Yole Developmentの市場調査レポートによると、シリコンパワー半導体デバイスの誕生以来、用途の需要の高まりによって接合部温度が上昇し、現在では150℃に達している。

第三世代のワイドバンドギャップ半導体デバイス（SiCなど）の登場と、それらの成熟度の向上および本格的な商業化に伴い、その独自の高温耐性により、接合部温度は現在の150℃から175℃へと加速的に上昇し、将来的には200℃に達するだろう。

SiCの持つ独自の高温特性と低スイッチング損失という利点により、接合部温度の上昇傾向は電力システムの設計パターンを大きく変えることになるでしょう。こうした将来を見据えた高温・高電力密度用途の典型例としては、高度に統合された電気自動車のパワートレイン、多電動および全電動航空機、さらには電動航空機、移動式エネルギー貯蔵充電ステーションやパワーバンク、そして液冷が極めて制限される様々な電力用途などが挙げられます。

電気自動車のパワートレイン（モーター、電子制御装置、ギアボックス）は、3in1化へと向かっていますが、現状では構造的に積み重ねられているだけで、統合度は低いと言えます。構造的に言えば、将来的にはパワートレインの高度な統合が必然的な流れとなるでしょう。なぜなら、これにより体積、重量、内部消費量をそれぞれ約3分の1削減でき、総コストを2～4分の1に抑えることができるからです。

しかし、電子制御部はモーターと密接に統合されるため、高度な統合によって電力密度が大幅に向上する。高温は避けられない最大の課題である。

典型的な高温用途

従来の航空機では、尾翼、翼、着陸装置などの機械的な動きは、古典的な油圧トランスミッションによって制御されていました。作動油は液体であるため、環境の影響を大きく受け、メンテナンスコストも高額です。現在、部分的または完全な電動化、すなわち多電動航空機や全電動航空機の構想が進んでいます。

航空機において油圧回路の代わりに電動モーターを用いて機械的な動作を実現する方法は、高い信頼性、優れた保守性、そして冗長バックアップ設計の容易さといった利点を持つ。しかしながら、最大の課題は、航空機のモーターや電子制御装置に水冷装置を装備することが認められておらず、強制空冷と自然冷却に頼るしかない点である。そのため、多電動機、全電動機、あるいは電動機の電子制御設計を実現するには、まず高温への対応という主要な技術的課題を克服する必要がある。

さらに、多くの応用シナリオにおいて、半移動式エネルギー貯蔵充電ステーションと完全移動式パワーバンクは、固定式充電のギャップを効果的に埋めるだろう。特に電気自動車の大規模な普及に伴い、この傾向はより顕著になるだろう。

しかし、この種のモバイル充電用途では、水冷機構は重量と体積の増加をもたらすだけでなく、より重要なことに、蓄えられた電気エネルギーを消費してしまう。したがって、電子制御には自然冷却が最適であるが、電子制御システムの熱管理の問題を適切に処理する必要がある。

上記3つの代表的な高温用途に加え、液冷が極めて制限される多くの特殊な産業用途においても、電子制御システムは同様の高温課題に直面します。高温電気制御技術は、上記のような高温用途を実現するための鍵となります。その中核となる実装技術は、SiCパワーデバイスの高温パッケージング技術と、それに適合する高温駆動回路技術です。

「天才」SiC

SiC材料とそのデバイス構造は、本来的に高い耐熱性を持ち、真空条件下では400～600℃の温度にも耐えることができます。しかし、実際の用途では、空気との接触による酸化を防ぐためにSiCデバイスをパッケージ化する必要があり、高温に耐えるためには耐熱性の高いパッケージに収める必要があります。

接合部温度150℃は現在、業界最高水準です。175℃の接合部温度レベルは、ようやく実現し始めたばかりです。準標準化されたパッケージも利用可能ですが、200℃以上の温度に対応するパッケージは、パッケージ材料と製造プロセスに非常に厳しい要件があり、熱伝導率と放熱性能の要件を満たすために、ベアチップの特性に合わせてカスタマイズする必要があります。

SiCパワーデバイスおよびモジュールの応用は、ドライバ回路とその対応チップと切り離すことはできません。しかし、ほとんどのドライバ回路チップは一般的なシリコンデバイスであり、高温に耐えることができません。175℃などの高温で1,000時間動作できるものは、すでに稀です。

さらに、高温耐性は問題の一側面に過ぎません。より深刻なのは、高温下でのデバイス性能の安定性です。一般的なシリコンデバイスは70℃を超えると性能が急速に低下するため、高温環境での使用には適していません。

Cissoid社のSOI特殊シリコンデバイスは、20年以上にわたる革新的な研究開発と応用試験を経て、卓越した耐高温性を実現しました。175℃で15年間連続動作が可能で、全温度範囲において優れた性能安定性を誇ります。SiC高温アプリケーションを支える基盤となる製品です。

「温度」のジレンマを打破する

Cissoid社のSOIベースの特殊シリコン半導体技術は、シリコン半導体デバイスの温度に関する課題を包括的に克服し、シリコンデバイスの温度キャリア効果（温度上昇に伴い真性キャリア濃度が増加する）および接合温度効果（温度上昇に伴い実効接合障壁が低下する）の影響を明確に回避します。高温に耐え、長時間動作できるだけでなく、全温度範囲にわたって優れた性能の一貫性を維持できます。

その結果、Cissoid社の高温半導体デバイスは、航空宇宙分野や石油探査分野で長年にわたり高く評価されており、20年近くにわたる高温用途での実績と経験を有しています。

近年、第3世代半導体SiCパワーデバイスの普及に伴い、CissoidはSiC MOSFET向けの耐高温ドライバチップおよびソリューションを開発しました。この独自の耐高温性により、SiCパワーモジュールにできるだけ近い位置に配置することが可能となり、駆動回路の寄生インダクタンスを最小限に抑え、リンギングをより効果的に抑制し、最適な効率を実現します。

最近、Cissoidは電気自動車や全電動／多電動航空機の電力駆動用途向けに、拡張可能なプラットフォームシリーズである三相フルブリッジ1200V SiC MOSFETインテリジェントパワーモジュール（IPM）システムを発表しました。このシステムは、低スイッチング損失技術を活用し、IPMという統合ソリューションを提供します。

IPMは、ゲート駆動回路と三相炭化ケイ素パワーモジュールで構成されています。両者の連携は最適化され、SiCデバイスの利点を最大限に活用できるようになっています。

現在生産されているCXT-PLA3SA12450AAモジュールは、定格接合部温度が最大175℃、ゲート駆動回路は最大125℃の環境下で動作可能です。さらに、用途条件やシナリオに応じて、上位レベルの受動部品やメインチップおよびモジュールのパッケージを交換することで、動作温度レベルをさらに向上させることができます。

シリコン半導体デバイスが誕生して以来、高温用途はそれらの応用における鍵となってきた。

Cissoid社の革新的な特殊SOIシリコンチップ技術は、高温半導体ディスクリートデバイスおよび小型集積回路において、大きなブレークスルーを達成する上で主導的な役割を果たしています。

SiCパワー半導体デバイスなどの第三世代半導体が成熟し普及するにつれ、それらの固有の耐高温性とCissoid高温半導体デバイスとの相性が非常に良くなり、電力システム設計のパターンを大きく変え、設計エンジニアに新たな拡張の余地を提供するだろう。

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