逆變器在電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車中發(fā)揮著重要作用。其主要功能是將車載電池組提供的直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，用于汽車的電機(jī)。此外，在再生制動(dòng)期間，逆變器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為電池組充電。

擁有一個(gè)高效且重量輕的逆變器可以延長續(xù)航里程，并實(shí)現(xiàn)更快速的電動(dòng)汽車充電。它還可以減小電池組的尺寸，從而節(jié)省電動(dòng)汽車的成本。逆變器有一個(gè)稱為功率模塊的組件，帶有一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)裝置，通過打開和關(guān)閉以改變電流方向來產(chǎn)生交流電。逆變器對電動(dòng)汽車至關(guān)重要。

對開關(guān)裝置技術(shù)的選擇在很大程度上取決于電壓架構(gòu)，因此，了解這意味著什么以及它將如何影響對各種類型逆變器的需求非常重要。

傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的輕型乘用車使用12V或偶爾使用24V的系統(tǒng)為車內(nèi)電路(如電子控制器、車燈和信息娛樂系統(tǒng))供電。為了提高效率和排放控制，48V架構(gòu)系統(tǒng)被開發(fā)出來。

使用電力驅(qū)動(dòng)，其中電機(jī)/發(fā)電機(jī)可以輔助內(nèi)燃機(jī)或直接為車橋供電。某些輔助系統(tǒng)——如空調(diào)、強(qiáng)制感應(yīng)和起停功能——可以通過48V的輔助電池組運(yùn)行，從而大幅降低油耗。憑借發(fā)電能力來支持車輛的輕混功能，48V系統(tǒng)將在未來幾年內(nèi)成為混動(dòng)汽車中的常見配置。

全電動(dòng)和全混混合動(dòng)力總成采用高壓架構(gòu)，電壓通常在300V至600V之間，在某些情況下甚至更高。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常在高電壓下運(yùn)行，以提取足夠的電力，從而實(shí)現(xiàn)與燃油驅(qū)動(dòng)汽車相當(dāng)或更優(yōu)越的性能和駕駛性能。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)電壓分為三個(gè)等級——最高48V為低壓；48V以上至450V為中壓；450V以上至1,000V為高壓。

•  輕混混動(dòng)應(yīng)用中使用的系統(tǒng)電壓最高達(dá)到48V

• 48V至400V用于混動(dòng)和大部分市場上的BEV架構(gòu)。

• 400V至650V用于高性能全混混動(dòng)、BEV和FCEV架構(gòu)

• 高于650V的電壓更適合豪華車和跑車應(yīng)用。

就所使用的逆變器而言，三個(gè)電壓等級之間預(yù)計(jì)將有很大差異。在低壓類別中，硅(Si)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)是最常用的逆變器類型，而絕緣柵雙極晶體管(IGBT)逆變器最常用于中高電壓等級。盡管在本預(yù)測所覆蓋的年份里，低壓和中壓類別的這種層次結(jié)構(gòu)不會(huì)改變，但在高壓類別中，SiC逆變器將成為最常用的逆變器。

目前，IGBT逆變器在高壓級逆變器中的份額接近90%,剩余10%為SiC逆變器。然而，到2034年，這種情況將發(fā)生重大變化，SiC逆變器預(yù)計(jì)將占55%的市場份額，而IGBT逆變器的份額預(yù)計(jì)將下降到38%。此外，GaN逆變器預(yù)計(jì)將占高壓逆變器類別的7%。

在這十年的下半個(gè)五年里，汽車行業(yè)中GaN逆變器的使用也可能加快。然而，這項(xiàng)技術(shù)仍處于起步階段，很難預(yù)測它將如何發(fā)展。根據(jù)S&P Global Mobility的預(yù)測，GaN逆變器預(yù)計(jì)將占高壓逆變器類別(370萬塊)的7%。

電動(dòng)汽車中使用了四種類型的驅(qū)動(dòng)逆變器，取決于半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)。本部分著眼于這些技術(shù)如何相互疊加發(fā)揮作用，以及電動(dòng)汽車行業(yè)如何使用這些技術(shù)。

Si MOSFET逆變器主要用于輕混，但也用于低壓混動(dòng)。MOSFET具有三個(gè)端子，即源極、漏極和柵極端子。MOSFET在高達(dá)100V的低壓應(yīng)用和20千瓦的峰值功率中效率更高。這是因?yàn)檩^小的導(dǎo)通損耗和低壓降，使其能夠在高頻下工作。然而，隨著系統(tǒng)電壓增加，高導(dǎo)通損耗使Si MOSFET逆變器的效率降低。隨著汽車制造商將產(chǎn)品陣容轉(zhuǎn)移到更高水平的電氣化，如全混混動(dòng)汽車和插電式混動(dòng)汽車以及BEV,Si MOSFET將失去其市場份額。

根據(jù)S&P Global Mobility預(yù)測，到2027年，對Si MOSFET逆變器的需求將增長，但與IGBT或SiC逆變器相比，增長速度較低。2027年之后，對Si MOSFET的需求將開始下降。對Si MOSFET的需求將從2027年的1,410萬片下降到2034年的820萬片，降幅為7.4%。同期內(nèi)，輕混動(dòng)力汽車的產(chǎn)量預(yù)計(jì)也將從1,250萬輛下降至545萬輛。

IGBT從本質(zhì)上結(jié)合了雙極晶體管和MOSFET的物理特性，使其具有MOSFET的更高載流能力和高開關(guān)頻率。IGBT是一種基于三相硅的開關(guān)器件，但I(xiàn)GBT沒有源極、漏極和柵極端子，而是具有發(fā)射極、集電極和柵極端子。事實(shí)證明，IGBT在全混混動(dòng)汽車和BEV中的效率要高得多，因?yàn)镮GBT的額定電壓超過1,200V,而MOSFET的電壓為600V。該開關(guān)器件最適合為35千瓦至85千瓦的驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，使其成為入門到中級BEV的理想選擇。與Si MOSFET相比，IGBT的開關(guān)頻率較低，但對靜電放電的耐受性較高。IGBT還具有在較高電壓下較低的傳導(dǎo)損耗。

截至2023年，對IGBT逆變器的需求達(dá)到3,050萬臺。2023年，對IGBT逆變器的總需求中，63%來自全混混動(dòng)汽車，36.5%來自BEV。

到2029年，對IGBT逆變器的需求將繼續(xù)增長，達(dá)到5,890萬臺。2029年之后，需求將下降，減少至5,380萬臺。同時(shí)，對SiC逆變器的需求也將增長。

目前，IGBT逆變器在混動(dòng)汽車中的應(yīng)用最大，但到2030年代末，隨著對純電動(dòng)汽車的需求增加，BEV將成為IGBT逆變器的主要細(xì)分市場。IGBT逆變器是目前BEV細(xì)分市場的主心骨，2023年占BEV所用逆變器份額的67%,但隨著SiC技術(shù)走向成熟且更加容易獲得，IGBT的份額將在未來10年內(nèi)大幅下降，并且在下一個(gè)10年，IGBT在BEV細(xì)分市場的第一把交椅將被SiC取代。

GaN是汽車廠商和逆變器制造商正在研究的另一種寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)。GaN相對于SiC的主要優(yōu)勢之一是禁帶寬度為3.4伏特(eV),高于SiC的3eV和Si的1.1eV。GaN的固有特性實(shí)現(xiàn)了更快的開關(guān)能力，進(jìn)一步提高了逆變器的性能。在某些電壓架構(gòu)下，GaN的效率甚至高于SiC。GaN仍是一項(xiàng)相對較新的技術(shù)，其在電動(dòng)汽車逆變器中的應(yīng)用仍在研究中。它們尚未用于市售電動(dòng)汽車，預(yù)計(jì)將在晚些時(shí)候上市。GaN技術(shù)在高壓應(yīng)用(約400V汽車架構(gòu))的適用性方面仍面臨一些技術(shù)限制，需要解決這些限制，才能成為主流技術(shù)。隨著系統(tǒng)電壓增加，GaN芯片的尺寸也需要變大來維持效率。在空間有限的電動(dòng)汽車等應(yīng)用中，這不是理想的情況。考慮到GaN的最佳工作電壓范圍，它將很可能被視為Si的替代品，而非SiC。

到2034年，輕型汽車細(xì)分市場對GaN逆變器的需求將接近550萬臺。BEV將成為GaN逆變器的最大用戶，到2034年其份額將接近99.5%,全混混動(dòng)汽車將占0.5%。到2034年，GaN逆變器在整個(gè)逆變器市場中的份額將達(dá)到4%。

至于特斯拉，對GaN逆變器的需求將從2027年開始，達(dá)到32萬輛。到2034年，特斯拉和大眾合計(jì)將占全球GaN逆變器需求總量的近80%。

一些汽車公司和初創(chuàng)公司正在研究GaN逆變器：

• 在2021年，汽車動(dòng)力總成技術(shù)公司hofer powertrain與高壓汽車應(yīng)用氮化鎵(GaN)解決方案供應(yīng)商VisICTechnologies Ltd.宣布建立合作關(guān)系，共同開發(fā)用于800V電動(dòng)汽車的GaN逆變器。2023年2月，VisICTechnologies成功地為一家主流汽車廠商展示了其基于直接驅(qū)動(dòng)D模式氮化鎵(D3GaN)半導(dǎo)體技術(shù)的三相GaN逆變器，并配備了一臺PMSM電機(jī)。該公司稱，其三相GaN逆變器系統(tǒng)原型將在2023年第二季度末前在不同客戶地點(diǎn)進(jìn)行測試。

  
  

• 2022年9月，Marelli宣布與都靈理工大學(xué)(Politecnico di Torino)電力電子創(chuàng)新中心(PEIC)合作，設(shè)計(jì)一款基于GaN技術(shù)的多電平900V大功率逆變器原型，用于電動(dòng)汽車。

  
  

• 2027年開始對GaN逆變器的需求

高效的逆變器可以延長電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和提高性能，而不會(huì)顯著增加汽車的重量或成本。雖然IGBT具有良好的效率，但由于其所基于的硅材料，它也有缺點(diǎn)。為了解決這個(gè)問題，汽車行業(yè)正日益轉(zhuǎn)向碳化硅，這是一種寬禁帶(WBG)材料，可為逆變器提供更好的特性。與SIIGBT相比，SiC具有更高的電場擊穿能力、更好的熱導(dǎo)率、在更高的溫度工作，以及更高的開關(guān)頻率(由于電子禁帶寬),因而開關(guān)和傳導(dǎo)損耗更低。SiC更好的熱導(dǎo)率使逆變器能夠更快、更高效地散熱。這允許使用更小的和具有成本效益的冷卻解決方案。然而，SiC逆變器依然相對昂貴，更受高端電動(dòng)汽車的青睞。

截至2023年，對SiC逆變器的需求為550萬臺，占13%的市場份額。根據(jù)S&P Global Mobility的預(yù)測，到2034年，SiC逆變器的需求將以22.8%的復(fù)合年增長率增長，達(dá)到5,250萬臺。到2034年，BEV將占SiC逆變器需求的很大一部分，占SiC逆變器需求總量的84.5%,全混混動(dòng)汽車將占剩余的15%。到2034年，SiC逆變器將占逆變器總需求的44%。

汽車制造商尋求提高汽車效率的方法之一是提高零部件的集成度。汽車中更高的集成度可以提升空間利用率，減少系統(tǒng)損耗和提供更好的熱性能。

S&P Global Mobility對六種不同的逆變器集成度/配置進(jìn)行追蹤：

• 獨(dú)立裝置

• 逆變器+直流-直流轉(zhuǎn)換器(DC-DC)

• 逆變器+DC-DC+車載充電器(OBC)

• 電機(jī)+逆變器

• 電機(jī)+逆變器+DC-DC

• 機(jī)+逆變器+DC-DC+OBC

截至2023年，電機(jī)+逆變器的集成是BEV和輕混汽車中使用最廣泛的配置。在一輛電動(dòng)化輕型汽車中，約49%的逆變器采用這種配置。緊隨其后的是逆變器+DC-DC配置，占有31%的市場份額。逆變器+DC-DC是全混混動(dòng)中最常使用的配置。

在可預(yù)見的將來，電機(jī)+逆變器預(yù)計(jì)將仍然是首選配置。實(shí)際上，到2034年，這種配置的份額將增加到61%。另一方面，逆變器+DC-DC集成配置的份額將下降，同期內(nèi)占比將跌至19%。

目前，作為獨(dú)立裝置配備的逆變器占電動(dòng)汽車逆變器總安裝量的19%。到2034年，這一比例預(yù)計(jì)也將保持在18%的水平。

當(dāng)今市場上的大多數(shù)電動(dòng)汽車均基于400V系統(tǒng)架構(gòu)，但鑒于需要解決有關(guān)續(xù)航里程的焦慮、延長續(xù)航里程并縮短充電時(shí)間，在不久的將來，很多電動(dòng)汽車將基于800V架構(gòu)。目前，只有奧迪、保時(shí)捷、現(xiàn)代和起亞擁有基于800V架構(gòu)的電動(dòng)汽車，而Lucid Motor的Air基于900V+架構(gòu)。

800V架構(gòu)的優(yōu)勢：

• 充電速度更快，從而顯著縮短充電時(shí)間(幾乎高達(dá)50%)——這可以減小電池組的尺寸，從而降低車輛的總體成本

  
  

• 隨著系統(tǒng)電壓翻倍(即從400V到800V),電流量減少，從而允許使用更細(xì)、更輕的電線和電纜

  
  

• 由于電流減少，不需要復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)來控制溫度

改用800V架構(gòu)將需要寬禁帶半導(dǎo)體，如SiC和GaN。與Si相比，SiC有很多優(yōu)點(diǎn)，比如對溫度不那么敏感，提供更高效的開關(guān)，可以應(yīng)對高達(dá)200℃的結(jié)溫。

努力轉(zhuǎn)型到800V架構(gòu)并采用SiC逆變器的汽車廠商：

特斯拉和比亞迪憑借對SiC逆變器的需求最大，在競爭中處于領(lǐng)先地位。隨著BEV需求上升，疊加向800V架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，對SiC逆變器的需求也將上升。展望未來，到2034年，豐田、大眾、雷諾-日產(chǎn)-三菱、Stellantis、寶馬、梅賽德斯-奔馳、吉利和特斯拉將引領(lǐng)對SiC逆變器的需求。對于除豐田以外的所有汽車廠商而言，幾乎所有的SiC逆變器需求將來自其BEV產(chǎn)品線。

就豐田來說，到2034年，其近60%的SiC逆變器需求將來自全混混動(dòng)汽車，剩下40%來自BEV。就大眾而言，對SiC逆變器的需求將從2026年開始大幅增長，達(dá)到130萬臺，并在2034年增加到690萬臺。

其他汽車廠商的例子：

• 現(xiàn)代汽車：現(xiàn)代汽車在2022年CEO投資者日研討會(huì)上宣布，其計(jì)劃到2030年每年銷售187萬輛BEV,并推出17款新的BEV車型。在2021年，現(xiàn)代汽車宣布了將BEV車型數(shù)量從2021年的8款增加到2025年的23款的計(jì)劃。所有23款新的BEV車型將基于現(xiàn)代汽車的電動(dòng)全球模塊化平臺(E-GMP),支持800V和400V充電。現(xiàn)代汽車已選擇在其E-GMP平臺中使用SiC技術(shù)。它選擇了意法半導(dǎo)體的ACEPACK DRIVE SiC-MOSFET第三代功率模塊，可提供更長的續(xù)航里程。意法半導(dǎo)體聲稱其ACEPACK DRIVE SiC-MOSFET為驅(qū)動(dòng)逆變器提供了一種即插即用的解決方案，最高結(jié)溫為175℃。ACEPACK DRIVE從2023年3月開始全面生產(chǎn)。

  
  

• 沃爾沃：據(jù)稱沃爾沃正在開發(fā)一個(gè)名為全球產(chǎn)品架構(gòu)(GPA)的平臺，該平臺將基于800V架構(gòu)。在2022年6月的新聞稿中，Polestar宣布，其計(jì)劃于2024年推出的Polestar5電動(dòng)汽車將基于800V架構(gòu)，以及雙電機(jī)全輪驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成。

  
  

• 蔚來：2021年6月，中國大陸汽車廠商宣布，該公司已經(jīng)生產(chǎn)出第一批用于ET7車型的SiC電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的C原型。該公司稱，SiC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將更加緊湊、高效，并且重量輕。

  
  

• Rivian:Rivian的專有800V架構(gòu)包括一個(gè)集成式車載充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和DC-AC轉(zhuǎn)換器，以及用于雙電機(jī)和四電機(jī)配置的驅(qū)動(dòng)裝置。

一些汽車廠商正在與半導(dǎo)體/芯片供應(yīng)商建立合作關(guān)系，以轉(zhuǎn)移到SiC技術(shù)。

• 吉利：2021年，羅姆半導(dǎo)體和吉利宣布合作開發(fā)SiC功率器件。根據(jù)該合作關(guān)系，吉利將在其驅(qū)動(dòng)逆變器和車載充電系統(tǒng)中使用羅姆的SiC功率器件，旨在延長其電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。

  
  

• 通用汽車：在2021年，通用汽車與Wolfspeed,Inc.簽訂了供應(yīng)商協(xié)議，其中Wolfspeed將為通用汽車的UltiumDrive電機(jī)提供SiC功率器件。

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• 梅賽德斯-奔馳：2022年，安森美宣布，其用于逆變器的SiC技術(shù)已被梅賽德斯-奔馳用于其全電動(dòng)VISION EQXX電動(dòng)汽車。

  
  

• 大眾：2023年1月，大眾與onsemi建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，根據(jù)協(xié)議，onsemi將向大眾提供SiC功率模塊(EliteSiC功率模塊)和技術(shù)，用于大眾的下一代電動(dòng)汽車。

由于對SiC的需求將與對BEV的需求成正比，以及向800V架構(gòu)的轉(zhuǎn)移，大多數(shù)供應(yīng)商正在研究SiC逆變器技術(shù)。2023年2月，博格華納獲得一份訂單，向一家主流汽車廠商供應(yīng)兩種800V SiC逆變器，以用于該汽車廠商的BEV平臺。一個(gè)250千瓦的模塊將被用于乘用車和全輪驅(qū)動(dòng)跨界多用途車，而另一個(gè)350千瓦的模塊將用于該汽車廠商的高性能汽車。這些SiC逆變器將基于博格華納的專利“Viper”SiC800V功率模塊，并采用雙面冷卻技術(shù)。這些新的SiC逆變器將從2025年開始生產(chǎn)，每年40萬臺。

Marelli在2022年展示了其全新的綜合性800V SiC逆變器平臺，確保了逆變器在尺寸、重量和效率方面的改善。此外，Marelli還內(nèi)部開發(fā)了逆變器軟件，該軟件由位于逆變器外殼中的電子控制器(ECU)控制。

2023年3月，電裝宣布已開發(fā)出SiC逆變器，將用于即將上市的雷克薩斯RZ車型(該公司的首款BEV),作為BluE NexusCorporation開發(fā)的電驅(qū)動(dòng)模塊eAxle的一部分。

據(jù)S&PGlobalMobility估計(jì)，到2034年，電裝、特斯拉、伊頓、阿聯(lián)酋航空、比亞迪、寶馬和緯湃科技預(yù)計(jì)將成為SiC逆變器的主要供應(yīng)商。到2034年，電裝預(yù)計(jì)將供應(yīng)超過1,200萬臺SiC逆變器。與此相似，博格華納的SiC逆變器銷量將從2023年的8萬臺增加到2034年的450萬臺，復(fù)合年增長率接近44.2%。

比亞迪半導(dǎo)體部門于2022年6月推出一款1,200V1040A SiC功率模塊，將用于其大功率新能源汽車(NEV)平臺。該公司稱，這款新型SiC功率模塊可帶來30%的功率提升，并采用雙面燒結(jié)工藝，使連接層的熱導(dǎo)率提高10倍，可靠性提高5倍。

2022年，特斯拉生產(chǎn)了近204萬臺SiC逆變器，引領(lǐng)了SiC生產(chǎn)。然而，特斯拉在2023年3月宣布，該公司正致力于開發(fā)一種用于低成本電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成，將減少75%的SiC逆變器使用。

全球逆變器需求總量將從2023年的4,399萬臺增長到2034年的1.2億臺，復(fù)合年增長率為9.55%。目前，IGBT逆變器是全球所有類型電動(dòng)汽車中廣泛使用的逆變器類型，其次是Si MOSFET。然而，隨著對BEV需求的增加和向800V架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，對SiC逆變器的需求可能會(huì)增加。到2034年，SiC和IGBT逆變器的市場份額將分別達(dá)到44%和45%,幾乎均分。

按動(dòng)力類型來看，到2034年，逆變器需求總量中BEV將占67%,其次是全混混動(dòng)汽車，占26%。 

2022年，大中華區(qū)共使用了1,250萬臺逆變器。截至2023年，大中華區(qū)的逆變器需求達(dá)到1,688萬臺，預(yù)計(jì)該需求將以9%的復(fù)合年增長率增長到4,350萬臺。逆變器需求的很大一部分將來自BEV,其次是全混混動(dòng)汽車。2034年，BEV將占大中華區(qū)逆變器需求總量的68%。目前IGBT逆變器類型占大中華區(qū)逆變器需求的較大部分，但到2034年，隨著BEV的增長，SiC逆變器將成為大中華區(qū)最受歡迎的逆變器類型。

2022年，逆變器需求量為724萬臺。截至2023年，歐洲對逆變器的需求為1,020萬臺，并將增長到2,240萬臺，復(fù)合年增長率為7.4%。目前，歐洲市場上最受歡迎的逆變器類型是IGBT逆變器類型，市場份額為61%,MOSFET逆變器類型為31%。IGBT逆變器需求由全混混動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)，占需求的37%。

SiC逆變器類型需求低迷，2023年僅占?xì)W洲逆變器總需求的8%。盡管如此，對SiC的需求將上升，到2034年，將占?xì)W洲逆變器總需求的60%以上。歐洲逆變器需求增長將源于BEV需求增加，到2034年，BEV將占?xì)W洲逆變器需求總量的89%。

截至2023年，日本/韓國地區(qū)的逆變器需求為881萬臺，到2034年將增長到1,595萬臺。IGBT逆變器類型在日本/韓國地區(qū)需求中占很大比例，這種趨勢將持續(xù)到2034年。IGBT逆變器類型的需求主要受到全混混動(dòng)汽車需求增長的推動(dòng)。2032年以前，全混混動(dòng)汽車將主導(dǎo)日本/韓國的逆變器需求。從2033年起，BEV對逆變器的需求將超過全混混動(dòng)汽車對逆變器的需求。到2034年，BEV將占日本/韓國逆變器需求總量的48%,全混混動(dòng)汽車將占43%。2034年，SiC將占日本/韓國逆變器總需求的42%,IGBT將占46%。 

IGBT逆變器類型占北美逆變器需求的一大部分。截至2023年，對逆變器的需求為630萬臺，預(yù)計(jì)到2034年將達(dá)到2,500萬臺。