特斯拉的ModelS量產至今已經有7年有余，其主逆變器的設計在網上已經有不少拆解報告，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。作者作為當年IR負責車用IGBT的團隊成員之一，因為特斯拉的成功量產而當時被連升兩級，這里可以介紹一段用單管IGBT贏得設計的曲折過程。對任何可能需要保密的細節內容，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%，尚待發掘的內在需求占了多數，而更深層次的需求解讀還在深海之下——為什么客戶會產生這些需求？

　　對于ModelS的主逆變器來說，其標定的規格是高達幾百伏的額定電壓，幾百千瓦的峰值功率，在當時是作為加速度最快的電動車而存在的。這樣的設計在設計難度上史無前例，雖然當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，不是為了結構非常緊湊的跑車而設計的。跑車在整車設計和重要零部件的設計難度上高了不止一個數量級。

　　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，給所有潛在供應商的規格要求是類似的。

　　隱性：需要某幾種參數的一致性高（不進一步說明），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設計的歷史：特斯拉最初的Roadster電驅方案來自于AC propulsion公司，其方案中電驅動是用的單管IGBT方案。而ModelS的電驅是更快速更先進的版本，在動力方面希望盡量能沿用和改進從前的架構。（AC propulsion公司也是美國電動車的先驅公司之一，其幾位創始人來自80-90年代的通用EV-1項目，再早之前服務于休斯飛機公司）。

　　大概在2012年初，當時我在洛杉磯的International Rectifier（IR）的汽車芯片部門工作，做車用IGBT等芯片的市場和應用，服務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，當時有Roadster跑車在量產，然而數量很少，也沒有人認為其是大客戶，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，讓我們去好好配合他們，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計。前述的AC Propulsion使用了6顆IR非常老，第4代的IGBT并聯作為一相，整個三相逆變器每相各有上下橋臂，因而總共使用36顆。IR從前開發的這顆IGBT主要是用于電焊機和感應加熱等應用，其額定工作頻率較低，而為了并聯使用，AC Propulsion將開關速度也調到很慢，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倍，而整體尺寸和效率要求又很高，難度當然很大。

　　當時特斯拉接觸我們時，正好第6代工業用IGBT已經量產一段時間，而車用芯片部門正在將第6代芯片的一部分過AECQ車規認證，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（網上數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。因為對于其他工業客戶，即使只是希望并聯兩三顆，我們也要不放心而再三叮囑注意事項，又何況是并聯16顆之多？作為芯片原廠，我們從上到下的第一反應，就是特斯拉太瘋狂了，簡直是不可完成的任務。

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

　　067的額定電壓和電流，分別是600伏和160安，按照電動車的規格當時一般是400伏左右的電池總線電壓，單顆芯片在數十微秒的逆變器開關時間內瞬間可以通過幾十千瓦的電力。我們先假設16顆芯片并聯使用需要處理總共200千瓦的功率，如果是能夠同時開關的理想狀態，當然應該沒有問題，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，超過其額定規格而將其燒壞，而燒壞時很可能造成保險開關跳閘，整臺車會突然剎車，甚至造成更壞的情況。對于IGBT本身，其導通壓降，門極開通電壓，短路特性等指標，都會影響其開通關斷的速度。

　　對于三相逆變器的應用，特別是特斯拉所用的感應電機，IGBT又必須并聯額外的高壓功率二極管使用，一般與IGBT合封在同一封裝內（具體原因和細節可參考各電機控制參考書），這里二極管的本身壓降，其從導通到關斷的速度，和軟關斷特性，都會影響IGBT的開通時間，進而又關聯到IGBT能否安全并聯使用。

　　更大的難點，在于IGBT和二極管的制造工藝。芯片行業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，總是在大部分參數上有一些正態分布，不同批次的正態分布可能更為發散，而這些成品的最后參數只要是落在數據手冊所規定的區間之內，都算是合格。我們當然可以挑選一些IGBT和二極管，使其各項重要參數的分布盡量集中，更適合并聯使用，然而又需要回答以下的問題：

　　1.具體哪些參數最為重要？能否只限制很少的幾個參數？

　　2.對于并聯大量IGBT的場合，根據現有的生產參數分布歷史，是否需要，和如何對這些參數的分布做出進一步限制？對二極管有同樣的問題。

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

　　4.如何一次性驅動如此之多，多達96顆的IGBT?

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

　　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的應用，誰也沒有信心說在車輛振動環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設計？

　　所以呢，我們當時覺得特斯拉是瘋掉了，不可能同時研究這么多變數，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用的興起，又有很多新的客戶正在崛起，很多從前的經驗正在被推翻。未來幾年，整個半導體業界，肯定會非常不無聊。

　　在ModelS逆變器設計中，并聯大量大功率IGBT有多達9大難關，簡單介紹一些當時的一些歷程：

　　1.具體哪些參數最為重要？能否只限制很少的幾個參數？

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

　　2. 對于并聯大量IGBT的場合，根據現有的生產參數分布歷史，是否需要，和如何對這些參數的分布做出進一步限制？對二極管有同樣的問題。

　　3. 如果劃分的限制太嚴格，造成的良率太低，首先特斯拉無法承擔這樣的價格，也無法上規模量產，而我們淘汰下來的產品又能賣給誰？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以后，第二個難點就是根據不同日期，不同批次的IGBT產品，要確定其參數分布的所有歷史數據，研究是否加以4西格瑪或者6西格瑪的限制以提高其一致性。特斯拉當然很理解我們不愿意加以太嚴格的限制，使得良率太低而生產上無法盈利，因此與我們做了很多討論，也互相配合做了不少實驗。

　　根據幾個月的實驗結果，對特斯拉和我們都能接受的方案，是將我們生產的所有IGBT和二極管，按照某兩個參數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參數和B參數上都偏小，那么就編入特殊料號01， 如果在A參數和B參數上都偏多，那么就編入特殊料號02，依此類推。特斯拉在內部生產管控時，只需要規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分布比較嚴格的芯片，我們的生產也可以保持較高良率。當然在生產上仍然有一定的麻煩，然而至少可以接受。

　　4. 如何一次性驅動如此之多，多達96顆的IGBT?

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

　　特斯拉的工程師作風和蘋果非常不同，特斯拉當年規模還非常小，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. 并聯多了，總需要一個小于1的安全系數，比如10顆100安的芯片并聯，也許標定在0.8的系數，總共800安稍微安全一些，然而誰能拍板說某個安全系數就一定安全？

　　這個系數的決定，當然也離不開大量測試。了解了系統的設計上限，后面可以用軟件加以進一步限制，所以我們曾經聽說特斯拉用軟件更新而使客戶能夠多一點里程，當然是系統本身的設計上限不止于已經發布的部分，可能發布時相對比較保守，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計，每相各占據一側，IGBT在每側并成一排，更具體的拆解報告網上可得，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的應用，誰也沒有信心說在車輛振動環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，覺得在車輛運行環境中是無法耐久的（我們也認為如此），因此他們想做的是直接焊，在問我們要了IGBT內部的焊接工藝細節以后，自己做了低溫焊實驗，表示效果可以滿意。

　　后續是，特斯拉又希望自己做IGBT的銀燒結工藝，以進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責芯片的焊接工藝。再后來，IR被英飛凌收購以后，我又聽說他們在合作開發新的激光焊工藝。

　　電子公司的一大挑戰，就是如何在無人理解和關注的細節上，能夠保持長期的投入和持續的技術革新。這一點，對于很多以營銷為主的國產公司是難以做到的。

　　9. 如何做出極端情況下的過電流和過溫度保護設計？

　　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，勢必在保護響應上存在一定的延時，這些延時可能從幾十微秒到毫秒，在并聯大量IGBT的系統中，從延時到響應到做出保護的動作，可能IGBT已經燒壞，造成整個系統的崩潰。

　　當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，可以響應更加迅速。在特斯拉的逆變器上當年還沒有來得及采用這樣的技術，可能是通過留夠余量，從系統的全局進行保護。