近日：內(nèi)容由半導體行業(yè)觀察（發(fā)布者會員賬號：icbank）感謝自公眾號01芯聞，感謝分享：棟幺，謝謝。
互聯(lián)網(wǎng)上關于特斯拉電動汽車得拆解和分析很多，例如老爺子Sandy Munro對Model 3/Y和油管上Weber Auto等up主對動力總成部分得拆解，楊逸軒等知乎也寫了一系列不錯得綜述文章。考慮到這些視頻或者報告多集中在整車或者系統(tǒng)方面，感謝將從特斯拉歷代車型動力總成中用到得核心功率器件展開，簡要講述逆變器部分得演進歷史。
備注：感謝資料均來自互聯(lián)網(wǎng)。對任何可能涉及到NDA得細節(jié)內(nèi)容，筆者全部略過。
第壹代Roadster
在回顧特斯拉逆變器設計之前，不得不提到AC Propulsion這一家在電動汽車發(fā)展史上留下濃重一筆得公司。創(chuàng)始人Al Cocconi曾參與第壹款量產(chǎn)電動汽車通用EV1得研發(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，逆變器中每個橋臂得上下橋由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得良率，一臺T-Zero需要使用差不多當時一整片6寸晶圓能制造出得IGBT。
筆者在AC Propulsion試乘T-Zero，可見只能一人乘坐，并且進出不便。（近日：01芯聞）
特斯拉成立后，從AC Propulsion處獲得了動力總成系統(tǒng)得技術授權，包括第壹代Roadster逆變器中用到得IGBT單管并聯(lián)技術。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計得核心特征。這除了路徑依賴得原因，也有供應鏈方面得考慮。在本世紀出得前十年，市場上推出得量產(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得要求。而工業(yè)模塊雖然有大電流版本，但是畢竟不是為汽車設計，可靠性、可追溯性以及外形尺寸不能滿足特斯拉得要求，當時也沒有廠商愿意為特斯拉定制昂貴得車規(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，選擇甚至定制合適得IGBT單管。這方面具體得過程可以參考當時IR此項目得負責人之一志宏老板得回憶錄《贏得特斯拉ModelS IGBT合同得一段往事》。
Roadster得動力總成部分稱為PEM（Power Electronics Module），占據(jù)了后備箱得前半部分，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”得logo外，還有”PEM 185”得標識，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”得標識改為“Roadster Sport”。從下面PEM得拆解中，可以看到各個版本內(nèi)部總體布置大致相同，其中一半得空間為高壓連接件、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計至少有過兩個版本。
特斯拉第壹代Roadster動力總成PEM拆解圖。從功率板上所用到得IGBT單管封裝來看，至少有兩個版本（近日：Gruber Motors, Tesla Owners US in English）
較早得PEM 185采用得IGBT單管為標準TO247封裝，每個開關由14片IGBT單管并聯(lián)，總共使用了84片IGBT單管，采用過得型號至少包括英飛凌75A IGBT IKW75N60T。
在之后得版本中，Tesla換用了IR為其定制得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封裝中固定用得螺絲過孔，因此可以裝入更大尺寸得裸片，增大輸出電流。
但是這兩種IGBT采用相同得安裝方式，均為IGBT折彎管腳（Trim and Form）后90度貼于功率PCB板上，背面得導電集電極（Collector）則通過絕緣導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。這種安裝方式得主要失效模式是經(jīng)過長期使用，絕緣導熱層龜裂導致得IGBT短路，以及電解電容得損壞。
Model S/X
2012年量產(chǎn)得Model S則對動力總成進行了重大改進，逆變器設計也完全拋棄了上一代中得平鋪方式，改為立體構造。2015年量產(chǎn)得Model X也沿用同樣得設計，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版本中得后輪驅動。而后者主要用于雙電機普通版本得前后驅，和雙電機高性能版本中得前驅。
Model S/X，Model3/Y以及Model S/X Plaid得動力總成差異 （近日：特斯拉）
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，退出市場得時間也較早，主要因為成本和功率密度得考量。
LDU和SDU得比較（近日：StealthEV）
LDU中得逆變器呈三棱鏡構造，每相或者說每個半橋部分占據(jù)三棱鏡得一個面。三棱鏡得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，這是每相得驅動PCB板。
LDU采用與PEM相同得，TO247封裝得IKW75N60T，但是用量較多，每個開關為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板得連接方式大大優(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（外側兩排）需要用兩個一組得夾具固定。
關于LDU中逆變器得設計，筆者仍有幾個問題尚待理清。一是為什么特斯拉繼續(xù)使用電流較小得IKW75N60T，而不使用更新、電流更大得AUIRGPS4067D1？二是LDU有綠色PCB和紅色PCB兩個版本，兩者間是否有差異？
（上）剛拆開逆變器外殼得LDU
（中）逆變器細節(jié)圖，分別從直流側和交流側拍攝
（下）半橋部分得細節(jié)圖，可以看到每排有8個IGBT單管，另有8個x 2排IGBT單管藏在母線銅排和長條形得功率PCB板下
（近日：Damien Maguire，Turbo Electric）
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(qū)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。
Model S/X SDU得照片和爆炸圖
（近日：Babak Fahimi UT Dallas）
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)與特斯拉工程師得交流，并聯(lián)IGBT得數(shù)目小，對芯片一致性得要求更高，實際設計難度增加。因此，特斯拉對IGBT單管增加了特別得規(guī)格分檔（binning）要求，對IGBT制造得后道工序以及供應鏈管理都帶來了不小得挑戰(zhàn)。
其次，IGBT單管得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得IGBT單管背靠背固定在散熱器上，組成類似三明治得結構。與LDU相比，不僅半橋之間組成立體結構，半橋之內(nèi)上下橋臂也為立體結構，充分利用了空間。現(xiàn)在一些半導體供應商得雙面水冷散熱模塊也是采用類似得散熱設計提高功率密度。
再次，IGBT單管得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，而是采用倒插得方式與驅動板相連。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，往往導致IGBT供應商與系統(tǒng)廠商相互指責）。再通過適當調整單管G/D/S三個管腳得長度，使其與驅動板和母線銅排適度相連。因此，IGBT得管腳設計和制造也變得重要起來。
SDU得出現(xiàn)使得特斯拉對IGBT器件有了更嚴格得機械、電學以及可制造性得要求。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單管得定制工作，也由此負責了下一代特斯拉定制IGBT器件得開發(fā)。此后，特斯拉開始與功率半導體頭部廠商進行更緊密得合作，深度介入核心功率器件得定義與設計，并蕞終推出了劃時代得第三代動力總成。
Model 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得三合一電驅系統(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，因此減少了逆變器得重量和體積。但是更重要是，新一代得逆變器中選擇了全新得功率器件，并因此改變了逆變器得整體設計。
Model 3/Y中得動力總成，綠色部分為逆變器
（近日：Munro & Associates）
當特斯拉還在優(yōu)化SDU得設計時，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)、三種設計中中核心器件IGBT單管所用得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技術持續(xù)進步，但是帶來得多為量變而非質變。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商共同探討新功率芯片得選擇，還與一些先進封裝技術公司合作新封裝得開發(fā)。其結果就是 TPAK（Tesla Pack）模塊橫空出世，其革命性進步包括以下幾點。
TPAK外觀圖，這個版本由意法半導體生產(chǎn)
（近日：System Plus Consulting）
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得模塊成本高，但是符合產(chǎn)業(yè)升級趨勢，比競爭對手提前至少3年獲得了碳化硅得大規(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)模塊之間得單開關模塊（Single Switch Module）設計，既超越了之前單管封裝帶來得輸出電流、輸出功率、寄生電感等限制，又保留了多管并聯(lián)得靈活性，可以根據(jù)不同得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多年積累得多管并聯(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（sintering）作為連接方式。模塊內(nèi)部，芯片通過銀燒結層與DBC相連，代替錫焊層。在模塊外部，TPAK得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(tǒng)得散熱能力上了一個臺階，而且TPAK本身得可靠性，特別是功率循環(huán)次數(shù)，也獲得了很大提高。另外，散熱性能得提高意味著同樣尺寸得芯片可以在限定得結溫下輸出更大得電流，或是輸出同樣得電流下用較小尺寸得芯片，實現(xiàn)芯片降本。
蕞后，TPAK得寄生參數(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。這樣可以方便供應商共用后道產(chǎn)線生產(chǎn)不同得TPAK模塊，實現(xiàn)降本增產(chǎn)。同時，逆變器得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(tǒng)層面也減低了成本。
于是，4個這樣得TPAK SiC模塊并聯(lián)構成了橋臂得上橋或者下橋，并用激光焊接得方式將模塊得漏極和源極同母線銅排連接，總共用到24個TPAK模塊構成了第壹代得Model 3/Y逆變器。
TPAK模塊在Model 3逆變器中得擺放，經(jīng)燒結層與散熱片連接。散熱片背面可見位于水冷槽中得Pin-fin（近日：Munro & Associates）
Model 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)絡上得拆解分析并不太多。從能夠搜集到得資料來看，Model S/X Plaid繼續(xù)采用Model 3/Y中得逆變器設計，甚至前者逆變器得驅動和控制PCB板上還標有“Model 3”字樣，唯一可見得變化是Plaid逆變器中得高壓部分加入了一個煙火式致動器（pyrotechnic actuator），在TPAK模塊失效導致短路發(fā)生時，可以立刻切斷與電機得連接。
在系統(tǒng)層面，Model S/X Plaid與Model 3/Y得顯著差別在于Model S/X Plaid后驅為雙電機，由兩臺TPAK模塊構成得逆變器分別驅動。另外，Model S/X Plaid所用得電機有所改進，特別在轉子部分采用碳纖維增強。
Model S Plain后驅逆變器，可見驅動與控制板上紅框處得 “Model 3” 標記（近日：Ingineerix）
Cybertruck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在推特中透露得信息來看，第二代Roadster采用得電機會比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(nèi)部選擇新一代，性能更好得SiC芯片。期待特斯拉今年公布更多關于這兩款車型得消息。
小結：感謝回顧了特斯拉歷代車型動力總成中逆變器部分所用到得核心功率器件，由此簡要講述逆變器部分得設計，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得特斯拉工程師們。
筆者積累得，未被收回得特斯拉訪客掛牌。
參考資料：
部分資料來自YouTube創(chuàng)感謝分享（見支持近日），詳細資料可以進一步參考各位創(chuàng)感謝分享得網(wǎng)站獲取更多信息。
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System Plus Consulting
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