SiCパワー半導体は、従来のシリコンパワー素子に比べて電力の損失を大幅に減らすことができる素子です。近年研究開発が進み、産業機器や電気自動車などの電力制御において注目される技術となっています。
この記事では、SiCの概要と、製造するメーカーなどを紹介します。
SiCパワー半導体とは
SiC（シリコンカーバイド）パワー半導体は、電気の力を効率よく制御するための部品です。従来のシリコンパワー半導体よりも効率が高く、電力の損失を大幅に減らすことができます。電力を変換する装置や、EVの駆動装置（インバータなど）に使われています。
SiC（シリコンカーバイド）は、炭素とシリコン（ケイ素）の化合物で、熱に強く、高い電圧や大きな電流にも耐えることができます。電気自動車では主にインバータに用いられ、電力の無駄を減らし、電気自動車の走行距離を伸ばすことに貢献します。
ただし、SiC製品の価格はシリコン製品よりも高いため、コストの削減が課題です。コスト削減が進み、SiCパワー素子の価格が下がれば、SiCパワー半導体も普及が進むと予想されています。
SiCが全く市場に出回っていないかと言うとそうではなく、すでに一部の高級車やテスラの電気自動車でSiCパワー半導体が使われています。
EVではインバーターに利用される
パワー半導体は、電気自動車のインバータで利用されます。
電気自動車のインバーターは、電池の直流（DC）電力をモーターで利用する交流（AC）電力に変換する装置です。インバーターの動作の核心には、DCからACへの変換過程で高速で電流をオン・オフする動作が求められます。このスイッチング動作を行うために、パワー半導体が用いられます。
| IGBT | MOSFETS | |
|---|---|---|
| デバイスイメージ |  |  |
| 耐電流 | 高 | 低〜中 |
| スイッチング速度 | 比較的遅い | 速い |
| スイッチング損失 | 比較的大きい | 比較的小さい |
| 用途 | 高電圧、大電流のアプリケーション | 低電圧、高周波のアプリケーション |
特に、IGBTやMOSFETといったパワートランジスタは、インバーターの主要なスイッチングデバイスとして採用されています。このスイッチング時に電力ロス(ムダ)が発生しますが、半導体素材（SiやSiC）の特性や動作速度によって、電力ロスの程度は異なります。SiCパワー半導体は従来のシリコンベースの半導体に比べて、効率的なスイッチング動作を実現し、全体としてのエネルギーロスを削減しています。
SiC MOSFET
インバーターが交流を作り出す仕組みは、スイッチのオンとオフの切り替えです。実際にインバーターのスイッチングを行うためには、特殊な素子である「IGBT」「MOSFET（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）」というものが使われています。
SiC半導体を製造する企業
SiC半導体の関連企業を以下に示します。
| 企業名/グループ名 | 開発している半導体 | 所在地 | 情報・特徴 |
|---|---|---|---|
| インフィニオンテクノロジーズ | Si、SiC | ドイツ | – 2022年時点でSiパワー半導体のシェア25% (首位) HybridPACK Driveは車載パワーモジュールで広く採用 中国企業からの調達を増加 |
| オン・セミコンダクター （オンセミ） | Si、SiC | アメリカ | – 垂直統合型の事業モデル SiC製品の生産量拡大 SiのIGBTを300mmウエハーでの製造に切り替え |
| STマイクロエレクトロニクス | SiC | スイス | – SiC製品において39%のシェア (首位) |
| ルネサス エレクトロニクス | Si、SiC | 日本 | 25年にIGBT、SiCパワー半導体の量産を開始 |
| BYD | Si | 中国 | 電気自動車大手 インフィニオンのHybridPACK Driveに似たパワーモジュールを製造 |
2022年時点で、SiおよびSiCパワー半導体のリストの中で、最もシェアが高いのはドイツのインフィニオンテクノロジーズです。車のパワーモジュールを製造しており、高い技術力に定評があります。
他にも、米国のオン・セミコンダクターやスイスのSTマイクロエレクトロニクスも、SiおよびSiCパワー半導体を製造しています。日本でも、ルネサスエレクトロニクスが自動車や産業機器向けのパワー半導体の需要をうけて製造能力を拡大しています。
シリコンとSiC両方についてのシェアではなく、SiC製品に限ると、スイスのSTマイクロエレクトロニクスが最もシェアが40％と最も高く、日本勢はシェア5%程度とされています。シェアのランキングと企業群についての詳細は、以下の記事で紹介しています。
近年、SiCパワー半導体の開発競争は激しくなっています。ルネサスエレクトロニクスはSiC製品の製造の強化を計画しており、中国中車（CRRC）グループや、中国BYDも自動車向けのパワーモジュールの製造を加速しています。三菱電機、富士電機、SONYも国内で多くの特許を取得しています。
パワー半導体の参入企業は、大きく以下のように分類できます。
| 総合電機系 | 新興勢力 | 専業メーカー | |
|---|---|---|---|
| 海外 | インフィニオン STマイクロ | オン・セミ Nexperia | Vishay |
| 国内 | 東芝、日立 三菱、ルネサス | ローム 京セラ | 富士電機 サンケン電気 |
従来のシリコンパワー半導体では、日本の総合電機系の企業（東芝、日立、三菱、ルネサス）が高いシェアを持っており、パワー半導体のひとつであるIGBTの生産シェアの6割を占めるとされています。
一方で、SiCに関しては新興勢力も台頭してきています。なかには中国系の企業もあり、BYDなどは競争力を高めるために多くのリソースを投入しています。BYDは早くも成果を上げ始めており、今後シェアを奪っていくことが予想されます。
SiC（シリコンカーバイド）: 炭素とシリコンの化合物
「SiC」という言葉は、炭素とシリコン（ケイ素）という2つの元素が組み合わさってできた化合物を表しています。
炭素は私たちの身近なもので、木炭や鉛筆の芯にも含まれています。シリコン（ケイ素）は、コンピューターやスマートフォンなどの電子機器の中に使われています。
SiCは、これら2つの元素が結びついてできる特殊な物質で、非常に強くて耐久性があり、高温での使用や電力の制御に適していると言われています。SiCは強い材料でありながら、軽量なのでエネルギー効率も高く、環境への負荷も少ないとされています。
SiCパワー半導体はいつ普及するのか？
現在のSiC製品のコストはシリコン製品に比べて高く、特にSiCウエハーのコストが課題となっています。しかし、技術の進歩や大量生産の効果により、2030年を目途にSiCパワー半導体の価格は徐々に下がり、2倍未満となると予測されています。この価格低減が実現すれば、SiCパワー半導体の採用が一気に加速し、2030年代には「パワー半導体＝SiC」という時代が到来すると考えられます。
現在でも、SiCパワー半導体を採用した車種も存在します。レクサスの電気自動車「RZ」やテスラの「Model 3」など、一部の高級車ブランドはすでにSiCパワー半導体を採用しており、高級車での「コスト度外視」の搭載に限られています。
SiC製品の市場規模は2022年から2030年にかけて4倍の増加が見込まれており、全体の市場規模も55%増の369億ドルに達するとされています。
そもそもパワー半導体って？
パワー半導体は、電力変換や電力制御のための半導体デバイスの一種で、主に大電流・高電圧の制御に使用されます。家電製品、産業機械、自動車、電力変換システムなど、多くのアプリケーションで利用されています。
代表的なパワー半導体デバイスには以下のようなものがあります：
- MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）：低電圧でのスイッチングに適しており、様々な電子機器で広く使用されています。
- IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）：MOSFETとバイポーラトランジスタの特性を組み合わせたデバイスで、中高電圧領域でのスイッチングに適しています。
- ダイオード：一方向の電流のみを流すことができるデバイスで、電力変換回路などで使用されます。
- サイリスタ：制御可能なダイオードの一種で、高電力の制御に使用されることが多い。
これらのデバイスは、エネルギーの変換効率を向上させたり、デバイス自体のサイズや重量を小さくすることで、エネルギーの無駄を減少させることを目指して設計・開発されます。近年の技術の進展により、より高性能で小型化されたパワー半導体が開発され、EVを含め様々なアプリケーションでの利用が拡大しています。
まとめ
SiCパワー半導体は、炭素とシリコンの化合物であり、非常に強くて耐久性があり、高温環境や電力制御において優れた性能を発揮します。また、高い耐電圧と電流、絶縁破壊電界強度の高さ、そして高い温度での動作能力など、その特性は従来のシリコン素子を超えるものです。
SiCパワー半導体の導入により、電力効率が向上し、環境への負荷も軽減されます。この技術の進化によって、自動車の航続距離の改善が期待できます。
関連記事
コメント