第一性原理在Tesla逆變器中是如何應(yīng)用的？20年路、4代產(chǎn)品、2種封裝、1種方案

導(dǎo)語(yǔ)：致瞻科技團(tuán)隊(duì)自2014年起在碳化硅MOSFET應(yīng)用領(lǐng)域深耕，為了更好迎合市場(chǎng)發(fā)展的需求，致瞻科技團(tuán)隊(duì)基于第一性原理，從工程師思維轉(zhuǎn)向工程商人思維，針對(duì)氫能、電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)及液冷超充領(lǐng)域推出全碳化硅控制器產(chǎn)品，迅速引領(lǐng)市場(chǎng)技術(shù)路線，為碳化硅行業(yè)開(kāi)辟新細(xì)分市場(chǎng)。

致瞻科技這一轉(zhuǎn)變基于Elon Musk所提的第一性原理，即基于物理本質(zhì)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的模型化思維，特別是成本模型，該模型在Tesla的業(yè)務(wù)邏輯中得到了全面應(yīng)用，從產(chǎn)品戰(zhàn)略到供應(yīng)鏈管理，均以實(shí)現(xiàn)體系化降本為目標(biāo)。

今天我們一起來(lái)學(xué)習(xí)下來(lái)自致瞻科技的主題匯報(bào)《特斯拉碳化硅主驅(qū)逆變器技術(shù)演進(jìn)路線解析》，作者：董家展、白淼光、鄭福軍、孫萌萌、付士俊、崔建勇、朱楠、徐賀。主要回答了下面幾個(gè)問(wèn)題：

• 致瞻科技如何"破繭重生"？給行業(yè)的啟示？

• 第一性原理是如何在Tesla主驅(qū)逆變器設(shè)計(jì)中應(yīng)用的？
• Gen4逆變器相較于Gen3有哪些顯著的提升？
• 是如何通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和降本的？
• Tesla是如何通過(guò)Hybrid Si/SiC減少75%的碳化硅用量的？有什么局限性？

• 4.1 系統(tǒng)表現(xiàn)、Gen3的缺陷與產(chǎn)生機(jī)理
• 4.2 交流輸出Busbar優(yōu)化設(shè)計(jì)
• 4.3 母線電容設(shè)計(jì)優(yōu)化
• 4.4 母線銅牌回路設(shè)計(jì)優(yōu)化
• 4.5 功率銅排工藝改進(jìn)
• 4.6 電路設(shè)計(jì)對(duì)比
• 4.7 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)
• 4.8 輸出電流采樣的優(yōu)化
• 4.9 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)優(yōu)化
• 4.10 工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化
• 4.11 工藝過(guò)程的優(yōu)化

01

致瞻科技的"破繭重生"與行業(yè)啟示

下圖展示了致瞻科技從2013年到2024年產(chǎn)品發(fā)展路線。

致瞻科技團(tuán)隊(duì)自2014年起在碳化硅MOSFET應(yīng)用領(lǐng)域深耕，憑借來(lái)自美國(guó)GE全球研發(fā)中心的核心團(tuán)隊(duì)，成功開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)業(yè)內(nèi)首創(chuàng)產(chǎn)品，包括全球首個(gè)10kV母線、2MW的全碳化硅中壓逆變器。然而，市場(chǎng)的反饋卻并未如預(yù)期般熱烈，技術(shù)的先進(jìn)性并未能迅速轉(zhuǎn)化為市場(chǎng)份額。這一時(shí)期的挫折，讓致瞻科技深刻反思，開(kāi)始探索新的發(fā)展方向。

在此之后，致瞻科技的團(tuán)隊(duì)成員轉(zhuǎn)變思維方式，從工程師思維轉(zhuǎn)向了工程商人的思維，先后在業(yè)內(nèi)首推了針對(duì)氫能、電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)及液冷超充領(lǐng)域的全SiC控制器產(chǎn)品。產(chǎn)品一經(jīng)推出，便迅速引領(lǐng)并主導(dǎo)了市場(chǎng)上的技術(shù)路線，為碳化硅行業(yè)開(kāi)辟了新的細(xì)分市場(chǎng)。這一經(jīng)歷帶給致瞻科技深刻的啟示：只有技術(shù)和市場(chǎng)均成功，才會(huì)有人跟隨前行。

那么，這個(gè)思維的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在哪里呢？我們繼續(xù)向下看。

圖片來(lái)源：致瞻科技

02

特斯拉產(chǎn)品設(shè)計(jì)的底層邏輯

致瞻科技的這一轉(zhuǎn)變正是基于Elon Musk所提的第一性原理：基于物理本質(zhì)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的第一性原理，并嘗試采用模型化的思維來(lái)分析事物，這個(gè)模型就是“成本模型”。

分析Tesla的業(yè)務(wù)邏輯，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它全業(yè)務(wù)基于Cost model來(lái)實(shí)施體系化降本，從產(chǎn)品戰(zhàn)略及定義、研發(fā)設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造、供應(yīng)鏈管理、營(yíng)銷服務(wù)等各個(gè)方面。比如推出單品爆款車型、大壓鑄技術(shù)、18650電池的規(guī)模化應(yīng)用、碳化硅器件的應(yīng)用、熱管理設(shè)計(jì)革新、整車組裝工藝創(chuàng)新等，無(wú)不印證著這個(gè)理念。如下圖所示。

具體到逆變器層級(jí)，第一性原理體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)通用的手段：

• 1.采用大單品模式，以極度克制的產(chǎn)品組合，追求極致的規(guī)模化降本；
• 2.硬件的同質(zhì)化和標(biāo)準(zhǔn)化；
• 3.工藝的平臺(tái)化；
• 4.結(jié)構(gòu)少件化；
• 5.硬件集成化等方面。

在這個(gè)優(yōu)化過(guò)程中，我們也要時(shí)刻注意約束條件隨時(shí)間或技術(shù)發(fā)展的變化。比如，當(dāng)時(shí)的前提條件是什么，現(xiàn)在是否發(fā)生了變化？以及這些變化會(huì)引入什么新的問(wèn)題？在這個(gè)優(yōu)化過(guò)程中，結(jié)果也會(huì)隨實(shí)時(shí)變化進(jìn)行迭代更新。

下面致瞻科技以Tesla主驅(qū)逆變器為對(duì)象，探究了他們是如何在前后幾代產(chǎn)品路演中落實(shí)這一理念的？

03

特斯拉主驅(qū)逆變器：20年、4代、2種封裝、1種設(shè)計(jì)

下圖展示了Tesla主驅(qū)逆變器前后四代的演進(jìn)路線。

針對(duì)第一代和第二代主驅(qū)逆變器，基于當(dāng)時(shí)市場(chǎng)供應(yīng)情況及其供應(yīng)鏈整合能力，Tesla采用了TO247單管封裝，通過(guò)充分發(fā)揮工程設(shè)計(jì)自由度，在實(shí)現(xiàn)超大功率輸出和最短入市時(shí)間的情況下，仍具備較好的功率擴(kuò)展能力。而2017年及以后推出的第三代和第四代逆變器，則首創(chuàng)了業(yè)內(nèi)第一款面向車規(guī)級(jí)碳化硅的器件封裝形式和逆變器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)兼容IGBT封裝甚至混合器件封裝，也具備較好的功率擴(kuò)展能力。

近二十年來(lái)，特斯拉僅采用兩種器件封裝形式、兩個(gè)生產(chǎn)工藝平臺(tái)，所有車型均復(fù)用同一逆變器設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了大單品戰(zhàn)略精髓。

04

特斯拉Gen3和Gen4主驅(qū)逆變器的主要差異

(知識(shí)星球發(fā)布)

• 4.1 系統(tǒng)表現(xiàn)、Gen3的缺陷與產(chǎn)生機(jī)理
• 4.2 交流輸出Busbar優(yōu)化設(shè)計(jì)
• 4.3 母線電容設(shè)計(jì)優(yōu)化
• 4.4 母線銅牌回路設(shè)計(jì)優(yōu)化
• 4.5 功率銅排工藝改進(jìn)
• 4.6 電路設(shè)計(jì)對(duì)比
• 4.7 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)
• 4.8 輸出電流采樣的優(yōu)化
• 4.9 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)優(yōu)化
• 4.10 工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化
• 4.11 工藝過(guò)程的優(yōu)化

4.1.1 系統(tǒng)表現(xiàn)

針對(duì)400V平臺(tái)，Gen4相較于Gen3逆變器在功率密度和重量上有顯著的提升：實(shí)現(xiàn)32%體積和19%重量減少，同時(shí)預(yù)計(jì)最大輸出功率超過(guò)400kW（Semi/Cybertruck車型）。如下圖所示。

圖片來(lái)源：致瞻科技

4.1.2 Gen3的缺陷

除了宏觀上指標(biāo)之外，Gen4相較于Gen3，其中一個(gè)較大的改動(dòng)是極大規(guī)避了柵極諧振風(fēng)險(xiǎn)。致瞻科技科技認(rèn)為這是Gen3電驅(qū)存在的一個(gè)主要缺陷。

2022年4月7日，Tesla發(fā)布召回公告，隱晦地說(shuō)明了半導(dǎo)體的一致性差異問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題致瞻科技在2020年項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中遇到過(guò)，并就此提展開(kāi)過(guò)詳細(xì)的分析并提出了相應(yīng)的解決方案，在業(yè)內(nèi)引起了不小的反響。

這個(gè)事情發(fā)生的一年后，特斯拉發(fā)布了Gen4電驅(qū)，其新的逆變器產(chǎn)品按照致瞻科技給出的解決方案進(jìn)行了改良，基本印證了之前的猜測(cè)。

圖片來(lái)源：致瞻科技

4.1.3 缺陷產(chǎn)生的機(jī)理

致瞻科技對(duì)上圖提及的柵極諧振問(wèn)題給出了機(jī)理和解決方案說(shuō)明：

問(wèn)題機(jī)理：碳化硅由于其材料及工藝的特殊性，再結(jié)合實(shí)際工作工況的差異性，導(dǎo)致器件的差異表現(xiàn)難以完全避免，尤其是碳化硅體二極管反向恢復(fù)特性（差異）。再疊加換流環(huán)路不對(duì)稱性，容易在某些工況點(diǎn)引發(fā)嚴(yán)重的柵極諧振，長(zhǎng)久會(huì)造成器件失效。

那么，特斯拉是如何解決這一問(wèn)題的呢？