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）。

圖一 : 48V-12V雙向電源與電力負載

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。

表一 : 矽與碳化矽特質

@內文: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）