現在、ほとんどの 半導体 はシリコン (Si) ベースの材料から作られていますが、近年では比較的新しい半導体ベースの材料が注目を集めています。その材料はシリコンカーバイド、別名SiCです。現在、SiCを活用した主な半導体技術は、MOSFETとショットキーダイオードです。
Siと比較したSiCの利点は何ですか?
基本的に、シリコンカーバイド (SiC) は、従来のSi半導体に比べて固有の利点を持つワイドバンドギャップ半導体であると考えられています。SiCのこれらの材料特性により、次のことがより高くなります。
- 内訳フィールド
- 電子ドリフト速度
- 熱伝導率
内訳フィールド
より高い破壊電界により、デバイスは特定の領域に対してより高い電圧に耐えることができます。これにより、デバイス設計者は、同じダイ サイズで電流フローに割り当てられる領域を増やすことができ、特定の領域に対するデバイスの抵抗Rspを下げることができます。デバイスの抵抗は伝導電力損失と直接相関しているため、Rspが小さいほど損失が少なくなり、効率が高くなります。
電子ドリフト速度
電子ドリフト速度とは、電界の影響により物質内を電子が移動する速度のことです。SiC半導体の場合、電子のドリフト速度はSiベースの半導体の2倍になります。電子の移動速度が速いほど、デバイスのオン/オフの切り替えも速くなります。システム設計者は、この高速スイッチングから2つの利点を得られます。まず、オンからオフへの遷移時間中の電力損失を低減します。第二に、スイッチング周波数が高くなると、より小型の磁性部品とコンデンサを使用できるようになります。
熱伝導率
SiCの熱伝導率はSiの約3倍優れており、他の特性の利点をすべて兼ね備えています。熱伝導率は、熱が半導体接合部から外部環境に伝達される速度を表します。これは、Siの一般的な150°Cの制限と比較して、SiCデバイスが最大200°Cまで動作できることを意味します。
これら3つの利点を組み合わせることで、システム設計者は、より小型で軽量、そして最終的には低コストで、より効率的な製品を設計できるようになります。SiCデバイスは同等のSiデバイスに比べて高価であることが知られていますが、より小型の受動部品の使用と熱管理の軽減によるコスト削減を加えると、システム全体のコストは20% 削減できます。シリコンカーバイドの材料特性により、高電圧、高電流、高温、高熱伝導率と軽量な総重量が求められる高電力アプリケーションに非常に有利です。MOSFET と ショットキーダイオード （ディスクリートおよびパワーモジュールパッケージの両方）は、SiCを利用する主な技術です。
シリコンカーバイドの利点の実用的応用
シリコンカーバイドは、電気自動車、太陽光発電インバーター、エネルギー貯蔵システム、EV充電ステーションなど、さまざまな既存のアプリケーションに採用されています。 この変更を推進することで、システム設計者や製造業者にはさまざまなメリットがもたらされますが、これらのメリットは最終製品の消費者にとってどのようなメリットにつながるのでしょうか?
まずは電気自動車（EV）について見てみましょう。広範囲にわたる導入を妨げている主な理由は、航続距離の不安です。SiCの使用により、EVの航続距離は 7%以上延長されます。IGBTベースのインバーターからSiCインバーターに切り替えるだけで、航続距離に劇的な影響が及びます。メリットはそれだけではありません。EVにSiCを使用すると、EV導入の課題であるコストも解決されます。EVで使用されるバッテリーは、EVの中で最も高価な部品です。SiCを使用することでEVの航続距離が7% 延長される場合、航続距離を非SiCベースラインと同等に保ちながら、バッテリー サイズを7% 縮小することもできます。バッテリーパックが小さくなれば、EVの全体的なコストが直接的に低下します。これが、EVにおけるSiCの採用が非常に盛んであり、SiCメーカーの大きな収益予測を推進している理由です。
EVに関連して、EV充電ステーションと、この充電インフラストラクチャの構築があります。EV充電ステーションの場合、主な考慮事項の1つは電力密度です。ここでSiCが貢献し、システム設計者は同じ容積でより多くの電力を供給したり、電力を同じまま容積を300% 削減したりできるようになります。同じ体積でより多くの電力を取り出すことが、EV充電ステーションにSiCを使用する主な原動力です。目標は、ガソリンスタンドで人が過ごすのと同じ時間でEVを充電できるようにすることです。これは、充電ステーションからEVに供給される電力の量を増やすことによってのみ実現できます。
シリコンカーバイドは、より小型で軽量な太陽光発電インバーターを製造することで、再生可能エネルギー市場にも貢献しています。SiCによって可能になったより高速なスイッチング周波数を使用することで、太陽光発電インバーターはより小型で軽量な磁気部品を使用できます。電力レベルに応じて、ソーラーインバーターの重量は50ポンド未満になります。50ポンドは、労働安全衛生局 (OSHA) によって設定された、個人が持ち上げることができる最大重量です。50ポンドを超える機器を持ち上げる場合は、2人以上の人または持ち上げ装置が必要です。より軽量なソーラーインバータを開発することで、組織は設置に1人の人員しか必要としなくなります。これにより設置コストが削減され、設置業者と消費者にとって魅力的になります。この利点はウォールボックスEV充電器にも当てはまります。もちろん、太陽光発電インバーターにSiCを使用すると、全体的な効率の向上やシステム全体のコスト削減など、他の実用的な利点もあります。
産業用モータードライブも、SiCへの切り替えによってメリットを得られます。SiCにより、モーター インバーターの効率が向上し、サイズが小さくなり、放熱性が向上するため、モーター ドライブをローカルに、またはモーター自体に配置できるようになります。これにより、Si IGBTを使用するソリューションで、電源キャビネットに戻る複数の長いケーブルの必要性が軽減されます。代わりに、SiCソリューションでは、電源キャビネットに接続するケーブルが2本だけ必要です。これにより、図2の7つのモーターを備えた関節式ロボット アームの例に必要な、数百フィートの高価で複雑なケーブル配線が不要になります。このトピックの詳細については、次のページを参照してください。 SiC MOSFET対Si IGBT: SiC MOSFETの利点
これまでのアプリケーション例はすべて、SiCの堅牢な耐久性と信頼性の恩恵を受けており、これは設計者が他の材料の使用を検討する際の重要な差別化要因です。 窒化ガリウム（GaN）などのワイドバンドギャップ半導体。
違いについて詳しくは GaN対SiC。
シリコンカーバイドで世界を脱炭素化へ
上記のアプリケーションの共通点は、すべてが脱炭素化に向けた動きを可能にすることです。ただし、その方法は異なります。
電気自動車は、輸送によって排出されるCO2の量を直接削減することで、脱炭素化に貢献します。排気ガスはゼロですが、CO2排出源によって生成された電力を消費します。これらの排出量を含めると、 米国エネルギー省 は、EVの年間排出量を平均2,817ポンドのCO2と見積もっていますが、ガソリンを使用する車両の年間排出量は12,594ポンドのCO2です。これは大気中に排出される二酸化炭素の量が78%削減されることを意味します。
EV充電ステーションは脱炭素化に直接的な影響を与えることはありませんが、DC急速充電ステーションの堅牢なインフラがなければ、EVの導入は制限されるでしょう。航続距離に対する不安は、EVの普及が進まない大きな要因となっています。EVを所有する米国の世帯の90% は、おそらく電気自動車ではない別の車両を所有しています。これらの統計は、消費者がEVが特に長距離旅行など、あらゆるニーズを満たすことができると確信していないことを浮き彫りにしています。
2009年以降、太陽光発電 (PV) のコストは90% 近く低下し、2020年現在では37ドル/MWhと最も低コストのエネルギー生成源となっています。これを石炭の112ドル/MWhや天然ガスの59ドル/MWhと比較してください。太陽光発電により、世界は他のエネルギー源よりも低コストで、CO2を排出せずにエネルギーを生成することができます。SiCがこのコスト削減のすべてを担うわけではありませんが、太陽光発電のコストが下がる一因となっています。
世界はより多くの電気エネルギーを使用する方向に進んでおり、この電気エネルギーを消費する機器の効率を継続的に向上させることが重要です。電気モーターは世界の電力消費量の40～50%を占めています。世界中に膨大な数の電気モーターが存在するため、わずかな効率向上でもその効果は増幅されるため、電気モーターの効率を非常に高めることが重要です。
SiCは既存のアプリケーションにおける脱炭素化の加速に貢献するだけでなく、これまで実現不可能だったアプリケーションも可能にします。その一例が電動垂直離着陸機（eVTOL）です。SiCによってEVの航続距離が延長されるのと同様に、eVTOLの航続距離も延長され、より実用的になります。
SiC半導体は、これらのエンドシステムの効率、信頼性、堅牢性、小型化、軽量化、全体的なコストの削減を実現することで、エンドシステムの導入を加速します。
Arrow ElectronicsがSiCガイドになります
他の新しいテクノロジーと同様に、急速な変化と克服すべき困難が伴います。Arrow Electronicsは、SiCへの移行を迅速に成功させるための専門知識とツールを開発するために、主要なSiCサプライヤーと協力してきました。これらのSiCサプライヤーには、Infineon Technologies、Microchip Technology、onsemi、ST Microelectronics、Wolfspeedなどがあります。
SiCの利点をすべて得るには、設計全体を再評価する必要があり、システム設計者は新しいゲート ドライバ、電流センサー、コンデンサ、磁気部品、コネクタ、さらにはコントローラを選択する必要があります。この認識に基づき、WolfspeedとArrow Electronicsは共同で、SiC用のモジュール式評価プラットフォームであるWolfspeed SpeedVal Kit™ を開発しました。これにより、システム設計者は、プラグアンドプレイ環境でさまざまなゲート ドライバーやコントローラーと組み合わせて、さまざまなSiCデバイスを迅速に評価できます。
SiCはSi技術に比べて明らかに優れた点があり、世界の脱炭素化を加速させることができます。Arrow Electronicsは、専用の高出力専門知識と一流のサプライヤー ポートフォリオにより、SiCの採用と脱炭素化に向けた動きを加速させる独自の立場にあります。
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