在特斯拉投資者大會上，特斯拉表示下一代汽車平臺的動力總成中將減少75%的碳化硅使用。特斯拉是第一個將SiC引入動力總成中的。現在以SiC為代表的第三代寬禁帶半導體剛剛開始登場，中國企業做好了大舉進入的準備，剛要有點成績，特斯拉的表態把市場都震動了。

馬斯克的“鴻圖大愿”經常未達預期，不過在碳化硅這事上，已經有一些比較明確的技術路線。Part 1

碳化硅在哪里使用？

特斯拉是全球第一個在電動汽車的動力總成里面使用SiC的，是用在逆變器的功率模塊上。

由于汽車動力電池的直流電需要轉換成三相交流電（U、V、W）才能為驅動電機供電，提供這個從直流電到交流電轉換的是功率模塊的三相開關電路。在Model3之前，開關電路大多是用IGBT模塊組成。而Model 3 車型正是是首次應用碳化硅（SiC）功率元器件的電動車型，用的是來自意法半導體的650V SiC Mosfet。

功率元器件是通過PWM 脈沖寬度調制來進行的，通過改變脈沖寬度和頻率，就可以調節驅動電機的扭矩和轉速。

●當PWM信號的脈沖寬度導通時間越長則電機輸出的扭矩越大

●PWM信號的頻率越高則電機的轉速越高。

特斯拉首次用的SiC，對于提升電驅動系統效率有很大的幫助——特斯拉的能耗做得很出色，比大多數企業都要低5%左右，SiC功不可沒。直觀來看，就是實現相同的續航里程，特斯拉用到的電池度數更少。

但這次為什么特斯拉要減少SiC的使用呢？主要還是因為成本高——SiC的成本是傳統IGBT的三、四倍。

Part 2

特斯拉逆變器的自主設計

特斯拉能降低SiC的使用，還要從特斯拉自主設計逆變器的能力說起。因為特斯拉很早開始自主設計逆變器，所以有這個技術儲備可以對其進行深度改造。目前特斯拉已經有三代自主研發的逆變器：

●第一代逆變器

特斯拉Roadster這個車型的動力總成上用的PEM，采用的IGBT單管，標準的TO247封裝，每個開關由14片IGBT單管并聯，一個逆變器總共使用了84片IGBT單管；后來還換用了供應商，讓IR做定制的單管IGBT （600V 120A AUIRGPS4067D1），同樣采用14片并聯。

●第二代逆變器

用在 Model S的動力總成上，仍然采用TO247封裝的IGBT （IKW75N60T），每個開關為16 個IGBT單管并聯，共用了96片IGBT。

●第三代逆變器

Model 3和Y上用了全新一代的逆變器。除了選擇功率器件SiC，徹底改變了逆變器的整體設計；特斯拉還與功率半導體廠商共同研發了新功率芯片，合作新封裝的開發， 特斯拉定制的TPAK（Tesla Pack）模塊橫空出世。

在功率模塊上特斯拉采用并聯的技術，圍繞多管并聯，特斯拉可以根據其電動車驅動系統中不同的功率等級，選擇不同數量的TPAK并聯，都在同一個封裝內，只需對外部電路、機械結構進行微小改動，就能滿足各種電動汽車行駛要求，大大增加了設計靈活性。

逆變器的電路板上主要分為低壓電路和高壓電路。

●高壓域中的主要功能包括：

? 自研的功率半導體模塊；?

? 隔離式柵極驅動器–連接MCU和功率半導體的器件，負責隔離高壓和低壓；

? 偏置電源 – 負責從低壓側獲取能量并向功率半導體生成柵極驅動電壓

? 隔離式電壓和電流檢測 – 負責檢測直流鏈路電壓和電機相電流，并確保向電機施加正確的扭矩

? 有源放電 – 負責將直流總線電容器電壓放電至安全電壓

●低壓電部分主要是整個逆變器的微控制器 (MCU) ，里面的軟件控制的生成脈寬調制 (PWM) 信號，來驅動功率半導體。

MCU 的軟件進行電流采樣和位置編碼采樣，在閉環中運行感應和速度控制。

MCU采集電機的狀態是通過旋轉變壓器或霍爾效應傳感器。

小結：特斯拉可能的解決方案

基于現在的逆變器以及其中最重要的功率模塊和控制電路，特斯拉積累的自研能力，可以通過串聯SiC和IGBT來實現減少SIC的使用。我們還找了一些實際的技術進展，可以預見到能綜合運用了先進的控制電路，在降低成本的同時，提高逆變器效率。

審核編輯：劉清