2020年、ほとんどの急速充電器メーカーがまだ65W窒化ガリウム急速充電市場を模索している中、Baseusは、業界初の120W窒化ガリウム＋炭化ケイ素急速充電器を開発しました。この製品こそが、「炭化ケイ素による急速充電」というアイデアを初めて現実のものとし、急速充電分野における炭化ケイ素の商業利用への道を開いたのである。

その後、モマックス、REMAX他のメーカーもこれに倣い、炭化ケイ素をベースにした100ワット級の高出力急速充電器を数多く発売しており、これにより業界関係者や消費者の間で炭化ケイ素への理解が深まっている。

1. 公式発表：炭化ケイ素が第14次五カ年計画に盛り込まれる

2021年3月13日、新華網は「中華人民共和国第14次五カ年計画国家経済社会発展計画及び2035年までの長期目標の概要」を発表した。「集積回路」の分野では、炭化ケイ素、窒化ガリウムバンドギャップの広い半導体を開発する必要がある。

炭化ケイ素と窒化ガリウムは、いずれも第三世代半導体のワイドバンドギャップ半導体材料です。これらが「第14次五カ年計画」に盛り込まれたことは、その重要性が国家レベルにまで高まったことを示しています。国の支援があれば、第三世代半導体の開発に適した環境が速やかに整備され、その将来性は非常に有望であると私は確信しています。

2. 炭化ケイ素を用いた急速充電の利点

炭化ケイ素（SiC）は、炭素とケイ素の化合物です。炭化ケイ素単結晶材料の製造には、現在、物理気相輸送（PVT）法が用いられています。この方法では、2000℃を超える高温下で、炭素粉末とケイ素粉末を高温によって原子レベルまで分解し、温度制御によって炭化ケイ素種結晶上に堆積させることで、炭化ケイ素結晶を形成します。

第三世代半導体材料である炭化ケイ素（SiC）は、シリコン（Si）に比べて絶縁破壊強度、飽和電子ドリフト速度、熱伝導率に優れています。そのため、半導体デバイスに炭化ケイ素デバイスを用いると、高耐電圧、高速スイッチング、低オン抵抗、高効率といった特性が得られ、エネルギー消費量の削減やシステムサイズの小型化に貢献します。

炭化ケイ素は、電気自動車、インバータ、鉄道輸送、太陽光発電、風力発電、民生用電源など、幅広い分野で活用されています。近年、USB PD急速充電技術の普及と窒化ガリウム技術の成熟に伴い、高出力急速充電電源市場が徐々に台頭してきました。炭化ケイ素ダイオードも民生用電源市場に登場し始め、数百ワット級の高出力急速充電サプライチェーンに幅広く採用され、急速充電電源の効率向上と小型化に貢献しています。

Charging Head Networkは、高出力急速充電ソース製品の中で、炭化ケイ素ダイオードは主にPFC段昇圧整流に使用されます。窒化ガリウムパワーデバイスと組み合わせることで、PFCレベルの動作周波数を従来の急速充電における100KHz未満から300KHzに高めることができ、それによって昇圧インダクタの体積を削減し、高電力密度設計を実現するとともに、電源の効率を大幅に向上させることができます。

スイッチング電源では、整流後に大容量のフィルタコンデンサを使用するため、容量性負荷が発生します。コンデンサの充放電時に、電力系統に多数の高調波が発生し、汚染や干渉を引き起こします。そこで、スイッチング電源にPFC回路を導入する動きが始まりました。75Wを超える出力のスイッチング電源では、力率を改善し負荷特性を補正するために、PFC回路の追加が必須となっています。

PFCは、パッシブ型とアクティブ型の2種類に分けられます。パッシブ型は、直列補償のために大型インダクタを使用します。主な欠点は、サイズが大きいことと効率が低いことです。近年の半導体デバイスの急速な発展に伴い、パッシブPFCはアクティブPFCに完全に置き換えられました。アクティブPFCは、PFCコントローラ、スイッチングトランジスタ、インダクタ、ダイオードを使用して昇圧回路を構成します。小型で、入力電圧範囲が広く、力率補償効果が高いという利点があります。

そのため、炭化ケイ素は民生用電源の分野でますます注目を集め、高出力急速充電製品の中核的な競争力となりつつある。

3. 急速充電市場における炭化ケイ素サプライヤー

Charging Head Networkは調査により、現在市場には高出力USB PD急速充電器の分野で使用できる炭化ケイ素のサプライヤーが5社あり、具体的にはAlpha Power Solutions、Global Power Tyco Tianrun、Maplesemi、SGKS Sen Guoke、PY Pingweiであることを確認した。

以下のランキングは特に順不同であり、読者の便宜のためにブランド名でアルファベット順に並べているだけです。

アルファ パワー ソリューションズ

Alpha Power Solutions (APS)は2017年に設立され、2019年に本社を香港から上海に移転しました。同社は、シリコンカーバイド6インチウェハ製造技術の開発に成功した国内初の企業です。独自の主要SiCプロセスを組み合わせ、高出力SiCデバイスの製造に注力しています。現在までに30種類以上の製品を開発し、30件以上の発明特許および特許出願を独自に保有しています。現在、業界をリードする量産型SiCダイオード製品は、最大電圧3300V、最大電流50Aを実現しています。

Alpha Power Solutionsは、シリコンウェハー製造工場で6インチシリコンカーバイドウェハーの試作に成功した国内初の企業であり、シリコンカーバイドダイオードの製造に薄型化技術を採用した国内初の企業であり、独自の特許取得済みJBSアーキテクチャ（Buffer JBS）を持つ国内初の企業であり、製品の性能と品質において国際的なメーカーと同等のレベルに達した国内初のシリコンカーバイドデバイスサプライヤーです。

報告によると、創能電力が炭化ケイ素ダイオードACD06PS065Gを発売太陽光発電インバータ、AC/DCコンバータ、DC/DCコンバータ、無停電電源装置などに使用できます。このデバイスは、業界初の炭化ケイ素＋窒化ガリウムによる急速充電技術の開発にも貢献した。これにより、炭化ケイ素が民生用電源の分野で正式に商品化されることが可能になった。

Tyco Tianrun Semiconductor Technology (Beijing) Co., Ltd.は、中国における炭化ケイ素（SiC）パワーデバイスの産業化を推進する企業のひとつです。Tyco Tianrunは、中国の半導体パワーデバイス製造産業の発展に尽力し、世界中のパワーデバイスユーザーに高品質な半導体パワーデバイス製品と専門的なサービスを提供しています。

タイコ・ティアンルンは、北京に半導体製造プロセス一式を保有するウェハー工場を所有している。そして湖南省瀏陽市に6インチ炭化ケイ素パワーチップの生産ラインを建設した。4/6インチSiCウェハ上に半導体パワーデバイスの製造プロセスを実現できる。国内の炭化ケイ素の研究開発、生産、プラットフォームサービス企業であるTyco Tianrunの製品ラインは、基礎コア技術製品、炭化ケイ素成形製品、および複数の業界ソリューションセットで構成されています。

現在、タイコ・ティアンルンの炭化ケイ素デバイスシリーズ（650V/2A～100A、1200V/2A～50A、1700V/5A～50A、3300V/0.6A～50Aなど）は量産体制に入っている。そして、急速充電PFC回路専用の2つの炭化ケイ素ダイオードを発売した。製品の品質は、国際的な業界の先進レベルと完全に同等です。

タイコ・ティアンルンは、業界の同業他社、科学研究機関、国内外の専門家との共同探究・開発を通じて、SiCパワーデバイスの応用分野を拡大・促進しています。

2014年に設立されたメプソン・セミコンダクターは、研究開発、設計、製造、販売、サービスを統合した総合的な産業チェーン企業です。国家ハイテク企業であり、主にパワーMOS、中低電圧MOS、スーパージャンクションMOS、炭化ケイ素MOS、炭化ケイ素ダイオードなどの製品を取り扱っています。

メプセンセミコンダクターは、先進的なプレーナーVDMOS、トレンチMOS、SJMOS、SiC SBD、SiC MOSなどのプロセス構造に基づいたパワーデバイス製品の設計、開発、テスト、販売に注力しています。民生用電子機器、産業分野、新エネルギー分野などを市場ターゲットとし、世界トップクラスのパワーコンポーネント企業を目指しています。

それは理解されていますメプソン社、PFC回路向け炭化ケイ素ダイオードを発売650Vの耐電圧と175度の耐熱性を備え、現在モマックス(NAIST) とREMAX二つの有名アクセサリーブランドのサプライチェーンは、その優れたパフォーマンスで顧客から満場一致で高く評価されている。

SGKS セン・グオケ

深センセンゴクテクノロジー株式会社は、2013年11月に設立されたファブレス半導体設計会社です。本社は深セン市南山区科学技術生態園区にあり、深センと成都に研究開発および事業運営拠点を有しています。

Senguokeは設立以来、先進運転支援システム（ADAS）、AIレコーダー、電源シリーズチップなどを発売し、自動車業界や家電業界で幅広く活用されてきました。2018年には、モーター駆動チップとSiCパワーデバイスの開発に投資を開始し、2020年にはこれらの製品が市場で存在感を示し始めました。

Senguokeは、4Gレコーダー、ADAS、スマートドアベルなどの市場向けに、チップとシステムに関する総合的なソリューションを提供し、顧客にワンストップサービスを提供するとともに、上流および下流のパートナー企業により多くのビジネスチャンスを創出しています。

PY ピンウェイ

重慶平威実業有限公司は、チップ設計、パッケージング、テスト、アプリケーション、信頼性テストサービスを統合したパワー半導体IDM製品企業です。パワー半導体デバイスを産業基盤として、スマート端末、産業制御、IoT（モノのインターネット）、新エネルギー車、5G通信、家電製品、衛星インターネット、セキュリティエレクトロニクス、グリーン照明などの市場分野向けに製品開発、製造、テストプラットフォームを構築し、高信頼性の中低電圧および高電圧パワーデバイス、モジュール、その他の製品およびシステムソリューションを提供しています。

Pingweiは重慶市梁平工業団地に位置し、整流ダイオード、高速リカバリダイオード、TVS、ツェナーダイオード、ショットキーダイオード、整流ブリッジ、MOSFET、IGBT、同期整流器、SiCおよびGaNデバイスなど、各種半導体デバイスの製造を専門としています。敷地面積は24万平方メートル、登録資本金は3億5000万元、総投資額は1.5億元を超えています。

同社は45のパッケージング生産ラインと6つの試作生産ラインを有し、独立制御可能な半導体ディスクリートインテリジェント製造工場を建設しました。年間20億個の各種パワー半導体デバイスを生産・販売しており、中国における電源供給を支えるパワー半導体デバイスの総合サプライヤーとしては最大規模を誇ります。

高出力PD急速充電用PFC整流回路の応用、Pingweiが炭化ケイ素ダイオードPASC0665GGを発表逆回復特性も順回復特性もゼロで、効率的な動作、極めて高速なスイッチング速度、そして温度の影響を受けないスイッチング特性を備えています。

4. 炭化ケイ素製急速充電ケース

独自の特性を持つ炭化ケイ素は、高出力・高密度の急速充電源として注目を集め始めており、多くの急速充電源企業から支持されています。Charging Head Networkは、過去の解体調査から、現在Baseus 120W急速充電、MOMAX 100W急速充電、としてもREMAX 100W急速充電同社はシリコンカーバイド技術を初めて導入し、製品の電力密度向上を可能にした。

1、Baseus 2C1A 120W GaN充電器

2020年2月25日、Baseusは世界初の窒化ガリウム＋炭化ケイ素（GaN＋SiC）充電器を発表し、Kickstarterでクラウドファンディングに成功しました。この製品は最大120Wの出力を持ち、2C1Aのマルチポート出力構成を備えています。Baseus Galio 120W充電器に使用されている窒化ガリウム（GaN）と炭化ケイ素（SiC）は、現在最も先進的な電子半導体材料です。これらの材料は高周波特性に優れており、高電圧・大電流伝送に有利なため、高効率、低発熱、小型化を実現できます。

Baseus Galio 120W充電器は、PFC整流回路にAlpha Power製の炭化ケイ素ダイオード（製品型番：ACD06PS065G）を使用しており、ナノ窒化ガリウムパワーデバイスと組み合わせることで、ON Semiconductor製のPFCコントローラがアクティブ力率補正を行っていることが分かっています。

2、MOMAX 100W 2A2C 窒化ガリウム急速充電器

Momis 100W 2A2C 窒化ガリウム充電器は、四角くて平らなボディで、折りたたみ式ピンを備えています。ピンの設計から、他の仕様のピンの組み立てにも対応しており、持ち運びやすく、さまざまな地域に適しています。充電器は、QC、AFC、FCP、SCP、MTK PE+2.0、PD、PPS の急速充電プロトコルをサポートしており、2 種類のインターフェースはブラインドプラグをサポートするように設計されているため、ユーザーは急速充電インターフェースをわざわざ探す必要がなく、使いやすくなっています。インターフェースは 100W、65W+30W、および Huawei 22.5W の急速充電をサポートしており、幅広くサポートされており、非常に実用的です。製品全体が持ち運びやすく、使いやすいです。

MOMAXの充電器は、アクティブ力率補正のために、Mipurson MSD06065V1シリコンカーバイドダイオード、Innosec INN650D2窒化ガリウムスイッチチューブ、およびNXP PFCコントローラを使用しています。Mipurson MSD06065V1は、TO252パッケージの650V耐圧シリコンカーバイドショットキーダイオードであることが分かっています。

3、REMAX 100W 2A2C 窒化ガリウム急速充電器

REMAX 100W 2A2C 窒化ガリウム充電器は、マット仕上げの白いボディシェルを採用し、全体的に非常にシンプルな外観です。この充電器は、合計4つのインターフェース（2A2C）を備え、さまざまな一般的な急速充電プロトコルをサポートしています。USB-CポートとUSB-Aポートは、それぞれ1ポートあたり最大100Wと30Wの出力を持ち、複数のポートによる同時急速充電をサポートしているため、ノートパソコン、携帯電話、タブレット、モバイルバッテリーなどのデバイスの充電ニーズを満たすことができます。

Charging Head Networkは分解調査により、この充電器にはPFC昇圧回路が内蔵されており、LLC+GaN高性能アーキテクチャを採用していることを突き止めた。PFC昇圧部にはNXPコントローラが使用され、整流にはMipusen MSD04065G1炭化ケイ素ダイオードとInnosec INN650D2窒化ガリウムスイッチ管が採用されている。Mipusen MSD04065G1はTO252パッケージの650V耐圧炭化ケイ素ショットキーダイオードである。

充電ヘッドネットワークの概要

従来のPD急速充電方式、特に100ワット級の高出力PD急速充電方式においては、効率の確保が電力技術者にとって常に喫緊の課題でした。製品の信頼性を確保するため、ほとんどの充電器は容積を犠牲にして大型の放熱器を追加する必要がありました。そのため製品は非常に大型化し、ユーザーエクスペリエンスも完璧とは言えませんでした。この状況は、民生用電源分野で第3世代半導体が正式に商用化されるまで改善されませんでした。

100ワット級の高出力急速充電製品において、炭化ケイ素と窒化ガリウムは最適な組み合わせです。これらは電源のフロントエンドにおけるPFC昇圧および整流に併用されます。従来のシリコンデバイスと比較して、効率を向上させて極シルエット効果を実現できるだけでなく、その高周波特性を利用して昇圧インダクタの体積を削減できるため、製品全体の電力密度を向上させることができます。

高出力デバイスの数が増え続けるにつれて、小型で高出力のマルチポート急速充電に対する市場の需要も強くなっています。一方では、従来のQRから高性能PFC+LLC一方で、この変革は急速充電電源における第三世代半導体への依存度をさらに高めた。炭化ケイ素は民生用電源分野において、より幅広い応用が期待されている。

炭化ケイ素は、第三世代半導体の重要な分野として、これまで多くのメーカーによって生産されてきた。今回、中国が第14次五カ年計画に第三世代半導体を盛り込んだことは、炭化ケイ素の開発にとってまたとない機会となる。

免責事項：この記事は知的財産権の保護を支持する「Charging Head」からの転載です。転載の際は、出典と著者名を明記してください。著作権侵害が疑われる場合は、ご連絡いただければ削除いたします。