2014年05月28日09:06
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豐田2014年5月20日宣布，與電裝和豐田中央研究所共同開發出了SiC功率半導體。計劃在今后一年內配備開發品的試制車開始公路實驗，預定2020年量產使用SiC功率半導體的車輛。
圖片來自豐田
SiC功率半導體使用SiC（碳化硅）替代功率半導體常用的材料硅（Si）。本文將根據豐田在說明會上使用的資料介紹SiC功率半導體的特點。從1980年代起，豐田旗下的豐田中央研究所就開始和電裝共同推進SiC的研究，豐田總公司從2007年開始也參與到開發中。
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| 豐田、電裝及豐田中央研究所共同開發的SiC功率晶體管（左）和SiC功率二極管的晶圓（攝影：豐田） |
損耗中有20％是功率半導體造成的
功率半導體配備在控制汽車的驅動馬達等的大電流的功率控制單元（PCU）上。有控制電流導通/截止的晶體管和僅單向通電進行整流的二極管，與電容器等無源器件共同構成了PCU。PCU通過電池向馬達提供適當的電流，減速時將再生能量存儲到電池中。
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功率半導體會影響混合動力車的燃效，其原因是，損耗中大約20％都來源於功率半導體的損耗。因此，豐田通過自主開發功率半導體提高了車輛的效率，現行“普銳斯”的損耗降到了第一代“普銳斯”的1/4。
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為了進一步降低損耗，豐田計劃採用SiC功率半導體。SiC是硅（Si）和碳（C）的化合物，將其用於功率半導體時，損耗可降至1/10，驅動頻率可提高到10倍，還能在250℃的高溫下工作。
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目標是使燃效提高10％以上
功率半導體的損耗包括穩定通電時產生的恆定損耗和電流導通/截止切換時產生的開關損耗。SiC功率半導體在這兩方面都優於Si功率半導體。其中，由於SiC功率晶體管在關斷后可立即切斷電流，因此能降低開關損耗。而現有Si功率晶體管在關斷后的一段時間內仍會流過電流（尾電流）。由於有尾電流，因此每次通斷都會產生損耗。豐田的目標是，通過採用SiC功率半導體將燃效提高10％以上。
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SiC功率半導體可消除尾電流，因此，即使高速開關損耗也不會增加，還有助於PCU的小型化。而Si功率半導體方面，由於尾電流造成的開關損耗會隨著開關次數而增加，因此高速開關會導致損耗增加，所以無法實現高速開關。
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採用SiC功率半導體並高速開關時，由於能減少一個開關周期裡存儲的電量（電容），因此能縮小電容器和電感器（線圈）的尺寸。電容器的體積約佔PCU的4成。因此，豐田提出了將PCU的體積縮小至原來的1/5的目標。
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| 圖片來自豐田 |
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| 圖片來自豐田 |
在廣瀨工廠新設SiC專用生產線
雖然具備出色的特性，但SiC功率半導體並未被用於混合動力車，這是因為，SiC晶圓的品質還有待提高，而且難以實現容易降低成本的器件結構。最近，SiC晶圓的品質有所提高，合格率得到改善，開始被家電、電氣化列車和光伏發電系統的逆變器等採用。
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| 圖片來自豐田 |
不過，由於以前沒有開發出容易縮小芯片面積的溝道型器件，因此成本一直很高。而豐田此次開發出了溝道型SiC功率晶體管。豐田已經在實施半導體開發的廣瀨工廠設置了SiC功率半導體專用開發生產線。該公司確認了與SiC功率半導體的品質和成本有關的要素，隨著半導體廠商推進SiC功率半導體的量產，低成本化值得期待。（作者：三宅 常之，日經技術在線！供稿）
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