2014年05月30日09:37
【相關新聞】
日本Dynatech的自動剎車試驗系統，可模擬與過馬路行人同步及碰撞
豐田在2014年5月20日面向新聞媒體的說明會上，宣布與電裝、豐田中央研究所合作開發出了SiC功率半導體。在豐田指揮SiC功率半導體開發的豐田第3電子開發部部屬主任擔當部長濱田公守說：“我們要領先行業，率先（為量產車）配備（SiC功率半導體）。”
豐田的濱田介紹在量產車中配備SiC功率半導體的計劃
豐田計劃在2020年之前，為混合動力車等的動力控制單元（PCU）配備SiC功率半導體。將在今后1年內，開始試制車的公路行駛測試。2013年12月，已在廣瀨工廠（愛知縣豐田市）建設了SiC功率半導體專用試制開發生產線。
豐田為將配備於新一代汽車上的器件技術舉行說明會是異乎尋常的。由此可窺知，其對SiC功率半導體寄予的厚望，和要加快晶圓和工藝設備等周邊技術開發的強烈意願。
燃效可提高10％，PCU體積可縮小到1/5
SiC是以SiC（碳化硅）取代現行的Si（硅）材料的新一代功率半導體。SiC是介電擊穿強度大於Si的“寬禁帶半導體”的一種。其作為功率半導體材料與Si相比有多項優點。例如，SiC功率半導體的電力損失可減少到Si功率半導體的約1/10，驅動頻率可以提高到約10倍等。
這些優點能給汽車帶來莫大的好處。最近，1輛混合動力車使用的半導體換算成6英寸（150mm）晶圓已經超過了兩片。豐田表示，PCU用功率半導體佔到了其中的25％以上。結果是PCU用功率半導體的損耗約佔了混合動力車電力損耗的20％。
豐田認為，通過採用SiC功率半導體，混合動力車的燃效能夠提高約10％。具體來說，隻需把PCU配備的Si二極管置換成SiC二極管，將Si晶體管（IGBT：insulated gate bipolar transistor）置換成SiC MOSFET，就有望達到燃效提高10％的效果。
並且，利用能提高驅動頻率的優勢，還可以大幅縮小PCU的體積。因為若驅動頻率提高，則電感器、電容器等佔PCU體積約40％的被動元件將可以實現小型化。豐田還提出了積極的計劃，表示將來要使PCU的體積縮小到現在的約1/5。
配備Si功率半導體的現行PCU（右）與採用SiC功率半導體后力爭實現的尺寸（左）
課題是降低成本
SiC功率半導體在家電、鐵路、工業設備等領域開始投入實用。三菱電機領先業界為家電了配備SiC功率半導體：在2010年為空調配備了SiC二極管。其2011年投產了鐵路車輛用SiC二極管，2012年由東京地鐵銀座線車輛所採用。
豐田等三家公司合作開發的集成SiC晶體管的4英寸（100mm）晶圓（左）與集成了SiC二極管的4英寸晶圓（右）
相對於這些應用，汽車從兩個意義上都可謂是SiC功率半導體的“主軸”：第一是市場規模大，產業覆蓋面廣。第二是技術門檻高於其他應用。
關於第二點，豐田自己也承認，要在量產車上配備就必須攻克降低成本等課題。由SiC晶圓的大口徑化降低成本就是其中一個方法。豐田此次使用4英寸（100mm）晶圓試制了SiC功率半導體，量產階段准備採用6英寸晶圓。除了成本之外，要為混合動力車的心臟部分採用SiC等新材料，確保長期可靠性也將成為一個重大課題。
不管怎麼說，豐田此次異乎尋常的發布無疑將會加快車載SiC功率半導體技術的開發。（作者：大下 淳一，日經技術在線！供稿）
