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01

第一代Roadster

在回顧特斯拉逆變器設(shè)計(jì)之前，不得不提到AC Propulsion這一家在電動(dòng)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(dòng)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(jì)并少量打造了一款原型電動(dòng)車T-Zero。該車僅供一人使用，車門只有小小一條，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4-6片IGBT單管并聯(lián)，總共使用了24或36片IGBT單管。

特斯拉成立后，從AC Propulsion處獲得了動(dòng)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(tái)動(dòng)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AC Propulsion支付專利費(fèi)用。

但是自此之后，多管并聯(lián)成為特斯拉逆變器設(shè)計(jì)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(jì)出的前十年，市場上推出的量產(chǎn)車規(guī)級(jí)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(duì)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(jì)，可靠性、可追溯性以及外形尺寸不能滿足特斯拉的要求，當(dāng)時(shí)也沒有廠商愿意為特斯拉定制昂貴的車規(guī)級(jí)功率模塊產(chǎn)品。

時(shí)也，勢也，當(dāng)時(shí)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(jìn)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(dāng)時(shí)IR此項(xiàng)目的負(fù)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(dòng)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(jī)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(biāo)識(shí)，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(biāo)識(shí)改為“Roadster Sport”。從下面PEM的拆解中，可以看到各個(gè)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(xiǎn)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(shè)計(jì)至少有過兩個(gè)版本。

特斯拉第一代Roadster動(dòng)力總成PEM拆解圖。從功率板上所用到的IGBT單管封裝來看，至少有兩個(gè)版本（來源：Gruber Motors, Tesla Owners US in English）

較早的PEM 185采用的IGBT單管為標(biāo)準(zhǔn)TO247封裝，每個(gè)開關(guān)由14片IGBT單管并聯(lián)，較原有AC Propulsion方案增加不少。逆變器總共使用了84片IGBT單管，采用過的型號(hào)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(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。

02

Model?S/X

2012年量產(chǎn)的Model S則對(duì)動(dòng)力總成進(jìn)行了重大改進(jìn)，逆變器設(shè)計(jì)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(jì)，因此可稱之為第二代動(dòng)力總成。

第二代特斯拉動(dòng)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(jī)版本，以及雙電機(jī)高性能四驅(qū)版本中的后輪驅(qū)動(dòng)。而后者主要用于雙電機(jī)普通版本的前后驅(qū)，和雙電機(jī)高性能版本中的前驅(qū)。

Model S/X，Model3/Y以及Model S/X Plaid的動(dòng)力總成差異 （來源：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(dòng)力總成出現(xiàn)在相同車型中，但是LDU開發(fā)時(shí)間早于SDU，退出市場的時(shí)間也較早，主要因?yàn)槌杀竞凸β拭芏鹊目剂俊?/p>

LDU和SDU的比較（來源：StealthEV）

03

LDU

LDU中的逆變器呈三棱鏡構(gòu)造，每相或者說每個(gè)半橋部分占據(jù)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(cè)另有三塊小三角形PCB，這是每相的驅(qū)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)開關(guān)為16 個(gè)IGBT單管并聯(lián)，共用了96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?yàn)槿绱?，每個(gè)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(gè)一組的夾具固定。

關(guān)于LDU中逆變器的設(shè)計(jì)，筆者仍有幾個(gè)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(gè)版本，兩者間是否有差異？

（上）剛拆開逆變器外殼的LDU（中）逆變器細(xì)節(jié)圖，分別從直流側(cè)和交流側(cè)拍攝（下）半橋部分的細(xì)節(jié)圖，可以看到每排有8個(gè)IGBT單管，另有8個(gè)x 2排IGBT單管藏在母線銅排和長條形的功率PCB板下（來源：Damien Maguire，Turbo Electric）

04

SDU

SDU同樣在逆變器中采用了立體結(jié)構(gòu)，但是設(shè)計(jì)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(dá)到30kW/L和33.3kW/kg。

Model S/X SDU的照片和爆炸圖（來源：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?yàn)橛昧繙p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(duì)芯片一致性的要求更高，實(shí)際設(shè)計(jì)難度增加。因此，特斯拉對(duì)IGBT單管增加了特別的規(guī)格分檔（binning）要求，對(duì)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。每個(gè)半橋上下橋臂中的IGBT單管背靠背通過低溫焊接固定在散熱器上，并用夾具進(jìn)一步加強(qiáng)，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，同時(shí)低溫焊接使得散熱更好?，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(jì)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(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(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(dāng)調(diào)整單管G/D/S三個(gè)管腳的長度，使其與驅(qū)動(dòng)板和母線銅排適度相連。因此，IGBT的管腳設(shè)計(jì)和制造也變得重要起來。

SDU的出現(xiàn)使得特斯拉對(duì)IGBT器件有了更嚴(yán)格的機(jī)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(fù)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(jìn)行更緊密的合作，深度介入核心功率器件的定義與設(shè)計(jì)，并最終推出了劃時(shí)代的第三代動(dòng)力總成。

05

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(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(jì)。

Model 3/Y中的動(dòng)力總成，綠色部分為逆變器 （來源：Munro & Associates）

當(dāng)特斯拉還在優(yōu)化SDU的設(shè)計(jì)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(xiàn)。尤其是前兩代系統(tǒng)、三種設(shè)計(jì)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(jìn)一步增加電流規(guī)格和提高性能了。同時(shí)，雖然IGBT技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，但是帶來的多為量變而非質(zhì)變。綜上，IGBT單管即將到達(dá)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(jìn)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(jìn)步包括以下幾點(diǎn)。

TPAK外觀圖，這個(gè)版本由意法半導(dǎo)體生產(chǎn) （來源：System Plus Consulting）

首先，特斯拉率先在量產(chǎn)電動(dòng)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(jí)趨勢，比競爭對(duì)手提前至少3年獲得了碳化硅的大規(guī)模實(shí)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(jì)，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(gè)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(yàn)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(gè)臺(tái)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(shí)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(shí)現(xiàn)降本增產(chǎn)。同時(shí)，逆變器的設(shè)計(jì)也只用考慮一種模塊封裝形式，重復(fù)利用了機(jī)械和散熱設(shè)計(jì)，在逆變器系統(tǒng)層面也減低了成本。于是，4個(gè)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(gè)TPAK模塊構(gòu)成了第一代的Model 3/Y逆變器。

TPAK模塊在Model 3逆變器中的擺放，經(jīng)燒結(jié)層與散熱片連接。散熱片背面可見位于水冷槽中的Pin-fin（來源：Munro & Associates）

06

Model?S/X?Plaid

去年年中和年底，Model S Plaid和Model X Plaid分別開始對(duì)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(jì)，甚至前者逆變器的驅(qū)動(dòng)和控制PCB板上還標(biāo)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(gè)煙火式致動(dòng)器（pyrotechnic actuator），在TPAK模塊失效導(dǎo)致短路發(fā)生時(shí)，可以立刻切斷與電機(jī)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(jī)，由兩臺(tái)TPAK模塊構(gòu)成的逆變器分別驅(qū)動(dòng)。另外，Model S/X Plaid所用的電機(jī)有所改進(jìn)，特別在轉(zhuǎn)子部分采用碳纖維增強(qiáng)。

Model S Plain后驅(qū)逆變器，可見驅(qū)動(dòng)與控制板上紅框處的 “Model 3” 標(biāo)記（來源：Ingineerix）

07

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在推特中透露的信息來看，第二代Roadster采用的電機(jī)會(huì)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。

編輯：黃飛

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