为混合动力电动汽车开发高效电力电子部件

    尽管道路运输的电气化已经改善了能效的整体格局，但混合动力汽车与电动汽车在输入与输出端的能量差距一直很大，这说明以硅为基础的电力电子部件还是会导致巨大的能量损失。

电子部件

    现在拿混合动力汽车的电子控制单元（PCU）为例子来说明问题。PCU用来管理自电池流向速度控制电机的电流，它还将刹车产生的能量回收并送回电池储存。而如果通过硅动力晶体管和二极管的强电流和高压的比例调校很好的话，这中间散发的热量大约占车子电能损失的四分之一。但这个比例就已经是与电子半导体自身有关的能量损失的大约五分之一了。

    PCU以及其他的电子部件遭受两种运行中的能量损失，有些发生在传导过程中，但多数损失是由于机器的开关而造成的。

    自从丰田公司的工程师在上世纪九十年代后期研发成功该公司的款普锐斯混合动力轿车以来，他们就一直在寻找更加节能的电力电子器件，他们希望这样的器件能够栖身于新的、能量损失更少的半导体，但是这样的设想要几十年的时间才能成为现实。

从硅到碳化硅

    但近丰田公司称，该公司开始将其PCU中以硅为基础的耗能的集成电路芯片改换成更加节能的碳化硅部件。而碳化硅是硅的表兄弟。这些下一代电子件的运行温度、电压和开关频率都更高，也就是说它们的能量损失更少、性能和能效更高。

    丰田公司宣布，采用碳化硅的电力电子部件可将混合动力汽车的燃料效率提高百分之十。

    碳化硅基的集成电路的电能损失只是传统硅部件的十分之一，而驱动频率要高出十倍。采用这项技术可将未来的PCU的体积缩小五分之四。

    碳化硅电力电子件可用于插电式混合动力和电动汽车的电池充电器、动力总成系统，以及变频器和直流与直流电压的转换系统。

    丰田公司的中心研发实验室自从上世纪八十年代早期即与电装公司携手研发碳化硅半导体部件，而后者是丰田集团的零部件供应商。近年来，电装公司已经展示了10.2厘米和15.2厘米直径的高品质结晶碳化硅的晶片，而这种晶片是自然界坚硬的物质之一。该公司的一份文件称，这些昂贵的晶片因为其陶瓷般的硬度和耐高温性能而很难加工。

    碳化硅电子半导体部件的开关能耗更小，因此支持更高使用频率下的有效电流。此种特性使得工程师可以缩小线圈和电容器的体积，而线圈和电容器占现有PCU大约百分之四十的体积。

    电装的专家正在优化结晶法，致力于确立稳定高产的加工工序，来批量生产体积更大的高品质碳化硅晶片。

高效的电力芯片

    于近亮相2014年横滨汽车工程展的这种新型半导体电力芯片是只有五平方毫米的碳化硅晶体管和六平方毫米的碳化硅二极管。这些集成电路的设计借鉴了硅能量芯片的沟槽芯片结构与垂直埋栅电极。

    丰田公司宣称，该公司采用这种芯片新技术已经成功地将测试车（JC08测试循环）的燃油经济性提高了百分之五，并且有望于一年内在日本的民用道路上开始测试原型车。去年的12月份，该公司在其广濑工厂为这种新产品腾出了一个车间，这个研发车间是专为碳化硅半导体而设置的。

    丰田公司人士称，该公司的宗旨是通过大规模生产，将应用于混合动力汽车的碳化硅芯片的成本降到现有的硅半导体的水平。具体目标是到2020年将该技术商业化。

宽带隙半导体

    硅半导体在电力电子部件上的应用正面临着新型宽带隙半导体的压力，如碳化硅以及高速而又昂贵的砷化镓。

    “宽带隙”这个词系指使得电子跳离原子并通过介质开始导电所需的总能量。众多导电体如铜就没有带隙，因此成为很好的导体。硅基半导体的带隙很小，而多数绝缘材料的带隙都非常宽。带隙宽的半导体使得电子设备可以承受高电压带来的热量和高频次的开关机。

    到目前为止，碳化硅的商业化受限于需要从极硬和耐高温的陶瓷中剔除晶体缺陷。虽说氮化处理似乎已经取得了效果，但除了晶体质量之外，碳化硅和二氧化硅之间的衔接也已经放缓了碳化硅基的电力金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）的发展。据说，新型碳化硅芯片是强劲而可靠的。

成长中的供应商网络

    采用新型芯片的障碍是畸高的成本。在香港注册的IMS市场研究公司（隶属于IHS）在2013年进行的一项分析表明，碳化硅基的MOSFETs的成本比硅基的要高10到15倍。该报告称，除了工艺问题外，汽车行业之所以还在犹豫是因为从硅转换成碳化硅并不简单。然而，IMS公司的研究报告预计，碳化硅PCU在混合动力和电动车领域的销售会在2016年开始上升，并会在2022年形成二亿美元的市场。

    其他碳化硅部件制造商和开发商还有Cree公司、丹佛斯、仙童、富士电机、GeneSiC半导体、全球电力设备有限公司、英飞凌、Microsemi、三菱电机、罗姆半导体、瑞萨、赛米控、意法半导体、美碳化硅公司以及Vincotech。

    低效的电力电子器件的问题并非仅于汽车行业。美国能源部预测，到2030年电力电子部件会消耗掉惊人的百分之八十的总电能。

    今年一月，美国能源部资助的宽带隙半导体研发中心“下一代电力电子国家制造业创新研究所”于美国北卡罗来纳州立大学成立。该研究所由企业和大学组成的财团资助，拥有授权开发“下一代高效节能的大功率电子芯片和器件，在五年内使得宽带隙半导体技术的成本可与目前的硅基电力电子技术竞争。”

    与此同时，日本政府也将先进的碳化硅电子半导体技术作为高度优先的发展方向，它目前资助一个行业与大学的联合研发计划，成员包括丰田、本田和日产公司。