人々が環境保護を優先し、省エネ、排出削減、低炭素ライフスタイルを重視するようになるにつれ、グリーンエネルギー、電化、エネルギー効率への移行が、電気自動車、太陽光発電、エネルギー貯蔵など、日常生活や産業分野に関連する製品やアプリケーションの急速な成長を促進しています。この記事では、グリーン インダストリアル ソリューション (GIS) の概念とアプリケーション、およびonsemiが導入した関連アプリケーション ソリューションの概要を説明します。
産業用途はグリーンエネルギーと電化の開発に向かっている
消費者部門と産業部門のエネルギー消費量と比較すると、産業用途は真の主要なエネルギー消費者です。そのため、低炭素と脱炭素化に重点を置いた環境保護の潮流の下、多くの産業用途は、エネルギー変換を推進し、グリーン産業の発展目標を達成するために、グリーンエネルギーと電化の利用へと移行しています。現在、ソーラーソリューション、産業用ドライブ、ヒートポンプ、産業用HVAC、無停電電源装置 (UPS)、ソリッドステート変圧器 (SST)、エネルギー貯蔵、DC急速充電などのソリューションはすべて、エネルギーの最適化のために高性能のエネルギー効率の高いソリューションを利用できるアプリケーションです。
市場調査データによると、世界の太陽光発電設備は2024年に450GW、2027年にさらに684GWに増加し、年平均成長率（CAGR）は14.4％（2022年の252GWに対して、2023年には400GWと推定）になると予想されています。世界のエネルギー貯蔵システム（ESS）市場も急速に成長し、2023年の100GWhから2026年には258GWhに増加し、CAGR 37%になると予測されています。
さらに、太陽エネルギーとエネルギー貯蔵技術の組み合わせ、クラウドの利用増加、再生型人工知能 (AI) アプリケーションの開発により、均等化発電原価 (LCOE) が低下し、最も費用対効果の高いエネルギー生産形態の1つとなっています。電気自動車市場の急速な成長により、高出力DC急速充電器（250KW以上）やメガワット充電器の設置需要も高まっています。
一方、分散型グリッドシステムの台頭により、SST、エネルギー貯蔵、太陽エネルギーの需要も高まっています。さらに、太陽光発電、エネルギー貯蔵システム（ESS）、双方向住宅充電器（<22KW）を備えたマイクログリッドの開発が加速しています。さらに、2023年からは、欧州連合の80 PLUS Titanium規制により、ヒートポンプとモーター ドライブの電力密度をさらに高めることが求められます。これらすべての要因が、グリーン産業市場の急速な成長傾向に貢献しています。
ヒートポンプの応用は急速に成長している新興市場である
太陽光発電やエネルギー貯蔵用途の開発動向を見ると、住宅用途ではパワーインテグレーテッドモジュール（PIM）がディスクリート開発へと移行し、パワー半導体はシリコンベースからシリコンカーバイド（SiC）に移行し、SiCモジュールが主流製品になると予想されます。商業分野では、PIMは高出力ディスクリートへと移行し、ハイブリッドSiCモジュールがトレンドになると予想されます。大規模電力系統では、大型PIMモジュールとIGBTベースのパワー半導体が主流となり、電力は225KWから350KWにアップグレードされ、従来の1500V太陽光発電は2KV太陽光発電にアップグレードされます。
電気自動車（EV）充電器の用途では、住宅用充電ステーションの充電電圧は主に650 Vになると予想されますが、外部のDC急速充電ステーションは充電速度と効率を高めるために1200 Vに移行するでしょう。この開発は、電気自動車の充電速度が遅いという課題に対処し、消費者にとってより魅力的なものにすることを目的としています。
さらに、HVAC（暖房、換気、空調）やモータ制御などの伝送制御製品では、モータの可変周波数駆動制御、電力変換、インバータに650Vおよび1200Vのパワー半導体（PIM、IGBT、ダイオード）が広く活用されることが予想されます。
ヒートポンプは、急速に成長しているもう一つの新興市場です。欧州市場を例にとると、欧州連合における現在のヒートポンプ市場は300万台近くあり、2025年までに約400万台に成長し、さらに2030年までに700万台に増加すると予想されています。空間暖房と給湯の脱炭素化目標を達成すると、欧州の自動車の年間排気ガス排出量に相当するCO2排出量の削減につながる可能性があります。さらに、消費者にヒートポンプの導入を促すため、米国はインフレ削減法（IRA）を導入しました。これは、設置コストを最大30% 削減できる税額控除政策です。市場の観点から見ると、現在、日本のHVACメーカーがヒートポンプ部門をリードしていますが、近いうちに欧州連合 (ボッシュ)、韓国 (サムスン、LG)、中国のHVACメーカーがこの非常に有望な市場に参入することが予想されます。
超高効率1200V IGBTは導通損失とスイッチング損失を大幅に削減します
オンセミコンダクターは、グリーン産業市場の有望な発展を鑑みて、そのニーズに対応する超高効率1200V絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) 製品シリーズを導入しました。これらのデバイスは業界をリードするパフォーマンス レベルを特徴とし、伝導損失とスイッチング損失を最大限に最小限に抑えます。これらは、高速スイッチング アプリケーションの効率を高めるように設計されており、主に太陽光発電インバータ、無停電電源装置 (UPS)、エネルギー貯蔵、電気自動車の充電電力変換などのエネルギー インフラストラクチャ アプリケーションで使用されます。
onsemiの1200Vトレンチ フィールド ストップ (TFS) FS7 IGBTは、入力を高電圧 (ブースト ステージ) にブーストするための高スイッチング周波数エネルギー インフラストラクチャ アプリケーションや、AC出力を提供するインバータで使用されます。FS7デバイスのスイッチング損失が低いため、スイッチング周波数を高くでき、磁気コンポーネントのサイズが縮小し、電力密度が向上し、システム コストが削減されます。高出力エネルギー インフラストラクチャ アプリケーションの場合、FS7デバイスの正の温度係数により、並列動作を簡単に実現できます。
FS7デバイスには、高速 (Sシリーズ) および中速 (Rシリーズ) バージョンがあります。すべてのデバイスは、低VF向けに最適化されたダイオードを備えており、スイッチング損失を削減し、最大175°Cの接合温度 (TJ) で動作できます。FGY75T120SWDなどのSシリーズ デバイスは、スイッチング性能の点で市場の既存の1200V IGBTよりも優れています。定格値の最大7倍の電流でテストされたこれらの高信頼性IGBT製品は、クラス最高のラッチアップ耐性を提供します。Rシリーズは、モーター制御やソリッドステート リレーなどの伝導損失に重点を置いた中速スイッチング アプリケーション向けに最適化されています。FGY100T120RWDは100Aで1.45Vという低いVCESATを示し、前世代のデバイスと比較して0.4V減少しています。
FGY100T120RWDは、最先端のフィールドストップ第7世代IGBTテクノロジーとGen7ダイオードです。3リードTP247パッケージで提供され、低い伝導損失と優れたスイッチ制御性により最適なパフォーマンスを提供します。これにより、モーター制御、無停電電源装置 (UPS)、データ センター、高出力スイッチなどのさまざまなアプリケーションに適しており、効率的な動作が保証されます。FS7デバイスは、TO247-3L、TO247-4L、Power TO247-3Lなどのさまざまなパッケージで提供され、ベアダイとしても提供されるため、設計の柔軟性と代替構成を設計者に提供します。
SiC MOSFETとダイオードは高出力アプリケーションの要件を満たします
金属酸化物半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) は、絶縁ゲートを備えたトランジスタの一種です。設計要素は似ていますが、これらのシリコンカーバイド (SiC) MOSFETはシリコン (Si) MOSFETよりもブロッキング電圧が高く、熱伝導率が優れています。SiCパワーデバイスは、通常のシリコンに比べて状態抵抗が低く、破壊強度が10倍も優れています。一般的に、SiC MOSFETを採用したシステムは、シリコン材料で作られたMOSFETを使用したシステムに比べて、優れたパフォーマンスと高い効率を実現します。
シリコンMOSFETではなくSiC MOSFETを選択すると、スイッチング周波数が高くなるなど、いくつかの利点があります。SiC MOSFETモジュールを使用する場合、これらのデバイスは高温でも効率的に動作できるため、高温動作は問題になりません。さらに、SiC MOSFETを使用すると、すべてのコンポーネント (インダクタ、フィルターなど) が小型化されるため、製品サイズがコンパクトになるというメリットもあります。
Onsemiは、高出力アプリケーションの需要を満たすSiC MOSFETおよびダイオードのシリーズを発表しました。OnsemiのSiC MOSFETは高速かつ堅牢に設計されており、高効率、システム サイズの縮小、コスト削減などのシステム上の利点を提供します。
onsemiは、EliteSiC MOSFETとして知られる650V SiC MOSFET (M2およびM3シリーズ) と1200V SiC MOSFET (M3シリーズ) を発表しました。これらの新製品は高度な技術を活用しており、シリコンに比べて優れたスイッチング性能と高い信頼性を備えています。さらに、オン抵抗が低く、チップ サイズがコンパクトなため、静電容量とゲート電荷が低く抑えられます。その結果、システムの利点としては、効率の向上、動作周波数の高速化、電力密度の向上、EMIの低減、システム サイズの小型化などが挙げられます。
EliteSiC MOSFET製品シリーズは非常に多様で、自動車グレード (部品番号が「NV」で始まる) と産業グレード (部品番号が「NT」で始まる) の製品ラインを備え、さまざまなアプリケーション要件を満たすさまざまな仕様を備えています。自動車グレードの製品は、AEC-Q101自動車規格に準拠しており、自動車用DC/DCコンバータ、自動車用力率補正 (PFC) に使用できます。一般的な最終製品には、自動車用オンボード充電器、EV/PHEV自動車用DC/DCコンバータなどがあります。産業グレードの製品は100% アバランシェ テストを受けており、産業用途で使用できます。最終製品には、無停電電源装置/エネルギー貯蔵システム、太陽光発電および電気自動車の充電器などが含まれます。
グリーン産業ソリューションの価値提案を実現するために、オンセミコンダクターの製品は、アプリケーションに最適化されたトポロジーと構成で設計されています。また、最適化されたピンレイアウトと直接接合銅 (DBC) レイアウトに加え、シリコン (Si) とシリコンカーバイド (SiC) デバイスの包括的な組み合わせも特徴としています。これと幅広いパッケージオプションを組み合わせることで、製造の柔軟性が確保されます。
onsemiは、電気自動車の急速DC充電ソリューションや、40 kWから75 kWの電力範囲をサポートするモジュール製品など、包括的なSiC MOSFET製品ポートフォリオを提供しています。同社は、ベアダイ、ディスクリートMOSFET、革新的なモジュール、最先端のトポロジーなど、さまざまな形式で最前線に立っています。さらに、オンセミコンダクターは、顧客に最も包括的な技術サポートとサービスを提供することを目指し、2024年第1四半期にSiCディスクリートデバイス評価ボードとSiCモジュール評価ボードを発売する予定です。
結論
グリーンエネルギーは、持続可能な発展のために人類が取るべき道となっています。日常生活や産業のエネルギー需要にかかわらず、エネルギーの電化への移行は不可欠です。産業分野では日常生活に比べて電力消費量が大幅に多いため、グリーン産業ソリューションの採用は持続可能なエネルギーの目標達成に大きく貢献します。オンセミコンは、さまざまな電力製品に適用可能なSiCおよびIGBT製品の包括的なポートフォリオを導入し、より高いエネルギー変換効率を実現し、関連製品やアプリケーションにとって最良の選択肢の1つとなっています。