現在シリコンが独占しているパワー半導体市場の高性能化をめぐって競争が始まっている。 MOSFET およびIGBTデバイス。シリコンカーバイド (SiC) や窒化ガリウム (GaN) などのワイドバンドギャップ (WBG) の候補は、ほぼすべての点でシリコンを上回る優れた性能を発揮します。損失が少ないため効率が向上し、最先端のRFアプリケーションではスイッチング周波数が高くなり、温度と電圧に対する堅牢性が優れています。
しかし、シリコンは依然としてコスト面で優位に立っており、新しいテクノロジーは時間の経過とともにパフォーマンスに関するいくつかの問題点をまだ解決しているところです。したがって、進化は避けられないとはいえ、時間がかかり、シリコンは常に大きな部分を占めることになります。下の図は、市場調査会社IHS Technologyによる、SiCとGaNの合計収益の推移の予測を示しています。
図: SiCおよびGaNパワー半導体の用途別 (IHSテクノロジー2018)
産業
最も大きな潜在的MOSFET/IGBT市場の1つであるモーター ドライブインバーターなどの分野では、材料コスト、適切な性能、設計の馴染みやすさという設計の三要素を考慮するとシリコンが依然として最適であるため、新しい技術の採用は遅くなるでしょう。他の多くのアプリケーションでは、シリコンとシリコンゲルマニウム (SiGe) は、手元のタスクには十分に適します。
太陽光発電（PV）
高電圧で動作するソーラーインバータなどの他の製品グループでは、SiC/GaN MOSFETデバイスを採用することで、システムコストレベルでさらに多くのメリットが得られます。新しいテクノロジーに基づくパワースイッチではスイッチング周波数も高くなり、インダクタとコンデンサのサイズが縮小されるだけでなく、高速で正確なドライバと制御ICも実現されます。電力会社が30kW ～ 100kWの範囲の電力を生成するために使用する1500V DC PV (太陽光発電) インバーターは、今後2年間ですべての公益事業規模のインバーターの90% 以上の市場シェアを獲得すると予測されています。SiCは高電圧に対応できるため、太陽光発電用途に最適です。
通信インフラ
RFの世界では、無線（携帯電話）基地局はすでにGaAsからGaNに切り替え始めている。 GaNはより高い電力とより高い動作電圧を供給するため、パワーアンプに最適です。実際、GaNアンプは、軍用レーダーや商用・産業用電子レンジでも高周波電子真空管の代わりとして使用されています。
無線通信事業者が5Gまたはその標準前バージョンを導入するにつれて、この傾向は間違いなく加速するでしょう。今日の4G LTEモバイル規格の平均ピークデータレートは100 Mb/sです。5Gの目標は10 Gb/sであり、これはライブ ビデオのストリーミングには十分です。また、4Gの2.8 GHz帯と比較して、5～6 GHz帯で動作します。
この移行を電力使用量の面で持続可能にするには、ワットあたりに送信できるビット数を大幅に増やす必要があります。GaAsの基本電力密度は約1.5 W/mmですが、GaNは最大12 W/mmになります。GaNは電子移動度も高いため、ギガヘルツ以上の範囲まで信号を増幅することができます。さらに、約80 Vという比較的高いブレークダウン電圧レベルでこれを管理できます。
もう少し先へ
データセンター
クラウド（およびインターネット）の膨大なコンピューティングおよびストレージ容量を提供するためにGoogle、Amazon、Microsoftなどの企業が運営する大規模なデータセンターにも、膨大な電力が必要です。現在、それらは世界の電力予算のかなりの割合（約3%）を占めています。
イェール大学の報告書（気候変動について）によると、データセンターの電力使用量は4年ごとに倍増しています。このままのペースで進むと、2025年までに世界の電力の20％を消費し、2020年までに世界の排出量の最大3.5％を占めることになり、航空や船舶の炭素排出量を上回ることになる。
データセンターの消費量を少しでも削減できれば、世界のエネルギー使用に大きな影響を与えるでしょう。そこで、Open Compute Projectが登場します。具体的には、サーバー ラック用の48 V電力配分アーキテクチャを開発および実装するというGoogleの提案です。
48 Vアーキテクチャは、現在使用されている12 Vシステムよりもはるかに効率的であり、48 V配電電圧をサーバーに必要な1 V以下に下げる単一の電力変換ステージを使用することで、この改善の大部分を実現します。48 Vアーキテクチャでは、バスバーなどの銅伝送コンポーネントの損失も削減されます。市場調査会社Yole Developmentは、シリコンをSiCまたはGaNに置き換えるとDC-DC変換効率が85% から95% に向上すると推定しており、このアプリケーションはSiC/GaNコンポーネントに最適です。
自動車
電気自動車の電力変換には高電圧が使用されるため、このアプリケーションではSiC/GaAsパワー半導体コンポーネントが適していると考えられます。この技術は現在でも利用可能だが、自動車産業の長い製品サイクルと化石燃料からの切り替えによる混乱を考慮すると、電気自動車全般が比較的広く普及するには約5年先を見据える必要がある。
もちろん、モデルS3にSiCベースのインバーターを統合したテスラは除きます。インバーターは、ピンフィン ヒートシンク上に組み立てられた24個の1-in-1電源モジュールで構成されています。24個のモジュールのそれぞれに、革新的なダイアタッチ ソリューションを備えた650V、100A SiC MOSFETが2つ搭載されています。モジュールは銅クリップで端子に直接接続され、銅ベースプレートによって熱が放散されます。自動車業界がSiC/GaNに関心を寄せているのは、部分的には、炭素排出量の削減を目的とした積極的な法律への対応であることに留意すべきです。
設計エンジニアにとって、SiCおよびGaNベースのデバイスの導入は、設計実務に破壊的な変化をもたらす可能性があります。つまり、より高性能なスイッチ駆動システムが必要になります。次世代のSiC/GaN電力コンバータが提供するパフォーマンスを活用するために必要な、複雑なマルチレベル、マルチステージの電力ループを管理するには、より多くの調整と制御が必要になります。これらの設計には、次世代の高度なゲート ドライバIC、センシングIC、電源コントローラ、組み込みプロセッサが含まれます。
結論
10年以上にわたり、SiCおよびGaNデバイスはエネルギー変換効率を向上させる可能性を秘めており、これにより電力コンバータやインバータ、デバイス充電器、モーター ドライブのサイズ、重量、放熱が削減されます。場合によっては、SiCまたはGaNデバイスによって新しいアプリケーションが可能になる可能性があります。しかし、WBG材料技術は、製造コストの高さ、信頼性の問題、そしてSiCやGaNのはるかに高速なスイッチング速度に合わせるためのゲート ドライブ設計の強化の必要性によって妨げられてきました。
2018年には、価格設定が飛躍的に進歩し、より広範な導入が可能になりました。実際、高電圧GaNデバイスの価格は、シリコン高電圧デバイスの価格に近づいています。10年にわたるテストと現場での運用から得られたデータにより、デバイスの信頼性に関する懸念が軽減され、新しいドライバー設計により導入が容易になっています。WBGのパワーデバイスが巡航レーンに参入するのもそう遠くないだろう。
