不管是油電混合動力汽車嗎？(HEV)，插電式混合電瓶車(PHEV)，或者純電動汽車(BEV)，牽引逆變器作為電氣傳動裝置的關(guān)鍵部件，會影響駕駛體驗、電池壽命和汽車整體安全。

牽引式逆變器位于高壓系統(tǒng)電池和電機之間。這將高壓系統(tǒng)的DC電壓轉(zhuǎn)換為三個交流導出永磁電機。牽引式逆變器集成了許多技術(shù)來處理車輛控制模塊(VCU) 扭矩指令，根據(jù)需要安全控制電機。汽車的續(xù)航里程與牽引逆變器和電機在整個駕駛過程中的效率密切相關(guān)，包括通過再生制動將能量回收到電池中的加速、穩(wěn)定狀態(tài)和能量。

牽引式逆變器主要由四象限斬波器、中間電壓電路、制動式斬波器和脈沖寬度調(diào)制式逆變器組成。其中，四象限斬波器用于將DC轉(zhuǎn)換為交流電，在轉(zhuǎn)換過程中獲得能量轉(zhuǎn)換和控制；中間電壓電路用于穩(wěn)定輸出電壓，保證牽引電機的正常運行；制動斬波器用于將制動過程中產(chǎn)生的反向電能轉(zhuǎn)換成電能并保存起來，從而提高能源利用效率；脈沖寬度調(diào)制逆變器用于控制輸出電流的次數(shù)和波形。從而實現(xiàn)對交流牽引電機的啟動、制動和調(diào)速控制。

電動汽車上至少有一個牽引式變頻器，有些車型有兩個，一個在前軸上，一個在后輪上。在一些高端汽車中，每個車輪都有一個牽引式變頻器。

從逆變器和電機控制的技術(shù)發(fā)展趨勢來看，功率水平不斷提高。目前主流汽車的功率水平在60~80KW左右，下一代電動汽車的功率水平從100KW增加到500KW甚至更多。此外，更高的電池電壓也是一種發(fā)展趨勢，從400V到800V。此外，更高的系統(tǒng)集成度、功率密度和質(zhì)量也是一種發(fā)展趨勢。

01 IGBT與SiC 、GaN電源開關(guān)

電源開關(guān)是牽引逆變器中的核心設備，一般采用絕緣柵雙極晶體管。(IGBT)。但是，寬帶間隙 (WBG) 電源開關(guān)，如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)，它可以提供顯著的優(yōu)點，包括更高的開關(guān)速度，從而帶來更高的效率和功率密度，以及更小的支撐部件，從而減小電機的尺寸。

特斯拉自2021年宣布Model 配備SiC功率設備后，SiC開始了快速上車的道路，這個領域越來越熱鬧。目前，在海外汽車公司中，豐田的bZ4X除了使用SiC設備的特斯拉牽引逆變器外，還使用了SiC設備。、Mirai、Prius，而且雷克薩斯RZ也開始選擇SiC設備，此外，本田、福特、大眾等廠商也開始采用SiC方案。

在中國汽車公司中，比亞迪在SiC方面取得了重大技術(shù)突破。SiC模塊已廣泛應用于比亞迪漢、唐四驅(qū)等旗艦車型，蔚來ET7、ES7、ES8、SiC電驅(qū)系統(tǒng)也已用于EC7等車型，小鵬G9也采用了SiC設備。理想情況下，SiC計劃已經(jīng)開始布局。其功率半導體R&D和生產(chǎn)基地于2023年5月落戶蘇州，致力于R&D和生產(chǎn)SiC車型芯片模塊，預計2024年正式投產(chǎn)。另外，東風、吉利等車企也進行了相關(guān)布局。

如果SiC設備想要進一步普及，就必須解決以下問題：高開關(guān)速度帶來的挑戰(zhàn)，極高的開關(guān)速度帶來了驅(qū)動電路設計的挑戰(zhàn)，需要設計快速、精確的驅(qū)動電路，以確保SiC設備能夠準確地執(zhí)行所需的開關(guān)操作；高溫度的工作環(huán)境對驅(qū)動電路提出了更高的要求，需要設計能夠承受高溫的驅(qū)動電路，并且確保其在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性；由于SiC設備的高速開關(guān)特性，易產(chǎn)生干擾信號，影響周圍的電子設備和系統(tǒng)，因此在驅(qū)動電路設計中需采取相應的干擾信號抑制措施；SiC設備具有開關(guān)頻率快、短路時間短等特點，對保護技術(shù)提出了更高的要求；SiC設備的制造成本較高，這限制了其在某些應用中的應用，為了達到最佳的成本效率，在驅(qū)動電路設計中要綜合考慮性能和成本因素。

要解決上述問題，必須不斷地進行技術(shù)研究和創(chuàng)新，提高驅(qū)動電路的性能和可靠性。

除SiC外，GaN也逐漸應用于電動汽車，特別是在400V和800V電瓶車牽引逆變器中，GaN的優(yōu)勢與SiC功率設備相比還是比較明顯的。

GaN功率設備可以大大提高能效，降低近40%的能耗，同時提高33%的功率密度，實現(xiàn)更小更輕的牽引式逆變設計?？偟膩碚f，基于GaN設計的400V牽引式逆變器可以滿足市場對價格更實惠、續(xù)航能力更高的電動汽車的需求。

基于GaN的三階拓撲設計的牽引逆變器在800V系統(tǒng)中的應用正在加速發(fā)展。其優(yōu)點主要包括:三階GaN拓撲設計不僅可以減少開關(guān)損耗，提高效率，還可以減少濾波器和電機中的高頻銅損和鐵損。與二階拓撲設計的系統(tǒng)相比，整體效率大大提高；噪音小、振動小、干擾信號；隨著耐久性和可靠性的提高，電路運行更加穩(wěn)定穩(wěn)定。另外，三階GaN拓撲可以減輕電機軸承的負荷，提高耐久性和可靠性，有利于提高整個系統(tǒng)的使用壽命。

舉例來說，豐田汽車(Toyota) 還有名古屋大學(Nagoya University) All合作開發(fā)-GaN Car，GaN功率器件用于牽引逆變器、車載充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器。與常規(guī)的IGBT方案相比，GaN不僅提高了功率密度，而且提高了20%的效率，延長了汽車的續(xù)航里程。

Ricardoo知名工程公司 30kW的設計和比較 根據(jù)GaN逆變器和SiC逆變器的檢測數(shù)據(jù)，GaN在功率損耗方面比SiC方案降低了25%，功率密度提高了33%。有許多Tier 在250kW的牽引逆變器設計中，OEM車廠也得到了類似的結(jié)果。

02 全球電瓶車牽引式逆變器市場格局

根據(jù)TrendForce的統(tǒng)計，受電瓶車傳統(tǒng)淡季的影響，2024年第一季度全球牽引式逆變器安裝量為522萬件，比2023年第四季度的714萬件減少了27%。在這些情況下，純電動汽車牽引式逆變器的安裝率為48%，季度減少5%，油電混合動力汽車和插電式混合動力汽車牽引式逆變器的安裝率從47%提高到52%。

由于混合動力汽車的增長、電壓壓力的增大、電壓的增大、電壓的增大，從第一季度電瓶車各電壓區(qū)間牽引逆變器的安裝量來看，≤牽引式逆變器300V裝機量占36%，季增2%。；而且純電動汽車的衰退，導致電壓在300V~550V之間的裝機量減少了1%，減少到55%，>550V的裝機量減少了9%，與上個賽季持平。雖然每個區(qū)間的比例略有波動，但市場主流電壓區(qū)間仍然是300V~550V。

全球范圍內(nèi)，Denso(電裝)是生產(chǎn)和銷售電瓶車牽引逆變器的主要制造商，Delta Electronics，Bosch，特斯拉，Mitsubishi Electric，DANA TM4，Voith Turbo，Hitachi，Continental，Toshiba，Valeo，還有比亞迪，匯川技術(shù)與華為等。

以全球前三里的Denso和特斯拉為例，介紹一下頂級牽引式逆變器制造商的技術(shù)和產(chǎn)品能力。

Denso非常重視SiC設備，并開發(fā)了它。 與傳統(tǒng)的硅IGBT功率模塊相比，SiC變壓功率模塊的體積減少了30%，功耗減少了70%。功耗下降降低了變壓功率模塊的體積，同時提高了汽車的燃油效率。

2020年12月，豐田推出了由SiC二極管和晶體管組成的模塊Mirai車型。在2018年，豐田在Sora燃料電池巴士中使用了Denso的SiC二極管。

在20世紀80年代，DensoSiC設備與豐田的關(guān)系可以追溯到20世紀80年代，兩家公司聯(lián)合開始對這種寬帶間隙半導體材料進行基礎研究，直到2007年，豐田和Denso正式宣布聯(lián)合開發(fā)SiC設備并投入實際應用。

2014年，豐田宣布在普銳斯功率控制模塊上完成首次突破(PCU)使用SiC設備。普銳斯是豐田于1997年推出的油電混合動力汽車。PCU負責控制混合動力汽車和其他選擇電動系統(tǒng)的車輛的電機驅(qū)動功率。在汽車的總動力消耗中，它消耗了大約四分之一的功耗。

根據(jù)測試，選擇SiC設備的PCU將普銳斯的能效提高了10%。為了測試PCU內(nèi)部變壓轉(zhuǎn)換器和逆變器如何提高電壓、電流和熱管理性能，豐田將在凱美瑞混合動力原型車中測試這些基于SiC的PCU。

另外，Denso還采用了昭和電工的SiC外延片，用于其電源控制模塊，該公司已將這些模塊應用于其車載電池充電器和電動汽車的快速充電座。

特斯拉Model 3逆變器系統(tǒng)因其創(chuàng)意設計而被稱為。

Model 3是第一款集成全SiC功率模塊的車型。特斯拉的逆變器由24個1合1功率模塊組成，這些模塊安裝在針翅散熱器上。（pin-fin heatsink）上。使用的SiC MOSFET是利用意法半導體技術(shù)進行生產(chǎn)設計，使其能減少導通損耗和開關(guān)損耗，這是基于Model。 三是全面拆解分析得出的結(jié)論，同時也提供了SiC 估計MOSFET及其封裝生產(chǎn)成本。在這項技術(shù)中，針翅散熱器的設計對于提高散熱效率尤為重要。針翅設計增強了表面積，從而提高了傳熱效率，這對于SiC管理來說是非常重要的。 在高效運行過程中，MOSFET產(chǎn)生的熱量至關(guān)重要。

通過與意法半導體的合作，特斯拉可以利用最新技術(shù)制造SiC。 MOSFET，它不但提高了電動汽車的性能，而且有助于降低成本，進一步推動了SiC技術(shù)在電動汽車應用領域的發(fā)展。

Model 3逆變器的核心是功率模塊，由高效半導體器件組成，負責電能轉(zhuǎn)換。SiC器件顯著提高了逆變器的工作效率，實現(xiàn)了更緊湊的設計，因為它具有更低的功率損失、更高的開關(guān)頻率和更好的熱性能。

Model 3逆變器控制電路負責對功率轉(zhuǎn)換過程進行精細化管理，準確監(jiān)控電機的速度和扭矩要求，確保與車輛的各種性能模式無縫集成。特斯拉的控制算法可以準確控制逆變器的開關(guān)模式，提高功率輸出，改善整體駕駛體驗。

總體來看，Model 3逆變器的關(guān)鍵特點和技術(shù)創(chuàng)新主要表現(xiàn)在以下幾個方面：SiC MOSFET技術(shù)；準模塊化，融合了傳統(tǒng)模塊化和分離器件的優(yōu)點，逆變器由24個集成功率模塊的單元組成，每個模塊都有很高的單一功率等級；集成度高，降低了設備數(shù)量和外部連接，簡化了系統(tǒng)的復雜性，提高了可靠性；成本效率，雖然SiC MOSFET的成本很高，但是通過減少設備數(shù)量和優(yōu)化設計，可以達到成本效率；逆變器采用有效的熱管理方案，包括導熱性能高的基板和先進的散熱設計，以確保在大功率工作環(huán)境中保持穩(wěn)定；特斯拉與意法半導體合作，開發(fā)了一種新的封裝方案，結(jié)合了塑料封裝的低成本和模塊化封裝的電氣隔離等優(yōu)點；為了實現(xiàn)更好的系統(tǒng)控制和性能優(yōu)化，逆變器設計考慮了軟硬件的緊密集成。

03 中國制造商崛起

以上都是國際制造商。他們在逆變器領域深耕多年。憑借深厚的技術(shù)積累和市場影響力，他們一直占據(jù)著巨大的市場份額。然而，由于中國電瓶車生產(chǎn)和消費市場的快速崛起，地方相關(guān)零部件技術(shù)和產(chǎn)品的快速跟進促進了相對較短的時間內(nèi)相關(guān)制造商的行業(yè)地位。

根據(jù)TrendForce的統(tǒng)計，TierTier是世界前五大牽引逆變器。 中國有兩家中國公司，比亞迪和匯川技術(shù)。其中，比亞迪的逆變器屬于自己開發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品，用于自己的車型。匯川技術(shù)深入培育理想、小鵬、小米等創(chuàng)新能源汽車公司。

此外，華為的市場份額連續(xù)三季度增長1%，未來能否進入前五大供應商值得關(guān)注。2024年第一季度，包括比亞迪和匯川技術(shù)在內(nèi)的中國公司市場份額達到34%，歐美日Tier1牽引逆變器市場的局面已經(jīng)被打破。

本文來自微信公眾號“半導體產(chǎn)業(yè)縱橫”（ID：ICViews），作者：暢秋，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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