特斯拉Model 3 电机控制器技术解析

题记：Elon Musk的特斯拉风靡全球，很多新技术都得以应用。笔者曾经对inverter研究过很长一段时间，结合特斯拉 Model 3(图片|配置|询价)公开的一些资料，做一些简单分析和梳理。Model 3作为第一款在电机控制器中使用SiC MOSFET的量产纯电动汽车，是宽禁带半导体在汽车应用的又一新的里程碑。这将很大可能加速宽禁带半导体，尤其是SiC器件在汽车逆变器的推广和应用，进一步促进宽禁带半导体产业的发展。

SiC功能

宽禁带半导体相对于传统的硅器件，其禁带宽度，击穿场强和导热率都要更高，如图。使其单位面积的导通阻抗可以更小(1/3~1/5 of Si)，耐压高更高，开关速度更快 (3~10x of Si)，同时还具备高温工作能力，有利于提高逆变器的功率密度。而且SiC MOS作为电阻性器件，非常有利提高汽车在实际运行工况的工作效率和续航里程。不同机构和单位给出的数据显示，SiC MOS替代传统Si IGBT，大约能提升5~10%的续航里程。

但同时SiC MOS的封装还存在诸多挑战。相同电流等级的SiC MOS和Si IGBT相比，芯片水平尺寸目前约为IGBT的1/3~1/4。这就造成SiC MOS的散热要求要高于传统Si IGBT模块的封装。另外，SiC MOS的开关速度可以比Si更快，所以在switching off过程中，由于产生加到的di/dt，从而在器件上产生一个较大的电压尖峰，因此SiC MOS对主回路电感要求更高。

功率模块外部结构

没有驱动控制板的SiC inverter内部结构包括：DC输入端子，母线薄膜电容，功率模块单元和AC输出端子。由于inverter是贴在变速器的侧边，从整车空间结构来看，需要对inverter进行扁平化设计，因此其内部采用模块和电容平铺的方式进行连接，实现更薄的厚度。整个功率模块单元由单管模块组成，采用标准6-switches 逆变器拓扑，每个switch由4颗单管模块组成，共24 颗单管模块，器件耐压为650V。Model 3的 SiC 单管模块设计与Model S/X采用Infineon IGBT单管思路一致，好处是实现不同功率等级的可扩展同时，还能提升模块封装良率，降低半导体器件成本。但 Model 3比Model S/X更进一步，因为其SiC模块是ST专门为Tesla定制化生产，为一种便于平面连接的封装形式，采用该SiC模块更有利于提升inverter的功率密度。

功率模块内部结构

电机控制器中功率模块单元上下管的SiC模块在平面上进行连接。SiC模块单元采用标准6-switches 逆变器拓扑，其正极直接连接至电容的DC+，负极则采用DC- Cu bus与母线电容的DC-进行连接，DC-Cu bus紧贴在模块的上表面。由于Model 3的inverter有厚度的要求，需确保不同电位导电层间距更近，因此设计上考虑对不同电位导电层进行绝缘处理。从图中可以发现，一共采用4 块塑料绝缘件来增加模块和散热器的耐压，这类塑料的加工成本低，工艺简单， 其在BOM成本中占比较小，基本不影响inverter的成本。为确保模块的电极端子对散热器的爬电距离满足要求，Tesla专门在模块下方的散热器上设计凸台结构，便于将塑料绝缘件的部分置于模块底部。塑料绝缘件在电极连接的下方还设计凸起结构，便于对电极连接采用激光焊接工艺进行结构支撑，以实现可靠稳定的电气连接。Tesla采用简单却很巧妙的塑料绝缘件设计，侧面也反映出其正向设计思路清晰，零部件尽可能复用以实现多个功能，简化材料体系和结构。

功率模块组装工艺

Tesla的功率模块单元在inverter的组装中，借鉴了功率模块封装工艺。模块底部的散热器上有前面提及的凸台，凸台表面镀银。模块和散热器凸台之间连接采用烧结银连接技术，可实现高可靠、高导热的连接。由于烧结银连接技术的主要材料成分是银，所以成本比传统焊料贵，其常规的连接厚度较薄，约为25~100um照片和肉眼都难以观察。该技术主要用于功率模块中芯片和基板的连接，很多Tier 1的控制器公司和Tier2的功率模块制造商，在汽车模块中均或多或少的采用该技术，如Semikron, Infineon, Danfoss, continental等。目前烧结银技术主要用于对可靠性和散热高要求的市场，如汽车，风电等。

模块剖面和主要工艺流程于对其结构、工艺和材料进行说明。第一步，SiC芯片通过烧结银连接至Si3N4 AMB基板，烧结银具有更高的可靠性和导热，Si3N4 AMB基板的可靠性在所有陶瓷基板中最高 (与Al2O3和AlN，BeO等陶瓷比较)，同时双面敷铜可以更厚，有利于散热；第二步，芯片门极采用标准的铝线键合技术实现电气互联，为成熟标准的封装工艺；第三步，在相应位置点高铅锡膏，通过回流设备对lead-frame进行焊接，引出该单管模块的电极，高铅焊料的可靠性同样非常高，虽然散热特性比烧结银差，但焊接位置均没有主要的散热路径，所以该工艺仍采用传统的高铅焊料；第四步，对单管功率模块进行塑封，以实现模块的环境保护。后续还有切筋成型，端子电镀等，均为传统单管的标准封装工艺，在此不赘述。

总结

功率器件是电机控制单元的核心部件，而电机控制单元又是EV中驱动电机的核心系统。通过以上对Tesla Model 3的SiC功率模块单元和单管模块的拆解和分析，得以初窥Tesla的设计理念和开发思路。

目前在整车设计中集成化要求越来越高，inverter, gear box和motor采用三合一的集成架构，定义了inverter需要扁平化设计，对逆变器的厚度方向的尺寸设计提出了明确要求，再采用传统的TO-247单管已无法满足设计要求。Tesla作为主机厂，开创性地与Tier2 的半导体厂家ST合作订制SiC单管模块，在尺寸上满足要求的前提下，进一步提逆变器的效率。目前，SiC器件成本虽然是Si器件的10倍左右的价格，但其对续航里程的提升(5%~10%)，以及用户用电效率的提高都显而易见。在模块内外部的机械、散热互联中，均使用价格不菲的烧结银技术，以提高inverter的可靠性和散热。电气连接采用激光焊接技术，以提高机械连接的强度和可靠性，但需要投入高价的激光设备，同时，在其他不影响性能的辅助材料和结构设计上，则尽可能采用成熟低成本的解决方案（模块内部仍采用铝丝焊接以及框架材料等)。

因此，Tesla是全球顶级的正向设计能力很强的主机厂，控制成本的能力很强大。相关成本尽可能用于提升关键性能的方案，费用都落在实处，落在刀刃上。虽然成本最终仍会转嫁给用户，但是有效的提高了车辆的科技含量，受市场青睐和用户追捧。