車(chē)規(guī)模塊系列（三）：特斯拉TPAK系列

相比于前兩篇聊到的半橋DCM系列和三相全橋HPD模塊，今天我們要聊的TPAK（Tesla Pack）封裝，更像是單管，由特斯拉于2018年發(fā)布的Model3/Y率先采用，也是率先在新能源汽車(chē)電驅(qū)采用全SiC的解決方案，24-in-1的結(jié)構(gòu)，每個(gè)橋臂上下橋由4個(gè)TPAK并聯(lián)而成。而今，市面上很多廠家也相繼推出了TPAK封裝產(chǎn)品，亦是一種學(xué)習(xí)的力量，今天我們就來(lái)聊聊TPAK。

Tesla Pack

2022年8月15日，特斯拉CEO馬斯克發(fā)文稱(chēng)，特斯拉上海超級(jí)工廠第100萬(wàn)輛車(chē)下線(xiàn)。從2012年交付第一輛車(chē)以來(lái)，特斯拉截至2022年十年來(lái)，累計(jì)交付了約300萬(wàn)輛車(chē)。而對(duì)于特斯拉而言，單管多并聯(lián)的方式成為其獨(dú)具特色的解決方案。

從一開(kāi)始的TO-247封裝的IGBT單管并聯(lián)，到單管電流等級(jí)需求優(yōu)化的TO-247Plus封裝的IGBT并聯(lián)，到如今的TPAK封裝，可以說(shuō)將單管并聯(lián)方式發(fā)揮的淋漓盡致。采用這方面的原因可能是當(dāng)時(shí)可選擇的車(chē)規(guī)IGBT模塊較少，并且單個(gè)單管電流等級(jí)較小而采用多并聯(lián)來(lái)達(dá)到所需電流等級(jí)。

隨著第三代半導(dǎo)體SiC的入局，對(duì)于封裝和可靠性的要求，特斯拉也跟當(dāng)今先進(jìn)的半導(dǎo)體廠家合作，從而推出TPAK封裝的單管，同時(shí)也可向下兼容IGBT芯片，這讓其至少競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手提前幾年獲得了碳化硅大規(guī)模使用的數(shù)據(jù)。

最早使用在TPAK的SiC芯片是由ST(意法半導(dǎo)體)提供的，這也使得ST借此得到了飛速發(fā)展。隨著SiC這幾年的發(fā)展，TPAK也有了更多的芯片供應(yīng)鏈選擇。

接下來(lái)，我們就來(lái)聊聊TPAK的那些事兒~

T-PAK封裝

上個(gè)月的PCIM展上，，想必大家都看到了很多TPAK模塊，外觀基本都一致，內(nèi)部細(xì)節(jié)可能就不太明了了。

尺寸為20mm*28mm*4mm。可見(jiàn)采用的是塑封的方式，具體有沒(méi)有做特殊優(yōu)化就不得而知了。外部功率端子采用的激光焊接，以及內(nèi)部采用Cu-Clip技術(shù)取代傳統(tǒng)綁定線(xiàn)。當(dāng)然里面我們也能看到綁定線(xiàn)，下面是TPAK的部分開(kāi)蓋示意圖，

可以看到，內(nèi)部?jī)蓚€(gè)相同的SiC芯片，源極通過(guò)銅引線(xiàn)框架連接到一起，它們之間采用了Sn焊料。門(mén)極通過(guò)直徑200um的Al綁定線(xiàn)引出到門(mén)極銅框架。芯片到Si3N4的AMB基板采用銀燒結(jié)技術(shù)。

目前，汽車(chē)模塊功率端子的連接越來(lái)越多地采用激光焊接，同時(shí)或多或少也都會(huì)采用部分的Cu-Clip技術(shù)，所以今天針對(duì)TPAK我們就簡(jiǎn)單聊一聊這兩個(gè)小話(huà)題。

01、激光焊接技術(shù)

常見(jiàn)的模塊功率端子的外部連接方式是通過(guò)螺絲，板級(jí)的通過(guò)常規(guī)焊接方式進(jìn)行連接。相對(duì)于螺絲的安裝方式，接觸電阻和寄生電感都會(huì)較大，并且安裝較為耗時(shí)。而普通焊料焊接，由于焊料的特性，導(dǎo)電率會(huì)隨著使用的時(shí)間而降低。我們都知道銅具有更高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱系數(shù)，有助于更高的電流密度。

下面給到了高溫焊接合金和銅材料的性能對(duì)比，

銅銅之間的激光焊接技術(shù)是一種高效的粘接技術(shù)，如電池行業(yè)早已普及，銅銅連接點(diǎn)提供了更為牢固和可靠的連接，也逐漸成為目前汽車(chē)模塊應(yīng)用中的一種趨勢(shì)。

例如，賽米控丹佛斯的eMPack也提供了激光焊接版本，

02、Cu-Clip技術(shù)

正如上面TPAK的開(kāi)蓋圖，內(nèi)部采用的銅引線(xiàn)框架。

常規(guī)的模塊內(nèi)部均采用的鋁綁定線(xiàn)，由于成本相對(duì)較低，成熟度高，靈活性高而被廣泛使用。隨著SiC的不斷發(fā)展，芯片面積相對(duì)硅基較小，所能容納的鋁綁定線(xiàn)數(shù)量變得有限，同時(shí)SiC的高速開(kāi)關(guān)特性，對(duì)于模塊的寄生參數(shù)更為敏感，這一點(diǎn)我們?cè)谥暗腸rosstalk現(xiàn)象中有所涉及：

SiC Crosstalk小敘

同時(shí)鋁綁定線(xiàn)的雜散電感較高，導(dǎo)電率較小。而上面我們聊到了銅的特性，導(dǎo)熱系數(shù)高，導(dǎo)電率高，所以有些模塊也嘗試使用銅線(xiàn)進(jìn)行綁定，如DCM系列中提到的DBB技術(shù)，而銅綁定線(xiàn)對(duì)于芯片表面的處理要求較高，故也有采用鋁包銅綁定線(xiàn)進(jìn)行折中選擇。

而銅引線(xiàn)框架，所謂的Clip方式，可以看到，加大了截面積和焊接面積，提供了更高的電流密度，同時(shí)間接地也為芯片提供了額外的散熱路徑，提高了功率模塊的散熱能力和功率循環(huán)的可靠性。

同時(shí)，模塊內(nèi)部很多都是采用的多芯片并聯(lián)來(lái)滿(mǎn)足高的電流等級(jí)，芯片之間的均流對(duì)于內(nèi)部雜散電感的分布提出了比較高的要求，

相對(duì)于綁定線(xiàn)，銅引線(xiàn)框架更易于改變形狀，也就是雜散電感的分布更易于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，也可以采用綁定線(xiàn)和Cu-Clip組合的方式，適合的才是最好的。

小結(jié)

特斯拉的TPAK可以說(shuō)是結(jié)合了很多“新穎”的技術(shù)，同時(shí)引領(lǐng)了多單管并聯(lián)的解決方案，也以大量的車(chē)輛銷(xiāo)售來(lái)佐證了這種方式的可行性。作為第一個(gè)吃螃蟹的特斯拉很多技術(shù)值得學(xué)習(xí)和討論，也引領(lǐng)著國(guó)產(chǎn)化的爭(zhēng)相逐鹿。

這幾天從賽米控丹佛斯的DCM系列，到英飛凌的HPD系列，再到特斯拉的TPAK系列，聊到了各種散熱方式（SP3D，Pin-fin-可以有各種形狀），各種綁定（DBB，Cu-Clip）以及激光焊接等等。當(dāng)然這只是市面上比較常見(jiàn)的幾種車(chē)規(guī)模塊，還有其他很多不常見(jiàn)，但上過(guò)車(chē)的車(chē)規(guī)模塊，這個(gè)我們后面可以娓娓道來(lái)。

新能源汽車(chē)的飛速發(fā)展，使得車(chē)規(guī)模塊得以百家爭(zhēng)鳴，相對(duì)工業(yè)而言，車(chē)規(guī)的大氣使得更多的技術(shù)得以發(fā)展和應(yīng)用，這是值得我們不斷品嘗，學(xué)無(wú)止境的地方！

期待更多的發(fā)展，更多的討論，更多的豐富精彩！