自動車アプリケーションは、よりエネルギー効率の高い半導体技術の開発を推進しており、ワイドバンドギャップ (WBG) は、多くの自動車用途や電気自動車 (EV) 充電などのインフラストラクチャのサポートにおいて先頭に立っています。
WBG技術は、その大きなバンドギャップによって、従来の半導体や「レガシー シリコン」と大きく異なります。このバンドギャップとは、価電子帯の上部と伝導帯の下部の間のエネルギー差のことです。この差によって、WBG半導体パワー デバイスはより高い電圧、温度、周波数で動作できるようになります。これは、新しく出現した非シリコン材料の使用によって可能になったものです。
WBGパワーエレクトロニクス (PE) は、PEの小さいながらも成長している分野です 。WBG PEデバイスは、電気の変換、制御、および処理に使用されます。WBG半導体パワーデバイスは、より効率的なエネルギー生成、伝送、消費を可能にするため、多くの自動車用途に最適です。
ギャップと材料に注意 …
シリコンなどの一般的な半導体材料のバンドギャップは1 ～ 1.5電子ボルト (eV) の範囲ですが、WBG半導体のバンドギャップは2 ～ 4 eVの範囲とさらに大きくなります。基本的に、WBG半導体は従来のシリコンよりも高い最高温度で動作できるため、バンドギャップが広いほど優れており、これは自動車用途では重要な特性です。
物理学者によって定義される物質のバンドギャップとは、伝導帯（電子機器がジャンプできるバンド）の最低の空状態と価電子帯（エネルギーの印加によって励起されたときに電子がジャンプする電子軌道のバンド）の最高占有状態との間のエネルギー差です。電子が価電子帯から伝導帯に移動するために必要なエネルギーは、このバンドギャップによって決まります。
ギャップ自体の他に、WBG半導体で使用される材料が、従来の半導体と異なる点です。最も一般的なのは 窒化ガリウム（GaN） とシリコンカーバイド（SiC）であり、これらの技術の市場は 2032年までに690万ドルを超えると予測されています。
GaNのバンドギャップは3.2 eVですが、SiCのバンドギャップは3.4 eVで、シリコンの約3倍になります。GaNとSiCはバンドギャップが大きいため、従来のシリコンよりも高い電圧と周波数をサポートできますが、互いに異なる点もあります。これらの要素は、自動車用途を含む、動作方法と使用例に影響します。
GaNとSiCの最も顕著な違いは、電子部品が半導体材料内をどれだけ速く移動できるかによって定義される速度です。GaNの「電子移動度」は2,000 cm2/Vsでシリコンより30% 高速ですが、SiCの電子移動度は650 cm2/Vsです。GaNは電子移動度が高いため、高性能、高周波アプリケーションに適しています。一方、SiCは熱伝導率が高く、動作周波数が低いため、高出力アプリケーションに適しています。
これらの違いこそが、GaN半導体がギガヘルツ範囲でスイッチングするRFデバイスに適している理由であり、また、EVやデータ センター、一部の太陽光発電設計、鉄道牽引、風力タービン、グリッド配電、産業用および医療用画像処理でSiCが使用されている理由です。これらの分野では、より高い電圧とより優れた放熱性が求められる傾向があります。
主流のシリコン技術が、既存および新興のアプリケーションにおいてパフォーマンスの限界に達し始めているため、GaNとSiCはどちらも自動車アプリケーションで使用するといくつかの利点をもたらします。
WBGは自動車業界の熱狂に耐えられる
WBG半導体の全体的な利点は、より高い電界に耐え、より高い電圧を維持し、より高いスイッチング周波数で動作できるため、パフォーマンスが向上することです。また、従来のシリコンよりも高い最高温度にも対応します。
WBGテクノロジーは、スイッチが高速であるため小型化も可能で、エネルギーがより小さなパケットで配信されるため、回路の受動デバイスと誘導デバイスに蓄えられるエネルギーが少なくて済みます。小型化は自動車にとって常に良いことです。特に、より高い出力と改善されたエネルギー効率が実現される場合はなおさらです。車体の重量が軽減され、燃費が向上すると同時に炭素排出量も削減されます。これは特にEVに当てはまります。GaNとSiCは車内だけでなくEV充電インフラにも多くの用途があるからです。
GaNは、より小型で、より効率的で、より低コストの電力システムを可能にするため、バッテリーの小型化と軽量化、充電性能の向上、EV走行距離の延長など、車両の電動化のいくつかの重要な側面をサポートします。GaNは、ワイヤレス電力アプリケーションや自律走行車の機能もサポートします。
EV充電インフラストラクチャの重要な部分はオンボード充電器 (OBC) です。すべてのEVに1つ必要であり、壁のコンセントからのAC電力をバッテリーを充電するDC電力に変換できる必要があります。GaNベースのトランジスタにより、これらのOBCはより小型かつ軽量化され、当然ながら車両全体の重量が軽減され、走行距離が延長されます。GaNトランジスタは、バッテリー内でDCをACに変換し、エネルギー効率を高めて走行距離を延ばすトラクション インバータとしても使用されます。
一方、EVの普及に必要な充電インフラは、ベアダイ、個別のショットキー ダイオードとMOSFET、パワー モジュールなどのSiCベースの電源製品を通じてSiC技術の恩恵を受けています。より高い電力変換能力、より高速なスイッチング速度、改善された熱性能により、SiCはEV急速充電インフラストラクチャに最適です。GaNと同様に、SiCは従来のシリコン オプションよりも小型で軽量なデバイスを実現します。
SiCテクノロジーは、EVの急速充電インフラストラクチャに必要なシステム デバイス レベルでのEVの走行距離、信頼性、耐久性に関する不安を払拭するために必要な急速充電インフラストラクチャの構築において重要な役割を果たします。EVがより軽量で高出力密度のバッテリーを採用して航続距離を伸ばすにつれて、OBCは急速充電EVインフラストラクチャ内でスマート グリッド アプリケーションや電子商取引機能もサポートできるSiCベースのソリューションを通じて双方向になりつつあります。
柔軟性は自動車の設計にも重要であり、GaNとSiCの両技術は小型、軽量、エネルギー効率に優れているため、柔軟性をサポートします。EVが本格的に普及するには、EVドライバーだけでなく自治体や事業主など、さまざまな種類の車両や関係者に対応できる充電インフラが必要であり、システム設計者はこれらの要件を満たす充電ステーションを設計する必要があります。
WBG半導体は、自動車用途だけでなく、代替エネルギーや無停電電源装置などの用途における電力問題を解決する大きな可能性を秘めています -- 詳細については、このeBookをご覧ください。電力需要の増加と環境意識の高まりにより、WBGテクノロジーは、サイズを縮小し、エネルギー効率を高め、全体的な消費量を削減するなど、自動車分野では極めて重要な、電力デバイスに最適な選択肢となっています。
