2014年05月28日09:06
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丰田2014年5月20日宣布，与电装和丰田中央研究所共同开发出了SiC功率半导体。计划在今后一年内配备开发品的试制车开始公路实验，预定2020年量产使用SiC功率半导体的车辆。
图片来自丰田
SiC功率半导体使用SiC（碳化硅）替代功率半导体常用的材料硅（Si）。本文将根据丰田在说明会上使用的资料介绍SiC功率半导体的特点。从1980年代起，丰田旗下的丰田中央研究所就开始和电装共同推进SiC的研究，丰田总公司从2007年开始也参与到开发中。
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| 丰田、电装及丰田中央研究所共同开发的SiC功率晶体管（左）和SiC功率二极管的晶圆（摄影：丰田） |
损耗中有20％是功率半导体造成的
功率半导体配备在控制汽车的驱动马达等的大电流的功率控制单元（PCU）上。有控制电流导通/截止的晶体管和仅单向通电进行整流的二极管，与电容器等无源器件共同构成了PCU。PCU通过电池向马达提供适当的电流，减速时将再生能量存储到电池中。
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| 图片来自丰田 |
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功率半导体会影响混合动力车的燃效，其原因是，损耗中大约20％都来源于功率半导体的损耗。因此，丰田通过自主开发功率半导体提高了车辆的效率，现行“普锐斯”的损耗降到了第一代“普锐斯”的1/4。
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为了进一步降低损耗，丰田计划采用SiC功率半导体。SiC是硅（Si）和碳（C）的化合物，将其用于功率半导体时，损耗可降至1/10，驱动频率可提高到10倍，还能在250℃的高温下工作。
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目标是使燃效提高10％以上
功率半导体的损耗包括稳定通电时产生的恒定损耗和电流导通/截止切换时产生的开关损耗。SiC功率半导体在这两方面都优于Si功率半导体。其中，由于SiC功率晶体管在关断后可立即切断电流，因此能降低开关损耗。而现有Si功率晶体管在关断后的一段时间内仍会流过电流（尾电流）。由于有尾电流，因此每次通断都会产生损耗。丰田的目标是，通过采用SiC功率半导体将燃效提高10％以上。
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SiC功率半导体可消除尾电流，因此，即使高速开关损耗也不会增加，还有助于PCU的小型化。而Si功率半导体方面，由于尾电流造成的开关损耗会随着开关次数而增加，因此高速开关会导致损耗增加，所以无法实现高速开关。
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采用SiC功率半导体并高速开关时，由于能减少一个开关周期里存储的电量（电容），因此能缩小电容器和电感器（线圈）的尺寸。电容器的体积约占PCU的4成。因此，丰田提出了将PCU的体积缩小至原来的1/5的目标。
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| 图片来自丰田 |
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在广濑工厂新设SiC专用生产线
虽然具备出色的特性，但SiC功率半导体并未被用于混合动力车，这是因为，SiC晶圆的品质还有待提高，而且难以实现容易降低成本的器件结构。最近，SiC晶圆的品质有所提高，合格率得到改善，开始被家电、电气化列车和光伏发电系统的逆变器等采用。
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| 图片来自丰田 |
不过，由于以前没有开发出容易缩小芯片面积的沟道型器件，因此成本一直很高。而丰田此次开发出了沟道型SiC功率晶体管。丰田已经在实施半导体开发的广濑工厂设置了SiC功率半导体专用开发生产线。该公司确认了与SiC功率半导体的品质和成本有关的要素，随着半导体厂商推进SiC功率半导体的量产，低成本化值得期待。（作者：三宅 常之，日经技术在线！供稿）
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