如前文所述,2012年时特斯拉希望并联16颗当时我们所生产的第6代IGBT(后文为方便,以067命名)使用,整台车的电机驱动一共用到96颗。而我们当时认为特斯拉想做完全不可能的事情,那为什么认为不可能呢?
067的额定电压和电流,分别是600伏和160安,按照电动车的规格当时一般是400伏左右的电池总线电压,单颗芯片在数十微秒的逆变器开关时间内瞬间可以通过几十千瓦的电力。我们先假设16颗芯片并联使用需要处理总共200千瓦的功率,如果是能够同时开关的理想状态,当然应该没有问题,然而问题是,只要有一两颗芯片稍微提前或者延迟开关一点点,那么200千瓦很可能就会先通过或者最后集中通过这一两颗芯片,超过其额定规格而将其烧坏,而烧坏时很可能造成保险开关跳闸,整台车会突然刹车,甚至造成更坏的情况。对于IGBT本身,其导通压降,门极开通电压,短路特性等指标,都会影响其开通关断的速度。
对于三相逆变器的应用,特别是特斯拉所用的感应电机,IGBT又必须并联额外的高压功率二极管使用,一般与IGBT合封在同一封装内(具体原因和细节可参考各电机控制参考书),这里二极管的本身压降,其从导通到关断的速度,和软关断特性,都会影响IGBT的开通时间,进而又关联到IGBT能否安全并联使用。
更大的难点,在于IGBT和二极管的制造工艺。芯片行业的资深人士都了解芯片制造无论是在同一晶圆,同一批次上,总是在大部分参数上有一些正态分布,不同批次的正态分布可能更为发散,而这些成品的最后参数只要是落在数据手册所规定的区间之内,都算是合格。我们当然可以挑选一些IGBT和二极管,使其各项重要参数的分布尽量集中,更适合并联使用,然而又需要回答以下的问题:
具体哪些参数最为重要?能否只限制很少的几个参数?
对于并联大量IGBT的场合,根据现有的生产参数分布历史,是否需要,和如何对这些参数的分布做出进一步限制?对二极管有同样的问题。
如果划分的限制太严格,造成的良率太低,首先特斯拉无法承担这样的价格,也无法上规模量产,而我们淘汰下来的产品又能卖给谁?而如果限制太松,实验室测几台或许没事,但是每年如果生产大量的车,路上出了事故,又如何处理?
如何一次性驱动如此之多,多达96颗的IGBT?
并联多了,总需要一个小于1的安全系数,比如10颗100安的芯片并联,也许标定在0.8的系数,总共800安稍微安全一些,然而谁能拍板说某个安全系数就一定安全?
整体布局如何做法?
热处理如何做法?
安装如何做法?我司当年的推荐,不外乎用夹子夹,或者用金属条压(因为这种SuperTO247没有螺丝过孔),然而这样的做法比较适合电磁炉等静态的应用,谁也没有信心说在车辆振动环境里就没有长期的问题。而雪上加霜的是,特斯拉希望可以直接焊上散热片(提高散热效率),如此需要非常特别的安装工艺,连我司原厂自有的封装厂长当年都不知道如何做。
如何做出极端情况下的过电流和过温度保护设计?
所以呢,我们当时觉得特斯拉是疯掉了,不可能同时研究这么多变数,和解决这么多问题,还是不要做跑车好了,做个慢慢的车,要简单得多。
然而,最后我们居然还是可以携手把这些问题全部解决掉最后量产,等作者下期再谈。