從碳化硅模塊出發(fā)，看特斯拉核心芯片選型策略

來源：01芯聞

作者：棟幺

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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動模塊，還可以成為一款高性價比的IGBT功率模塊，甚至在車規(guī)大功率氮化鎵技術成熟后，無縫接入氮化鎵裸芯片成為高頻功率開關器件。

同時，結合浸淫多年的多管并聯(lián)技術，特斯拉可以在其電動汽車驅動系統(tǒng)中，按照不同的功率等級選擇不同數(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，因為都是同一種封裝，特斯拉僅需在外部電路、機械結構和散熱設計僅需小幅改動的情況下，即可滿足各種各樣的電動車驅動需求，這大大增加了設計彈性。

例如，在理想情況下，雙電機版本的特斯拉電動車可以選用多個碳化硅TPAK并聯(lián)驅動主電機，滿足大部分工況下的性能和效率要求。而另一電機則可選用較少數(shù)量并聯(lián)的碳化硅版本或者IGBT版本TPAK，以實現(xiàn)在一定成本控制下的四驅或加速要求。亦或在未來采用氮化鎵+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商處采購，建立二供乃至多供體系。除了官宣的意法半導體外，特斯拉還和業(yè)內幾乎所有耳熟能詳?shù)墓β拾雽w頭部供應商進行深度合作——特斯拉提供技術規(guī)格以及應用場景下的各類工況要求，芯片廠商拿出最好的功率半導體技術，為TPAK定制功率開關芯片。這樣做的好處是可以在多家供應商中優(yōu)中選優(yōu)，為特斯拉車型找到性能最好或者性價比最高的芯片。

與此同時，特斯拉在其車型銷量增加時，可以通過多家供應商快速增加TPAK模塊的產能，而不用受限于單一供應商，這在Model 3/Y車型銷量較上一代Model S/X有了迅猛增長的情況下變得尤為重要。未來當特斯拉推出更為廉價銷量預期更高的Model 2，以及預定量超過百萬臺的Cybertruck時，能夠在短時間內從多家半導體供應商處，獲得海量TPAK模塊供應將成為特斯拉供應鏈管理的重要一環(huán)。

誠然，如果整車廠采用HybiPACK 1或者Trac Direct （DC）等這類管腳兼容模塊時，也可以得到類似的多供應商體系保證供應，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，該模塊為全橋設計（包含3個半橋），封裝成本固定，因此在改進為小電流版本模塊時，模塊總成本并不隨電流規(guī)格同步降低，因此設計彈性不如TPAK。最后，作為一款公版設計的模塊，逆變器設計廠商并不能在模塊性能方面與采用同種模塊的競爭對手區(qū)隔開來。

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計要求外（例如必須采用銀燒結技術），還深度參與了內部芯片的定義、設計以及測試。由此得到的TPAK模塊在滿足性能和系統(tǒng)設計要求的同時，實現(xiàn)了跨（芯片）廠商，跨（IGBT/SiC MOSFET/GaN HEMT）平臺。

02

T2PAK

無獨有偶，除了TPAK外，特斯拉還在動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的電源轉換系統(tǒng)（PCS，Power Conversion System）包含車載充電機OBC和高壓-12V DC/DC兩個部分，用于從電網給主電池包充電，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主次級側，以及高壓-12V DC/DC的高壓側。

作為一種高壓單管表貼封裝，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單，可生產性好。所有T2PAK都通過導熱膏貼于水冷散熱板上，較之前的散熱設計大大簡化。

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

當然，TPAK和T2PAK也非完美無缺，兩種器件的封裝都還有不少的改進空間。例如，TPAK可以采用類似丹佛斯DBB和賀利氏電子DTS的技術在模塊內部實現(xiàn)雙面燒結，達到更好的散熱性能和可靠性。

03

一些爭議

在上一篇文章發(fā)表后，一些讀者在評論中就特斯拉和比亞迪誰在動力總成硬件技術方面更強展開了熱烈的討論。筆者與這兩家公司都長期合作過，可以說他們在電動汽車領域都是業(yè)內最優(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體公司最為重要客戶之一，可以不受限制的采購到任何一家功率半導體頭部企業(yè)的尖端產品，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)。

而比亞迪在開始做電動車時，國內車規(guī)功率半導體還未起步，在國外供應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作為國外產品的補充和替代。這使得比亞迪在功率半導體的采購上獲得了一定的議價權，并且在外部供應短缺時有了備用方案，這在當今汽車電子缺芯的背景下優(yōu)勢明顯。但是當比亞迪在汽車，半導體，鋰電池等多個賽道都需要巨額投入，以此在技術和產能方面與對手競爭的時候（例如鋰電池領域的寧德時代），就會出現(xiàn)資源捉襟見肘的情況。預期比亞迪半導體這幾天的上會直至之后的上市將給比亞迪的碳化硅和IGBT研發(fā)和產能擴充注入一針強心針。

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