隨著節能省碳的觀念遍及全球，電動車的呼聲也不斷水漲船高，
在電動車大廠Tesla闖出一片天後，
其中一項關鍵就在於車體本身的電源管理在升降壓之間的轉換，
如何達到高效率的標準？
【撰文／Nagarajan Sridhar】
過去數十年間，拜零組件尺寸縮小所賜，汽車系統電力負載逐漸改變，從照明與電池充電，轉向資訊娛樂、感測與安全，讓汽車更具智慧，也增添駕駛樂趣。未來電子學趨勢除了資訊娛樂系統的持續發展，亦包括改良了引擎動力推進系統，如引擎本體、傳輸、控制等，若在動力推進系統內結合電力負載，並取代傳統機械與水壓負載，將可提升效能。這項趨勢逐步專注於油電混合車與電動車，同時也讓二氧化碳排放量標準更加嚴格。
需求成長後，傳統12V動力系統面臨更大挑戰，如必須提高電壓，才能在處理引擎動力負載時兼顧效能與彈性，而電力電子學進步後，交換電源供應器（SMPS）可提供必要的基礎。換言之，要在電池與負載之間建立多種電源調節系統。此外，世界多國已提高燃料效能標準，對傳統燃料車輛而言，燃料效能意指每加侖行駛里程數，對電動車或油電混合車而言，則代表單次充電的行駛里程數。運用電力電子線路後，系統可降低尺寸與重量，形成提升燃料效能的基礎。
電力電子系統採用以矽為基礎的電源管理與功率半導體開關，這些開關包括MOSFETs、絕緣閘雙極電晶體（IGBTs）及各種二極體，來大幅改善效能。
本文檢視電動車內的電力電子系統，並著重於引擎動力推進系統，亦介紹系統內的高溫要求，以及電力電子學如何因應。
較高的電壓系統
如前所述，仰賴12V電池運作的系統面臨更多挑戰，究竟在引擎動力推進系統裡，還有哪些更高電壓的選擇，能與12V電池和電力負載相容？在新架構中，內燃引擎（ICE）與油電混合車採用48V系統，而電動車則是另外採用400V-200V系統。
高電壓可簡化系統線路與減輕重量，也直接降低車輛總重，亦可克服12V系統的其他缺點。48V系統可使用的負載範例包括發電器、起動器、電子輔助轉向、電力捲動穩定、交流電壓縮器、電熱、電力泵浦（水、油、真空）等。
交換電源供應器概念
交換電源供應器（SMPS）以時常開關運轉的半導體裝置為基礎，理論上不會造成任何電源損耗（關閉狀態為零電流與零電壓），應可達到100%效能，開關時使用脈衝寬度調變器（PWM），亦可在高切換頻率下運作，縮小轉換器尺寸，因此在汽車引擎動力推進系統中，可使用三種類別電源調節器：AC/DC（整流器）、DC/DC（轉換器）、AC/DC（逆變器）
傳動系統的SMPS應用
電動車、油電混合車與內燃引擎在傳動系統內，主要都會需要SMPS調節器，它的類別有：
- 再生制動（AC/DC）
- 板載充電（AC/DC）
- 雙電池系統（DC/DC）
- 鋰離子電池管理
• 48V-12V雙向電源
• 400V電池（僅限純電動車）
- 雙向400V-12V電源（DC/DC）
- 牽引動力馬達（DC/AC）
DC/DC轉換器
依據電力負載安全需求，電源調節系統有多種基本拓樸可供選擇，分為隔離拓樸與非隔離拓樸。整體而言，兩種拓樸都會在動力推進系統內使用，依據負載與標準需求而異，但不論類別，市場趨勢均傾向軟性切換概念，使用LLC或共振模式，軟性切換意指開關所受壓力較低，提升轉換器使用壽命與可靠性，對汽車市場而言至關重要。
電動車與油電混合車／內燃引擎各有不同的雙向電源轉換器，分別為400V-12V與48V-12V，圖1.呈現了不同相關負載的48V-12V網絡，這些轉換器平常運作採降壓模式，電源從高電池電壓流向低電壓（12V），例如再生制動或暖啟動；而在冷啟動模式中，電源流動採升壓模式（12V至較高電壓），通常是因為48V或400V（鋰離子）電池無法驅動馬達，需要備用電源。
依據1至3kW功率的位準不同，若需要隔離，可選用全橋拓樸，非隔離案例可採升降壓拓樸，這些轉換器均以MOSFET功率開關為基礎，切換頻率極高（通常為50-500 kHz）。
圖說：48V-12V雙向電源與電力負載 圖片來源：德州儀器
牽引逆變器（DC/AC）
為將電力轉換為車輛運作所需的機械動力，需要馬達，過去直流電馬達因簡單、易控制而獲青睞，但是直流電馬達並不可靠，效能也不及交流電馬達；此外，交流電馬達體積較小、零件較少，可靠性也相對較高。
因此無論是電動車、油電混合車或內燃引擎，電池內的電力必須從直流電轉換為交流電，馬達才能運作，這些牽引逆變器通常轉移數10 kW的電力，故在全橋拓樸內使用的開關為IGBT（獨立或智慧電力模組，依據電流需求而定）。
功率電子元件
不論電源調節系統類型為何（DC/DC、AC/DC或DC/AC），都需要控制器與閘極驅動器，目前若要選擇類比或數位控制器，大多取決於車輛或電源製造商需求，考量因素包括成本、彈性、整合、可靠性，以及數位控制器是否有寫入韌體；挑選閘極驅動器時，驅動電流受多項因素影響，包括所需的半導體開關、減少零組件數量（單通道或橋驅動器）、停滯時間控制等功能、以調適性延遲避免上下側開關與隔離之間的衝過現象等，目前市面上已推出多項汽車級類比或數位控制器及閘極驅動器，用於切換電力電子開關。
高溫需求
車輛行駛一段時間後，打開車蓋時，常會感受到熱氣迎面而來，因為動力推進系統與引擎等次系統（內燃或馬達）運作時，溫度超過攝氏125度。
電力電子系統的價值在於高傳輸效率與體積較小，故汽車重量較輕，且減少零組件後，可提升車輛可靠性。
體積與尺寸縮小後，動力密度提高，尤其是動力推進系統內所需的kW高動力轉移，然而，熱耗散反成了問題。故除了縮小尺寸，熱能管理亦為燃料效能改善關鍵，若使用矽製MOSFETs與IGBTs等市售電源開關，仍有限制必須克服。
例如在高溫下，矽製電源開關會面臨逆向恢復與損壞問題（表1.），若在電力電子線路中，使用矽製開關，必須增加水套與大型銅箱等冷卻系統，以處理高溫問題，但也因此影響車體大小、重量與成本。
表1. 矽與碳化矽特質 資料來源：德州儀器
碳化矽等寬能帶半導體運作溫度較高（稱為接面溫度）、熱傳導能力較傳統矽製程高出二至三倍、崩潰電壓較高、開關頻率彈性較高、電力損耗微乎其微。由於碳化矽運作溫度較高，故線路可配置於高溫處，熱傳導能力高則可免除水套與大型銅箱，MHz切換速度快可縮小電源線路整體尺寸。
結論
本文探究在汽車動力推進系統的高電壓需求下，電力電子學使用SMPS的價值為何，之後探討電源調節器在其中必須驅動各種負載，以及為此設計的拓樸類型。DC/DC雙向電源與DC/AC牽引逆變器需要不同的半導體開關、控制器與閘極驅動器；文末論及採用碳化矽等切換頻率較寬半導體的價值，為傳動系統的高溫應用中帶來成功。
（本文作者現擔任德州儀器電源管理高效能隔離式電源解決方案產品市場經理）
【全文刊載於《CTIMES雜誌》2014年4月號】-- CTIMES粉絲團】
