本文将從特斯拉曆代車型動力總成中用到的核心功率器件展開，簡要講述逆變器部分的演進曆史。
01
第一代Roadster
在回顧特斯拉逆變器設計之前，不得不提到AC Propulsion這一家在電動汽車發展史上留下濃重一筆的公司。
創始人Al Cocconi曾參與第一款量産電動汽車通用EV1的研發，但是在通用汽車 “殺死” EV1後，Cocconi出走南加創立AC Propulsion，設計并少量打造了一款原型電動車T-Zero。
該車僅供一人使用，車門隻有小小一條，進出困難。動力部分由鉛酸電池并串聯供電，逆變器中每個橋臂的上下橋由20片IGBT單管并聯，總共使用了120片IGBT單管，其裸片總面積達到7200平方毫米。如果考慮到前道工序和後道工序的良率，一台T-Zero需要使用差不多當時一整片6寸晶圓能制造出的IGBT。
筆者在AC Propulsion試乘T-Zero，可見隻能一人乘坐，并且進出不便。
Source：01芯聞
特斯拉成立後，從AC Propulsion處獲得了動力總成系統的技術授權，包括第一代Roadster逆變器中用到的IGBT單管并聯技術。一直到特斯拉生産了大約500台動力總成系統，并在系統控制從模拟方式改成數字方式後，才停止向AC Propulsion支付專利費用。
但是自此之後，多管并聯成為特斯拉逆變器設計的核心特征。這除了路徑依賴的原因，也有供應鍊方面的考慮。在本世紀出的前十年，市場上推出的量産車規級IGBT子產品産品寥寥無幾，僅有英飛淩HybridPACK1等，但是不能滿足特斯拉對功率輸出的要求。
工業子產品雖然有大電流版本，但是畢竟不是為汽車設計，可靠性、可追溯性以及外形尺寸不能滿足特斯拉的要求，當時也沒有廠商願意為特斯拉定制昂貴的車規級功率子產品産品。
時也，勢也，當時IGBT單管雖然電流規格尚小，但是供應商較多，特别是IGBT主要廠商之一International Rectifier（IR）總部也位于加州，友善特斯拉與之進行溝通，選擇甚至定制合适的IGBT單管。
Roadster的動力總成部分稱為PEM（Power Electronics Module），占據了後備箱的前半部分，位于電池包之後，電機之上。PEM從2008年開始量産，1.5版本之前除了“Tesla Motors”的logo外，還有”PEM 185”的辨別，意味輸出功率185kW。
而2.0和2.5版本則隻留下logo，或者将“Tesla Motors”的辨別改為“Roadster Sport”。從下面PEM的拆解中，可以看到各個版本内部總體布置大緻相同，其中一半的空間為高壓連接配接件、高壓繼電器和保險絲等，另一半為逆變器部分，三塊半橋橋臂水準擺放。但是再進一步拆解可以看到逆變器設計至少有過兩個版本。
較早的PEM 185采用的IGBT單管為标準TO247封裝，每個開關由14片IGBT單管并聯，總共使用了84片IGBT單管，采用過的型号至少包括英飛淩75A IGBT IKW75N60T。
在之後的版本中，Tesla換用了IR為其定制的600V 120A AUIRGPS4067D1，同樣采用14片并聯。該IGBT采用TO-247 Plus封裝（亦稱為TP-247，Super-247），取消了TO247封裝中固定用的螺絲過孔，是以可以裝入更大尺寸的裸片，增大輸出電流。
但是這兩種IGBT采用相同的安裝方式，均為IGBT折彎管腳（Trim and Form）後90度貼于功率PCB闆上，背面的導電集電極（Collector）則通過絕緣導熱膏塗層貼在散熱片上，再用螺絲将整個IGBT功率闆固定在散熱器上。這種安裝方式的主要失效模式是經過長期使用，絕緣導熱層龜裂導緻的IGBT短路，以及電解電容的損壞。
02
Model S/X
2012年量産的Model S則對動力總成進行了重大改進，逆變器設計也完全抛棄了上一代中的平鋪方式，改為立體構造。2015年量産的Model X也沿用同樣的設計，是以可稱之為第二代動力總成。
第二代特斯拉動力總成分為Large Drive Unit（下簡稱LDU）和Small Drive Unit（下簡稱SDU）兩種。前者主要用于Model S/X單電機版本，以及雙電機高性能四驅版本中的後輪驅動。而後者主要用于雙電機普通版本的前後驅，和雙電機高性能版本中的前驅。
Model S/X，Model3/Y以及Model S/X Plaid的動力總成差異
Source：特斯拉
顧名思義，LDU體積較大，為圓筒形，輸出功率也較大，SDU則反之。雖然兩款動力總成出現在相同車型中，但是LDU開發時間早于SDU，退出市場的時間也較早，主要因為成本和功率密度的考量。
LDU和SDU的比較
Source：StealthEV
LDU中的逆變器呈三棱鏡構造，每相或者說每個半橋部分占據三棱鏡的一個面。三棱鏡的頂端和底端分别是高壓直流輸入部分和高壓交流輸出部分。在直流輸入側另有三塊小三角形PCB，這是每相的驅動PCB闆。
LDU采用與PEM相同的，TO247封裝的IKW75N60T，但是用量較多，每個開關為16 個IGBT單管并聯，共用了84片IGBT。雖然LDU中IGBT仍然需要折彎管腳，但是其與母線銅排和功率PCB闆的連接配接方式大大優化，所用功率PCB闆面積減少不少。也因為如此，每個半橋部分中有一半IGBT（中間兩排）可以用母線銅排固定，而另外一半（外側兩排）需要用兩個一組的夾具固定。
關于LDU中逆變器的設計，筆者仍有幾個問題尚待理清。一是為什麼特斯拉繼續使用電流較小的IKW75N60T，而不使用更新、電流更大的AUIRGPS4067D1？二是LDU有綠色PCB和紅色PCB兩個版本，兩者間是否有差異？
Source：Damien Maguire，Turbo Electric
（上）剛拆開逆變器外殼的LDU
（中）逆變器細節圖，分别從直流側和交流側拍攝
（下）半橋部分的細節圖，可以看到每排有8個IGBT單管，另有8個x 2排IGBT單管藏在母線銅排和長條形的功率PCB闆下
SDU同樣在逆變器中采用了立體結構，但是設計方式與PEM和LDU相比又有很大差別，使得整體構造更為緊湊，功率密度分别達到30kW/L和33.3kW/kg。
首先，IGBT單管選用AUIRGPS4067D1，6片并聯，總用量36片。雖然單片IGBT成本增加，但是因為用量減少，總成本較低。不過根據與特斯拉工程師的交流，并聯IGBT的數目小，對晶片一緻性的要求更高，實際設計難度增加。是以，特斯拉對IGBT單管增加了特别的規格分檔（binning）要求，對IGBT制造的後道工序以及供應鍊管理都帶來了不小的挑戰。
其次，IGBT單管的布局和散熱方式有了重大改變。通過雙頭夾具，每個半橋上下橋臂中的IGBT單管背靠背固定在散熱器上，組成類似三明治的結構。與LDU相比，不僅半橋之間組成立體結構，半橋之内上下橋臂也為立體結構，充分利用了空間。現在一些半導體供應商的雙面水冷散熱子產品也是采用類似的散熱設計提高功率密度。
再次，IGBT單管的連接配接也與以往有了很大不同。SDU不在需要功率闆連接配接IGBT單管，而是采用倒插的方式與驅動闆相連。是以不再需要折彎IGBT單管管腳，降低了安裝成本，也避免了可能由此引發各種麻煩（折彎管腳後IGBT可能出現零星失效，很難判斷原因，往往導緻IGBT供應商與系統廠商互相指責）。再通過适當調整單管G/D/S三個管腳的長度，使其與驅動闆和母線銅排适度相連。是以，IGBT的管腳設計和制造也變得重要起來。
SDU的出現使得特斯拉對IGBT器件有了更嚴格的機械、電學以及可制造性的要求。筆者也有幸作為供應商，與多位特斯拉核心研發人員合作，一同參與了IGBT單管的定制工作，也由此負責了下一代特斯拉定制IGBT器件的開發。此後，特斯拉開始與功率半導體頭部廠商進行更緊密的合作，深度介入核心功率器件的定義與設計，并最終推出了劃時代的第三代動力總成。
03
Model 3/Y
Model 3/Y動力總成相較于上一代産品更為緊湊，尤其是逆變器部分尤為明顯。原因之一是與其他公司的三合一電驅系統相比，特斯拉逆變器從上一代開始就選擇移去蓋闆，緊貼減速器，是以減少了逆變器的重量和體積。但是更重要是，新一代的逆變器中選擇了全新的功率器件，并是以改變了逆變器的整體設計。
當特斯拉還在優化SDU的設計時，核心研發人員就已經在思考下一代動力總成該如何實作。尤其是前兩代系統、三種設計中中核心器件IGBT單管所用的TO247和TO247 Plus封裝，已經沒有很大潛力進一步增加電流規格和提高性能了。同時，雖然IGBT技術持續進步，但是帶來的多為量變而非質變。綜上，IGBT單管即将到達性能瓶頸。有鑒于此，特斯拉不僅與功率半導體廠商共同探讨新功率晶片的選擇，還與一些先進封裝技術公司合作新封裝的開發。其結果就是 TPAK（Tesla Pack）子產品橫空出世，其革命性進步包括以下幾點。
首先，特斯拉率先在量産電動車中使用碳化矽晶片代替IGBT晶片。雖然TPAK SiC的子產品成本高，但是符合産業更新趨勢，比競争對手提前至少3年獲得了碳化矽的大規模實地使用資料。
第二，TPAK封裝采用介于單管和正常子產品之間的單開關子產品（Single Switch Module）設計，既超越了之前單管封裝帶來的輸出電流、輸出功率、寄生電感等限制，又保留了多管并聯的靈活性，可以根據不同的逆變器功率輸出需求，來選擇需要多少個TPAK子產品并聯。并且特斯拉在過去10多年積累的多管并聯經驗可以繼續沿用。
第三，TPAK子產品在内外部采用了燒結（sintering）作為連接配接方式。子產品内部，晶片通過銀燒結層與DBC相連，代替錫焊層。在子產品外部，TPAK的底闆也燒結到散熱器上，代替導熱膏塗層。兩者共同作用，不僅使得系統的散熱能力上了一個台階，而且TPAK本身的可靠性，特别是功率循環次數，也獲得了很大提高。另外，散熱性能的提高意味着同樣尺寸的晶片可以在限定的結溫下輸出更大的電流，或是輸出同樣的電流下用較小尺寸的晶片，實作晶片降本。
最後，TPAK的寄生參數很小，是以可以作為通用子產品，不僅用來放入碳化矽晶片，也可以放入IGBT晶片和氮化镓晶片。這樣可以友善供應商共用後道産線生産不同的TPAK子產品，實作降本增産。同時，逆變器的設計也隻用考慮一種子產品封裝形式，重複利用了機械和散熱設計，在逆變器系統層面也減低了成本。
于是，4個這樣的TPAK SiC子產品并聯構成了橋臂的上橋或者下橋，并用雷射焊接的方式将子產品的漏極和源極同母線銅排連接配接，總共用到24個TPAK子產品構成了第一代的Model 3/Y逆變器。
04
Model S/X Plaid
去年年中和年底，Model S Plaid和Model X Plaid分别開始對外傳遞，是以目前網絡上的拆解分析并不太多。從能夠搜集到的資料來看，Model S/X Plaid繼續采用Model 3/Y中的逆變器設計，甚至前者逆變器的驅動和控制PCB闆上還标有“Model 3”字樣，唯一可見的變化是Plaid逆變器中的高壓部分加入了一個煙火式緻動器（pyrotechnic actuator），在TPAK子產品失效導緻短路發生時，可以立刻切斷與電機的連接配接。
在系統層面，Model S/X Plaid與Model 3/Y的顯著差别在于Model S/X Plaid後驅為雙電機，由兩台TPAK子產品構成的逆變器分别驅動。另外，Model S/X Plaid所用的電機有所改進，特别在轉子部分采用碳纖維增強。
05
Cybertruck和第二代Roadster
兩款車型目前還處于内部開發階段，是以資訊極為有限。從Elon Musk在推特中透露的資訊來看，第二代Roadster采用的電機會比Model S/X Plaid轉速更快。