張研

混合動力車型相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機驅(qū)動車型的主要優(yōu)勢在于出色的燃油經(jīng)濟性。然而，隨著各方面科技水平的提升，傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車通過不斷減輕車身質(zhì)量，采用渦輪增壓器或者精確控制燃油噴射等手段，使自身的燃料消耗量以‘沒有最低，只有更低’的步伐不斷向著混合動力車型逼近。混合動力車型如何突破瓶頸，技術(shù)人員拿著放大鏡仔細尋找：哪兒還能再省點兒？

SiC——碳化硅，作為一種半導體材料與上一代以Si（硅晶體）、GaAs（砷化鎵）為代表的半導體材料相比具有耐壓較高，適于高溫高頻工作，具有體積小巧等優(yōu)異性能。因此，SiC等新材料主導了功率半導體的更新?lián)Q代，而這里提到的功率半導體則多被用于電壓轉(zhuǎn)換器和逆變器等電力轉(zhuǎn)換器中，進行電力方面的控制。

功率控制單元（Power Control Unit）是豐田混合動力車型中能量轉(zhuǎn)換的核心，在動力系統(tǒng)中扮演著電力轉(zhuǎn)換器的角色，其內(nèi)部使用了大量的功率半導體零件，鑒于新半導體材料的諸多好處，豐田的工程師們便把放大鏡停留在這里，嘗試在旗下混合動力車型上的功率控制單元中使用新材料SiC功率半導體。目前，該項技術(shù)已經(jīng)搭載到凱美瑞混合動力試制車上，并于2015年2月起在豐田市周邊的公路上進行為期1年的道路試驗。

在混合動力車型行駛過程中，功率控制單元負責電動機的電流供給，在車輛減速時又能夠利用回收的電能向電池充電。但功率控制單元在完成能量轉(zhuǎn)換任務(wù)的同時，尤其是在電流導通與截斷的過程中，也有著不小的能量損耗，通常情況下約25%的能量會在轉(zhuǎn)換的過程中以熱能等形式損失掉，而功率半導體零件貢獻了其中的80%，其原因在于傳統(tǒng)Si功率半導體在每次通斷過程之后的一段時間內(nèi)仍然會有部分殘余電流，這是Si功率半導體的材料特性所決定的，也是能量損耗的癥結(jié)所在。

所以，在此次進行試驗的凱美瑞混合動力試制車的功率控制單元內(nèi)，豐田有針對性地將在升壓轉(zhuǎn)換器以及用于控制電動機的逆變器中都使用SiC功率半導體。采用新材料之后，即便是在較高的工作頻率下，各個功率半導體零件在歷次通斷過程中的殘余電流將會基本消除，由此預計功率控制單元自身的能量損耗會有50%的降低，體現(xiàn)到整車方面就將是10%的燃油節(jié)省，這在現(xiàn)有技術(shù)水平下是一個相當可觀的進步。不僅如此，SiC功率半導體在承受相同功率的情況下?lián)碛懈泳o湊的體積，耐熱性方面SiC功率半導體由于其自身本征溫度較高，其實際工作溫度可達600℃，這樣會使車輛在結(jié)構(gòu)以及散熱設(shè)計等方面更加游刃有余。基于這樣的預期，豐田將通過公路行駛試驗，收集功率控制單元在不同行駛速度、行駛狀態(tài)、室外氣溫等條件下的電壓及電流數(shù)據(jù)，從而驗證新材料SiC功率半導體的節(jié)油效果。

與此同時，這項由豐田、電裝以及豐田中央研究院合作開發(fā)的新材料技術(shù)還將被用在豐田市內(nèi)公交線路上正式運營的燃料電池巴士（FC巴士）上，車內(nèi)控制燃料電池堆電壓的FC升壓轉(zhuǎn)換器，也采用了SiC材料制成的二極管，通過巴士在實際運營行駛中收集的數(shù)據(jù)，來進一步驗證新材料對節(jié)能效果的提升。