作者：克劳迪奥·维托里（Claudio Vittori），副经理 | 供应链与技术组 | 标普全球移动出行（S&P Global Mobility） 电动汽车零部件研究部；斯里坎特·贾扬坦（Srikant Jayanthan），高级 分析师 | 供应链与技术组 | 标普全球移动出行（S&P Global Mobility）

标普全球AutoTechInsight

汽车行业正以缓慢但稳健的步伐迈向电动化的未来。多种因素将决定从内燃机（ICE）向电动化车辆转型的进程。其中一个关键因素无疑是电动汽车的性能，尤其是其在实际驾驶条件下的续航里程。

虽然给电动汽车加装更大容量的电池可以增加续航里程，但这会显著增加车辆的成本和重量，因此不太可能成为推动电动汽车普及的关键因素。应对这一挑战的解决之道在于通过优化现有动能的利用，从而提升车辆性能。其中一种方法就是采用高效的驱动逆变器。

逆变器是电动汽车中一种关键的电力电子元件，它负责将电池中的电能传输至驱动电机。这些高压逆变器的主要功能是将从电池接收到的直流电（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。预计这一需求将随着电动化车辆产量的增长而同步增长。

2021年，电动轻型汽车细分市场（包括纯电动汽车（BEV）、插电式混合动力汽车（PHEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）、全混动汽车和轻混动汽车）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）增长，到2033年将达到约1.187亿台。

根据电气化程度和车辆销售细分市场，目前电动汽车中使用的逆变器类型各异，其开关技术和半导体材料也各不相同。 其中包括采用硅基开关器件的逆变器，例如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT），以及采用宽禁带材料（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

基于硅（Si）的MOSFET是汽车行业应用最久远的开关技术之一。Si 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一定应用。 MOSFET具有三个端子，即源极、漏极和栅极。在电压不超过100V、峰值功率不超过20 kW的低压应用中，MOSFET的效率更高。这是因为它能够以高频工作，且导通损耗低、压降小。

然而，众所周知，硅MOSFET的导通损耗较高，这导致随着系统电压的升高，硅MOSFET逆变器的效率会降低。由于这一缺点，随着汽车制造商开发更多高压车型，硅MOSFET可能会逐渐失去其优势。 预计到2033年，高压电动汽车（450V至1,000V）的数量将占电动化汽车总量的39%，而2021年这一比例仅为23%。

Si IGBT逆变器是轻型汽车领域应用最广泛的逆变器，市场份额超过68%。2021年至2033年间，IGBT逆变器的需求将以约12%的复合年增长率增长，达到5700多万台，其中超过52%将应用于纯电动汽车（BEV）。

目前，IGBT逆变器主要应用于全混动车型，但到本十年末，随着纯电动汽车需求的增长，纯电动汽车将成为IGBT逆变器的主要应用领域。事实证明，IGBT在全混动和纯电动汽车中的效率要高得多，因为其额定电压超过1200V，而MOSFET的额定电压仅为600V。

IGBT逆变器最适合驱动功率在35 kW至85 kW之间的牵引电机，因此非常适合入门级至中端纯电动汽车（BEV）。与硅MOSFET相比，IGBT的开关频率较低，但抗静电放电能力更强。此外，IGBT在较高电压下具有更低的导通损耗。

尽管IGBT逆变器对于当前一代电动汽车而言效率已足够高，但随着对效率要求的提高，受硅材料本身的局限性制约，它们确实面临着挑战。 因此，汽车行业正日益转向性能更优的碳化硅（SiC）逆变器。碳化硅是一种宽禁带材料，其禁带宽度为3电子伏特（eV），而硅仅为1.1 eV。这使得设备能够在更高的电压和温度下运行。

不过，碳化硅（SiC）逆变器目前价格仍相对较高，因此更常应用于高端纯电动汽车（BEV）。但随着成本的下降，鉴于其高效率的优势，其在混合动力汽车中的应用也将增加。到2033年，汽车制造商使用的碳化硅逆变器中，将有超过20%应用于全混动车型。 预计2021年至2033年间，轻型汽车领域对碳化硅逆变器的全球需求将以32.6%的复合年增长率增长，达到约4500万台。

氮化镓（GaN）是另一种宽禁带材料，由于其3.4 eV的较高禁带宽度，目前正受到汽车行业的关注。在某些电压架构下，氮化镓的效率甚至高于碳化硅（SiC）。目前，氮化镓逆变器尚未应用于市售电动汽车，预计将在稍后阶段才进入市场。 在应用于高压场景（约400V及以上车辆架构）方面，GaN技术仍面临一些技术瓶颈，这些瓶颈必须解决，该技术才能成为主流技术。

预计氮化镓（GaN）在电动汽车中的应用不会早于2027年启动。到2033年，GaN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（BEV）将成为GaN逆变器的最大用户，其占比将远超98%。剩余需求将由全混动汽车承担。