从IGBT到SiC,特斯拉汽车功率器件的变迁

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2022-01-12 09:15

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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank) 转载自公众号 01芯闻 ,作者: 栋幺, 谢谢。

互联网上关于特斯拉电动汽车的拆解和分析很多,例如老爷子Sandy Munro对Model 3/Y和油管上Weber Auto等up主对动力总成部分的拆解,杨逸轩@知乎也写了一系列不错的综述文章。考虑到这些视频或者报告多集中在整车或者系统方面,本文将从特斯拉历代车型动力总成中用到的核心功率器件展开,简要讲述逆变器部分的演进历史。


备注: 本文资料均来自互联网。对任何可能涉及到NDA的细节内容,笔者全部略过。


第一代Roadster


在回顾特斯拉逆变器设计之前,不得不提到AC Propulsion这一家在电动汽车发展史上留下浓重一笔的公司。创始人Al Cocconi曾参与第一款量产电动汽车通用EV1的研发,但是在通用汽车 “杀死” EV1后,Cocconi出走南加创立AC Propulsion,设计并少量打造了一款原型电动车T-Zero。该车仅供一人使用,车门只有小小一条,进出困难。动力部分由铅酸电池并串联供电,逆变器中每个桥臂的上下桥由20片IGBT单管并联,总共使用了120片IGBT单管,其裸片总面积达到7200平方毫米。如果考虑到前道工序和后道工序的良率,一台T-Zero需要使用差不多当时一整片6寸晶圆能制造出的IGBT。

笔者在AC Propulsion试乘T-Zero,可见只能一人乘坐,并且进出不便。(来源:01芯闻)

特斯拉成立后,从AC Propulsion处获得了动力总成系统的技术授权,包括第一代Roadster逆变器中用到的IGBT单管并联技术。一直到特斯拉生产了大约500台动力总成系统,并在系统控制从模拟方式改成数字方式后,才停止向AC Propulsion支付专利费用。

但是自此之后, 多管并联成为特斯拉逆变器设计的核心特征 。这除了路径依赖的原因,也有供应链方面的考虑。在本世纪出的前十年,市场上推出的量产车规级IGBT模块产品寥寥无几,仅有英飞凌HybridPACK1等,但是不能满足特斯拉对功率输出的要求。而工业模块虽然有大电流版本,但是毕竟不是为汽车设计,可靠性、可追溯性以及外形尺寸不能满足特斯拉的要求,当时也没有厂商愿意为特斯拉定制昂贵的车规级功率模块产品。

时也,势也,当时IGBT单管虽然电流规格尚小,但是供应商较多,特别是IGBT主要厂商之一International Rectifier(IR)总部也位于加州,方便特斯拉与之进行沟通,选择甚至定制合适的IGBT单管。这方面具体的过程可以参考当时IR此项目的负责人之一志宏老板的回忆录《赢得特斯拉ModelS IGBT合同的一段往事》。

Roadster的动力总成部分称为PEM(Power Electronics Module),占据了后备箱的前半部分,位于电池包之后,电机之上。PEM从2008年开始量产,1.5版本之前除了“Tesla Motors”的logo外,还有”PEM 185”的标识,意味输出功率185kW。而2.0和2.5版本则只留下logo,或者将“Tesla Motors”的标识改为“Roadster Sport”。从下面PEM的拆解中,可以看到各个版本内部总体布置大致相同,其中一半的空间为高压连接件、高压继电器和保险丝等,另一半为逆变器部分,三块半桥桥臂水平摆放。但是再进一步拆解可以看到逆变器设计至少有过两个版本。

特斯拉第一代Roadster动力总成PEM拆解图。从功率板上所用到的IGBT单管封装来看,至少有两个版本(来源:Gruber Motors, Tesla Owners US in English)

较早的PEM 185采用的IGBT单管为标准TO247封装,每个开关由14片IGBT单管并联,总共使用了84片IGBT单管,采用过的型号至少包括英飞凌75A IGBT IKW75N60T。

在之后的版本中,Tesla换用了IR为其定制的600V 120A AUIRGPS4067D1,同样采用14片并联。该IGBT采用TO-247 Plus封装(亦称为TP-247,Super-247),取消了TO247封装中固定用的螺丝过孔,因此可以装入更大尺寸的裸片,增大输出电流。

但是这两种IGBT采用相同的安装方式,均为IGBT折弯管脚(Trim and Form)后90度贴于功率PCB板上,背面的导电集电极(Collector)则通过绝缘导热膏涂层贴在散热片上,再用螺丝将整个IGBT功率板固定在散热器上。这种安装方式的主要失效模式是经过长期使用,绝缘导热层龟裂导致的IGBT短路,以及电解电容的损坏。

Model S/X


2012年量产的Model S则对动力总成进行了重大改进,逆变器设计也完全抛弃了上一代中的平铺方式,改为立体构造。2015年量产的Model X也沿用同样的设计,因此可称之为第二代动力总成。

第二代特斯拉动力总成分为Large Drive Unit(下简称LDU)和Small Drive Unit(下简称SDU)两种。前者主要用于Model S/X单电机版本,以及双电机高性能四驱版本中的后轮驱动。而后者主要用于双电机普通版本的前后驱,和双电机高性能版本中的前驱。

Model S/X,Model3/Y以及Model S/X Plaid的动力总成差异 (来源:特斯拉)

顾名思义,LDU体积较大,为圆筒形,输出功率也较大,SDU则反之。虽然两款动力总成出现在相同车型中,但是LDU开发时间早于SDU,退出市场的时间也较早,主要因为成本和功率密度的考量。

LDU和SDU的比较(来源:StealthEV)

LDU中的逆变器呈三棱镜构造,每相或者说每个半桥部分占据三棱镜的一个面。三棱镜的顶端和底端分别是高压直流输入部分和高压交流输出部分。在直流输入侧另有三块小三角形PCB,这是每相的驱动PCB板。

LDU采用与PEM相同的,TO247封装的IKW75N60T,但是用量较多,每个开关为16 个IGBT单管并联,共用了84片IGBT。虽然LDU中IGBT仍然需要折弯管脚,但是其与母线铜排和功率PCB板的连接方式大大优化,所用功率PCB板面积减少不少。也因为如此,每个半桥部分中有一半IGBT(中间两排)可以用母线铜排固定,而另外一半(外侧两排)需要用两个一组的夹具固定。

关于LDU中逆变器的设计,笔者仍有几个问题尚待理清。一是为什么特斯拉继续使用电流较小的IKW75N60T,而不使用更新、电流更大的AUIRGPS4067D1?二是LDU有绿色PCB和红色PCB两个版本,两者间是否有差异?

(上)刚拆开逆变器外壳的LDU
(中)逆变器细节图,分别从直流侧和交流侧拍摄
(下)半桥部分的细节图,可以看到每排有8个IGBT单管,另有8个x 2排IGBT单管藏在母线铜排和长条形的功率PCB板下
(来源:Damien Maguire,Turbo Electric)

SDU同样在逆变器中采用了立体结构,但是设计方式与PEM和LDU相比又有很大区别,使得整体构造更为紧凑,功率密度分别达到30kW/L和33.3kW/kg。

Model S/X SDU的照片和爆炸图
(来源:Babak Fahimi UT Dallas)

首先,IGBT单管选用AUIRGPS4067D1,6片并联,总用量36片。虽然单片IGBT成本增加,但是因为用量减少,总成本较低。不过根据与特斯拉工程师的交流,并联IGBT的数目小,对芯片一致性的要求更高,实际设计难度增加。因此,特斯拉对IGBT单管增加了特别的规格分档(binning)要求,对IGBT制造的后道工序以及供应链管理都带来了不小的挑战。

其次,IGBT单管的布局和散热方式有了重大改变。通过双头夹具,每个半桥上下桥臂中的IGBT单管背靠背固定在散热器上,组成类似三明治的结构。与LDU相比,不仅半桥之间组成立体结构,半桥之内上下桥臂也为立体结构,充分利用了空间。现在一些半导体供应商的双面水冷散热模块也是采用类似的散热设计提高功率密度。

再次,IGBT单管的连接也与以往有了很大不同。SDU不在需要功率板连接IGBT单管,而是采用倒插的方式与驱动板相连。因此不再需要折弯IGBT单管管脚,降低了安装成本,也避免了可能由此引发各种麻烦(折弯管脚后IGBT可能出现零星失效,很难判断原因,往往导致IGBT供应商与系统厂商相互指责)。再通过适当调整单管G/D/S三个管脚的长度,使其与驱动板和母线铜排适度相连。因此,IGBT的管脚设计和制造也变得重要起来。

SDU的出现使得特斯拉对IGBT器件有了更严格的机械、电学以及可制造性的要求。笔者也有幸作为供应商,与多位特斯拉核心研发人员合作,一同参与了IGBT单管的定制工作,也由此负责了下一代特斯拉定制IGBT器件的开发。此后,特斯拉开始与功率半导体头部厂商进行更紧密的合作,深度介入核心功率器件的定义与设计,并最终推出了划时代的第三代动力总成。

Model 3/Y


Model 3/Y动力总成相较于上一代产品更为紧凑,尤其是逆变器部分尤为明显。原因之一是与其他公司的三合一电驱系统相比,特斯拉逆变器从上一代开始就选择移去盖板,紧贴减速器,因此减少了逆变器的重量和体积。但是更重要是,新一代的逆变器中选择了全新的功率器件,并因此改变了逆变器的整体设计。

Model 3/Y中的动力总成,绿色部分为逆变器
(来源:Munro & Associates)

当特斯拉还在优化SDU的设计时,核心研发人员就已经在思考下一代动力总成该如何实现。尤其是前两代系统、三种设计中中核心器件IGBT单管所用的TO247和TO247 Plus封装,已经没有很大潜力进一步增加电流规格和提高性能了。同时,虽然IGBT技术持续进步,但是带来的多为量变而非质变。综上,IGBT单管即将到达性能瓶颈。有鉴于此,特斯拉不仅与功率半导体厂商共同探讨新功率芯片的选择,还与一些先进封装技术公司合作新封装的开发。其结果就是 TPAK(Tesla Pack)模块横空出世,其革命性进步包括以下几点。

TPAK外观图,这个版本由意法半导体生产
(来源:System Plus Consulting)

首先,特斯拉率先在量产电动车中使用碳化硅芯片代替IGBT芯片。虽然TPAK SiC的模块成本高,但是符合产业升级趋势,比竞争对手提前至少3年获得了碳化硅的大规模实地使用数据。

第二,TPAK封装采用介于单管和常规模块之间的单开关模块(Single Switch Module)设计,既超越了之前单管封装带来的输出电流、输出功率、寄生电感等限制,又保留了多管并联的灵活性,可以根据不同的逆变器功率输出需求,来选择需要多少个TPAK模块并联。并且特斯拉在过去10多年积累的多管并联经验可以继续沿用。

第三,TPAK模块在内外部采用了烧结(sintering)作为连接方式。模块内部,芯片通过银烧结层与DBC相连,代替锡焊层。在模块外部,TPAK的底板也烧结到散热器上,代替导热膏涂层。两者共同作用,不仅使得系统的散热能力上了一个台阶,而且TPAK本身的可靠性,特别是功率循环次数,也获得了很大提高。另外,散热性能的提高意味着同样尺寸的芯片可以在限定的结温下输出更大的电流,或是输出同样的电流下用较小尺寸的芯片,实现芯片降本。

最后,TPAK的寄生参数很小,因此可以作为通用模块,不仅用来放入碳化硅芯片,也可以放入IGBT芯片和氮化镓芯片。这样可以方便供应商共用后道产线生产不同的TPAK模块,实现降本增产。同时,逆变器的设计也只用考虑一种模块封装形式,重复利用了机械和散热设计,在逆变器系统层面也减低了成本。

于是,4个这样的TPAK SiC模块并联构成了桥臂的上桥或者下桥,并用激光焊接的方式将模块的漏极和源极同母线铜排连接,总共用到24个TPAK模块构成了第一代的Model 3/Y逆变器。

TPAK模块在Model 3逆变器中的摆放,经烧结层与散热片连接。散热片背面可见位于水冷槽中的Pin-fin(来源:Munro & Associates)

Model S/X Plaid


去年年中和年底,Model S Plaid和Model X Plaid分别开始对外交付,因此目前网络上的拆解分析并不太多。从能够搜集到的资料来看,Model S/X Plaid继续采用Model 3/Y中的逆变器设计,甚至前者逆变器的驱动和控制PCB板上还标有“Model 3”字样,唯一可见的变化是Plaid逆变器中的高压部分加入了一个烟火式致动器(pyrotechnic actuator),在TPAK模块失效导致短路发生时,可以立刻切断与电机的连接。

在系统层面,Model S/X Plaid与Model 3/Y的显著差别在于Model S/X Plaid后驱为双电机,由两台TPAK模块构成的逆变器分别驱动。另外,Model S/X Plaid所用的电机有所改进,特别在转子部分采用碳纤维增强。

Model S Plain后驱逆变器,可见驱动与控制板上红框处的 “Model 3” 标记(来源:Ingineerix)

Cybertruck和第二代Roadster


两款车型目前还处于内部开发阶段,因此信息极为有限。从Elon Musk在推特中透露的信息来看,第二代Roadster采用的电机会比Model S/X Plaid转速更快。

笔者推测Cybertruck和第二代Roadster还将沿用TPAK模块,只是在内部选择新一代,性能更好的SiC芯片。期待特斯拉今年公布更多关于这两款车型的消息。

小结: 本文回顾了特斯拉历代车型动力总成中逆变器部分所用到的核心功率器件,由此简要讲述逆变器部分的设计,对行业人士以及电动汽车爱好者有些许参考意义。

特此鸣谢过去一起合作过的特斯拉工程师们。

笔者积累的,未被收回的特斯拉访客挂牌。

参考资料:
  1. 部分资料来自YouTube创作者(见图片来源),详细资料可以进一步参考各位创作者的网站获取更多信息。
  2. Munrolive.com
  3. System Plus Consulting

*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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