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特斯拉Model 3作为第一款在电机控制器中使用SiC MOSFET的量产纯电动汽车，是宽禁带半导体在汽车应用的又一新的里程碑。 这将很大可能加速宽禁带半导体，尤其是SiC器件在汽车逆变器的推广和应用，进一步促进宽禁带半导体产业的发展。
宽禁带半导体相对于传统的硅器件，其禁带宽度，击穿场强和导热率都要更高。 使其单位面积的导通阻抗可以更小(1/3~1/5 of Si)，耐压高更高，开关速度更快 (3~10x of Si)，同时还具备高温工作能力，有利于提高逆变器的功率密度。 而且SiC MOS作为电阻性器件，非常有利提高汽车在实际运行工况的工作效率和续航里程。 不同机构和单位给出的数据显示，SiC MOS替代传统Si IGBT，大约能提升5~10%的续航里程。
Si和宽禁带半导体材料性能对比
但同时SiC MOS的封装还存在诸多挑战。 相同电流等级的SiC MOS和Si IGBT相比，芯片水平尺寸目前约为IGBT的1/3~1/4。 这就造成SiC MOS的散热要求要高于传统Si IGBT模块的封装。 另外，SiC MOS的开关速度可以比Si更快，所以在switching off过程中，由于产生加到的di/dt，从而在器件上产生一个较大的电压尖峰，因此SiC MOS对主回路电感要求更高。 后续会结合Model 3中 SiC功率模块的拆解进一步分析其散热和电气设计。
1） 模块单元外部架构分析
图是移除驱动控制板的SiC inverter内部结构，包括DC输入端子，母线薄膜电容，功率模块单元和AC输出端子。
由于inverter是贴在变速器的侧边，从整车空间结构来看，需要对inverter进行扁平化设计，因此其内部采用模块和电容平铺的方式进行连接，实现更薄的厚度。
整个功率模块单元由单管模块组成，采用标准6-switches 逆变器拓扑，每个switch由4颗单管模块组成，共24 颗单管模块，器件耐压为650V。 Model 3的 SiC 单管模块设计与Model S/X采用Infineon IGBT单管思路一致，好处是实现不同功率等级的可扩展同时，还能提升模块封装良率，降低半导体器件成本。 但 Model 3比Model S/X更进一步，因为其SiC模块是ST专门为Tesla客制化生产，为一种便于平面连接的封装形式，采用该SiC模块更有利于提升inverter的功率密度。
图为inverter中功率模块单元架构的侧面示意图（门极驱动的G,S端子未标示）。 上下管的SiC模块在平面上进行连接。 SiC模块单元采用标准6-switches 逆变器拓扑，其正极直接连接至电容的DC+，负极则采用DC- Cu bus与母线电容的DC-进行连接，DC- Cu bus紧贴在模块的上表面。 由于Model 3的inverter有厚度的要求，需确保不同电位导电层间距更近，因此设计上考虑对不同电位导电层进行绝缘处理。 从图中可以发现，一共采用4 块塑料绝缘件来增加模块和散热器的耐压，这类塑料的加工成本低，工艺简单，其在BOM成本中占比较小，基本不影响inverter的成本。 为确保模块的电极端子对散热器的爬电距离满足要求，Tesla专门在模块下方的散热器上设计凸台结构，便于将塑料绝缘件1的部分置于模块底部。 塑料绝缘件1在电极连接的下方还设计凸起结构，便于对电极连接采用激光焊接工艺进行结构支撑 (后续会详细介绍)，以实现可靠稳定的电气连接。 Tesla采用简单却很巧妙的塑料绝缘件设计，侧面也反映出其正向设计思路清晰，零部件尽可能复用以实现多个功能，简化材料体系和结构。
同时，Model 3的inverter还重点考虑了电气回路设计。 用绿色虚线描绘了其主回路路径，从右端电容的DC-端子，通过DC- Cu bus连接至功率模块单元的左端DC-电极，再沿着上下桥臂的单管模块内部回到右端电容的DC+端子，所形成的电器回路的电流方向相反，实现了电感的相互抵消，有助于降低模块的主寄生回路电感Lmain loop。
DC- Cu Bus完全覆盖在功率模块单元上，与电容的DC-端子的连接非常宽，这也有助于进一步减小Lmain loop； 由于每个half-bridge的上下管均由4 pcs SiC单管模块组成，该设计还能确保每组单管模块的主回路电感一致，并联器件的均流性好。 低主回路电感可降低SiC器件的电压尖峰，提高开关速度以减小开关损耗，同时还提高器件的电气可靠性； 均流性好，可提高功率模块单元的通流能力，进一步提高其功率密度。
模块单元组装工艺分析
Tesla的功率模块单元在inverter的组装中，借鉴了功率模块封装工艺。 图为功率模块单元侧视图。
功率模块单元侧视图
照片中显示模块底部的散热器上有前面提及的凸台，凸台表面镀银。 模块和散热器凸台之间连接采用烧结银连接技术，可实现高可靠、高导热的连接。 由于烧结银连接技术的主要材料成分是银，所以成本比传统焊料贵，其常规的连接厚度较薄，约为25~100um，照片和肉眼都难以观察。 该技术主要用于功率模块中芯片和基板的连接，很多Tier 1的控制器公司和Tier2的功率模块制造商，在汽车模块中均或多或少的采用该技术，如Semikron, Infineon, Danfoss, continental等。 目前烧结银技术主要用于对可靠性和散热高要求的市场，如汽车，风电等。
功率模块单元侧视图（示意图）
功率模块单元的水冷散热器结构
功率模块散热器结构 底部结构
pin-fin高度约为16mm，间距约为1.5mm，采用外壳压铸的方式无法加工这种高而密的pin-fin结构。 通过观察inverter外壳和散热器底部结构，发现散热器区域和inverter外壳之间存在缝隙，所以模块散热器和inverter外壳应由两个部件组合而成。 从模块侧观察，在inverter外壳和散热器结构的连接位置，有搅拌摩擦焊接的留下的纹理和痕迹。
散热器和逆变器外壳连接
在标准的inverter的组装中，以Infineon的HybridPack 6-switches IGBT模块为例，其模块内部已经实现了机械、散热、电气的连接。 所以inverter对模块进行结构安装以及功率电气连接等，均采用标准的螺栓/螺丝连接工艺。 而Model 3使用SiC单管模块，其机械、散热和电气连接均在inverter的组装中完成，并采用一些成熟却非传统的组装技术，有必要对其功率模块单元在inverter中的关键组装工艺做进一步分析
第一步： 带pin-fin的散热器先嵌入inverter外壳中，沿连接缝一圈通过搅拌摩擦焊实现物理连接，该技术在业界非常成熟，由外壳供应商完成的可能性较大，散热器上的镀银凸台应预先处理；
第二步，在外壳上先组装塑料绝缘件1，再在模块背面印刷烧结银材料，通过专业的压力烧结设备，一次性将24颗SiC单管模块进行烧结，专业设备烧结时间约1~3min, 温度低于250oC，压力为5~20MPa。 因此，塑料绝缘件1有短时耐高温的能力；
第三步，先组装薄膜电容，再采用激光焊接模块和电容的DC+电极端子，以及上下管组成半桥的AC端子。 在该工艺过程中，塑料绝缘件1的凸起设计，能够在激光焊接时，顶住需要焊接铜端子的部位，确保两个铜端子之间的紧密接触，以保证激光焊接品质，塑料绝缘件1的所有凸起均有该效果；
第四步，先将塑料绝缘件2和3组装至DC-Cu bus上，放置于模块上方并对其进行限位，确保Cu bus的两端分别置于模块和电容的DC-端子上，采用激光焊接对DC-端子进行连接；
第五步，将塑料绝缘件4组装至AC Cu bus上，并将一端放置于模块的AC端子上，另一端放置于inverter AC输出端子上，同样地采用激光焊接实现AC端子的电气和机械互连。 在功率模块单元的组装中，采用压力烧结和激光焊接技术，虽然工艺设备投资大，但工艺可靠性高，适合进行自动化生产。
功率模块单元及其相关零件的关键尺寸见下表，可做参考。 值得注意的是，SiC功率模块单元的水平尺寸和Infineon的HybridPack Drive的水平尺寸基本一致 (126.5x154.5 mm)，传统意义上认为，SiC和Si器件比，芯片面积更小，而且少了续流二极管，模块的尺寸应该做的更小。 但实际Tesla采用的SiC模块单元与IGBT水平尺寸接近，说明Model 3 inverter的设计，并未追求更小footprint的SiC 模块单元，而是根据inverter的布置需要，对其进行扁平化设计。
表 功率模块单元的关键尺寸
Component | Dimension (mm) | Remark | |
SiC功率模块单元 | 总尺寸 | ~4.5x82x253 mm | 高度仅考虑模块自身 |
单颗尺寸 | 4.5x19x28 mm | ||
散热器 | 凸台 | 1 mm thick | |
Pin-fin | ~16mm高； 1.5x3 mm的椭圆截面； 3x4mm菱形布局； | ||
单排pin-fin | 总长~236mm，宽度19mm | 长度需结合进出水口位置进行考虑 | |
薄膜电容 | 总尺寸 | ~70x260x32 mm | |
端子 | 0.5mm thick | ||
绝缘件1 | 0.8 mm thick | 有短时耐高温能力 | |
绝缘件2,3 | 0.4 mm thick | ||
DC- Cu bus | 0.5 mm thick | ||
AC Cu bus | 1 mm thick | ||
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