汽車電氣化、電動化的革命正加速上演，引發新的電源供應與管理設計轉變。最近的一個新發展即是48V電源架構的導入，與傳統的12V系統相較，48V系統滿足了以更低的成本和體積，提供更多的電力需求，並可顯著減少二氧化碳排放量，特別是在電動車的應用上，效益更為顯著。此外，自駕車的發展讓車用電子系統愈來愈多，也帶來電源設計上的新挑戰。
因應上述汽車發展的變化，半導體界已提出許多創新的電源技術與設計方案，其中，可實現更高功率密度的SiC和GaN等寬能隙功率半導體技術的引進，便是最明顯的例子；而針對車載處理器與ADAS系統對性能的要求，所研發出的新一代電源管理IC，也愈來愈受到車電系統開發商的青睞。本活動邀請相關領域代表廠商，深入解析這些新的汽車電源技術及其應用設計之道。
電動車近年快速發展，市場規模在2017年迅速突破100萬輛，貿澤電子(Mouser Electronics)亞太區行銷暨企業發展副總裁田吉平提到，原先預期2019年出貨量將持續大幅提升，無奈市場遭遇逆風，原因包括充電樁基礎建設未到位、整車價格過高、電池續航力不足等，都延緩了市場的發展腳步，不過人們對於電能的使用與依賴持續提升，也同時凸顯汽車電源技術創新與應用深具產業發展潛力。因此，貿澤電子邀集Vicor、Microchip、Toshiba Electronic、ADI、Maxim等國際重點電源技術廠商進行前瞻技術分享。
去中心化架構搭配48V傳輸系統
電動車電源設計過去是中心化(Centralized)的設計，電源由一個高壓核心透過傳輸架構提供相關元件使用，Vicor台灣區應用工程師張仁程表示，未來電動車將發展去中心化(Decentralized)的架構(圖1)，以轉換效率94%為例，中心化的架構以3kW的供電源提供給各系統，將產生180W左右的傳輸與轉換損耗；而去中心化架構則透過多個分散且電壓降低到1kW的供電源，由於供電位置分散，且電壓轉換幅度相對較小，所以線損與轉換損耗幅度都降低，整體效率可以提升到97~98%，功率損耗僅約15W左右。
分散式架構設計還具有電源模組封裝彈性(Packaging Flexibility)、電源轉換幅度小更接近傳輸電壓、散熱系統成本降低、供電系統備援、降低傳輸線路成本與重量等優勢。而在48V供電系統中，Vicor也致力於零電壓轉換(Zero Voltage Switching, ZVS)設計，張仁程認為，正弦振幅轉換器(Sine Amplitude Converter, SAC)拓撲結構就是其中的關鍵，該架構是一個處於BCM模組核心位置的動態、高效能引擎。透過SAC的高工作頻率，可使用較小的變壓器來提高功率密度和效率。
核心工作電壓提升SiC廣泛導入
寬能隙功率元件是近年來電源技術的熱門討論焦點，碳化矽(SiC)導通電阻RDS(ON)在工作溫度範圍內，變化不會超過30%，適合在高電壓、高溫與高功率環境下工作(圖2)。Microchip嵌入式解決方案工程師Sam Liu說明，未來幾年電動車有幾個明顯的發展趨勢，包括電壓將從400V提升到800V；馬達控制部分，也將導入SiC元件取代Si IGBT元件，以達成更高能量密度、效率、接面溫度與更小的模組尺寸；更高效率的供電到傳輸系統的電壓轉換；電動車內部的系統充電與外部的充電樁充電都需要更高效率，所以SiC將更廣泛導入這些系統的應用。
Sam Liu強調，Microchip可以提供700V與1200V SiC模組、晶片與部分1700V元件，以達成上述幾個電動車的發展趨勢，未來更將1700V的完整解決方案納入。另外，Microchip的30kW三相Vienna功率因數校正(PFC)功能、SiC分離元件和SP3/SP6L模組驅動參考設計/驅動板，最高效率可達98.6%，總電流諧波失真小於5%，可有效協助系統開發人員縮短開發週期。
電源元件強化車輛電氣化效能
電氣化近年成為汽車產業發展的重點，而且變成不可逆的趨勢，台灣東芝電子零組件(Toshiba Electronics Components)將相關技術分成環境(Environment)、安全(Safety)與資訊娛樂(Infotainment)三個部分，並分別提供相關零組件解決方案。該公司系統元件與數位行銷部處長蔡佳言說，改善環境的解決方案特別強調高效能、小型輕量化與功能安全性，如馬達控制IC、光電耦合器、功率MOSFET、IGBT等元件。
另外，在安全性應用，蔡佳言提到，目前先進駕駛輔助系統分成感測、辨識、決策、控制幾個部分(圖3)，而Toshiba Electronics Components則是專注於辨識功能的元件，可提供高辨識率、低功耗且適用於多個影像辨識系統的影像辨識處理器。而在資訊娛樂部分，則是提供車用遙控門鎖(Remote Keyless Entry, RKE)、ETC晶片、車用音響功率放大器(Car Audio Power Amp)與車用乙太網路AVB/TSN解決方案等。
DC/DC雙向控制系統轉換更順暢
車輛電氣化的過程中，48V電源傳輸系統越來越被重視，目前有許多車輛採用48V與12V的雙電池系統設計，ADI Stuff Field Application Engineer陳柔文表示，在48V與12V系統中間設計一個DC/DC雙向電壓/電流控制系統(圖4)，可以讓兩個系統電壓轉換更順暢，也可以做為互相備援，同時48V系統可以為12V系統充電，在這樣的架構下，電池連接與穩健的多相高功率設計是最主要的設計挑戰。
在這個架構中將用到多款元件，陳柔文說，LTC3871是雙向降壓或升壓控制器能依據控制訊號以降壓和升壓模式進行調節；LTC7871可以Cover 6個相位，可以切換執行展頻的分配，干擾較低同時具備成本優勢；LTC7060以半橋配置驅動N通道MOSFET，具有獨立於電源的三態PWM輸入邏輯特性；LTC4368電路保護控制器，可針對2.5V至60V電子線路確保安全的電壓和電流水準；LT8228同步降壓/升壓控制器具有獨立補償網路，100V雙向恆流、恆壓同步升降壓控制。
ADAS電源設計效率與可靠性並重
由於現代汽車ADAS功能越來越完善，就需要更多的控制器、感測器、顯示器以及大量的連接介面。Maxim應用工程師謝聖儀認為，對於ADAS電源系統來說，隨著技術的發展，希望可以縮小元件尺寸、提高效率、減少待機功率、降低雜訊以及增加安全性和可靠性以減少故障。
Maxim為ADAS提供的DC-DC轉換器可以工作在2~4MHz的工作頻率，允許使用非常小的外部電感、電容，而大幅縮小電源尺寸；同時，通過有效管理靜態電流、同步整流技術為系統提供高效電源轉換；此外，汽車環境對EMI具有嚴格要求，透過擴頻技術，並允許使用者調節開關頻率，說明使用者避開系統敏感的工作頻率，降低EMI。謝聖儀解釋，MAX16141、MAX20039/40、MAX20086-89等都是ADAS ECU應用電源元件。
另外，ADAS系統廣泛採用Camera，同軸纜線供電(Power Over Coaxial, POC)是一種同軸纜線的影像傳輸，同軸控制、電源疊加的技術。在同軸電纜傳輸中即傳輸高解析度視訊訊號、同軸訊號再傳輸電源，即將高解析影像、同軸等訊號與供電電源複合在一起，在一根同軸線上傳輸。謝聖儀表示，MAX20019/20為2.2MHz和3.2MHz、雙通道、降壓型轉換器，整合高邊和低邊MOSFET。高壓降壓型轉換器設計用於在高達17V輸入電壓下連續工作。
電動車驅動與能量管理延伸續航力
電動車由驅動、電池與電控三大系統組成，其中電控系統協助驅動與能量管理提升效率，台南大學電機工程學系教授暨工學院院長白富升指出，驅動系統分成許多部分，其中改善變速控制系統可以節能10~50%，換用高效率馬達可以節能2~8%，傳動系統的改善可以節能2~10%，系統維護與潤滑可以節能1~5%。而馬達驅動器也需要高效率的電能轉換技術、有效的剎車制動技術、更精確的電能管理技術等，為了提升效率，電動車驅動技術尚有許多發展空間。
而電池可以說是電動車的動力來源，成本占比高，電池的耐用性也是影響使用者體驗的關鍵之一，白富升提到，電池多次循環充放電，內部的材料結構會產生衰老現象，原因包括：電極與電解液之間的介質變化、活性材料的變化、電極組成元素的變化、非活性元素之分解/氧化與腐蝕、鋰金屬合金的結構整齊度/相變化與溶解等。電動車驅動如在電池處抽取脈衝電流，除影響電池壽命外，脈衝電流期間直流電壓過低，可能使電路飽和，影響驅動特性。因此，現在也有許多架構會導入超級電容的設計，超級電容組具大電流充放電特性、低內電阻及高生命週期，有助於降低電池充放電次數，延長電池組壽命。
