封面故事

垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)技術在蘋果iPhone開始採用3D人臉辨識後，突然獲得各界矚目，但這種化合物半導體雷射其實由來已久，在iPhone導入引發產業關注之前，主要是應用在短距離光通訊領域，例如資料中心機架間的高速互聯。而隨著相關技術不斷發展，目前VCSEL的訊號傳輸距離、頻寬都在不斷提升，未來勢必會對傳統邊射型雷射二極體帶來一定的競爭壓力。 而在感測應用方面，VCSEL最大的優勢在於能實現小巧、低成本的感測陣列，可取得物件的3D輪廓，這項特性能和現有以邊射型雷射為主的測距技術產生明顯的市場區隔，並打開更廣泛的應用市場。除了從人臉辨識衍生出的各種安防應用外，VCSEL也是車用光達從機械式走向全固態，進而讓自駕車更進一步普及所不可或缺的關鍵技術。 VCSEL通訊頻寬/距離不斷突破 在感測應用出現之前，VCSEL最重要的應用在光通訊市場，特別是資料中心內部，機架對機架(Rack to Rack)之間的高速互聯。但隨著相關技術不斷突破，加上光纖業者努力投資相關配套，VCSEL進軍FTTx市場，目前看來只是時間問題。 台大光電研究所所長林恭如(圖1)表示，對光纖通訊應用而言，光源元件最重要的性能指標有二，一是頻寬，二則是傳輸距離。傳輸距離與光在不同波長的傳輸衰減與色散有關，波長850奈米的光源，傳輸距離通常低於500公尺，因此只適用於資料中心內部機架對機架的互聯應用。如果考慮波長拉高到1,310奈米，則傳輸距離便可提升為1~10公里，做為資料中心間的連結；若是在目前光纖通訊用1,550奈米波長下，則早已有許多單模光源實現至少20~25公里等級甚至更長距離的洲際或跨洋傳輸。但VCSEL光源的性能正逐漸提升，使得其應用性也逐漸從資料中心內跨向資料中心間的傳輸。 圖1　台大光電所所長林恭如表示，光通訊與感測將成為VCSEL的兩大明星應用。 目前已經商品化的單一VCSEL，光波長大多是850~940奈米，主攻的是資料中心內的互聯需求，如何將資料中心用VCSEL的波長拉長至970~1060奈米，以便透過分波多工實現更高的通訊容量，另外也有研究致力於將雷射截面所小達到單模態輸出操作，使VCSEL能達到更遠的傳輸距離。目前在VCSEL領域，最新的研究成果已經可實現2~10公里訊號傳輸，這對於VCSEL走出資料中心應用，是很重要的發展里程碑。 而在頻寬方面，目前台大光電所開發出來的850奈米少模與單模VCSEL，已經可以滿足50G Baud傳輸速率，並可同時支援OOK與PAM4甚至更複雜的QAM調變。就規格來看，目前台大光電所研究出的VCSEL已經可以滿足市場的主流需求，但研究團隊認為，還有很多細節可以進一步改善，例如製程技術上的精進、氧化層厚度的控制。這些細節上的改善，都可以進一步提升VCSEL的訊號/雜訊比(SNR)跟輸出功率。 該所的吳肇欣教授，目前就致力於VCSEL在高溫環境下進行高速操作的研究，希望讓VCSEL光源有更寬頻調變與更穩定的表現。相關研究課題涉及反射層的摻雜、氧化層的薄化，與發射截面再縮小等技術都有一定的挑戰性跟困難度，但也因為吳教授跟全體同仁在相關領域的投入，使得台大光電所得以名列全球前四大VCSEL研究基地之一。 感測應用靠陣列　精度/速度需平衡 至於目前最火紅的感測應用，基本上是利用VCSEL陣列來實現。不管是使用飛行時間測距(ToF)原理或是結構光(SL)感測原理，可以進行3D辨識的感測器都是由光源、光學組件跟光感測器三個部分所組成，其中最重要的就是光源。早期的3D感測是以紅外線LED作為光源，但LED不具備諧振腔結構，因此打出來的光束太過發散，反射耦合效率不佳，難以取得精準的感測結果。 VCSEL則解決了這光束過於發散的問題，加上VCSEL技術具有小型化，容易實現陣列設計、低功耗、可靠度高等優勢，因而能全面取代紅外線LED。不過，有業界人士指出，結構光感測因為涉及到的演算法比較複雜，只有蘋果這種具備軟硬體同步開發能力的業者能駕馭，因此現階段大多數元件供應商，只提供支援ToF的解決方案。 但即便ToF搭配使用的演算法相對簡單，要實作ToF 3D感測，還是有許多挑戰存在，例如光源的不相干性要高，空間功率的分布要均勻。若無法做到這兩點，則感測的精準度會受到不良影響。此外，如果感測的速度要快，則VCSEL陣列的顆數要少，但減少陣列顆數也會影響精準度。目前市場對VCSEL陣列的上升跟下降時間要求，已經低於500皮秒，250皮秒以下是比較理想的規格。要做到這點，技術上還是相當有挑戰性。 不過，林恭如認為，台灣廠商在VCSEL感測方面的技術，都已經有一定程度的累積，解決方案的成熟度也不錯。台大光電所雖然是以光通訊作為主要研究方向，但VCSEL實驗室仍具備完善的VCSEL感測器量測、分析能量，台灣大多數投入VCSEL 3D感測器研發的廠商，都跟該所的實驗室有合作關係，只是因為台大跟廠商簽有保密協定，因此不方便透露個別廠商的狀況。 產業鏈完備/早期投入為台廠最大優勢 台灣投入化合物半導體的時間比較早，磊晶技術的掌握度高，是台廠能夠快速切入VCSEL感測器市場的重要原因。其實，LED也分成邊射型跟面射型兩種，面射型LED的結構已經相當接近VCSEL，差別在於面射型LED沒有反射層構成的諧振腔，也沒有用氧化層製程來縮小諧振腔體積跟發光面積。 所以，對於熟悉面射型LED的業者來說，要克服的關卡主要在反射層的磊晶、摻雜以及氧化層的控制。其中，氧化層是LED完全沒有的製程步驟，在這方面會比較有挑戰，至於磊晶跟摻雜，對台灣的LED乃至化合物半導體廠來說，問題應該不大。 也因為台灣廠商已經掌握大多數關鍵技術，因此在VCSEL感測應用竄起的同時，台灣許多專業化合物半導體代工廠就已經拿到訂單，LED廠商轉進VCSEL的動作也十分迅速而積極。另一方面，跟台系化合物半導體代工廠有長期配合的封裝廠，也跟著在第一時間拿到不少訂單。 搶進下一個戰略高地--車用光達 在智慧型手機之後，VCSEL感測器產業的下一個兵家必爭之地，將是光達由機械式結構轉為全固態結構所帶來的龐大商機。為了取得完整的周遭環境資訊，讓自動駕駛系統得以判斷其所處的狀況，光達將是自駕車必備的感測系統，但過去的車載光達採用機械式設計，導致其成本偏高，使汽車製造商根本無法在量產車款上搭載光達。 據了解，一台機械式光達的報價，最少也在新台幣40萬~50萬元之間，占了一輛入門款新車售價的7~8成。直到2018年開始，陸續有光達廠商推出基於半導體技術的新一代固態光達，才開始有報價在數千美元的光達設備在市場上出現。但這個價格還是偏高，業界認為，光達的價格必須要壓低到數百美元，才有可能在汽車市場上大量普及，而促使價格下降的關鍵，就在VCSEL。也因為如此，部分台灣化合物半導體廠為了搶食車載光達的市場大餅，已經展開布局動作。除了推出車規等級的製程服務外，部分生產線也已經通過車規驗證，準備迎接即將到來的訂單。

化合物半導體泛指各種不以矽為基礎的半導體材料，通常可分成三五族半導體與二六族半導體。三五族化合物是由三族的鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)及五族的氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)等等組成。由於是化合物，所以組成方式非常多種，有二元的氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)；三元的銦鎵砷(InGaAs)、磷化銦鎵(InGaP)；甚至四元的InAlGaAs或InGaAsP等。二六族半導體則是由二族的元素鋅(Zn)、鎘(Cd)、汞(Hg)和六族元素硫(S)、硒(Se)、碲(Te)形成的化合物，是一些重要的光電材料。 在蘋果(Apple)於智慧型手機上導入結構光人臉辨識，引爆VCSEL應用話題，加上氮化鎵逐漸打開電源管理這個市場規模龐大的應用之後，化合物半導體開始受到更多探討，同時也吸引其他領域的業者開始介入布局。 電源管理應用帶動晶圓尺寸成長 聯穎光電技術長暨SEMI Taiwan化合物半導體委員會副主席林嘉孚(圖1)指出，氮化鎵材料開始切入電源管理應用，是改變化合物半導體製造產業風貌的一個重大事件。電源管理是一個非常龐大的市場，幾乎所有電子設備都需要電源管理。 圖1　聯穎光電技術長暨SEMI Taiwan化合物半導體委員會副主席林嘉孚表示，氮化鎵化合物半導體磊晶尺寸朝8吋發展，是大勢所趨。 因此隨著使用矽基氮化鎵(GaN on Si)的電源場效電晶體(Power FET)不斷發展，能耐受的電壓越來越高(目前600~700V的元件已有商用潛力，實驗室裡則已可做到1,000V)，未來矽基氮化鎵應用只會越來越普及。 而隨著應用市場越來越廣闊，氮化鎵磊晶(Epitaxy)晶圓尺寸一定會逐漸從目前主流的6吋往8吋發展，這樣才能驅動成本下降，滿足市場需求。而此趨勢也會吸引更多半導體設備大廠開始布局相關設備。目前磊晶製程所使用的有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)機台，最大供應商是德國Aixtron，但全球半導體設備龍頭應用材料(Applied Materials)也已經對這個市場展現高度興趣。 對化合物半導體業者來說，更多設備大廠投入是件好事，因為以往化合物半導體設備業就跟化合物半導體產業鏈的其他環節一樣，都呈現小而美的格局，大廠有更多資源可以開發更先進的磊晶設備，會讓磊晶廠有能力發展出更先進的磊晶製程技術。機台設備的能力跟磊晶技術的進展，是相輔相成的。 矽基氮化鎵進軍射頻　劍指5G基地台 除了應用在功率元件之外，GaN on Si還可以應用在射頻(RF)通訊上，目前相關技術進展最快的業者，就屬事業布局橫跨光通訊與RF兩端的MACOM。近日MACOM才與意法半導體(ST)達成合作協議，2019年ST工廠的6吋(150mm)矽基氮化鎵的產能將有擴張計畫，而8吋(200mm)的矽基氮化鎵則會依需求擴產，以支援全球5G電信網路建設。 隨著全球推出5G網路並轉向大規模MIMO(M-MIMO)天線配置，射頻功率產品需求預計將會大幅提升。具體來說，MACOM預估功率放大器需求量將會有32倍至64倍的成長，相對地，5G基礎建設的投資在5年內將預計成長超過3倍，因此放大器成本的單價估計會降至十分之一至二十分之一。 MACOM總裁暨執行長John Croteau表示，主要基地台OEM廠了解，為滿足5G天線部署時成本、頻譜和效能目標，需仰賴寬能隙氮化鎵元件的性能，以及能促進升級轉型的成本結構和製造規模。該公司認為，透過與意法半導體合作，將使MACOM能滿足基地台廠商的全部要求－產品性能、成本優勢和高產量供應鏈。MACOM與ST這個初期階段的聯合產能投資，可以使雙方有更多產能服務在全球高達85%的5G網路建設市場。 ST汽車與離散產品部總裁Marco Monti表示，ST已經在碳化矽技術領域打下堅實的基礎，現在正在推進RF矽基氮化鎵的技術，以支援OEM廠建立新一代高性能5G網路。碳化矽是汽車功率轉換等電源應用的理想選擇，而矽基氮化鎵能夠提供滿足5G所需的RF性能、產能和商用成本結構。 事實上，射頻跟光電過去一直是化合物半導體最主要的應用領域，以氮化鎵材料來說，在開拓出PowerFET應用這個新市場之前，最重要的應用市場就是高功率射頻領域，例如軍用的高功率雷達，就會用到碳化矽基氮化鎵(GaN on SiC)元件。跟前者相比，矽基氮化鎵適合運用在中低功率射頻應用，通訊基地台就是其典型應用之一。 在5G網路布建將採用更多微型基地台情況下，相關元件需求也令人期待。5G微型基地台的大小可做到和Wi-Fi存取點設備相仿，發射功率也相近，因此若電信商要以微型基地台組成網路，採購規模必然相當可觀。 不過，林嘉孚分析，以技術特性來看，矽基氮化鎵PA恐怕難以將應用拓展到行動終端市場，因為矽基氮化鎵的效率雖好，但啟動電壓卻比異質雙極性接面電晶體(HBT)跟假晶高速電子移動電晶體(pHEMT)明顯高出一截，不適合以電池供電的行動裝置使用。但有些研究團隊正在發展低電壓的GaN on Si，只是目前尚不成熟。 如果是行動裝置所使用的PA，基於砷化鎵的HBT跟pHEMT還是比較理想的選擇，因為HBT跟pHEMT具備低啟動電壓的優勢。但HBT很難做到毫米波頻段，因此，在5G通訊時代，低於6GHz頻段的5G行動終端，應該還是會採用HBT；使用28GHz以上的毫米波5G行動終端，則可考慮使用pHEMT。 至於CMOS PA，在未來一段時間內，可能都會停留在概念驗證或技術展示的階段，因為CMOS PA的效率太低，除了會影響行動裝置的電池續航力，封裝也是個大考驗。眾所皆知，在毫米波頻段，天線、PA，甚至連數據機(Modem)晶片都將會透過異質封裝技術整合在同一個封裝模組內。若PA效率太低，封裝散熱的問題會相當棘手。 技術門檻高　台廠領先優勢明顯 中國政府大力鼓吹半導體產業自主，並投入大量資金來扶植相關業者，是近幾年來屢屢在全球半導體業內引發討論的話題。同樣的情況其實也出現在化合物半導體領域，只是據業內人士指出，中國政府對化合物半導體的投資高度聚焦在國防跟軍用領域，因此不像DRAM或晶圓代工，容易引發廣泛關注。 但即便中國在本土化合物半導體產業鏈同樣砸下重金，中國的化合物半導體產業進展仍相當有限，一方面這跟技術管制有關，另一方面也跟長晶、磊晶技術十分複雜，需要長時間累積Know-how，光靠資金投入無法取得立竿見影的效果有關。 除了少數例外，如發光二極體(LED)之外，一般來說，化合物半導體的磊晶技術跟設備受到高度管制，且有大量Know-how累積在磊晶廠手上。同款設備，使用不同配方跟製程參數，產出的產品特性會有很大不同。因此，中國很難複製在LED產業的成功經驗，快速打造自主的化合物半導體供應鏈。相較下，台灣化合物半導體製造發展較早，且設備、技術轉移方面，也較不會遇到困難。 有業界人士估計，台灣化合物半導體製造商技術大概還領先中國同業至少三到五年，且差距沒有因為中國政府大力投資扶植而有所縮短。這意味著台廠在化合物半導體領域還有很明顯的領先優勢，不用擔心中國同業殺價競爭。但也因為如此，台灣的化合物半導體廠商通常十分低調，不僅不太願意公開談論自家的技術或策略發展方向，而且資訊保防工作做得相當嚴密。每家業者都在鴨子划水，盡最大努力保護自己的領先優勢。

車輛CO2排放法規並不新鮮，多年來一直由政府車輛監理機構實施。但最近的各國的目標更為提升，也為汽車電氣化趨勢更添動力。 中國身為全球最大的汽車市場，最近承諾禁止石化燃料汽車，挪威希望2025年銷售的所有乘用車都是零排放車輛，荷蘭則設定了2025年銷售的乘用車中50%需是零排放車輛的較低目標。印度正在推動到2030年只銷售電動車，而這可能只是我們將在全世界看到的法規的開始。從圖1可以看出，目前歐盟CO2排放目標將在2020年中實現，預計今後的排放限制將按照趨勢繼續下去。這些目標對內燃機(Internal Combustion Engine, ICE)的設計形成挑戰，如果沒有電動傳動系統元件作為車輛的混合動力或替代非石化燃料來源的貢獻，就無法實現這些挑戰。 圖1　歐美日汽車排碳標準發展趨勢 空氣品質惡化催生電動車商機 但挑戰不僅僅是石化燃料的消費和由此產生的二氧化碳排放而已。直接注射為基礎的內燃機(如柴油和高性能汽油發動機)產生的氮氧化物排放和顆粒物都是攸關健康的問題。這在都市中是不被接受的，導致相關法規愈趨嚴格－倫敦和巴黎等大城市正在禁止車輛進入市中心，而中國城市則透過日期限制車輛的使用。 車輛電氣化迫在眉睫，但市場將以多快的速度採用？(圖2)匯整了2050年以前車輛發展趨勢，ICE的比重將逐年減少，例如在2032年，50%的車輛將有電動馬達協助傳動系統。不過，燃油車輛要到2045年市占率才會低於50%。當然，未來道路上混合動力或電動車的確切數量將取決於許多經濟和社會因素，例如： 圖2　2015~2050年車輛發展趨勢 資料來源：Strategy Analytics、Evercore、NXP CMI ．汽油和柴油價格與電力價格比較。 ．技術進步－規模經濟、電池成本效益提升、電池化學性能的改善以提高能量密度(範圍)、充電基礎設施的普及。 ．越來越令人關切的問題：環境及氣候變化。 ．消費者行為和對車輛擁有權的態度以及電動汽車技術接受度。 ．關於燃油經濟性、二氧化碳排放和污染的法規的態度。 從圖2中還可以看到，有不同形式的電動汽車，從輕混合動力(Mild Hybrid, MHEV)到全混合動力(Full Hybrid EV, FHEV)和插電式混合動力電動汽車(Plug-in Hybrid EV, PHEV)到純電池電動汽車(Pure Battery EV, BEV)。未來每輛車，至少有一個電動機，協助燃油車。不出意外的話，隨著電力行駛的比重持續提升，二氧化碳減排效果將越來越明顯。 油電混合車發展迅速 傳統的ICE需要在寬鬆的駕駛條件下行駛。因此，在某些領域，特別是低速度/高扭力的效率受到影響。電動機是ICE的好夥伴，因為它們在低速時輸出最大扭力，這意味著ICE可以根據更適合的條件進行優化。 第一輛混合動力汽車是FHEV車型。由豐田普銳斯(Toyota Prius)，於1997年首次推出，目前仍是銷量最高的混合動力汽車。自普銳斯問世以來，已經取得了許多進步，最顯著的是PHEV，其中增加了外掛程式功能為電池充電。在純電模式下，PHEV僅適用於短距離，通常為20~30公里。FHEV和PHEV往往從類似的電壓水準運行，約為400V(圖3)。 圖3　不同類型車輛的電動化程度 最近的FHEV和PHEV車輛有兩個電動機，一個是針對電池的剎車動能回收和充電而優化的，另一個是針對扭力和功率進行優化以帶動車輛。然而，由於電機在低速時非常強大，ICE可以在容量上縮小規模，也可以使用更省油的控制策略，比如Atkinson迴圈。在這種情況下，當活塞向上移動壓縮時，進氣閥保持打開時間更長，這會減少活塞向上移動的摩擦，使發動機效率更高，但使其變慢。另一種方法是REEV它有一個小ICE來為電池充電，而不是驅動車輪。 48V系統提升車輛效能 最近的一個創新以取代FHEV的是48V MHEV。這些基於ICE動力總成補充及一個中型鋰離子電池和一個可逆的48V電動機。其目的是支援低速加速，並在煞車時給電池充電。與傳統的12V系統相較，48V系統滿足了以更低的成本和體積，提供更多電力需求。在高壓混合動力汽車中可減少二氧化碳排放量近20~30%(CO2/km)的情況下，48V MHEV據稱可減少10~20%。因此，MHEV以20~30%的成本帶來了PHEV二氧化碳減排效益的70%。此外，48V系統可以很容易地整合到現有的車輛動力總成和架構。 48V系統帶來的第二個好處是能夠透過將機械負載轉換為48V電源的電氣負載，減少內燃機的負載，而減少二氧化碳排放。需要更高功率不間斷運行的應用最適合，如空調壓縮機、電子渦輪增壓、主動懸吊和動力轉向。與PHEV和FEV中使用的高壓系統相比，另一優勢是不需要特殊的隔離和保護(圖4)。 圖4　48V系統於車輛中運作概況 BEV將大約60%的電能從電網轉換為車輪上的電能。傳統汽油車輛只將儲存能量的20%轉化為車輛動力之前，這聽起來並不是很有效。為了提高消費者對電動車的認識，消除大眾採用的障礙，增加電池容量是實現這一目標的方法之一，但這也增加了重量、降低了效率。業界需要考慮其他系統方面的問題，如： ．減少電力驅動系統的損耗－儘管比ICE更有效率，但透過電動傳動系統仍有16%的能量損失。 ．增加電車動能回收的使用－當剎車，車輛的慣性轉動電動發電機，產生電力，然後儲存在電池。 ．減少充電損耗－當充電的電池，能量損失轉換交流電轉換到直流使用電池，以及在克服電池的充電阻力。 提升電動車效能各顯神通 為了提高電動傳動系統的效率，車廠不斷研究發展電機的科學及其在電動汽車上的應用。例如，BMW i3採用革命性的混合同步永磁磁阻電機來減少問題，同時在較高的速度範圍內提供高功率的技術發展。電機的速度越來越快，而在最有效的地方運行電機的需要，控制方法也越來越先進，涉及的數學模型越來越多。 多相電機的主題也在重新驗證，趨勢是六或更高的相位元數目。無論是純六相方法或雙工三相位設置，機械安裝與彼此固定的轉移。使用多相電機，每個相位的電流更小，因此可以調整元件的尺寸，再加上減少扭矩紋波，而有可能優化直流電容器的尺寸，並改善電池波動，最終可能改進範圍。多相控制的另一個好處是冗餘，因為即使在元件發生故障的情況下，操作也可以在較低的級別上繼續進行。 預測模型控制技術可用於利用卡爾曼濾波(Kalman Filtering)或狀態空間建模(State Space Modelling)來提高ICE或電動機的暫態效率。但另一種提高傳動系統效率和整體車輛效率的方法是更完善地決定在旅途的各個階段使用什麼扭力源。混合動力控制單元(Hybrid...

在 xEV傳動系統中，碳化矽(SiC)電路有助於實現更小的晶片尺寸，同時具備相同效能資料，提供降低切換損耗及提升切換頻率等各種優點。與先前的系統相比，對應封裝技術可實現更有效率且更為輕巧的電源模組，以及獨立解決方案。受益於SiC晶片和最佳化電源模組的一般應用，包括主變頻器、車載充電電子裝置、升壓器和DC-DC轉換器(圖1)。 圖1　xEV應用中半導體平均比例(取決於電氣化程度) SiC元件已上市約二十年，但因為成本及部分品質緣故，在車輛中的使用受到限制。到目前為止，SiC晶圓尺寸通常比矽小很多。高品質6英寸SiC晶圓上市供應後，提升了製造SiC晶片的產能(圖2)。 SiC元件最初是由小規模的專業公司主導，不過目前頂尖半導體公司於標準設備加工SiC元件，具備高輸出及高可靠性，因此SiC的成本發展大有可為。最新一代的SiC溝槽MOSFET，在閘極氧化物可靠性方面也有所進展，使其成為汽車應用的理想選擇。 圖2　更大的晶圓和強化製程可降低成本，並提升SiC晶片可靠性。 碳化矽具備高切換/低損耗特性 相較於傳統的矽基高電壓IGBT或MOSFET(> 600V)，SiC MOSFET具有多種優勢。例如英飛凌1200V SiC MOSFET(CoolSiC)的閘極電荷及電容值比IGBT更低，並具備最低的本體二極體逆復原損耗。這讓切換損耗遠低於矽，並且不受溫度影響(圖3)。此外，MOSFET具有類似電阻的輸出特性，IGBT則類似於二極體。無臨界值導通特性可降低局部負載範圍的洩漏損耗。 圖3　比較CoolSiC MOSFET與矽IGBT之間的切換損耗 以上基本優勢不僅使SiC MOSFET成為高頻運作的理想選擇(例如車載充電電路和DC-DC轉換器)，也適用切換頻率一般低於20kHz的變頻器應用。其中效率主要是由低負載作業決定。例如使用SiC MOSFET可在低或中負載情況下，降低最高2/3的變頻器損耗。 SiC MOSFET可實現體積極為精巧的高效變頻器。在相同條件下，SiC MOSFET的晶片面積遠小於IGBT型變頻器。由於減少晶片損耗，因此提升了各種駕駛情境的效率，特別是具有許多加速階段的城市交通。 就變頻器效率而言，必須考慮能量基本上以兩個方向流動，產生扭矩期間從電池到車輪，能量復原(回收)期間則從車輪返回電池。因此變頻器效率對電池供電電動車(BEV)非常重要，因為這會直接影響行駛範圍，或可使用較小電池提供相同行駛範圍。由於電池是重要的成本因素，電池電芯減少5%至10%，可讓電池電力超過40kWh的系統大幅降低800美元以上成本。 矽支援的崩潰場強度低於SiC。因此標準1200V IGBT損耗明顯高於600V類別的同類產品。另一方面，1200V SiC MOSFET可在850V範圍內，以更高的電池電壓提供非常高效的運作。因此SiC也非常適合用於快速充電應用的架構。就目前正在開發的基礎設施而言，80kWh電池可在15分鐘內充電至80%。這是實作電動車和確保客戶滿意度的重要層面。 選擇適應封裝提升電源模組效能 為充分利用SiC晶片效能，還需要對應的最佳化封裝技術用於電源模組。SiC有助於提高能源效率，不過這不僅需要更出色的封裝材料，也須要考慮較小晶片熱阻更高的問題。較小晶片也會導致提升電流密度，熱機械變形風險也較高。 為了充分利用SiC MOSFET效能，須要採用最低洩漏電感的封裝，因此需要創新的封裝概念用於電源模組，像是HybridPACK Drive系列模組，以及雙面冷卻的封裝概念(例如HybridPACK DSC模組)。這樣就可以開發電源密度非常高的變頻器設計。 開發電動車及油電混合車使用的HybridPACK Drive(HPDrive)電源模組時，必須結合各項技術和應用相關要求。其中包括各種不同要素，例如最佳化成本、高效率、功率密度，啟動扭矩的載流能力，以及受熱循環影響的使用壽命。 目前已經顯示完全整合的開發方法，如何讓電源模組的所有個別元件以這種方式設計，以滿足應用要求達到最佳效果。晶片的額定電壓提升，模組電感降低，因此可在更高的工作電壓和切換邊緣運作。更高的溫度負載能力、更出色的晶片接合技術，以及損耗更低的材料，可提升載流能力，進而提高驅動馬達的啟動扭矩。總而言之，較小的模組尺寸、縮減晶片面積、降低損耗，以及使用最新量產技術，有助於降低系統成本。 採用壓接端子及最新汽車用IGBT技術(EDT2)的HybridPACK Drive模組，比HybridPACK2系列同類產品小約20%，並具有相同效能。HybridPACK Drive產品系列屬於可擴充平台，具有各種電源連接、IGBT和MOSFET技術及熱堆疊選項。本系列產品從一開始就採用模組化設計，從端子接頭就開始秉持模組化概念，有助於以快速焊接程序或螺栓接頭用於纜線連接。此外也提供「長接頭」版本，用於實作相位電流感測器。 此一模組的設計原則，是盡可能減少變頻器製造商的開發工作量(視應用而定)。因此更換基板或熱堆疊可減少或增加輸出功率，毋須變更矽零件。目前有各種基板(扁平，直接冷卻和針狀鰭片)及陶瓷基材可供選擇。 不過若採取保留電子裝置(驅動器板和直流連結電容器)及變頻器設計，但調整冷卻結構的作法，也可以擴充效能。例如以FS820R08A6P2模組(採用750V IGBT、針狀鰭片結構和標準陶瓷)作為100%參考，就可以產生可調整頻寬，提供70%至120%的效能(圖4)。 圖4　HybridPACK Drive電源模組採用模組化設計，可輕鬆擴充。 對更高功率而言，HybridPACK Drive也可以使用1200V技術。首先是1200V...

本文將探討藉由對IGBT/MOSFET電源開關進行破壞性檢測，分析閘極驅動器的隔離耐受能力。例如，對於像是電動/混合動力車這類高可靠度/高效能應用而言，隔離式閘極驅動器必須確保隔離阻障層(Isolation Barrier)在所有情況下維持完好。隨著Si-MOSFET/IGBT不斷改良，以及氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)技術的推出，現代功率轉換器/逆變器的功率密度也跟著提升。 因此業界需要高整合度的隔離式高強固新型閘極驅動器。由於電氣隔離機制已整合在驅動器晶片內，因此這些驅動器得以小型化。電氣隔離可透過整合型高電壓微變壓器或電容來達成。由於只要出現一次意外的系統故障就可能導致電源開關損壞或爆炸，或甚至整個電源逆變器(Power Inverter)毀損，因此必須針對高功率密度逆變器來評測閘極驅動器在隔離方面的安全性能。這方面的隔離可靠度，必須針對電源切換開關毀壞的最糟狀況來進行測試與驗證。 當高功率MOSFET/IGBT失效時，逆變器內部數千微法拉的電容組(Bank Capacitor)在最糟狀況下會快速放電。這些釋放的能量會導致MOSFET/IGBT毀損、封裝爆裂以及電漿外溢到環境中。部分能量會流到閘極驅動器的線路，則會導致電氣過載(Overstress)。另外由於功率密度極高，因此即使在晶片本身失效的情況下，驅動晶片也應設計成能夠維持電氣隔離。 建構高整合度閘極驅動器 晶片層級隔離方面，運用平面微變壓器來提供電氣隔離。它採用晶圓層級技術進行製造，並製作成半導體元件的規格。在一個iCoupler通道中含有一個IC，以及晶片層級的變壓器(圖1)。在隔離層中則有隔離阻障層來分隔每個變壓器的頂部與底部線圈(圖2)。數位隔離器採用厚度至少20微米的聚醯亞胺(Polyimide)絕緣層來分隔平面變壓器線圈，其製造流程也整合成晶圓製程的一部分。這樣的製程除了讓隔離元件能以低廉的成本整合到任何晶圓廠的半導體製程外，還能達到極高的品質與可靠度。圖2的橫截面圖顯示透過極厚的聚醯亞胺層隔開頂部與底部線圈。 圖1　MOSFET半橋驅動器的晶片配置 圖2　微變壓器的橫截面 封裝內的分離導線架(Split Lead-frame)會完成隔離機制。當電源開關爆炸導致閘極驅動器輸出晶片受損，內部晶片的分區與配置設計必須確保隔離層完好無損。目前已建置許多保護措施以確保閘極驅動器內部隔離機制在遭遇事故後的存活力： ．適當調整外部電路以限制流入閘極驅動晶片的電力 ．適當配置驅動晶片的輸出電晶體 ．適當配置晶片上的微變壓器 ．適當配置封裝內部的控制與驅動晶片 晶片內部閘極驅動器的配置，如圖1能在極端電氣過載狀況下避免電氣隔離性能崩潰。 破壞性測試模擬逆變器失效 透過組建一個含有385V與750V兩個電壓位準的測試電路以用來模擬實際電源逆變器的各種狀況。在需要對110V/230V交流電網進行功率因素修正的系統而言，385V的電壓位準相當常見。750V則常見於高功率逆變器，這類逆變器用來驅動許多應用，其中使用到的開關其額定崩潰電壓多為1200V。 在破壞性測試中，其中一個逆變器接腳連著一個電源開關以及一個適合的驅動器，在開關失效之前會維持導通狀態。在破壞期間系統會紀錄下波形，以判斷流入閘極驅動晶片的能量。之後研究各種保護措施，以限制流入閘極驅動電路的破壞性能量。在破壞性測試中用到許多種類的IGBT與MOSFET。  MOSFET/IGBT在受控破壞模式下測試電路 在IGBT/MOSFET驅動器的電氣超載測試(EOS-test)方面，我們設置一個相當接近真實世界條件的電路(圖3)。電路中含有電容與電阻，對於5kW至20kW功率範圍的逆變器而言都是相當適合的元件。在閘極電阻Rg方面，採用的是額定2瓦功率的軸向型金屬電阻。當中用到一個阻隔二極體D1，用來防止電力從高電壓電路逆流到外部電源。 圖3　EOS電路配置，用來量測隔離耐受性檢測中電源開關的損壞狀況 這個二極體也能反映真實狀況，因為浮接(Floating)電源供應器內含至少一個整流器(亦即自舉電路)。高伏電源HV會透過一個接有充電電阻Rch以及一個開關S1的電路對阻塞性電極電容進行充電。在EOS-test方面，則維持以500µs的開啟訊號貫入到控制輸入電壓VIA或VIB。這個開啟訊號透過微隔離(Microisolation)構造進行傳送，會導致短路狀況並破壞電源電晶體T1。在一些情況中，甚至會觀察到電晶體封裝爆裂。 在這裡，我們在兩個電壓位準上用四種電源開關來模擬逆變器的損壞。第一種測試是針對特定類型的切換開關，第一次會接上電力限制電路，第二次則不接。為限制損壞階段流入驅動器電路的能源，在一些測試中會把齊納二極體Dz(BZ16,1.3瓦)直接連到驅動器的輸出針腳。另外還會研究不同的閘極電阻值。 檢測直接閘極驅動器電路受損狀況 另一項測試則是模擬最糟狀況條件，當中破壞性能源直接導入閘極驅動器的輸入與輸出晶片。在這項破壞性測試中，完全充電的最大體積(bulk)電容直接連到閘極驅動器的輸出接腳(圖4)。這項測試顯示可能出現最糟狀況的超載，故能檢驗隔離耐受性的能力。能源直接流入驅動電路，而閘極電阻則是唯一的電力限制元件。其中中繼器S2把高電壓耦合到閘極驅動器的輸出電路。 圖4　EOS電路，在隔離耐受測試中用來判斷能源限制的能力 圖5顯示在最糟狀況測試中，沒有任何元件用來限制能源流入晶片的輸入端與輸出端。在高電壓750伏的直接應用方面，透過開關S1連至輸出晶片，用來代表最糟狀況的條件，中間高電壓750伏特導入驅動晶片，當中沒有用到任何能源限制閘極電阻。 圖5　EOS電路在最糟狀況中，能源直接貫入輸入與輸出晶片。 另外一種可能的最糟狀況，超量電源電壓貫入到驅動器一次側的控制晶片。輸入電源電壓的最大建議值為5.5V。倘若DC對DC轉換器產生的輸入電壓不受調節，其輸出的電壓就會升高。在不受控制的狀況，許多尖端直流對直流變壓器的輸出電壓可能提高二至三倍。貫入閘極驅動器輸入晶片的能源受到限制，而包括電阻、電源切換開關、電感等其他元件也都包含在內。這些元件會阻止能源流入控制晶片。這裡選用15V的電源電壓以及1.5安培的電流，用來模擬真實世界中直流對直流變壓器機能失常的狀況。 如表1所示，使用圖3、圖4、圖5電路進行超載測試的結果。為判斷保護電路的影響，對每種MOSFET/IGBT電源開關進行兩次測試。在9、10、11最糟狀況測試中，使用到開關S1與S2。 一般而言，齊納二極體有助於保護驅動電路，如表所示(比較測試1與測試2)。然而當閘極電阻值過小，不論是否有齊納二極體，驅動器都會受損(比較測試3與測試4)。 比較測試2與測試3，以及對照測試3與測試4，即可估算出驅動器的損壞能源。測試5與測試6提供一項有意思的結果：超接合面(Super-junction)MOSFET比起相同額定功率的IGBT更能限制能源流入閘極驅動器。測試9、10、11的目的－無上限能源流入控制與驅動器晶片－則是用來研究在最糟狀況下隔離耐受性的效能。 破壞性測試顯示在電源開關受損時的不同波形。圖6的波形是一個超接面MOSFET，開啟到晶片損壞之間大約經過100微秒，只有極小的電流流到驅動晶片，故能通過超載測試。在相同的測試條件下，標準MOSFET導致大幅提升的閘極電流與過壓，而使驅動器受損，如圖7所示。 圖6　破壞SPW2460C3產生的波形圖；沒有觀察到驅動器受損 圖7　破壞2個並聯FDP5N50所產生的波形圖；閘極驅動器失效 晶片損壞分析 部分密封的閘極驅動器顯示在不同開關與不同測試條件下出現類似的晶片損壞。圖8顯示一個P-MOSFET輸出驅動器在測試8中表1的損壞狀況。750V電壓的測試中導致一個IGBT爆裂，以及損壞限能元件Rg與DZ；不過只有在VDDA接腳焊線附近出現小區域的熔融。 圖8　閘極驅動晶片照片顯示測試8的損壞區域。隔離層中沒有發現損壞 受損階段的閘極過流，會從P-MOSFET的本徵二極體流到100微法拉電容。由於電流擁擠效應，靠近焊線的區域出現熔融。除此之外驅動晶片沒有其他損壞，控制晶片的隔離層也沒有觀察到損壞。圖9顯示測試9的熔融區，過程中150伏特的電壓直接貫入驅動晶片。控制晶片的電氣隔離能耐受這種極端超載測試。 圖9　閘極驅動晶片的照片顯示測試9過程中的損壞區域。極端的電氣超載並沒有破壞控制晶片。最終結果並沒有偵測到隔離機制受到損壞 一次側的最糟狀況顯示超量電源電壓貫入控制晶片的結果。在測試11中，15伏特的電源電壓貫入VDD1接腳，如圖5，遠遠超過絕對最高額定值7.0伏特。圖10照片顯示晶片中靠近VDD1接腳的區域出現熔融。 圖10　輸入控制晶片照片顯示測試11中的受損區域。貫入電路的能源導致在VDD1接腳附近出現範圍極有限的熔融。隔離層本身則沒有受損 電源切換開關的破壞性測試不會影響到整合式閘極驅動器的隔離耐受性。即使驅動器因超量能源流入輸出晶片而受損，也只有局部小範圍的區域會出現熔融。超量的能源會直接透過P-MOS驅動器電晶體導入到阻隔電容。因此熔融只會出現在P-MOS區域。 ADI的整合式閘極驅動器ADuM4223/ADuM3223的晶片配置不允許熔融區域擴散到控制晶片，因為控制晶片內含電流隔離訊號變壓器。為限制能源流入驅動器的輸出端，業界會使用齊納二極體。齊納二極體搭配一個適合的閘極電阻，能在電源切換開關受損時保護閘極驅動器。可以設計閘極電阻在整流時管理電力消耗，以及在出現損壞時隔離驅動器與電源開關。當高電壓直接貫入晶片時，閘極電阻可發揮保險絲的作用。電阻會讓晶片損壞控制在小範圍，只會在輸出電源切換開關附近出現熔融。 在最糟的狀況下，當無受限能源貫入輸出晶片，驅動器輸出接腳附近會出現有限的熔融區域。這項測試並沒有影響到隔離耐用性。在一次側的最糟狀況中，當電源電壓大幅超越絕對最大額定值，在電源電壓接腳的週圍就會出現有限度的熔融區。在任何電氣超載測試中，都沒有隔離能力弱化的跡象。之後進行高電壓隔離測試，則確定電氣微隔離的耐受性能。適當的晶片結構，以及驅動器封裝內部的晶片配置，能阻止破壞能源擴散到微變壓器的高電壓隔離層。 (本文作者任職於ADI)  

電動車產業未來幾年將持續加速，以無聲、零排放、零震動的姿態完善產業鏈，持續挑戰內燃機(Internal Combustion Engine, ICE)車輛的主流地位，同時電池、馬達、電控三大系統也以分進合擊的方式，各自努力發展技術、結合提升車輛效能，然而不管是傳統車廠、新興純電動車廠、Tier 1車廠、通路商、零組件或資通訊系統廠商，都在積極布局與發展自己的解決方案。 未來幾年，相信特斯拉(Tesla)、比亞迪(BYD)與豐田(Toyota)、福斯(Volkswagen)這些新舊車廠間的競爭，到底誰能在下世代交通運具的新局裡取得成功，必然是業界持續關心的話題；然而交通運具牽涉的產業鏈既廣且長，不管是現有龍頭衛冕，或者後進者挑戰成功，在此之前還有更多其他廠商的布局與卡位，並牽動產業面貌的大幅革新，本文特別蒐集部分半導體業者的動態，希望能見微知著藉此洞察未來大勢走向。 電池為電動車技術發展主軸 整個汽車產業未來的投資重心將集中在電動車與自駕車兩大明星，其中電池絕對是最關鍵的部分，所以除了電池芯配方與新材料之外，電池管理系統(Battery Management System, BMS)就是現階段可以協助提升電池利用率的技術，ADI汽車電子事業部策略行銷及業務開發總監Junya Nagai(圖1)提到，要完全耗盡電池堆中的每個鋰電池仍然是一個巨大的挑戰，原因是每個電池的性能不一致，因為溫度環境不同、運作期間性能的變化和降級、準確地感測和監控每個電池單元對於延長容限、實現電動車效率非常重要。 圖1　ADI汽車電子事業部策略行銷及業務開發總監Junya Nagai提到，每個電池的性能不一致，準確地感測和監控每個電池單元非常重要。 該公司一項稱為主動平衡器的技術，將解決電池性能不一致的問題，以提升充電及放電性能；另外，其ASIL-D等級、精確電池監控元件和主動平衡器能夠提升充電和放電性能並延長電池使用壽命，以滿足重複使用(Reuse)市場的需求。另外，致茂電子提供BMS功能驗證的自動測試系統、電池包實驗室測試方案與生產線電池包下線測試等方案。 致茂電子電力電子量測系統產品部副課長林信宏(圖2)表示，在BMS功能驗證的自動測試系統提供檢測電池芯監控線路(CSC)的功能，提供87001電池芯模擬器解決電池芯監控線路驗證的困擾，87001電池芯模擬器可精準模擬鋰離子電池芯，於可靠安全的環境下取代電池芯，測試電池監控線路，藉以模擬電池芯可吸收和提供能量的電源特性；同時具備電壓和電流的量測監控能力驗證主被動均衡線路與消耗電流，確保電池芯監控線路能準確量測到並處理電池芯電壓狀態變化；測試系統具備檢驗電池管理單元(BMU)上絕緣電阻異常偵測線路的作動情形，模擬絕緣電阻異常狀態，驗證異常時BMS所進行確保人員安全的對策是否有效。 圖2　致茂電子電力電子量測系統產品部副課長林信宏表示，行車電腦模擬，需要建立讓電池包與行車電腦連接的模擬環境，以讓電池包順利工作。 電池包實驗室測試方案主要目的在創造模擬電池包實際使用環境，以達到檢驗電池包效能與安全設計等機制是否達到設計要求，測試設備需要模擬車輛基本的特性，林信宏舉例說明，行車電腦模擬，需要建立讓電池包與行車電腦連接的模擬環境，才能讓電池包順利工作；透過統一診斷服務(Unified Diagnostic Services)對電池包進行控制、讓電池包能夠進入受測狀態；最重要的需要具備行車狀態模擬，達到即時控制電壓、電流、功率模式等要求。 以「過溫降載」的應用為例：當車輛的電池包在使用者操作下，若產生過溫度狀態，行車電腦將限制馬達驅動器的拉載功率，電池包的測試設備就必須具備即時狀態的模擬功能，在測試過程中收到電池包所回傳的BMS溫度訊息判斷是否過溫，將充放電設備輸出功率進行調降，達到降載的狀況；同時間會搭配資料收集器，進行電池包各串電壓與溫度的收集，整個操作過程要確認電池芯能在預定的操作區間使用，不會有電池芯異常(過電壓或過溫度)的使用狀態發生。 而生產線電池包下線測試方案針對高功率電池包(Battery Pack)配置，林信宏解釋，主要目的在確保電池包在各個生產組裝結束後，具備高品質狀態離開電池包生產工廠交貨給下游車廠，故會在生產流程的容許下進行電池包功能的檢測，對整個電池包組裝過程中可能發生的故障、安全問題進行測試驗證，確保產品是安全可靠的，內容包含：電池包連接與生產條碼對應測項確認，電池包軟體版本確認/程式燒錄/讀寫序號/運輸位確認，初始狀態確認後，就進行電氣安規測試，有絕緣阻抗測試與接地短路等安全測試。 隨後BMS功能測試包含：高/低壓繼電器開關功能檢測、風冷/水冷機制測試、錯誤碼診斷、性能測試、出廠總電壓檢測、出廠電池包SOC值檢測、高壓互鎖功能檢測、總成極性判定、總電流檢測、充/放電性能、內阻性能(DCIR)、單電芯電壓範圍、單體溫度範圍、電池包的最大單體壓差等測試項目，完成上述各測試項目的要求，進行全自動化的測試程序，完成產品驗證。 充電設施普及與介面標準化 相較於目前消費者使用電動車所產生的「里程焦慮」，過去ICE車輛在加油站不普及的時代相信也有，因此充電的便利性是電動車發展的關鍵之一，包括快充技術與充電站的基礎建設，這部分是台灣產業可以著墨的領域，然而目前充電連接器的規格並不統一，包括：美國SAE的J1772(CCS1/Type1)、國際電工協會的IEC 62196(CCS2/Type2)、日本的CHAdeMO、中國大陸的GB/T以及Tesla推行的SC(圖3)，而且還在發展當中。 圖3　目前充電方式與形式多樣，不利市場推廣。 而充電形式分為交流(AC)充電與直流(DC)充電，德國萊因(TÜV)商用與工業產品服務部門經理翁文進(圖4)指出，交流充電可使用家中220V電源，電流在32~72A不等，每小時充電量為7.0~15.8度電；直流充電使用380V以上的電壓進行充電，充電功率視電池狀況最高可以達每小時100度電甚至更高，AC充電多安裝於家中，DC充電以戶外充電樁為主，電壓高充電速度快。 圖4　德國萊因商用與工業產品服務部門經理翁文進指出，AC充電多安裝於家中，DC充電戶外充電樁為主，電壓高充電速度快。 為了確保車主可以安全無虞且有效率的使用充電設備，安裝的保護零件選用也是一個重點，像是防雷元件、過電流保護器、漏電斷路器、接地保護等，與安全保護都息息相關。翁文進特別提醒，幾個常見的安裝現場差異如：使用漏電斷路器，國際電工法規定在電動汽車充電系統中(IEC 61851-1)必須使用電流跳脫特性為Type A型，可針對交流及直流脈衝進行偵測跳脫，比原本在台灣市場CNS 5422認可的Type AC型有著更高的保護能力。 另外，當使用接地保護時，為確保接地連續性，在短路或電擊危險發生時，可以藉著阻抗匹配將電流導引至地面以保護人員操作安全。翁文進說明，在電工法規的建議是使用螺絲(栓)、彈簧華司、端子、華司、螺帽進行鎖固連接，同時也確保充電程序過程持續的進行。台灣夏季氣候多雷雨，為防止落雷對充電站系統以及電力設施的損壞，防雷元件的正確選用不可少，一方面免於設備遭雷擊而失去功能，也增加人員車輛使用充電站時的安全。 SiC功率元件將大量導入 現在主流的電動車電池組由96串4.2V的電池包串聯組成，總電壓約400V，為了提升電池的傳輸效率並串聯更多電池組，電池系統有往更高壓發展的趨勢，Nagai解釋，電動車傳動系統需要更高電壓、高電流切換開關元件。IGBT是目前常用的一種。當檢視提高逆變器效率和減少動力傳動系統重量和尺寸，以提高每加侖密度的挑戰時，寬能隙的碳化矽(SiC)切換開關元件備受矚目。不過，基於SiC的缺陷密度和晶圓尺寸仍與Si不相容，因此成本仍然是其採用的挑戰。 馬達可以說是電動車的心臟，英飛凌大中華區汽車電子事業處市場經理朱文斌指出，電動車馬達主要是使用MCU、Gate driver、IGBT模組等核心元件。現階段馬達控制技術已經比較成熟，透過第三代半導體SiC功率模組的性能提升，將是提升馬達系統整體效率的重要關鍵。對於電機驅動，SiC能在目前IGBT的基礎上，提升效率5~10%，碳化矽的100K開關頻率有助於實現電動車的高壓快充。 電動車的充放電和機電轉換主要是靠功率半導體來完成，包括IGBT和MOSFET，一個是把電能轉化為機械能，比如馬達的機電轉化，或者把機械能轉為電能，比如電量回收。另一個功能是把電能從一個地方轉移到另一個地方，比如用車載充電器充電，就是把市電轉移到電池上。ST亞太區功率元件技術行銷專案經理陳文聰(圖5)說，從矽IGBT元件改成SiC MOSFET元件，平均可協助電動車提升4%的行駛里程，也具有高速、耐高壓、耐高溫、小型化以及低開關損耗等功能，能提升車載充電機、車載電源、主變頻器的效率。 圖5　ST亞太區功率元件技術行銷專案經理陳文聰說，從矽IGBT元件改成SiC MOSFET元件，平均可協助電動車提升4%的行駛里程。 包括PCB在內的高溫等級周邊零組件仍然非常昂貴，這也影響了SiC的另一個優點，即高溫耐受能力，其能大幅降低逆變器冷卻系統成本。陳文聰表示，目前SiC的價格相較傳統的矽功率元件還有一倍左右的價差，另外元件耐用度也是另外一個重點，汽車產業前幾年花費很多時間評估SiC的耐用性，由於電動車內部需要電能轉換的部分非常多(圖6)，像牽引逆變器(Traction Inverter)這類與馬達控制關係較高的元件會優先導入，2019年預計是電動車SiC起飛的時間，未來將廣泛應用在電動車的馬達控制與電控系統。 圖6　未來電動車系統將導入越來越多SiC功率元件。 資料來源：ST 另外，ADI強調其強固和可靠的隔離技術，以確保低壓系統和高壓之間不存在干擾。Nagai說明，該公司專注於IGBT、SiC智慧驅動器、整合隔離和電源技術，除了提供精小外型和強固的EMC/EMI功能外，同時更可降低系統成本。此外，ADI還為馬達定位感測提供高精度角度感測器，以便有效地驅動馬達。 掌握車輛電動化與智慧化契機 車輛電動化與智慧化將同步進行，恩智浦半導體大中華區汽車電子市場經理周翔認為，要提高車輛的運算能力，才能實現潛在的二氧化碳減排。從對傳動系統的精確、即時控制，到數學密集型能量優化策略，再加上車上不同電源的定時精確同步，可透過階梯式功能提高來實現可用的計算性能。因此，恩智浦發布下一代混合動力和全電動汽車的GreenBox開發平台。GreenBox允許汽車製造商和供應商在基於Arm Cortex架構的汽車處理多核平台上開發下一代混合動力和電動汽車應用。 GreenBox電氣化開發平台用於在真實的使用者環境中開發控制演算法並對其進行測試。隨著全球對排放的監管限制不斷增加，燃油經濟性目標也越來越嚴格，傳統汽車製造商和新的市場進入者都需要開發工具來快速設計電動和混合動力汽車。GreenBox為HEV/EV設計提供了一條簡單的即用開發路徑，該設計將使用2019才會問世的最新款S32電氣化MCU。 總結目前新能源汽車發展狀況，電動車市場進入推廣末期、普及初期，電動車電池占電動車成本比例需從30%~50%進一步下降，觀察近期Tesla大幅降價與其平價S3車款量產已上軌道，同時Toyota的油電混合車售價已經越來越貼近ICE車輛，電池的成本不再高不可攀。另外充電樁的普及與規格的統一/簡化也須持續推動，現階段混亂的現況可望慢慢改善。 車輛最重要的就是安全，電池包安全設計是無可妥協的重點，電池芯電壓狀態監測，避免過充電狀態產生，電池包在正常狀態使用下或是碰撞後的高壓安規監測都相當重要，避免危害人身安全；電池管理系統與電池包依照使用者的角度，在出貨前或是入料前檢驗都必須做嚴格控管，從原物料的入料檢驗、電池管理系統的功能檢驗、電池模組的組裝品質檢驗、電池包的功能檢驗都必須具備。 上述發展重點有許多要依靠半導體元件的控制與轉換功能，才能精準地達到技術要求並改善現有的諸多問題，因此電動車中半導體元件使用的數量將會持續增加，每輛車成本中半導體元件成本比重也相對提升，挑選有潛力的系統/技術投入，台灣的資通訊、精密機械或汽車零組件產業，依靠過去深厚的基礎，有機會進一步提升，並找到下一個百年的成長契機。

已經奔馳超過百年的內燃機(Internal Combustion Engine, ICE)車輛，最近幾年將出現產業發展的重大轉折，背後更是一場人類交通工具從內燃機轉換到電動馬達的革命。2019年3月，電動車領導廠商特斯拉(Tesla)宣布大幅降價，引發「特斯拉之亂」，深入觀察可以發現電動車即將進入高速成長階段，不僅許多新興新能源車廠殺進市場，傳統車廠電動車的量產計畫更是磨刀霍霍，特斯拉主動降價背後有其龐大的產業競爭壓力。 依照各國政府近年宣布的時程，最快5~6年後，全球各國家地區就將陸續進入電動車時代，由政策帶動淘汰燃油車，電動車成為主流已是定局。然而從技術發展角度來觀察，電動車三大系統：馬達、電池、電控，同時也還面臨不少問題須要克服，「天下大亂，形勢大好」面臨交通工具百年一遇的典範轉移，克服問題的同時，也有許多商機與產業機會應運而生，如何發現與掌握，該是關心此領域廠商最大的重點。 電動車主流勢不可擋 電動車趨勢已是眾望所歸。從整體汽車產業的發展來看，工研院產科國際所智慧車輛與系統研究部經理謝騄璘(圖1)指出，ICE車輛市場成長已接近飽和，2017年全球整車出貨成長率約3.1%，2018年僅1.6%，預計2021年左右純ICE將步上負成長之路(圖2)；反觀電動車2017年出貨量約310萬台，年成長率27.7%，2018年約370萬台(圖3)，年成長率18.3%，未來幾年將維持高度成長趨勢，2022年電動車總銷售量將跨越1,000萬門檻，並持續壓縮ICE車輛的發展。 圖1　工研院產科國際所智慧車輛與系統研究部經理謝騄璘指出，2022年電動車總銷售量將跨越1000萬門檻，並持續壓縮ICE車輛的發展。 圖2　2015~2030年全球車輛發展趨勢 資料來源：汽機車產業年鑑(2018)、Marketlines(2018)、F&S(2018)、McKinsey(2016)、工研院IEK Consulting Research(2018) 圖3　2008~2018年電動車發展趨勢 資料來源：Marketlines(2018) 、工研院IEK Consulting Research(2018) 因此，汽車巨擘德國福斯(VW)於2019年初高調宣布計畫在2028年前銷售2,200萬輛純電動汽車，相較2018年銷售4萬輛是個非常高的目標，並計畫於2025年推出超過50款純電動車型，到2028年將增至70款，2030年全球銷售量有40%都是電動車，促使龍頭車廠做出如此大規模的策略轉變，確實是因為電動車大浪來襲、勢不可擋。 過去幾年，在環境議題的發酵之下，電動車的發展相當依賴各國政府的政策驅動，歐盟在2018年12月17日通過協議，決定在2030年之前減少37.5%的汽車二氧化碳排放量，以2021年的碳排放目標為基準，在2030年時歐盟會員國必須減少37.5%的汽車碳排放量，貨車則須減少31%。在節能、減碳的大旗下，ICE車輛的發展空間越見壓縮，同時也為電動車與新能源車開闢了寬廣的發展大道。 而為了鼓勵消費者使用電動車，各國政府提出許多政策補助方案，如美國購買插電式電動車的消費者將獲得2,500美元至7,500美元的稅收抵免。另外，2018年中國取消續航力在100~150公里的電動車購車補助，而續航力400公里以上車款的補助，從4.4萬元人民幣提高到5萬元人民幣；2018年中國開始實施雙積分制，目的也是為了讓車廠更積極開發電動車和生產低汙染燃油車。英飛凌大中華區汽車電子事業處市場經理朱文斌(圖4)認為，從2019年中國車廠的布局來看，中、高續航里程的純電車的比重逐漸提高，同時插電式混合動力車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)由於可降低純電車的續航里程問題，更受市場的歡迎。 圖4　英飛凌大中華區汽車電子事業處市場經理朱文斌認為，從2019年中國車廠的布局來看，中、高續航里程的純電車的比重逐漸提高。 電動車技術/市場充滿挑戰 不過，未來幾年電動車的直接購車補助將會逐漸退場，謝騄璘表示，Tesla在美國已達20萬銷售門檻，前述減稅補助誘因將被政府收回，為免車價影響消費者購車意願遂主動大幅調降售價。然而從另外一個角度來觀察，電動車為什麼可以取代發展超過百年的內燃機車輛？從車輛基本的驅動與能量轉換效率來看，電動車捨棄引擎、變速箱等，改由馬達直接驅動，整體能量轉換效率由內燃機的20%~40%，提升到80%左右，沒有太多額外的能量被用在他處，也少了汽油車會有的震動(震動能)、噪音(震動能)、廢熱(熱能)與廢氣(化學能)。 從車輛產業的趨勢來看，朱文斌解釋，電動化、自動駕駛、聯網化是未來的發展重點，不過這三大趨勢不僅帶動車輛製造、生產的產業鏈變革，愈來愈多分析師紛紛預測，再過不到20年，許多消費者願意放棄車輛的「擁有權」，租賃共享、自動駕駛服務可能會成為未來使用交通工具的新風貌。車廠、產險公司皆在研議如何轉型，更有許多新型態的交通服務悄悄萌芽中。 然而，汽車產業鏈的解構再重組依然是現階段最容易觀察的部分，無論是車廠、電動汽車各個零組件廠商，還是半導體元件廠商都積極布局電動汽車產業的發展紅利。當然也面臨不少挑戰，朱文斌說，從消費者需求上來講，如何提高電池密度，提高行駛里程來解決續航力問題；在配套上，如何建立合理布局的充電網路，如何解決快速充電問題；從產業鏈方面，如何建立電動車的回收產業鏈(鋰電池回收)，使電動車產業更環保；從車廠來講，如何降低電動車的成本等，都是接下來的發展重點。 電池技術突破為續航力關鍵 電動車的馬達、電池、電控三大系統中，電池占了整車30%~40%的成本比重，電池效能占據電動車續航力的關鍵，過去電動車使用最為人所詬病的問題之一即是「里程焦慮」，由於充電設施不普級、電動車充電時間動輒數小時、鋰電池安全性/能量密度/容量等技術瓶頸，導致使用便利性不如ICE車輛，消費者僅能在市區短程、短時的應用中派上用場，不利長途與長時間行駛，降低消費者購買電動車意願。 電動車推動過程中，電池既然占有關鍵地位，但其技術改善又相對緩慢，造成多年來電動車產業發展的困境，Tesla是目前全球公認在這部分技術最前瞻的廠商，其市售車的續航力從300~600多公里，已能應付一般人每日長短程的用車需求。另外，中國電動車補助也往400公里的中高里程推動，目前電池與充電技術的改善與成本的降低，已到了能為市場接受的黃金交叉點。 電動車電池採用液態的鋰電池依然是主流，致茂電子電力電子量測系統產品部副課長林信宏表示，目前電動車主流的電池組為96串，車廠除了致力提升電池的能量密度與整體容量之外，安全性也是不容妥協的重點，鋰電池燃燒主要原因之一為電池芯過充電或短路，只要有電壓差、燃燒介質、氧氣，就會造成電池芯持續燃燒且難以撲滅，車輛安全與人命高度關連，所以電池安全性受重視的程度不亞於效能。 由於電池芯的燃燒特性，故在電池包設計上就必須將電池芯的狀態監控進行嚴謹的設計，林信宏強調，電動車電池管理系統(BMS)通常包括電流採樣單元(CSU)、電池芯監控線路(CSC)與電池管理單元(BMU)。電流採樣單元與電池芯監控線路將透過CANbus訊號將資訊傳給電池管理單元，再發出處理指令，相互運作。電池芯監控線路需要具有量測電池電壓的功能，防止電池芯進入過充狀態避免起火爆炸，透過設計電路避免電池過充電、過放電、過溫度等異常狀況出現。 同時由於電池包電壓超過安全電壓60V，為保護人身安全，各國法規或標準定義絕緣阻抗(Isolation Resistance)的要求；林信宏指出，電動車內之高壓電系統由於動能轉換裝置或其他電器裝置的影響，使高壓電路與車殼(電路系統參考電位)間無法完全斷開，為確保其間通過之電流不致於造成人員傷害，須確保高壓電系統及車殼間之絕緣阻抗大於規範值。其規定為：對於直流電匯流排處於工作電壓時應至少為100Ω/V，而交流電匯流排處於工作電壓時則至少為500Ω/V。 故在機構設計上必須符合此絕緣電阻要求，但電動車在使用過程中若發生碰撞等破壞結構因素，難以保證此要求，故在電池管理系統的電池管理單元上，必須具備絕緣電阻異常偵測，當絕緣電阻異常時，電池管理系統必須切斷電壓輸出，確保人員安全，常見作法有平衡電橋法、不平衡電橋法、低頻探測法。 半導體元件扮演效能改善要角 電池技術已經有越來越多廠商投入，除了在現有的高分子鋰聚合物電池之外，鋰固態電池、燃料電池與石墨烯電池等新電池、材料，也在如火如荼發展中，德國汽車工業協會主席馬蒂斯在2019年日內瓦國際車展開幕前表示，德國汽車產業將在未來三年投資近600億歐元在電動車和自動駕駛領域。其中，400多億歐元在電動車，相信極大比重是電池相關技術，也由於電動車受到高度矚目，吸引大量資金投資，必將帶動更多技術突破。 而相較於技術突破難度較高的電池，與電控或管理關聯度較高的半導體元件，技術改善難度低，尤其是半導體元件過去已廣泛應用在各個領域，車規半導體也已發展多年，針對電動車的需要進行改善，容易取得具體的成果，以電動車產業所帶動的龐大商機，對於半導體廠商自然有高度吸引力，朱文斌就認為，主逆變器、車載電源、車載充電器、電池管理系統市場會具有很好的成長性，而由於功率元件在這些換能子系統中處於核心位置，將帶動已經布局成熟的功率半導體元件廠商，主要是IGBT模組、分立式IGBT、MOSFET等功率半導體元件。 此外，恩智浦半導體大中華區汽車電子市場經理周翔也認為，上述系統中主要的半導體元件包括MCU、電池管理類比前端、電源晶片等前景極佳，安全更是選用半導體晶片時的關鍵：採用符合ISO 26262 ASIL-C/D的半導體元件和流程設計來規範與提高系統級安全。另一個考量重點則是高效率，透過採用碳化矽等新型高效功率元件，來提高能效比，以提升馬達性能延長續航里程。 半導體元件對電動車的整體效能改善幅度不若電池組，但卻是積小勝為大勝的範例，以近期熱門的48V系統來說，美商懷格(Vicor)台灣區總經理翁鴻裕(圖5)談到，48V系統可以應用在所有包括ICE車、油電混合車與電動車，不過新型電動車款也會同時導入ADAS系統，因此電控系統越來越多，電源管理的需求提升，以基本電學公式來看：功率(P)=電流(I)×電壓(V)，在功率不變的狀況下，電壓提升為傳統12伏的四倍，電流就會降低為1/4。 圖5　美商懷格台灣區總經理翁鴻裕談到，48V系統可以應用在所有包括ICE車、油電混合車與電動車的電路系統。 翁鴻裕進一步說明，電流變小整個傳輸電路安全性就會提高，因為損耗變小，傳輸產生的廢熱也是；從傳輸損耗的角度來看，電壓(V)=電流(I)×電阻(R)，所以功率(P)=電流2(I)×電阻(R)，傳輸阻值不變的狀況下，電流會進一步降為1/16。這也是一般電力傳輸都使用高壓電的原理，而過去電子系統內部傳輸使用12V電壓已久，為提升效率又兼顧電力安全性，業界認為48V是可以兩全其美又不用大幅調整架構的選擇，在車輛的電力傳輸與轉換架構上，48V系統因為效率改善，甚至可以達成省油或提升續航力的綜效。 打入電動車產業鏈黃金時期 從車輛系統的複雜度來看，謝騄璘比喻，若電動車為1、ICE車輛約為2.5、油電混合車輛為5，ICE系統複雜但是經過百年的發展，技術成熟而且體系完整，電動車系統雖然系統單純，畢竟發展時間尚短，而且許多電子架構導入車用系統的過程，包括環境耐受度、耐用性、抗干擾、安全系數等的要求都更高，最近幾年電動車關鍵零組件發展的重點應在此，能夠提出符合產業要求的產品、技術，就有機會切入電動車產業鏈並卡位。 對台灣廠商而言，過去ICE車輛產業鏈相當封閉，電動車等於為新進的廠商開了一扇門，不過汽車對於安全性的要求將越來越高，因此產業鏈在經過一段時間的重組以後，應該還是會走向穩定，對於台灣廠商來說，近年可說是最佳的切入時機。 因此，謝騄璘建議，台灣廠商可以在自身具備技術優勢的領域，投入如材料、系統整合、充電裝置相關的技術；汽車產業產品認證週期長，至少要設定3~5年紮馬步的時間；選擇進入車廠的OEM或經營售後市場，前者產品訂單會相對穩定，但毛利率較低，售後市場訂單不穩定，甚至要經營品牌，但利潤會較高，選擇適合自身優勢的方向堅定努力，或許可以開創一片新的藍海。

依據Freedonia Group研究報告預測，到2025年，美國智慧照明系統銷售額將可望達到44億美元(圖1)。智慧照明成長趨勢的三大驅動因素為，第一，更廣泛的智慧科技和物聯網市場的快速成長需求，包括智慧家庭裝置的興起、智慧城市基礎建設需求及非住宅樓宇自動化的普及等。第二，無線、遠端、語音控制等智慧照明方式，讓消費者容易了解智慧照明並產生興趣。第三，對於非住宅應用領域，節能是智慧照明最大特點之一。 圖1　美國智慧照明市場 智慧照明控制裝置，包括任何與光源或燈具分開的照明專用控制設備(例如中央照明系統控制箱等)，在2017年已經占智慧照明銷售總額的63%，市場前景十分看好。未來智慧照明應用領域，將分成非住宅與住宅應用。其中，非住宅應用的關鍵在於節能，將運用由感測器所組成的大型感測網路和智慧分析，大幅降低能耗。至於對普通用戶來說，智慧照明主要吸引力為其所帶來的便利性。未來所有的大樓設計，在初始興建時便整合智慧照明功能，進而更快速推動樓宇自動化和物聯網世界的來臨。 高效節能/維護便利是智慧照明控制系統主要優點 由於智慧照明控制系統的需求量很大，隨著LED技術的飛躍，燈光控制的重要性也越趨重要。未來的商業建築將以數位化(Digital)燈光控制來建構。除了因智慧照明控制可藉由轉換到LED技術，而降低能源消耗達30%~60％。且在轉換過程中，其額外投資成本可在2年內獲得回收。第二個原因在於除了節約能源之外，也大大減少操作維護工作量，而諸如故障情況、運行時數和能源消耗等運行參數，也都可為各別燈具集中存取。 因應智慧照明需求，在過去幾年中，協定數位化可定址照明介面(Digital Addressable Lighting Interface, DALI)已日漸風行。使用該匯流排系統，可減少安裝過程中的配線耗損，並且經由靈活組合照明器具，能將所有優點功能發揮得淋漓盡致。此外還具備其他功能特色，例如經由對照明場景的預先設定、可監測燈光、同步調節燈具的精確亮度，或控制照明器具等，以增強系統功能。 DALI的特色即為簡易布線和高度可靠性。除了原本用於供電的三條電線之外，僅須使用兩條額外的附加線，可延伸至300公尺通訊距離。接到安定器的連線也毋須考慮其極性，DALI每通道可支援最多64個安定器，且可區分為群組。每個通道最多可容許16個群組。 導入智慧照明　機場節能效果顯著 接下來以簡單智慧照明控制案例作為說明。以台達子公司LOYTEC為例，在2013年便於曼徹斯特機場第2航廈，利用恆光照明控制及人員偵測功能整合設置了一個現代化的DALI照明系統，之後更進一步延伸到機場第1和第3航廈公共區域(圖2)。 圖2　英國曼徹斯特機場節能成效照明十分卓越 節能第一步便是全面更換LED照明，節能降低六成。但再加裝L-DALI照明控制系統後，節能成效更加卓越。首先，在所有區域安裝L-DALI人員偵測/日光感測器，再搭配智慧場域處理器，一旦區域/閘道無人使用時，照明會自動關閉，並引用自然光來減少能耗。尤其主要特色在於2014年後整合機場航班訊息系統(Chroma)，使照明設定可以基於實際航班的變動狀況機動調整，達到照明效率的最大化，這樣照明控制技術，也遠超過於原本預設節能成效。最高可節省89%的能耗，三個航廈合計，一年相當於節省700萬度電。 此外，系統可提供個別照明裝置詳細的管理資訊，如安裝日期、調光水平、故障狀況以及整體能耗。系統所提供的資料，也成為曼徹斯特機場資產優化過程中的關鍵支援工具，而網頁介面也是管理者管理維護的最佳幫手。 靈活運用不同照明控制產品/控制策略實現節能目標 在上述案例中，L-DALI控制器是整個系統的核心。根據型號不同，L-DALI可控制多達4個DALI通道，這就意味著可控制總數多達256個燈具。內置DALI匯流排可為供電之用，更可節省控制櫃的成本和空間。此外，使用液晶顯示螢幕上的旋鈕即可進行簡單設置以及IP位址配置，並對連接的DALI通道進行簡易檢查，在現場端十分方便。更由於本機端所具操作功能，諸如更換故障DALI設備等維護任務，通常只需內部技術人員即可完成，毋須使用任何電腦設備(PC或筆記本電腦)。 L-DALI控制器整合照明應用(圖3)，俱已包含所有標準應用場景，包括人員偵測、恆照度控制、樓道燈控、排程控制等等。提供不同參數可允許靈活調配定制化的解決方案。更重要的是，可結合不同控制規畫，例如：可根據於一天中不同的時間需求來做不同的調整。控制器也負責監測DALI設備。如果設備出現故障或者回報錯誤，例如：燈泡故障，就會產生警報並予記錄。另外，能耗及作業時數也會列入計算。同時也納入其他控制器廣受歡迎的功能，諸如：警報、歷史趨勢、事件驅動的電子郵件等等，也都可供利用。 圖3　LOYTEC照明控制系統架構圖 除了控制器之外，照明應用的感測器和致動器也十分重要。所有的L-DALI感測器和致動器，都是經由DALI匯流排與L-DALI控制器相連接的。由於裝置可從DALI匯流排中取得電力，故毋須額外供電。 因此，布線不但容易且更具成本效益。LDALI-MS2多重感測器則可提供照度及恆光控制所需的人員偵測訊息。最大安裝高度5公尺，典型涵蓋面積38平方公尺(安裝高度3公尺)，對大多數應用場景而言，多重感測器十分具有成本效益。即使有任何特殊需求，諸如庫房需較高安裝高度，或任何其它指定需求，仍然無礙於其使用它大廠(歐司朗、飛利浦、泰邦HTS、銳高等等)的各種DALI感測器。 使用LDALI-BM2按鈕式耦合器，可以簡單、經濟、有效的整合自訂照明按鈕和開關到DALI系統之上。每具LDALI-BM2具有四個輸入。按鈕操作所觸發的動作則可以靈活的予以配置(調光、開/關、場景調用、變化色溫等等)。按鈕也可設定為手動覆寫任何自動操作。最後，LDAL-RM3繼電模組可被整合至非DALI燈具及其他L-DALI與燈具所共同控制的負載。典型的應用場景是廁所和盥洗室的風扇，或是分隔牆和根據現場需求而上拉或下移屏幕的驅動馬達。 此外，裝置調試可藉由一個網頁介面就完成(圖4)，無論該網頁介面是整合在控制器上或是整合在PC配置軟件上。後者還能夠讓使用者進行系統的離線預配置，所有照明應用的參數、群組任務、場景和連線的設置，皆可事先在辦公室內裡使用PC予以執行。因此，現場調試僅需針對實體裝置部份進行分派即可完成。各種設定精靈及使用者介面也會從客戶反饋中持續改善，降低維護時間及管理人力，因為，現場調試到最後往往僅能使用少量時間來進行(圖5)。 圖4　簡單的維護任務可在設備上直接執行 圖5　經由PC軟體或友善的網路介面進行裝置調試 此外，還可經由LWEB-802所提供的HTML5網頁使用者介面來操作。一旦實施自動操作的話，此類網頁為基礎的虛擬房間控制單元提供自動模式足可涵蓋基本功能，手動模式則可經由辦公室PC、平板、智慧手機操作，也可免除機械開關和觸控螢幕等配備成本(圖6)。對於較小的專案提供了網頁版等多種操作介面的選擇，然而較大的專案則仍建議採用中央主機電腦(例如LWEB-900)為佳，L-WEB應用程式可以直接常駐於L-DALI控制器中。 圖6　系統提供廣泛的操作介面選擇 可視化功能可以清楚顯示照明系統的狀態，而其參數、控制規畫及排程器則可輕鬆變更參數配置。當室內使用狀況發生變化，而須依據用電量及使用者舒適度進行調整時，此一特點也是極適用且重要的。系統發出的警報既可以在樓宇管理系統的前端進行顯示，也可以電子郵件發送。 系統參數均可儲存於歷史趨勢日誌，並使用於分析報告之中。而對系統相連接的DALI燈具狀態報告，以及監測燈具運行時數，方便計劃其維護週期。且在報表功能的幫助下，收集到的資料將以能耗報告、室內使用統計或維護列表的形式來加以呈現。系統內各層級皆具高效率備份及還原功能，無論是L-DALI控制器或DALI裝置，保證了系統具有高度可用性。一旦更換故障零件，原設置配置也可輕鬆以最後備份來進行還原。因此，這些任務僅需內部技師即可達成，又使得維護成本得以最小化。 支援多通訊/結合第三方系統　實現智慧照明整合 要實現智慧照明，控制器須提供樓宇自動化系統所有常用通訊介面，幫助連結其他系統。所有的數值和參數都可藉由如：BACnet、Lon-Mark、OPC和網頁服務等標準化協議予以存取。支援多種通訊協議也開拓了無數的可能性，包含： 1.照明系統可無縫整合到其他系統(如暖通空調，遮陽簾控制和存取控制)以及樓宇管理系統。例如多重感測器所提供訊息，也可以提供給自動化系統中其他不同的部分利用(如暖通空調和存取控制)。反之亦然，這項訊息也可由樓宇自動化系統的其他感測器或來源所提供(例如存取控制)。同樣的，連接到LDALI-BM2的按鈕也可用於控制其它子系統(如遮陽簾)，或者連接到I/O模組(BACnet、LonMark)的按鈕，或整合到照明應用中。 2.所有房間功能的可視化和操作，乃是藉由一致性的使用者介面來達成的，無論其使用的是網頁操作、觸控螢幕或樓宇管理系統的可視化應用，皆可任其自由運用。軟硬體資源共享不僅節省金錢，更顯著提高使用者滿意度。畢竟，應該沒有人會願意安裝好幾個不同的智慧手機應用程式來控制燈光和室溫。 3.DALI感測器訊息以及調光數值可在L-DALI控制器之間進行共享。因此，照明應用是可以跨越多個控制器來實現的。 總上所述，因應照明控制市場需求的爆發性成長，現今更換LED照明燈具已經基本節能策略，如何更上層樓，幫助業者針對其產業屬性來尋找更深入的節能潛力點，透過更多元、有效的不同照明控制方式及策略來做節能，藉以協助企業節省更多能耗成本及人力管理，仍是許多照明控制廠商的目標，希冀持續推廣智慧照明好處，讓智慧照明更上層樓。 (本文作者為LOYTEC產品經理Dipl.-Ing. Jörg Bröker，由台達樓宇自動化解決方案事業群行銷部編輯)

現今的嵌入式應用非常複雜，必須透過單個微控制器處理多個功能。這些應用要求增強系統的安全性、支援即時回應的最佳執行時間以及各個功能間的無縫同步。從具有整合功率因數校正的馬達控制到光強度處理，複雜應用必須在各個模組之間輕鬆切換。由處理器主導的定時和循序方案受固有延遲的影響，這種延遲始終無法準確預測。這種方法還占用了寶貴的CPU頻寬，導致其功能未得到充分利用，而透過卸載這些功能則可優化應用程式性能。 為此，半導體業者推出16位元dsPIC33數位訊號控制器(DSC)，當中的周邊觸發訊號產生器(Peripheral Trigger Generator, PTG)是核心獨立周邊(CIP)，可以協調複雜應用中功能的精確定時和排序，同時減輕CPU的負擔。本文介紹幾個範例，以展示PTG如何協助簡化時序關鍵應用(例如，採用功率因數校正的馬達控制、光強度控制或生成獨立於核心的恒定時鐘源。由於PTG與核心無關，因此可以在CPU休眠時完成此項工作以實現節能或專注於其他關鍵任務。 顧名思義，PTG是一個用戶可程式化的循序器，可生成具有複雜輸入訊號序列的觸發訊號，以協調其他晶片周邊的操作。使用PTG的應用會透過其他周邊，例如類比數位轉換器(ADC)、輸出比較(OC)、脈寬調變器(PWM)、計時器和中斷控制器共同執行此操作，以實現複雜的觸發和回應序列。PTG不僅降低了應用程式對核心的依賴性，還能單獨處理模組互動，有助於降低軟體複雜性及保持模組化。 PTG周邊支援8位元命令(稱為Step命令)。由一個4位命令程式碼和一個4位元選項欄位組成。這些命令定義了一系列事件，用於輸出觸發訊號到周邊。Step命令還可用於產生對核心的插斷要求。 DSC有效整合功率因數和控制馬達 在整合功率因數校正(PFC)和馬達控制應用中，單個DSC使用磁場定向控制(FOC)方案以及PFC轉換器控制永磁同步馬達。該應用需要三個PWM通道來控制馬達功能，另外還需要一個PWM來控制PFC操作。輸出比較(OC)周邊可用於增加應用可用的PWM通道數量，甚至會超出元件上可用的高速PWM通道數量。 可同時使用PWM周邊與OC周邊來產生馬達控制和PFC操作所需的訊號。但是，在PFC等應用中，執行時序非常重要，因此必須在最佳執行時間內完成各種任務。其中包括同步馬達控制和PFC PWM、觸發ADC進行轉換以及切換用於馬達控制的ADC通道和PFC回饋訊號。 使用PTG周邊可以有效地實現這些要求，PTG周邊可以同步高速PWM和OC周邊，並透過監視高速PWM周邊邊沿來產生ADC周邊觸發訊號。它還可監視「ADC轉換完成」中斷並產生適當的中斷，執行FOC和數位PFC控制程式碼；並減少了CPU干預，使周邊處理能獨立於核心來進行。這可降低應用的總體功耗，同時釋放CPU以執行更多關鍵功能。 選擇馬達控制和PFC PWM的開關頻率時應確保其為整數倍數。而dsPIC DSC中的ADC能夠進行四通道同步採樣；FOC和PFC演算法都有自己的類比頻道需要同時採樣，因為這些訊號的相位關係是實現有效控制的關鍵。 選擇馬達控制和PFC的回饋訊號時應確保可透過改變ADC通道選擇對馬達控制和PFC訊號進行採樣。在基於PWM邊沿觸發ADC之前，可將馬達控制和PFC訊號連接到採樣保持(S&H)電路。通道應配置為：在四通道採樣和轉換序列結束時，可從FOC或PFC各自對應的ADC緩衝暫存器中獲得其轉換結果。 在設置通道選擇位元以將PFC回饋訊號連接到ADC的採樣保持電路後，對於每個PFC PWM週期，都必須產生觸發訊號。同樣，對於每個馬達控制PWM週期，必須在設置通道選擇位以將馬達控制回饋訊號連接到ADC的S&H電路之後產生ADC觸發訊號。因此，將PTG周邊配置為透過監視馬達控制和PFC PWM脈衝的邊沿來產生ADC觸發訊號；此外，還會產生兩個PTG中斷來執行FOC和PFC的程式碼，如圖1所示。 圖1　使用PTG中斷執行程式碼 如本例所示，PTG透過有效地對ADC和PWM的使用進行排序來簡化實現，進而在一個dsPIC33元件中實現馬達控制和PFC。 PTG使照明控制更有效率 在光強度控制應用中，使用OC的PWM產生器可用於控制光的亮度。在此應用中，使用了兩個OC周邊，其工作週期由來自兩個獨立ADC通道的輸入控制。根據每個ADC值，更新工作週期。PTG周邊支援更簡單的同步ADC和OC周邊的方法。此外，PTG有助於避免周邊鎖死，以提高應用的安全性。 為了執行同步，電路首先會監視ADC並產生適當的中斷以改變OC工作週期。然後，它會在不干擾CPU的情況下改變ADC通道，因為PTG可以獨立完成此操作。作為額外的安全功能，在發生意外故障時，PTG周邊具有專用的看門狗計時器，用於監視和執行必要的糾正措施。該應用的框圖如圖2所示。 圖2　使用PTG的輸出比較工作週期控制 PTG周邊內的看門狗計時器將防止PTG在執行等待硬體觸發高電平-低電平狀態的命令時無限期地等待外部事件的情況。在此應用中，PTG將等待ADC轉換完成觸發訊號。啟動後，看門狗計時器會在命令執行開始時開始計數。命令完成執行時將禁止看門狗計時器。如果預期事件在看門狗計時器超時週期到期之前未到達，則PTG周邊將中止正在進行的失敗命令並停止定序器。然後，它會向CPU發出看門狗計時器錯誤中斷。 這可作為安全功能，用於從ADC或PTG周邊停止工作的情況中恢復。這些周邊可以在看門狗計時器錯誤中斷內重新初始化和重啟。PTG透過切換ADC通道和監控周邊使應用獨立於核心，而無需CPU周邊的干預。這樣一來，CPU便可以用於應用程式中的其他任務。另外，僅PTG將負責周邊內的所有互動，這有助於降低軟體複雜性並保持模組化；PTG周邊的看門狗計時器有助於從任何災難性故障中恢復，以提供更可靠的應用。 定頻率波形 PTG周邊可用於產生恒定頻率訊號，而此訊號還可用作時鐘源。PTG觸發用作遮罩輸入選擇的比較器。PTG的觸發脈衝寬度可以改變，PTG有自己的計時器，周邊觸發訊號也可用作運算放大器和比較器的遮罩輸入選擇，如圖3所示。 圖3　用戶可程式設計的遮罩功能 使用此功能，可以透過比較器周邊實現PTG輸出。比較器配置為：反相輸入接地，同相輸入連接至內部參考電壓。觸發脈衝將直接呈現為比較器輸出。只要PTG連續產生觸發訊號，比較器就會產生恒定頻率波形。波形的脈衝寬度將是PTG時鐘的一個週期。 開關時間可由PTG計時器和脈衝寬度位控制。輸出脈衝寬度將決定輸出波形的關斷時間，計時器將決定輸出波形的導通時間，即觸發比較器周邊之間的延遲。根據比較器輸出極性，開關時間將由計時器或脈衝寬度位控制。輸出頻率也可以由充當時鐘分頻器的暫存器控制。 透過改變比較器輸出極性，可以使用四個比較器周邊產生互補波形。可以使用脈衝寬度位修改脈衝寬度，以便降低輸出頻率。因此，可以使用PTG和比較器周邊產生恒定波形。在該應用中使用PTG的優點之一是輸出可以充當恒定時鐘源並且完全核心獨立運行。使用更多比較器周邊時，可以生成偶互補波形。PTG還可以在空閒和休眠等節能模式下工作。 憑藉Microchip的dsPIC33數位訊號控制器中的PTG周邊，用戶能夠設計複雜的應用序列，並為時序關鍵型或功耗關鍵型應用提供更高的靈活性。PTG可在幾乎沒有CPU中斷的情況下支援各種周邊彼此互動，並有助於增強現有周邊的功能，進而擴展任何既有周邊可以實現的功能。 使用PTG周邊可提供更快的回應速度並減少軟體負擔。周邊還提供內建功能(如專用的看門狗計時器)來提高功能安全性。 (本文作者為Microchip應用工程師)

物聯網(IoT)為我們帶來了更舒適，更方便，更安全的生活。適應我們需求的設備，電器甚至建築物的生活。目前，物聯網技術主要在消費市場取得進展，人們的智慧手機可作為用戶友好介面，用於智慧照明，家庭監控，智慧CO2/煙霧探測器，智慧加熱和通風，語音指揮助理等服務。 不過，物聯網的潛力遠遠超出了這些聰明的家用設備；隨著技術的成熟，人們開闢了無數新的可能性。除了嘗試以智慧家居為重點，以及打造以消費者為中心的物聯網應用之外，另一個更重要的步驟是創建更智慧的辦公樓，即不僅提供最高舒適度，而且提供最佳效能和安全性的建築。 使用物聯網技術監測建築物的使用方式，可以根據我們的確切需求設計辦公室，當房間裡沒有人時，直接自動停止空調運作及會議室使用。透過最新技術的物聯網感測器和雷達，建築物將能夠分辨出房間中有多少人，他們在哪里以及他們喜歡什麼樣的(工作)環境(溫度、照明等)。由於建築物占城市電力消耗的40%，安裝物聯網能力將有助於實現全球電力減少目標。 因此，多感測器環境監測平台相繼問世，結合了溫度、相對濕度、NO2、CO2、揮發性有機化合物(VOC)、顆粒物質、環境光、聲音、振動和存在檢測等感測器，適用於室內和室外空氣質量監測和控制，可用於智慧建築、智慧城市等。 實現智慧建築方案　硬軟結合勢在必行 因應上述趨勢，如今已能使用價格可負擔的技術，來檢測人們在房間中的情況，而不只是人們的確切數量，活動或確切位置。過去，感測器業者展示了基於雷達的各種人體運動分類，以及遠距呼吸和心跳檢測，這些監測仍然需要穿戴式設備，但未來雷達的技術可以從不同空間，並在距離數公尺處執行這些測量。 同時，該技術可以準確分析存在、移動和生命徵象，同時與當前搭配鏡頭配件的解決方案不同，更能保護個人隱私。然而，為了實現智慧建築，還需要更好的硬體來收集準確的數據，以及需要正確的演算法將數據轉化為知識。 如此便須要仰賴半導體業者或研究單位的內部專業知識，以做到上述兩點，進而支持整個智慧建築解決方案流程，例如從創建最佳感測器和雷達設計到開發最佳算法；同時還可在真實應用程序中使用真實的工件來證明設備功能。像是比利時微電子中心(imec)，其解決方案便結合了硬體和軟體功能，並在其HomeLab和OfficeLab等現實環境中進行測試，以在物聯網領域取得成功。 智慧建築技術可延伸至其他領域 事實上，用來實現未來智慧建築的大部分技術，在其他領域也很有用，以支持物聯網創新。例如因應5G通訊，半導體廠商開發了一些基本構建模組，包括類比數位轉換器(ADC)、可重配置的低噪聲頻率合成器、毫米波相控陣收發器，以及天線模組等。 此外，感測器供應商還開發用於在79GHz運行的自動駕駛汽車的雷達，例如適用於人和碰撞檢測。以imec為例，該單位旗下雷達提供的角分辨率增加10倍，而大批量生產的功耗卻降低了一半；imec還開發了新的物聯網通訊標準的知識產權，如NB-IoT和Cat-M1，支持廣域蜂窩物聯網；且對於短距離物聯網解決方案，其中許多無線電IC廣泛可用，該公司進一步將藍牙IC的面積以及成本減少了3倍，同時使用最小和最低成本的電池。 這個領域與其他imec研究的區別在於，物聯網項目具有極高的技術就緒指數(TRL)。例如，該公司的液體離子感測器目前作為開發套件進行採樣，以引導客戶，同時將製造知識轉移給工業合作夥伴。這種液體離子感測器特別有趣，因為它提供了許多不同的可能性。它可以同時檢測液體中的多種離子，使用壽命超過6個月。該感測器可用於許多不同領域，從監測水質到啤酒發酵過程的微調。總而言之。因應物聯網發展，這種以應用為導向的創新，成為半導體業者未來的主要發展方向。 智慧感測晶片三項新發展 未來環境將緩慢但漸進式地演變為「物聯網」，其中晶片和感測器無形地整合在環境中以承擔其多種任務。想像一下感測器可以檢測到個體的存在並相應地調整建築物中的光線，而節省大量能源；從某種意義上說，這些感測器將如同我們環境中的眼睛，耳朵和鼻子。 無處不在的感測器將在許多領域中脫穎而出。當然還有智慧建築、自動駕駛汽車、自動化工業和物流過程。感測器將有助於解決環境問題，如果能夠以細粒度的方式連續測量空氣和水的質量，並且可以集中收集數據，則可以採取更好的指導措施，並立即測量結果。 另外在醫療保健領域，也有很多機會。想像一下簡單的工具，如加權秤，血壓監測器，以及將數據安全地發送到雲端的心臟和活動監視器。在那裡，可以分析數據並成為指導患者過上更健康生活的新服務基礎；這種類型的連接醫療保健已經小規模應用於高風險患者，但隨著技術變得更加智慧和便宜，它可以提供更多服務。綜上所述，為實現更加智慧及萬物聯網的環境，感測器將會有三項發展趨勢。 感測器融合以獲得精細數據 首先一種可能性是感測器融合。運用許多不同的感測器測量相同的物理參數，例如人的心跳可用電、光學甚至聲學監測。透過組合感測器的結果並解釋結果，可以獲得穩健可靠的結果，還可以添加上下文感知。像是打造一個可「感覺」人已經開始睡覺的感測器，將這個結果傳達給第二個感測器，該感測器的任務是監視休息時的心臟；因此，一個感測器標誌著另一個感測器開始工作的理想時刻。 在ISSCC，Holst Center/imec的研究員Mario Konijnenburg提出了一些非凡的成果。他與同事開發了一種能夠同時測量多個身體參數的晶片，包含心電圖(ECG)、生物阻抗(BIO-Z，身體的電導率，揭示身體組織的成分)、電流皮膚反應(GSR，由於例如壓力引起的皮膚電性質的變化)和光電容積描記圖(PPG，由於光吸收變化導致的組織中血液循環的變化)。因為這些數據是在一個晶片上收集的，所以完全可以同步它們並尋找相關性。測量組合允許例如推斷心跳和心率變異的可靠方法，並且(相對)血壓可以通過解釋ECG和PPG測量來推斷。 晶片開始具備現場運算能力 來自感測器晶片的數據被無線發送到雲端(例如通過智慧手機或筆記型電腦)。在雲端中，數據被處理和分析。目前，無線鏈路使用感測器消耗80%的能量。因此，如果感測器必需更節能，應該發送更少的數據。這可以透過部分在地感測器上處理和解釋數據來完成，僅將結果發送到雲端。當然，晶片上的處理也會消耗能量，因此研究人員的部分任務是在晶片上處理和向雲端發送數據之間找到最佳平衡點。 同時，若是感測器必須進行更多的現場處理，則需要一個或多個額外的處理核心。先進晶片技術非常適合在非常小的晶片上整合更強大的處理能力。然而，要實現此一目標，需要為感測器增加模擬介面，但目前這些模擬介面並不能很好地擴展到最新的技術節點。 為此，imec研究員Rachit Mohan描述了一種用40nm CMOS製造的感測器讀出晶片。新晶片採用基於時間的技術，而不是傳統的基於電壓或功率的技術。這種基於時間的電路可以在較低的電源電壓下操作；此外，放大器鏈中向數位域的轉換要快得多，並且可以數位化進行濾波，這使得該技術在深度擴展的技術中實現具有吸引力，該技術還允許實現更強大的數據處理。 具自適應和壓縮採樣　感測晶片僅在需要時進行監控 另一種透過感測器的無線鏈路節省能量，並儘可能少地發送數據的技術是自適應和壓縮採樣。利用這種技術，訊號不會以固定的時間間隔進行測量和發送，而是根據被監測訊號的特性進行測量。 例如心電圖心臟監測，在ECG峰值時刻，要測量的訊息比峰值之間的間隔期間要多得多；結果，感測器可以在峰值期間以較短間隔對心臟訊號進行採樣，並且在其間以較長間隔對心臟訊號進行採樣。總而言之，將有一個可靠的ECG監測，測量點更少，發送的數據更少。 在ISSCC，imec研究員Pamela Venkata Rajesh展示了基於LED光和使用壓縮採樣的光電容積描記圖測量(PPG)的讀出晶片。PPG結果可以推斷心跳和心率變異性，它們是ECG監測的不錯選擇，因為其不需要在患者胸部使用電極。缺點是，感測器的LED燈照射在皮膚上需要額外的能量，這是小感測器晶片能量預算的嚴重消耗。因此，重要的是可以使用壓縮採樣進行測量，測量較少但更智慧的數據點。 物聯網技術前景佳　2030年布建成本將顯著降低 物聯網技術具有很大的前景，這一領域的研究正以驚人的速度發展。到2030年，智慧物聯網節點的成本可能會降至0.5美元以下。新的感測器將充斥市場，並將監控我們生活的各方面，從而產生大量新的應用和服務。 總結來說，透過感測器和聯網技術，建築物產生更多有用的數據，進而使半導體、系統整合業者可創建滿足各種需求的高度客製化空間。我們無法預測物聯網革命將改變哪個領域，但很難想像任何領域都不會受到影響。對於感測器供應業者而言，將會處於創新的最前線，而最初的重點是透過相關和領先的創新擴展智慧建築、智慧物聯網等戰略。