題記：Elon Musk的特斯拉風靡全球，很多新技術都得以應用。筆者曾經對inverter研究過很長一段時間，結合特斯拉 Model 3公開的一些資料，做一些簡單分析和梳理。Model 3作為第一款在電機控制器中使用SiC MOSFET的量產純電動汽車，是寬禁帶半導體在汽車應用的又一新的里程碑。這將很大可能加速寬禁帶半導體，尤其是SiC器件在汽車逆變器的推廣和應用，進一步促進寬禁帶半導體產業的發展。

SiC功能

寬禁帶半導體相對於傳統的矽器件，其禁頻寬度，擊穿場強和導熱率都要更高，如圖。使其單位面積的導通阻抗可以更小(1/3~1/5 of Si)，耐壓高更高，開關速度更快 (3~10x of Si)，同時還具備高溫工作能力，有利於提高逆變器的功率密度。而且SiC MOS作為電阻性器件，非常有利提高汽車在實際執行工況的工作效率和續航里程。不同機構和單位給出的資料顯示，SiC MOS替代傳統Si IGBT，大約能提升5~10%的續航里程。

但同時SiC MOS的封裝還存在諸多挑戰。相同電流等級的SiC MOS和Si IGBT相比，晶片水平尺寸目前約為IGBT的1/3~1/4。這就造成SiC MOS的散熱要求要高於傳統Si IGBT模組的封裝。另外，SiC MOS的開關速度可以比Si更快，所以在switching off過程中，由於產生加到的di/dt，從而在器件上產生一個較大的電壓尖峰，因此SiC MOS對主迴路電感要求更高。

功率模組外部結構

沒有驅動控制板的SiC inverter內部結構包括：DC輸入端子，母線薄膜電容，功率模組單元和AC輸出端子。由於inverter是貼在變速器的側邊，從整車空間結構來看，需要對inverter進行扁平化設計，因此其內部採用模組和電容平鋪的方式進行連線，實現更薄的厚度。整個功率模組單元由單管模組組成，採用標準6-switches 逆變器拓撲，每個switch由4顆單管模組組成，共24 顆單管模組，器件耐壓為650V。Model 3的 SiC 單管模組設計與Model S/X採用Infineon IGBT單管思路一致，好處是實現不同功率等級的可擴充套件同時，還能提升模組封裝良率，降低半導體器件成本。但 Model 3比Model S/X更進一步，因為其SiC模組是ST專門為Tesla定製化生產，為一種便於平面連線的封裝形式，採用該SiC模組更有利於提升inverter的功率密度。

功率模組內部結構

電機控制器中功率模組單元上下管的SiC模組在平面上進行連線。SiC模組單元採用標準6-switches 逆變器拓撲，其正極直接連線至電容的DC+，負極則採用DC- Cu bus與母線電容的DC-進行連線，DC-Cu bus緊貼在模組的上表面。由於Model 3的inverter有厚度的要求，需確保不同電位導電層間距更近，因此設計上考慮對不同電位導電層進行絕緣處理。從圖中可以發現，一共採用4 塊塑膠絕緣件來增加模組和散熱器的耐壓，這類塑膠的加工成本低，工藝簡單， 其在BOM成本中佔比較小，基本不影響inverter的成本。為確保模組的電極端子對散熱器的爬電距離滿足要求，Tesla專門在模組下方的散熱器上設計凸臺結構，便於將塑膠絕緣件的部分置於模組底部。塑膠絕緣件在電極連線的下方還設計凸起結構，便於對電極連線採用鐳射焊接工藝進行結構支撐，以實現可靠穩定的電氣連線。Tesla採用簡單卻很巧妙的塑膠絕緣件設計，側面也反映出其正向設計思路清晰，零部件儘可能複用以實現多個功能，簡化材料體系和結構。

功率模組組裝工藝

Tesla的功率模組單元在inverter的組裝中，借鑑了功率模組封裝工藝。模組底部的散熱器上有前面提及的凸臺，凸臺表面鍍銀。模組和散熱器凸臺之間連線採用燒結銀連線技術，可實現高可靠、高導熱的連線。由於燒結銀連線技術的主要材料成分是銀，所以成本比傳統焊料貴，其常規的連線厚度較薄，約為25~100um照片和肉眼都難以觀察。該技術主要用於功率模組中晶片和基板的連線，很多Tier 1的控制器公司和Tier2的功率模組製造商，在汽車模組中均或多或少的採用該技術，如Semikron, Infineon, Danfoss, continental等。目前燒結銀技術主要用於對可靠性和散熱高要求的市場，如汽車，風電等。

模組剖面和主要工藝流程於對其結構、工藝和材料進行說明。第一步，SiC晶片透過燒結銀連線至Si3N4 AMB基板，燒結銀具有更高的可靠性和導熱，Si3N4 AMB基板的可靠性在所有陶瓷基板中最高 (與Al2O3和AlN，BeO等陶瓷比較)，同時雙面敷銅可以更厚，有利於散熱；第二步，晶片門極採用標準的鋁線鍵合技術實現電氣互聯，為成熟標準的封裝工藝；第三步，在相應位置點高鉛錫膏，透過迴流裝置對lead-frame進行焊接，引出該單管模組的電極，高鉛焊料的可靠性同樣非常高，雖然散熱特性比燒結銀差，但焊接位置均沒有主要的散熱路徑，所以該工藝仍採用傳統的高鉛焊料；第四步，對單管功率模組進行塑封，以實現模組的環境保護。後續還有切筋成型，端子電鍍等，均為傳統單管的標準封裝工藝，在此不贅述。

總結

功率器件是電機控制單元的核心部件，而電機控制單元又是EV中驅動電機的核心繫統。透過以上對Tesla Model 3的SiC功率模組單元和單管模組的拆解和分析，得以初窺Tesla的設計理念和開發思路。

目前在整車設計中整合化要求越來越高，inverter, gear box和motor採用三合一的整合架構，定義了inverter需要扁平化設計，對逆變器的厚度方向的尺寸設計提出了明確要求，再採用傳統的TO-247單管已無法滿足設計要求。Tesla作為主機廠，開創性地與Tier2 的半導體廠家ST合作訂製SiC單管模組，在尺寸上滿足要求的前提下，進一步提逆變器的效率。目前，SiC器件成本雖然是Si器件的10倍左右的價格，但其對續航里程的提升(5%~10%)，以及使用者用電效率的提高都顯而易見。在模組內外部的機械、散熱互聯中，均使用價格不菲的燒結銀技術，以提高inverter的可靠性和散熱。電氣連線採用鐳射焊接技術，以提高機械連線的強度和可靠性，但需要投入高價的鐳射裝置，同時，在其他不影響效能的輔助材料和結構設計上，則儘可能採用成熟低成本的解決方案（模組內部仍採用鋁絲焊接以及框架材料等)。

因此，Tesla是全球頂級的正向設計能力很強的主機廠，控制成本的能力很強大。相關成本儘可能用於提升關鍵效能的方案，費用都落在實處，落在刀刃上。雖然成本最終仍會轉嫁給使用者，但是有效的提高了車輛的科技含量，受市場青睞和使用者追捧。