致瞻科技丨特斯拉碳化硅主驱逆变器技术演进路线解析
致瞻科技功率半导体事业部副总经理徐贺博士，受邀参加IPF2024 碳化硅功率器件与应用测试大会并为大家带来了主题为“特斯拉碳化硅主驱逆变器技术演进路线解析”的报告。
这次报告首先结合致瞻科技团队成员的过往经历，表达了致瞻研发团队对特斯拉产品设计底层逻辑的理解；以这个逻辑为主线，梳理了特斯拉在主驱电控领域第一代到第四代产品迭代路线。并深度结合论坛“碳化硅”的核心主题，重点介绍特斯拉第三代与第四代逆变器的主要差异，以及针对特斯拉下一代基于Si/SiC混合器件路线的理解。
以下为本次报告的具体内容
首先回顾一下我们公司团队在碳化硅MOSFET应用领域的一些经历。我们核心开发团队来自美国GE全球研发中心，从2014年开始从事碳化硅相关的研发和产业化工作，先后开发了业内多种首台套产品。尤其是在2016年，我们开发出了全球首个10kV母线、2MW的全碳化硅中压逆变器，难度非常高，尽管产品性能指标都很好，但市场反应不佳。
我们团队吸取了之前的教训，逐渐从工程师思维转向了工程商人的思维，先后在业内首推了针对氢能、电动汽车空调压缩机及液冷超充领域的全碳化硅控制器产品。产品一经推出，便迅速引领并主导了市场上的技术路线，为碳化硅行业开辟了新的细分市场。总结下来就是：只有技术和市场均成功，所有人才会跟随。
这个思维的转折点在哪里呢？我们总结为Elon Musk所提的第一性原理：基于物理本质和经济学的第一性原理，并尝试采用模型化的思维来分析事物，这个模型就是“成本模型”。分析Tesla的业务逻辑，你会发现它全业务基于Cost model来实施体系化降本，从产品战略及定义、研发设计到生产制造、供应链管理、营销服务等各个方面。比如推出单品爆款车型、大压铸技术、18650电池的规模化应用、碳化硅器件的应用、热管理设计革新、整车组装工艺创新等，无不印证着这个理念。
具体到逆变器层级，你会发现如下几点通用的手段：
1. 采用大单品模式，以极度克制的产品组合，追求极致的规模化降本；
2. 硬件的同质化和标准化；
3. 工艺的平台化；
4. 结构少件化；
5. 硬件集成化等方面。
在这个优化过程中，我们也要时刻注意约束条件随时间或技术发展的变化：比如，当时的前提条件是什么，现在是否发生了变化？以及这些变化会引入什么新的问题？在这个优化过程中，结果也会随实时变化进行迭代更新。
我们用几张图展示了Tesla主驱逆变器前后四代的演进路线。针对第一代和第二代主驱逆变器，基于当时市场供应情况及其供应链整合能力，Tesla采用了TO247单管封装，通过充分发挥工程设计自由度，在实现超大功率输出和最短入市时间的情况下，仍具备较好的功率扩展能力。而2017年及以后推出的第三代和第四代逆变器，则首创了业内第一款面向车规级碳化硅的器件封装形式和逆变器结构设计，同时兼容IGBT封装甚至混合器件封装，也具备较好的功率扩展能力。
近二十年来，特斯拉仅采用两种器件封装形式、两个生产工艺平台，所有车型均复用同一逆变器设计，充分发挥了大单品战略精髓。
鉴于今天的主题是碳化硅，我们主要集中在第三代和第四代主驱逆变器的对比。
首先从系统层面对比，针对400V平台，Gen-4相较于Gen-3逆变器在功率密度和重量上有显著的提升。其实我们也分析了特斯拉Semi和Cybertruck中的Gen-4逆变器，由于时间有限，今天不详细讲解，有兴趣的朋友可以关注我们公司公众号，后续会有更多分享。Gen-4相较于Gen-3，其中一个较大的改动是极大规避了栅极谐振风险，这也是我们认为Gen-3电驱存在的一个缺陷。2022年4月7日，Tesla发布召回公告，隐晦地说明了半导体的一致性差异问题。这个问题其实我们在2020年就在项目开发中遇到过，于是我们在22年4月发表了一篇文章《特斯拉批量召回可能原因分析--隐蔽的碳化硅MOSFET栅极谐振问题》，提出了猜测并提出了我们的解决方案，引起了不小的反响。大约一年后，特斯拉发布了第四代电驱，其新的逆变器产品按照我们提出的方案进行了改良，基本印证了我们的猜测。
简单描述一下过程和机理：碳化硅由于其材料及工艺的特殊性，再结合实际工作工况的差异性，导致器件的差异表现难以完全避免，尤其是碳化硅体二极管反向恢复特性。再叠加换流环路不对称性，容易在某些工况点引发严重的栅极谐振，长久会造成器件失效。解决方案也相对简单：要么从源头采用更严苛的器件筛选机制，降低激励源，或者优化铜排连接结构，尽可能降低换流环路不对称性。后者从成本角度更优，不会增加BOM成本。Gen-4相较于Gen-3的交流铜排优化结构，通过极大降低连接器件的finger杂感，降低了栅极谐振的风险。再结合合理的器件筛选，相信这个问题特斯拉已经可以完全解决。
从母线电容角度，也有几个优化细节：母线电容芯子直接灌封到壳体中，并与电容一体集成了高压端子，节约了BOM成本，简化了工艺过程，提高了生产效率。
从母线铜排布局角度，将功率器件正负极布局反向布置，留有足够的layout空间，有利于逆变器小型化。同时针对AC busbar无需再使用塑料座固定，进一步降低BOM成本。
功率铜排工艺角度也有许多微小改进：用于铜排间的绝缘塑料件针对信号pin针采用更好的导向定位设计，以提升总装生产时的良品率；采用绝缘塑料膜替代绝缘塑料件进行隔离绝缘，节省成本并降低高度；采用更便宜的塑料件作为PCBA和busbar间的绝缘等。
整体电路设计上，第四代逆变器新增了更多功能安全电路，同时还保证了整体布板尺寸的缩小。如额外新增了一路高压紧急电源，用于功能安全芯片、烟火开关及电流传感器供电，包括驱动电源也做了较大改动，采用红外传感器监测功率器件温度等。
Gen-4逆变放弃了集中式电源架构，转而采用平面变压器方案：一是支持更好的PCB走线，且避免下三管栅极回路中共用一路电源造成的串扰问题；二是省去变压器成本，仅剩磁芯原材料成本。这里针对Tesla Semi及Cybertruck逆变器的驱动电源设计也提前剧透一下，由于100%采用了碳化硅方案，从而使得驱动供电需求较低，在那个设计中已经省去磁芯，变成由PCB走线形成的空心变压器，真正实现了极致降本。
电流输出采样方面，Gen-4逆变器仍采用霍尔传感器，但霍尔磁环尺寸小型化。每个传感器同时集成两个背靠背的霍尔芯片，其中一路通过高压紧急电源供电。
驱动电路设计上，采用集成flyback控制芯片和推挽输出的智能驱动IC芯片，这是业内常见趋势。
工艺设计上，Gen-4逆变器创新较多：省去昂贵的高低压接插件，通过压铸壳体与其余部件匹配形成完整且满足密封要求的高低压接插件；采用模块化设计，将逆变器组装拆分为两个部装再组装；功率模组与壳体固定通过金属铆接；采用闭环功率模组水道，采用肋片设计，并与上下盖一体进行真空钎焊，省去pinfin散热器的冷锻工艺及耗时的搅拌摩擦焊工艺。
从工艺流程来看，Gen-3逆变器组装工艺为串行，涉及的耗时工序较多，如搅拌摩擦焊、散热器冷锻、大量螺丝连接等，流程长、效率低，且良率损失高。而Gen-4逆变器通过模块化部装设计，大大降低了逆变器总成生产节拍，效率高，且由于分成各个子模块进行解耦生产，降低了生产良率损失。
螺丝数量统计显示，Gen-3逆变器采用了47颗螺钉，已算是主驱行业的优秀设计，而德系设计思路通常会超过100颗螺钉。Gen-4逆变器将螺钉数量降低为19颗，仅用于固定PCBA及壳体上盖。结合其他设计优化措施，逆变器重量由4.8公斤降至3.9公斤，实现了极致优化设计。
接下来进入第三章，我将以个人视角阐述对基于Si/SiC混合器件主驱逆变器的前景展望。
2023年初，Tesla声称其新平台中将减少75%的碳化硅用量，以达到降本目的。此消息非常轰动，导致ST、Onsemi、Wolfspeed等碳化硅企业股价大跌。业内讨论积极，很快达成共识：只有混合器件能完成这个使命。其基本原理是：轻载下依靠碳化硅器件的单极性导通特性，降低导通损耗；重载下依靠IGBT的电导调制效应，降低大电流导通损耗。开关损耗采用碳化硅低开关损耗特点。理论上可行，这一概念在学术界由来已久，早在90年代，就有学者提出采用SCR和IGBT并联优化整体损耗，也有学者提出Si IGBT和SJ MOS并联实现软开关，原理与特斯拉构想相同。针对该路线，我们内部做了细致分析，以下是其实现困难点：
1. 可平台化、可拓展性较弱。
a) 尤其针对800V平台，1200V IGBT相较于750VIGBT器件性能衰减明显，且即便和1200V的碳化硅器件相比也无明显价格优势。
b) 对封装形式及逆变器结构要求较高。针对特斯拉的逆变器方案采用混合器件方式的改动相对较小，但针对采用集成功率模块的方案则基本需要重新开发。
2. 实现难度大，鲁棒性弱。
a) 涉及三种异质芯片（SiC MOS、IGBT及FRD），针对电驱应用中不同工况下的调制策略复杂，优化目标也较多如最高结温控制、结温均衡控制、损耗最优控制等。
b) 面对短路、过流等异常工况，保护策略复杂度提升。
c) 换流瞬间SiC MOS应力较大，长期可靠性存疑，需做大量的测试验证。
3. 预期降本及性能提升效果不理想。
a) 需定制驱动芯片，控制电路成本提升，且由于驱动芯片复杂度提升，失效率也会升高。
b) 碳化硅器件降本速度很快，混合模块优势会迅速削弱。
c) 二极管若采用Si FRD，混合模块开关损耗优势不明显；若采用SiC SBD/JBS，则无法实现降本。
因此，我们认为混合模块路线仅适用于特定场景，如碳化硅缺货且整体设计无需大改的情况下。否则，不建议作为长期路线。
总结
首先，特斯拉产品的底层设计逻辑，尤其值得主机厂学习。建立以Cost Model为核心导向的产品开发理念，将技术开发、采购、生产工艺、质保等多方立场统一，通过快速迭代实现成本优化的快速收敛。真正实施对Tier 1和Tier 2供应商有一定难度，因为会增加许多约束条件，如不合理的EMC要求，且主机厂和供应商不同角色间的立场很难统一。主机厂硬压下一个Class 5指标，额外增加的BOM以及开发测试成本不会增加产品价值。
其次，Gen-4相较于Gen-3逆变器，在规避栅极谐振风险、优化电气布局及电路、增加冗余功能安全电路、工艺流程优化降本等方面做出了多项改进，使产品更简洁化、轻量化、小型化，值得推崇和学习。
再次，针对特斯拉宣称的下一代基于混合器件的主驱逆变器，我们认为仅适合作为特定场景下的方案（如供应问题等）。近两年国内外碳化硅企业在产能及成本方面的快速进步会对Cost Model输出优化结果产生巨大扰动，从而导致Hybrid方案不一定是最优解。
最后，诚邀对此次报告感兴趣的朋友关注我司公众号，也欢迎各位同仁互动交流，反馈问题，共同学习进步！谢谢！
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