現在の世界的な経済不況と半導体業界の低迷の中で、車載用半導体は反景気循環の窓となる産業であるように思われます。
現在の世界的な経済不況と半導体業界の低迷の中で、車載用半導体は反景気循環の窓となる産業であるように思われます。
同時に、自動車業界における電動化、インテリジェント化、ネットワーク化、シェアリングという新たな4つの潮流の発展と、新エネルギー車市場の活況により、自動車エレクトロニクス業界は構造変革の機会を迎えています。
新エネルギー車（ハイブリッド車や純電気自動車など）の半導体含有量は、従来の車に比べて大幅に高くなっています。
燃料車と比較すると、新エネルギー車はガソリンエンジン、燃料タンク、トランスミッションを使用しません。代わりに、バッテリー、モーター、電子制御システムで構成される「三電システム」がそれらに取って代わり、DC-DCモジュール、モーター制御システム、バッテリー管理システム、高電圧回路などのコアコンポーネントが追加されます。これらのコンポーネントでは、MOSFETやIGBTなどのパワーデバイスが重要な役割を果たします。
新エネルギー車におけるパワー半導体の応用
パワー半導体は、電子機器におけるエネルギー変換と回路制御の中核であり、主に電子機器の電圧や周波数の変更、DC-AC変換などに使用されます。自動車産業の変革は、パワーデバイスの消費量の増加を促進するでしょう。
インフィニオンのレポートによると、新エネルギー車におけるパワー半導体デバイスの価値は、従来の燃料車の5倍以上です。さらに、電気自動車の充電ステーションでも電源装置の使用が増え、市場がさらに拡大するでしょう。
ガートナーのデータによると、車載グレードのパワー半導体市場の成長率が最も高い。2020年の売上高は約61億ドルに達し、2030年には265億ドルに達すると予想されており、売上高ベースでは車載半導体市場全体で最大の市場となる。
パワーデバイスの新たな成長機会
シリコンベースのMOSFETは不可欠
MOSFETは、Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistorの略で、基本的な電力半導体デバイスです。駆動電力が低く、スイッチング速度が速く、動作周波数が高く、熱安定性が強いという特徴があります。高周波および低電圧から中電圧のアプリケーションで広く使用されており、増幅回路やスイッチング回路で役割を果たします。
MOSFETは、「チャネル」の極性に基づいて、「N型」と「P型」の2つのタイプに分けられます。これらはそれぞれNMOSFETとPMOSFETと呼ばれることが多く、電圧許容範囲と範囲が異なります。
今日増加している新エネルギー車には、シリコンベースのMOSFETが不可欠であり、自動車用電子機器のコア部品として機能します。業界の予測によると、MOSFET端末アプリケーションの割合が最も高いのは自動車部門で、2022年には22% に達します。さらに、PCコンピューターとストレージ デバイスの割合は、産業部門でそれぞれ19% と14% です。
実際、新エネルギー車の時代以前から、MOSFETは補助ブレーキ、パワーステアリング、シート制御システムなど、電気機能を伴う燃料車の分野ですでに使用されていました。
自動車の電動化の進展により、MOSFETの需要が大幅に増加しました。電気自動車では、電気ブレーキの使用により、中電圧および高電圧MOSFETが、電気エネルギーの変換と伝送を容易にするDC-DCコンバータやオンボード充電器 (OBC) などの電力領域における重要なコンポーネントになっています。車両1台あたりに使用されるMOSFETの数は200個以上に増加しました。さらに、インテリジェント自動車の発展に伴い、先進運転支援システム（ADAS）、安全機能、インフォテインメントなどの分野でデジタルおよびアナログチップの機能実装をサポートする電力変換の基本デバイスとしてMOSFETが必要になっています。これにより、高級車に使用されるMOSFETの数量が1台あたり400個以上に増加する可能性があります。
データ統計によると、車載グレードのMOSFETの世界市場規模は、年平均成長率 (CAGR) 12.25% で、2026年までに30億ドルに達すると予測されています。
IGBT - 自動車用パワーデバイスにおける最大の増加
前述のように、MOSFETは従来の内燃機関車と新エネルギー車の両方で広く使用されています。しかし、自動車産業の電動化への変革において、車載グレードのMOSFETの市場拡大はIGBTほど大きくありません。
IGBTは、絶縁ゲート バイポーラ トランジスタの略で、バイポーラ接合トランジスタ (BJT) とMOSFETで構成される複合電力半導体デバイスです。BJTの高耐電圧性とMOSFETの高入力インピーダンスを組み合わせ、新エネルギー車の「CPU」やコア部品となっています。IGBTは駆動システムにおける直流 (DC) と交流 (AC) の変換を直接制御し、新エネルギー車両の最大出力やトルクなどの重要なデータを決定します。
電気自動車の核となるのは、高電圧（200～450V DC）バッテリーとそれに関連する充電システムです。電気自動車のメインモーター駆動には、通常、20～150kWの範囲の電力装置駆動電力が必要であり、平均電力は約70kWです。駆動電力、電圧が高く、エネルギー消費感度が高いため、電気自動車メーカーは、導通電圧降下が低く、動作電圧が高いIGBTモジュールを使用することが多いです。
シリコンベースのMOSFETと比較すると、IGBTは高電圧動作に適しており、両者は互いに補完し合っていることがわかります。
電力駆動システムでは、インバーターモジュールでIGBTが使用され、バッテリーからのDC電力をAC電力に変換してモーターを駆動します。電源システムでは、IGBTはさまざまなAC-DCコンバータやDC-DCコンバータで使用され、バッテリーを充電したり、電力レベル変換機能を実行したりします。さらに、IGBT逆電力モジュールは電気自動車の充電ステーションで使用され、DC電力をAC電力に変換します。その後、変圧器結合および整流ユニットを介してさまざまな電流および電圧仕様に変換され、電気自動車の充電が容易になります。
市場競争の面では、IGBTは現在、欧州と日本の大手メーカーによって支配されており、上位5社で60%を超える市場シェアを占めています。民生証券の統計によると、インフィニオンテクノロジーズは現在32.7%の市場シェアを誇り、IGBT分野では絶対的な大手企業となっている。
アプリケーション ソリューションに関しては、インフィニオンは、マッチングされたエミッタ制御ダイオードを備え、自動車アプリケーションの要件を満たす車載IGBTモジュールFS820R08A6P2Bを発表しました。
インフィニオンテクノロジーズの750V HybridPACK™ ドライブモジュール
紹介によれば、Infineon 750V HybridPACK™ ドライブモジュールは、ハイブリッド車および電気自動車のメインインバータ（xEV）向けに最適化された超小型電源モジュールです。この製品シリーズは、6つの異なるパッケージ バージョンで最大の電圧と電力のスケーラビリティを提供し、200A ～ 900Aの電力範囲と400V ～ 1200V (チップ定格) の電圧範囲をカバーします。直接はんだ冷却 (DSC) 技術の使用により、十分な拡張可能性が提供されるだけでなく、効率が25% 向上します。
Infineonは、ベアチップ、ディスクリートデバイス、パワーモジュール、コンポーネントなど、さまざまな電圧および電流レベルでさまざまな製品の組み合わせを提供し、多様なIGBT製品シリーズを提供しています。ワイヤボンディングされたFS820R08A6P2B (820A/750V) は、150kWインバータ用に最適化された6パック モジュールです。このパワーモジュールには、自動車用マイクロパターン トレンチ フィールド ストップ セル設計を採用したEDT2 IGBTチップが組み込まれています。このチップは、ベンチマークとなる電流密度、優れた短絡耐性、強化された電圧遮断機能を備えており、過酷な環境条件でも信頼性の高い動作を保証します。EDT2 IGBTは軽負荷時の電力損失も非常に優れているため、実用サイクル中のシステム効率の大幅な向上に貢献します。このチップは、10kHz範囲内のスイッチング周波数に最適化されています。
金額で見ると、IGBTは新エネルギー車の電気制御システム全体のコストの約37% を占めます。これらは制御システムにおいて最も重要な電子部品の一つであり、電動化の度合いが高ければ高いほど、車両におけるIGBTの割合が高くなります。新エネルギー車向けIGBTの世界市場規模は2025年までに40億ドル近くに達すると予測されており、5年間の年平均成長率 (CAGR) は39.4% となり、大きな市場の可能性を示しています。
現在、新エネルギー車の爆発的な需要と供給の拡大サイクルのミスマッチにより、車載用IGBT市場全体が深刻な供給不足に直面しています。
業界では早くも2022年に、オン・セミコンダクターの深セン工場のIGBT生産能力が2023年分完売し、未納品リスクを軽減するために同社はIGBTの新規受注を停止したと報じられた。この動きは、現在の市場における車載グレードのIGBTに対する需要の高さを示しています。一部のサプライチェーンベンダーは、2023年も車載グレードIGBTの需給ギャップが緩和する兆しはないと指摘している。
シリコンベースのデバイスは限界に直面しており、SiCパワーデバイスが画期的な解決策として登場
シリコンベースの材料は、長い間、自動車のパワー半導体に広く使用されてきました。しかし、シリコンベースのデバイスは、その性能に限界があるため、電力密度をさらに向上させることが難しく、スイッチング周波数が高く電圧が高い場合、損失が大幅に増加します。
これを受けて、SiC（シリコンカーバイド）やGaN（窒化ガリウム）に代表される第3世代のワイドバンドギャップ半導体材料が徐々に登場してきました。これらの材料は、高電力、高周波、過酷な動作環境に適しており、シリコンベースのデバイスの問題点に対処します。
中でも、SiCは新世代のワイドバンドギャップ半導体材料として、広いバンドギャップ、高い破壊電界、高い飽和電子ドリフト速度、高い熱伝導率、高い耐放射線性などの特性を備えています。高温、高電圧、高周波、高電力を必要とするデバイスの製造に適しています。そのため、業界では電気自動車へのSiCパワーデバイスの応用に大きな期待が寄せられています。
応用シナリオの観点から見ると、SiCパワーデバイスは主に電気駆動、OBC (オンボード充電器)、DC/DC変換分野で使用されます。電力密度を高めながら、パワーエレクトロニクス システムの容積、重量、コストを大幅に削減できます。小型軽量化されたSiCデバイスは、車両自重によるエネルギー消費も削減します。
メインドライブインバータの用途において、シリコンカーバイド (SiC) MOSFETはシリコンベースのIGBTに比べてどのような利点がありますか?
- SiC MOSFETはシリコンベースのIGBTに比べて電力変換効率が高く、電気自動車の走行距離を5～10％延長することができます。つまり、同じ走行距離であればバッテリー容量を削減でき、バッテリーコストを削減できます。
- SiC MOSFETの高周波特性により、インバータコイルやコンデンサの小型化が可能になります。これにより、電気駆動システムのサイズが大幅に縮小され、可聴ノイズが低減され、モーターの鉄損も減少します。
- SiC MOSFETはより高い電圧に耐えることができます。同じモーター出力の場合、電圧を上げることで電流強度を下げることができ、軽量で省スペースなワイヤーハーネスが可能になります。
シリコンカーバイド（SiC）デバイスの個々の単価は現在Si-IGBTよりも高いですが、上記の利点により車両システム全体のコストを削減できます。2018年、テスラはモデル3でSi IGBTをSiCデバイスに置き換え、車両のインバーターの効率を大幅に向上させました。SiCパワーデバイスは優れた特性から大手自動車メーカーの間で人気が高まっており、現在では世界で20社以上の自動車会社がSiCパワーデバイスの採用を開始しています。
この傾向に対応して、業界をリードする企業である Wolfspeed は、650V E3Mシリーズを導入し、AEC-Q101車載グレードのSiC MOSFET製品ラインナップを拡充しました。
提供された情報によると、Wolfspeedの新しい車載グレードE3M 650V、60mΩ MOSFETシリーズは、設計者がEVオンボード充電器と高電圧DC/DCコンバータの要件を満たすのに役立ちます。Wolfspeedの第3世代SiC MOSFETテクノロジーを採用した E3M0060065D およびE3M0060065Kは、高温でのオン抵抗が低く、静電容量が低く、高速スイッチング機能があり、ボディ ダイオードの回復特性が優れており、最大接合温度は175°Cです。
市場で入手可能な既存の650V SiC MOSFETと比較すると、WolfspeedのE3M 650V SiC MOSFETテクノロジーは損失が少なく、その結果動作温度も低くなり、最終アプリケーションの効率が大幅に向上します。損失が減少するとデバイスの温度も低下し、全体的な熱管理コストが削減され、システムレベルの電力密度が向上します。
800V高電圧急速充電の時代を迎え、SiCデバイスの普及が加速しています。
同時に、消費者は充電効率と充電時間に敏感であり、より長い走行距離は顧客の主な要求の1つです。業界メーカーは電気自動車の電動化プロセスを積極的に進めており、現在主流のモデルの大部分は800Vアーキテクチャを採用しています。2025年までに、800V+SiCソリューションの普及率は15%を超えると予想されています。
同様に、電気自動車を800V電圧アーキテクチャにアップグレードする場合は、1200V SiC MOSFETデバイスの採用が必要になります。
これに対応して、 オン・セミコンダクター は昨年、1200V M3PプレーナーSiC MOSFETシリーズの一部として NTBG014N120M3P SiC MOSFETを発表しました。
ON SemiconductorのMOSFETは電力アプリケーション向けに最適化されていることがわかります。プレーナー技術により、負のゲート電圧駆動時およびターンオフ過渡時の信頼性の高い動作が可能になります。このシリーズは18Vゲート ドライブで最適なパフォーマンスを発揮しますが、15Vゲート ドライブでも使用できます。SiC MOSFETは電気自動車の充電ステーションに適しており、高電圧、高温、高周波対応などの優れた物理的特性を備えており、新エネルギー車の800V高電圧急速充電時代にシリコンベースのIGBTに取って代わると期待されています。
NTBG014N120M3Pアプリケーション回路
最近、ON Semiconductorは最新世代の1200V EliteSiCシリコンカーバイド (SiC) M3Sデバイスをリリースしました。このデバイスは、パワーエレクトロニクス エンジニアがエネルギー効率を向上させ、システム コストを削減するのに役立ちます。新製品ラインナップには、スイッチング速度を向上させるEliteSiC MOSFETとモジュールが含まれており、800V電気自動車オンボード充電器（OBC）、電気自動車のDC急速充電、太陽光発電ソリューション、エネルギー貯蔵など、エネルギーインフラ分野の幅広いアプリケーションに対応します。
製品ポートフォリオには、業界をリードする超低Rds(on) 値を特徴とし、標準F2パッケージを採用した、ハーフブリッジ電源統合モジュール (PIM) を備えた新しいEliteSiC M3Sデバイスも含まれています。これらのデバイスは、高い電力密度を提供するように設計されており、エネルギー インフラストラクチャ、電気自動車のDC急速充電、無停電電源装置のアプリケーションに適しています。自動車用途向けに設計された1200V EliteSiC MOSFETは、最大22 kWの高出力OBCおよび高電圧から低電圧へのDC-DCコンバータ専用です。M3Sテクノロジーは高速スイッチング アプリケーション向けに特別に開発されており、市場の類似製品と比較して優れたスイッチング損失品質係数を提供します。
現在、オン・セミコンダクターの半導体製品は、オンボード充電器、高電圧トラクションバッテリー管理、DC-DCコンバータ、高電圧パワートレイン、メインドライブインバータ、48Vベルトスタータージェネレーター（BSG）、ADAS、インフォテインメント、ドア、シートコントロールなど、さまざまな自動車分野で利用されています。
前述の利点と特性により、SiCパワーデバイスは、800V電圧プラットフォーム上の電気自動車のパフォーマンスを向上させるための重要な技術になりつつあります。SiCチップサプライヤーは、自動車メーカーにとって非常に魅力的なパートナーになりつつあります。
市場全体を見ると、SiCデバイス、特に車載用SiCパワーデバイスの市場は主に海外メーカーが独占しています。STMicroelectronics、Infineon、Wolfspeed、ROHM、ON Semiconductorなどの大手IDM企業は、長年にわたり自動車市場に深く関与しており、上流の材料からデバイス製造まで、産業チェーンのさまざまな側面に及んでいます。同社は自動車メーカーやティア1サプライヤーと緊密な協力関係を築き、大きな市場優位性を獲得しています。
業界調査データによると、SiC市場は今後数年間で急速な成長を遂げると予想されています。2025年までに、新エネルギー車向けの世界のSiCパワーデバイス市場は37億9,000万ドルに達し、5年間の年平均成長率（CAGR）は64.5%になると予測されています。中国国内市場は21億ドルに達すると推定され、5年間のCAGRは72.6%で、中国は新エネルギー車におけるSiCデバイスの主要市場となるでしょう。
しかし、巨大な市場潜在力にもかかわらず、中国国内のSiC産業はまだ初期段階にあり、国際基準と比べるとまだギャップがあります。基板生産に携わる国内メーカーとしては、山東天悦、天科和達などがある。エピタキシャル製造業者としては、Han's Laser TechnologyやDongguan Tianyuなどがあります。設計メーカーには、上海占鑫電子、上海漢鑫などがある。IDMメーカーには、Tech Semico、China Power、Sanan Integrated Circuit、Huahong Microelectronics、Silan Microelectronicsなどがあります。
国内のSiC産業は完全な産業チェーンのレイアウトを実現していますが、現地化率はまだ比較的低いです。国内需要の拡大に伴い改善が見込まれます。
結論
現在、新エネルギー自動車産業の変革と急速な成長に伴い、自動車用電源装置の車載構造にも急速な変化が起こっています。中でもパワーデバイスは、自動車1台あたりの半導体増分のうち80％以上を占めており、数量と価格が同時に上昇し、急速に発展している分野となっています。
このプロセスにおいて、車載用パワーデバイスはシリコンベースのMOSFETからIGBTおよびSiCデバイスへの移行が進んでおり、材料のアップグレードが車載用パワーデバイスの性能向上と反復を先導しています。この進歩は新エネルギー車の分野で継続的な進歩を推進し、未来に無限の可能性を生み出しています。
前述のように、 Infineon のFS820R08A6P2Bは、150 kWインバータ向けに最適化された6パックIGBTモジュールです。EDT2 IGBTチップ生成技術を採用しており、ベンチマークとなる電流密度、優れた短絡耐性、強化された電圧遮断性能を提供し、過酷な環境条件下でもインバータの信頼性の高い動作を保証します。EDT2 IGBTは軽負荷時の電力損失も非常に少なく、実際の動作サイクル全体にわたってシステム効率の大幅な向上に貢献します。
Wolfspeedは、650V E3Mシリーズ車載グレードSiC MOSFET、モデルE3M0060065Dを発表しました。高温時のオン抵抗が低く、低容量で高速スイッチングが可能、ボディダイオードの逆回復特性が優れ、最大接合温度が175℃と高いのが特徴です。°この製品は、EVオンボード充電器と高電圧DC/DCコンバータの要件を満たす設計エンジニアを支援します。
Analog Devicesは、1200V M3PプレーナーSiC MOSFETシリーズの一部であるNTBG014N120M3Pを発売しました。電気自動車の充電ステーションに適しており、高電圧耐性、高温耐久性、高周波機能などの優れた物理的特性を備えています。SiC MOSFETは、新エネルギー車向けの800V高電圧超急速充電の時代に、シリコンベースのIGBTに取って代わる可能性があります。
さらに、業界のメーカーは、エンジニアがエネルギー効率を向上させ、システムコストを削減できるように、より最適化された製品を継続的に導入しています。
要約すると、パワーデバイス市場は、新エネルギー自動車産業のリーダーシップの下、大きな可能性を秘めています。関連業界のメーカーは、この市場機会と時間枠を捉えるべきです。電子製品および関連サービスの大手サプライヤーとして、Arrow Electronicsは豊富な上流リソースを持ち、Infineon、ON Semiconductor、 STMicroelectronics、Renesas、 ROHM、Wolfspeedなどの国際的なオリジナルメーカーと緊密に連携しています。これにより、顧客は非常に堅牢で回復力のあるサプライ チェーンを確保できます。
需要のあるパートナーは、 Arrow Electronics オンライン ストアにアクセスして、製品の価格、在庫、リード タイムを確認し、実際のニーズ、市場動向、その他の要因に基づいて評価できます。調達戦略と取り組みをタイムリーに調整し、在庫を効果的に管理することで、常に変化する市場での地位を確保し、将来的に勝利することができます。
