随着美国电动车大厂Tesla在电动车市场开始突破重围后，全球电动车市场也弥漫着一股相当乐观的气氛。尽管如此，电动车仍然背负着节能减碳的环保使命，如何让能源可以更有效率，成了系统设计时的一大考验，再加上人身生命安全又必须放在第一位作为考虑，电动车虽然前景看俏，但就系统层面上仍然有很多挑战需要面对。

考虑到充电站与车体本身可以接受电力性质的不同，碍于全球电动车市场在充电接口还未达到大一统的情况下，各国或是各大车厂在充电接口的设计仍然还是处于相对不同的阶段。也因此，电动车本身的电力系统架构也多少会产生些许的差异。

但这些差异仅止于在充电的接口端，在进入车体之后，各大车厂电力系统的基本架构，其实就没有太大的差异了。就电池管理来说，就必须以直流电（DC）来进行驱动，但到了马达控制端，若是较大的功率输出，就必须改采交流电（AC），此时逆变器（Inverter）的角色就相对重要了。

只要带“电” 效率就是关键

ROHM（罗姆半导体）台湾设计中心技术部副所长林志升便谈到，广泛来看，电动车的电源管理不能只单看逆变器、马达控制与电池管理等系统，电动车各个系统，包括处理器、微控制器、系统接口与环车影像等都需要供电，这方面的电源管理效率其实也是产业界需要重视的地方。

事实上，扣除逆变器与马达驱动系统不谈，电动车大多的系统都是由直流电来进行驱动，因此DC/DC组件或是LDO（low dropout regulator；低压差线性稳压器）的表现，就成了系统整体功耗高低的关键。

就直流电的电源设计上，由于近年来的制程技术不断提升，DC/DC组件的整体表现已经相当优异，因此LDO的能见度就相对的不是那么高。但林志升也表示，以ROHM本身为例，LDO在待机情况下，其静态电流就远低于DC/DC组件。车体在静止不动的情况下，若打算将整体功耗降至最低，LDO就是绝对不可或缺的组件。

像是免钥匙启动功能、时钟、汽车导航的数据备份与防盗系统等，都会是LDO可以发挥的空间。但相对的，在系统进入运作状态时，DC/DC的效率表现则会远高于LDO，所以端看实际的应用环境，DC/DC与LDO都有其市场需求。

图一 : 对车用功率组件来说，与其他应用领域相同，如何降低功耗一直都是避免不了的课题。（图:en.wikipedia.org）

功率组件关键 满足车规需求

而回归到电动车与混合动力车的市场，依照功率需求所需要的组件种类也会有不同的差异。以英飞凌的组件类产品定位而言，3kW（含）以下的范围会以MOSFET担纲主要角色，来到了6kW（含）以下的区间就由IGBT来负责，6kW到100kW就由功率模块来负责，而依照功率大小的不同，英飞凌也有对应的功率模块来因应。

快捷半导体全球汽车销售及应用副总裁Joseph Notaro则是谈到，就市场各类电动车的需求上，因为电池数量配置的不同，使得整体电压也会有所差异，在额定电压不同的情况下，电路设计也就相对难以配合。而快捷在组件的供应上，与英飞凌的作法略有不同，是采用电压的高低，来作为产品的分类基准。

英飞凌科技亚太区首席工程师暨总监陈添宝表示，尽管英飞凌在汽车功率组件的解决方案相当完整，但车用与工业领域的组件要求有着不小的差距。他直言，在晶圆尚未进入切割阶段前，英飞凌便会进行晶圆检测，只要有某一晶粒出现问题，整片晶圆就会报废弃之不用，乍看之下，虽然看似可惜，不过为了能够符合车用规格与考虑到行车安全，这样的处置的确有其必要性。

除此之外，车用组件的前置时间（Lead Time）也会拉长至六个月，与工业领域的三个月，有着不小的落差。林志升也补充说明表示，AEC-Q100的确是车用电子领域相当重要的规范，不过端看实际的需需求为何，不见得所有的系统都要符合这样的规范，只要客户有需求，提供符合的车规组件并不是问题。

图二 : 为了能将系统风险降至最低，若在晶圆检测时出现问题，放弃整片晶圆也是必要的。（图:investors.nxp.com ）

MOSFET与IGBT 各有问题要克服

不过，由于功率需求的不同，也使得MOSFET（金属氧化物半导体场效晶体管）与IGBT（绝缘栅双极晶体管）各自有了不同的发展空间，这原因当然是组件的物理特性不同而造成，这也直接形成了一种泾渭分明的有趣情形。

MOSFET与IGBT主要是在电动车电源管理系统的充放电回路中作为开关使用，因为是在高温环境下应用，而且会流过100A以上的大电流，因此MOSFET所重视的特性就是低导通电阻(Rdson)，而IGBT重视的特性就是低Vce(sat)，这两个参数越低，导通时的损耗就越小，可降低组件表面温度，散热的问题便能进一步地有效解决。

MOSFET在低电流领域应用时效率好，但缺点是大电流及高温环境之下操作时，导通电阻(Rdson)会大幅上升，造成效率变差、组件表面温度升高。另一方面MOSFET的耐压也无法做高，以Si-SuperJunction MOSFET为例，最大耐压大约为900V，而IGBT在低电流时效率比较差，但在高温动作及大电流操作时的特性佳，耐压也可对应到1200V以上。

ROHM半导体应用技术支持部课长苏建荣便谈到，这类的功率组件碍于物理特性的关系，所以在发展上就会朝向既有的物理极限挑战，以MOSFET而言，在更高电流的情况下，提供更低的导通电阻以减少导通损耗（Coduction Loss），便是MOSFET开发所要思考的课题；IGBT要思考的，则是在更为高频的情况下，减少开关损耗（Switching Loss）。

虽然作法上不同，但很明显的，目标却是一样的，如此，苏建荣也透露，ROHM正在着手开发新一代的MOSFET产品线，此款MOSFET和传统产品比较，可对应更高电流，以满足传统MOSFET与IGBT之间的缺口。

表一 : MOSFET与IGBT组件的基本差异

陈添宝也补充说明谈到，光以逆变器而言，客户在系统设计上，其效率大概都可以达到96至98%的水平，所以效率方面已经没有太多可以进步的空间。不过也有客户渐渐地希望能将组件的体积缩小，以进一步将整体系统加以微缩，但微缩之后所面临到的，除了散热的问题要处理之外，组件本身的效率也是需要考虑到的因素，所以在体积与效率之间的取舍，将是功率半导体业者们所要思考的问题。

Joseph Notaro则是认为，功率组件的问题在于，组件本身的接面温度突破摄氏200度与切换频率的提升，若被整在合同一模块或是封装中，那么散热问题就成了相当重要的课题，长期而言，这极有可能带动更新的封装或是接线技术的出现。

图三 : 不同的功率组件，各有合适的电压与电流范围，这也意味着这些功率组件各自有物理上的极限需要克服。（图:ROHM）

功率表现与系统控制 仍得靠软件

在逆变器或是各部系统的控制上，光以功率组件还无法让系统的运作效率优化，还需要搭配处理器（或微控制器），并辅以控制软件才行。林志升不讳言，就ROHM的角色来说，其功率组件可以被动让数字芯片进行控制，而ROHM早已与飞思卡尔半导体合作，分别就功率与数字控制的专长在电源管理系统层级进行技术整合。

陈添宝也谈到，就电动车的马达驱动上，的确需要软件进行控制，英飞凌会提供软件的核心层，让客户进在基于这样的架构下进行系统设计，以让客户完成心中想要的电动车马达控制系统。

优点多 SiC发展可期

尽管ROHM、英飞凌或是其他的功率组件供应业者，在车用领域有相当深的着墨，甚至针对MOSFET与IGBT不足的地方开发新款的功率组件，但其实不难发现，不论是何种功率组件，都各自有物理极限的情况下，多少也造成了电源设计上的些许瓶颈，也因此，SiC（碳化硅）组件便应运而生。它能够承受的电流与电压虽然与IGBT不相上下，但就开关频率上远高于IGBT，这很大程度地补足了IGBT的弱点。许多既有的功率组件业者，也正在积极布局SiC的产品线。

陈添宝认为，目前SiC组件的成本仍然过高，再加上可靠性无法有效提升，这也造成了业者不敢贸然采用的主因，至于何时会进入普及阶段，他也无法提出一个大略的时间点。

不过，苏建荣认为，由于ROHM旗下已有SiC的晶圆厂，确实掌握了SiC的来源，只要在价格上能与IGBT拉近到两倍内的距离，SiC被采用的机会就能大幅提升，而这个时间点约莫会在2016年左右。而ROHM也已经在今年九月启动SiC组件六吋厂的量产。

图四 : SiC组件从量产乃至于市场的普及虽然需要一段时间，但诸多一线大厂开始进入该领域的动作来看，不难看出SiC要普及，只是时间上的问题而已。（图:www.esa.int）

结论

对车用电子来说，满足车用规格已经是半导体业者进入该领域的基本要求，而对即将起飞的电动车应用，功率组件不仅要满足车用规格，其功率表现也会是一大考验。长期来看，随着技术的不断突破，满足兼顾车用安全与节能应用的电动车应该可以在市场逐渐普及。