Vicor三大產品策略 實現48V汽車電氣化創新

Vicor三大產品策略，實現48V汽車電氣化創新。

在汽車朝電氣化與智慧化的發展趨勢下，隨著汽車將內建越來越多的電子系統，既有的12V電源架構已不敷使用，為實現更佳效率與簡化佈線，主要車廠已推動電源系統朝48V移轉。看好此新興商機，已在軍用與工業市場累積豐富經驗的高功率密度電源解決方案供應商Vicor擬定了三大產品策略，將針對800V轉400V、800V/400V轉48V、以及48/12V雙向轉換等三種電壓轉換設計需求建構完整方案，並同時透過與客戶合作開發新產品，積極擴展車用市場。

電氣化+智慧化，帶動車用電源朝48V移轉

Vicor應用工程師張仁程指出，朝更高電壓移轉，是電動車電源設計最顯而易見的趨勢，不僅車內系統從12V增加到48V，為了能快速充電，輸入電壓也從400V升高到800V。

他解釋說，過去，雖然汽車產業曾推動過以42V供電，但由於市場環境尚未成熟，此提案以失敗收場。但現在，隨著各項技術的快速進展以及汽車功能的日新月異，朝高電壓發展已是必然趨勢。包括奧迪、BMW、賓士、保時捷和福斯等五大德國車廠已共同制定了LV148標準，以48V作為汽車電力系統的標準，已勢在必行。

然而更高的電壓，也帶來了新的電源設計需求與挑戰，包括寬輸入電壓範圍、高輸出功率、高效率、電源密度、散熱等。同時，由於車身整合了眾多的電子系統，彼此的干擾嚴重，低雜訊的重要性也日益凸顯。

另一方面，歐盟已訂定了嚴格的汽車減排目標，要求汽車製造商要在2021年達到新車每公里CO₂排放量不得超過95公克的目標，否則將面臨天價罰款，可能高達其營收的10%~20%。然而，降低排放量涉及了汽車結構、重量、空間的全新設計。以電源設計的角度來看，隨著瓦特數的增加，電源模組的重量也日益沉重，使得輕量、小型化設計將越來越重要。

由於在此過渡期間，目前許多電動車是採用12V鉛酸電池與48V鋰電池並行的設計，以12V為電動窗、風扇、資訊娛樂系統等既有裝置供電，以48V為引擎冷卻液幫浦、主動式懸吊、底盤系統，以及新的怠速熄火(Start Stop)系統等要求較高功率的裝置供電。

為更靈活的以雙電池系統供電，除了會有48V/12V雙向轉換的需求之外，由於電池供電的電壓本來就會受到溫度、負載與充電狀態的影響而改變，也會需要非常靈活的DC-DC轉換器，能自動在升壓與降壓模式之間無縫移轉。

導入流程管理，設計生產全面符合車規

Vicor台灣區總經理翁鴻裕補充說，電動車是未來汽車市場的主流，為兼顧功能與安全性，電源設計將扮演更重要角色。Vicor為軍用、工業市場提供高密度電源模組已有超過30年的經驗，在既有基礎上，因此決定擴展至高成長的汽車市場。

為符合汽車對於安全標準的要求，Vicor從兩年前開始全面導入管理規範，從產品設計、測試到量產的整個流程都已符合包括IATF 16949、AECQ100、GMW3172GM等相關標準，此外，ISO26262功能安全標準則是正在認證中。

翁鴻裕表示，Vicor是世界一流的軍用電源模組供應商，產品原本就具有優異的品質與可靠度，要符合嚴苛的車規標準並不困難。特別是，公司已建立了完整的產品溯源管理系統，每一顆元件都有個別的序號，一旦產品出現問題，可立即查詢生產資訊，溯源追蹤。以此為基礎，目前公司正順利導入相關標準，預計明後年，所有產品都將符合車規。

他強調，「儘管汽車市場的前景看好，但其電源設計仍持續演進，我們透過製造流程改善、培訓員工，以及與OEM原廠/Tier-one業者合作開發產品等多方位做法，強化我們在汽車市場的實力與完備產品。公司現已投入龐大資源，展開中長期計畫，不躁進地穩健耕耘，相信能在未來獲得豐碩成果。」

產品線齊備，滿足不同的電源設計需求

以目前汽車電源的系統架構來看，會有前端800V/400V轉換到48V、車內48V/12V雙向轉換、以及48V降壓到1V以下為負載點供電等不同的設計需求，而目前Vicor提供的車用電源解決方案，主要可分為800V轉400V、800V/400V轉48V、以及48/12V雙向轉換等三個應用。

張仁程解釋說，為了實現快速充電，目前已有把輸入電壓從400V升高到極高壓800V的趨勢。雖然現階段一般汽車仍以200V~500V為主，但電動巴士已採500V~800V的設計，會有把高壓電池轉換為直流電壓，以用於牽引逆變器(traction inverter)的需求。

而800V/400V轉48V，則是為車內多項要求高功率的裝置，把高壓直接轉換至48V。此外，48/12V雙向轉換則是因應48/12V雙電池系統的供電需求，而且若把48V直接傳送到負載點，可以降低功率損失，減輕佈線重量，縮小尺寸，有顯著的好處。

由於Vicor專精於高功率密度電源解決方案，近年也已因應伺服器朝48V移轉的趨勢，推出多項產品，獲得領先大廠的採用。現在，循著類似的發展方向，48V趨勢也開始擴散到汽車市場，因此對Vicor來說，再把相關經驗帶到車用電源設計並不困難。

翁鴻裕表示，Vicor能以完備方案因應未來汽車，包括電動車和各等級自駕車的電源挑戰。Vicor的模組化電源產品具備高整合度、先進的切換拓樸、以及散熱封裝設計，能取代目前汽車普遍採用的更大、更重的分離式解決方案，以協助業者實現更輕、更快、以及行駛距離更長的電動車。

輕薄短小、高效率，Vicor產品展現優勢

張仁程亦強調，低雜訊、高密度、輕量、先進封裝與冷卻技術，以及雙向轉換拓樸是Vicor產品的重要優勢。針對直流電壓轉換，依不同的設計需求，Vicor可提供穩壓式DCM、非穩壓式BCM兩個主要產品線。

以其最近推出的800V BCM4414為例，這是一款1.6KW隔離式、1/16固定比率匯流排轉換器模組(BCM)，可在500V至800V的輸入電壓下平穩工作，提供SELV輸出電壓，峰值效率達97.7%，並具備雙向電壓轉換功能。

BCM4414可輕鬆並聯以滿足更高功率應用的需求，而SELV範疇內的輸出可直接進行串聯堆疊達到更高的輸出電壓，並整合了PMBus通訊埠、EMI濾波器及電壓暫態保護功能。此外，它採取的VIA平面外形封裝可大幅簡化散熱設計，能夠與各式各樣的散熱技術輕鬆對接運用。

而DCM系列產品則可提供400V到48V的穩壓隔離式輸出，它採用高頻率零電壓切換(ZVS)拓樸，可在整個輸入電壓範圍內始終如一地提供高效率定電壓輸出。

此外，新的3.6KW PowerStrip，這是一款高整合度的DC-DC轉換器，峰值效率達到94.5%，能把200~410V的輸入電壓轉換到十個穩壓輸出(10~15V及40V~52V輸出調整範圍)。這是業界尺寸最小的高功率電源轉換模組，而且具備優異的擴充性，相鄰輸出可並聯增加輸出功率，減少重複設計的工作，而且重量又輕，能使電動車充電次數更少，行駛距離更遠。

目前，這款PowerStrip已獲得4家L5自駕車客戶的導入設計，用來開發最新系統，另外還有8~10個專案洽談中。這對Vicor來說，是進軍汽車市場的重大斬獲，也是其電源模組特性獲得肯定的證明。

針對12V/48V雙向轉換，Vicor則是主推NBM2317，這是一款非隔離式匯流排轉換模組，最高可提供1KW的功率。它的主要特性是，工作頻率為1.7 MHz，遠高於一般的200 KHz，可減少外部元件的使用，簡化設計，而且瞬態響應更快。另一個優勢是，傳統是以PWM方式升壓，為硬開關切換，易造成EMI問題，需外加過濾器來解決。而NBM採用SAC(正弦振幅轉換)架構，沒有EMI雜訊問題，無需擔心高速線路受干擾。

張仁程表示，Vicor將透過與客戶合作，了解需求，持續精進產品開發，以因應演進中的汽車電源設計需求。這其中，高瓦特數、車規將會是未來產品開發的兩大主軸。同時，有鑑於重量亦將成為電源模組的主要差異化特性，所有產品也都會標示重量，凸顯Vicor的優勢。

應用實例，以自駕測試車為例

在實際應用方面，張仁程介紹了自駕測試車的應用實例。客戶原本設計時遭遇的困難包括：需要降低熱量，才能把冷卻的需求降至最低；想要最大化光達感測器的感應範圍與解析度，同時又要能快速地進行感測器系統的原型開發。另外，考慮外觀與空間限制，希望能夠縮小電源系統的尺寸等。

為了解決這些問題，Vicor提供了一系列的電源產品：高壓BCM模組，可提供非穩壓的36V和18V電壓輸出；DCM直流電壓轉換模組，可提供兩個穩壓的12V電壓輸出；以及ZVS升降壓轉換器，為光達提供穩壓電壓輸出。

張仁程表示，客戶希望採用更靈活的電源方案，以因應光達感測器與AI處理器的各種設計變更。而Vicor的產品恰能符合其需求。我們的高功率密度特性，1.8KW僅需155cm²的佔位面積，而且厚度又薄，完全不會影響汽車外觀。此外，模組的可擴充特性能確保滿足未來的電源需求，高效率特性能簡化散熱設計。BCM的SAC拓樸亦能確保低輸出切換雜訊，因此能最大化感測器的範圍與解析度。此案例充分展現了Vicor電源產品的優勢能符合新一代電動/智慧車的需求。

翁鴻裕表示，台灣業者也正積極拓展汽車市場，開發包括動力系統、資訊娛樂系統、先進駕駛輔助系統(ADAS)等相關產品。Vicor亦將專注於提供最適切的解決方案，並移植國外的成功經驗，為客戶提供必要的技術支援與新產品訊息，讓台灣業者能加速設計週期，掌握此快速成長的市場商機。關於Vicor產品技術詳情，請至Vicor官網查詢。