比亚迪和华为正在追赶，汽车动力设备市场再次掀起波澜。

不管是油电混合动力汽车吗？(HEV)，插电式混合电瓶车(PHEV)，或者纯电动汽车(BEV)，牵引逆变器作为电气传动装置的关键部件，会影响驾驶体验、电池寿命和汽车整体安全。

牵引式逆变器位于高压系统电池和电机之间。这将高压系统的DC电压转换为三个交流导出永磁电机。牵引式逆变器集成了许多技术来处理车辆控制模块(VCU) 扭矩指令，根据需要安全控制电机。汽车的续航里程与牵引逆变器和电机在整个驾驶过程中的效率密切相关，包括通过再生制动将能量回收到电池中的加速、稳定状态和能量。

牵引式逆变器主要由四象限斩波器、中间电压电路、制动式斩波器和脉冲宽度调制式逆变器组成。其中，四象限斩波器用于将DC转换为交流电，在转换过程中获得能量转换和控制；中间电压电路用于稳定输出电压，保证牵引电机的正常运行；制动斩波器用于将制动过程中产生的反向电能转换成电能并保存起来，从而提高能源利用效率；脉冲宽度调制逆变器用于控制输出电流的次数和波形。从而实现对交流牵引电机的启动、制动和调速控制。

电动汽车上至少有一个牵引式变频器，有些车型有两个，一个在前轴上，一个在后轮上。在一些高端汽车中，每个车轮都有一个牵引式变频器。

从逆变器和电机控制的技术发展趋势来看，功率水平不断提高。目前主流汽车的功率水平在60~80KW左右，下一代电动汽车的功率水平从100KW增加到500KW甚至更多。此外，更高的电池电压也是一种发展趋势，从400V到800V。此外，更高的系统集成度、功率密度和质量也是一种发展趋势。

01 IGBT与SiC 、GaN电源开关

电源开关是牵引逆变器中的核心设备，一般采用绝缘栅双极晶体管。(IGBT)。但是，宽带间隙 (WBG) 电源开关，如碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)，它可以提供显著的优点，包括更高的开关速度，从而带来更高的效率和功率密度，以及更小的支撑部件，从而减小电机的尺寸。

特斯拉自2021年宣布Model 配备SiC功率设备后，SiC开始了快速上车的道路，这个领域越来越热闹。目前，在海外汽车公司中，丰田的bZ4X除了使用SiC设备的特斯拉牵引逆变器外，还使用了SiC设备。、Mirai、Prius，而且雷克萨斯RZ也开始选择SiC设备，此外，本田、福特、大众等厂商也开始采用SiC方案。

在中国汽车公司中，比亚迪在SiC方面取得了重大技术突破。SiC模块已广泛应用于比亚迪汉、唐四驱等旗舰车型，蔚来ET7、ES7、ES8、SiC电驱系统也已用于EC7等车型，小鹏G9也采用了SiC设备。理想情况下，SiC计划已经开始布局。其功率半导体R&D和生产基地于2023年5月落户苏州，致力于R&D和生产SiC车型芯片模块，预计2024年正式投产。另外，东风、吉利等车企也进行了相关布局。

如果SiC设备想要进一步普及，就必须解决以下问题：高开关速度带来的挑战，极高的开关速度带来了驱动电路设计的挑战，需要设计快速、精确的驱动电路，以确保SiC设备能够准确地执行所需的开关操作；高温度的工作环境对驱动电路提出了更高的要求，需要设计能够承受高温的驱动电路，并且确保其在高温环境下的稳定性和可靠性；由于SiC设备的高速开关特性，易产生干扰信号，影响周围的电子设备和系统，因此在驱动电路设计中需采取相应的干扰信号抑制措施；SiC设备具有开关频率快、短路时间短等特点，对保护技术提出了更高的要求；SiC设备的制造成本较高，这限制了其在某些应用中的应用，为了达到最佳的成本效率，在驱动电路设计中要综合考虑性能和成本因素。

要解决上述问题，必须不断地进行技术研究和创新，提高驱动电路的性能和可靠性。

除SiC外，GaN也逐渐应用于电动汽车，特别是在400V和800V电瓶车牵引逆变器中，GaN的优势与SiC功率设备相比还是比较明显的。

GaN功率设备可以大大提高能效，降低近40%的能耗，同时提高33%的功率密度，实现更小更轻的牵引式逆变设计。总的来说，基于GaN设计的400V牵引式逆变器可以满足市场对价格更实惠、续航能力更高的电动汽车的需求。

基于GaN的三阶拓扑设计的牵引逆变器在800V系统中的应用正在加速发展。其优点主要包括:三阶GaN拓扑设计不仅可以减少开关损耗，提高效率，还可以减少滤波器和电机中的高频铜损和铁损。与二阶拓扑设计的系统相比，整体效率大大提高；噪音小、振动小、干扰信号；随着耐久性和可靠性的提高，电路运行更加稳定稳定。另外，三阶GaN拓扑可以减轻电机轴承的负荷，提高耐久性和可靠性，有利于提高整个系统的使用寿命。

举例来说，丰田汽车(Toyota) 还有名古屋大学(Nagoya University) All合作开发-GaN Car，GaN功率器件用于牵引逆变器、车载充电器和DC-DC转换器。与常规的IGBT方案相比，GaN不仅提高了功率密度，而且提高了20%的效率，延长了汽车的续航里程。

Ricardoo知名工程公司 30kW的设计和比较 根据GaN逆变器和SiC逆变器的检测数据，GaN在功率损耗方面比SiC方案降低了25%，功率密度提高了33%。有许多Tier 在250kW的牵引逆变器设计中，OEM车厂也得到了类似的结果。

02 全球电瓶车牵引式逆变器市场格局

根据TrendForce的统计，受电瓶车传统淡季的影响，2024年第一季度全球牵引式逆变器安装量为522万件，比2023年第四季度的714万件减少了27%。在这些情况下，纯电动汽车牵引式逆变器的安装率为48%，季度减少5%，油电混合动力汽车和插电式混合动力汽车牵引式逆变器的安装率从47%提高到52%。

由于混合动力汽车的增长、电压压力的增大、电压的增大、电压的增大，从第一季度电瓶车各电压区间牵引逆变器的安装量来看，≤牵引式逆变器300V装机量占36%，季增2%。；而且纯电动汽车的衰退，导致电压在300V~550V之间的装机量减少了1%，减少到55%，>550V的装机量减少了9%，与上个赛季持平。虽然每个区间的比例略有波动，但市场主流电压区间仍然是300V~550V。

全球范围内，Denso(电装)是生产和销售电瓶车牵引逆变器的主要制造商，Delta Electronics，Bosch，特斯拉，Mitsubishi Electric，DANA TM4，Voith Turbo，Hitachi，Continental，Toshiba，Valeo，还有比亚迪，汇川技术与华为等。

以全球前三里的Denso和特斯拉为例，介绍一下顶级牵引式逆变器制造商的技术和产品能力。

Denso非常重视SiC设备，并开发了它。 与传统的硅IGBT功率模块相比，SiC变压功率模块的体积减少了30%，功耗减少了70%。功耗下降降低了变压功率模块的体积，同时提高了汽车的燃油效率。

2020年12月，丰田推出了由SiC二极管和晶体管组成的模块Mirai车型。在2018年，丰田在Sora燃料电池巴士中使用了Denso的SiC二极管。

在20世纪80年代，DensoSiC设备与丰田的关系可以追溯到20世纪80年代，两家公司联合开始对这种宽带间隙半导体材料进行基础研究，直到2007年，丰田和Denso正式宣布联合开发SiC设备并投入实际应用。

2014年，丰田宣布在普锐斯功率控制模块上完成首次突破(PCU)使用SiC设备。普锐斯是丰田于1997年推出的油电混合动力汽车。PCU负责控制混合动力汽车和其他选择电动系统的车辆的电机驱动功率。在汽车的总动力消耗中，它消耗了大约四分之一的功耗。

根据测试，选择SiC设备的PCU将普锐斯的能效提高了10%。为了测试PCU内部变压转换器和逆变器如何提高电压、电流和热管理性能，丰田将在凯美瑞混合动力原型车中测试这些基于SiC的PCU。

另外，Denso还采用了昭和电工的SiC外延片，用于其电源控制模块，该公司已将这些模块应用于其车载电池充电器和电动汽车的快速充电座。

特斯拉Model 3逆变器系统因其创意设计而被称为。

Model 3是第一款集成全SiC功率模块的车型。特斯拉的逆变器由24个1合1功率模块组成，这些模块安装在针翅散热器上。（pin-fin heatsink）上。使用的SiC MOSFET是利用意法半导体技术进行生产设计，使其能减少导通损耗和开关损耗，这是基于Model。 三是全面拆解分析得出的结论，同时也提供了SiC 估计MOSFET及其封装生产成本。在这项技术中，针翅散热器的设计对于提高散热效率尤为重要。针翅设计增强了表面积，从而提高了传热效率，这对于SiC管理来说是非常重要的。 在高效运行过程中，MOSFET产生的热量至关重要。

通过与意法半导体的合作，特斯拉可以利用最新技术制造SiC。 MOSFET，它不但提高了电动汽车的性能，而且有助于降低成本，进一步推动了SiC技术在电动汽车应用领域的发展。

Model 3逆变器的核心是功率模块，由高效半导体器件组成，负责电能转换。SiC器件显著提高了逆变器的工作效率，实现了更紧凑的设计，因为它具有更低的功率损失、更高的开关频率和更好的热性能。

Model 3逆变器控制电路负责对功率转换过程进行精细化管理，准确监控电机的速度和扭矩要求，确保与车辆的各种性能模式无缝集成。特斯拉的控制算法可以准确控制逆变器的开关模式，提高功率输出，改善整体驾驶体验。

总体来看，Model 3逆变器的关键特点和技术创新主要表现在以下几个方面：SiC MOSFET技术；准模块化，融合了传统模块化和分离器件的优点，逆变器由24个集成功率模块的单元组成，每个模块都有很高的单一功率等级；集成度高，降低了设备数量和外部连接，简化了系统的复杂性，提高了可靠性；成本效率，虽然SiC MOSFET的成本很高，但是通过减少设备数量和优化设计，可以达到成本效率；逆变器采用有效的热管理方案，包括导热性能高的基板和先进的散热设计，以确保在大功率工作环境中保持稳定；特斯拉与意法半导体合作，开发了一种新的封装方案，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；为了实现更好的系统控制和性能优化，逆变器设计考虑了软硬件的紧密集成。

03 中国制造商崛起

以上都是国际制造商。他们在逆变器领域深耕多年。凭借深厚的技术积累和市场影响力，他们一直占据着巨大的市场份额。然而，由于中国电瓶车生产和消费市场的快速崛起，地方相关零部件技术和产品的快速跟进促进了相对较短的时间内相关制造商的行业地位。

根据TrendForce的统计，TierTier是世界前五大牵引逆变器。 中国有两家中国公司，比亚迪和汇川技术。其中，比亚迪的逆变器属于自己开发生产的产品，用于自己的车型。汇川技术深入培育理想、小鹏、小米等创新能源汽车公司。

此外，华为的市场份额连续三季度增长1%，未来能否进入前五大供应商值得关注。2024年第一季度，包括比亚迪和汇川技术在内的中国公司市场份额达到34%，欧美日Tier1牵引逆变器市场的局面已经被打破。

本文来自微信公众号“半导体产业纵横”（ID：ICViews），作者：畅秋，36氪经授权发布。

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