低空经济eVTOL产业：SiC功率器件有望加速渗透电控环节

2024年小鹏汇天首次飞越深圳CBD，一种充满科幻感的出行方式骤然间来到公众面前。eVTOL带来的不仅仅是全新的产业冲击，还有第三代半导体立体纵深的应用场景。

中金最新的研究中强调，受益于新能源汽车产业链的溢出优势等因素，eVTOL有望成为继新能源汽车之后，中国产业的又一张全球名片。摩根士丹利对2040年的全球eVTOL市场规模进行了预估，并根据技术发展情况和政策配套给出了三个数据：在技术发展最为乐观，监管政策也能够及时放开的情况下，eVTOL市场规模可能达到2.9万亿美元；当技术成熟程度和政策配套均为中等水平时，市场规模为1.5万亿美元；即使是最不乐观的情况，市场规模也会达到6150亿美元。

在现有的电动航空器中，电机+电控成本占比超过60%，SiC凭借其优异的性能，其使用场景，较之新能源车有着质的提升。在国际巨头Onsemi（安森美）看来，碳化硅在eVTOL应用中有着无可比拟的优势。SiC技术能够改善功率器件的尺寸、重量和功率密度，同时提高开关频率、阻断电压，并减少导通状态下的损耗。此外，SiC还有助于降低冷却系统的复杂性、成本和尺寸，并提高质量和可靠性。

应用碳化硅：规律密度提升两倍，重量减轻50%

如今各大航空航天器制造公司都在积极布局SiC。以通用（GE）为例，从2001年开始，13年间公司投资了超过1.5亿美元开发先进的SiC模块，将GE的LRU功率密度提高2倍，同时将重量减轻50%。事实上不仅仅通用，SiC电机在国际市场上早有成品，2022年8月，H3X推出了首款SiC电机——HPDM-3000，其采用了先进的径向磁通永磁电机，功率密度达到10kW/kg，相比之下，其他飞机电动机的功率密度约为5kW/kg。

华西证券的研究报告显示，目前知名海外厂商布局相关产品，其中赛峰集团已与多家知名主机厂开展合作。据赛峰集团官网，公司已于2022年5月与时的科技达成合作，为其E20 eVTOL装备ENGINeUSTM智能电机，并于2023年先后与Archer、Volocopter达成eVTOL领域合作。国内部分厂商也已经开启布局，2023年4月，据卧龙电驱官网显示，卧龙承担的民航局“电动航空器电动力系统适航要求和关键验证”课题研究，顺利通过专家组验收。同年11月底，公司在投资者互动平台上表示，公司已有碳化硅电驱技术，也有22000转甚至更高的电机技术。另一方面，与电机相比，飞行器电控的碳化硅使用场景更为宽广。据了解，电机控制器主要用于控制电机速度、角度和方向。据《电动航空器电推进系统动力电机控制器技术规范》（征求意见稿），电机控制器具有体积小、质量轻和功率密度高的特点，必须满足高压、高功率和高空等严酷环境的要求才能装机使用。华西证券的研报表示，在此背景下，采用新一代宽禁带功率器件如SiC 等的电机控制器有望成为未来发展方向。

SiC电机电控是 eVTOL 核心动力单元

随着低空经济的快速发展，低空飞行器，尤其是无人机和eVTOL，正逐渐成为未来城市交通的新宠。低空飞行器的动力系统是确保飞行器能够顺利起飞、飞行和降落的关键，电机电控的重要性不言而喻。

目前，低空飞行器的动力系统主要有四种类型：燃油动力、纯电动、混合动力和氢能源。每种类型都有其独特的优势，比如燃油动力系统载重能力和续航能力较强；纯电动系统智能化潜力和低噪音水平高；混动拥有纯电的优势，同时解决续航短的问题；氢能在发展早期，有望在大机型上率先使用。

这些方案中，除了燃油动力系统依赖于燃油发动机外，其余三种动力系统都依赖于电动机。也就是说电机与电控是低空飞行器的核心动力单元，也是其动力系统的重要组成部分。

SiC器件成低空飞行器市场“新宠”

在电控方面，目前大多数电机采用400V电压平台，其功率大约在60kW左右，而推力电机的功率则能达到80至100kW，峰值功率更是高达105至110kW，大大超过电动汽车电机的功率水平。随着充电功率的提升和对电机重量减轻的需求，未来将逐渐向800V电压平台过渡。因此，电控核心元件，如硅基IGBT等功率器件，将转向SiC器件。SiC功率器件具备高速工作能力，这提升了电机控制系统的响应速度和可靠性。在eVTOL等低空飞行器中，这种高速性能显著提高了飞行控制系统的精度和稳定性。

体积方面：随着硅基功率器件特性逐渐逼近材料的本征极限，以Si IGBT为开关器件的电机控制器功率密度很难取得进一步突破。SiC材料的击穿电场强度约为Si材料的10倍，在相同的额定电压下，SiC器件更薄、导通压降和导通损耗更小，SiC材料的载流子饱和漂移速度更高，因而SiC器件的开关速度更快、开关损耗更小，进而能够减小直流侧支撑电容器容值的需求，降低控制器体积。

功率密度方面：由于SiC材料熔点高、导热系数大，所以在相同的工作条件下SiC器件的耐温更高、热阻更低；更高的工作结温允许SiC器件配备更小的散热器，进一步提升了功率密度。

尽管SiC器件的成本高于传统的硅器件，但其在耐高压、耐高温和高频应用中的表现出色，使其在低空飞行器动力系统中的应用具有较高的性价比。特别在航空领域，对可靠性和高效能的要求尤为严格，SiC器件的这些特性显得尤为重要。

另外，低空飞行器的成本敏感度较低，这为设计师在确保系统可靠性和整体设计的同时，提供了较大的灵活性，可以做一些冗余设计，提高产品的可靠性。随着低空经济逐步发展及行业竞争，SIC电控有望加速渗透。