電力 = 熱は、より詳細な理論的知識だけでなく経験によって裏付けられた、すべてのエンジニアの潜在意識に埋め込まれた方程式です。カバーなしの温かいスマートフォンをポケットに入れて持ち歩くときも、不快なほどに熱いラップトップのキーボードで素早く「タッチタイピング」するときも、消費者向け電子機器で遭遇するものよりもはるかに高い電力密度と温度に対処する必要があるアプリケーションを設計するときも、この方程式は当てはまります。
自己誘発性であろうと環境に起因するものであろうと、コンポーネントは多くの場合、それらのアプリケーションを可能にする電子デバイスのパフォーマンスに課題をもたらす過酷な環境で動作します。タービンエンジン監視装置、産業環境の電源、電車や自動車の牽引駆動装置、電気バスや自動車の急速充電器、太陽光発電所のインバーターなどが思い浮かぶアプリケーションです。
しかし、今日の主流の半導体技術はシリコン（Si）であり、この材料は接合温度150℃を超えると性能が悪くなります。° C.この接合部温度は、新興の高電力アプリケーションでは一般的である可能性があります。 1 Siは、他の半導体と同様に、軽度ドープ領域を圧倒する可能性のある固有キャリア密度、逆バイアス接合リーク電流の指数関数的増加、熱電子リーク、およびキャリア移動度の低下という温度依存の問題に直面しています。
したがって、エンジニアはこの熱を管理するための措置を講じる必要があります。
シリコン：新興アプリケーションの足かせになるか？
シリコンデバイスを機能させ続けるために熱を管理するのは簡単な作業ではありません。熱設計にはエンジニアリングの時間だけでなく、重量とスペースの割り当ても必要になります。高度に統合されたパワー半導体ソリューションでは、液体冷却ヒートシンクが必要になる場合がありますが、これによりシステムが物理的に膨張し、輸送や設置が面倒になります。アプリケーション自体のパフォーマンスにも影響する可能性があります。
たとえば、電気自動車のSiベースの駆動システムの重量は、簡単に33ポンド (15 kg) を超える可能性があります。この「デッドウェイト」のほとんどは、熱管理の要件により、車が持ち運ばなければならないものです。その結果、料金間の範囲が狭くなり、市場参入に対する抵抗が増します。
シリコンカーバイドの新たな夜明け
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) 材料は、温度依存特性を備えており、Siでは不可能なレベルまで性能限界を高めます。GaNとSiCのバンドギャップはほぼ3倍広いため、これらの材料のいずれかを使用するデバイスは、Siの範囲を超えてパフォーマンスを継続できます。さらに、WBG材料はより高い破壊電界を示すため、より薄いデバイス構造が可能になり、デバイスの単位面積あたりのオン抵抗が低くなります。
SiCは、導電性を高めるために高濃度ドープが可能で、高電界破壊も維持されます。また、機械的に堅牢な材料でもあり、硬くて不活性で、熱膨張係数 (CTE) が4.2と低くなっています。
GaNの電子移動度はSiCの2倍以上であるため、現在では超高周波アプリケーションで求められている技術となっています。しかし、SiCの熱伝導率はGaNの約4倍であるため、熱管理が容易になります。
SiC MOSFETは、スイッチング時に高いエッジ レートを示す多数キャリア デバイスであるため、Siに比べて高い周波数で動作します。スイッチング周波数が高いということは、スイッチング損失が低くなり、システム効率が上がることを意味します。
したがって、SiCの使用により、高効率で高温性能を備えたデバイスの未来が待っています。
電気輸送の実現
電気自動車（EV）とプラグインハイブリッド車（PHV）で構成されるxEV自動車部門では、電力システムが最も重要であり、xEVが高級車から主流車へと移行する上で、バッテリーサブシステムが最も高価で価格を阻害する要素となっています。
EVでは、ドライブ トレインは全負荷能力に合わせて最適化されていますが、実際の運転条件では、ドライブ トレインが常に全負荷で動作することはほとんどありません。SiCベースのドライブによって実現される高い効率は、非理想的な負荷条件での損失が低くなることを意味します。これは、EVの走行距離の延長や小型バッテリーのコスト削減に直接つながります。さらに、SiCデバイスの高電力密度は、EVのエンジン ルーム内の限られたスペースに対するソリューションを提供します。
したがって、2018年のSystem Plus Consultingによるリバース エンジニアリングの取り組みによると、TeslaがModel 3にフルSiCパワー モジュールを統合したことは驚くことではありません。より「要求の厳しい」EVアプリケーションでは、RohmがフォーミュラEレース シリーズの第4シーズン (2017年) 向けにフルSiCパワー モジュール ベースのインバータを設計しました。これにより、2シーズン目 (2015年) の従来のインバーターに比べて約13ポンド (6 kg) の重量を節約し、容積を43パーセント削減することができました。2
SiCがEVにもたらすメリットは、牽引力を超えて急速充電にまで及びます。業界の目標は、30分以内にEVを「満タン」にする充電器を導入することです。そうなると、車のオンボード充電器（OBC）をバイパスして、充電器が80 kW ～ 100 kWのDCを供給することが必要になります。SiCは電力密度が高く、熱管理要件も簡単なため、このような充電器は小型で効率的になります。同様の利点はOBCにも適用されます。たとえば、ルノー・日産・三菱は、SiCパワー半導体を使用して、ルノー ゾエ モデル用の22 kW 1時間OBCをアップグレードする予定です。3
SiCベースのトラクションドライブの用途は、日本の高速新幹線のN700Sモデルなどの産業用途にまで広がっています。フルSiCパワードライブと自然空冷システムの採用により、前モデルより11トン軽量化され、2020年に発売される予定。
しかし、SiCデバイスの最大の恩恵を受けるのは自動車市場になると予想されています。市場調査会社Yole Développementによると、この業界はxEV開発に3,000億ドル以上を費やすと予想されています。4 Yoleは、2024年までにSiCパワー半導体市場の価値が20億ドルに近づき、2025年までの期間の年平均成長率（CAGR）は29％になると予測しています。そして、自動車市場がSiCデバイス市場シェアの約半分を占めるようになると彼らは考えています。
太陽光発電市場を活性化
太陽光発電では、98パーセントの効率を実現する50 kW ～ 60 kWのブースト コンバータがよく使用されます。SiCを使用すると、スイッチング周波数をSiの2 ～ 3倍に高めることができ、効率は最大で99.5% 近くまで高まります。これにより、磁気部品やリンクコンデンサなどの他のコンポーネントのサイズも縮小され、スペースは3倍、重量は10倍節約されると推定されます。5
SiCによる1パーセントの効率向上は、米国の60 GWの太陽光発電設備全体にSiCが採用された場合、年間600 MWの節約になることを意味します。6
次世代通信
高周波化の傾向を含む次世代5Gの要件は、WBGデバイスに新たな機会をもたらします。5Gでは、データ転送速度を向上させるために1 GHzを超える帯域が許可され、3.5 GHzと4.8 GHzの2つの新しい周波数帯域が使用されます。
LDMOSなどのシリコン技術は3 GHz未満では優れたパフォーマンスを発揮しますが、より高い周波数ではGaNの方が効率が高くなります。SiCデバイスと同様に、GaN-on-SiCはSiよりもはるかに優れた熱特性を備えているため、電力密度が高くなり、サイズ、重量、ヒートシンク関連のコストが削減されます。
Yole Développementによれば、GaN-on-SiCはGaN RF市場を支配しており、すでに4G LTEインフラストラクチャ セグメントで使用されています。同社は、GaN-on-SiCを含むRF GaNが、6GHz未満の周波数の5Gネットワークのリモート無線ヘッド（RRH）のパワーアンプ（PA）に特に適していると考えています。 7
SiCの将来は明るい
パワーエレクトロニクス市場は、太陽エネルギーやデータセンターで求められる高効率化のニーズだけでなく、電気輸送や産業牽引における高温に加えて省スペース、軽量化という独自の要件によっても推進されています。5Gおよび防衛市場におけるより高い周波数要件と相まって、WBGデバイスの機が熟しています。
これまではコストの高さと生産量の少なさによって阻まれていたSiCですが、ウェハ供給への新たな投資や、II-VIによる5GアンテナのGaN-on-SiC PA向け200 mm半絶縁SiC基板の試作など、材料と製造プロセスの継続的な改善により、独自の地位を確立しつつあります。 8
したがって、エンジニアが選択したテクノロジーをSiCに移行する方法を見つけるのにも絶好の機会が来ています。
参考文献
- A.エラッサーとTPチャウ。「パワーエレクトロニクス回路およびシステムにおけるシリコンカーバイドの利点とメリット」。IEEE Proceedings（2002年6月）に掲載。
- Rohm EV Solutions ver.1.2カタログ。
- STMicroelectronicsプレスリリース、2019年9月9日: https://investors.st.com/news-releases/news-release-details/stmicroelectronics-supply-advanced-silicon-carbide-power。
- Power SiC 2019: 材料、デバイス、アプリケーション、市場および技術レポート - 2019年7月、Yole Développement。
- ガイ・モクシー、ウルフスピード。「シリコンカーバイド：電力の未来を変革する」、2019年2月21日。
- 「太陽エネルギーにおけるシリコンカーバイド」、米国エネルギー省エネルギー効率・再生可能エネルギー局：https://www.energy.gov/eere/solar/silicon-carbide-solar-energy。
- RF GaN市場: アプリケーション、プレーヤー、デバイス、テクノロジー2019-2024、Yole Développement。
- II-VIプレプレスリリース、2019年10月10日：https://www.ii-vi.com/news/ii-vi-incorporated-unveils-the-worlds-first-200-mm-semi-insulating-sic-substrates-for-rf-power-amplifiers-in-5g-antennas/。
