丰田推出采用碳化硅功率半导体的PCU

盖世汽车讯 5月20日，丰田汽车宣布，联合子公司电装和丰田中央研究所，共同开发出新的碳化硅（SiC）功率半导体材料，能够用于汽车动力控制器件，可提升混合动力车燃油经济性10%。

有望提升燃效10%

丰田和电装准备将这种新款功率半导体材料用于动力控制单元（Power Control Unit，简称PCU），控制混合动力车的电动马达驱动力。一年之内，丰田将安排采用新半导体的混动车在公路上进行行驶测试。

与当前的硅材料功率半导体相比，丰田准备通过碳化硅功率半导体的应用，将混动车燃油经济性提升10%，同时将PCU的体积减小20%。目前在测试中已经实现5%的燃效提升，有望在2020年前后将该材料投入商业化应用，但迄今成本仍然是最大的障碍。

PCU对于混动车而言举足轻重，连接了电池、马达、发电机，调控能量的走向与分配；在行驶时将电池电力供给马达，对车速进行控制，同时在减速时利用电力向电池充电。不过，PCU也占据了混动车电能损耗的四分之一，其中大部分来自于功率模块的功率半导体。这意味着整个混动车的电能损耗有接近20%来自于功率半导体，而功率半导体也顺理成章变为降耗重点。

与常见的半导体材料硅相比，碳化硅更有利于提高效率。这种材料在通电状态下电阻较低，电流开闭/切换时能量损失较小。即便进行高频化也可以使电流高效地流动。线圈和电容占据PCU大约40%体积，碳化硅功率半导体可以将这些体积进行缩减，甚至将PCU体积在当前基础上降低五分之一。

左：硅功率半导体PCU。右：碳化硅功率半导体PCU

从20世纪80年代起，丰田中央研究所与电装就开始进行功率半导体新材料的基础研究。2007年，丰田汽车参与研发。1997年第一代普锐斯上市，丰田从那时起就一直在开展功率半导体的自主开发工作，目的是降低混动车油耗。

最近，丰田将三家公司共同开发的碳化硅功率半导体（二极管和晶体管）用于PCU，并用于混动车试验车上。按照JC08工况，在试车场中使用碳化硅功率半导体的混动车能够降低油耗5%以上。

2013年12月，丰田还在研发并生产电子控制装置及半导体等的日本广濑工厂内部，建设了用于开发碳化硅专用半导体的洁净室。对于丰田而言，提高功率半导体的效率，业已和改进发动机及车辆空气动力学性能一样重要。

不过丰田高管表示，迄今成本仍然是最大的障碍，同时技术上也存在壁垒需要攻破。

左：硅功率半导体PCU晶元（晶体管）。右：碳化硅功率半导体PCU截面晶元（晶体管）