炭化ケイ素の用途

電気自動車のコアコンポーネントの中で、主に IGBT 技術を利用した車載パワーモジュールは重要な役割を果たします。これらのモジュールは、電気駆動システムの重要な性能を決定するだけでなく、モーター インバーターのコストの 40% 以上を占めます。大きな利点があるため、炭化ケイ素（SiC）従来のシリコン (Si) 材料に代わって、自動車業界では SiC モジュールの採用と推進がますます進んでいます。電気自動車は現在、SiC モジュールを利用しています。

新エネルギー車の分野は、自動車の普及に向けた重要な戦場になりつつあります。炭化ケイ素（SiC）パワーデバイスとモジュール。主要な半導体メーカーは、SiC MOS 並列構成、三相フルブリッジ電子制御モジュール、自動車グレードの SiC MOS モジュールなどのソリューションを積極的に展開しており、SiC 材料の大きな可能性を際立たせています。 SiC 材料の高出力、高周波、高出力密度特性により、電子制御システムのサイズを大幅に縮小できます。さらに、SiC の優れた高温特性は、新エネルギー自動車分野で大きな注目を集めており、活発な開発と関心につながっています。

現在、最も一般的な SiC ベースのデバイスは、SiC ショットキー ダイオード (SBD) と SiC MOSFET です。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) は MOSFET とバイポーラ接合トランジスタ (BJT) の両方の利点を組み合わせていますが、SiCは、第 3 世代のワイドバンドギャップ半導体材料として、従来のシリコン (Si) と比較して全体的なパフォーマンスが優れています。しかし、ほとんどの議論は SiC MOSFET に焦点を当てており、SiC IGBT はほとんど注目されていません。この差は、SiC テクノロジーには数多くの利点があるにもかかわらず、市場ではシリコンベースの IGBT が優勢であることが主な原因です。

第 3 世代のワイドバンドギャップ半導体材料が注目を集めるにつれ、SiC デバイスおよびモジュールがさまざまな業界で IGBT の潜在的な代替品として浮上しています。それにもかかわらず、SiC は IGBT を完全に置き換えたわけではありません。導入の主な障壁はコストです。 SiC パワーデバイスは、シリコン製のパワーデバイスよりも約 6 ～ 9 倍高価です。現在、主流のSiCウェハサイズは6インチであるため、事前にSi基板を製造する必要がある。これらのウェーハに関連する欠陥率の高さは、ウェーハのコスト上昇の一因となり、価格上の利点が制限されます。

SiC IGBT を開発するためにいくつかの努力が払われてきましたが、その価格は一般にほとんどの市場アプリケーションにとって魅力的ではありません。コストが最優先される業界では、SiC の技術的利点は、従来のシリコン デバイスのコスト上の利点ほど魅力的ではない可能性があります。ただし、自動車産業など、価格にそれほど敏感ではない分野では、SiC MOSFET のアプリケーションがさらに進歩しています。それにもかかわらず、SiC MOSFET は特定の領域で Si IGBT よりも優れた性能を発揮します。当面は両方の技術が共存すると予想されますが、現在の市場インセンティブや技術的需要の欠如により、より高性能な SiC IGBT の開発は制限されています。

将来、炭化ケイ素（SiC）絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) は、主にパワーエレクトロニクストランス (PET) に実装されることが期待されています。 PET は、電力変換技術の分野、特にスマートグリッド構築、エネルギーインターネット統合、分散型再生可能エネルギー統合、電気機関車牽引インバータなどの中高電圧アプリケーションにとって極めて重要です。優れた制御性、高いシステム互換性、優れた電力品質性能が広く評価されています。

しかし、従来の PET 技術は、低い変換効率、電力密度向上の難しさ、高コスト、不十分な信頼性など、いくつかの課題に直面しています。これらの問題の多くはパワー半導体デバイスの耐電圧制限に起因しており、高電圧アプリケーション (10 kV に近い、またはそれを超えるものなど) では複雑な多段直列構造の使用が必要になります。この複雑さにより、パワーコンポーネント、エネルギー貯蔵素子、インダクタの数が増加します。

これらの課題に対処するために、業界は高性能半導体材料、特に SiC IGBT の採用を積極的に検討しています。第 3 世代のワイドバンドギャップ半導体材料である SiC は、その著しく高い破壊電界強度、広いバンドギャップ、速い電子飽和移動速度、および優れた熱伝導率により、高電圧、高周波、および高電力アプリケーションの要件を満たします。 SiC IGBT は、その優れた伝導特性、超高速スイッチング速度、広い安全動作領域のおかげで、パワー エレクトロニクス分野の中および高電圧範囲 (10 kV 以下を含むがこれらに限定されない) で優れた性能をすでに実証しています。

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