自从2020年底福特开始交付纯电野马Mach-E以来，该款车型已经历经一次小改款（2022 vs. 2021）,全球累计销量近7万辆。在全球汽车芯片短缺的背景下，2022年纯电野马销量继续保持增长，第一季度美国和欧洲的销量已达到1.5万辆以上。因此，可以说纯电野马是福特近期能够在电动汽车上领先其同城对手通用汽车一筹的重要推手。
电驱系统
福特纯电野马能够实现如此不俗的销售业绩，其原因之一就是该款车型的动力系统基本符合了野马车型的“肌肉车”历史定位——标准续航后驱版和四驱版的最大输出功率均为198kW，峰值扭矩分别为430Nm和580Nm。长续航后驱版和四驱版的最大输出功率分别提高到216kW和258kW。高性能GT版本为前后双电机和双逆变器配置，最大输出功率为342kW，峰值扭矩可以达到830Nm。纯电野马的后轮驱动单元由一级供应商博格华纳制造，又称为集成电驱动模块（iDM）。纯电野马中用到的iDM220集成了博格华纳的热管理系统和减速器，而电机和功率电子器件来自其他供应商。与特斯拉Model3/Y的三合一驱动系统相比，iDM220的集成度尚没有那样高——电机与同轴变速箱集成为一个子单元，逆变器置于在电机上，比较独立。
纯电野马的后驱系统以及相应的逆变器单元（来源：BorgWarner， Munro &Associates）
逆变器中有一个部分看起来像多层三明治，这是纯电野马比较独特的水冷散热系统——水冷板就是多层三明治的“面包片”。在每两片水冷板之间，夹有一个功率模块。从散热系统中水冷板的数量（13片）可以看出，该款逆变器理论上可以容纳3块、6块、9块至12块模块，分别对应1-4块模块并联。因此，这款逆变器可以通过不同数量的模块并联实现不同的功率输出。在下面的拆解中，可以看到使用了9块功率模块，并根据母线铜排（bus bar）的连接情况（蓝框处），确认为每3个模块并联。空出的部分由3块金属垫片（spacer）来代替功率模块。根据模块外形，管脚分布，以及散热器的设计，可以确认这些是双面水冷半桥模块（后面有更详细的介绍）。模块和金属垫片插入水冷槽后，整个水冷系统又通过螺丝和弹簧（图中绿框处）固定在逆变器内部。当温度变化导致散热片膨胀或收缩时，水冷系统可以处理产生的应力，保持模块与其上下水冷板的紧密贴合，减少对散热效果的影响。同时，弹簧设计也可以很好的应对模块和水冷板的尺寸误差带来的装配困难。
纯电野马逆变器内部构造和所用功率模块（来源：Munro & Associates）
散热系统固定后，模块的高压端子与母线铜排（交流和直流）采用熔焊的方法相连。之后，再依次将模块驱动板、起隔离和支撑作用的金属板、逆变器控制板置于其上。不过，在模块与驱动板，以及驱动板与控制板之间，则用软钎焊的方式将模块管脚和驱动板的信号插针分别与对应PCB上的焊盘连接，这给系统的可生产性和可靠性带来一些挑战——9块功率模块有90根信号管脚需要与驱动板相连，同时控制板和驱动板之间又有过50根左右的信号插针——如何将这么多的管脚和插针在规模生产时无阻碍的插入并焊接到PCB上，以及在电动汽车全寿命周期使用过程中不出现脱焊，有不少工程上的挑战。笔者在刚进入职场作为供应商应用工程师时，为上汽设计了一套逆变器电子和电气系统供其评估HybridPACK2功率模块。其中采用了类似的插针硬连接方式处理驱动板和控制板之间的信号传递。但是这个设计在客户处测试时被批评不够专业，至今记忆犹新。因此，虽然不知福特这样设计的目的，但是应该还可以进一步改进，增加可靠性和可生产性。
模块和散热系统上方依次为母线铜排、驱动PCB板、金属板和控制PCB板 （来源：Munro & Associates）
功率模块
网上的资料和拆解视频中并没有太多着墨于纯电野马中的功率模块，但是根据笔者查找和比对，判断它应该是日本电装（Denso）生产，又称之为“PowerCard“的碳化硅双面水冷塑封功率模块。这也意味着在量产车型中，又多了一款使用碳化硅MOSFET代替硅基IGBT的电动汽车。
日本电装Power Card模块有半桥和单开关两种配置，另有多种高压端子和管脚设计（来源：Denso，System Plus Consulting）
纯电野马中使用的Power Card模块包括3根高压端子和10根信号管脚，内部采用半桥配置，即2片碳化硅MOSFET芯片串联。以纯电野马的逆变器输出功率，以及模块并联数量可以大致推断出每个PowerCard模块的电流有效值在100A-150A。再考虑到降额使用的要求，纯电野马中用到的PowerCard额定电流应该为200A。
在纯电野马的实际使用中， Power Card模块上下表面还各“粘合“了一层薄片（可能是铜薄片），可以帮助模块上下表面更好的散热。然后，模块再通过导热硅脂与水冷板相贴合，实现废热从芯片到散热系统的传递。
电装碳化硅双面水冷模块在纯电野马中的照片和装配方式剖面图（来源：01芯闻，Munro& Associates）
碳化硅技术
电装的Power Card碳化硅模块并不是第一次在汽车中得到应用，同系列的其他模块也应用在全球首款量产氢燃料电池汽车丰田MIRAI的动力总成中。根据电装在官网上提供的信息，电装的碳化硅研究开始的比较早，最早可以追溯到上个世纪末。在2007年，电装宣布与丰田联合研发碳化硅技术，并在2014年获得突破，在混动车型丰田普锐斯中首先得到应用。2020年4月，电装与丰田合资成立“MIRISE Technologies”，加强双方在下一代先进车载半导体研究和开发方面的合作。电装的碳化硅技术总称为REVOSIC，基于采用低缺陷RAF（Repeated A-Face）技术生长的衬底。这种技术通过在不同方向上重复晶体生长的方法来获得超低缺陷率的碳化硅衬底，因此REVOSIC可以量产大面积的碳化硅芯片。与此同时，电装也与昭和电工在碳化硅外延片方面展开技术和产能合作。
REVOSIC是电装碳化硅技术的总称（来源：Denso）
除了高质量的衬底材料，电装在碳化硅器件的设计上也有很深的技术储备。根据专利分析机构Patent Result的数据，电装的沟槽碳化硅MOSFET的专利数量在供应商中排名前列。因此，新一代的电装Power Card也采用了沟槽栅设计的碳化硅MOSFET，并在6寸衬底上生产。但是，电装的碳化硅产品种类目前还比较单一，仅有1200V的碳化硅塑封模块，并没有充分体现其较长的开发历史和深厚的技术底蕴。
电装碳化硅产品矩阵，其单开关塑封模块内部构造，以及其沟槽栅设计的碳化硅MOSFET原理图和照片 （来源：Yole Developpement，电装）
另外比较可惜的是，半导体业务只占电装总营收的3%，因此电装碳化硅模块的曝光量和网上能找到的技术资料并不多。在碳化硅新供应商井喷的今天，如果电装要继续保持头部企业的市占率，就需要尽快分拆出一个能够专注功率半导体的分公司甚至子品牌，并且走出丰田的羽翼——纯电野马也许就是电装的一次尝试。
小结
通过纯电野马的拆解报告，介绍了其核心后驱系统中逆变器的组成并做了一些技术探讨。同时，对其中所用到的碳化硅双面水冷模块进行了更深一层的探讨。最后，讨论了这款模块的供应商日本电装在碳化硅方面的现状。
参考资料
1. Alistair Munro，leandesign.com，《Ford Mach-E Wrap Up and Final Thoughts》
2. borgwarner.com
3. denso.com
4. System Plus Consulting，《DENSOSiC Power Module in the Toyota Mirai II》
5. Yole Developpement，《Power SiC 2022》