炭化ケイ素には、もう一つの画期的な用途がある。

「高速、小型、軽量、薄型」の携帯電話用急速充電器への需要に応える形で、炭化ケイ素製パワーデバイスは近年、新たなキラーアプリケーションとして注目されている。

携帯電話の充電器のような極めて小型のアプリケーションでは、PCB の面積は非常に貴重です。超薄型の PD 急速充電では、通常、厚さ 2 mm 未満の表面実装デバイスが優先されます。最近、Basic Semiconductor は新しい SMBF パッケージのシリコンカーバイド ショットキー ダイオードを発表しました。今回 Basic Semiconductor が発表した SMBF パッケージのシリコンカーバイド ショットキー ダイオードの最大の利点は、「高速、小型、軽量、薄型」であることです。長さ、幅、高さはそれぞれ 5.3mm×3.6mm×1.35mm で、SMB パッケージ (厚さ 2.3mm) よりも薄く、DFN シリーズ パッケージや TO-252 パッケージの面積よりも小さくなっています。

図1 携帯電話充電器用超小型炭化ケイ素デバイス

電力密度の向上と窒化ガリウムパワーデバイスの普及に伴い、アクティブPFCはコア体積の削減のために動作周波数を上げる必要が生じている。このため、従来のFRDの性能では高周波整流のニーズを満たせなくなり、PFCにおける炭化ケイ素ダイオードの応用にとって好ましい状況が生まれている。

実際、2020年当時、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た時期に、Baseusは業界初の120W窒化ガリウム＋炭化ケイ素急速充電器を発売しました。この製品こそが、「炭化ケイ素急速充電」を初めて構想から現実のものとし、急速充電分野における炭化ケイ素の商業利用への扉を開いたのです。

図2 世界初の炭化ケイ素充電器

その後、MOMAXやREMAXなどのメーカーがこれに続き、炭化ケイ素をベースにした100ワットの高出力急速充電器を多数発売したことで、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た。

今年、我が国の炭化ケイ素デバイス企業は、基本的な半導体に加えて、炭化ケイ素ダイオードをベースにした100ワットの急速充電リファレンスデザインを上海ミュンヘン展示会で3つ展示し、200W、120W、100Wの3つの一般的な電力セグメントをカバーしました。そのうち、200Wと120WのリファレンスデザインはPFC+LLCアーキテクチャとマルチポート出力を使用しています。現在、高出力USB PD急速充電ソースの分野で使用できる炭化ケイ素サプライヤーには、Alpha Power Solutions、Maplesemi、SGKS、PY Pingweiなどがあります。

図3 タイコ・ティアンルンが発売した炭化ケイ素PD急速充電モジュール

著者は、炭化ケイ素技術の本質は高出力密度にあると考えている。5G基地局、新エネルギー車、高速鉄道、スマートグリッドといった高出力分野で順調に発展しているだけでなく、低電力・低電圧でありながら高出力密度が求められるウェアラブルデバイス、携帯電話充電器、ハイエンドLEDといった分野でも非常に有用である。

第三世代半導体充電器市場は広大である

携帯電話の充電器を例にとってみましょう。急速充電に対するユーザーのニーズに応えるため、過去10年間で充電器の出力電力は約10倍に増加しました。同時に、ユーザーエクスペリエンスを考慮し、充電器のサイズと重量は可能な限り大きくならないように配慮されています。

基本的に上記の需要動向が継続すると仮定すると、2025年までに世界の携帯電話販売台数が1.5億台に達し、第3世代半導体充電器の市場浸透率が25%に達し、第3世代半導体充電器の価格が80元まで下がるとすれば、第3世代半導体充電器の市場規模は300億元にも達するだろう。

図4 将来の市場予測

データソース：「2021年ワイドバンドギャップ半導体産業調査レポート」

さらに、携帯電話の充電器に加えて、第3世代半導体デバイスは、ウェアラブルデバイス、ドローン、その他軽量化が求められる日用品（ハンディ掃除機、自動バランス車など）の分野でも明るい展望が開けている。

図5 将来の充電器開発動向 出典：充電ヘッドネットワーク

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