行動性（mobility）現已成為日常生活中的基本組成部分，而汽車在其中扮演著重要的角色。現今的汽車正把越來越多的電子產品整合進來。在1995到2005年間，汽車採用的半導體元件數量增加了三倍，並預期到2009年將進一步增加至425％[1]。液壓式和機械式致動器（actuator）將逐漸由電子元件所取代。電子及電氣設備在汽車中所占比重預計將從目前的15％～20％攀升到2015年的35％。為了滿足降低燃料消耗和廢氣排放所制定的法規，以及增強汽車安全性和便利性的新功能之引進，都進一步地推動了此一趨勢的發展。

除了以電子元件取代對應的液壓和機械元件來減少車體重量之外，效率的提高也是一個重要的驅動因素。藉由減少引擎蓋下面的機械元件來擴大碰撞區域（crash zone），特別是對小型和中型汽車而言，也是主要的考慮因素。如起動器/交流發動機，以及混合動力汽車這樣的大功率系統等，已逐漸取得一席之地，尤其是在美國這些市場。

滿足怪獸的胃口－直接噴射系統

高壓共軌系統的推出是柴油引擎技術發展史上的重要里程碑，此一系統採用螺旋管式噴射器（solenoid injector），能夠降低雜訊、提高性能。從電子引擎控制模組的角度來看，汽油和柴油引擎模組變得越來越類似。汽油和柴油引擎的壓電式（piezo）直接噴射系統之區別，主要在於噴射器的輸出功率不同及軟體有異。

採用壓電技術的噴射器有幾項明顯的優勢：壓電式噴射器的速度很快，這可以縮短停滯時間（deadtimes）並能更精確地控制燃料噴射量，還能進行燃料分層噴射（stratified injection），進而實現稀薄燃燒引擎。快速的反應還使每次週期的噴射次數增加，以減少氣缸中的快速壓力變化，同時消除了柴油機的雜訊。

這解決了大量生產初期的噴射器老化問題和陶瓷堆的可靠性問題，同時也使得壓電式噴射器變得較成熟。

(圖一)為壓電式直接噴射系統的架構。實際的模組使用了低壓HUFA平板型和 FDB溝槽式系列的低壓MOSFET，如250V到300V的MOSFET。此外，還有超快恢復整流二極體、驅動器和IGBT 等元件也被設計進其中。

《圖一　壓電式直接噴射系統的一般原理圖》

看不見的變化－線控駕駛和馬達應用

汽車中的液壓和機械致動器逐漸被電氣元件所取代，此部份正在進行一項安靜無聲的演變。除了經由取代機械和液壓元件來減輕重量外，另一個推動此一變革的因素是整個系統效率的大幅提升。與此同時，由於引擎蓋下機械系統減少，進而獲得更多空間以加大碰撞區域，也是一個有利的因素。這一點在小型汽車中意義尤其重大。根據這一趨勢推出的第一款汽車已於1998年上市。

應用的實例包括用電動泵取代動力轉向系的皮帶傳動液壓泵，用轉速可變的風扇冷卻引擎，以及空調用的閉迴路控制壓縮機。除了效率更高外，電動輔助轉向還提供更精確的控制以提高安全性。由於電動輔助轉向的功率要求比傳統的液壓系統低，所以也可應用在小型的汽車中。(圖二)列出了各種相關的馬達應用。

《圖二　汽車用馬達及線控駕駛應用》

利用電動泵可以精確地控制引擎的冷卻，無刷直流（BLDC）驅動通風風扇可提高冷卻性能，這些都能減少冷卻液的使用，並進而減輕車身重量，使得引擎也能更快地達到工作溫度，並同時減小溫度在不同負載條件下的漂移速度。此外，熱車時間的縮短也能減少廢氣排放，延長引擎壽命。在1998年推出的BMW 3系中引入了最佳化控制的BLDC冷卻風扇，便能節省高達3％的燃油消耗，同時降低了雜訊係數[2]。

在空調中使用馬達控制的壓縮機可望進一步節省燃油。在現今大多數的系統中，壓縮機都是利用引擎工作，經由皮帶傳動的，而輸出功率則視引擎的旋轉速度而定。利用單獨的馬達驅動壓縮機，功率輸出可以精確地匹配冷卻需求。

為了實現燃燒引擎的獨立性，用於整個系統的電控驅動可以把所有這些系統與控制網路（CAN）、FlexRay或Byteflight等電子通信網路連接在一起，而以較低的成本實現安全性和舒適性方面的新功能。如下坡時也能保持速度恒定的先進巡航控制；能夠根據速度與路況讓車輛之間保持安全距離的附加雷達系統；以及更廣泛地使用帶有 ECU 和 ABS 的匯流排網路，以產生更好驅動性能和安全性之電子穩定性控制（ESP）系統。

目前一項相當新穎的功能是輔助煞車系統。ABS系統啟用時所產生的皮帶震動會使許多駕駛員放開煞車踏板，而這恰好是一項錯誤的反應，因為這會降低煞車壓力，並使ABS無法確保最小的煞車距離。在系統檢測到緊急煞車時，即使駕駛員放開了踏板也會保留全部的壓力。經過長久期待，但完全由電動啟動的煞車系統仍然還未量產。這裏已完全除去了液壓技術，煞車是直接由高動態軸承馬達所啟動的。

在煞車踏板和致動器之間既沒有機械連接也沒有液壓鏈路，只有一條單獨的連線。儘管對於潛在風險的討論很多，最終此一概念仍與電子楔式煞車（EWB）概念一起由Siemens VDO公司在推動；而EWB所需的致動器功率需求很低。系統中的大量冗餘可以解決所有的安全性問題[3]。

線控駕駛概念也有助於降低控制模組的成本，因為不同應用中電控模組的基本概念都大致相同。功率級必須適用於各種不同驅動。軟體的修改不僅需要配合專門的模型或應用的驅動特性，還必需針對個別的汽車來進行，甚至可能對於專門的驅動程式進行配置。

汽車系統的半導體解決方案

汽車中的馬達控制應用可分為低功耗和高功耗兩種類型：

低功耗

高功耗

●高級雨刷；

●座椅調整；

●電動天窗，車窗自動升降；

●HVAC、空調；

●引擎冷卻；

●防鎖死煞車/煞車輔助系統/ASR；

●電動液壓/電動煞車、EWB；

●電動液壓/電動功率轉向；

●電子阻尼；

●自動/半自動變速箱、CVT；

●電子氣閥（EVT）。

低功耗是指5A以下的耗電。在這個級別，功率級一般均是與控制及保護電路以單晶片（monolithic）的形式整合在一起，甚至也可以把微控制器內核與匯流排界面整合起來。

高功耗系統控制5A以上的電流，包括10A到30A級的功能，如座椅調整、雨刷和車窗升降，以至幾百安培的啟動系統和HEV。

許多中等電流應用都需要保護和診斷功能。無論是技術還是商業原因，這類系統都不能採用單晶片式的方案。MOSFET製程使用四到六個光罩步驟，而智慧功率BCD製程則用了十五到二十六個光罩步驟。由於成本主要與晶圓加工時間有關，故對於中等功率級而言，即使是多晶片概念也比單晶片式整合方案的成本更低，這是相當明顯的。這種方案可以讓功率級和控制電路採用最先進的技術，使得單位晶片面積中的功耗達到最低。其他優勢還包括高度模組化、靈活性以及縮短上市時間。(圖三)說明了把兩個半橋功率級與控制、保護及診斷功能整合在一個封裝中的概念。

《圖三　智慧開關範例：雙半橋功率驅動器》

對於起動器或HEV等這些高功率應用，要滿足電流需求，必需將幾個MOSFET或IGBT並聯。這裏會使用到一些專用的客製化構建模組，而KGD（Known Good Die）之概念是成功的關鍵。過去混合使用的失敗教訓告誡設計工程師，工業類模組將無法承受汽車內作業時的惡劣環境。

例如以8吋晶圓來生產MOSFET，SMIF設備技術加上1級（class 1）的無塵室，可以在不需要中斷製造流程的情況下，便能進行維護甚至生產設備的替換，而所達到的缺陷密度仍然是功率設備產業的一個基準。此外，先進的步進式光蝕刻技術則可保證其分佈的精確性。

此外，隨著平板製程的引入，條紋設計取代了六角形蜂窩設計，大幅強化了有效通道與晶片面積的關係。這種基本概念也用於更先進的溝槽製程中。目前，在40V狀況下，TO-263封裝的最小導通電阻為2.4毫歐姆，TO-252封裝為5.2毫歐姆。

不過，只靠功率開關並無法獲得一功率級。關鍵因素在於作為控制電路和功率開關之間介面的驅動電路，因此也出現了專為此目的所設計的半橋系列和高階驅動IC。這些驅動器採用自隔離結構的高壓製程，採用dv/dt雜訊消除電路之功率電晶體驅動器，擴大了可允許的負輸出擺幅至-10V，而低靜態電流電源（70至80uA）以及高階驅動器級（30至40uA），提供了更高的抗噪訊能力。

另外，內部延遲和觸發電平對溫度的依賴較低，也可提高其控制精度。(圖四)說明了這種新的高壓 IC（HVIC）之晶片構造、佈局和dv/dt容差性。最大的耐受電壓為600V，所以不僅可以用於標準汽車電壓級，對壓電式直接噴射、致動器或混合動力車輛等高壓系統來說，也很實用。

《圖四　HVIC的晶片構造、佈局和製程在dV/dt抗噪性的優勢》

混合動力汽車和未來的驅動概念

在1999年推出的第一款高容量混合動力汽車是本田的Insight，其後是2000年推出的豐田Prius I。這兩款車在美國都出乎意料的受到歡迎，對?多汽車製造商而言是一大衝擊，並紛紛群起仿效。從2005到2009年間，預計將有21款新車推出市場[4][5]。

基本上，其中有兩種混合系統：微型或中型混合以及完全混合。採用起動器概念的微型混合動力系統會在閒置期關掉引擎，並採用再生能源以供電池充電，其功率級大約為2kW至10kW。中型混合動力車也會採用電動形式來提升對馬達的支援，但車輛不能由電動馬達單獨驅動。完全混合動力車則具有強力的馬達驅動系統，足以在沒有燃油燃燒的一段時間內驅動車輛。基本上所有的完全混合動力車都具有120V 到 300V 的匯流排電壓，功率級為 30kW 至 50kW。

混合動力汽車需要具有高功率密度的高效燃燒引擎。下一步可能是使用最佳化的柴油引擎，尤其是考慮到歐洲市場。二行程引擎具有很高的容積功率，是理想的選擇，但傳統的結構無法滿足目前的排放要求，主要是因為HC排放很高；這是由於廢氣與進入的燃料空氣混合氣體相互混雜所造成的。高度精密的直接噴油系統結合簡單機械結構的二行程引擎，便有可能實現適用於混合動力汽車需要的緊湊，輕巧之引擎。

按照這種想法來考慮進氣門和排氣門皆為電子式控制的電子氣閥（EVT）引擎，任何工作模式，不論是二行程、四行程 甚至任何行程 都是可能的，因為沒有限制凸輪軸的邊界條件。典型四氣缸引擎之氣閥啟動需要多達64個MOSFET。這就得出一個結論：功率元件的前景將是一片光明！

（作者為Fairchild快捷半導體歐洲區現場應用工程經理）

＜參考資料：

[1] Wolfgang Hauptmann, Mikro Elektronik Trend Analyse, 2006,

ZVEI Fachverband Electronic Components and Systems

[2] Automobilindustrie, No.6, 1998

[3] Siemens EWB, AutoTechnology Vol. 5, 2006, p.24

[4] Automotive, Vol 1-2, 2006, p.14

[5] electric&hybrid, vehicle technology international, annual review 2004＞

延 伸 閱 讀	LED由於具備小體積、壽命長、低耗電以及反應速度快等優點，已成為備受矚目的新一代車燈光源技術；車頭燈受限於單顆LED亮度不夠、價格太高等因素，世界各國仍處於研發階段，預計要二至三年後才會邁入商業化量產階段。相關介紹請見「LED汽車頭燈商機潛力大　散熱問題待克服」一文。 雖然目前的汽車頭燈仍以鹵素燈及HID為主流，而就目前的國際車展來看，各國汽車廠展覽均已將LED燈組（含前後燈）列入概念車配備中展示，並且對於研發LED頭燈展現高度的期待與企圖。你可在「車用LED頭燈組研發介紹」一文中得到進一步的介紹。 從汽車業務員手中接過車及資料和晶片鑰匙，在跨進駕駛座置入晶片鑰匙後，車內各種系統同時啟動，不到半秒的時間，各顯示燈正常亮起，車內寧靜得讓人懷疑車子是否已經是在啟動的狀態下。在「電子系統實現安全　舒適與環保的未來行車夢想」一文為你做了相關的評析。

市場動態

由華創車電、台灣三葉、大億、帝寶等多家汽、機車業整車與車燈大廠，與財團法人車輛研究測試中心共同投入開發的白光二極體LED頭燈，日前已通過亮度測試，將循汽車、機車與車燈售後服務件等三大市場應用體系，開始導入量產，可望率先全球各國完成商品化。相關介紹請見「台灣抓穩LED頭燈商機」一文。 由於LED具有高亮度、省電、低熱量及反應時間短等優點，所以近日內被大量運用於車輛燈組的使用上，如方向燈、尾燈及煞車燈等；而於車輛燈具製造享有盛名的德國Hella大廠，已累積許多LED之製造研發技術，宣佈2008年時可轉移至車輛前燈使用，並達到量產之目標。你可在「啵兒亮！LED頭燈 Hella搶先上路！」一文中得到進一步的介紹。 從上個世紀早期開始到現在，汽車外部照明一直使用燈絲型燈泡，然而，這種歷史悠久的燈泡可能在下個十年（2011～2020）最終退出汽車頭燈和後燈市場，因為人們正為汽車設計一種更明亮的新型發光二極體（LED）。在「高亮度LED試圖完全取代汽車白熾燈」一文為你做了相關的評析。