Vicor三大产品策略 实现48V汽车电气化创新
- 李佳玲／台北
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在汽车朝电气化与智能化的发展趋势下，随着汽车将内建越来越多的电子系统，既有的12V电源架构已不敷使用，为实现更佳效率与简化布线，主要车厂已推动电源系统朝48V移转。看好此新兴商机，已在军用与工业市场累积丰富经验的高功率密度电源解决方案供应商Vicor拟定了三大产品策略，将针对800V转400V、800V/400V转48V、以及48/12V双向转换等三种电压转换设计需求建构完整方案，并同时透过与客户合作开发新产品，积极扩展车用市场。
Vicor应用工程师张仁程指出，朝更高电压移转，是电动车电源设计最显而易见的趋势，不仅车内系统从12V增加到48V，为了能快速充电，输入电压也从400V升高到800V。
他解释说，过去，虽然汽车产业曾推动过以42V供电，但由于市场环境尚未成熟，此提案以失败收场。但现在，随着各项技术的快速进展以及汽车功能的日新月异，朝高电压发展已是必然趋势。包括奥迪、BMW、奔驰、保时捷和大众等五大德国车厂已共同制定了LV148标准，以48V作为汽车电力系统的标准，已势在必行。
然而更高的电压，也带来了新的电源设计需求与挑战，包括宽输入电压范围、高输出功率、高效率、电源密度、散热等。同时，由于车身整合了众多的电子系统，彼此的干扰严重，低杂讯的重要性也日益凸显。
另一方面，欧盟已订定了严格的汽车减排目标，要求汽车制造商要在2021年达到新车每公里CO2排放量不得超过95克的目标，否则将面临天价罚款，可能高达其营收的10%~20%。然而，降低排放量涉及了汽车结构、重量、空间的全新设计。以电源设计的角度来看，随着瓦特数的增加，电源模块的重量也日益沉重，使得轻量、小型化设计将越来越重要。
由于在此过渡期间，目前许多电动车是采用12V铅酸电池与48V锂电池并行的设计，以12V为电动窗、风扇、信息娱乐系统等既有装置供电，以48V为引擎冷却液帮浦、主动式悬吊、底盘系统，以及新的怠速熄火(Start Stop)系统等要求较高功率的装置供电。
为更灵活的以双电池系统供电，除了会有48V/12V双向转换的需求之外，由于电池供电的电压本来就会受到温度、负载与充电状态的影响而改变，也会需要非常灵活的DC-DC转换器，能自动在升压与降压模式之间无缝移转。
导入流程管理，设计生产全面符合车规
Vicor台湾区总经理翁鸿裕补充说，电动车是未来汽车市场的主流，为兼顾功能与安全性，电源设计将扮演更重要角色。Vicor为军用、工业市场提供高密度电源模块已有超过30年的经验，在既有基础上，因此决定扩展至高成长的汽车市场。
为符合汽车对于安全标准的要求，Vicor从两年前开始全面导入管理规范，从产品设计、测试到量产的整个流程都已符合包括IATF 16949、AECQ100、GMW3172GM等相关标准，此外，ISO26262功能安全标准则是正在认证中。
翁鸿裕表示，Vicor是世界一流的军用电源模块供应商，产品原本就具有优异的品质与可靠度，要符合严苛的车规标准并不困难。特别是，公司已建立了完整的产品溯源管理系统，每一颗元件都有个别的序号，一旦产品出现问题，可立即查询生产信息，溯源追踪。以此为基础，目前公司正顺利导入相关标准，预计明后年，所有产品都将符合车规。
他强调，「尽管汽车市场的前景看好，但其电源设计仍持续演进，我们透过制造流程改善、培训员工，以及与OEM原厂/Tier-one业者合作开发产品等多方位做法，强化我们在汽车市场的实力与完备产品。公司现已投入庞大资源，展开中长期计划，不躁进地稳健耕耘，相信能在未来获得丰硕成果。」
产品线齐备，满足不同的电源设计需求
以目前汽车电源的系统架构来看，会有前端800V/400V转换到48V、车内48V/12V双向转换、以及48V降压到1V以下为负载点供电等不同的设计需求，而目前Vicor提供的车用电源解决方案，主要可分为800V转400V、800V/400V转48V、以及48/12V双向转换等三个应用。
张仁程解释说，为了实现快速充电，目前已有把输入电压从400V升高到极高压800V的趋势。虽然现阶段一般汽车仍以200V~500V为主，但电动巴士已采500V~800V的设计，会有把高压电池转换为直流电压，以用于牵引逆变器(traction inverter)的需求。
而800V/400V转48V，则是为车内多项要求高功率的装置，把高压直接转换至48V。此外，48/12V双向转换则是因应48/12V双电池系统的供电需求，而且若把48V直接传送到负载点，可以降低功率损失，减轻布线重量，缩小尺寸，有显着的好处。
由于Vicor专精于高功率密度电源解决方案，近年也已因应服务器朝48V移转的趋势，推出多项产品，获得领先大厂的采用。现在，循着类似的发展方向，48V趋势也开始扩散到汽车市场，因此对Vicor来说，再把相关经验带到车用电源设计并不困难。
翁鸿裕表示，Vicor能以完备方案因应未来汽车，包括电动车和各等级自驾车的电源挑战。Vicor的模块化电源产品具备高整合度、先进的切换拓朴、以及散热封装设计，能取代目前汽车普遍采用的更大、更重的分离式解决方案，以协助业者实现更轻、更快、以及行驶距离更长的电动车。
轻薄短小、高效率，Vicor产品展现优势
张仁程亦强调，低杂讯、高密度、轻量、先进封装与冷却技术，以及双向转换拓朴是Vicor产品的重要优势。针对直流电压转换，依不同的设计需求，Vicor可提供稳压式DCM、非稳压式BCM两个主要产品线。
以其最近推出的800V BCM4414为例，这是一款1.6KW隔离式、1/16固定比率汇流排转换器模块(BCM)，可在500V至800V的输入电压下平稳工作，提供SELV输出电压，峰值效率达97.7%，并具备双向电压转换功能。
BCM4414可轻松并联以满足更高功率应用的需求，而SELV范畴内的输出可直接进行串联堆叠达到更高的输出电压，并整合了PMBus通讯埠、EMI滤波器及电压暂态保护功能。此外，它采取的VIA平面外形封装可大幅简化散热设计，能够与各式各样的散热技术轻松对接运用。
而DCM系列产品则可提供400V到48V的稳压隔离式输出，它采用高频率零电压切换(ZVS)拓朴，可在整个输入电压范围内始终如一地提供高效率定电压输出。
此外，新的3.6KW PowerStrip，这是一款高整合度的DC-DC转换器，峰值效率达到94.5%，能把200~410V的输入电压转换到十个稳压输出(10~15V及40V~52V输出调整范围)。这是业界尺寸最小的高功率电源转换模块，而且具备优异的扩充性，相邻输出可并联增加输出功率，减少重复设计的工作，而且重量又轻，能使电动车充电次数更少，行驶距离更远。
目前，这款PowerStrip已获得4家L5自驾车客户的导入设计，用来开发最新系统，另外还有8~10个专案洽谈中。这对Vicor来说，是进军汽车市场的重大斩获，也是其电源模块特性获得肯定的证明。
针对12V/48V双向转换，Vicor则是主推NBM2317，这是一款非隔离式汇流排转换模块，最高可提供1KW的功率。它的主要特性是，工作频率为1.7 MHz，远高于一般的200 KHz，可减少外部元件的使用，简化设计，而且瞬态响应更快。另一个优势是，传统是以PWM方式升压，为硬开关切换，易造成EMI问题，需外加过滤器来解决。而NBM采用SAC(正弦振幅转换)架构，没有EMI杂讯问题，无需担心高速线路受干扰。
张仁程表示，Vicor将透过与客户合作，了解需求，持续精进产品开发，以因应演进中的汽车电源设计需求。这其中，高瓦特数、车规将会是未来产品开发的两大主轴。同时，有监于重量亦将成为电源模块的主要差异化特性，所有产品也都会标示重量，凸显Vicor的优势。
应用实例，以自驾测试车为例
在实际应用方面，张仁程介绍了自驾测试车的应用实例。客户原本设计时遭遇的困难包括：需要降低热量，才能把冷却的需求降至最低；想要最大化激光雷达传感器的感应范围与分辨率，同时又要能快速地进行传感器系统的原型开发。另外，考虑外观与空间限制，希望能够缩小电源系统的尺寸等。
为了解决这些问题，Vicor提供了一系列的电源产品：高压BCM模块，可提供非稳压的36V和18V电压输出；DCM直流电压转换模块，可提供两个稳压的12V电压输出；以及ZVS升降压转换器，为激光雷达提供稳压电压输出。
张仁程表示，客户希望采用更灵活的电源方案，以因应激光雷达传感器与AI处理器的各种设计变更。而Vicor的产品恰能符合其需求。我们的高功率密度特性，1.8KW仅需155cm2的占位面积，而且厚度又薄，完全不会影响汽车外观。此外，模块的可扩充特性能确保满足未来的电源需求，高效率特性能简化散热设计。BCM的SAC拓朴亦能确保低输出切换杂讯，因此能最大化传感器的范围与分辨率。此案例充分展现了Vicor电源产品的优势能符合新一代电动/智能车的需求。
翁鸿裕表示，台湾业者也正积极拓展汽车市场，开发包括动力系统、信息娱乐系统、先进驾驶辅助系统(ADAS)等相关产品。Vicor亦将专注于提供最适切的解决方案，并移植国外的成功经验，为客户提供必要的技术支持与新产品信息，让台湾业者能加速设计周期，掌握此快速成长的市场商机。关于Vicor产品技术详情，请至Vicor官网查询。
