共用了84片IGBT。雖然LDU中IGBT仍然需要折彎管腳，但是其與母線(xiàn)銅排和功率PCB板的連接方式大大優(yōu)化，所用功率PCB板面積減少不少。也因為如此，每個(gè)半橋部分中有一半IGBT（中間兩排）可以用母線(xiàn)銅排固定，而另外一半（外側兩排）需要用兩個(gè)一組的夾具固定。
關(guān)于LDU中逆變器的設計，筆者仍有幾個(gè)問(wèn)題尚待理清。一是為什么特斯拉繼續使用電流較小的IKW75N60T，而不使用更新、電流更大的AUIRGPS4067D1？二是LDU有綠色PCB和紅色PCB兩個(gè)版本，兩者間是否有差異？

SDU同樣在逆變器中采用了立體結構，但是設計方式與PEM和LDU相比又有很大區別，使得整體構造更為緊湊，功率密度分別達到30kW/L和33.3kW/kg。

首先，IGBT單管選用AUIRGPS4067D1，6片并聯(lián)，總用量36片。雖然單片IGBT成本增加，但是因為用量減少，總成本較低。不過(guò)根據與特斯拉工程師的交流，并聯(lián)IGBT的數目小，對芯片一致性的要求更高，實(shí)際設計難度增加。因此，特斯拉對IGBT單管增加了特別的規格分檔（binning）要求，對IGBT制造的后道工序以及供應鏈管理都帶來(lái)了不小的挑戰。
其次，IGBT單管的布局和散熱方式有了重大改變。通過(guò)雙頭夾具，每個(gè)半橋上下橋臂中的IGBT單管背靠背固定在散熱器上，組成類(lèi)似三明治的結構。與LDU相比，不僅半橋之間組成立體結構，半橋之內上下橋臂也為立體結構，充分利用了空間?，F在一些半導體供應商的雙面水冷散熱模塊也是采用類(lèi)似的散熱設計提高功率密度。
再次，IGBT單管的連接也與以往有了很大不同。SDU不在需要功率板連接IGBT單管，而是采用倒插的方式與驅動(dòng)板相連。因此不再需要折彎IGBT單管管腳，降低了安裝成本，也避免了可能由此引發(fā)各種麻煩（折彎管腳后IGBT可能出現零星失效，很難判斷原因，往往導致IGBT供應商與系統廠(chǎng)商相互指責）。再通過(guò)適當調整單管G/D/S三個(gè)管腳的長(cháng)度，使其與驅動(dòng)板和母線(xiàn)銅排適度相連。因此，IGBT的管腳設計和制造也變得重要起來(lái)。
SDU的出現使得特斯拉對IGBT器件有了更嚴格的機械、電學(xué)以及可制造性的要求。筆者也有幸作為供應商，與多位特斯拉核心研發(fā)人員合作，一同參與了IGBT單管的定制工作，也由此負責了下一代特斯拉定制IGBT器件的開(kāi)發(fā)。此后，特斯拉開(kāi)始與功率半導體頭部廠(chǎng)商進(jìn)行更緊密的合作，深度介入核心功率器件的定義與設計，并最終推出了劃時(shí)代的第三代動(dòng)力總成。
03Model 3/Y
Model 3/Y動(dòng)力總成相較于上一代產(chǎn)品更為緊湊，尤其是逆變器部分尤為明顯。原因之一是與其他公司的三合一電驅系統相比，特斯拉逆變器從上一代開(kāi)始就選擇移去蓋板，緊貼減速器，因此減少了逆變器的重量和體積。但是更重要是，新一代的逆變器中選擇了全新的功率器件，并因此改變了逆變器的整體設計。

當特斯拉還在優(yōu)化SDU的設計時(shí)，核心研發(fā)人員就已經(jīng)在思考下一代動(dòng)力總成該如何實(shí)現。尤其是前兩代系統、三種設計中中核心器件IGBT單管所用的TO247和TO247 Plus封裝，已經(jīng)沒(méi)有很大潛力進(jìn)一步增加電流規格和提高性能了。同時(shí)，雖然IGBT技術(shù)持續進(jìn)步，但是帶來(lái)的多為量變而非質(zhì)變。綜上，IGBT單管即將到達性能瓶頸。有鑒于此，特斯拉不僅與功率半導體廠(chǎng)商共同探討新功率芯片的選擇，還與一些先進(jìn)封裝技術(shù)公司合作新封裝的開(kāi)發(fā)。其結果就是 TPAK（Tesla Pack）模塊橫空出世，其革命性進(jìn)步包括以下幾點(diǎn)。
首先，特斯拉率先在量產(chǎn)電動(dòng)車(chē)中使用碳化硅芯片代替IGBT芯片。雖然TPAK SiC的模塊成本高，但是符合產(chǎn)業(yè)升級趨勢，比競爭對手提前至少3年獲得了碳化硅的大規模實(shí)地使用數據。
第二，TPAK封裝采用介于單管和常規模塊之間的單開(kāi)關(guān)模塊（Single Switch Module）設計，既超越了之前單管封裝帶來(lái)的輸出電流、輸出功率、寄生電感等限制，又保留了多管并聯(lián)的靈活性，可以根據不同的逆變器功率輸出需求，來(lái)選擇需要多少個(gè)TPAK模塊并聯(lián)。并且特斯拉在過(guò)去10多年積累的多管并聯(lián)經(jīng)驗可以繼續沿用。
第三，TPAK模塊在內外部采用了燒結（sintering）作為連接方式。模塊內部，芯片通過(guò)銀燒結層與DBC相連，代替錫焊層。在模塊外部，TPAK的底板也燒結到散熱器上，代替導熱膏涂層。兩者共同作用，不僅使得系統的散熱能力上了一個(gè)臺階，而且TPAK本身的可靠性，特別是功率循環(huán)次數，也獲得了很大提高。另外，散熱性能的提高意味著(zhù)同樣尺寸的芯片可以在限定的結溫下輸出更大的電流，或是輸出同樣的電流下用較小尺寸的芯片，實(shí)現芯片降本。
最后，TPAK的寄生參數很小，因此可以作為通用模塊，不僅用來(lái)放入碳化硅芯片，也可以放入IGBT芯片和氮化鎵芯片。這樣可以方便供應商共用后道產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)不同的TPAK模塊，實(shí)現降本增產(chǎn)。同時(shí)，逆變器的設計也只用考慮一種模塊封裝形式，重復利用了機械和散熱設計，在逆變器系統層面也減低了成本。
于是，4個(gè)這樣的TPAK SiC模塊并聯(lián)構成了橋臂的上橋或者下橋，并用激光焊接的方式將模塊的漏極和源極同母線(xiàn)銅排連接，總共用到24個(gè)TPAK模塊構成了第一代的Model 3/Y逆變器。

04Model S/X Plaid
去年年中和年底，Model S Plaid和Model X Plaid分別開(kāi)始對外交付，因此目前網(wǎng)絡(luò )上的拆解分析并不太多。從能夠搜集到的資料來(lái)看，Model S/X Plaid繼續采用Model 3/Y中的逆變器設計，甚至前者逆變器的驅動(dòng)和控制PCB板上還標有“Model 3”字樣，唯一可見(jiàn)的變化是Plaid逆變器中的高壓部分加入了一個(gè)煙火式致動(dòng)器（pyrotechnic actuator），在TPAK模塊失效導致短路發(fā)生時(shí)，可以立刻切斷與電機的連接。
在系統層面，Model S/X Plaid與Model 3/Y的顯著(zhù)差別在于Model S/X Plaid后驅為雙電機，由兩臺TPAK模塊構成的逆變器分別驅動(dòng)。另外，Model S/X Plaid所用的電機有所改進(jìn)，特別在轉子部分采用碳纖維增強。

05Cybertruck和第二代Roadster
兩款車(chē)型目前還處于內部開(kāi)發(fā)階段，因此信息極為有限。從Elon Musk在推特中透露的信息來(lái)看，第二代Roadster采用的電機會(huì )比Model S/X Plaid轉速更快。
筆者推測Cybertruck和第二代Roadster還將沿用TPAK模塊，只是在內部選擇新一代，性能更好的SiC芯片。期待特斯拉今年公布更多關(guān)于這兩款車(chē)型的消息。
小結：本文回顧了特斯拉歷代車(chē)型動(dòng)力總成中逆變器部分所用到的核心功率器件，由此簡(jiǎn)要講述逆變器部分的設計，對行業(yè)人士以及電動(dòng)汽車(chē)愛(ài)好者有些許參考意義。
特此鳴謝過(guò)去一起合作過(guò)的特斯拉工程師們。