Source: This article comes from John Palmour, chief technical officer of Wolfspeed, Cree.

多くの電力システムがシリコン（Si）から炭化ケイ素（SiC）技術への移行を進めている。これは、1980年代のバイポーラ半導体から絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）への移行以来、パワー半導体業界が経験する最大の変革となるだろう。この移行は、影響を受ける多くの産業が異例の大きな変革期を迎えている時期に起こっている。自動車産業から太陽光発電に至るまで、炭化ケイ素（SiC）の利点は無視できないものとなっている。大きな変革期を迎えている各主要企業は、炭化ケイ素（SiC）を自社技術にさらに統合しようと取り組んでいる。

自動車産業は、前例のない変化を遂げている現代産業の代表例です。今後10年間で、自動車産業は内燃機関から電動化へと移行します。シリコン（Si）から炭化ケイ素（SiC）への変換は、電気自動車の効率を高め、消費者のニーズを満たすとともに、気候変動の影響に対処する政府規制を遵守する上で重要な役割を果たします。炭化ケイ素（SiC）ソリューションは、電気自動車を「次のレベル」へと引き上げるのに役立ち、急速充電インフラ、駆動インバータ、電源などの用途を改善し、通信、軍事、航空宇宙などの用途における進歩を可能にします。

図1. 研究所内のクリー社の従業員

電気自動車の可能性

テスラ、フォード、フォルクスワーゲンなどの自動車メーカーは、消費者の需要の高まりと政府規制の強化を受け、今後10年間で電気自動車に3,000億ドル以上を投資する計画を発表した。アナリストは、2030年までにバッテリー式電気自動車（BEV）が車両全体の15％を占めると予測している。その結果、電気自動車用炭化ケイ素（SiC）部品の市場は今後数年間で飛躍的に成長すると見込まれている。

電動化への注目が高まる中、メーカーはもはや炭化ケイ素（SiC）の利点を無視することはできない。炭化ケイ素（SiC）は、従来の電気自動車で使用されているシリコン（Si）技術と比較して、バッテリーの航続距離を伸ばし、性能を向上させ、充電時間を短縮する。そのため、多くのサプライヤーがCree社と共同でEV関連の取り組みを発表している。例えば、Delphi Technologies社は炭化ケイ素（SiC）半導体を用いた、より効率的で小型軽量なインバーターシステムを開発しており、ZFグループは完全電動パワートレインを開発している。ABBグループは炭化ケイ素（SiC）をベースとした様々な電力システムを開発・供給している。

効率向上

炭化ケイ素（SiC）は、シリコン（Si）ベースのIGBTに比べてスイッチング損失がはるかに低い。さらに、炭化ケイ素デバイスは内蔵電圧がなく、導通損失も大幅に低い。その結果、炭化ケイ素（SiC）は電力密度が高く、軽量で、より高い周波数で動作する。最近の車載試験では、Cree社の炭化ケイ素（SiC）技術により、シリコン（Si）と比較してインバータ損失が約78%削減された。

自動車業界では、こうした効率向上は、パワートレインソリューション、電力変換器、車載および外部充電器などに活用できます。炭化ケイ素（SiC）は、従来のシリコン（Si）ベースのソリューションと比較して、電気自動車の全体的な効率を5～10%向上させることができます。メーカーはこれを利用して、航続距離を伸ばしたり、かさばって高価なバッテリーの必要性を減らしたりすることができます。さらに、炭化ケイ素（SiC）は冷却要件を軽減し、省スペースで、シリコン（Si）ベースのソリューションよりも軽量です。炭化ケイ素（SiC）は急速充電器にも使用されており、現在ではわずか5分で航続距離を75マイル延長できます。

炭化ケイ素（SiC）ソリューションのコストが継続的に低下していることから、採用がさらに拡大しています。自動車を例にとると、電気自動車に使用される炭化ケイ素（SiC）部品の価格は、電力要件に応じて約250ドルから500ドルと推定されます。自動車メーカーは、バッテリーコスト、バッテリーとインバーターのサイズと重量、冷却要件などにおいて、電気自動車1台あたり最大2,000ドルのコスト削減を実現できます。シリコン（Si）から炭化ケイ素（SiC）への移行を促進する要因は他にも多数ありますが、この点は特に重要です。

自動車業界以外

クリー社の9億ドル規模の炭化ケイ素（SiC）市場機会のうち、自動車産業からの需要が約半分を占めており、太陽光発電、航空宇宙・防衛、通信インフラも主要な需要牽引役となっている。カナコード・ジェニュイティの最近の予測によると、炭化ケイ素（SiC）の需要は2030年までに20億ドルを超える見込みだ。

図2。 Cree 650V MOSFET

炭化ケイ素（SiC）製パワーデバイスは、産業およびエネルギー企業が電力とスペースを最大限に活用するのにも役立ちます。炭化ケイ素（SiC）は、高周波産業用電源や無停電電源装置（UPS）の効率向上、電力密度向上、軽量化を実現し、そのメリットはコストをはるかに上回ります。これらの分野では、効率向上は利益向上につながります。

パワーエレクトロニクスの分野において、炭化ケイ素（SiC）はシリコン（Si）よりもはるかに効率が高く、電力密度は3倍にもなるため、高電圧システムの軽量化、小型化、高効率化、そしてコスト効率の向上を実現しています。この優れた性能はもはや限界に達しており、現在の市場で競争力を維持したいメーカーは、もはやこの事実を無視することはできません。

半導体の未来

これまで、炭化ケイ素（SiC）の普及における大きな障壁はコストでした。しかし、生産量と経験の増加に伴い、コストは低下し続けています。その結果、製造もより効率的かつ洗練されてきました。さらに、顧客は炭化ケイ素（SiC）の真の価値はデバイスレベルでの比較ではなく、システムレベルでの比較にあることに気づき始めています。様々な産業のニーズに応えるため、炭化ケイ素（SiC）の製造は今後も改善され、生産量は増加し続け、価格は低下し続けるでしょう。Cree社を例にとると、同社はこうしたニーズに応えるため、ニューヨーク州に最先端技術を採用し、自動車グレードの基準を満たす工場を建設するなど、大規模な投資を行ってきました。これにより、生産能力は2017年の30倍以上に増加する予定です。

シリコン（Si）から炭化ケイ素（SiC）への移行は、もはやいつ起こるかという問題ではなく、既に始まっています。多くの産業におけるこの大きな変化に深く関われることは、非常に刺激的なことです。これらの産業の未来は決して静的なものではなく、今後も前例のない変化が続くことは間違いありません。そして、こうした変化に迅速に対応できるメーカーこそが、大きな成果を上げることができるでしょう。

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