SiCによる電動化を一歩前進させる私たちの半導体は、今後、自動車やその他の産業の性能をどのように向上させるのでしょうか？Cree社のWolfspeedの最高技術責任者、ジョン・パルモア氏

多くの電源システムは、シリコン（Si）技術からシリコンカーバイド（SiC）技術へと移行しつつあります。これは、1980年代にバイポーラ半導体が絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）に移行して以来、パワー半導体業界にとって最大の変化となるでしょう。この変革と同時に、その影響を受ける多くの業界も、かつてないほどの包括的な変革期を迎えています。自動車産業から太陽光発電産業に至るまで、シリコンカーバイド（SiC）の優位性が顕著になっています。大きな変化の渦中にある中、主要メーカーは皆、シリコンカーバイド（SiC）を自社技術にさらに統合すべく尽力しています。

自動車産業は、現代産業における前例のない変化の典型例です。今後10年間で、自動車産業は内燃機関から電動化へと大きく変貌を遂げます。シリコン（Si）からシリコンカーバイド（SiC）への転換は、電気自動車が消費者のニーズを満たす上で重要な役割を果たし、同時に気候変動の影響に関する政府の規制にも対応することができます。シリコンカーバイド（SiC）ソリューションは、電気自動車を「一歩上へ」導くことで、急速充電インフラ、駆動インバータ、電源などのアプリケーションをアップグレードし、通信や航空宇宙アプリケーションの発展を促進します。

図 1. 研究室にいる Cree の従業員

電気自動車のチャンス

消費者需要の高まりと政府規制の強化を受け、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、今後300年間で電気自動車に2030億ドル以上を投資すると発表しました。アナリストは、15年までに電気自動車（BEV）の台数が自動車総数のXNUMX%に達すると予測しています。そのため、今後数年間で電気自動車向けシリコンカーバイド（SiC）部品の市場は飛躍的に拡大するでしょう。

電動化の重要性は極めて高く、メーカーはもはやシリコンカーバイド（SiC）の利点を無視することはできません。従来の電気自動車に使用されているシリコン（Si）技術と比較して、シリコンカーバイド（SiC）はバッテリー寿命の延長、性能向上、充電時間の短縮を実現できます。そのため、多くのサプライヤーがCree社との電気自動車開発における提携を発表しています。例えば、デルファイ・テクノロジーズはシリコンカーバイド（SiC）半導体を用いた、より効率的で小型・軽量なインバータシステムを開発しており、ZFグループは完全電動駆動パワートレインを開発しています。ABBグループはシリコンカーバイド（SiC）を用いた様々な電力システムを開発・提供しています。

効率向上

シリコンカーバイド（SiC）のスイッチング損失は、シリコン（Si）ベースのIGBTに比べてはるかに低く、さらに、シリコンカーバイドデバイスには内蔵電圧がなく、導通損失が明らかに低いため、シリコンカーバイド（SiC）は電力密度が高く、重量が軽く、動作周波数が高いという利点があります。最近の自動車テストでは、シリコン（Si）と比較して、Creeのシリコンカーバイド（SiC）技術はインバータ損失を約78％削減しました。自動車分野では、これらの効率向上はパワートレインソリューション、電力変換器、非車載充電器および車載充電器に適用できます。従来のシリコン（Si）ベースのソリューションと比較して、シリコンカーバイド（SiC）は電気自動車の総合効率を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延ばしたり、かさばる高価なバッテリーの使用を減らしたりすることができます。

さらに、シリコンカーバイド（SiC）は冷却要件を軽減し、省スペース化を実現し、シリコン（Si）ベースのシステムよりも軽量です。また、急速充電器にも対応しており、現在、75分間の充電でバッテリー寿命を5マイル（約XNUMXkm）延長することが可能です。

シリコンカーバイド（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、その採用率はさらに高まっています。自動車を例に挙げると、電気自動車に使用されるシリコンカーバイド（SiC）部品の価値は、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容積と重量、そして電気自動車2,000台あたりの冷却要件に関して、合計で最大XNUMXドルのコスト削減を実現できます。シリコン（Si）からシリコンカーバイド（SiC）への移行を推進する要因は数多くありますが、SiCこそが鍵となる要素です。

自動車業界以外でも

Cree社の9億ドル規模のシリコンカーバイド（SiC）市場機会のうち、自動車産業の需要は約半分を占めています。一方、太陽光発電、航空宇宙、通信インフラ分野は、その他の需要を牽引する主要な分野です。Canaccord Genuity社の最近の予測によると、2030年までにシリコンカーバイド（SiC）の需要は20億ドルを超えるとされています。

図2. Cree 650V MOSFET

シリコンカーバイド（SiC）パワーデバイスは、産業・エネルギー企業の電力とスペースの利用率の最大化にも貢献します。シリコンカーバイド（SiC）は、高周波産業用電源と無停電電源装置（UPS）に、より高い効率、より高い電力密度、そしてより軽量な軽量化をもたらします。SiCがもたらすメリットは、そのコストをはるかに上回ります。

これらの分野において、効率の向上は利益の増加を意味します。パワーエレクトロニクス分野において、炭化ケイ素（SiC）の効率はシリコン（Si）をはるかに上回り、電力密度はシリコン（Si）の3倍です。これにより、高電圧システムの軽量化、小型化、効率化、そしてコスト効率の向上が実現します。この優れた性能は爆発的なレベルに達しており、現在の市場で競争力を維持したいメーカーはもはやこれに目をつぶることはできません。

半導体の未来

シリコンカーバイド（SiC）の導入を阻む最大の障壁はコストです。しかし、生産量と経験の継続的な向上に伴い、コストも低下しています。そのため、製造はより効率的かつ洗練されています。さらに重要なのは、顧客がシリコンカーバイド（SiC）の真の価値はデバイスレベルの比較ではなく、システムレベルにあることに気づき始めたことです。様々な業界のニーズに応えるため、シリコンカーバイド（SiC）の製造はさらに推進され、生産量は増加し続け、価格は低下し続けるでしょう。Cree社を例に挙げると、Cree社はこれらの需要に応えるため、ニューヨーク州に最先端技術を導入し、車両規制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おり、生産能力は30年比で2017倍以上に増加する予定です。

シリコン（Si）からシリコンカーバイド（SiC）への移行は、もはや「起こるかどうか、いつ起こるか」という問題ではありません。私たちはすでにその渦中にいます。多くの産業における大きな変化に、私たちが全面的に関与できることは、大変喜ばしいことです。これらの産業の未来は決して静止したものではなく、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、これらの変化に迅速に適応できるメーカーは、必ずや実りある成果を得られるでしょう。