從碳化硅模塊出發(fā)，看特斯拉核心芯片選型策略

來(lái)源：01芯聞

作者：棟幺

01

TPAK

TPAK不包括引腳的塑封部分尺寸為20mm x 28mm x 4mm，其中不僅可以裝入碳化硅MOSFET裸芯片，還可以選擇IGBT或者氮化鎵HEMT作為其核心芯片。這意味著TPAK不僅可以作為一款高性能的碳化硅驅(qū)動(dòng)模塊，還可以成為一款高性價(jià)比的IGBT功率模塊，甚至在車規(guī)大功率氮化鎵技術(shù)成熟后，無(wú)縫接入氮化鎵裸芯片成為高頻功率開(kāi)關(guān)器件。

同時(shí)，結(jié)合浸淫多年的多管并聯(lián)技術(shù)，特斯拉可以在其電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，按照不同的功率等級(jí)選擇不同數(shù)量的TPAK并聯(lián)，并根據(jù)不同的效率和成本要求選擇碳化硅MOSFET或者IGBT作為TPAK核心芯片。與此同時(shí)，因?yàn)槎际峭环N封裝，特斯拉僅需在外部電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)和散熱設(shè)計(jì)僅需小幅改動(dòng)的情況下，即可滿足各種各樣的電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)需求，這大大增加了設(shè)計(jì)彈性。

例如，在理想情況下，雙電機(jī)版本的特斯拉電動(dòng)車可以選用多個(gè)碳化硅TPAK并聯(lián)驅(qū)動(dòng)主電機(jī)，滿足大部分工況下的性能和效率要求。而另一電機(jī)則可選用較少數(shù)量并聯(lián)的碳化硅版本或者IGBT版本TPAK，以實(shí)現(xiàn)在一定成本控制下的四驅(qū)或加速要求。亦或在未來(lái)采用氮化鎵+碳化硅或者氮化鎵+IGBT的方案。

不僅如此，TPAK中的每種裸片還可以從不同的芯片供應(yīng)商處采購(gòu)，建立二供乃至多供體系。除了官宣的意法半導(dǎo)體外，特斯拉還和業(yè)內(nèi)幾乎所有耳熟能詳?shù)墓β拾雽?dǎo)體頭部供應(yīng)商進(jìn)行深度合作——特斯拉提供技術(shù)規(guī)格以及應(yīng)用場(chǎng)景下的各類工況要求，芯片廠商拿出最好的功率半導(dǎo)體技術(shù)，為TPAK定制功率開(kāi)關(guān)芯片。這樣做的好處是可以在多家供應(yīng)商中優(yōu)中選優(yōu)，為特斯拉車型找到性能最好或者性價(jià)比最高的芯片。

與此同時(shí)，特斯拉在其車型銷量增加時(shí)，可以通過(guò)多家供應(yīng)商快速增加TPAK模塊的產(chǎn)能，而不用受限于單一供應(yīng)商，這在Model 3/Y車型銷量較上一代Model S/X有了迅猛增長(zhǎng)的情況下變得尤為重要。未來(lái)當(dāng)特斯拉推出更為廉價(jià)銷量預(yù)期更高的Model 2，以及預(yù)定量超過(guò)百萬(wàn)臺(tái)的Cybertruck時(shí)，能夠在短時(shí)間內(nèi)從多家半導(dǎo)體供應(yīng)商處，獲得海量TPAK模塊供應(yīng)將成為特斯拉供應(yīng)鏈管理的重要一環(huán)。

誠(chéng)然，如果整車廠采用HybiPACK 1或者Trac Direct （DC）等這類管腳兼容模塊時(shí)，也可以得到類似的多供應(yīng)商體系保證供應(yīng)，但是這種模塊為先有模塊，后有逆變器系統(tǒng)，因此在某些規(guī)格上不同廠家不能做到100%兼容。另外，該模塊為全橋設(shè)計(jì)（包含3個(gè)半橋），封裝成本固定，因此在改進(jìn)為小電流版本模塊時(shí)，模塊總成本并不隨電流規(guī)格同步降低，因此設(shè)計(jì)彈性不如TPAK。最后，作為一款公版設(shè)計(jì)的模塊，逆變器設(shè)計(jì)廠商并不能在模塊性能方面與采用同種模塊的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手區(qū)隔開(kāi)來(lái)。

綜上所述，在逆變器核心功率器件的選型上，特斯拉除了規(guī)定外形尺寸以及一些重要的封裝設(shè)計(jì)要求外（例如必須采用銀燒結(jié)技術(shù)），還深度參與了內(nèi)部芯片的定義、設(shè)計(jì)以及測(cè)試。由此得到的TPAK模塊在滿足性能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了跨（芯片）廠商，跨（IGBT/SiC MOSFET/GaN HEMT）平臺(tái)。

02

T2PAK

無(wú)獨(dú)有偶，除了TPAK外，特斯拉還在動(dòng)力總成的另一核心部件PCS中也采用了相同的選型策略。

Model 3/Y的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS，Power Conversion System）包含車載充電機(jī)OBC和高壓-12V DC/DC兩個(gè)部分，用于從電網(wǎng)給主電池包充電，以及主電池包與12V電池之間的能量交換。PCS中有40片以上的T2PAK（2nd Tesla Package），用于OBC中的PFC和DC/DC主次級(jí)側(cè)，以及高壓-12V DC/DC的高壓側(cè)。

作為一種高壓?jiǎn)喂鼙碣N封裝，T2PAK取代了前幾代Model S/X OBC中用到的TO-247封裝，包括TO-247-3，用于超結(jié)MOSFET，SiC MOSFET的三腳封裝，和TO-247-2，用于硅或碳化硅二極管的兩腳封裝。因此，T2PAK在PCS主電路板上安裝更為簡(jiǎn)單，可生產(chǎn)性好。所有T2PAK都通過(guò)導(dǎo)熱膏貼于水冷散熱板上，較之前的散熱設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。

根據(jù)目前能找到的拆機(jī)視頻，T2PAK至少有碳化硅二極管，以及超結(jié)MOSFET或碳化硅MOSFET幾種版本。同樣的，T2PAK用一種封裝實(shí)現(xiàn)了PCS中核心功率器件的跨平臺(tái)和跨廠商選型，簡(jiǎn)化了供應(yīng)鏈。

當(dāng)然，TPAK和T2PAK也非完美無(wú)缺，兩種器件的封裝都還有不少的改進(jìn)空間。例如，TPAK可以采用類似丹佛斯DBB和賀利氏電子DTS的技術(shù)在模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)雙面燒結(jié)，達(dá)到更好的散熱性能和可靠性。

03

一些爭(zhēng)議

在上一篇文章發(fā)表后，一些讀者在評(píng)論中就特斯拉和比亞迪誰(shuí)在動(dòng)力總成硬件技術(shù)方面更強(qiáng)展開(kāi)了熱烈的討論。筆者與這兩家公司都長(zhǎng)期合作過(guò)，可以說(shuō)他們?cè)陔妱?dòng)汽車領(lǐng)域都是業(yè)內(nèi)最優(yōu)秀的公司之一。但是考慮到比亞迪和特斯拉所處的環(huán)境和國(guó)情不同，兩者的創(chuàng)業(yè)基因也有很大差異，單純比較兩者優(yōu)劣就如果比較不同生態(tài)圈中的獅子和老虎一樣，很難判斷誰(shuí)才是百獸之王。

特斯拉身處硅谷核心的Palo Alto，自Model S推出后就成為眾多半導(dǎo)體公司最為重要客戶之一，可以不受限制的采購(gòu)到任何一家功率半導(dǎo)體頭部企業(yè)的尖端產(chǎn)品，因此特斯拉只需專注于主業(yè)，集中資源投入整車層面和部分核心子系統(tǒng)的研發(fā)。

而比亞迪在開(kāi)始做電動(dòng)車時(shí)，國(guó)內(nèi)車規(guī)功率半導(dǎo)體還未起步，在國(guó)外供應(yīng)商眼中比亞迪也非最為重要的客戶，因此比亞迪不得不自己研發(fā)IGBT以及碳化硅MOSFET作為國(guó)外產(chǎn)品的補(bǔ)充和替代。這使得比亞迪在功率半導(dǎo)體的采購(gòu)上獲得了一定的議價(jià)權(quán)，并且在外部供應(yīng)短缺時(shí)有了備用方案，這在當(dāng)今汽車電子缺芯的背景下優(yōu)勢(shì)明顯。但是當(dāng)比亞迪在汽車，半導(dǎo)體，鋰電池等多個(gè)賽道都需要巨額投入，以此在技術(shù)和產(chǎn)能方面與對(duì)手競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)候（例如鋰電池領(lǐng)域的寧德時(shí)代），就會(huì)出現(xiàn)資源捉襟見(jiàn)肘的情況。預(yù)期比亞迪半導(dǎo)體這幾天的上會(huì)直至之后的上市將給比亞迪的碳化硅和IGBT研發(fā)和產(chǎn)能擴(kuò)充注入一針強(qiáng)心針。

總而言之，在核心功率器件的選型策略上沒(méi)有一條放之四海而皆準(zhǔn)的方法，企業(yè)需要根據(jù)公司具體情況和市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，決定采用完全自產(chǎn)，完全外購(gòu)，還是類似特斯拉這樣的定制方案。