雖然車用電子在高度成長(zhǎng)之后，所帶來的商機(jī)相當(dāng)龐大，不過以現(xiàn)階段來看，不論是汽車廠、車用半導(dǎo)體廠，還是車用電子系統(tǒng)廠都將面臨到許多技術(shù)問題尚待解決。

這其中最重要，也是最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，就是面對(duì)在汽車上用了好幾十年的12V電壓，已經(jīng)沒有辦法滿足高度電子化對(duì)于電壓的急迫需求。因此，除了必須要因應(yīng)42V電壓取代12V電壓的技術(shù)問題之外，還有當(dāng)汽車電源主體架構(gòu)改變之后，可能要面臨到的高成本問題。由此可見，未來車用電子必須要尋求電源管理最佳化解決方案，甚至是以模擬、分離、電源MOSFET晶體管…等元件，解決車內(nèi)應(yīng)用與整合性的技術(shù)問題。

車用電力系統(tǒng)日漸短缺　迫切需要新元件及新設(shè)計(jì)

越來越多的汽車電子設(shè)備，或電子系統(tǒng)導(dǎo)入車內(nèi)應(yīng)用之后，車用電力供應(yīng)逐漸呈現(xiàn)不足的現(xiàn)象，使得汽車制造廠必須開始面對(duì)功率的控制，以及功率轉(zhuǎn)換技術(shù)提出更高的要求，借以推動(dòng)車用功率半導(dǎo)體、相關(guān)封裝技術(shù)，能夠更進(jìn)一步的往前發(fā)展，這當(dāng)中所包含的領(lǐng)域，也不再只是功率大小，還是MOSFET（Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransister；MOSFET）晶體管、絕緣閘極晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor；IGBT）及控制與保護(hù)回路整合模塊（IntelligentPowerModule；IPM）等問題。

歸納其主原因，是因?yàn)檐嚿纤褂玫墓β拾雽?dǎo)體元件與一般較常用的功率半導(dǎo)體元件比較起來，不論是對(duì)電壓或電流、開關(guān)頻率、功率損失、動(dòng)態(tài)特性，甚至對(duì)于元件保護(hù)程度，都是相當(dāng)嚴(yán)苛的；再加上汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)于「用電」的規(guī)范，已經(jīng)開始從12V提升到42V，所以對(duì)于汽車用電的要求也就更高了。另一方面，必須具備也可進(jìn)行高頻切換動(dòng)作及電能處理，才能使車上的電子產(chǎn)品，更能夠發(fā)揮輕薄短小的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，甚至是具有車上所需的高效率、信賴度與可靠性等要求。



汽車對(duì)于用電控制管理的概念成熟之后，其應(yīng)用層面也越來越多；比方說，利用電力來作為汽車的制動(dòng)及轉(zhuǎn)向等運(yùn)用，使得汽車電力、電子技術(shù)領(lǐng)域開始進(jìn)行革新動(dòng)作，而在這場(chǎng)汽車電力變革的過程中，將以電子轉(zhuǎn)向或集成式啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機(jī)（IntegratedStarterAlternator；ISA）作為主要架構(gòu)。因?yàn)檫@是一種完全可逆的電機(jī)系統(tǒng)，又可稱為交流伺服電動(dòng)機(jī)，它是一種具有自動(dòng)平衡式顯示設(shè)備，藉由隨動(dòng)系統(tǒng)來確實(shí)執(zhí)行元件，將放大器的輸出電壓（控制電壓）轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)觸點(diǎn)，除了能夠讓系統(tǒng)持續(xù)保持在平衡狀態(tài)，還可以在高效率的狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)許多需要很大峰值功率的電子功能。

以實(shí)際例子來說明：比方說，當(dāng)駕駛者在紅燈要轉(zhuǎn)為綠燈可前進(jìn)時(shí)，在第一時(shí)間將發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，主要是因?yàn)楫?dāng)駕駛者踩下油門時(shí)，交流發(fā)電機(jī)促使汽車能夠很快地加速前進(jìn)，如此一來，汽車不但能夠降低排放有害氣體，同時(shí)還能減少油料的用量。在這一方面，還能使用多余的電力來進(jìn)行的各項(xiàng)控制，包括：電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向（EPS）、主動(dòng)式懸掛系統(tǒng)、電子透平機(jī)輔助設(shè)備、電子閥門控制、變速空調(diào)等，因此，這對(duì)集成式啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機(jī)是非常重要的。

從技術(shù)門檻的角度來看，汽車集成式啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機(jī)主要的技術(shù)困難在于，大功率的電子控制系統(tǒng)是采取部分設(shè)計(jì)方式，在執(zhí)行上有它的困難。換句話說，由于汽車集成式啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)三相逆變器／整流器，除了負(fù)責(zé)對(duì)42V負(fù)載進(jìn)行供電作用，或者當(dāng)整流器在進(jìn)行工作時(shí)，也能為36V電池進(jìn)行充電之外，還必須在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，能以逆變器方式為起動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電的動(dòng)作。從這邊就能看得出來，為了讓汽車電子系統(tǒng)能具有穩(wěn)定的供電設(shè)計(jì)，就必須先厘清大功率電子元件，在不同應(yīng)用階段應(yīng)該要有不同的工作訴求。

MOSFET晶體管　改造汽車電源供應(yīng)系統(tǒng)

再來，談?wù)劰β市徒饘傺趸瘜訄?chǎng)效晶體管（簡(jiǎn)稱為功率MOSFET晶體管），這是一種屬于多載式導(dǎo)電的單極型電壓控制元件，其特性就是：開關(guān)速度快、高頻率性能好，輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿…等優(yōu)點(diǎn)，可以提供給設(shè)計(jì)者一種高速度、高功率、高電壓，以及高增益的元件，因此在各類型小功率開關(guān)電路的應(yīng)用非常廣泛。

圖說：PowerMOSFET是一種功率集成元件，它是由成千上萬個(gè)小型MOSFET并聯(lián)而成，圖中所示為N通道的MOSFET單元結(jié)構(gòu)剖面示意圖。（資料來源：交通大學(xué)電子電力芯片設(shè)計(jì)與DPS控制實(shí)驗(yàn)室）

這對(duì)汽車用電系統(tǒng)來說，由于功率MOSFET晶體管具有很強(qiáng)的電流管理能力，才能夠滿足集成式啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機(jī)必須兼具最大負(fù)載的效果及要求。換句話說，就是讓汽車能在低溫度的環(huán)境下，使內(nèi)燃機(jī)具有較強(qiáng)的冷起動(dòng)功能。不過，大部分汽車制造廠普遍認(rèn)為，車用交流發(fā)動(dòng)機(jī)大概只需要10kW就已經(jīng)足夠，過去也許是如此；不過，這對(duì)使用42V功率系統(tǒng)的10kW系統(tǒng)，這樣肯定是不夠的，這是因?yàn)槟孀兤髟谧詈螽a(chǎn)生適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷号c馬達(dá)相聯(lián)之后，一方面要調(diào)節(jié)馬達(dá)的頻率，另一方面還要調(diào)節(jié)馬達(dá)電壓，所以每個(gè)開關(guān)接口至少要超過400A來通過峰值電流的能力，才能因應(yīng)越來越強(qiáng)大的車用電力系統(tǒng)。

圖說：MOSFET晶體管提供了一個(gè)非常穩(wěn)定安全操作區(qū)域（SafeOperatingArea；SOA），因?yàn)镸OSFET再順向偏壓時(shí)，不需苦于二次崩潰所產(chǎn)生的效應(yīng)，此直流與脈波的SOA優(yōu)于BJT。（資料來源：交通大學(xué)電子電力芯片設(shè)計(jì)與DPS控制實(shí)驗(yàn)室）

借以降低電壓功耗設(shè)計(jì)　提升汽車發(fā)電機(jī)工作效率

要如何提高汽車發(fā)電機(jī)工作效率？若從降低正向電壓來思考，這或許不失為一個(gè)方法，可以藉由降低寄生電感來減少切換時(shí)產(chǎn)生的電壓尖脈沖。由于元件對(duì)于封裝電流感度很靈敏，因此很多人都認(rèn)為模塊設(shè)計(jì)是最好的方式。不過，因?yàn)橐话愕哪K封裝設(shè)計(jì)方式，將影響到通過電流的能力。值得注意的一點(diǎn)是，雖然汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在「熱車」階段，不需要很大的電流支持，但是功率MOSFET晶體管的限定電流會(huì)因?yàn)闇囟壬仙兴陆?，因此交流發(fā)動(dòng)機(jī)的功率電路部分溫度，必須保持在比較低溫的狀態(tài)，才能維持穩(wěn)定的電壓。另外，為了盡量提高額定電流，必須使用RDS（ON）較低的MOSFET晶體管，才得以滿足車用電力需求。

改進(jìn)的方式則能夠以先進(jìn)的封裝技術(shù)，借以提高通過電流的能力，或者是使用分離元件等技術(shù)來達(dá)成，同時(shí)還能夠盡量降低寄生電感（ParasiticInductance），良好值約為10uH20uH之間。除此之外，在電流切換過程還有更進(jìn)一步的要求；簡(jiǎn)單說，就是要針對(duì)所使用的開關(guān)頻率（一般為數(shù)千Hertz）進(jìn)行最佳化動(dòng)作，使逆變器或整流器能夠在很高頻率或環(huán)境溫度高達(dá)150℃的情況下，還能提供全部的功率。

如何以特殊設(shè)計(jì)方式　解決車上電流需求

在多種類型的汽車中，包括：汽車、大客車、卡車…等，最主要的動(dòng)力來源大都是來自于內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)來供應(yīng)，它的模塊設(shè)計(jì)大都是由半橋電路所組成，讓車上的元件能夠控制或驅(qū)動(dòng)半橋電路中的高／低階開關(guān)設(shè)備。另外，還能控制該橋次級(jí)端上的同步整流器MOSFET，使具有兩個(gè)功率MOSFET晶體管芯片（每個(gè)為150mm），其電源母線不會(huì)受到任何電源裝置發(fā)展故障的時(shí)候而受到影響，還能在42V的電源母在線，對(duì)600A的電流進(jìn)行切換動(dòng)作，藉此完成匹配性的設(shè)計(jì)。

其次，則因?yàn)槠噧?nèi)部的溫度或者是電壓、電流過大容易造成溫差的問題，易使車內(nèi)電子設(shè)備中的材料受到影響，導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生壓應(yīng)力或張應(yīng)力。因此，為了減少汽車電子設(shè)備的熱應(yīng)力問題，通常會(huì)將MOSFET晶體管芯片安置在陶瓷基片上，這是因?yàn)樘沾苫臏囟认禂?shù)與矽的溫度系數(shù)能夠完全匹配，若采用較為先進(jìn)的導(dǎo)線壓焊技術(shù)，特殊的架構(gòu)不但能改善熱源分布，進(jìn)而加強(qiáng)整個(gè)模塊系統(tǒng)的低熱組性能，使模塊能承受汽車所處的多變環(huán)境與電壓功率起伏。

再來，就是如何降低雜散電感，使雜散電感低于8nH，這對(duì)消除尖峰電壓是非常重要的。在一般設(shè)計(jì)上，為了降低電磁干擾（EMI）帶來的影響，包括：柵極驅(qū)動(dòng)電路、感測(cè)電路或保護(hù)電路，都裝在一塊很小的印刷電路板（PCB）上，而后將印刷電路板蓋在模塊上，使驅(qū)動(dòng)電路能夠以20kHz頻率之下，驅(qū)動(dòng)這些MOSFETT晶體管，其中涉及的參數(shù)感測(cè)和轉(zhuǎn)換，都是在這塊電路板上進(jìn)行。因此，除了可以降低基板及散熱器之間的抗熱阻效能之外，在與傳統(tǒng)模塊相比，還能夠使內(nèi)部雜散電感降低60％以上，使設(shè)計(jì)及安裝過程更為簡(jiǎn)單。

大功率MOSFET晶體管　體現(xiàn)汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

針對(duì)汽車采用大功率逆變器／整流器等元件技術(shù)，雖然說這是最理想電路設(shè)計(jì)和實(shí)施。不過，截至目前各界還沒能夠有個(gè)最后的定論，主要的問題還持續(xù)存在著。不過，42V的集成式交流發(fā)動(dòng)機(jī)將是未來電動(dòng)轉(zhuǎn)向（EPS）汽車系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，相信這點(diǎn)是不容質(zhì)疑。不過，由于電流能力又會(huì)因?yàn)槭艿椒蛛x式的MOSFET晶體管塑料封裝技術(shù)，而有所限制。這些限制對(duì)已經(jīng)在汽車市場(chǎng)逐漸成熟的電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來說，將促使設(shè)計(jì)人員，將不同分離元件并聯(lián)起來一同使用，或者采取模塊的方式，才能提高分離封裝通過電流的能力，借以降低中檔及低檔電動(dòng)轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)成本。

大多數(shù)汽車系統(tǒng)中所使用的模塊，目前大部分都都是采用絕緣金屬基片（IMST）的設(shè)計(jì)方式。而在陶瓷基片方面，則是采用直接覆銅（DBC）的方式，并在厚膜基片及電流較小的情況下，才會(huì)改印刷電路板的模塊設(shè)計(jì)方式。最后，在功率逆變器封裝方面，對(duì)于中等功率和低功率，一個(gè)新的構(gòu)想是將芯片封裝在引在線，這時(shí)沒有單獨(dú)的基片，MOSFET晶體管可直接安裝在同一個(gè)模塑引在線，用引線架構(gòu)形成連接端子，進(jìn)行外部連接到模塊的外殼上，便能達(dá)到較佳的電源管理。

圖說：因應(yīng)汽車上的電源朝向低損耗化、小型化和超薄化需求，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于傳統(tǒng)系列的超低導(dǎo)通電阻特性和高耐擊穿性依靠低導(dǎo)通電阻特性，并可以降低功耗，因而最適合用作電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、點(diǎn)滴器、DC/DC變換器等的開關(guān)元件。（資料來源：東芝半導(dǎo)體）

結(jié)論

雖然MOSFET晶體管的特性，十分適合用在下一代即將導(dǎo)入的42V汽車電力系統(tǒng)中，但是目前的元件及封裝技術(shù)，還不能夠適應(yīng)汽車的使用環(huán)境，不論是市場(chǎng)所期望的功能、效率和可靠性都稍顯不足。因此，在汽車上導(dǎo)入這些新元件及封裝技術(shù)之前，主要的汽車系統(tǒng)、零組件，比方說，閥門控制及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，先可以用下一代電動(dòng)控制及電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取而代之，再?gòu)慕档统杀?、減輕重量及油料消耗的概念下，發(fā)展出汽車電力系統(tǒng)的新技術(shù)。

最后，總成本無疑也是非常重要的。雖然說，汽車工業(yè)長(zhǎng)久發(fā)展以來，一直就在提高性能及安全性的問題中打轉(zhuǎn)；不過，最主要的問題還是「成本」在合理范圍或不增加車價(jià)成本之下，才會(huì)為人們所接受。