パワーエレクトロニクス用ワイドギャップ材料の現在と未来

2021年の今日、我々は今後数十年を形作るパワーエレクトロニクスの新しい時代における初期段階にいます。バッテリー駆動またはハイブリッドエンジンを搭載した電気自動車(EV)は需要が高まっており、最終的にはガソリン車やディーゼル車から置き換わるでしょう。これらの車両は、ACグリッド接続部からエネルギーを供給し、その際にオンボード充電器が車両のバッテリーを充電するか、充電中に車両のバッテリーに直接接続されている外部DC充電器から高速に充電します。

エネルギー、環境のどちらの観点からも、石炭火力発電所からの電力で自動車を動かすことは理にかなわないため、太陽光や風力で発電したエネルギーと、そのエネルギーを蓄えて必要なときに利用する蓄電システムの需要が急速に高まっています。結論として、電気自動車、オンボード充電器、電気自動車充電ステーション、太陽光発電、風力発電、およびエネルギー貯蔵システムの市場が急速に成長しています。

パワーエレクトロニクス市場の急速な成長の一例

パワーエレクトロニクスが急速に成長しているもう1つの分野は、データセンターで使用されるコンポーネントです。これはクラウドコンピューティング、人工知能、およびインターネットサービスの使用が増加することで成長に拍車がかかります。

無停電電源装置は、これらのデータセンターに信頼性の高い電力を供給します。データセンターの電子機器基板には、多くのオンボード電源が搭載されており、メイン入力電圧を48Vに変換した後、さらにデータセンター内のプロセッサ、FPGA、メモリの駆動に使用される低電圧に変換しています。

これらの新しいアプリケーションは、高効率と高出力密度を必要とします。オンボードの電気自動車用充電器は、車両内で大きなスペースを取り過ぎないようにする必要があります。新たに開発されるオンボード充電器でも、同程度のスペースが許容されますが、2倍の電力を供給できなければなりません。実用規模の太陽光発電所で使用されているソーラーインバーターは、人間が2人で移動可能なモジュラーユニットで構築されています。重量を増やさないでモジュラーユニットの電力を増強させることが、ソーラーインバーターの主要な開発トレンドです。最後に、バッテリー駆動車両では効率が高いほど走行距離が長くなります。出力密度が高いと車両が軽くなるため、車両設計の柔軟性が高くなるだけでなく、走行距離も長くなります。

これらのアプリケーションでは、シリコンパワー半導体がSiCおよびGaNパワースイッチに置き換えられています。SiCとGaNはワイドギャップ(WBG)材料です。これらの材料により、IGBTやシリコンMOSFETなどの従来のシリコンベースのパワースイッチと比較して、パワースイッチをより高い温度、周波数、電圧で動作させることができます。

SiCとGaNは一緒に語られることが多いですが、実際にはいくつかの重要な違いがあります。その違いのため使用される分野が異なります。

所定のR_DS(on)と耐圧に対して、GaNデバイスはSiCデバイスと比較して全体的に静電容量が小さくなります。しかし、SiCはGaNよりも熱伝導率が高く、温度係数が平坦なため、高出力および高温アプリケーションに適しています。SiCは650V以上のデバイスを必要とするアプリケーションで、GaNは100Vから650Vまでのアプリケーションで活用されています。

耐圧が100V前後のGaNデバイスは、48Vからそれ以下の電圧への中間電圧電力変換に使用されます。

この電圧範囲には、絶縁型バスコンバータ用クラウドコンピューティングおよび通信インフラでのアプリケーションがあります。さらに、クラウドコンピューティングおよびUSB PDアプリケーション用AC-DC電源には650V GaN電源スイッチが搭載されますが、これはユニバーサル入力電圧範囲が90 Vac～265 VacのAC-DC変換に適した電圧定格です。GaNの高周波特性により電源の受動部品を従来よりもはるかに小型にできるため、全体のソリューションがきわめてコンパクトになります。

• シリコン、SiC、GaN半導体のそれぞれの適用領域。SJはスーパージャンクション、IGBTは絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタを指す

ワイドギャップアプリケーション

これに対し、SiCデバイスは650V以上向けに設計されています。SiCが多様なアプリケーションに最適なソリューションとなるのは1200V以上です。ソーラーインバータ、電気自動車充電器、および産業用AC-DC変換などのアプリケーションは、長期的にはすべてSiCに移行するでしょう。

前述した新市場は市場自体が新しいものを切り拓いていくでしょう。交流用中電圧グリッド電圧の効率的な電力変換には強いニーズがあります。SiCは、現在の銅と磁石で構成される変圧器を半導体に置き換え、効率向上、高調波低減、グリッド安定性向上を実現する固体変圧器として、将来が有望視されています。

パワーエレクトロニクスの次の革命はすでに到来しています。SiCとGaNという有望なワイドギャップ材料のおかげで、パワーエレクトロニクスの未来は、幅広いさまざまな用途に対応可能な、効率的かつコンパクトなものになるでしょう。