摘要：

1. 逆变器变直流为交流，控制电机的功率输出，在电动车驱动系统中扮演关键角色，高电压、大电流趋势下，其安全问题备受关注；

2. 相较于当前广泛应用的硅基IGBT模组，SiC器件可进一步提升逆变器功率密度，降低系统功耗，成为未来主驱逆变器的首选；

3. 全球电动车企和零部件厂商在2020年里集中布局SiC逆变器，技术成熟度与成本仍是制约其大规模推广应用的主要屏障。

出品|汽车·汽车咖啡馆

作者|鲁楠

2020年11月，极星汽车宣布因为逆变器故障，召回4586台极星2车型。

小鹏汽车因逆变器问题，决定自2021年1月30日起召回13399辆小鹏G3(参数|图片)汽车。

2021年1月，南昌一特斯拉Model 3(参数|图片)新车第二次充电即导致逆变器损毁。

近来，多个电动车的故障和召回事件都与汽车逆变器相关，逆变器为何如此重要？这篇文章，我们将共同探讨汽车逆变器的重要性及其面临的风险，在电动车功率需求不断增长的当下，逆变器技术将如何发展？

01 承担“变流、控电”重任，逆变器安全至关重要

什么是逆变器？

逆变器是一种将直流电转变成交流电的装置，它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。

对于电动汽车而言，动力电池即是电源，输出数百伏高压直流电，负载是三相交流电机（主要为永磁电机和感应电机）。

逆变器从整车控制器（VCU）获取扭矩、转速指令，从电池包获取高压直流电，将其转换成可控制幅值和频率的正弦波交流电，才能驱动电机使车辆行驶。

特斯拉的逆变器通过控制交流电的频率来控制电机的转速，通过控制交流电的幅值来控制电机的扭矩输出。

ESI Automotive车辆电气化技术总监Chris Klok表示，“逆变器的设计和效率至关重要，尤其在电动汽车或是混合动力系统区分车型和性能方面意义非凡。汽车的性能和驾乘的舒适性是由逆变器与电机决定的，它们替代了传统内燃机的角色，在新能源汽车上发挥着重要作用。”

电动汽车驱动电机的转速范围很宽，且在行驶过程中需要频繁地加速和减速，工作条件比一般的调速系统要复杂，逆变器性能的好坏直接影响着电机的功率输出表现和电动车的续航能力。

由于电动汽车运行环境的复杂性，逆变器长期处在高电压（200-600V）、大电流（超过200A）以及大量的电磁干扰（负载突变、快速通断脉冲电流、强电干扰、电容性耦合和电感性耦合等）之中，对产品安全性、稳定性要求非常严格。

逆变器一旦出现故障，轻则影响车辆功率输出，重则导致动力系统彻底宕机，严重威胁驾驶安全。近年来，由逆变器故障导致的汽车事故和召回问题在全球范围内时有发生，涉及各大混合动力和纯电动车企。

虽然故障的原因各不相同，但面临的挑战和风险是相同的。电动汽车功率不断提升的当下，如何保证逆变器的安全、稳定、高效，是行业内一直关注的焦点。

02 电动汽车功率需求持续增长，SiC器件备受业界青睐

在乘用车领域，目前车辆电压普遍300-400V左右。随着技术的发展，车企们追求更强动力性能和快充性能的意愿更为迫切，比亚迪唐(参数|图片)的额定电压超过600V，保时捷Taycan(参数|图片)电压平台为800V，峰值功率达560kW。超级快充和功率需求的提升促使电动汽车不断迈向高压化。

为对应这个趋势，逆变器的设计也会从650V 往更高的750V以及1200V方向发展。

从结构上来看，逆变器主要由集成控制MCU、驱动等全部硬件的PCB板，以及与之焊接的功率半导体模组组成，并安装了膜电容、DC滤波模块、交直流母排、低压接插件、电流传感器等零部件。这其中起决定因素的是逆变器内部的功率半导体模组。

简单讲，功率半导体扮演的角色是一个非通即断的开关，没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路，是电子装置中电能转换与电路控制的核心。汽车上应用的主要为二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等。

l 相较于硅基IGBT，SiC器件性能更优

目前，多数主机厂和逆变器制造商主要选用600V、750V、1200V的标准封装硅基IGBT，特斯拉、丰田等头部车企已开发定制化IGBT模组，并逐步量产应用SiC功率器件。

虽然硅基IGBT可以满足400伏~10千伏电压的应用要求，但是其开关频率等物理性能正在达到理论极限，因传导和开关会产生的能量损失难以有效控制。

SiC是第三代半导体材料，与常规的硅基半导体材料相比，具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料。

具体到应用层面，宏微科技总裁赵善麒表示碳化硅器件的优势主要体现在：

一、SiC器件的工作结温在200℃以上，工作频率在100kHz以上，耐压可达20kV，这些性能都优于传统硅器件；

二、SiC器件体积可减小到IGBT整机的1/3~1/5，重量可减小到40~60%；

三、SiC器件还可以提升系统的效率，进一步提高性价比和可靠性。

在逆变器中，用SiC MOSFET替换硅基IGBT，不同工况下，功耗降低了60~80%，效率提升了3～10%，这意味着在相同的续航里程内，可以使用更小的电池，实现更低的电池成本。

l 车企和零部件厂商积极布局SiC逆变器，产业化进程加快

由于优异的技术特性，围绕SiC MOSFET进一步提高车用逆变器功率密度，降低电机驱动系统重量及成本，成为各车企的布局重点，在2020年里表现得尤为突出。

在这一领域的头部企业当属特斯拉。特斯拉Model 3是全球首个将SiC MOSFET器件应用于主驱逆变器的车型，采用24颗单管模块，器件耐压为650V，相较Model S(参数|图片)/X硅基IGBT方案拥有更大的功率容量密度，动力系统集成度也更高，驱动系统效率业界领先。

弗迪动力的电驱动系统研发已经进行到第四代，量产SiC动力三合一产品，实现200KW的输出功率，提升一倍的功率密度。比亚迪汉EV率先采用了该系统，实现了百公里加速3.9秒的成绩。

据弗迪动力测算，SiC能够提升电控系统中低负载的效率，整车续航里程增长5~10%；提升控制器功率密度, 由原18kW/L提升至45kW/L，有利于小型化；占比85%的高效区效率提高6%，中低负载区效率提高10%。

2020年11月，小康集团全资子公司赛力斯（SERES）宣布，其首款基于自主封装SiC器件的逆变器成功通过电驱动系统联合测试，成为国内首家、全球唯二同时掌握基于单管并联以及自研模块的第三代宽禁带功率半导体（碳化硅）逆变器设计能力的企业。

相较于传统功率器件（IGBT）的逆变器，赛力斯的碳化硅逆变器在整个运行区间均带来显著的效率提升。轻载效率（转速低于2000rpm，扭矩低于100 Nm）由65%提升至92%，峰值效率达到99%。

2019年法兰克福车展上，德尔福推出800 V碳化硅逆变器；意法半导体也已推出从SiC功率器件到逆变器系统的完整解决方案；采埃孚计划2022年前将SiC电驱动系统推向市场。

可以看出，将SiC器件应用于逆变器及其他电力零部件已成为电动车企改善整车动力性能和效率的热点趋势。

《节能与新能源汽车技术路线图》中指出，发展新型电机控制器技术，主要包括车用高温大电流碳化硅芯片技术、低感/高密度碳化硅模块封装技术、高温高频驱动技术及碳化硅电机控制器集成技术，加快实现下一代宽禁带电力电子器件、模块的产业化和以此为基础的电机控制器产业化是新能源汽车产业发展的重要任务。

中科院院士郝跃等专家认为，我国第三代半导体发展水平与国际先进水平差距不大，如能提前布局，力争在“十四五”期间实现突破，完全可实现弯道超车。

在SiC半导体器件领域，国内已有比亚迪半导体、中车时代、斯达半导体、闻泰科技、扬杰科技等企业深入布局，其中比亚迪凭借从晶圆、模组到逆变器、整车的全产业链整合优势正加快推动的车规级SiC产品的应用推广。

预计到2023年，比亚迪将在旗下的电动车中，实现SiC车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代，将整车性能在现有基础上再提升10%。到2025年，SiC电机控制器将适用电压平台升高至800V，功率密度提高到90kW/L，效率最高可达99.7%，转速高达20000rpm。

由于逆变器在电力电子器件和拓扑性能、控制策略、系统集成以及封装等方面都有着严格的标准和要求，SiC MOSFET虽然具有显著的发展潜力，但应用初期，电磁兼容性、长期可靠性有待进一步验证，制造成本有待进一步降低。

根据目前的成本估计，SiC的模块是传统硅基IGBT模块的2-4倍。短期内IGBT仍将主导电动车市场，SiC在中高端车型领域持续进行渗透替代。随着技术的进一步成熟，生产规模持续扩大，大规模量产应用是必然趋势。

03 结语

除了高性能的功率半导体材料，在汽车逆变器设计制造方面目前仍存在着不少挑战：新型大电流高功率密度封装结构和互连方法；整机设计必须符合功能安全标准ISO26262；适配驱动一体化产品的逆变器结构设计和热管理设计；高压、大电流电磁兼容设计等。

企业在追求先进性能的同时，应着重保障逆变器及整个驱动系统的安全性，极力避免重大驾驶安全风险的发生。