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要環保 電動車電源效率就要好
功率元件挑戰物理極限

【作者: 姚嘉洋】   2013年12月09日 星期一

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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)
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 )
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
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)
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)
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。


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