特斯拉的ModelS量產(chǎn)至今已經(jīng)有7年有余，其主逆變器的設(shè)計在網(wǎng)上已經(jīng)有不少拆解報告，對各家電動車商有不少參考價值。眾所周知，在主逆變器上特斯拉一直堅持的是并聯(lián)大量IGBT單管，而并非其他車廠更歡迎的IGBT模塊方案，而究其所以然，世界上了解的人并不多，甚至特斯拉自己CTO JB Straubel在某年APEC的訪談里也沒有說到最核心的部分。作者作為當(dāng)年IR負(fù)責(zé)車用IGBT的團(tuán)隊成員之一，因為特斯拉的成功量產(chǎn)而當(dāng)時被連升兩級，這里可以介紹一段用單管IGBT贏得設(shè)計的曲折過程。對任何可能需要保密的細(xì)節(jié)內(nèi)容，作者一概隱蔽之。

　　講正文前先岔開一點，我們做芯片定義和營銷時，需要努力去了解客戶的真實需求?？蛻粜枨笳缦聢D的冰山一樣，浮在表面而外在可見的可能只是10%，尚待發(fā)掘的內(nèi)在需求占了多數(shù)，而更深層次的需求解讀還在深海之下——為什么客戶會產(chǎn)生這些需求？

　　對于ModelS的主逆變器來說，其標(biāo)定的規(guī)格是高達(dá)幾百伏的額定電壓，幾百千瓦的峰值功率，在當(dāng)時是作為加速度最快的電動車而存在的。這樣的設(shè)計在設(shè)計難度上史無前例，雖然當(dāng)年美國其他電控廠商如EnovaSystems, UShybrid等有更大功率的車用逆變器，然而主要是為了電動客車和卡車，不是為了結(jié)構(gòu)非常緊湊的跑車而設(shè)計的。跑車在整車設(shè)計和重要零部件的設(shè)計難度上高了不止一個數(shù)量級。

　　對于特斯拉，其顯性和隱性的要求，對于熟悉IGBT的廠商估計猜也可以猜出來：

　　顯性：需要單管，高壓，大電流的IGBT，給所有潛在供應(yīng)商的規(guī)格要求是類似的。

　　隱性：需要某幾種參數(shù)的一致性高（不進(jìn)一步說明），有特殊的封裝和散熱要求，用單管可以更自由地增加和減少數(shù)量，以滿足不同車型的需求。

　　然而要想了解其使用IGBT單管的深層涵義，就需要了解一些特斯拉電驅(qū)設(shè)計的歷史：特斯拉最初的Roadster電驅(qū)方案來自于AC propulsion公司，其方案中電驅(qū)動是用的單管IGBT方案。而ModelS的電驅(qū)是更快速更先進(jìn)的版本，在動力方面希望盡量能沿用和改進(jìn)從前的架構(gòu)。（AC propulsion公司也是美國電動車的先驅(qū)公司之一，其幾位創(chuàng)始人來自80-90年代的通用EV-1項目，再早之前服務(wù)于休斯飛機公司）。

　　大概在2012年初，當(dāng)時我在洛杉磯的International Rectifier（IR）的汽車芯片部門工作，做車用IGBT等芯片的市場和應(yīng)用，服務(wù)的客戶仍然以主流車廠如豐田，通用，寶馬等為主。特斯拉的名字我們都聽說過，當(dāng)時有Roadster跑車在量產(chǎn)，然而數(shù)量很少，也沒有人認(rèn)為其是大客戶，直到某天汽車部門的副總裁去特斯拉拜訪，回來告訴我們對方在研發(fā)新的車型，感覺干勁很足，熱火朝天，也許是以后很有潛力的公司，讓我們?nèi)ズ煤门浜纤麄儯纯从袥]有可以做的生意。

　　接觸了一番以后，特斯拉展示給我們他們初步的逆變器設(shè)計。前述的AC Propulsion使用了6顆IR非常老，第4代的IGBT并聯(lián)作為一相，整個三相逆變器每相各有上下橋臂，因而總共使用36顆。IR從前開發(fā)的這顆IGBT主要是用于電焊機和感應(yīng)加熱等應(yīng)用，其額定工作頻率較低，而為了并聯(lián)使用，AC Propulsion將開關(guān)速度也調(diào)到很慢，整體的逆變器從性能來說，并不十分理想，只適合普通電動車使用（Roadster量產(chǎn)時，世界上除了通用EV1，并沒有其他商用電動車）。而特斯拉是希望做成跑車的形式，需要將此逆變器的額定功率提高數(shù)倍，而整體尺寸和效率要求又很高，難度當(dāng)然很大。

　　當(dāng)時特斯拉接觸我們時，正好第6代工業(yè)用IGBT已經(jīng)量產(chǎn)一段時間，而車用芯片部門正在將第6代芯片的一部分過AECQ車規(guī)認(rèn)證，特斯拉看中了其中一款基于SuperTO247封裝的芯片，此封裝不同于普通TO247，在于少了一個螺絲孔，因而可以放更大尺寸的芯片，自然也可以靠單管來支持更大功率（網(wǎng)上數(shù)種拆解報告在這里都有誤解）。

　　特斯拉某天告知我們，希望可以并聯(lián)16顆此種IGBT使用，整臺逆變器需要使用96顆之多，這樣的要求同樣是史無前例的。因為對于其他工業(yè)客戶，即使只是希望并聯(lián)兩三顆，我們也要不放心而再三叮囑注意事項，又何況是并聯(lián)16顆之多？作為芯片原廠，我們從上到下的第一反應(yīng)，就是特斯拉太瘋狂了，簡直是不可完成的任務(wù)。

　　如前面所述，2012年時特斯拉希望并聯(lián)16顆當(dāng)時我們所生產(chǎn)的第6代IGBT（后文為方便，以067命名）使用，整臺車的電機驅(qū)動一共用到96顆。而我們當(dāng)時認(rèn)為特斯拉想做完全不可能的事情，那為什么認(rèn)為不可能呢？

　　067的額定電壓和電流，分別是600伏和160安，按照電動車的規(guī)格當(dāng)時一般是400伏左右的電池總線電壓，單顆芯片在數(shù)十微秒的逆變器開關(guān)時間內(nèi)瞬間可以通過幾十千瓦的電力。我們先假設(shè)16顆芯片并聯(lián)使用需要處理總共200千瓦的功率，如果是能夠同時開關(guān)的理想狀態(tài)，當(dāng)然應(yīng)該沒有問題，然而問題是，只要有一兩顆芯片稍微提前或者延遲開關(guān)一點點，那么200千瓦很可能就會先通過或者最后集中通過這一兩顆芯片，超過其額定規(guī)格而將其燒壞，而燒壞時很可能造成保險開關(guān)跳閘，整臺車會突然剎車，甚至造成更壞的情況。對于IGBT本身，其導(dǎo)通壓降，門極開通電壓，短路特性等指標(biāo)，都會影響其開通關(guān)斷的速度。

　　對于三相逆變器的應(yīng)用，特別是特斯拉所用的感應(yīng)電機，IGBT又必須并聯(lián)額外的高壓功率二極管使用，一般與IGBT合封在同一封裝內(nèi)（具體原因和細(xì)節(jié)可參考各電機控制參考書），這里二極管的本身壓降，其從導(dǎo)通到關(guān)斷的速度，和軟關(guān)斷特性，都會影響IGBT的開通時間，進(jìn)而又關(guān)聯(lián)到IGBT能否安全并聯(lián)使用。

　　更大的難點，在于IGBT和二極管的制造工藝。芯片行業(yè)的資深人士都了解芯片制造無論是在同一晶圓，同一批次上，總是在大部分參數(shù)上有一些正態(tài)分布，不同批次的正態(tài)分布可能更為發(fā)散，而這些成品的最后參數(shù)只要是落在數(shù)據(jù)手冊所規(guī)定的區(qū)間之內(nèi)，都算是合格。我們當(dāng)然可以挑選一些IGBT和二極管，使其各項重要參數(shù)的分布盡量集中，更適合并聯(lián)使用，然而又需要回答以下的問題：

　　1.具體哪些參數(shù)最為重要？能否只限制很少的幾個參數(shù)？

　　2.對于并聯(lián)大量IGBT的場合，根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)參數(shù)分布?xì)v史，是否需要，和如何對這些參數(shù)的分布做出進(jìn)一步限制？對二極管有同樣的問題。

　　3.如果劃分的限制太嚴(yán)格，造成的良率太低，首先特斯拉無法承擔(dān)這樣的價格，也無法上規(guī)模量產(chǎn)，而我們淘汰下來的產(chǎn)品又能賣給誰？而如果限制太松，實驗室測幾臺或許沒事，但是每年如果生產(chǎn)大量的車，路上出了事故，又如何處理？

　　4.如何一次性驅(qū)動如此之多，多達(dá)96顆的IGBT?

　　5.并聯(lián)多了，總需要一個小于1的安全系數(shù)，比如10顆100安的芯片并聯(lián)，也許標(biāo)定在0.8的系數(shù)，總共800安稍微安全一些，然而誰能拍板說某個安全系數(shù)就一定安全？

　　6.整體布局如何做法？

　　7.熱處理如何做法？

　　8.安裝如何做法？我司當(dāng)年的推薦，不外乎用夾子夾，或者用金屬條壓（因為這種SuperTO247沒有螺絲過孔），然而這樣的做法比較適合電磁爐等靜態(tài)的應(yīng)用，誰也沒有信心說在車輛振動環(huán)境里就沒有長期的問題。而雪上加霜的是，特斯拉希望可以直接焊上散熱片（提高散熱效率），如此需要非常特別的安裝工藝，連我司原廠自有的封裝廠長當(dāng)年都不知道如何做。

　　9.如何做出極端情況下的過電流和過溫度保護(hù)設(shè)計？

　　所以呢，我們當(dāng)時覺得特斯拉是瘋掉了，不可能同時研究這么多變數(shù)，和解決這么多問題，還是不要做跑車好了，做個慢慢的車，要簡單得多。

　　近來芯片業(yè)界波瀾壯闊，新聞不斷，各種缺貨的情況下，全球市場一片混亂，到處都在找替代料和備用料，隨著疫情下很多新應(yīng)用的興起，又有很多新的客戶正在崛起，很多從前的經(jīng)驗正在被推翻。未來幾年，整個半導(dǎo)體業(yè)界，肯定會非常不無聊。

　　在ModelS逆變器設(shè)計中，并聯(lián)大量大功率IGBT有多達(dá)9大難關(guān)，簡單介紹一些當(dāng)時的一些歷程：

　　1.具體哪些參數(shù)最為重要？能否只限制很少的幾個參數(shù)？

　　作者當(dāng)時先在實驗室搭了個較簡單的測試板（如下圖），同一開關(guān)只并聯(lián)6顆IGBT，做半橋的設(shè)計。因為作為IGBT的生產(chǎn)方，可以自由取得幾百上千顆不同參數(shù)分布的樣品。這里就用笨辦法，選擇部分在某些參數(shù)上很接近，而其他某參數(shù)差異較大的樣品，然后實驗各種組合，以確定對于并聯(lián)時電流的均勻分布較為重要的一些參數(shù)。當(dāng)時的結(jié)論是IGBT導(dǎo)通阻抗和二極管反恢特性較為重要。而IGBT門級開通電壓，二極管導(dǎo)通壓降的重要性其次。其他參數(shù)重要性更低。

　　2. 對于并聯(lián)大量IGBT的場合，根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)參數(shù)分布?xì)v史，是否需要，和如何對這些參數(shù)的分布做出進(jìn)一步限制？對二極管有同樣的問題。

　　3. 如果劃分的限制太嚴(yán)格，造成的良率太低，首先特斯拉無法承擔(dān)這樣的價格，也無法上規(guī)模量產(chǎn)，而我們淘汰下來的產(chǎn)品又能賣給誰？而如果限制太松，實驗室測幾臺或許沒事，但是每年如果生產(chǎn)大量的車，路上出了事故，又如何處理？

　　在確定了這些重要參數(shù)以后，第二個難點就是根據(jù)不同日期，不同批次的IGBT產(chǎn)品，要確定其參數(shù)分布的所有歷史數(shù)據(jù)，研究是否加以4西格瑪或者6西格瑪?shù)南拗埔蕴岣咂湟恢滦?。特斯拉?dāng)然很理解我們不愿意加以太嚴(yán)格的限制，使得良率太低而生產(chǎn)上無法盈利，因此與我們做了很多討論，也互相配合做了不少實驗。

　　根據(jù)幾個月的實驗結(jié)果，對特斯拉和我們都能接受的方案，是將我們生產(chǎn)的所有IGBT和二極管，按照某兩個參數(shù)A和B，各分成兩部分出貨，因此一共有四個特殊芯片料號。比如說，如果某IGBT在A參數(shù)和B參數(shù)上都偏小，那么就編入特殊料號01， 如果在A參數(shù)和B參數(shù)上都偏多，那么就編入特殊料號02，依此類推。特斯拉在內(nèi)部生產(chǎn)管控時，只需要規(guī)定對于任意某臺逆變器，其中的IGBT只能完全使用4種特殊料號之一即可。如此特斯拉既得到了相對參數(shù)分布比較嚴(yán)格的芯片，我們的生產(chǎn)也可以保持較高良率。當(dāng)然在生產(chǎn)上仍然有一定的麻煩，然而至少可以接受。

　　4. 如何一次性驅(qū)動如此之多，多達(dá)96顆的IGBT?

　　我們當(dāng)時為此還定義了高壓，驅(qū)動能力極強的門驅(qū)動IC去特斯拉推廣，結(jié)果對方很客氣的說其實他們用離散器件已經(jīng)搭了一套電路出來，效果還不錯。

　　特斯拉的工程師作風(fēng)和蘋果非常不同，特斯拉當(dāng)年規(guī)模還非常小，是有困難自己先上，但是蘋果的人，比較偏愛往后一躺，讓芯片廠商們來解決問題。久而久之，接觸過特斯拉的人水平都比較高。

　　5. 并聯(lián)多了，總需要一個小于1的安全系數(shù)，比如10顆100安的芯片并聯(lián)，也許標(biāo)定在0.8的系數(shù)，總共800安稍微安全一些，然而誰能拍板說某個安全系數(shù)就一定安全？

　　這個系數(shù)的決定，當(dāng)然也離不開大量測試。了解了系統(tǒng)的設(shè)計上限，后面可以用軟件加以進(jìn)一步限制，所以我們曾經(jīng)聽說特斯拉用軟件更新而使客戶能夠多一點里程，當(dāng)然是系統(tǒng)本身的設(shè)計上限不止于已經(jīng)發(fā)布的部分，可能發(fā)布時相對比較保守，而做了大量后期測試后可以讓軟件的限制更加靠近設(shè)計上限。

　　6. 整體布局如何做法？

　　從題圖可見，這是一個類似六邊形的整體逆變器設(shè)計，每相各占據(jù)一側(cè)，IGBT在每側(cè)并成一排，更具體的拆解報告網(wǎng)上可得，這里不再贅述。

　　7. 熱處理如何做法？

　　8. 安裝如何做法？我司當(dāng)年的推薦，不外乎用夾子夾，或者用金屬條壓（因為這種SuperTO247沒有螺絲過孔），然而這樣的做法比較適合電磁爐等靜態(tài)的應(yīng)用，誰也沒有信心說在車輛振動環(huán)境里就沒有長期的問題。而雪上加霜的是，特斯拉希望可以直接焊上散熱片（提高散熱效率），如此需要非常特別的安裝工藝，連我司原廠自有的封裝廠長當(dāng)年都不知道如何做。

　　特斯拉從最開始的接觸，就明確表示不希望用夾子夾，或者金屬條壓，覺得在車輛運行環(huán)境中是無法耐久的（我們也認(rèn)為如此），因此他們想做的是直接焊，在問我們要了IGBT內(nèi)部的焊接工藝細(xì)節(jié)以后，自己做了低溫焊實驗，表示效果可以滿意。

　　后續(xù)是，特斯拉又希望自己做IGBT的銀燒結(jié)工藝，以進(jìn)一步提高熱處理水平和可靠性，為此不惜從斯坦福的機械系挖了個教授過來負(fù)責(zé)芯片的焊接工藝。再后來，IR被英飛凌收購以后，我又聽說他們在合作開發(fā)新的激光焊工藝。

　　電子公司的一大挑戰(zhàn)，就是如何在無人理解和關(guān)注的細(xì)節(jié)上，能夠保持長期的投入和持續(xù)的技術(shù)革新。這一點，對于很多以營銷為主的國產(chǎn)公司是難以做到的。

　　9. 如何做出極端情況下的過電流和過溫度保護(hù)設(shè)計？

　　這點對于普通的IGBT，確實是存在很大的困難，因為溫度和電流檢測器件的安裝在IGBT的封裝之外，勢必在保護(hù)響應(yīng)上存在一定的延時，這些延時可能從幾十微秒到毫秒，在并聯(lián)大量IGBT的系統(tǒng)中，從延時到響應(yīng)到做出保護(hù)的動作，可能IGBT已經(jīng)燒壞，造成整個系統(tǒng)的崩潰。

　　當(dāng)年我們同時也與豐田的電動車部門合作，豐田要求定制IGBT晶圓，在上面集成電流和溫度檢測功能，這樣集成在器件本身的保護(hù)，可以響應(yīng)更加迅速。在特斯拉的逆變器上當(dāng)年還沒有來得及采用這樣的技術(shù)，可能是通過留夠余量，從系統(tǒng)的全局進(jìn)行保護(hù)。