盡管道路運(yùn)輸?shù)碾姎饣呀?jīng)改善了能效的整體格局，但混合動力汽車與電動汽車在輸入與輸出端的能量差距一直很大，這說明以硅為基礎(chǔ)的電力電子部件還是會導(dǎo)致巨大的能量損失。

現(xiàn)在拿混合動力汽車的電子控制單元（PCU）為例子來說明問題。PCU用來管理自電池流向速度控制電機(jī)的電流，它還將剎車產(chǎn)生的能量回收并送回電池儲存。而如果通過硅動力晶體管和二極管的強(qiáng)電流和高壓的比例調(diào)校很好的話，這中間散發(fā)的熱量大約占車子電能損失的四分之一。但這個比例就已經(jīng)是與電子半導(dǎo)體自身有關(guān)的能量損失的大約五分之一了。

PCU以及其他的電子部件遭受兩種運(yùn)行中的能量損失，有些發(fā)生在傳導(dǎo)過程中，但多數(shù)損失是由于機(jī)器的開關(guān)而造成的。

自從豐田公司的工程師在上世紀(jì)九十年代后期研發(fā)成功該公司的第一款普銳斯混合動力轎車以來，他們就一直在尋找更加節(jié)能的電力電子器件，他們希望這樣的器件能夠棲身于新的、能量損失更少的半導(dǎo)體，但是這樣的設(shè)想要幾十年的時間才能成為現(xiàn)實(shí)。

從硅到碳化硅

但最近豐田公司稱，該公司開始將其PCU中以硅為基礎(chǔ)的耗能的集成電路芯片改換成更加節(jié)能的碳化硅部件。而碳化硅是硅的表兄弟。這些下一代電子件的運(yùn)行溫度、電壓和開關(guān)頻率都更高，也就是說它們的能量損失更少、性能和能效更高。

豐田公司宣布，采用碳化硅的電力電子部件可將混合動力汽車的燃料效率提高百分之十。

碳化硅基的集成電路的電能損失只是傳統(tǒng)硅部件的十分之一，而驅(qū)動頻率要高出十倍。采用這項(xiàng)技術(shù)可將未來的PCU的體積縮小五分之四。

碳化硅電力電子件可用于插電式混合動力和電動汽車的電池充電器、動力總成系統(tǒng)，以及變頻器和直流與直流電壓的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

豐田公司的中心研發(fā)實(shí)驗(yàn)室自從上世紀(jì)八十年代早期即與電裝公司攜手研發(fā)碳化硅半導(dǎo)體部件，而后者是豐田集團(tuán)最大的零部件供應(yīng)商。近年來，電裝公司已經(jīng)展示了10.2厘米和15.2厘米直徑的高品質(zhì)結(jié)晶碳化硅的晶片，而這種晶片是自然界最堅硬的物質(zhì)之一。該公司的一份文件稱，這些昂貴的晶片因?yàn)槠涮沾砂愕挠捕群湍透邷匦阅芏茈y加工。

碳化硅電子半導(dǎo)體部件的開關(guān)能耗更小，因此支持更高使用頻率下的有效電流。此種特性使得工程師可以縮小線圈和電容器的體積，而線圈和電容器占現(xiàn)有PCU大約百分之四十的體積。

電裝的專家正在優(yōu)化結(jié)晶法，致力于確立穩(wěn)定高產(chǎn)的加工工序，來批量生產(chǎn)體積更大的高品質(zhì)碳化硅晶片。

高效的電力芯片

于最近亮相2014年橫濱汽車工程展的這種新型半導(dǎo)體電力芯片是只有五平方毫米的碳化硅晶體管和六平方毫米的碳化硅二極管。這些集成電路的設(shè)計借鑒了硅能量芯片的溝槽芯片結(jié)構(gòu)與垂直埋柵電極。

豐田公司宣稱，該公司采用這種芯片新技術(shù)已經(jīng)成功地將測試車（JC08測試循環(huán)）的燃油經(jīng)濟(jì)性提高了百分之五，并且有望于一年內(nèi)在日本的民用道路上開始測試原型車。去年的12月份，該公司在其廣瀨工廠為這種新產(chǎn)品騰出了一個車間，這個研發(fā)車間是專為碳化硅半導(dǎo)體而設(shè)置的。

豐田公司人士稱，該公司的宗旨是通過大規(guī)模生產(chǎn)，將應(yīng)用于混合動力汽車的碳化硅芯片的成本降到現(xiàn)有的硅半導(dǎo)體的水平。具體目標(biāo)是到2020年將該技術(shù)商業(yè)化。

寬帶隙半導(dǎo)體

硅半導(dǎo)體在電力電子部件上的應(yīng)用正面臨著新型寬帶隙半導(dǎo)體的壓力，如碳化硅以及高速而又昂貴的砷化鎵。

“寬帶隙”這個詞系指使得電子跳離原子并通過介質(zhì)開始導(dǎo)電所需的總能量。眾多導(dǎo)電體如銅就沒有帶隙，因此成為很好的導(dǎo)體。硅基半導(dǎo)體的帶隙很小，而多數(shù)絕緣材料的帶隙都非常寬。帶隙寬的半導(dǎo)體使得電子設(shè)備可以承受高電壓帶來的熱量和高頻次的開關(guān)機(jī)。

到目前為止，碳化硅的商業(yè)化受限于需要從極硬和耐高溫的陶瓷中剔除晶體缺陷。雖說氮化處理似乎已經(jīng)取得了效果，但除了晶體質(zhì)量之外，碳化硅和二氧化硅之間的銜接也已經(jīng)放緩了碳化硅基的電力金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFETs）的發(fā)展。據(jù)說，新型碳化硅芯片是強(qiáng)勁而可靠的。

成長中的供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)

采用新型芯片的最大障礙是畸高的成本。在香港注冊的IMS市場研究公司（隸屬于IHS）在2013年進(jìn)行的一項(xiàng)分析表明，碳化硅基的MOSFETs的成本比硅基的要高10到15倍。該報告稱，除了工藝問題外，汽車行業(yè)之所以還在猶豫是因?yàn)閺墓柁D(zhuǎn)換成碳化硅并不簡單。然而，IMS公司的研究報告預(yù)計，碳化硅PCU在混合動力和電動車領(lǐng)域的銷售會在2016年開始上升，并會在2022年形成二億美元的市場。

其他碳化硅部件制造商和開發(fā)商還有Cree公司、丹佛斯、仙童、富士電機(jī)、GeneSiC半導(dǎo)體、全球電力設(shè)備有限公司、英飛凌、Microsemi、三菱電機(jī)、羅姆半導(dǎo)體、瑞薩、賽米控、意法半導(dǎo)體、美碳化硅公司以及Vincotech。

低效的電力電子器件的問題并非僅僅限于汽車行業(yè)。美國能源部預(yù)測，到2030年電力電子部件會消耗掉驚人的百分之八十的總電能。

今年一月，美國能源部資助的寬帶隙半導(dǎo)體研發(fā)中心“下一代電力電子國家制造業(yè)創(chuàng)新研究所”于美國北卡羅來納州立大學(xué)成立。該研究所由企業(yè)和大學(xué)組成的財團(tuán)資助，擁有授權(quán)開發(fā)“下一代高效節(jié)能的大功率電子芯片和器件，在五年內(nèi)使得寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)的成本可與目前的硅基電力電子技術(shù)競爭。”

與此同時，日本政府也將先進(jìn)的碳化硅電子半導(dǎo)體技術(shù)作為高度優(yōu)先的發(fā)展方向，它目前資助一個行業(yè)與大學(xué)的聯(lián)合研發(fā)計劃，成員包括豐田、本田和日產(chǎn)公司。

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