從碳化硅模塊出發(fā)，看特斯拉核心芯片選型策略

來(lái)源：01芯聞

作者：棟幺

01

TPAK

TPAK不包括引腳的塑封部分尺寸為20mm x 28mm x 4mm，其中不僅可以裝入碳化硅MOSFET裸芯片，還可以選擇IGBT或者氮化鎵HEMT作為其核心芯片。這意味著(zhù)TPAK不僅可以作為一款高性能的碳化硅驅動(dòng)模塊，還可以成為一款高性?xún)r(jià)比的IGBT功率模塊，甚至在車(chē)規大功率氮化鎵技術(shù)成熟后，無(wú)縫接入氮化鎵裸芯片成為高頻功率開(kāi)關(guān)器件。

同時(shí)，結合浸淫多年的多管并聯(lián)技術(shù)，特斯拉可以在其電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統中，按照不同的功率等級選擇不同數量的TPAK并聯(lián)，并根據不同的效率和成本要求選擇碳化硅MOSFET或者IGBT作為T(mén)PAK核心芯片。與此同時(shí)，因為都是同一種封裝，特斯拉僅需在外部電路、機械結構和散熱設計僅需小幅改動(dòng)的情況下，即可滿(mǎn)足各種各樣的電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)需求，這大大增加了設計彈性。

例如，在理想情況下，雙電機版本的特斯拉電動(dòng)車(chē)可以選用多個(gè)碳化硅TPAK并聯(lián)驅動(dòng)主電機，滿(mǎn)足大部分工況下的性能和效率要求。而另一電機則可選用較少數量并聯(lián)的碳化硅版本或者IGBT版本TPAK，以實(shí)現在一定成本控制下的四驅或加速要求。亦或在未來(lái)采用氮化鎵+碳化硅或者氮化鎵+IGBT的方案。

不僅如此，TPAK中的每種裸片還可以從不同的芯片供應商處采購，建立二供乃至多供體系。除了官宣的意法半導體外，特斯拉還和業(yè)內幾乎所有耳熟能詳的功率半導體頭部供應商進(jìn)行深度合作——特斯拉提供技術(shù)規格以及應用場(chǎng)景下的各類(lèi)工況要求，芯片廠(chǎng)商拿出最好的功率半導體技術(shù)，為T(mén)PAK定制功率開(kāi)關(guān)芯片。這樣做的好處是可以在多家供應商中優(yōu)中選優(yōu)，為特斯拉車(chē)型找到性能最好或者性?xún)r(jià)比最高的芯片。

與此同時(shí)，特斯拉在其車(chē)型銷(xiāo)量增加時(shí)，可以通過(guò)多家供應商快速增加TPAK模塊的產(chǎn)能，而不用受限于單一供應商，這在Model 3/Y車(chē)型銷(xiāo)量較上一代Model S/X有了迅猛增長(cháng)的情況下變得尤為重要。未來(lái)當特斯拉推出更為廉價(jià)銷(xiāo)量預期更高的Model 2，以及預定量超過(guò)百萬(wàn)臺的Cybertruck時(shí)，能夠在短時(shí)間內從多家半導體供應商處，獲得海量TPAK模塊供應將成為特斯拉供應鏈管理的重要一環(huán)。

誠然，如果整車(chē)廠(chǎng)采用HybiPACK 1或者Trac Direct （DC）等這類(lèi)管腳兼容模塊時(shí)，也可以得到類(lèi)似的多供應商體系保證供應，但是這種模塊為先有模塊，后有逆變器系統，因此在某些規格上不同廠(chǎng)家不能做到100%兼容。另外，該模塊為全橋設計（包含3個(gè)半橋），封裝成本固定，因此在改進(jìn)為小電流版本模塊時(shí)，模塊總成本并不隨電流規格同步降低，因此設計彈性不如TPAK。最后，作為一款公版設計的模塊，逆變器設計廠(chǎng)商并不能在模塊性能方面與采用同種模塊的競爭對手區隔開(kāi)來(lái)。

綜上所述，在逆變器核心功率器件的選型上，特斯拉除了規定外形尺寸以及一些重要的封裝設計要求外（例如必須采用銀燒結技術(shù)），還深度參與了內部芯片的定義、設計以及測試。由此得到的TPAK模塊在滿(mǎn)足性能和系統設計要求的同時(shí)，實(shí)現了跨（芯片）廠(chǎng)商，跨（IGBT/SiC MOSFET/GaN HEMT）平臺。

02

T2PAK

無(wú)獨有偶，除了TPAK外，特斯拉還在動(dòng)力總成的另一核心部件PCS中也采用了相同的選型策略。

Model 3/Y的電源轉換系統（PCS，Power Conversion System）包含車(chē)載充電機OBC和高壓-12V DC/DC兩個(gè)部分，用于從電網(wǎng)給主電池包充電，以及主電池包與12V電池之間的能量交換。PCS中有40片以上的T2PAK（2nd Tesla Package），用于OBC中的PFC和DC/DC主次級側，以及高壓-12V DC/DC的高壓側。

作為一種高壓?jiǎn)喂鼙碣N封裝，T2PAK取代了前幾代Model S/X OBC中用到的TO-247封裝，包括TO-247-3，用于超結MOSFET，SiC MOSFET的三腳封裝，和TO-247-2，用于硅或碳化硅二極管的兩腳封裝。因此，T2PAK在PCS主電路板上安裝更為簡(jiǎn)單，可生產(chǎn)性好。所有T2PAK都通過(guò)導熱膏貼于水冷散熱板上，較之前的散熱設計大大簡(jiǎn)化。

根據目前能找到的拆機視頻，T2PAK至少有碳化硅二極管，以及超結MOSFET或碳化硅MOSFET幾種版本。同樣的，T2PAK用一種封裝實(shí)現了PCS中核心功率器件的跨平臺和跨廠(chǎng)商選型，簡(jiǎn)化了供應鏈。

當然，TPAK和T2PAK也非完美無(wú)缺，兩種器件的封裝都還有不少的改進(jìn)空間。例如，TPAK可以采用類(lèi)似丹佛斯DBB和賀利氏電子DTS的技術(shù)在模塊內部實(shí)現雙面燒結，達到更好的散熱性能和可靠性。

03

一些爭議

在上一篇文章發(fā)表后，一些讀者在評論中就特斯拉和比亞迪誰(shuí)在動(dòng)力總成硬件技術(shù)方面更強展開(kāi)了熱烈的討論。筆者與這兩家公司都長(cháng)期合作過(guò)，可以說(shuō)他們在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域都是業(yè)內最優(yōu)秀的公司之一。但是考慮到比亞迪和特斯拉所處的環(huán)境和國情不同，兩者的創(chuàng )業(yè)基因也有很大差異，單純比較兩者優(yōu)劣就如果比較不同生態(tài)圈中的獅子和老虎一樣，很難判斷誰(shuí)才是百獸之王。

特斯拉身處硅谷核心的Palo Alto，自Model S推出后就成為眾多半導體公司最為重要客戶(hù)之一，可以不受限制的采購到任何一家功率半導體頭部企業(yè)的尖端產(chǎn)品，因此特斯拉只需專(zhuān)注于主業(yè)，集中資源投入整車(chē)層面和部分核心子系統的研發(fā)。

而比亞迪在開(kāi)始做電動(dòng)車(chē)時(shí)，國內車(chē)規功率半導體還未起步，在國外供應商眼中比亞迪也非最為重要的客戶(hù)，因此比亞迪不得不自己研發(fā)IGBT以及碳化硅MOSFET作為國外產(chǎn)品的補充和替代。這使得比亞迪在功率半導體的采購上獲得了一定的議價(jià)權，并且在外部供應短缺時(shí)有了備用方案，這在當今汽車(chē)電子缺芯的背景下優(yōu)勢明顯。但是當比亞迪在汽車(chē)，半導體，鋰電池等多個(gè)賽道都需要巨額投入，以此在技術(shù)和產(chǎn)能方面與對手競爭的時(shí)候（例如鋰電池領(lǐng)域的寧德時(shí)代），就會(huì )出現資源捉襟見(jiàn)肘的情況。預期比亞迪半導體這幾天的上會(huì )直至之后的上市將給比亞迪的碳化硅和IGBT研發(fā)和產(chǎn)能擴充注入一針強心針。

總而言之，在核心功率器件的選型策略上沒(méi)有一條放之四海而皆準的方法，企業(yè)需要根據公司具體情況和市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，決定采用完全自產(chǎn)，完全外購，還是類(lèi)似特斯拉這樣的定制方案。