從IGBT到SiC，特斯拉汽車功率器件的變遷

來源：01芯聞

作者：棟幺

原標題：《特斯拉澎湃動力來自何方？》

互聯(lián)網(wǎng)上關(guān)于特斯拉電動汽車的拆解和分析很多，例如老爺子Sandy Munro對Model 3/Y和油管上Weber Auto等up主對動力總成部分的拆解，楊逸軒@知乎也寫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或者系統(tǒng)方面，本文將從特斯拉歷代車型動力總成中用到的核心功率器件展開，簡要講述逆變器部分的演進歷史。

備注：本文資料均來自互聯(lián)網(wǎng)。對任何可能涉及到NDA的細節(jié)內(nèi)容，筆者全部略過。

01第一代Roadster
在回顧特斯拉逆變器設(shè)計之前，不得不提到AC Propulsion這一家在電動汽車發(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)電動汽車通用EV1的研發(fā)，但是在通用汽車 “殺死” EV1后，Cocconi出走南加創(chuàng)立AC Propulsion，設(shè)計并少量打造了一款原型電動車T-Zero。該車僅供一人使用，車門只有小小一條，進出困難。動力部分由鉛酸電池并串聯(lián)供電，逆變器中每個橋臂的上下橋由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處獲得了動力總成系統(tǒng)的技術(shù)授權(quán)，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臺動力總成系統(tǒng)，并在系統(tǒng)控制從模擬方式改成數(shù)字方式后，才停止向AC Propulsion支付專利費用。
但是自此之后，多管并聯(lián)成為特斯拉逆變器設(shè)計的核心特征。這除了路徑依賴的原因，也有供應(yīng)鏈方面的考慮。在本世紀出的前十年，市場上推出的量產(chǎn)車規(guī)級IGBT模塊產(chǎn)品寥寥無幾，僅有英飛凌HybridPACK1等，但是不能滿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設(shè)計，可靠性、可追溯性以及外形尺寸不能滿足特斯拉的要求，當時也沒有廠商愿意為特斯拉定制昂貴的車規(guī)級功率模塊產(chǎn)品。
時也，勢也，當時IGBT單管雖然電流規(guī)格尚小，但是供應(yīng)商較多，特別是IGBT主要廠商之一International Rectifier（IR）總部也位于加州，方便特斯拉與之進行溝通，選擇甚至定制合適的IGBT單管。這方面具體的過程可以參考當時IR此項目的負責(zé)人之一志宏老板的回憶錄《贏得特斯拉ModelS IGBT合同的一段往事》。
Roadster的動力總成部分稱為PEM（Power Electronics Module），占據(jù)了后備箱的前半部分，位于電池包之后，電機之上。PEM從2008年開始量產(chǎn)，1.5版本之前除了“Tesla Motors”的logo外，還有”PEM 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，可以看到各個版本內(nèi)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。但是再進一步拆解可以看到逆變器設(shè)計至少有過兩個版本。
較早的PEM 185采用的IGBT單管為標準TO247封裝，每個開關(guān)由14片IGBT單管并聯(lián)，總共使用了84片IGBT單管，采用過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（亦稱為TP-247，Super-247），取消了TO247封裝中固定用的螺絲過孔，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(dǎo)電集電極（Collector）則通過絕緣導(dǎo)熱膏涂層貼在散熱片上，再用螺絲將整個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)過長期使用，絕緣導(dǎo)熱層龜裂導(dǎo)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則對動力總成進行了重大改進，逆變器設(shè)計也完全拋棄了上一代中的平鋪方式，改為立體構(gòu)造。2015年量產(chǎn)的Model X也沿用同樣的設(shè)計，因此可稱之為第二代動力總成。
第二代特斯拉動力總成分為Large Drive Unit（下簡稱LDU）和Small Drive Unit（下簡稱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(qū)版本中的后輪驅(qū)動。而后者主要用于雙電機普通版本的前后驅(qū)，和雙電機高性能版本中的前驅(qū)。
顧名思義，LDU體積較大，為圓筒形，輸出功率也較大，SDU則反之。雖然兩款動力總成出現(xiàn)在相同車型中，但是LDU開發(fā)時間早于SDU，退出市場的時間也較早，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(gòu)造，每相或者說每個半橋部分占據(jù)三棱鏡的一個面。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(cè)另有三塊小三角形PCB，這是每相的驅(qū)動PCB板。
LDU采用與PEM相同的，TO247封裝的IKW75N60T，但是用量較多，每個開關(guān)為16 個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，每個半橋部分中有一半IGBT（中間兩排）可以用母線銅排固定，而另外一半（外側(cè)兩排）需要用兩個一組的夾具固定。
關(guān)于LDU中逆變器的設(shè)計，筆者仍有幾個問題尚待理清。一是為什么特斯拉繼續(xù)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兩個版本，兩者間是否有差異？

SDU同樣在逆變器中采用了立體結(jié)構(gòu)，但是設(shè)計方式與PEM和LDU相比又有很大區(qū)別，使得整體構(gòu)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。不過根據(jù)與特斯拉工程師的交流，并聯(lián)IGBT的數(shù)目小，對芯片一致性的要求更高，實際設(shè)計難度增加。因此，特斯拉對IGBT單管增加了特別的規(guī)格分檔（binning）要求，對IGBT制造的后道工序以及供應(yīng)鏈管理都帶來了不小的挑戰(zhàn)。
其次，IGBT單管的布局和散熱方式有了重大改變。通過雙頭夾具，每個半橋上下橋臂中的IGBT單管背靠背固定在散熱器上，組成類似三明治的結(jié)構(gòu)。與LDU相比，不僅半橋之間組成立體結(jié)構(gòu)，半橋之內(nèi)上下橋臂也為立體結(jié)構(gòu)，充分利用了空間?，F(xiàn)在一些半導(dǎo)體供應(yīng)商的雙面水冷散熱模塊也是采用類似的散熱設(shè)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(qū)動板相連。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(xiàn)零星失效，很難判斷原因，往往導(dǎo)致IGBT供應(yīng)商與系統(tǒng)廠商相互指責(zé)）。再通過適當調(diào)整單管G/D/S三個管腳的長度，使其與驅(qū)動板和母線銅排適度相連。因此，IGBT的管腳設(shè)計和制造也變得重要起來。
SDU的出現(xiàn)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(yīng)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(zé)了下一代特斯拉定制IGBT器件的開發(fā)。此后，特斯拉開始與功率半導(dǎo)體頭部廠商進行更緊密的合作，深度介入核心功率器件的定義與設(shè)計，并最終推出了劃時代的第三代動力總成。
03Model 3/Y
Model 3/Y動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(qū)系統(tǒng)相比，特斯拉逆變器從上一代開始就選擇移去蓋板，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(shè)計。

當特斯拉還在優(yōu)化SDU的設(shè)計時，核心研發(fā)人員就已經(jīng)在思考下一代動力總成該如何實現(xiàn)。尤其是前兩代系統(tǒng)、三種設(shè)計中中核心器件IGBT單管所用的TO247和TO247 Plus封裝，已經(jīng)沒有很大潛力進一步增加電流規(guī)格和提高性能了。同時，雖然IGBT技術(shù)持續(xù)進步，但是帶來的多為量變而非質(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(dǎo)體廠商共同探討新功率芯片的選擇，還與一些先進封裝技術(shù)公司合作新封裝的開發(fā)。其結(jié)果就是 TPAK（Tesla Pack）模塊橫空出世，其革命性進步包括以下幾點。
首先，特斯拉率先在量產(chǎn)電動車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(guī)模實地使用數(shù)據(jù)。
第二，TPAK封裝采用介于單管和常規(guī)模塊之間的單開關(guān)模塊（Single Switch Module）設(shè)計，既超越了之前單管封裝帶來的輸出電流、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(jù)不同的逆變器功率輸出需求，來選擇需要多少個TPAK模塊并聯(lián)。并且特斯拉在過去10多年積累的多管并聯(lián)經(jīng)驗可以繼續(xù)沿用。
第三，TPAK模塊在內(nèi)外部采用了燒結(jié)（sintering）作為連接方式。模塊內(nèi)部，芯片通過銀燒結(jié)層與DBC相連，代替錫焊層。在模塊外部，TPAK的底板也燒結(jié)到散熱器上，代替導(dǎo)熱膏涂層。兩者共同作用，不僅使得系統(tǒng)的散熱能力上了一個臺階，而且TPAK本身的可靠性，特別是功率循環(huán)次數(shù)，也獲得了很大提高。另外，散熱性能的提高意味著同樣尺寸的芯片可以在限定的結(jié)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，實現(xiàn)芯片降本。
最后，TPAK的寄生參數(shù)很小，因此可以作為通用模塊，不僅用來放入碳化硅芯片，也可以放入IGBT芯片和氮化鎵芯片。這樣可以方便供應(yīng)商共用后道產(chǎn)線生產(chǎn)不同的TPAK模塊，實現(xiàn)降本增產(chǎn)。同時，逆變器的設(shè)計也只用考慮一種模塊封裝形式，重復(fù)利用了機械和散熱設(shè)計，在逆變器系統(tǒng)層面也減低了成本。
于是，4個這樣的TPAK SiC模塊并聯(lián)構(gòu)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銅排連接，總共用到24個TPAK模塊構(gòu)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看，Model S/X Plaid繼續(xù)采用Model 3/Y中的逆變器設(shè)計，甚至前者逆變器的驅(qū)動和控制PCB板上還標有“Model 3”字樣，唯一可見的變化是Plaid逆變器中的高壓部分加入了一個煙火式致動器（pyrotechnic actuator），在TPAK模塊失效導(dǎo)致短路發(fā)生時，可以立刻切斷與電機的連接。
在系統(tǒng)層面，Model S/X Plaid與Model 3/Y的顯著差別在于Model S/X Plaid后驅(qū)為雙電機，由兩臺TPAK模塊構(gòu)成的逆變器分別驅(qū)動。另外，Model S/X Plaid所用的電機有所改進，特別在轉(zhuǎn)子部分采用碳纖維增強。

05Cybertruck和第二代Roadster
兩款車型目前還處于內(nèi)部開發(fā)階段，因此信息極為有限。從Elon Musk在推特中透露的信息來看，第二代Roadster采用的電機會比Model S/X Plaid轉(zhuǎn)速更快。
筆者推測Cybertruck和第二代Roadster還將沿用TPAK模塊，只是在內(nèi)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)于這兩款車型的消息。
小結(jié)：本文回顧了特斯拉歷代車型動力總成中逆變器部分所用到的核心功率器件，由此簡要講述逆變器部分的設(shè)計，對行業(yè)人士以及電動汽車愛好者有些許參考意義。
特此鳴謝過去一起合作過的特斯拉工程師們。