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在电动汽车的动力传动系统中，逆变器扮演着至关重要的角色，其核心任务是将电池中的直流电（DC）转换为交流电（AC），以驱动电动机。特斯拉Model 3的逆变器系统以其创新设计和卓越性能而著称。以下是构成Model 3逆变器系统的关键元素：
特斯拉（Tesla）是首个在其Model 3车型中集成全碳化硅（SiC）功率模块的高端汽车制造商。这一成就得益于特斯拉与意法半导体（ST Microelectronics）的合作。特斯拉的逆变器由24个1合1功率模块组成，这些模块装配在针翅式散热器（pin-fin heatsink）上。
每个模块包含两个SiC MOSFET，采用了创新的芯片粘贴解决方案，并通过铜夹直接连接到端子上，由铜基板进行热散发。
所采用的SiC MOSFET是利用意法半导体最新的技术设计制造的，这使得其能够减少导通损耗和开关损耗。基于对Model 3进行全面拆解分析的报告相关文章分析，同时还提供了对SiC MOSFET及其封装生产成本的估计。在这项技术中，针翅式散热器的设计对于提高散热效率至关重要。散热器的针翅设计增加了表面积，从而提高了热传递效率，这对于管理SiC MOSFET在高效能运作时产生的热量非常必要。
铜作为一种高热导率材料，被用于基板和夹具中，以确保热量可以快速从功率模块传递到散热器，然后分散到周围环境中。此外，通过与意法半导体的合作，特斯拉能够利用最新的技术设计来制造SiC MOSFET，这不仅提升了电动车的性能，还有助于降低生产成本，进一步推动了碳化硅技术在电动车领域的应用和发展。
功率模块：Model 3逆变器的核心是其功率模块，由高效率的半导体器件组成，负责电能的转换。特斯拉采用的碳化硅（SiC）半导体技术，以其超越传统硅基器件的电气特性而领先。SiC器件以其更低的功率损耗、更高的开关频率和更优的热性能，显著提升了逆变器的工作效率，并实现了更为紧凑的设计。
冷却系统：高效的热管理对于确保逆变器系统的最优性能和长期稳定性至关重要。特斯拉为Model 3逆变器设计了一套先进的液体冷却系统，通过管道中循环的冷却液有效吸收运行过程中产生的热量。这一主动冷却机制确保了逆变器的温度控制，防止过热，从而维护了逆变器的高效率和可靠性。
控制电路：Model 3逆变器的控制电路负责精细管理功率转换过程。它精确监控电机的速度和扭矩需求，以确保与车辆的多种驾驶模式实现无缝集成。特斯拉独有的控制算法能够精准控制逆变器的开关模式，优化功率输出，提升整体驾驶体验。
外壳与电气连接：为了保护内部精密组件免受环境影响，Model 3逆变器被封装在一个坚固的外壳中，并提供了必要的结构支撑。逆变器与动力传动系统中其他组件之间的电气连接经过精心设计，旨在最小化电阻并确保稳定的功率传输。
特斯拉Model 3的优势：特斯拉对创新的持续追求在其Model 3逆变器的构造中得到了充分体现。SiC技术的整合、尖端的冷却系统和先进的控制算法，共同塑造了Model 3的卓越性能。这些技术的融合不仅提升了能源效率，延长了续航里程，还增强了车辆的动态表现，进一步巩固了特斯拉在电动汽车行业的领导地位。
注：
- 云母材料：云母是一种天然存在的硅酸盐矿物，具有优异的电绝缘性能和耐高温特性。它通常用于电子产品中作为绝缘材料。
- Mylar材料：Mylar® 是一种以聚酯为基础的塑料材料，具有良好的电气绝缘特性和机械强度。
01 拆解分析
如图所示为特斯拉Model3逆变器控制板，该控制板将主控制板和驱动板集成在一张板子上，外形有点像美国地图“熊”的图案，整体板子布置清晰，整洁。
1、ST GK026
这款碳化硅（SiC）功率MOSFET器件采用了意法半导体（ST，STMicroelectronics的简称）的先进且创新的第二代SiC MOSFET技术。以下是对该器件特点的详细解释：
1.第二代SiC MOSFET技术：意法半导体开发的第二代技术，通常意味着相比于前一代产品，它在性能、可靠性或成本效益方面有所提升。
2.低导通电阻：器件的导通电阻（RDS(on)）非常低，这有助于减少在高电流负载下由于电阻引起的功率损耗。
3.单位面积的低导通电阻：特别指出的是，该器件在保持较低导通电阻的同时，还具有较小的芯片面积，这意味着它在单位面积内提供了更高的性能。
4.优异的开关性能：该MOSFET在开关过程中表现出色，这通常包括快速的开关速度和低开关损耗。
5.开关损耗与结温几乎无关：器件的开关损耗变化对结温的依赖性很小，这意味着即使在高温环境下工作，器件的性能也能保持稳定，这对于许多工业和汽车应用来说是非常重要的。
总体来说，这款MOSFET器件的设计旨在提供高效率和高可靠性，特别是在要求严苛的应用中，如电动汽车的主逆变器、DC/DC转换器和车载充电器等。低导通电阻和优秀的开关性能使其成为这些应用中的理想选择。
注：HiP247（High Power TO-247）封装可能比标准的TO-247封装更大，以提供更好的热性能和能够处理更高功率的能力。
特斯拉（Tesla）早期在其逆变器中非常喜欢使用多达84个TO-247封装的开关器件。但值得注意的是，Model 3逆变器采用了一种可以称为准模块化的方法，使用的器件数量要少得多（24个），但每个器件的个体功率等级要高得多，且仍然保持类似塑料封装的形式。
在塑料TO-247（以及更小的TO-220）封装中，有各种各样的器件和额定值，只要通过审慎的电路设计和布局（以及能够处理电流的PCB），就可以实现任何实际的电压、电流和开关频率组合。更具体地说，几乎任何电流额定值都可以通过并联足够数量的TO-247器件来获得……每器件大约20 A到50 A，这取决于器件技术、总损耗以及如何将这些损耗产生的热量从结点移除（但请注意，一旦耗散超过50 W，要将TO-247器件的结温保持在100-125°C以下就需要采取越来越激进的措施）。 例如，SiC MOSFET具有极低的开关和导通损耗，并且可以容忍比传统硅MOSFET或IGBT更高的操作温度，因此限制一个TO-247封装中可以通过的电流多少的因素很可能是键合线和/或引线的电流容量。相比之下，一个具有相对恒定的2.2 V电压降和相对较高的开关损耗的TO-247 IGBT可能很难处理25 A的电流，即使采用液冷。 另一个极大地影响每器件电流容量的因素是，传统的TO-247和TO-220封装的散热器片直接连接到IGBT和MOSFET的集电极或漏极，因此需要在片和散热器之间使用某种绝缘材料。
这段讨论间接地引出了模块的一个相当大的优势：散热器“片”已经从半导体芯片上电隔离了，而且芯片本身通常封装在一种特殊的硅凝胶中，这不仅改善了键合线的热量移除，而且在出现问题时也能很好地包含碎片和金属蒸汽。更具体地说，模块的典型结构是一个三明治结构，包括焊接在中间散热片（通常为铜）上的芯片，以增加用于传递热量的面积（并为芯片之间提供共同的电气连接），然后是一层氧化铝或氮化铝片，提供电气隔离，最后是一个单一的散热片，它也作为安装底板。
基本上，中间的散热片比使用多个TO-247组件的解决方案降低了从结点到散热器的总热阻，这种模块化设计提供了更好的热管理和电气安全性，同时也简化了产品认证过程。通过集成多个功率半导体器件到一个封装中，模块减少了所需的外部组件数量，有助于提高整体系统的可靠性和性能。此外，由于模块化设计已经得到了安全机构的认可，它们通常被认为是一种更为成熟和可靠的解决方案，特别是在高功率应用中。
特斯拉和意法半导体的合作代表了电动车功率半导体封装技术的一个进步，它展示了如何通过创新设计来解决电动车特有的挑战。通过这种合作，特斯拉能够为其电动车提供一种更加高效、可靠且成本效益的功率电子解决方案。
2、ST GAP1AS
STGAP1AS 是一款为 N 沟道 MOSFET和IGBT 设计的具有先进保护、配置和诊断功能的单隔离栅驱动器。以下是对该设备特性的详细解释：
1.隔离特性：STGAP1AS 通过真正的电气隔离将通道与控制和低压接口电路隔离开来。
2.驱动能力：该栅驱动器具有 5A 的驱动能力，使其也适用于高功率逆变器应用，如混合动力和电动车辆的电机驱动器以及工业驱动。
3.输出驱动：输出驱动部分提供了轨到轨的输出，可以使用负栅驱动电源。
4.传播延迟：输入到输出的传播延迟被控制在 100 纳秒以内，提供高 PWM 控制精度。
5.保护功能：
- 米勒钳位（Miller Clamp）：限制 MOSFET 门极上的电压尖峰。
- 去饱和检测（Desaturation Detection）：检测 MOSFET 是否进入线性区。
- 过流检测的专用感应引脚（Dedicated Sense Pin for Overcurrent Detection）。
- 两级关断输出（Output 2-level Turn-off）。
- VCE 过电压保护（VCE Overvoltage Protection）。
- 欠压锁定（UVLO，Undervoltage Lockout）和过压锁定（OVLO，Overvoltage Lockout）。
6.诊断输出：具有开漏（Open Drain）诊断输出，可以通过 SPI 监控详细的设备状态。
7.灵活性和可编程性：每个功能的参数都可以通过 SPI 编程，使设备非常灵活，能够适应广泛的应用场景。
8.引脚配置：独立的漏极和源极输出提供高灵活性，并减少外部组件的材料清单。
STGAP1AS 栅驱动器的设计考虑了高可靠性和高效率的需求，适用于要求严格的汽车和工业应用。其集成的保护功能和诊断特性使得系统设计更加容易，同时也提高了系统的可靠性和安全性。通过 SPI 接口的参数编程能力，设计工程师可以根据具体的应用需求定制驱动器的行为，从而优化性能并减少外部组件的数量。
3、TI TMS320F28377DPTPQ
C2000™ 32位微控制器针对处理、传感和执行进行了优化，以提高实时控制应用中的闭环性能，例如工业电机驱动器；太阳能逆变器和数字电源；电动汽车和运输；电机控制；以及传感和信号处理。C2000系列包括高性能微控制器单元（MCU）和入门级性能MCU。
TMS320F2837xD是一款强大的32位浮点微控制器单元（MCU），专为高级闭环控制应用而设计，如工业电机驱动器；太阳能逆变器和数字电源；电动汽车和运输；以及传感和信号处理。为了加速应用开发，C2000 MCU的DigitalPower软件开发工具包（SDK）和C2000™ MCU的MotorControl软件开发工具包（SDK）是可用的。F2837xD支持一种新的双核心C28x架构，显著提升了系统性能。集成的模拟和控制外设还允许设计者在高端系统中整合控制架构并消除多处理器的使用。
4、ON Semi TCA0372BDW
TCA0372是一款精心设计的单片电路，专为各种应用场景中的功率运算放大器而打造，其应用范围广泛，包括但不限于伺服放大器和电源供应器。这款电路的卓越之处在于其无死区交叉失真特性，这一特性显著提升了其在驱动线圈时的性能表现，确保了信号传输的纯净度和系统的稳定性。
5、Microchip 25LC256E
Microchip 25LC256 是一款 256 千字节（Kb）的串行电可擦写只读存储器（EEPROM），采用业界标准的串行外设接口（SPI）兼容串行总线。该设备组织为一个区块，包含 32,768 个 8 位字节，并针对消费电子、工业、医疗和汽车应用进行了优化，这些应用中可靠和可信赖的非易失性存储器存储至关重要。软件写保护允许用户保护四分之一、一半或整个存储器阵列。还提供了硬件写保护引脚，进一步防止意外写入状态寄存器。EEPROM 有多种节省空间的封装选项可供选择。
6、TI LMV844
LMV84x 器件是低电压和低功耗运算放大器，在 2.7V 至 12V 电源电压范围内工作，具有轨至轨输入和输出功能。其低失调电压、低电源电流和 CMOS 输入特性使得它们非常适合高阻抗传感器接口和电池供电的应用。
单 LMV841 采用节省空间的 5 引脚 SC70 封装，双 LMV842 采用 8 引脚 VSSOP 和 8 引脚 SOIC 封装，而四 LMV844 采用 14 引脚 TSSOP 和 14 引脚 SOIC 封装。这些小型封装是空间受限型 PCB 和便携式电子产品的理想解决方案。
7、TI SN65HVD1040A
SN65HVD1040A器件满足或超过了ISO11898标准，适用于采用控制器局域网络（CAN）的应用。该器件适用于汽车应用。
作为CAN收发器，该器件在信号速率高达每秒1兆比特（Mbps）的情况下，提供差分传输能力到总线，并提供差分接收能力到CAN控制器。
SN65HVD1040A-Q1设计用于在特别恶劣的环境中运行，具有以下特点：
- 交叉线路保护、过电压保护和地线丢失保护，工作电压范围从-27V到40V
- 过温保护
- 共模电压范围从-12V到12V
- 能够承受ISO 7637标准下的电压瞬态
8、NXP TJA1021
TJA1021是本地互连网络（LIN）主/从协议控制器与LIN中物理总线之间的接口。它主要用于波特率从1kBd到20kBd的车载子网络，符合LIN2.0、LIN2.1、LIN2.2、LIN2.2A、SAEJ2602和ISO17987-4:2016（12V）等标准。TJA1021与TJA1020和MC33662（B）引脚兼容。
通过TJA1021将发送数据输入（TXD）的协议控制器发送数据流转换成具有最佳转换率和波束赋形的总线信号，以使电磁辐射（EME）最小化。LIN总线输出引脚通过内部终端电阻拉高。对于指令器应用，应在引脚INH或引脚VBAT和引脚LIN之间连接一个与二极管串联的外部电阻。接收器会检测LIN总线输入引脚的数据流并通过RXD引脚将其传送至微控制器。在睡眠模式中，TJA1021的功耗非常低。故障模式功耗最低。
9、Broadcom ACPL-C87BT-000E
ACPL-C87BT-000E是一款车用高精度DC电压隔离传感器, 采用卓越的光耦合技术, Σ-Δ(SD)模数转换器, 斩波稳定放大器, 以及全差分电路拓扑结构, 可提供优秀的隔离模式噪声抑制, 低失调, 高增益精准度和稳定性。隔离传感器的高共模瞬态抗扰度可保证在高噪声电机控制环境中, 精确监测DC电源电压所需的精度和稳定性。
10、Infineon TLF35584QVVS2
TLF35584QVVS2是一款多路输出系统电源，用于为安全相关应用提供3.3V的微控制器（μC）、收发器和传感器供电。宽广的开关频率范围允许在效率和小型滤波组件的使用方面进行优化。一个专用的参考调节器独立于μC负载步进为ADC供电，并作为2个独立传感器供电的跟踪源。灵活的状态机、包含计时器的唤醒概念以及待机调节器有利于在众多应用中的使用。
多重安全特性使得与各种微控制器（μC）一起轻松实现ASIL-D成为可能。TLF35584采用小巧、热性能增强的VQFN-48（QV版本）封装，能够进行自动化光学检查。
要获取完整的OPTIREG™ PMIC技术文档，请按照此处的说明操作。
TLF35585在Hitex ShieldBuddy AURIX™ TC375上被用作电源和安全监控。
11、TDK VGT22EPC-222S6A12
来自 TDK Corporation 的 VGT22EPC-200S6A12 是一款用于 AC/DC 转换器中的开关模式电源（SMPS）变压器，具有 2600Vrms 的额定电压和隔离特性，采用表面贴装型封装。
02 总结
特斯拉Model 3的逆变器是电动车（EV）电力电子系统中的关键组件，它负责将电池的直流电（DC）转换为驱动电机所需的交流电（AC）。以下是Model 3逆变器的一些关键特点和技术创新：
1.SiC MOSFET技术：Model 3逆变器采用了碳化硅（SiC）MOSFET技术，相比传统的硅（Si）基器件，SiC MOSFET具有更高的开关频率、更低的导通损耗和更优异的耐高温性能。
2.准模块化设计：特斯拉Model 3的逆变器采用了一种称为准模块化的方法，它结合了传统模块化设计和分立器件的优点。逆变器由24个集成了功率模块的设备组成，每个模块具有较高的单体功率等级。
3.高效率和性能：通过使用SiC MOSFET和优化的封装技术，Model 3逆变器实现了高效率和优异的热性能，这对于提升电动车的续航能力和整体性能至关重要。
4.集成度：Model 3的逆变器设计注重集成度，减少了器件数量和外部连接，简化了系统复杂性，同时提高了可靠性。
5.成本效益：尽管SiC MOSFET的成本相对较高，但通过减少器件数量和优化设计，特斯拉能够实现成本效益，同时保持性能优势。
6.热管理：逆变器采用了有效的热管理方案，包括高导热性能的基板和先进的散热设计，以确保在高功率工作条件下保持稳定。
7.安全性：Model 3逆变器的设计符合严格的安全标准，包括电气隔离和故障保护，以确保车辆和乘客的安全。
8.创新的封装：特斯拉与意法半导体（STMicroelectronics）合作，开发了一种新型的封装解决方案，这种封装结合了塑料封装的低成本和模块化封装的电气隔离等优点。
9.紧凑的尺寸：Model 3逆变器的尺寸紧凑，有助于优化车辆的空间利用，并提升整体的封装效率。
10.软件和硬件的协同设计：特斯拉的逆变器设计考虑了软件和硬件的紧密集成，以实现更好的系统控制和性能优化。
特斯拉Model 3的逆变器是电动车技术创新的典范，它展示了如何通过采用先进的半导体材料和封装技术来提升电动车的性能、效率和可靠性。
参考：
1.Tesla Model 3 Rear Drive Unit - openinverter.org wiki
2.Munro & Associates report details the ins and outs of EV inverters – VASA
3.Charged EVs | Teardown expert Sandy Munro compares Tesla, Nissan, Jaguar inverters - Charged EVs
4.Power Play: Power Semiconductors Answer the Call for Vehicle Electrification - Electrical Engineering News and Products (eeworldonline.com)
5.Charged EVs | Here’s why Tesla transitioned to a semi-custom power module design in Model 3 inverter - Charged EVs
6.Tesla Model 3 Rear Drive Unit Hacking - openinverter forum
7.TESLA Model 3: Inverter Teardown (youtube.com)
8.Tesla Model 3 Inverter Teardown (youtube.com)
9.Tesla Model 3 Inverter Teardown - YouTube
10.Tesla Model 3 Motor Tear Down - ALL EV (youtube.com)
END
作者：北湾南巷
来源：汽车电子与软件
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