特斯拉如何減少75%的碳化硅的使用？

在特斯拉投資者大會(huì)上，特斯拉表示下一代汽車平臺(tái)的動(dòng)力總成中將減少75%的碳化硅使用。特斯拉是第一個(gè)將SiC引入動(dòng)力總成中的。現(xiàn)在以SiC為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體剛剛開始登場(chǎng)，中國(guó)企業(yè)做好了大舉進(jìn)入的準(zhǔn)備，剛要有點(diǎn)成績(jī)，特斯拉的表態(tài)把市場(chǎng)都震動(dòng)了。

馬斯克的“鴻圖大愿”經(jīng)常未達(dá)預(yù)期，不過(guò)在碳化硅這事上，已經(jīng)有一些比較明確的技術(shù)路線。Part 1

碳化硅在哪里使用？

特斯拉是全球第一個(gè)在電動(dòng)汽車的動(dòng)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(dòng)力電池的直流電需要轉(zhuǎn)換成三相交流電（U、V、W）才能為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，提供這個(gè)從直流電到交流電轉(zhuǎn)換的是功率模塊的三相開關(guān)電路。在Model3之前，開關(guān)電路大多是用IGBT模塊組成。而Model 3 車型正是是首次應(yīng)用碳化硅（SiC）功率元器件的電動(dòng)車型，用的是來(lái)自意法半導(dǎo)體的650V SiC Mosfet。

功率元器件是通過(guò)PWM 脈沖寬度調(diào)制來(lái)進(jìn)行的，通過(guò)改變脈沖寬度和頻率，就可以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速。

●當(dāng)PWM信號(hào)的脈沖寬度導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)則電機(jī)輸出的扭矩越大

●PWM信號(hào)的頻率越高則電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高。

特斯拉首次用的SiC，對(duì)于提升電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率有很大的幫助——特斯拉的能耗做得很出色，比大多數(shù)企業(yè)都要低5%左右，SiC功不可沒(méi)。直觀來(lái)看，就是實(shí)現(xiàn)相同的續(xù)航里程，特斯拉用到的電池度數(shù)更少。

但這次為什么特斯拉要減少SiC的使用呢？主要還是因?yàn)槌杀靖摺猄iC的成本是傳統(tǒng)IGBT的三、四倍。

Part 2

特斯拉逆變器的自主設(shè)計(jì)

特斯拉能降低SiC的使用，還要從特斯拉自主設(shè)計(jì)逆變器的能力說(shuō)起。因?yàn)樘厮估茉玳_始自主設(shè)計(jì)逆變器，所以有這個(gè)技術(shù)儲(chǔ)備可以對(duì)其進(jìn)行深度改造。目前特斯拉已經(jīng)有三代自主研發(fā)的逆變器：

●第一代逆變器

特斯拉Roadster這個(gè)車型的動(dòng)力總成上用的PEM，采用的IGBT單管，標(biāo)準(zhǔn)的TO247封裝，每個(gè)開關(guān)由14片IGBT單管并聯(lián)，一個(gè)逆變器總共使用了84片IGBT單管；后來(lái)還換用了供應(yīng)商，讓IR做定制的單管IGBT （600V 120A AUIRGPS4067D1），同樣采用14片并聯(lián)。

●第二代逆變器

用在 Model S的動(dòng)力總成上，仍然采用TO247封裝的IGBT （IKW75N60T），每個(gè)開關(guān)為16 個(gè)IGBT單管并聯(lián)，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(shè)計(jì)；特斯拉還與功率半導(dǎo)體廠商共同研發(fā)了新功率芯片，合作新封裝的開發(fā)， 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(lián)的技術(shù)，圍繞多管并聯(lián)，特斯拉可以根據(jù)其電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中不同的功率等級(jí)，選擇不同數(shù)量的TPAK并聯(lián)，都在同一個(gè)封裝內(nèi)，只需對(duì)外部電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行微小改動(dòng)，就能滿足各種電動(dòng)汽車行駛要求，大大增加了設(shè)計(jì)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(dǎo)體模塊；?

? 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器–連接MCU和功率半導(dǎo)體的器件，負(fù)責(zé)隔離高壓和低壓；

? 偏置電源 – 負(fù)責(zé)從低壓側(cè)獲取能量并向功率半導(dǎo)體生成柵極驅(qū)動(dòng)電壓

? 隔離式電壓和電流檢測(cè) – 負(fù)責(zé)檢測(cè)直流鏈路電壓和電機(jī)相電流，并確保向電機(jī)施加正確的扭矩

? 有源放電 – 負(fù)責(zé)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(gè)逆變器的微控制器 (MCU) ，里面的軟件控制的生成脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)，來(lái)驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體。

MCU 的軟件進(jìn)行電流采樣和位置編碼采樣，在閉環(huán)中運(yùn)行感應(yīng)和速度控制。

MCU采集電機(jī)的狀態(tài)是通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應(yīng)傳感器。

小結(jié)：特斯拉可能的解決方案

基于現(xiàn)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(guò)串聯(lián)SiC和IGBT來(lái)實(shí)現(xiàn)減少SIC的使用。我們還找了一些實(shí)際的技術(shù)進(jìn)展，可以預(yù)見(jiàn)到能綜合運(yùn)用了先進(jìn)的控制電路，在降低成本的同時(shí)，提高逆變器效率。

審核編輯：劉清