電動車裡有哪些半導體？主要晶片與各自的功能

生活中的例子：安靜起步的車

電動車沒有引擎聲，起步很安靜。放開油門，就算不踩煞車，速度也會順順地降下來。可以在家充電，也是和燃油車不同的地方。

這些動作，都由半導體晶片負責。燃油車裡也有很多用來控制的微控制器（「微控制器（MCU）是什麼？」）。電動車（這裡指只靠電池行駛的車）用電來產生行駛的力量。因此，還要加上處理大量電力的晶片。

電動車裡的「地圖」

下面的圖，是畫出電動車主要電氣零件和連接方式的示意圖。零件怎麼劃分、放在哪裡，每家車廠和車款都不同。

下表整理各零件的主要晶片。表中的名詞，後面會依序說明。IC（積體電路晶片）的原理，請見「積體電路（IC）是什麼？」。

電池組：許多電芯，和監控它們的晶片

電動車的電池組裡，排列著許多鋰離子電池的小單位。每一個單位稱為電芯。1個電芯的電壓約3.7伏特（「鋰電池是什麼？」）。

要做出數百伏特，就把許多電芯接成一列。這稱為串聯，電壓會相加。例如把96個電芯串聯，約是355伏特（本站的計算）。

每個電芯都有可以使用的電壓範圍。充電超過上限，或用得太多，電芯會受損，甚至變得危險。可是，串聯的電芯剩下的電量，會一點一點出現落差。只要有1個電芯到達上限，就必須停止整組的充電。

因此，要用細細量測電芯電壓和溫度的晶片，也就是電池監控IC。例如Texas Instruments的車用型號BQ79616-Q1，1顆最多能量測16個電芯。96個電芯的話，算起來要用6顆晶片監控（本站的計算）。

把剩餘電量的落差拉齊，也是這種晶片的工作。它會讓電量較多的電芯放掉一點點電，和其他電芯對齊。這稱為電芯平衡。

量到的數值，會像串珠一樣，一顆晶片接一顆晶片傳下去（菊鏈）。不過，頭尾兩端的電芯，電壓相差可達數百伏特。所以不直接接通電，只傳遞訊號。這稱為隔離，這個型號是在中間夾入電容或變壓器。

根據收集到的數值，計算剩餘電量和可以輸出多少電力的，是微控制器。這整套管理機制，稱為BMS（電池管理系統）。

逆變器和馬達：產生行駛的力量

逆變器把電池的直流電，重新做成讓馬達轉動的交流電。原理已在「逆變器（變頻器）是什麼？」說明，這裡來看裡面的晶片。

核心是讓大電流快速導通、關斷的開關。電動車主要使用矽的IGBT，或SiC（碳化矽）的MOSFET。兩者都是功率半導體的一種，差異整理在「IGBT與功率MOSFET的差異」。

用3條線接收電力的馬達，基本上需要6個開關。通常1顆晶片承受不了這麼大的電流，所以會把好幾顆相同功能的晶片並排使用。根據2018年的拆解調查，特斯拉「Model 3」的逆變器裡有24個SiC零件（「碳化矽（SiC）是什麼？」）。

功率半導體無法直接用微控制器的訊號驅動。因為控制開關導通、關斷的電極（閘極），需要用較大的電流快速操作。負責這件事的晶片，稱為閘極驅動器。電動車用的閘極驅動器，會把微控制器側和開關的高電壓側隔離（TI的說明）。

計算何時打開哪個開關的，是微控制器。依據的是流進馬達的電流和轉動的角度，各有量測它們的感測器（Allegro的說明）。電流感測器常用霍爾元件等，量測電流產生的磁力。

再生煞車：一邊減速一邊發電

電動車放開油門時，速度會下降，同時電會回到電池。這稱為再生煞車（也稱動能回收）。

馬達通電就會轉動。反過來，從外面轉動它的軸，就會產生電。這和發電機的作用相同。行駛中的車有慣性，所以放開油門後，車輪仍會繼續帶動馬達的軸。

這時，逆變器改變開關的切換方式，讓馬達發電。一發電，馬達的軸就變得難轉。這種「難轉」就是讓車減速的力量。產生的交流電，由逆變器轉回直流電，存進電池。同樣的功率半導體，在去程和回程兩個方向都在工作。

並不是任何時候都能再生同樣多的電。日產Leaf的車主手冊寫到，電池充飽時，會自動減弱再生。電池溫度過高或過低時也一樣。兩者都是為了不讓電池受損，減少的部分由一般煞車（摩擦煞車）負責。

充電的路徑：車載充電器和快速充電

從家裡或一般充電站送到車上的，是交流電。電池能儲存的是直流電，所以要在車內把交流電轉成直流電。根據Bosch的名詞解說，這個裝置稱為車載充電器（OBC）。

車載充電器裡也有功率半導體在工作。它把交流電整理成單一方向的流動，再調整成適合電池的電壓和電流。流程和手機充電器相似，只是處理的電力大得多（「充電器怎麼把插座的電變成5 V？」）。根據ROHM的資料，這裡也使用SiC的二極體和MOSFET。

快速充電時，交流轉直流的工作由充電站裡的大型裝置負責。送到車上的是直流電，不經過車載充電器，直接進入電池。

12伏特的世界與DC-DC 轉換器

電動車裡也有很多和燃油車一樣用12伏特運作的零件，例如車燈、相機和許多控制裝置（Panasonic的說明）。

因此，車上裝有把電池的數百伏特降到12伏特的裝置。把直流電壓轉換成另一種大小直流電壓的電路，稱為DC-DC 轉換器。裡面讓功率半導體快速導通、關斷，藉此降低電壓。

許多電動車也裝有12伏特的小電池（如鉛酸電池），由DC-DC 轉換器替它充電。為了安全，高電壓側和12伏特側是隔離的（Bosch的產品資訊）。

輔助駕駛的晶片：相機、雷達、SoC

偏離車道時發出警示、和前車保持距離等功能，稱為ADAS（先進駕駛輔助系統）。燃油車上也很普遍。

負責看周圍的，是相機的CMOS 影像感測器（「影像感測器是什麼？」），以及用電波測距離的雷達。從看到的畫面分辨出人和車的運算，由整合了CPU和AI用電路的大型晶片負責，也就是SoC（系統單晶片）。

400伏特與800伏特：對晶片來說有什麼不同？

多數電動車的電池是400伏特等級（Bosch的名詞解說）。2019年推出的保時捷「Taycan」，是第一款使用800伏特的量產車（保時捷的發表）。現代汽車（Hyundai）也在2020年12月，發表了支援800伏特快速充電的電動車專用平台。

提高電壓，是因為可以減少電流。電每秒運送的能量稱為電力，由電壓乘以電流決定。同樣是200千瓦，400伏特需要500安培，800伏特只要一半的250安培（本站的計算）。

電流減半時，如果是同樣的電線，變成熱的部分約為4分之1。因為變成熱的部分，和電流乘2次的值成正比（本站的計算，已簡化）。所以電線容易做細，快速充電時也容易接收較大的電力（Bosch的名詞解說）。

對晶片來說，差別在於必須承受的電壓。零件能承受而不損壞的電壓，稱為耐壓。電池電壓會隨充電狀態上下變動，開關關斷的瞬間還會暫時跳高。因此一般會選用耐壓比電池電壓高很多的零件。400伏特等級的車，大約用650～750伏特等級；800伏特等級的車，大約用1,200伏特等級（零件廠商的資料）。

在1,200伏特等級，SiC MOSFET比矽的IGBT更有優勢。例如Infineon在2021年，推出了用於800伏特車款的1,200伏特SiC零件。

為什麼電動車的半導體比較多

燃油車行駛的力量來自燃燒汽油，電主要用在車燈和控制裝置。電動車行駛的力量本身就是電。足以推動整輛車的大電力，要通過逆變器的開關，而開關每秒切換數千～數萬次。

而且，轉換電力形式的地方有好幾處：逆變器、車載充電器、DC-DC 轉換器。每一處都需要功率半導體、閘極驅動器，以及控制它們的微控制器。

根據顧問公司P3的分析（2022年的報導），電動車1輛的半導體約1,300個，燃油車約600個。差距大多在行駛用的部分（驅動系統），電動車約600個，燃油車約300個。

金額方面，有德國半導體廠商Infineon的估計。2025年每輛車，燃油車約750美元，電動車約1,400美元（該公司的投資人簡報）。數量和金額，調查的公司和年份都不同。即使如此，兩者都顯示電動車是燃油車的2倍左右。

耐熱、耐寒、耐振動：車用晶片的耐用性

車用晶片要在冬天的寒冷、夏天的烈日、馬達旁的高熱和行駛的振動中，持續工作好幾年。散熱的方法，請見「晶片怎麼散熱？」。

因此，車用晶片要先確認通過規定的測試才能使用。具代表性的測試標準，是美國汽車電子協會（AEC）的AEC-Q100。簡單來說，就是確認「能否長期承受車內的冷熱和濕氣」的規定。對象是微控制器等IC，功率半導體這類分離式零件另有標準（AEC-Q101）。

測試時，會反覆升溫降溫，或在高溫下長時間運作，確認有沒有弱點。可使用的環境溫度有「等級」，例如等級1是−40～125℃。

數量多，也讓品質要求更嚴格。假設100萬顆晶片中只有1顆不良。每輛用1,300顆晶片的電動車做100萬輛，算起來約有1,300輛會裝到不良晶片（本站的假設計算）。

因此汽車業以零不良為目標，結合設計餘裕、製造管理，以及剔除可疑晶片的檢查。這種想法稱為零缺陷。

也需要讓故障時不會變危險的設計，例如發現異常時，讓車進入安全狀態的機制。這種想法稱為功能安全，汽車用的國際標準是ISO 26262。

常見的誤解

從數字來看

金額和數量，請當作調查當時的估計來看。

進一步學習

• 用表格看差異：Si與SiC功率半導體的差異、轉換器與逆變器的差異、CAN、LIN、車用乙太網路的差異（連接控制裝置的線路）
• 下一步的名詞：ECU（電子控制單元）、ASIL（車用安全完整性等級）、區域架構、溫度循環試驗
• 用數字試試看：接面溫度計算工具（損耗與晶片溫度）、DC-DC轉換器計算工具
• 相關文章：「碳化矽（SiC）是什麼？」「晶片短缺為什麼會發生？」