永盛車電學院

第三代半導體

隨著電動車需求的增加，相關系統業者致力於提高電動車的能源轉換效率，甚至是供電設備也朝向高功率、高電壓與快速充電方向發展。現今以矽（silicon, Si）功率半導體為主的絕緣柵雙極性電晶體（IGBT），要再進一步提升其性能，已相當困難。高速開關切換損耗與導通飽和壓降相互抵制，降低損耗和提升效率的空間越來越小，於是業界開始轉向第三代半導體，我們又稱「寬能隙半導體」(wide band gap, WBG)。

本文將闡述第三代WBG半導體，在電動車電力系統與充電設施的發展影響與改變，以及在控制與規格上的差異有哪些進行探討。

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電動車供電設備

充電標準是影響電動車普及發展的因素之一，然而電動車供電設備（electric vehicle supply equipment, EVSE）與充電電纜（cable）在各國及不同車款的標準都有所差異。EVSE與充電電纜各為不同主體，充電電纜包含插頭（plug）與連接器（connector），其電纜必須能可靠的將EVSE所供應的電流輸入到車輛接口（vehicle inlet）。因此，實際能供應給車輛的最大負載電流量（載流量）則是取EVSE與充電電纜兩者能提供載流量的最小者。供電設備與電纜，如圖 1所示。

本文將闡述交直流充電差異、EVSE與車端接口通信協定、如何進行與中止充電等，以利工程人員瞭解其架構與工作方式。

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怠速啟閉電力系統

為了使燃油車在車輛停止時達到零排放，以及提高燃油經濟性，愈來愈多車款開始配有怠速啟閉系統（Stop/Start）。當車輛停止以及相關條件皆符合時，內燃機會自動熄火，此時藉由內燃機所帶動的發電機會停止工作，整車電子裝置轉由電瓶進行供電。待車輛起步時，內燃機會自動啟動，而每次啟動時，起動馬達也會對電瓶抽取大電流，所以具備Stop/Start的車輛，其電瓶使用規格以及電路架構會與一般車輛有所不同...

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步進與伺服馬達

步進馬達（step motor）與伺服馬達（servo motor）透過間接或直接訊息的回饋與計算，使控制器可準確控制與掌握馬達機構所移動的位置。步進與伺服馬達兩者結構設計上有很大的差異，前者為無刷馬達，直接透過極限位置開關或間接取得極限位置馬達電流變化後，得以進行復位及定位程序；後者則是有刷或無刷設計都可，但必須直接透過電位器或位置編碼器取得位置資訊。

本文將闡述步進馬達的結構與激磁方式、單極性與雙極性驅動電路、微步級驅動控制等基本概念；伺服馬達的結構與控制方式，最後對步進馬達與伺服馬達兩者差異進行比較。

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永磁與感應馬達

永磁同步馬達（permanent-magnet synchronous motor, PMSM）的運行原理與直流無刷馬達（Brushless DC, BLDC）近似。永磁轉子在旋轉磁場中受到電磁力作用而運動，此時電能轉化為動能，PMSM作為電動機。當永磁轉子被動能所帶動（車輛滑行），永磁轉子產生旋轉磁場，三相定子繞組在旋轉磁場作用下透過磁通力，感應出三相對稱電流，此時轉子動能轉化為電能，PMSM作為發電機。

本文將闡述PMSM與BLDC及感應式非同步馬達之差異，以利工程人員對電動車動力系統的電動機架構以及控制方式，能有進一步的認知。

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無刷馬達控制

直流無刷馬達（Brushless DC, BLDC）摒棄了電刷，採用「電子整流器」。因此，不會產生磨損與功率損耗，進而提升馬達的可靠度與效率。BLDC優勢相比同功率輸出的有刷馬達體型更小、重量更輕，非常適合空間狹小的應用。不僅如此，BLDC擁有比有刷DC馬達與感應馬達更多的優勢，藉由精準通電時機可達到準確的速度和扭矩控制，並可確保馬達以峰值效率運轉，更快的動態響應、無噪音操作以及更高的速度範圍。

本文將闡述有刷與無刷馬達結構差異、三相無刷馬達、無刷馬達控制電路架構以及六步換相控制等基本概念，以利工程人員對無刷電動機的控制方式，能有進一步的認知。

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全橋電路

在需要正向或反向轉動的馬達驅動電路中，全橋電路可提供多種組合控制方式。除了正反向驅動，亦可執行動態制動或開路狀態。全橋電路是由四個開關而組成的二線驅動電路，電路可使用集成式全橋電路或兩個單刀雙擲（SPDT）繼電器控制。譬如：電子節氣門、車窗、天窗、滑門、尾門或後行李箱蓋、電動椅、伺服馬達以及門鎖等。

本文將闡述全橋電路架構以及相關電路與配置，以利工程人員對全橋電路有更進一步的認知。

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半橋電路

在單線控制電路同時能存在高端與低端輸出控制。若該電路是應用在小電流通信訊號，則目的是縮短高電平與低電平轉換的上升及下降時間；若是在驅動致動器大功率電路上，則是應用在馬達的驅動及馬達煞車控制。譬如，雨刷馬達控制電路。

本文將介紹BJT半橋電路、典型的雨刷馬達半橋驅動電路、動態制動以及雨刷完整的電路架構，使工程人員對半橋電路應用有更清楚的認知。

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恆定電流控制

致動器中的電磁閥可以應用在簡單的啟閉控制，以及線性或比例控制方式，透過彈簧型負載和螺線管磁場之間的力平衡來實現。然而，汽車電源環境的電壓變化，以及導體溫度上升，造成電磁閥及線路電阻增加，都將導致電磁閥作動的響應時間會有所差異。由必歐沙法定律得知，導體電流的大小決定磁場強度，由於機械負載施加在電磁閥上的力與磁場力成正比，而磁場又與流經線圈的電流成正比，故可透過測量電磁閥的「電流」來確定電磁閥的位置。

本文將藉由三種車用控制器輸出與電流測量電路的基本原理及架構進行闡述，以利工程人員對相關電路有進一步認知。最後再以共軌缸內直接噴射範例，講述在噴油嘴的開啟峰值與保持電流控制。

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高端控制電路

高端（high side）控制也稱為電源控制，可使用P-MOS或N-MOS電晶體達到控制目的。基於效率及成本因素，P-MOS主要應用在小功率的相位轉換或半橋電路，大功率下的高端控制目前主流則採用N-MOS零件。車外的燈光由於距離ECU較遠，主要是採用高端控制。ICE的燃油泵，除了線路長外，安全考量下，也採用高端控制，避免因車禍造成線路搭鐵，使油泵持續運轉，造成危險。

本文將闡述MOS高端控制電路、相位轉換電路以及高低端同步控制的基本概念，並說明上升時間與下降時間，對開關電路的影響。

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低端控制電路

低端（low side）控制也稱為搭鐵控制，是目前採用最多的控制方式，以半導體的特性來看，有效率高及成本低的優勢。若以車輛安全規範來講，由於現在的汽車都是負極接車體的方式，造成短路引起火災的可能性就會大幅降低。伴隨著半導體的製程進步，集成式低端或高端控制驅動器已成為市場主流。不只能對輸出進行電流或過高溫保護，同時還能有多組輸出組成一個IC。

本文將對電晶體的低端控制、功率放大器、帶診斷與集成式低端控制以及安全電路的基本概述，並舉例說明控制訊號的備援機制。

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場效電晶體

有別於雙極性電晶體（BJT）是控制基極至射極電流，達到控制目的。場效電晶體（field effect transistor, FET）則是依靠電場（電壓）去控制導電通道形狀，因此FET能控制半導體材料中某種類型載子的通道的導電性。由於半導體材料的限制，以及曾經雙極性電晶體比場效應電晶體容易製造，場效應電晶體比雙極性電晶體要晚實用於市場，但場效應電晶體的概念卻比雙極性電晶體早，在西元1925年，就已被發明。

本文將對FET與BJT端點差異、金氧半場效電晶體的工作原理與模式、功率型場效電晶體，以及絕緣柵雙極電晶體進行闡述，以建立學習電控系統所需之先備知識。

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