厳格なCO2026排出目標により、2年までに全乗用車に占める電気自動車/ハイブリッド車（EV/HEV）の割合は38％に達し、これはさまざまな半導体技術やパワーデバイスが5.6億ドルの市場機会を獲得することを意味する。 これは、2021年の電気自動車のパワーエレクトロニクス技術における市場調査会社Yole Dedevelopmentの判断だ。

電気自動車って本当にたくさんの種類がありますよね。

EVであろうとHEVであろうと、それは電気自動車、あるいはxEVです。その具体的な分類は次のとおりです。

マイルド ハイブリッド電気自動車 (MHEV): 内燃エンジン (またはサーマル モーター) と電気モーターを使用する車両。通常は 10 ～ 20kW の出力を持つ補助 ICE モーターを使用します。これには、低電圧バッテリーを搭載した 48V (マイルド ハイブリッド) 車も含まれます。

ハイブリッド電気自動車（フルHEV、ストロングHEV）：内燃機関と電気モーターを使用する自動車。電気モーターは高電圧バッテリーによって駆動され、モーターに高電力を供給できます。出力範囲は70～170kWで、電力網からバッテリーを充電することはできません。 バッテリーのエネルギー容量は比較的低い (約 2 ～ 5kWh) ため、E モードでの走行距離は限られています (数キロメートル)。

プラグインハイブリッド電気自動車 (PHEV): 内燃機関と電気モーターを使用する自動車 (フルハイブリッドと同様)。 PHEVのバッテリーは電力網から充電できるため、車載充電器と充電プラグが含まれています。 バッテリーの容量はフル HEV の容量よりも大きく、通常は約 9kWh です。 双方向充電器を使用すると、自動車を V2G (自動車から電力網) および V2H (自動車から家庭) アプリケーションの電源として使用できます。

Extended Range Electric Vehicle (EREV): 「マイレージ エクステンダー」と呼ばれる補助電源装置 (APU) を備えたバッテリー電気自動車です。 この小型発電機は通常、内燃機関 (ICE) ですが、燃料電池も使用できます。 発電機はバッテリーを充電し、バッテリーが車両のモーターに電力を供給します。 この構成はシリーズハイブリッドパワートレインと呼ばれます。 走行距離延長機能は日常的な使用には適しておらず、ドライバーが次の充電ステーションに到達するために車両の走行距離を延長する必要がある場合にのみ適用されます。

燃料電気自動車（FCEV、FCV、水素自動車）：モーターのみ（ICEモーターなし）を搭載しており、通常、水素自動車と呼ばれます。実は、燃料電池スタックを介して水素から発電する電気自動車です。 FCEV には、制動エネルギー回収などの特定の機能を実現するためのバッテリー (またはスーパー キャパシタ バンク) が含まれています。 バッテリーは高電圧バッテリーであり、通常はエネルギー容量が低くなります (数 kWh)。 一部のFCEVは、よりクリーンな走行を実現するために、より大きなバッテリー（PHEVと同様に送電網から充電できる約10kWh）を使用しています（充電電力が太陽光発電や風力エネルギーなどのクリーンな再生可能エネルギー源で生成されていると仮定）。 FCEV の双方向充電器は、V2G および V2H アプリケーションの電源として使用できます。

新エネルギー車 (NEV): 中国政府が使用する用語で、PHEV、BEV、FCEV などが含まれます。 新エネルギー車両の策定は、州が発布する政策をより持続可能にし、より多くの技術的反復をカバーし、スムーズな移行を達成するのに役立ちます。 定期的な調整および撤回のメカニズムを通じて、企業は常に新しいテクノロジーを試すことが奨励されます。 従来の自動車、特にエンジンに関しては中国と外国の間に大きな隔たりがあり、技術的な障壁が高い。 将来的に外国の技術に淘汰されないよう、海外との差が大きくない新しいものを作る。

2050年にカーボンニュートラルを達成するという政府の取り組みのおかげで、xEV市場は近年急速に発展しています。 電気自動車の導入は二酸化炭素排出量削減の鍵であり、OEM、Tier 1、パワー半導体メーカーは電気自動車の成長とともに進化します。

xEV アプリケーションでは、システム レベルにはメイン インバーターと発電機、ブースト コンバーター、DC-DC コンバーター、および車両充電器が含まれます。 パッケージの種類には、ディスクリート モジュールと電源モジュールが含まれます。 パワーデバイスには、シリコン MOSFET、シリコン IGBT、シリコン BJT (バイポーラトランジスタ)、シリコンカーバイド (SiC) MOSFET、窒化ガリウム (GaN) HEMT などがあります。

BEV が高電圧技術をリード

各国の厳格な二酸化炭素排出削減とカーボンニュートラル目標により、自動車業界は自動車の電動化に向けて大きな一歩を踏み出しました。 各 OEM は、特に地域ごとに異なる電動化戦略を持っていますが、自社車両における BEV のシェアを増やすという共通の目標を持っています。 ハイブリッド電動化は今後 10 ～ 15 年間の選択肢として残っていますが、カーボンニュートラルの長期目標には達していません。

新型コロナウイルス感染症流行の影響にもかかわらず、世界的な電化によって推進されるBEV技術は依然として加速しており、トラクションインバーター、DC-DC、OBC（車載充電器）などのさまざまなコンバーターにおけるパワーエレクトロニクスデバイスは増加し続けており、EV /HEVシステムは19Vへ移行しており、バッテリーのトレンドも48Vから400Vへと変化しています。

電動化の選択は、コンバーターの電力またはバッテリー容量の技術アーキテクチャの選択に直接関係しており、それが車両ごとにまったく異なる性能特性をもたらします。 ヨル氏は、自動車に48Vバッテリーが追加されることで、今後XNUMX年間でMHEV関連のパワー半導体市場は成長し続けると予想している。 また、ハイブリッド車からBEVまで、電動化レベルの向上に伴い、各車両の半導体含有量は増加します。

実際、BEV はこの技術の開発を急速に推進しています。この点で、ユーザーはコストを削減しながら、より短い充電時間でより長い距離を走行することを当然求めています。 航続距離を延ばすには、バッテリーの設計を最適化してエネルギー容量を増やしたり、インバーターの効率を向上させたりするなど、いくつかの方法があります。 一方で、バッテリーの充電時間を短縮するために、高出力充電器（最大350kW）が世界中に配備されています。 高電流レベルに伴う課題を回避するために、バッテリ電圧を高める開発傾向が見られます。 バッテリー電圧を現在の400Vから800Vに高めることで、より高速な充電を実現し、自動車ユーザーに高い付加価値を提供します。

実際、ポルシェとヒュンダイはすでに 800V バッテリーを採用しており、他の企業も追随するでしょう。 メイン インバータはより高い電圧で動作するため、そのパワー半導体コンポーネントもより高い電圧定格 (通常は 1200V V) を持つ必要があります。 600V～750V コンポーネントから 1200V コンポーネントへの移行により、一部のサプライヤーに新たなビジネスチャンスがもたらされる一方、他のサプライヤーのビジネスは縮小することになります。 車両電動化の選択とさまざまな技術の選択により、主要な OEM が採用する戦略も異なります。

電気自動車の主な推進要因

電気自動車の航続距離はバッテリーだけで決まるのではなく、電力システム全体の効率も重要な役割を果たします。 ベルリンのフローン・ホフ信頼性・マイクロ統合研究所（IZM）のチームは、ポルシェの純電気ミッションEパワーシステム用の電子制御ユニットパワーインバーターを開発中です。これは、バッテリーとモーターの間でエネルギーを既存のスキームより効率的に変換できます。 。

ポルシェ SiC パワーインバーター

研究者や業界パートナーの専門家は、特に効率的な SiC 半導体トランジスタを使用して、トランジスタを流れる電流によって消費される電力を確実に小さくしています。 各 SiC デバイスはある程度のエネルギーを消費し、冷却する必要があるため、使用するトランジスタの数は最小限に抑えたいと考えています。 研究者たちは、最高の冷却効果を達成するためにパワーインバーターの冷却要素を再設計しました。 このようにトランスミッションシステムを最適化することで、電気自動車の走行距離は最終的に6％伸びる見込みだ。

パワーモジュールの材質が異なると膨張率が異なるという問題を解決するために、新しい冷却要素は非常に薄い金属プレートを採用し、加熱または冷却時のわずかな変形によって生じる応力を補償し、耐用年数を延ばします。 パワーインバーターモジュールのストレスを軽減するために、冷却素子とSiCトランジスタで構成される構造は、亀裂を防ぐために柔軟な細い銅線を撚ることによって電子システムの他の部分と接続されています。 800V の高電圧システムがまさに SiC の高温性能を活用できることがわかります。

トラクションインバータはパワーエレクトロニクス機器にとって大きな需要です。

EV/HEV には基本的に、メイン インバーター、DC-DC コンバーター、発電機、OBC の 3 種類のコンバーターがあります。 メイン インバータは電力レベルが高いため、コンバータの中で最大の市場であり、パワー半導体の含有量が最も多くなっています。 したがって、主要なインバータ市場は19.5年までに2026億ドルに達し、EV/HEVコンバータ市場の67%を占め、年平均成長率は26.9%になると予想されます。

パワー半導体市場に関しては、IGBTモジュールとSiCモジュール間の激しい技術競争により、その価値は2020年から2026年にかけてXNUMX倍になると予想されています。 実際、SiCモジュールの現在のコストは650V IGBTモジュールの約8倍ですが、生産バッチが大きく、1200インチウェハへの移行と、より高いバッテリー電圧を備えたXNUMXVデバイスの普及により、この差は徐々に縮まるでしょう。

EV/HEV サプライ チェーンは、需要の増加と技術トレンドの影響を受け続けています。 主要な EV/HEV 半導体メーカーは、パワー アプリケーションでは他の半導体メーカー (インフィニオン、stmicroelectronics、日立、三菱電機、アンセルメなど) と一致していますが、他の企業 (Tier 1、OEM、パワー半導体メーカー、および純粋なモジュール新規参入者) EV/HEV用パワーモジュールも提供しています。

同様の状況はバッテリーの設計と製造の分野でも発生しており、テスラやゼネラルモーターズなどのOEMはサプライチェーンをさらに管理しようとしている。 OEM レベルでの競争により、2 つの主要な道が開かれています。1 つは、成熟した市場と有名なブランドを持つ従来の OEM が事業を電気自動車に転換していることです。 一方で、純粋な電気自動車の OEM 企業（Weilai、Rivian、Rimac、Tucki、Hezhong など）が世界のさまざまな地域で台頭しており、そのうちのいくつかは Tesla を筆頭に、売上を年々急速に伸ばしています。 投入される新型車はコストパフォーマンスが向上することが多く、その結果、販売上位10車種の継続的な再編につながっている。

XEVパワー半導体デバイス市場（百万米ドル）

SiCがEV/HEVのレッドカーペットを歩く

今ではSiCを使っていないクルマは電動走行と呼ぶのが恥ずかしい。 ここ数年、特にテスラがモデル 3 メイン インバーターに SiC を導入して以来、EV/HEV への SiC の採用は大きな反響を引き起こしました。 しかし、すべてのコンバーターやすべてのタイプの電動車両がこの高価な材料に適しているわけではありません。

長い走行距離と速い充電時間を必要とするBEVがSiC採用の勝者であることは疑いの余地がありません。 したがって、コンバータ効率の向上によりコンバータコストの増加が補われ、バッテリコストが節約されます。 したがって、メイン インバータでの SiC の使用が大手 OEM の共通の目標となり、ダイムラーとヒュンダイがすぐにメイン インバータに SiC を組み込んだことは驚くべきことではありません。

SiC デバイスのコストはシリコン デバイスよりも高価ですが、バッテリーのコストを削減し、航続距離を延ばすことができるため、車両全体のコストを効果的に削減できます。 SiC インバーターを使用すると、車両 200 台あたり約 XNUMX ドルを節約でき、メイン インバーターのサイズと重量を削減できます。

現在、Infineon、Cree(Wolfspeed)、stmicroelectronics は、SiC チップを搭載した一連のデバイスを導入しています。 多くの半導体メーカーは、SiC モジュールを電気自動車アプリケーションのターゲットとみなしています。 2026 年までに、SiC モジュール市場は EV/HEV 半導体市場の 32% を占めると推定されています。

SiCと800Vのエコー

各 OEM は独自の SiC 導入戦略を持っていますが、テスラは SiC テクノロジーによって性能を大幅に向上させ、800V バッテリーの採用により SiC の使用も増加しており、より多くの OEM がこれに追随しています。 現在、上海フォルクスワーゲン、日産、BYD、北汽新能源、吉利はすべて、一部のモデルの OBC および DC-DC に SiC デバイスを使用しています。 Tesla、BYD、Yutong Bus、Geely などはモーター コントローラーに SiC デバイスを使用しました。 紅旗、北汽新能源、江淮汽車、ヒュンダイ、ホンダ、BMW、アウディ、新興自動車メーカーの威来、Tucki、Idealityなど、より多くの自動車会社がメインインバータにSiCを採用するだろう。 Bosch、Delphi、ZF、Valeo、Weipai Technology、Jingjin Electric など、多くの Tier 1 企業も SiC 電気駆動計画をリリースしています。

1 つ確かなことは、テクノロジーが良くても悪くても、アプリケーションが最高であるということです。自動車分野では、SiC デバイスはシリコンベースのデバイスと長期間共存することになります。 国内のSiCデバイスの製造プロセスは海外と比べて現地化の点でまだ一定のギャップがあり、特に歩留まりをさらに向上させる必要がある。 もう一つの重要な問題は、自動車会社があえて国産の装置を使用するかどうかだが、これにはある程度の勇気と科学的態度が必要であり、路上でのテストと検証には時間がかかる。

電動化の一括導入のスピードアップ

一部の地域/都市ではディーゼル車が禁止されており、顧客のSUV車に対する嗜好が高まっているため、車両電動化の初期戦略の実行が加速している。フォルクスワーゲンの「ディーゼルドア」、「テスラ効果」、中国におけるゼロエミッション車への奨励金、バッテリーコスト削減、二酸化炭素排出量削減目標、NEDC（新欧州運転条件）→WLTP（世界統一軽自動車試験手順）など。新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の流行により、車両の電動化プロセスが促進されています。

車両電動化の加速

現在、EV/HEVのパワーエレクトロニクス技術では、メーカが選択した電化タイプや異なる電力レベルに応じて、メインインバータをディスクリートデバイスまたはモジュールにすることができます。 48 ～ 12V DC-DC は、基本的には 80 ～ 100V のディスクリート デバイスです。 HV-12V DC-DC は、基本的に 500 ～ 650V および 80 ～ 100V のディスクリート デバイスです。 OBC は基本的に 600 ～ 650V のディスクリート デバイスです。 昇圧コンバータは基本的に 600V のディスクリート デバイスです。

xEVの各タイプに使用されるパワーデバイス

そのため、モジュール、特にSiCパワーデバイスやモジュールは導入スペースが広くなります。 2018年に一部の海外OEMがOBCにSiCショットキーバリアダイオードとMOSFETを採用し始めました。その後、市場浸透率は継続的に上昇し、その後、より高い信頼性が求められるモーターコントローラーやメインインバーターへと移行しました。 これは、ディスクリート デバイスからオール SiC モジュールへの移行プロセスでもあります。

輸入需要が最も高いのは航続距離の長い電気自動車だ。航続距離500km以上の車両のモーターコントローラーのSiC普及率は100年までに2024％に近づくと予想されている。 500km未満の車両の全体的な普及率は40％に達する可能性があります。

間違いなく、電気自動車のほぼすべての OEM は、新しいプロジェクト開発計画に SiC デバイスの応用を含めており、2025 年には SiC が電気自動車市場の爆発的なノードになると予想されています。

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