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　　牵引逆变器位于高压系统电池和电动机之间。它将高压系统直流电压转换为3个交流输出以驱动电机。牵引逆变器集成了许多技术来处理来自车辆控制单元 (VCU) 的扭矩命令，并根据需要安全地控制电机。车辆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直接相关，包括加速、稳定状态和通过再生制动将能量回收到电池中。
 

　　牵引逆变器主要由四象限斩波器、中间电压电路、制动斩波器和脉冲宽度调制逆变器组成。其中，四象限斩波器用于将直流电转换为交流电，并且在转换过程中实现能量的转换和控制；中间电压电路用于稳定输出电压，确保牵引电动机正常工作；制动斩波器用于将制动过程中产生的反向电能转换为电能并储存起来，以提高能源利用效率；脉冲宽度调制逆变器用于控制输出电流的频率和波形，以实现对交流牵引电动机的起动、制动和调速控制。
 

　　电动车上至少有一个牵引逆变器，有些车型有两个，一个在前轴上，一个在后轴上。在一些高端车上，每个车轮都有一个牵引逆变器。
 

　　从逆变器和电机控制的技术发展趋势来看，功率水平在不断提高。目前，主流汽车的功率水平大约在60~80千瓦之间，下一代电动汽车的功率级别从100千瓦增加到500千瓦，甚至更多。另外，更高电池电压也是发展趋势，从400V到800V，另外，更高的系统集成度、功率密度和效率也是发展趋势。
 

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　　IGBT与SiC 、GaN电源开关
 

　　电源开关是牵引逆变器中的核心器件，通常使用的是绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。然而，宽带隙 (WBG) 功率开关，例如碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)，可以提供显著的优势，包括更高的开关速率，从而带来更高的效率和功率密度，以及更小的支持组件，以减小电动机的尺寸。
 

　　自2021年特斯拉宣布Model 3搭载SiC功率器件后，SiC便开启了急速上车之路，这一领域也越来越热闹。目前，海外车企中，除了特斯拉牵引逆变器用上了SiC器件，丰田旗下的bZ4X、Mirai、Prius，以及雷克萨斯RZ也都开始采用SiC器件，此外，本田、福特、大众等厂商也已开始采用SiC方案。
 

　　中国车企中，比亚迪已在SiC方面取得重大技术突破，比亚迪汉、唐四驱等旗舰车型上已大批使用SiC模块，蔚来的ET7、ES7、ES8、EC7等车型也已经用上了SiC电驱系统，小鹏G9也采用了SiC器件。理想也已开始布局SiC方案，其功率半导体研发及生产基地于2023年5月落户苏州，专注于SiC车规芯片模组的研发及生产，预计2024年正式投产。此外，东风、吉利等车企也已开展相关布局。
 

　　SiC器件要想进一步普及，需要解决以下这些难题：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上的挑战，需要设计快速而精确的驱动电路，以确保SiC器件能够准确地执行所需的开关操作；高温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，并确保其在高温环境下的稳定性和可靠性；由于SiC器件的高速开关特性，容易产生电磁干扰，对周围电子设备和系统造成影响，因此，在驱动电路设计中需要采取有效的电磁干扰抑制措施；SiC器件具有开关频率快、短路时间短等特点，对保护技术提出了更高的要求；SiC器件的制造成本较高，这限制了其在某些应用中的使用，在驱动电路设计中要综合考虑性能和成本因素，以实现最佳的成本效益。
 

　　为了解决以上这些难题，需要不断进行技术研究和创新，提高驱动电路的性能和可靠性。
 

　　除了SiC，GaN也开始在电动车中应用，特别是在400V和800V电动车牵引逆变器中，与SiC功率器件相比，GaN的优势还是比较明显的。
 

　　GaN功率器件能大幅提升能效，减少近40%能源损耗，同时提高33%的功率密度，实现更小巧轻量的牵引逆变器设计。整体来说，基于GaN设计的400V牵引逆变器能满足市场对价格更实惠且续航能力更高的电动车的需求。
 

　　基于GaN的三阶拓扑设计的牵引逆变器在800V系统中应用正在加速发展，其优势主要包括：三阶GaN拓扑设计在降低开关损耗、提高效率之余，还可减少滤波器和马达中的高频铜损及铁损，与二阶拓扑设计的系统相比，整体效率大幅提升；较小噪音、振动及电磁干扰；耐久性及可靠性优化，电路运作更平顺稳定。另外，三阶GaN拓扑能减少电机马达轴承的负荷，提高的耐久性及可靠性有助于整体系统使用寿命的延长。
 

　　举例来说，由丰田汽车(Toyota) 和名古屋大学(Nagoya University) 合作开发的All-GaN Car，在牵引逆变器、车载充电器和DC-DC转换器中都采用了GaN功率器件，与常规的IGBT方案相比，GaN不仅提高了功率密度，更将效率推升了20%，延长了车辆的续航里程。
 

　　知名工程公司Ricardo 设计并比较了30kW GaN逆变器与SiC逆变器，测试结果显示，GaN比SiC方案在功率损耗方面减少了25%，功率密度提高了33%。有不少Tier 1和OEM车厂也在250kW的牵引逆变器设计中得出类似的结果。
 

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　　全球电动车牵引逆变器市场格局
 

　　据TrendForce统计，受电动车传统淡季影响，2024年第一季度全球牵引逆变器装机量为522万套，相较于2023年第四季度的714万套，环比减少27%。其中，纯电车的牵引逆变器装机量占比为48%，季减5%，油电混合动力车及插电混合式电动车的牵引逆变器装机量则从47%提高至52%。
 

　　从第一季度电动车各电压区间的牵引逆变器装机量来看，由于混动车型的增长，电压≤300V的牵引逆变器装机量占比达36%，季增2%；而纯电车的衰退，导致电压在300V~550V区间的装机量占比季减1%，下降至55%，>550V的装机量占比为9%，与上季持平。虽然各区间占比略有波动，市场主流电压区间仍为300V~550V。
 

　　在全球范围内，生产、销售电动车牵引逆变器的厂商主要有Denso(电装)，Delta Electronics，Bosch，特斯拉，Mitsubishi Electric，DANA TM4，Voith Turbo，Hitachi，Continental，Toshiba，Valeo，以及比亚迪，汇川技术和华为等。
 

　　下面就以全球排名前三中的Denso和特斯拉为例，介绍一下顶级牵引逆变器厂商的技术和产品能力。
 

　　Denso十分看重SiC器件，开发了 SiC升压功率模块，相比传统的硅IGBT功率模块，其体积减小了30%，功耗降低了70%。功耗的降低减小了升压功率模块的体积，同时提高了车辆的燃油效率。
 

　　丰田公司于2020年12月推出了Mirai车型，其中就采用了这种由SiC二极管和晶体管构成的模块。早在2018年，丰田就在其Sora燃料电池巴士中采用了Denso的SiC二极管。
 

　　Denso的SiC器件与丰田的渊源可以追溯到1980年代，当时，两家公司联手开始对这种宽带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器件并投入实际应用。
 

　　2014年，他们实现了首次突破，丰田宣布在普锐斯的功率控制单元(PCU)中采用SiC器件。普锐斯是丰田于1997年推出的油电混合动力汽车。PCU在混合动力汽车和其它采用电动系统的车辆中负责控制电机驱动功率，在车辆的总电力损耗中，它消耗了大约四分之一的功耗。
 

　　据测试，采用SiC器件的PCU将普锐斯的能效提高了10%。丰田将在凯美瑞混合动力原型车中测试这些基于SiC的PCU，以检验PCU的内部升压转换器和逆变器如何改善电压、电流和热管理性能。
 

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

　　特斯拉Model 3的逆变器系统以其创新设计而著称。
 

　　Model 3是首个集成全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，这些模块装配在针翅式散热器(pin-fin heatsink)上。所采用的SiC MOSFET是利用意法半导体的技术设计制造的，使其能够减少导通损耗和开关损耗，这是基于对Model 3进行的全面拆解分析得出的，同时还提供了对SiC MOSFET及其封装生产成本的估计。在这项技术中，针翅式散热器的设计对于提高散热效率至关重要，针翅设计增加了表面积，从而提高了热传递效率，这对于管理SiC MOSFET在高效能运作时产生的热量非常重要。
 

　　通过与意法半导体的合作，特斯拉能够利用最新的技术来制造SiC MOSFET，这不仅提升了电动车的性能，还有助于降低生产成本，进一步推动了SiC技术在电动车领域的应用。
 

　　Model 3逆变器的核心是功率模块，它由高效率的半导体器件组成，负责电能的转换。SiC器件以其更低的功率损耗、更高的开关频率和更优的热性能，显著提升了逆变器的工作效率，并实现了更为紧凑的设计。
 

　　Model 3逆变器的控制电路负责精细管理功率转换过程，它精确监控电机的速度和扭矩需求，以确保与车辆的多种驾驶模式实现无缝集成。特斯拉的控制算法能够精准控制逆变器的开关模式，优化功率输出，提升整体驾驶体验。
 

　　总体来看，Model 3逆变器的关键特点和技术创新主要体现在以下这些方面：SiC MOSFET技术；准模块化设计，结合了传统模块化设计和分立器件的优点，逆变器由24个集成了功率模块的单元组成，每个模块具有较高的单体功率等级；集成度高，减少了器件数量和外部连接，简化了系统复杂性，同时提高了可靠性；成本效益，尽管SiC MOSFET的成本较高，但通过减少器件数量和优化设计，能够实现成本效益；逆变器采用了有效的热管理方案，包括高导热性能的基板和先进的散热设计，以确保在高功率工作条件下保持稳定；创新的封装，特斯拉与意法半导体合作，开发了一种新型封装方案，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；逆变器设计考虑了软件和硬件的紧密集成，以实现更好的系统控制和性能优化。
 

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　　中国厂商崛起
 

　　以上介绍的都是国际大厂，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，一直占据着很大的市场份额。不过，由于中国电动车制造和消费市场快速崛起，带动本土相关零部件技术和产品快速跟进，促使相关厂商的行业地位在相对短的时间内提升了不少。
 

　　据TrendForce统计，全球前五大的牵引逆变器Tier 1中，已有比亚迪和汇川技术两家中国企业。其中，比亚迪的逆变器属于自研自产产品，用于自家车型，汇川技术深耕理想、小鹏、小米等新创新能源车企。此外，华为的市占率已连续三季季增1%，未来能否进入前五大供应商值得关注。2024年第一季度，包含比亚迪和汇川技术在内的中国企业市占率达到34%，由欧美日Tier1主导牵引逆变器市场的局面已被打破。