牽引逆變器位于高壓系統電池和電動機之間。它將高壓系統直流電壓轉換為3個交流輸出以驅動電機。牽引逆變器集成了許多技術來處理來自車輛控制單元 (VCU) 的扭矩命令，并根據需要安全地控制電機。車輛的續航里程與牽引逆變器和電機在整個駕駛過程中的效率直接相關，包括加速、穩定狀態和通過再生制動將能量回收到電池中。
 

　　牽引逆變器主要由四象限斬波器、中間電壓電路、制動斬波器和脈沖寬度調制逆變器組成。其中，四象限斬波器用于將直流電轉換為交流電，并且在轉換過程中實現能量的轉換和控制；中間電壓電路用于穩定輸出電壓，確保牽引電動機正常工作；制動斬波器用于將制動過程中產生的反向電能轉換為電能并儲存起來，以提高能源利用效率；脈沖寬度調制逆變器用于控制輸出電流的頻率和波形，以實現對交流牽引電動機的起動、制動和調速控制。
 

　　電動車上至少有一個牽引逆變器，有些車型有兩個，一個在前軸上，一個在后軸上。在一些高端車上，每個車輪都有一個牽引逆變器。
 

　　從逆變器和電機控制的技術發展趨勢來看，功率水平在不斷提高。目前，主流汽車的功率水平大約在60~80千瓦之間，下一代電動汽車的功率級別從100千瓦增加到500千瓦，甚至更多。另外，更高電池電壓也是發展趨勢，從400V到800V，另外，更高的系統集成度、功率密度和效率也是發展趨勢。
 

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　　IGBT與SiC 、GaN電源開關
 

　　電源開關是牽引逆變器中的核心器件，通常使用的是絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。然而，寬帶隙 (WBG) 功率開關，例如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)，可以提供顯著的優勢，包括更高的開關速率，從而帶來更高的效率和功率密度，以及更小的支持組件，以減小電動機的尺寸。
 

　　自2021年特斯拉宣布Model 3搭載SiC功率器件后，SiC便開啟了急速上車之路，這一領域也越來越熱鬧。目前，海外車企中，除了特斯拉牽引逆變器用上了SiC器件，豐田旗下的bZ4X、Mirai、Prius，以及雷克薩斯RZ也都開始采用SiC器件，此外，本田、福特、大眾等廠商也已開始采用SiC方案。
 

　　中國車企中，比亞迪已在SiC方面取得重大技術突破，比亞迪漢、唐四驅等旗艦車型上已大批使用SiC模塊，蔚來的ET7、ES7、ES8、EC7等車型也已經用上了SiC電驅系統，小鵬G9也采用了SiC器件。理想也已開始布局SiC方案，其功率半導體研發及生產基地于2023年5月落戶蘇州，專注于SiC車規芯片模組的研發及生產，預計2024年正式投產。此外，東風、吉利等車企也已開展相關布局。
 

　　SiC器件要想進一步普及，需要解決以下這些難題：高開關速度帶來的挑戰，極高的開關速度帶來了驅動電路設計上的挑戰，需要設計快速而精確的驅動電路，以確保SiC器件能夠準確地執行所需的開關操作；高溫工作環境對驅動電路提出了更高的要求，需要設計能夠承受高溫的驅動電路，并確保其在高溫環境下的穩定性和可靠性；由于SiC器件的高速開關特性，容易產生電磁干擾，對周圍電子設備和系統造成影響，因此，在驅動電路設計中需要采取有效的電磁干擾抑制措施；SiC器件具有開關頻率快、短路時間短等特點，對保護技術提出了更高的要求；SiC器件的制造成本較高，這限制了其在某些應用中的使用，在驅動電路設計中要綜合考慮性能和成本因素，以實現最佳的成本效益。
 

　　為了解決以上這些難題，需要不斷進行技術研究和創新，提高驅動電路的性能和可靠性。
 

　　除了SiC，GaN也開始在電動車中應用，特別是在400V和800V電動車牽引逆變器中，與SiC功率器件相比，GaN的優勢還是比較明顯的。
 

　　GaN功率器件能大幅提升能效，減少近40%能源損耗，同時提高33%的功率密度，實現更小巧輕量的牽引逆變器設計。整體來說，基于GaN設計的400V牽引逆變器能滿足市場對價格更實惠且續航能力更高的電動車的需求。
 

　　基于GaN的三階拓撲設計的牽引逆變器在800V系統中應用正在加速發展，其優勢主要包括：三階GaN拓撲設計在降低開關損耗、提高效率之余，還可減少濾波器和馬達中的高頻銅損及鐵損，與二階拓撲設計的系統相比，整體效率大幅提升；較小噪音、振動及電磁干擾；耐久性及可靠性優化，電路運作更平順穩定。另外，三階GaN拓撲能減少電機馬達軸承的負荷，提高的耐久性及可靠性有助于整體系統使用壽命的延長。
 

　　舉例來說，由豐田汽車(Toyota) 和名古屋大學(Nagoya University) 合作開發的All-GaN Car，在牽引逆變器、車載充電器和DC-DC轉換器中都采用了GaN功率器件，與常規的IGBT方案相比，GaN不僅提高了功率密度，更將效率推升了20%，延長了車輛的續航里程。
 

　　知名工程公司Ricardo 設計并比較了30kW GaN逆變器與SiC逆變器，測試結果顯示，GaN比SiC方案在功率損耗方面減少了25%，功率密度提高了33%。有不少Tier 1和OEM車廠也在250kW的牽引逆變器設計中得出類似的結果。
 

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　　全球電動車牽引逆變器市場格局
 

　　據TrendForce統計，受電動車傳統淡季影響，2024年第一季度全球牽引逆變器裝機量為522萬套，相較于2023年第四季度的714萬套，環比減少27%。其中，純電車的牽引逆變器裝機量占比為48%，季減5%，油電混合動力車及插電混合式電動車的牽引逆變器裝機量則從47%提高至52%。
 

　　從第一季度電動車各電壓區間的牽引逆變器裝機量來看，由于混動車型的增長，電壓≤300V的牽引逆變器裝機量占比達36%，季增2%；而純電車的衰退，導致電壓在300V~550V區間的裝機量占比季減1%，下降至55%，>550V的裝機量占比為9%，與上季持平。雖然各區間占比略有波動，市場主流電壓區間仍為300V~550V。
 

　　在全球范圍內，生產、銷售電動車牽引逆變器的廠商主要有Denso(電裝)，Delta Electronics，Bosch，特斯拉，Mitsubishi Electric，DANA TM4，Voith Turbo，Hitachi，Continental，Toshiba，Valeo，以及比亞迪，匯川技術和華為等。
 

　　下面就以全球排名前三中的Denso和特斯拉為例，介紹一下頂級牽引逆變器廠商的技術和產品能力。
 

　　Denso十分看重SiC器件，開發了 SiC升壓功率模塊，相比傳統的硅IGBT功率模塊，其體積減小了30%，功耗降低了70%。功耗的降低減小了升壓功率模塊的體積，同時提高了車輛的燃油效率。
 

　　豐田公司于2020年12月推出了Mirai車型，其中就采用了這種由SiC二極管和晶體管構成的模塊。早在2018年，豐田就在其Sora燃料電池巴士中采用了Denso的SiC二極管。
 

　　Denso的SiC器件與豐田的淵源可以追溯到1980年代，當時，兩家公司聯手開始對這種寬帶隙半導體材料進行基礎研究，直到2007年，豐田和Denso正式宣布聯合開發SiC器件并投入實際應用。
 

　　2014年，他們實現了首次突破，豐田宣布在普銳斯的功率控制單元(PCU)中采用SiC器件。普銳斯是豐田于1997年推出的油電混合動力汽車。PCU在混合動力汽車和其它采用電動系統的車輛中負責控制電機驅動功率，在車輛的總電力損耗中，它消耗了大約四分之一的功耗。
 

　　據測試，采用SiC器件的PCU將普銳斯的能效提高了10%。豐田將在凱美瑞混合動力原型車中測試這些基于SiC的PCU，以檢驗PCU的內部升壓轉換器和逆變器如何改善電壓、電流和熱管理性能。
 

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

　　特斯拉Model 3的逆變器系統以其創新設計而著稱。
 

　　Model 3是首個集成全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，這些模塊裝配在針翅式散熱器(pin-fin heatsink)上。所采用的SiC MOSFET是利用意法半導體的技術設計制造的，使其能夠減少導通損耗和開關損耗，這是基于對Model 3進行的全面拆解分析得出的，同時還提供了對SiC MOSFET及其封裝生產成本的估計。在這項技術中，針翅式散熱器的設計對于提高散熱效率至關重要，針翅設計增加了表面積，從而提高了熱傳遞效率，這對于管理SiC MOSFET在高效能運作時產生的熱量非常重要。
 

　　通過與意法半導體的合作，特斯拉能夠利用最新的技術來制造SiC MOSFET，這不僅提升了電動車的性能，還有助于降低生產成本，進一步推動了SiC技術在電動車領域的應用。
 

　　Model 3逆變器的核心是功率模塊，它由高效率的半導體器件組成，負責電能的轉換。SiC器件以其更低的功率損耗、更高的開關頻率和更優的熱性能，顯著提升了逆變器的工作效率，并實現了更為緊湊的設計。
 

　　Model 3逆變器的控制電路負責精細管理功率轉換過程，它精確監控電機的速度和扭矩需求，以確保與車輛的多種駕駛模式實現無縫集成。特斯拉的控制算法能夠精準控制逆變器的開關模式，優化功率輸出，提升整體駕駛體驗。
 

　　總體來看，Model 3逆變器的關鍵特點和技術創新主要體現在以下這些方面：SiC MOSFET技術；準模塊化設計，結合了傳統模塊化設計和分立器件的優點，逆變器由24個集成了功率模塊的單元組成，每個模塊具有較高的單體功率等級；集成度高，減少了器件數量和外部連接，簡化了系統復雜性，同時提高了可靠性；成本效益，盡管SiC MOSFET的成本較高，但通過減少器件數量和優化設計，能夠實現成本效益；逆變器采用了有效的熱管理方案，包括高導熱性能的基板和先進的散熱設計，以確保在高功率工作條件下保持穩定；創新的封裝，特斯拉與意法半導體合作，開發了一種新型封裝方案，結合了塑料封裝的低成本和模塊化封裝的電氣隔離等優點；逆變器設計考慮了軟件和硬件的緊密集成，以實現更好的系統控制和性能優化。
 

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　　中國廠商崛起
 

　　以上介紹的都是國際大廠，他們在逆變器領域深耕多年，憑借深厚的技術積累和市場影響力，一直占據著很大的市場份額。不過，由于中國電動車制造和消費市場快速崛起，帶動本土相關零部件技術和產品快速跟進，促使相關廠商的行業地位在相對短的時間內提升了不少。
 

　　據TrendForce統計，全球前五大的牽引逆變器Tier 1中，已有比亞迪和匯川技術兩家中國企業。其中，比亞迪的逆變器屬于自研自產產品，用于自家車型，匯川技術深耕理想、小鵬、小米等新創新能源車企。此外，華為的市占率已連續三季季增1%，未來能否進入前五大供應商值得關注。2024年第一季度，包含比亞迪和匯川技術在內的中國企業市占率達到34%，由歐美日Tier1主導牽引逆變器市場的局面已被打破。