隨著美國電動車大廠Tesla在電動車市場開始突破重圍後，全球電動車市場也瀰漫著一股相當樂觀的氣氛。儘管如此，電動車仍然揹負著節能減碳的環保使命，如何讓能源可以更有效率，成了系統設計時的一大考驗，再加上人身生命安全又必須放在第一位作為考量，電動車雖然前景看俏，但就系統層面上仍然有很多挑戰需要面對。

考量到充電站與車體本身可以接受電力性質的不同，礙於全球電動車市場在充電介面還未達到大一統的情況下，各國或是各大車廠在充電介面的設計仍然還是處於相對不同的階段。也因此，電動車本身的電力系統架構也多少會產生些許的差異。

但這些差異僅止於在充電的介面端，在進入車體之後，各大車廠電力系統的基本架構，其實就沒有太大的差異了。就電池管理來說，就必須以直流電（DC）來進行驅動，但到了馬達控制端，若是較大的功率輸出，就必須改採交流電（AC），此時逆變器（Inverter）的角色就相對重要了。

只要帶“電” 效率就是關鍵

ROHM（羅姆半導體）台灣設計中心技術部副所長林志昇便談到，廣泛來看，電動車的電源管理不能只單看逆變器、馬達控制與電池管理等系統，電動車各個系統，包括處理器、微控制器、系統介面與環車影像等都需要供電，這方面的電源管理效率其實也是產業界需要重視的地方。

事實上，扣除逆變器與馬達驅動系統不談，電動車大多的系統都是由直流電來進行驅動，因此DC/DC元件或是LDO（low dropout regulator；低壓差線性穩壓器）的表現，就成了系統整體功耗高低的關鍵。

就直流電的電源設計上，由於近年來的製程技術不斷提升，DC/DC元件的整體表現已經相當優異，因此LDO的能見度就相對的不是那麼高。但林志昇也表示，以ROHM本身為例，LDO在待機情況下，其靜態電流就遠低於DC/DC元件。車體在靜止不動的情況下，若打算將整體功耗降至最低，LDO就是絕對不可或缺的元件。

像是免鑰匙啟動功能、時鐘、汽車導航的資料備份與防盜系統等，都會是LDO可以發揮的空間。但相對的，在系統進入運作狀態時，DC/DC的效率表現則會遠高於LDO，所以端看實際的應用環境，DC/DC與LDO都有其市場需求。

圖一 : 對車用功率元件來說，與其他應用領域相同，如何降低功耗一直都是避免不了的課題。（圖:en.wikipedia.org）

功率元件關鍵 滿足車規需求

而回歸到電動車與混合動力車的市場，依照功率需求所需要的元件種類也會有不同的差異。以英飛凌的元件類產品定位而言，3kW（含）以下的範圍會以MOSFET擔綱主要角色，來到了6kW（含）以下的區間就由IGBT來負責，6kW到100kW就由功率模組來負責，而依照功率大小的不同，英飛凌也有對應的功率模組來因應。

快捷半導體全球汽車銷售及應用副總裁Joseph Notaro則是談到，就市場各類電動車的需求上，因為電池數量配置的不同，使得整體電壓也會有所差異，在額定電壓不同的情況下，電路設計也就相對難以配合。而快捷在元件的供應上，與英飛凌的作法略有不同，是採用電壓的高低，來作為產品的分類基準。

英飛凌科技亞太區首席工程師暨總監陳添寶表示，儘管英飛凌在汽車功率元件的解決方案相當完整，但車用與工業領域的元件要求有著不小的差距。他直言，在晶圓尚未進入切割階段前，英飛凌便會進行晶圓檢測，只要有某一晶粒出現問題，整片晶圓就會報廢棄之不用，乍看之下，雖然看似可惜，不過為了能夠符合車用規格與考量到行車安全，這樣的處置的確有其必要性。

除此之外，車用元件的前置時間（Lead Time）也會拉長至六個月，與工業領域的三個月，有著不小的落差。林志昇也補充說明表示，AEC-Q100的確是車用電子領域相當重要的規範，不過端看實際的需需求為何，不見得所有的系統都要符合這樣的規範，只要客戶有需求，提供符合的車規元件並不是問題。

圖二 : 為了能將系統風險降至最低，若在晶圓檢測時出現問題，放棄整片晶圓也是必要的。（圖:investors.nxp.com ）

MOSFET與IGBT 各有問題要克服

不過，由於功率需求的不同，也使得MOSFET（金屬氧化物半導體場效電晶體）與IGBT（絕緣柵雙極電晶體）各自有了不同的發展空間，這原因當然是元件的物理特性不同而造成，這也直接形成了一種涇渭分明的有趣情形。

MOSFET與IGBT主要是在電動車電源管理系統的充放電回路中作為開關使用，因為是在高溫環境下應用，而且會流過100A以上的大電流，因此MOSFET所重視的特性就是低導通電阻(Rdson)，而IGBT重視的特性就是低Vce(sat)，這兩個參數越低，導通時的損耗就越小，可降低元件表面溫度，散熱的問題便能進一步地有效解決。

MOSFET在低電流領域應用時效率好，但缺點是大電流及高溫環境之下操作時，導通電阻(Rdson)會大幅上升，造成效率變差、元件表面溫度升高。另一方面MOSFET的耐壓也無法做高，以Si-SuperJunction MOSFET為例，最大耐壓大約為900V，而IGBT在低電流時效率比較差，但在高溫動作及大電流操作時的特性佳，耐壓也可對應到1200V以上。

ROHM半導體應用技術支援部課長蘇建榮便談到，這類的功率元件礙於物理特性的關係，所以在發展上就會朝向既有的物理極限挑戰，以MOSFET而言，在更高電流的情況下，提供更低的導通電阻以減少導通損耗（Coduction Loss），便是MOSFET開發所要思考的課題；IGBT要思考的，則是在更為高頻的情況下，減少開關損耗（Switching Loss）。

雖然作法上不同，但很明顯的，目標卻是一樣的，如此，蘇建榮也透露，ROHM正在著手開發新一代的MOSFET產品線，此款MOSFET和傳統產品比較，可對應更高電流，以滿足傳統MOSFET與IGBT之間的缺口。

表一 : MOSFET與IGBT元件的基本差異

陳添寶也補充說明談到，光以逆變器而言，客戶在系統設計上，其效率大概都可以達到96至98%的水準，所以效率方面已經沒有太多可以進步的空間。不過也有客戶漸漸地希望能將元件的體積縮小，以進一步將整體系統加以微縮，但微縮之後所面臨到的，除了散熱的問題要處理之外，元件本身的效率也是需要考量到的因素，所以在體積與效率之間的取捨，將是功率半導體業者們所要思考的問題。

Joseph Notaro則是認為，功率元件的問題在於，元件本身的接面溫度突破攝氏200度與切換頻率的提升，若被整在合同一模組或是封裝中，那麼散熱問題就成了相當重要的課題，長期而言，這極有可能帶動更新的封裝或是接線技術的出現。

圖三 : 不同的功率元件，各有合適的電壓與電流範圍，這也意味著這些功率元件各自有物理上的極限需要克服。（圖:ROHM）

功率表現與系統控制 仍得靠軟體

在逆變器或是各部系統的控制上，光以功率元件還無法讓系統的運作效率最佳化，還需要搭配處理器（或微控制器），並輔以控制軟體才行。林志昇不諱言，就ROHM的角色來說，其功率元件可以被動讓數位晶片進行控制，而ROHM早已與飛思卡爾半導體合作，分別就功率與數位控制的專長在電源管理系統層級進行技術整合。

陳添寶也談到，就電動車的馬達驅動上，的確需要軟體進行控制，英飛凌會提供軟體的核心層，讓客戶進在基於這樣的架構下進行系統設計，以讓客戶完成心中想要的電動車馬達控制系統。

優點多 SiC發展可期

儘管ROHM、英飛凌或是其他的功率元件供應業者，在車用領域有相當深的著墨，甚至針對MOSFET與IGBT不足的地方開發新款的功率元件，但其實不難發現，不論是何種功率元件，都各自有物理極限的情況下，多少也造成了電源設計上的些許瓶頸，也因此，SiC（碳化矽）元件便應運而生。它能夠承受的電流與電壓雖然與IGBT不相上下，但就開關頻率上遠高於IGBT，這很大程度地補足了IGBT的弱點。許多既有的功率元件業者，也正在積極佈局SiC的產品線。

陳添寶認為，目前SiC元件的成本仍然過高，再加上可靠性無法有效提升，這也造成了業者不敢貿然採用的主因，至於何時會進入普及階段，他也無法提出一個大略的時間點。

不過，蘇建榮認為，由於ROHM旗下已有SiC的晶圓廠，確實掌握了SiC的來源，只要在價格上能與IGBT拉近到兩倍內的距離，SiC被採用的機會就能大幅提升，而這個時間點約莫會在2016年左右。而ROHM也已經在今年九月啟動SiC元件六吋廠的量產。

圖四 : SiC元件從量產乃至於市場的普及雖然需要一段時間，但諸多一線大廠開始進入該領域的動作來看，不難看出SiC要普及，只是時間上的問題而已。（圖:www.esa.int）

結論

對車用電子來說，滿足車用規格已經是半導體業者進入該領域的基本要求，而對即將起飛的電動車應用，功率元件不僅要滿足車用規格，其功率表現也會是一大考驗。長期來看，隨著技術的不斷突破，滿足兼顧車用安全與節能應用的電動車應該可以在市場逐漸普及。