作者：克劳迪奥·维托里，副经理 | 供应链与技术组 | 电动汽车零部件研究，标普全球移动出行及斯里坎特·贾扬坦，高级 分析师 | 供应链与技术组 | 标普全球移动出行

标普全球AutoTechInsight

汽车行业正以缓慢而坚定的步伐迈向电动化未来。决定内燃机向电动化车辆转型速度的因素众多，其中关键因素无疑是电动汽车的性能表现，尤其是在实际驾驶条件下所能提供的续航里程。

为电动汽车加装更大容量的电池虽能增加续航里程，但这将显著推高车辆成本与重量，且未必能扭转电动汽车的市场局面。解决这一难题的关键在于通过优化现有动力系统的利用效率来提升车辆性能。其中一种有效途径是采用高效牵引逆变器。

逆变器是电动汽车中关键的电力电子元件，负责将电池输出的电力传输至驱动电机。这类高压逆变器的主要功能是将电池提供的直流电（DC）转换为交流电（AC），并将其输送至驱动电机。

随着替代动力车辆销量的增长，对高压逆变器的需求也显著增加。预计该需求将与电动汽车产量同步增长。

2021年，电动轻型汽车领域（包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池电动汽车、全混合动力汽车和轻度混合动力汽车）对逆变器的需求量约为2150万台。 据我们预测，该需求将以21%的复合年增长率（CAGR）持续攀升，至2033年预计将达到约1.187亿台。

根据电气化程度和车辆销售细分市场，当前电动汽车中使用的逆变器存在多种类型，其开关技术和半导体材料各不相同。 这些逆变器包括采用硅基开关器件的类型，例如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT），以及基于宽禁带材料（碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN））的开关器件。

电动汽车领域逆变器技术的发展前景

硅基（Si）MOSFET是汽车工业中应用最久远的开关技术之一。硅MOSFET逆变器主要应用于轻度混合动力系统，但在低压混合动力系统中也有所应用。 MOSFET具有三个端子：源极、漏极和栅极。在低压应用（电压上限100V，峰值功率20kW）中，MOSFET表现出更高效率。这得益于其在高频工作时能实现更低的导通损耗和电压降。

然而，硅MOSFET的导电损耗较高，这使得随着系统电压的升高，硅MOSFET逆变器的效率会降低。由于这一缺陷，随着汽车制造商开发更多高压车辆，硅MOSFET可能会失去市场青睐。 预计到2033年，高压车型（450V至1000V）将占电动汽车总量的39%，而2021年该比例仅为23%。

硅基IGBT逆变器是轻型车辆领域应用最广泛的逆变器，市场份额超过68%。2021至2033年间，IGBT逆变器需求将以约12%的复合年增长率攀升至5700万台以上，其中超过52%将应用于纯电动汽车（BEV）。

目前，IGBT逆变器主要应用于混合动力汽车领域，但到本世纪末，随着纯电动汽车需求的增长，BEV将成为IGBT逆变器的主导应用领域。IGBT在混合动力和纯电动汽车中展现出显著的效率优势，其额定电压超过1200伏，而MOSFET仅为600伏。

IGBT逆变器最适合驱动35千瓦至85千瓦的牵引电机，使其成为入门级至中端纯电动汽车的理想选择。与硅MOSFET相比，IGBT的开关频率较低，但对静电放电的耐受性更强。IGBT在更高电压下还具有更低的导通损耗。

尽管IGBT逆变器对当前一代电动汽车而言效率已足够，但随着效率需求的提升，其面临的挑战日益凸显——这源于硅材料本身的局限性。 因此，汽车行业正加速转向性能更优的碳化硅（SiC）逆变器。作为宽禁带材料，碳化硅的带隙达3电子伏特（eV），远高于硅材料的1.1 eV，这使其能在更高电压和更高温度下稳定运行。

然而，碳化硅逆变器目前仍价格较高，主要应用于高端纯电动汽车领域。随着成本下降，其高效率特性将推动混合动力车型采用率提升。到2033年，汽车制造商使用的碳化硅逆变器中，将有超过20%应用于全混合动力车型。 2021至2033年间，全球轻型车辆领域对碳化硅逆变器的需求预计将以32.6%的复合年增长率攀升，至2033年达到约4500万台。

氮化镓（GaN）是另一种宽禁带材料，因其3.4 eV的更高带隙而在汽车领域受到关注。在特定电压架构下，GaN的效率甚至高于碳化硅（SiC）。目前尚未有商用电动车采用GaN逆变器，预计该技术将在后期阶段进入市场。 在高压应用领域（约400V+的车辆架构），氮化镓技术仍面临若干技术限制，需解决这些问题才能成为主流技术。

氮化镓在电动汽车中的应用预计不会早于2027年启动。到2033年，氮化镓逆变器将占轻型汽车领域逆变器需求的3%以上。纯电动汽车将成为氮化镓逆变器的最大用户，占比将远超98%。混合动力汽车将满足剩余需求。