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概述
逆變器在電動汽車和混動汽車中發揮著重要作用。其主要功能是將車載電池組提供的直流電轉換為三相交流電，用于汽車的電機。此外，在再生制動期間，逆變器將交流電轉換為直流電，為電池組充電。
擁有一個高效且重量輕的逆變器可以延長續航里程，并實現更快速的電動汽車充電。它還可以減小電池組的尺寸，從而節省電動汽車的成本。逆變器有一個稱為功率模塊的組件，帶有一個半導體開關裝置，通過打開和關閉以改變電流方向來產生交流電。逆變器對電動汽車至關重要。
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系統電壓架構
對開關裝置技術的選擇在很大程度上取決于電壓架構，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。
傳統內燃發動機驅動的輕型汽車
傳統內燃發動機驅動的輕型乘用車使用12V或偶爾使用24V的系統為車內電路(如電子控制器、車燈和信息娛樂系統)供電。為了提高效率和排放控制，48V架構系統被開發出來。
輕混和全混混合動力總成
使用電力驅動，其中電機/發電機可以輔助內燃機或直接為車橋供電。某些輔助系統——如空調、強制感應和起停功能——可以通過48V的輔助電池組運行，從而大幅降低油耗。憑借發電能力來支持車輛的輕混功能，48V系統將在未來幾年內成為混動汽車中的常見配置。
所有電動和全混混合動力總成
全電動和全混混合動力總成采用高壓架構，電壓通常在300V至600V之間，在某些情況下甚至更高。電動汽車驅動電機通常在高電壓下運行，以提取足夠的電力，從而實現與燃油驅動汽車相當或更優越的性能和駕駛性能。
電驅動系統的系統電壓分為三個等級——最高48V為低壓；48V以上至450V為中壓；450V以上至1,000V為高壓。
輕混混動應用中使用的系統電壓最高達到48V
48V至400V用于混動和大部分市場上的BEV架構。
400V至650V用于高性能全混混動、BEV和FCEV架構
高于650V的電壓更適合豪華車和跑車應用。
就所使用的逆變器而言，三個電壓等級之間預計將有很大差異。在低壓類別中，硅(Si)金屬氧化物半導體場效應晶體管(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。盡管在本預測所覆蓋的年份里，低壓和中壓類別的這種層次結構不會改變，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，這種情況將發生重大變化，SiC逆變器預計將占55%的市場份額，而IGBT逆變器的份額預計將下降到38%。此外，GaN逆變器預計將占高壓逆變器類別的7%。
在這十年的下半個五年里，汽車行業中GaN逆變器的使用也可能加快。然而，這項技術仍處于起步階段，很難預測它將如何發展。根據S&P Global Mobility的預測，GaN逆變器預計將占高壓逆變器類別(370萬塊)的7%。
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逆變器的類型
電動汽車中使用了四種類型的驅動逆變器，取決于半導體開關技術。本部分著眼于這些技術如何相互疊加發揮作用，以及電動汽車行業如何使用這些技術。
金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)
Si MOSFET逆變器主要用于輕混，但也用于低壓混動。MOSFET具有三個端子，即源極、漏極和柵極端子。MOSFET在高達100V的低壓應用和20千瓦的峰值功率中效率更高。這是因為較小的導通損耗和低壓降，使其能夠在高頻下工作。然而，隨著系統電壓增加，高導通損耗使Si MOSFET逆變器的效率降低。隨著汽車制造商將產品陣容轉移到更高水平的電氣化，如全混混動汽車和插電式混動汽車以及BEV,Si MOSFET將失去其市場份額。
根據S&P Global Mobility預測，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，輕混動力汽車的產量預計也將從1,250萬輛下降至545萬輛。
絕緣柵雙極晶體管(IGBT)
IGBT從本質上結合了雙極晶體管和MOSFET的物理特性，使其具有MOSFET的更高載流能力和高開關頻率。IGBT是一種基于三相硅的開關器件，但IGBT沒有源極、漏極和柵極端子，而是具有發射極、集電極和柵極端子。事實證明，IGBT在全混混動汽車和BEV中的效率要高得多，因為IGBT的額定電壓超過1,200V,而MOSFET的電壓為600V。該開關器件最適合為35千瓦至85千瓦的驅動電機供電，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損耗。
截至2023年，對IGBT逆變器的需求達到3,050萬臺。2023年，對IGBT逆變器的總需求中，63%來自全混混動汽車，36.5%來自BEV。
到2029年，對IGBT逆變器的需求將繼續增長，達到5,890萬臺。2029年之后，需求將下降，減少至5,380萬臺。同時，對SiC逆變器的需求也將增長。
目前，IGBT逆變器在混動汽車中的應用最大，但到2030年代末，隨著對純電動汽車的需求增加，BEV將成為IGBT逆變器的主要細分市場。IGBT逆變器是目前BEV細分市場的主心骨，2023年占BEV所用逆變器份額的67%,但隨著SiC技術走向成熟且更加容易獲得，IGBT的份額將在未來10年內大幅下降，并且在下一個10年，IGBT在BEV細分市場的第一把交椅將被SiC取代。
氮化鎵(GaN)
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體技術。GaN相對于SiC的主要優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的固有特性實現了更快的開關能力，進一步提高了逆變器的性能。在某些電壓架構下，GaN的效率甚至高于SiC。GaN仍是一項相對較新的技術，其在電動汽車逆變器中的應用仍在研究中。它們尚未用于市售電動汽車，預計將在晚些時候上市。GaN技術在高壓應用(約400V汽車架構)的適用性方面仍面臨一些技術限制，需要解決這些限制，才能成為主流技術。隨著系統電壓增加，GaN芯片的尺寸也需要變大來維持效率。在空間有限的電動汽車等應用中，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%,全混混動汽車將占0.5%。到2034年，GaN逆變器在整個逆變器市場中的份額將達到4%。
至于特斯拉，對GaN逆變器的需求將從2027年開始，達到32萬輛。到2034年，特斯拉和大眾合計將占全球GaN逆變器需求總量的近80%。
一些汽車公司和初創公司正在研究GaN逆變器：
在2021年，汽車動力總成技術公司hofer powertrain與高壓汽車應用氮化鎵(GaN)解決方案供應商VisICTechnologies Ltd.宣布建立合作關系，共同開發用于800V電動汽車的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動D模式氮化鎵(D3GaN)半導體技術的三相GaN逆變器，并配備了一臺PMSM電機。該公司稱，其三相GaN逆變器系統原型將在2023年第二季度末前在不同客戶地點進行測試。
2022年9月，Marelli宣布與都靈理工大學(Politecnico di Torino)電力電子創新中心(PEIC)合作，設計一款基于GaN技術的多電平900V大功率逆變器原型，用于電動汽車。
2027年開始對GaN逆變器的需求
碳化硅(SiC)
高效的逆變器可以延長電動汽車的續航里程和提高性能，而不會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。為了解決這個問題，汽車行業正日益轉向碳化硅，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、更好的熱導率、在更高的溫度工作，以及更高的開關頻率(由于電子禁帶寬),因而開關和傳導損耗更低。SiC更好的熱導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S&P Global Mobility的預測，到2034年，SiC逆變器的需求將以22.8%的復合年增長率增長，達到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%。
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逆變器的集成度
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/配置進行追蹤：
獨立裝置
逆變器+DC-DC+車載充電器(OBC)
電機+逆變器
電機+逆變器+DC-DC
機+逆變器+DC-DC+OBC
截至2023年，電機+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是全混混動中最常使用的配置。
在可預見的將來，電機+逆變器預計將仍然是首選配置。實際上，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，同期內占比將跌至19%。
目前，作為獨立裝置配備的逆變器占電動汽車逆變器總安裝量的19%。到2034年，這一比例預計也將保持在18%的水平。
使用800V架構的汽車廠商分析和SiC增長
當今市場上的大多數電動汽車均基于400V系統架構，但鑒于需要解決有關續航里程的焦慮、延長續航里程并縮短充電時間，在不久的將來，很多電動汽車將基于800V架構。目前，只有奧迪、保時捷、現代和起亞擁有基于800V架構的電動汽車，而Lucid Motor的Air基于900V+架構。
800V架構的優勢：
充電速度更快，從而顯著縮短充電時間(幾乎高達50%)——這可以減小電池組的尺寸，從而降低車輛的總體成本
隨著系統電壓翻倍(即從400V到800V),電流量減少，從而允許使用更細、更輕的電線和電纜
由于電流減少，不需要復雜的熱管理系統來控制溫度
改用800V架構將需要寬禁帶半導體，如SiC和GaN。與Si相比，SiC有很多優點，比如對溫度不那么敏感，提供更高效的開關，可以應對高達200℃的結溫。
努力轉型到800V架構并采用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，在競爭中處于領先地位。隨著BEV需求上升，疊加向800V架構的轉變，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-三菱、Stellantis、寶馬、梅賽德斯-奔馳、吉利和特斯拉將引領對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，達到130萬臺，并在2034年增加到690萬臺。
其他汽車廠商的例子：
現代汽車：現代汽車在2022年CEO投資者日研討會上宣布，其計劃到2030年每年銷售187萬輛BEV,并推出17款新的BEV車型。在2021年，現代汽車宣布了將BEV車型數量從2021年的8款增加到2025年的23款的計劃。所有23款新的BEV車型將基于現代汽車的電動全球模塊化平臺(E-GMP),支持800V和400V充電。現代汽車已選擇在其E-GMP平臺中使用SiC技術。它選擇了意法半導體的ACEPACK DRIVE SiC-MOSFET第三代功率模塊，可提供更長的續航里程。意法半導體聲稱其ACEPACK DRIVE SiC-MOSFET為驅動逆變器提供了一種即插即用的解決方案，最高結溫為175℃。ACEPACK DRIVE從2023年3月開始全面生產。
沃爾沃：據稱沃爾沃正在開發一個名為全球產品架構(GPA)的平臺，該平臺將基于800V架構。在2022年6月的新聞稿中，Polestar宣布，其計劃于2024年推出的Polestar5電動汽車將基于800V架構，以及雙電機全輪驅動動力總成。
蔚來：2021年6月，中國大陸汽車廠商宣布，該公司已經生產出第一批用于ET7車型的SiC電驅動系統的C原型。該公司稱，SiC驅動系統將更加緊湊、高效，并且重量輕。
Rivian:Rivian的專有800V架構包括一個集成式車載充電器、DC-DC轉換器和DC-AC轉換器，以及用于雙電機和四電機配置的驅動裝置。
一些汽車廠商正在與半導體/芯片供應商建立合作關系，以轉移到SiC技術。
吉利：2021年，羅姆半導體和吉利宣布合作開發SiC功率器件。根據該合作關系，吉利將在其驅動逆變器和車載充電系統中使用羅姆的SiC功率器件，旨在延長其電動汽車的續航里程。
通用汽車：在2021年，通用汽車與Wolfspeed,Inc.簽訂了供應商協議，其中Wolfspeed將為通用汽車的UltiumDrive電機提供SiC功率器件。
梅賽德斯-奔馳：2022年，安森美宣布，其用于逆變器的SiC技術已被梅賽德斯-奔馳用于其全電動VISION EQXX電動汽車。
大眾：2023年1月，大眾與onsemi建立戰略合作伙伴關系，根據協議，onsemi將向大眾提供SiC功率模塊(EliteSiC功率模塊)和技術，用于大眾的下一代電動汽車。
研究SiC逆變器的供應商
由于對SiC的需求將與對BEV的需求成正比，以及向800V架構的轉移，大多數供應商正在研究SiC逆變器技術。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兩種800V SiC逆變器，以用于該汽車廠商的BEV平臺。一個250千瓦的模塊將被用于乘用車和全輪驅動跨界多用途車，而另一個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。這些新的SiC逆變器將從2025年開始生產，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還內部開發了逆變器軟件，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開發的電驅動模塊eAxle的一部分。
據S&PGlobalMobility估計，到2034年，電裝、特斯拉、伊頓、阿聯酋航空、比亞迪、寶馬和緯湃科技預計將成為SiC逆變器的主要供應商。到2034年，電裝預計將供應超過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，復合年增長率接近44.2%。
比亞迪半導體部門于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，并采用雙面燒結工藝，使連接層的熱導率提高10倍，可靠性提高5倍。
2022年，特斯拉生產了近204萬臺SiC逆變器，引領了SiC生產。然而，特斯拉在2023年3月宣布，該公司正致力于開發一種用于低成本電動汽車的動力總成，將減少75%的SiC逆變器使用。
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逆變器的全球需求
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，復合年增長率為9.55%。目前，IGBT逆變器是全球所有類型電動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架構的轉變，對SiC逆變器的需求可能會增加。到2034年，SiC和IGBT逆變器的市場份額將分別達到44%和45%,幾乎均分。
按動力類型來看，到2034年，逆變器需求總量中BEV將占67%,其次是全混混動汽車，占26%。?
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逆變器的地區需求
主要汽車地區對逆變器的需求與該地區生產的替代動力汽車的數量直接相關。大中華區在逆變器總體需求方面處于領先地位，并將在本預測所覆蓋的年份里繼續保持領先。
大中華區
2022年，大中華區共使用了1,250萬臺逆變器。截至2023年，大中華區的逆變器需求達到1,688萬臺，預計該需求將以9%的復合年增長率增長到4,350萬臺。逆變器需求的很大一部分將來自BEV,其次是全混混動汽車。2034年，BEV將占大中華區逆變器需求總量的68%。目前IGBT逆變器類型占大中華區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最受歡迎的逆變器類型。
歐洲
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汽車驅動，占需求的37%。
SiC逆變器類型需求低迷，2023年僅占歐洲逆變器總需求的8%。盡管如此，對SiC的需求將上升，到2034年，將占歐洲逆變器總需求的60%以上。歐洲逆變器需求增長將源于BEV需求增加，到2034年，BEV將占歐洲逆變器需求總量的89%。
?日本/韓國
截至2023年，日本/韓國地區的逆變器需求為881萬臺，到2034年將增長到1,595萬臺。IGBT逆變器類型在日本/韓國地區需求中占很大比例，這種趨勢將持續到2034年。IGBT逆變器類型的需求主要受到全混混動汽車需求增長的推動。2032年以前，全混混動汽車將主導日本/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%。?
北美
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，預計到2034年將達到2,500萬臺。
結語
與2023年的當前需求相比，預計到2028年，電機需求將增長14倍，到2034年增長36倍。2034年，永磁電機的市場份額將繼續接近79%,但其銷量將增加到9,560萬輛。鑒于對稀土供應的擔憂，一些公司正努力開發使用稀土的電機，或嘗試采用替代電機類型，例如感應電機和繞線轉子同步電機。然而，由于缺乏任何商業上可行的技術，我們預計永磁電機將繼續成為電動汽車行業的主流。
隨著對提高效率和延長續航里程的需求持續存在，汽車行業將見證大多數汽車廠商的電動汽車改用800V架構。由于SiC逆變器的開關效率高且損耗較小，需求將旺盛，并將被廣泛采用。SiC逆變器的廣泛采用將導致許多汽車廠商和供應商選擇與半導體公司進行垂直整合，以保障SiC的供應。
編輯：黃飛
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工商網監
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