从碳化硅模块看特斯拉核心芯片选型策略

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2022-01-29 09:22

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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。


在上一篇文章 特斯拉澎湃动力来自何方? 中,笔者论述了特斯拉自第一代Roadster以来的电动车动力总成演进,其中简要介绍了Model 3/Y所采用的TPAK碳化硅MOSFET模块,认为该模块的优秀设计可以使其成为一款不错的通用高压大功率封装。本文就从这款碳化硅模块展开来谈谈笔者观察到的特斯拉核心功率芯片选型策略。

TPAK


TPAK不包括引脚的塑封部分尺寸为20mm x 28mm x 4mm,其中不仅可以装入碳化硅MOSFET裸芯片,还可以选择IGBT或者氮化镓HEMT作为其核心芯片。这意味着TPAK不仅可以作为一款高性能的碳化硅驱动模块,还可以成为一款高性价比的IGBT功率模块,甚至在车规大功率氮化镓技术成熟后,无缝接入氮化镓裸芯片成为高频功率开关器件。

TPAK外观。此版本由意法半导体生产
(来源:System Plus Consulting)

同时,结合浸淫多年的多管并联技术,特斯拉可以在其电动汽车驱动系统中,按照不同的功率等级选择不同数量的TPAK并联,并根据不同的效率和成本要求选择碳化硅MOSFET或者IGBT作为TPAK核心芯片。与此同时,因为都是同一种封装,特斯拉仅需在外部电路、机械结构和散热设计仅需小幅改动的情况下,即可满足各种各样的电动车驱动需求,这大大增加了设计弹性。

例如,在理想情况下,双电机版本的特斯拉电动车可以选用多个碳化硅TPAK并联驱动主电机,满足大部分工况下的性能和效率要求。而另一电机则可选用较少数量并联的碳化硅版本或者IGBT版本TPAK,以实现在一定成本控制下的四驱或加速要求。亦或在未来采用氮化镓+碳化硅或者氮化镓+IGBT的方案。

4个TPAK SiC并联的Model 3逆变器
(来源:Munro & Associates)

不仅如此,TPAK中的每种裸片还可以从不同的芯片供应商处采购,建立二供乃至多供体系。除了官宣的意法半导体外,特斯拉还和业内几乎所有耳熟能详的功率半导体头部供应商进行深度合作——特斯拉提供技术规格以及应用场景下的各类工况要求,芯片厂商拿出最好的功率半导体技术,为TPAK定制功率开关芯片。这样做的好处是可以在多家供应商中优中选优,为特斯拉车型找到性能最好或者性价比最高的芯片。

与此同时,特斯拉在其车型销量增加时,可以通过多家供应商快速增加TPAK模块的产能,而不用受限于单一供应商,这在Model 3/Y车型销量较上一代Model S/X有了迅猛增长的情况下变得尤为重要。未来当特斯拉推出更为廉价销量预期更高的Model 2,以及预定量超过百万台的Cybertruck时,能够在短时间内从多家半导体供应商处,获得海量TPAK模块供应将成为特斯拉供应链管理的重要一环。

诚然,如果整车厂采用HybiPACK 1或者Trac Direct (DC)等这类管脚兼容模块时,也可以得到类似的多供应商体系保证供应,但是这种模块为先有模块,后有逆变器系统,因此在某些规格上不同厂家不能做到100%兼容。另外,该模块为全桥设计(包含3个半桥),封装成本固定,因此在改进为小电流版本模块时,模块总成本并不随电流规格同步降低,因此设计弹性不如TPAK。最后,作为一款公版设计的模块,逆变器设计厂商并不能在模块性能方面与采用同种模块的竞争对手区隔开来。

英飞凌和安森美的车规全桥IGBT模块,两者管脚兼容但是在细微之处有差别(来源:英飞凌科技,安森美半导体)

综上所述,在逆变器核心功率器件的选型上,特斯拉除了规定外形尺寸以及一些重要的封装设计要求外(例如必须采用银烧结技术),还深度参与了内部芯片的定义、设计以及测试。由此得到的TPAK模块在满足性能和系统设计要求的同时,实现了跨(芯片)厂商,跨(IGBT/SiC MOSFET/GaN HEMT)平台。

T2PAK


无独有偶,除了TPAK外,特斯拉还在动力总成的另一核心部件PCS中也采用了相同的选型策略。

Model 3/Y的电源转换系统(PCS,Power Conversion System)包含车载充电机OBC和高压-12V DC/DC两个部分,用于从电网给主电池包充电,以及主电池包与12V电池之间的能量交换。PCS中有40片以上的T2PAK(2 nd Tesla Package),用于OBC中的PFC和DC/DC主次级侧,以及高压-12V DC/DC的高压侧。

特斯拉Model 3/Y电源转换系统与Model S/X第三代车载充电机。可以看出核心功率器件的封装从TO-247换成了T2PAK(来源:Phil Sadow/Ingineerix,Anner J. Bonilla)

作为一种高压单管表贴封装,T2PAK取代了前几代Model S/X OBC中用到的TO-247封装,包括TO-247-3,用于超结MOSFET,SiC MOSFET的三脚封装,和TO-247-2,用于硅或碳化硅二极管的两脚封装。因此,T2PAK在PCS主电路板上安装更为简单,可生产性好。所有T2PAK都通过导热膏贴于水冷散热板上,较之前的散热设计大大简化。

根据目前能找到的拆机视频,T2PAK至少有碳化硅二极管,以及超结MOSFET或碳化硅MOSFET几种版本。同样的,T2PAK用一种封装实现了PCS中核心功率器件的跨平台和跨厂商选型,简化了供应链。

PCS中标记为SiD600的T2PAK二极管
(来源:Phil Sadow/Ingineerix)

当然,TPAK和T2PAK也非完美无缺,两种器件的封装都还有不少的改进空间。例如,TPAK可以采用类似丹佛斯DBB和贺利氏电子DTS的技术在模块内部实现双面烧结,达到更好的散热性能和可靠性。

一些争议


在上一篇文章发表后,一些读者在评论中就特斯拉和比亚迪谁在动力总成硬件技术方面更强展开了热烈的讨论。笔者与这两家公司都长期合作过,可以说他们在电动汽车领域都是业内最优秀的公司之一。但是考虑到比亚迪和特斯拉所处的环境和国情不同,两者的创业基因也有很大差异,单纯比较两者优劣就如果比较不同生态圈中的狮子和老虎一样,很难判断谁才是百兽之王。

特斯拉身处硅谷核心的Palo Alto,自Model S推出后就成为众多半导体公司最为重要客户之一,可以不受限制的采购到任何一家功率半导体头部企业的尖端产品,因此特斯拉只需专注于主业,集中资源投入整车层面和部分核心子系统的研发。

而比亚迪在开始做电动车时,国内车规功率半导体还未起步,在国外供应商眼中比亚迪也非最为重要的客户,因此比亚迪不得不自己研发IGBT以及碳化硅MOSFET作为国外产品的补充和替代。这使得比亚迪在功率半导体的采购上获得了一定的议价权,并且在外部供应短缺时有了备用方案,这在当今汽车电子缺芯的背景下优势明显。但是当比亚迪在汽车,半导体,锂电池等多个赛道都需要巨额投入,以此在技术和产能方面与对手竞争的时候(例如锂电池领域的宁德时代),就会出现资源捉襟见肘的情况。预期比亚迪半导体这几天的上会直至之后的上市将给比亚迪的碳化硅和IGBT研发和产能扩充注入一针强心针。

总而言之,在核心功率器件的选型策略上没有一条放之四海而皆准的方法,企业需要根据公司具体情况和市场动态,决定采用完全自产,完全外购,还是类似特斯拉这样的定制方案。

*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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