过去数十年间，拜零组件尺寸缩小所赐，汽车系统电力负载逐渐改变，从照明与电池充​​电，转向资讯娱乐、感测与安全，让汽车更具智慧，也增添驾驶乐趣。未来电子学趋势除了资讯娱乐系统的持续发展，亦包括改良了引擎动力推进系统，如引擎本体、传输、控制等，若在动力推进系统内结合电力负载，并取代传统机械与水压负载，将可提升效能。这项趋势逐步专注于油电混合车与电动车，同时也让二氧化碳排放量标准更加严格。

需求成长后，传统12V动力系统面临更大挑战，如必须提高电压，才能在处理引擎动力负载时兼顾效能与弹性，而电力电子学进步后，交换电源供应器（SMPS）可提供必要的基础。换言之，要在电池与负载之间建立多种电源调节系统。此外，世界多国已提高燃料效能标准，对传统燃料车辆而言，燃料效能意指每加仑行驶里程数，对电动车或油电混合车而言，则代表单次充电的行驶里程数。应用电力电子电路后,系统可降低尺寸与重量,形成提升燃料效能的基础。

电力电子系统采用以矽为基础的电源管理与功率半导体开关，这些开关包括MOSFETs、绝缘闸双极电晶体（IGBTs）及各种二极体，来大幅改善效能。

本文检视电动车内的电力电子系统，并着重于引擎动力推进系统，亦介绍系统内的高温要求，以及电力电子学如何因应。

较高的电压系统

如前所述，仰赖12V电池运作的系统面临更多挑战，究竟在引擎动力推进系统里，还有哪些更高电压的选择，能与12V电池和电力负载相容？在新架构中，内燃引擎（ICE）与油电混合车采用48V系统，而电动车则是另外采用400V-200V系统。

高电压可简化系统线路与减轻重量，也直接降低车辆总重，亦可克服12V系统的其他缺点。 48V系统可使用的负载范例包括发电器、起动器、电子辅助转向、电力卷动稳定、交流电压缩器、电热、电力泵浦（水、油、真空）等。

交换电源供应器概念

交换电源供应器（SMPS）以时常开关运转的半导体装置为基础，理论上不会造成任何电源损耗（关闭状态为零电流与零电压），应可达到100%效能，开关时使用脉冲宽度调变器（PWM），亦可在高切换频率下运作，缩小转换器尺寸，因此在汽车引擎动力推进系统中，可使用三种类别电源调节器:AC/DC（整流器）、DC/DC（转换器） 、AC/DC（逆变器）

传动系统的SMPS应用

电动车、油电混合车与内燃引擎在传动系统内，主要都会需要SMPS调节器，它的类别有:

‧ 再生制动（AC/DC）

‧ 板载充电（AC/DC）

‧ 双电池系统（DC/DC）

‧ 锂离子电池管理

‧ 48V-12V双向电源

‧ 400V电池（仅限纯电动车）

‧ 双向400V-12V电源（DC/DC）

‧ 牵引动力马达（DC/AC）

DC/DC转换器

依据电力负载安全需求，电源调节系统有多种基本拓朴可供选择，分为隔离拓朴与非隔离拓朴。整体而言，两种拓朴都会在动力推进系统内使用，依据负载与标准需求而异，但不论类别，市场趋势均倾向软性切换概念，使用LLC或共振模式，软性切换意指开关所受压力较低，提升转换器使用寿命与可靠性，对汽车市场而言至关重要。

电动车与油电混合车／内燃引擎各有不同的双向电源转换器，分别为400V-12V与48V-12V，图1.呈现了不同相关负载的48V-12V网络，这些转换器平常运作采降压模式，电源从高电池电压流向低电压（12V），例如再生制动或暖启动；而在冷启动模式中，电源流动采升压模式（12V至较高电压），通常是因为48V或400V （锂离子）电池无法驱动马达，需要备用电源。

依据1至3kW功率的位准不同，若需要隔离，可选用全桥拓朴，非隔离案例可采升降压拓朴，这些转换器均以MOSFET功率开关为基础，切换频率极高（通常为50 -500 kHz）。

图一 : 48V-12V双向电源与电力负载

牵引逆变器（DC/AC）

为将电力转换为车辆运作所需的机械动力，需要马达，过去直流电马达因简单、易控制而获青睐，但是直流电马达并不可靠，效能也不及交流电马达；此外，交流电马达体积较小、零件较少，可靠性也相对较高。

因此无论是电动车、油电混合车或内燃引擎，电池内的电力必须从直流电转换为交流电，马达才能运作，这些牵引逆变器通常转移数10 kW的电力，故在全桥拓朴内使用的开关为IGBT（独立或智慧电力模组，依据电流需求而定）。

功率电子元件

不论电源调节系统类型为何(DC/DC、AC/AC或DC/AC),都需要控制器与闸极驱动器,目前若要选择类比或数位控制器，大多取决于车辆或电源制造商需求，考量因素包括成本、弹性、整合、可靠性，以及数位控制器是否有写入韧体；挑选闸极驱动器时，驱动电流受多项因素影响，包括所需的半导体开关、减少零组件数量（单通道或桥驱动器）、停滞时间控制等功能、以调适性延迟避免上下侧开关与隔离之间的冲过现象等，目前市面上已推出多项汽车级类比或数位控制器及闸极驱动器，用于切换电力电子开关。

高温需求

车辆行驶一段时间后,打开车盖,常会感受到热气迎面而来,因为动力推进系统与引擎等次系统(内燃或马达)运作时,温度超过摄氏125度。

电力电子系统的价值在于高传输效率与体积较小，故汽车重量较轻，且减少零组件后，可提升车辆可靠性。

体积与尺寸缩小后，动力密度提高，尤其是动力推进系统内所需的kW高动力转移，然而，热耗散反成了问题。故除了缩小尺寸，热能管理亦为燃料效能改善关键，若使用矽制MOSFETs与IGBTs等市售电源开关，仍有限制必须克服。

例如在高温下，矽制电源开关会面临逆向恢复与损坏问题（表1.），若在电力电子线路中，使用矽制开关，必须增加水套与大型铜箱等冷却系统，以处理高温问题，但也因此影响车体大小、重量与成本。

表一 : 硅与碳化硅特质

@內文:碳化矽等宽能带半导体运作温度较高（称为接面温度）、热传导能力较传统矽制程高出二至三倍、崩溃电压较高、开关频率弹性较高、电力损耗微乎其微。由于碳化矽运作温度较高，故线路可配置于高温处，热传导能力高则可免除水套与大型铜箱，MHz切换速度快可缩小电源线路整体尺寸。

结论

本文探究在汽车动力推进系统的高电压需求下，电力电子学使用SMPS的价值为何，之后探讨电源调节器在其中必须驱动各种负载，以及为此设计的拓朴类型。 DC/DC双向电源与DC/AC牵引逆变器需要不同的半导体开关、控制器与闸极驱动器；文末论及采用碳化矽等切换频率较宽半导体的价值，为传动系统的高温应用中带来成功。

（本文作者现担任德州仪器 电源管理高效能隔离式电源解决方案 产品市场经理）