在過去的三十年中，汽車電子經歷了顯著的演變，從傳統的內燃機（ICE）過渡到電池電動車（BEV）的興起。這一過程不僅改變了汽車的運作方式，還推動了電力分配架構和半導體元件的重大變革。在這篇博客中，我們將探討這一演變的三個主要階段——從ICE到輕度混合動力（MHEV）再到BEV——並探討低壓電力分配在塑造汽車領域中的作用。

第一階段：內燃機（ICE）

在早期，汽車電子相對簡單，主要由機械系統主導。1990年代和2000年代的內燃機汽車消耗的連續電力非常少，主要用於電子點火、收音機和電動窗或座椅等功能。電力需求在發動引擎瞬間達到約12千瓦的峰值。在這一時期，電池和起動馬達之間的直接連接足以提供點火所需的電力增強。

第二階段：輕度混合動力車輛（MHEV）

輕度混合動力技術的出現標誌著電氣化旅程的開始。電動馬達被納入以實現啟停功能並逐漸協助推進。像本田Insight和豐田Prius這樣的著名車輛展示了電動馬達在提高功率和燃油效率方面的潛力。隨著這些進步，電力需求從簡單啟停系統的3千瓦激增至先進插電式混合動力車輛的約30千瓦。

這一電力需求的增加需要從傳統的12伏電力系統過渡到更強大的48伏系統。較高的電壓使電力能夠分配到各個組件，包括電動驅動、空調、燃油和水泵、動力轉向和資訊娛樂系統。向48伏分配系統的演變大大減少了線束的負荷，使電力傳輸更高效且成本更低。

第三階段：電池電動車（BEV）

當前的汽車領域由電池電動車（BEV）的崛起所主導。這些車輛完全由電力驅動，因此所有功能必須連續由電力系統供電。雖然單個電氣負載的功率需求與MHEV類似，但不包括啟停功能，BEV的獨特挑戰在於對電動座艙加熱和電池溫度管理的額外需求。BEV通常需要約3千瓦的電力。

與MHEV一樣，BEV也受益於48伏分配系統的效率和成本效益。然而，將BEV電力系統與高壓牽引驅動（通常為400伏或800伏）集成要求電氣隔離以確保安全。這種隔離通過納入隔離電源和先進的轉換技術來實現，如碳化矽（SiC）或氮化鎵（GaN）晶體管。

為什麼選擇GaN用於48伏汽車系統

GaN FETs和ICs相較於傳統的硅基解決方案具有明顯優勢，使其非常適合高性能電力電子應用，滿足汽車電力分配系統的需求。對於48伏總線系統，GaN技術提高了效率，縮小了體積，降低了系統成本。

效率：GaN元件與硅基元件相比具有更低的導通電阻和開關損耗。這意味著更高的轉換效率，從而最大限度地減少能量損失並幫助提高整車效率。

體積更小：GaN元件本質上比傳統硅元件小。這種縮小的體積允許更高的功率密度，減少48伏架構中使用的DC-DC轉換器的尺寸和重量。此外，能夠以更高頻率切換可以將體積減半，同時按相同比例減少元件數量。

成本節約：基於GaN的解決方案允許設計更簡單。例如，由於快速的開關速度，基於GaN的解決方案可以以每相250 kHz的頻率運行，而傳統MOSFET解決方案為每相125 kHz。在一個3千瓦的48伏–12伏轉換器中，較高的開關頻率使系統從五相減少到四相，減少了尺寸和成本。

新興趨勢和未來方向

與人工智慧（AI）伺服器的發展類似，AI伺服器已經轉向分布式電力架構以提高效率，汽車電力分配也準備迎來類似的進步。具有策略性地分布在車輛周圍的小型DC-DC轉換器的分區電力架構的概念有潛力簡化配線系統並提高效率。這種方法最終可能導致低壓電池的消除，轉而直接從主電池系統供電。

有關這一主題的更大討論，請閱讀電力系統設計中的文章：《汽車電子低壓電力分配的演變——從ICE到MHEV到BEV》

結論

汽車電子從ICE到MHEV再到BEV的演變帶來了電力分配架構和技術的巨大變化。從12伏到48伏分配系統的轉變是由電動輔助車輛（包括輕度混合動力車輛和BEV）的不斷增加的電力需求驅動的。這些變化促使採用像GaN晶體管這樣的先進半導體技術，提供更高的效率、更小的體積和成本效益。

了解更多有關GaN如何加速車輛電氣化的信息，聯繫EPC。

Renee Yawger, Director of Marketing