無論是油電混合動(dòng)力車(HEV)，插電混合電動(dòng)車(PHEV)，還是純電動(dòng)車(BEV)，作為電氣化傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，牽引逆變器會(huì)影響駕駛體驗(yàn)、電池續(xù)航能力以及汽車整體的安全性。
牽引逆變器位于高壓系統(tǒng)電池和電動(dòng)機(jī)之間。它將高壓系統(tǒng)直流電壓轉(zhuǎn)換為3個(gè)交流輸出以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。牽引逆變器集成了許多技術(shù)來處理來自車輛控制單元 (VCU) 的扭矩命令，并根據(jù)需要安全地控制電機(jī)。車輛的續(xù)航里程與牽引逆變器和電機(jī)在整個(gè)駕駛過程中的效率直接相關(guān)，包括加速、穩(wěn)定狀態(tài)和通過再生制動(dòng)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(dòng)斬波器和脈沖寬度調(diào)制逆變器組成。其中，四象限斬波器用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并且在轉(zhuǎn)換過程中實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和控制；中間電壓電路用于穩(wěn)定輸出電壓，確保牽引電動(dòng)機(jī)正常工作；制動(dòng)斬波器用于將制動(dòng)過程中產(chǎn)生的反向電能轉(zhuǎn)換為電能并儲(chǔ)存起來，以提高能源利用效率；脈沖寬度調(diào)制逆變器用于控制輸出電流的頻率和波形，以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流牽引電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速控制。
電動(dòng)車上至少有一個(gè)牽引逆變器，有些車型有兩個(gè)，一個(gè)在前軸上，一個(gè)在后軸上。在一些高端車上，每個(gè)車輪都有一個(gè)牽引逆變器。
從逆變器和電機(jī)控制的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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(dòng)汽車的功率級(jí)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(fā)展趨勢(shì)，從400V到800V，另外，更高的系統(tǒng)集成度、功率密度和效率也是發(fā)展趨勢(shì)。
01
IGBT與SiC 、GaN電源開關(guān)
電源開關(guān)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(guān)，例如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)，可以提供顯著的優(yōu)勢(shì)，包括更高的開關(guān)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(dòng)機(jī)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(lǐng)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(guó)車企中，比亞迪已在SiC方面取得重大技術(shù)突破，比亞迪漢、唐四驅(qū)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(jīng)用上了SiC電驅(qū)系統(tǒng)，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(dǎo)體研發(fā)及生產(chǎn)基地于2023年5月落戶蘇州，專注于SiC車規(guī)芯片模組的研發(fā)及生產(chǎn)，預(yù)計(jì)2024年正式投產(chǎn)。此外，東風(fēng)、吉利等車企也已開展相關(guān)布局。
SiC器件要想進(jìn)一步普及，需要解決以下這些難題：高開關(guān)速度帶來的挑戰(zhàn)，極高的開關(guān)速度帶來了驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，需要設(shè)計(jì)快速而精確的驅(qū)動(dòng)電路，以確保SiC器件能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行所需的開關(guān)操作；高溫工作環(huán)境對(duì)驅(qū)動(dòng)電路提出了更高的要求，需要設(shè)計(jì)能夠承受高溫的驅(qū)動(dòng)電路，并確保其在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性；由于SiC器件的高速開關(guān)特性，容易產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)周圍電子設(shè)備和系統(tǒng)造成影響，因此，在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中需要采取有效的電磁干擾抑制措施；SiC器件具有開關(guān)頻率快、短路時(shí)間短等特點(diǎn)，對(duì)保護(hù)技術(shù)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(yīng)用中的使用，在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中要綜合考慮性能和成本因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的成本效益。
為了解決以上這些難題，需要不斷進(jìn)行技術(shù)研究和創(chuàng)新，提高驅(qū)動(dòng)電路的性能和可靠性。
除了SiC，GaN也開始在電動(dòng)車中應(yīng)用，特別是在400V和800V電動(dòng)車牽引逆變器中，與SiC功率器件相比，GaN的優(yōu)勢(shì)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(shí)提高33%的功率密度，實(shí)現(xiàn)更小巧輕量的牽引逆變器設(shè)計(jì)。整體來說，基于GaN設(shè)計(jì)的400V牽引逆變器能滿足市場(chǎng)對(duì)價(jià)格更實(shí)惠且續(xù)航能力更高的電動(dòng)車的需求。
基于GaN的三階拓?fù)湓O(shè)計(jì)的牽引逆變器在800V系統(tǒng)中應(yīng)用正在加速發(fā)展，其優(yōu)勢(shì)主要包括：三階GaN拓?fù)湓O(shè)計(jì)在降低開關(guān)損耗、提高效率之余，還可減少濾波器和馬達(dá)中的高頻銅損及鐵損，與二階拓?fù)湓O(shè)計(jì)的系統(tǒng)相比，整體效率大幅提升；較小噪音、振動(dòng)及電磁干擾；耐久性及可靠性優(yōu)化，電路運(yùn)作更平順穩(wěn)定。另外，三階GaN拓?fù)淠軠p少電機(jī)馬達(dá)軸承的負(fù)荷，提高的耐久性及可靠性有助于整體系統(tǒng)使用壽命的延長(zhǎng)。
舉例來說，由豐田汽車(Toyota) 和名古屋大學(xué)(Nagoya University) 合作開發(fā)的All-GaN Car，在牽引逆變器、車載充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器中都采用了GaN功率器件，與常規(guī)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(zhǎng)了車輛的續(xù)航里程。
知名工程公司Ricardo 設(shè)計(jì)并比較了30kW GaN逆變器與SiC逆變器，測(cè)試結(jié)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(shè)計(jì)中得出類似的結(jié)果。
02
全球電動(dòng)車牽引逆變器市場(chǎng)格局
據(jù)TrendForce統(tǒng)計(jì)，受電動(dòng)車傳統(tǒng)淡季影響，2024年第一季度全球牽引逆變器裝機(jī)量為522萬套，相較于2023年第四季度的714萬套，環(huán)比減少27%。其中，純電車的牽引逆變器裝機(jī)量占比為48%，季減5%，油電混合動(dòng)力車及插電混合式電動(dòng)車的牽引逆變器裝機(jī)量則從47%提高至52%。
從第一季度電動(dòng)車各電壓區(qū)間的牽引逆變器裝機(jī)量來看，由于混動(dòng)車型的增長(zhǎng)，電壓≤300V的牽引逆變器裝機(jī)量占比達(dá)36%，季增2%；而純電車的衰退，導(dǎo)致電壓在300V~550V區(qū)間的裝機(jī)量占比季減1%，下降至55%，>550V的裝機(jī)量占比為9%，與上季持平。雖然各區(qū)間占比略有波動(dòng)，市場(chǎng)主流電壓區(qū)間仍為300V~550V。
在全球范圍內(nèi)，生產(chǎn)、銷售電動(dòng)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(shù)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(jí)牽引逆變器廠商的技術(shù)和產(chǎn)品能力。
Denso十分看重SiC器件，開發(fā)了 SiC升壓功率模塊，相比傳統(tǒng)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(shí)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(gòu)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(dāng)時(shí)，兩家公司聯(lián)手開始對(duì)這種寬帶隙半導(dǎo)體材料進(jìn)行基礎(chǔ)研究，直到2007年，豐田和Denso正式宣布聯(lián)合開發(fā)SiC器件并投入實(shí)際應(yīng)用。
2014年，他們實(shí)現(xiàn)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(dòng)力汽車。PCU在混合動(dòng)力汽車和其它采用電動(dòng)系統(tǒng)的車輛中負(fù)責(zé)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jù)測(cè)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(dòng)力原型車中測(cè)試這些基于SiC的PCU，以檢驗(yàn)PCU的內(nèi)部升壓轉(zhuǎn)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(jīng)在其車載電池充電器和電動(dòng)汽車的快速充電座中應(yīng)用了這些模塊。
特斯拉Model 3的逆變器系統(tǒng)以其創(chuàng)新設(shè)計(jì)而著稱。
Model 3是首個(gè)集成全SiC功率模塊的車型，特斯拉的逆變器由24個(gè)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(dǎo)體的技術(shù)設(shè)計(jì)制造的，使其能夠減少導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，這是基于對(duì)Model 3進(jìn)行的全面拆解分析得出的，同時(shí)還提供了對(duì)SiC MOSFET及其封裝生產(chǎn)成本的估計(jì)。在這項(xiàng)技術(shù)中，針翅式散熱器的設(shè)計(jì)對(duì)于提高散熱效率至關(guān)重要，針翅設(shè)計(jì)增加了表面積，從而提高了熱傳遞效率，這對(duì)于管理SiC MOSFET在高效能運(yùn)作時(shí)產(chǎn)生的熱量非常重要。
通過與意法半導(dǎo)體的合作，特斯拉能夠利用最新的技術(shù)來制造SiC MOSFET，這不僅提升了電動(dòng)車的性能，還有助于降低生產(chǎn)成本，進(jìn)一步推動(dòng)了SiC技術(shù)在電動(dòng)車領(lǐng)域的應(yīng)用。
Model 3逆變器的核心是功率模塊，它由高效率的半導(dǎo)體器件組成，負(fù)責(zé)電能的轉(zhuǎn)換。SiC器件以其更低的功率損耗、更高的開關(guān)頻率和更優(yōu)的熱性能，顯著提升了逆變器的工作效率，并實(shí)現(xiàn)了更為緊湊的設(shè)計(jì)。
Model 3逆變器的控制電路負(fù)責(zé)精細(xì)管理功率轉(zhuǎn)換過程，它精確監(jiān)控電機(jī)的速度和扭矩需求，以確保與車輛的多種駕駛模式實(shí)現(xiàn)無縫集成。特斯拉的控制算法能夠精準(zhǔn)控制逆變器的開關(guān)模式，優(yōu)化功率輸出，提升整體駕駛體驗(yàn)。
總體來看，Model 3逆變器的關(guān)鍵特點(diǎn)和技術(shù)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下這些方面：SiC MOSFET技術(shù)；準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)合了傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)和分立器件的優(yōu)點(diǎn)，逆變器由24個(gè)集成了功率模塊的單元組成，每個(gè)模塊具有較高的單體功率等級(jí)；集成度高，減少了器件數(shù)量和外部連接，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜性，同時(shí)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(shù)量和優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)成本效益；逆變器采用了有效的熱管理方案，包括高導(dǎo)熱性能的基板和先進(jìn)的散熱設(shè)計(jì)，以確保在高功率工作條件下保持穩(wěn)定；創(chuàng)新的封裝，特斯拉與意法半導(dǎo)體合作，開發(fā)了一種新型封裝方案，結(jié)合了塑料封裝的低成本和模塊化封裝的電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)；逆變器設(shè)計(jì)考慮了軟件和硬件的緊密集成，以實(shí)現(xiàn)更好的系統(tǒng)控制和性能優(yōu)化。
03
中國(guó)廠商崛起
以上介紹的都是國(guó)際大廠，他們?cè)谀孀兤黝I(lǐng)域深耕多年，憑借深厚的技術(shù)積累和市場(chǎng)影響力，一直占據(jù)著很大的市場(chǎng)份額。不過，由于中國(guó)電動(dòng)車制造和消費(fèi)市場(chǎng)快速崛起，帶動(dòng)本土相關(guān)零部件技術(shù)和產(chǎn)品快速跟進(jìn)，促使相關(guān)廠商的行業(yè)地位在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)提升了不少。
據(jù)TrendForce統(tǒng)計(jì)，全球前五大的牽引逆變器Tier 1中，已有比亞迪和匯川技術(shù)兩家中國(guó)企業(yè)。其中，比亞迪的逆變器屬于自研自產(chǎn)產(chǎn)品，用于自家車型，匯川技術(shù)深耕理想、小鵬、小米等新創(chuàng)新能源車企。此外，華為的市占率已連續(xù)三季季增1%，未來能否進(jìn)入前五大供應(yīng)商值得關(guān)注。2024年第一季度，包含比亞迪和匯川技術(shù)在內(nèi)的中國(guó)企業(yè)市占率達(dá)到34%，由歐美日Tier1主導(dǎo)牽引逆變器市場(chǎng)的局面已被打破。