Model 3 SiC功率模塊單元拆解與分析 上

特斯拉 Model 3 作為第一款在電機控制器中使用 SiC MOSFET 的量產(chǎn)純電動汽車，是寬禁帶半導體在汽車應(yīng)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(yīng)用，進一步促進寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

寬禁帶半導體相對于傳統(tǒng)的硅器件，其禁帶寬度，擊穿場強和導熱率都要更高。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(guān)速度更快 (3~10x of Si)，同時還具備高溫工作能力，有利于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運行工況的工作效率和續(xù)航里程。不同機構(gòu)和單位給出的數(shù)據(jù)顯示，SiC MOS 替代傳統(tǒng) Si IGBT，大約能提升 5~10%的續(xù)航里程。

Si 和寬禁帶半導體材料性能對比

但同時 SiC MOS 的封裝還存在諸多挑戰(zhàn)。相同電流等級的 SiC MOS 和 Si IGBT 相比，芯片水平尺寸目前約為 IGBT 的 1/3~1/4。這就造成 SiC MOS 的散熱要求要高于傳統(tǒng) Si IGBT 模塊的封裝。另外，SiC MOS 的開關(guān)速度可以比 Si 更快，所以在 switching off 過程中，由于產(chǎn)生加到的 di/dt，從而在器件上產(chǎn)生一個較大的電壓尖峰，因此 SiC MOS 對主回路電感要求更高。后續(xù)會結(jié)合 Model 3 中 SiC 功率模塊的拆解進一步分析其散熱和電氣設(shè)計。
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1） 模塊單元外部架構(gòu)分析
圖是移除驅(qū)動控制板的 SiC inverter 內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括 DC 輸入端子，母線薄膜電容，功率模塊單元和 AC 輸出端子。

由于 inverter 是貼在變速器的側(cè)邊，從整車空間結(jié)構(gòu)來看，需要對 inverter 進行扁平化設(shè)計，因此其內(nèi)部采用模塊和電容平鋪的方式進行連接，實現(xiàn)更薄的厚度。

整個功率模塊單元由單管模塊組成，采用標準 6-switches 逆變器拓撲，每個 switch 由 4 顆單管模塊組成，共 24 顆單管模塊，器件耐壓為 650V。Model 3 的 SiC 單管模塊設(shè)計與 Model S/X 采用 Infineon IGBT 單管思路一致，好處是實現(xiàn)不同功率等級的可擴展同時，還能提升模塊封裝良率，降低半導體器件成本。但 Model 3 比 Model S/X 更進一步，因為其 SiC 模塊是 ST 專門為 Tesla 客制化生產(chǎn)，為一種便于平面連接的封裝形式，采用該 SiC 模塊更有利于提升 inverter 的功率密度。

圖為 inverter 中功率模塊單元架構(gòu)的側(cè)面示意圖（門極驅(qū)動的 G,S 端子未標示）。上下管的 SiC 模塊在平面上進行連接。SiC 模塊單元采用標準 6-switches 逆變器拓撲，其正極直接連接至電容的 DC+，負極則采用 DC- Cu bus 與母線電容的 DC- 進行連接，DC- Cu bus 緊貼在模塊的上表面。由于 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(shè)計上考慮對不同電位導電層進行絕緣處理。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，一共采用 4 塊塑料絕緣件來增加模塊和散熱器的耐壓，這類塑料的加工成本低，工藝簡單，其在 BOM 成本中占比較小，基本不影響 inverter 的成本。為確保模塊的電極端子對散熱器的爬電距離滿足要求，Tesla 專門在模塊下方的散熱器上設(shè)計凸臺結(jié)構(gòu)，便于將塑料絕緣件 1 的部分置于模塊底部。塑料絕緣件 1 在電極連接的下方還設(shè)計凸起結(jié)構(gòu)，便于對電極連接采用激光焊接工藝進行結(jié)構(gòu)支撐 (后續(xù)會詳細介紹)，以實現(xiàn)可靠穩(wěn)定的電氣連接。Tesla 采用簡單卻很巧妙的塑料絕緣件設(shè)計，側(cè)面也反映出其正向設(shè)計思路清晰，零部件盡可能復(fù)用以實現(xiàn)多個功能，簡化材料體系和結(jié)構(gòu)。

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同時，Model 3 的 inverter 還重點考慮了電氣回路設(shè)計。用綠色虛線描繪了其主回路路徑，從右端電容的 DC- 端子，通過 DC- Cu bus 連接至功率模塊單元的左端 DC- 電極，再沿著上下橋臂的單管模塊內(nèi)部回到右端電容的 DC+端子，所形成的電器回路的電流方向相反，實現(xiàn)了電感的相互抵消，有助于降低模塊的主寄生回路電感 Lmain loop。

DC- Cu Bus 完全覆蓋在功率模塊單元上，與電容的 DC- 端子的連接非常寬，這也有助于進一步減小 Lmain loop；由于每個 half-bridge 的上下管均由 4 pcs SiC 單管模塊組成，該設(shè)計還能確保每組單管模塊的主回路電感一致，并聯(lián)器件的均流性好。低主回路電感可降低 SiC 器件的電壓尖峰，提高開關(guān)速度以減小開關(guān)損耗，同時還提高器件的電氣可靠性；均流性好，可提高功率模塊單元的通流能力，進一步提高其功率密度。