《電子技術(shù)應(yīng)用》
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親歷者談贏得特斯拉IGBT訂單的往事

2021-03-19
來源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察
關(guān)鍵詞: 特斯拉 IGBT

  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,。客戶需求正如下圖的冰山一樣,,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,?

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  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(jī)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?,看看有沒有可以做的生意,。

  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(jī)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(jī)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(jī),,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(jī)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,。

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  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(qiáng)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(yùn)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(jī)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),。

  

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