市場研究人員預測，未來十年人們將跨入一個時間點，絕大多數賣出的新車不是採用混合動力，就是採用全電動動力系統，而這些汽車當中有許多必須靠外部電源充電。電動車的主要驅動力將是法規，例如，歐洲2020年要達到的目標是汽車平均每公里排放95克二氧化碳。到2030年，目標甚至將進一步降低到59公克。
此外，為了應對新型冠狀病毒肺炎(Covid-19)，許多國家制定了經濟振興計畫。在各類汽車之中，電動車通常是這些政府計畫的主要受益者，無論是直接透過相應的銷售獎勵，或間接透過在充電站等基礎架構上的投資。於此背景之下，疫情的出現甚至可能加速電動車的革命。汽車製造商正投入數十億美元在電動車和油電混合車的開發以及相應的銷售工作上。隨著以使用者為導向的電動車充電解決方案的問世，這個先有雞還是先有蛋的問題似乎慢慢不復存在。
現行充電選項
為了協助使用者在家充電，大部分車輛都支援透過家用單相交流(AC)電源充電，以便讓車輛能夠整夜充電。其中涵蓋多種解決方案，從簡單提供纜線將車輛連接至電源插座，到纜上控制與保護裝置(IC-CPD)，乃至於較為複雜的壁掛式充電器，例如車輛與電源裝置之間的通訊功能，以及內部的接地和保護功能。
當然電池本身需要以直流(DC)電源進行充電，因此車輛內建的充電電子元件會將AC轉換為DC。這種方法需要讓每台車配備充電解決方案，其中在設計時必須依據所有冷卻、效率及重量的標準限制，以及最終對充電電力及充電速度造成限制的各種因素來進行。為了繼續向前發展，顯然必須開發通用的車外DC充電器。
快速DC充電方法
一般的22kW AC充電器可在120分鐘內提供足夠電力，讓車輛延長行駛200公里，絕對足以因應在上班期間的充電需求。但如果要將200公里的充電時間縮短到16分鐘，則需要靠150kW的DC充電站。如果達到350kW，200公里的充電時間就只需要7分鐘左右，稍微接近內燃機(Internal Combustion Engine, ICE)車輛的加油時間。當然以上數據都假設目標電池可支援前述各種充電速率。此外，就像在加油站加油一樣，消費者預期業界提供標準化的充電體驗，不論在哪裡充電都一樣。
歐洲的CharIN e.V.組織著重於開發及推廣所謂的聯合充電系統(Combined Charging System, CCS)。他們提出規格定義充電插頭、充電序列，甚至是資料通訊。日本及中國等其他區域，則分別設立CHAdeMO及GB/T等類似組織，而特斯拉(Tesla)則有自己的專屬系統。
CharIN規格定義透過插頭及插座實作支援AC及DC充電。其中也假設在700VDC的最大恆定電流輸出為500A，最高可支援920VDC。系統效率也設定為95%，不過未來將提升至98%。其中值得注意的是，150kW充電器損失1%效率相當於1.5kW。因此將損耗降低至絕對最低值，是快速DC充電器設計時的優先事項。
快速DC充電器架構
高功率DC充電器的設計方式，一般會遵循兩種基本方法的其中之一。一種是將三相AC電源轉換為可變DC輸出，饋入DC/DC轉換器。充電器必須與接受充電的車輛通訊，才能定義出精準的DC電壓。另一種方式是將傳入的AC轉換為固定DC電壓，再由DC/DC轉換器調整輸出電壓，以符合車輛電池需求(圖1)。
圖1 兩種可能的高功率DC充電器方式的方塊圖
由於這兩種方法並沒有明顯的優劣之分，決定最佳方法的關鍵在於系統挑戰。這樣的高電源解決方案不會使用單一方法，而是以結合多個充電次單元的方式，由每個次單元貢獻15至60kW，以實現所需的電源輸出。因此關鍵的設計目標，就是盡可能減少冷卻需求、提供高電源密度，並減少整體系統尺寸。
設計效率從前端的AC/DC轉換階段開始著手。這樣的功率因數修正階段，通常是由Vienna整流器拓撲實作。由於可能使用600V主動裝置，因此有助於在成本與效能之間達成適當平衡。高電壓碳化矽(SiC)元件上市供應，也讓標準的二階式PWM型AC/DC轉換階段，在50kW以上的功率級成為熱門選擇。
這兩種方法都可在功率因數大於0.95、總諧波失真(Total Harmonic Distortion, THD)小於5%，以及效率大於等於97%的情況下，提供受控制的輸出電壓，以及正弦輸入電流。對於可以利用中壓變壓器實現電網側隔離的應用而言，在前端使用多脈衝整流器拓撲搭配二極體或閘流體，正因為具備簡易、可靠及高效率等特性而廣受歡迎。
在DC/DC轉換階段中，諧振拓撲因效率及電氣隔離的緣故而較常獲得採用。這項設計可滿足較高的電源密度、較小體積以及零電壓切換(ZVS)等需求，可減少切換損耗，並有助於提升整體系統效率。相位轉移全橋拓撲搭配SiC元件，也可在隔離設計上作為替代解決方案。在電網隔離架構中，多重交錯式降壓轉換器是較適合的DC/DC拓撲選擇。其優點包括可跨相分享負載，減少漣波和濾波器的尺寸，但代價是需要的元件數量較多。
在15至30kW的功率範圍內，次單元較理想的實作方式就是使用獨立元件(圖2)。如使用TRENCHSTOP 5 IGBT搭配CoolSiC肖特基二極體實作Vienna整流器，對大部分注重成本的應用而言是良好組合。將IGBT更換為CoolMOS P7 SJ MOSFET，可略微提升效率。在DC/DC轉換器方面，使用CoolMOS CFD7 MOSFET的諧振轉換器，可達成相當不錯的效率；如果希望達成較高效率，建議使用CoolSiC產品組合之中的一系列MOSFET。
圖2 由獨立裝置製成的充電器典型拓撲。
雖然目前電源轉換器可達到驚人效率，但只要效率降低1%，就相當於以熱能形式散發的3.5kW功耗，而這些熱能需要從系統中逸散。
針對15至22kW的獨立充電器來說，使用強制氣冷轉換器是非常普遍的。含有適當的空氣導管和灰塵濾網的低噪音風扇(小於60dB)在現有的安裝中受到廣泛使用。但由於為室外安裝，轉換器系統的可靠性面臨灰塵和潮濕環境所帶來的挑戰。由於120kW以上的高功率充電設施需要液體式冷卻電纜，液體式冷卻轉換器的概念日益流行。這裡的困難之處，就是許多液體冷卻劑都有可燃性、退化、腐蝕及毒性等問題。目前水與乙二醇的混合物，已成為纜線及接頭的熱門冷卻劑。此外也已開發介電冷卻劑，並成功部署於高功率充電系統。
現代的電源電晶體技術，加上高效能的系統級控制器及進階的磁性材料，輕鬆實現高效AC/DC整流電路。透過這些元件確保從電網取得正弦電流、功率因數校正、低諧波失真(THDi≦5%)，以及獨立控制主動和被動電力潮流，同時確保高度的動態控制。在選擇合適的實作拓撲時，工程師需要做幾項決定，以成本、效能、功率密度等為依據，考慮使用單向或雙向模式作業、2級或3級拓撲、矽或碳化矽型的功率半導體。
雙向作業最廣為使用的拓撲之一是雙階電壓源極轉換器(2L-VSC)。其中包含一系列的六個切換裝置，一般為IGBT或碳化矽MOSFET，並搭配電容器作為DC連結，產生高於輸入相位電壓的輸出電壓。切換方法可利用正弦脈寬調變(SPWM)或空間向量調變(SVM)。藉由使用適用於6.6kW至11kW的低功率堆疊的單一封裝1,200V CoolSiC MOSFET模組FS45MR12W1M1_B11，可輕鬆實作此切換方法。對於22kW以上的高功率堆疊，有業者如英飛凌(Infineon)則提供多樣化的半橋解決方案，62mm封裝(FF2MR12KM1)的導通電阻最低可到2mΩ，Easy 2B(FF6MR12W2M1P_B11)封裝的電阻最高可到6mΩ，另外Easy 1B(FF45MR12W1M1_B11)封裝最高則到45mΩ(圖3)。
圖3 由模組裝置組成的一般充電器解決方案。
當雙向能力為非必要，重點在於減少開關應力和EMI濾波器需求時，三相三階的Vienna整流器就會成為熱門選擇。對稱升壓PFC Vienna整流器可利用碳化矽模組實作，例如採用Easy 2B封裝的F3L15MR12W2M1_B69。每個模組包含兩個1,600V慢速整流二極體、兩個1,200V快速三階二極體，以及兩個1,200V的15mΩ碳化矽MOSFET，是很適合體積精巧、高電流、低損耗設計的選擇。
控制/通訊及安全
功率半導體通常直接由電氣隔離閘極驅動器IC驅動。它們非常適合搭配各種TRENCHSTOP 5 IGBT、CoolMOS P7 SJ MOSFET或CoolSiC產品組合的MOSFET。
控制功率級一般是以微控制器實作。XMC4000系列等裝置提供彈性的類比數位轉換器(ADC)，搭配可高度設定的計時器和脈寬調變(PWM)周邊設備，以實作控制迴路。CAN連線能力可確保子單元互相通訊，並回應不同電池類型的各種需求。軟體更新或硬體變更的服務費用及驗證，可由AURIX系列微控制器的硬體安全模組(HSM)處理；該系列產品以汽車領域安全相關應用而聞名。
替換次單元的驗證作業，可利用OPTIGA Trust B等防偽安全晶片設備加以確保；OPTIGA TPM可信賴平台模組則提供更嚴苛的完整性保護功能。
提升BEV數量基礎設施快充成標配
推出快速DC充電的基礎設施，是提升純電動車(BEV)數量策略的必備要素。如果沒有合理的充電機會，並提供可接受的充電時間，BEV將不可避免地局限於所謂的綠色運輸解決方案，消費者也只能每日行駛有限距離。指定充電器和連接器的準備工作已經完成。此外，市面上也提供創新半導體解決方案的必備產品。其中包含傳統的矽功率裝置乃至於碳化矽解決方案，提供更高的頻率切換，以及更高效的電源轉換，確保充電器高效可靠。若結合微控制器裝置，以及更智慧化的驗證及安全解決方案，就明確顯示提供DC充電基礎設施的多重次單元方法，已經準備好供電以推動運輸的未來發展。
(本文作者皆任職於英飛凌，Pradip Chatterjee為EV充電應用工程師；Markus Hermwille為管理和市場行銷新興應用主管)