Model 3 SiC功率模块单元拆解与分析 上

本文是一位好友所写的，分为上下两篇，请各位参考。

特斯拉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。

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。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。

 Si和宽禁带半导体材料性能对比

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。后续会结合Model 3中 SiC功率模块的拆解进一步分析其散热和电气设计。

1） 模块单元外部架构分析

图是移除驱动控制板的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客制化生产，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。

图为inverter中功率模块单元架构的侧面示意图（门极驱动的G,S端子未标示）。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1的部分置于模块底部。塑料绝缘件1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 (后续会详细介绍)，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。

    同时，Model 3的inverter还重点考虑了电气回路设计。用绿色虚线描绘了其主回路路径，从右端电容的DC-端子，通过DC- Cu bus连接至功率模块单元的左端DC-电极，再沿着上下桥臂的单管模块内部回到右端电容的DC+端子，所形成的电器回路的电流方向相反，实现了电感的相互抵消，有助于降低模块的主寄生回路电感L_{main loop}。

DC- Cu Bus完全覆盖在功率模块单元上，与电容的DC-端子的连接非常宽，这也有助于进一步减小L_{main loop}；由于每个half-bridge的上下管均由4 pcs SiC单管模块组成，该设计还能确保每组单管模块的主回路电感一致，并联器件的均流性好。低主回路电感可降低SiC器件的电压尖峰，提高开关速度以减小开关损耗，同时还提高器件的电气可靠性；均流性好，可提高功率模块单元的通流能力，进一步提高其功率密度。