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SiからSiC/Ganへパワー半導体の進化と応用領域
SiC（シリコンカーバイド）とGaN（窒化ガリウム）は、次世代パワーデバイスの素材として急速に注目を集めています。従来のSi（シリコン）に比べ、以下の特長を備えています。
・高耐圧
・高効率
・高周波特性
本記事では、東京エレクトロンデバイスが取り扱うパワーデバイスと開発支援ツールをご紹介します。
さらに、当社ではマイコンやFPGAを活用したアクチュエータ制御やエネルギーマネジメントシステムの開発・製造実績を活かし、試作～量産～サポートまでワンストップで対応いたします。
ワイドバンドギャップ半導体(SiC/GaN)とは
ワイドバンドギャップ半導体（SiC/GaN）とは、次世代パワーデバイス（パワー半導体）に用いられる材料です。この革新的な材料は、既存のSi（シリコン）と比較し電力効率の向上、小型化、軽量化、全体的なコストの削減など、多くの利点を提供します。下のグラフは縦軸が電力容量、横軸がスイッチング周波数、つまり、負荷変動に対する応答性を示しています。グラフ中のアイコンはそれぞれ一般的なアプリケーションを指しています。
データセンターの電力需要は急増しており、2050年度には、データセンターの電力需要が197TWhに達する見込みです。（電力中央研究所（CRIEPI）社会経済研究所のディスカッションペーパーより）
ワイドバンドギャップ（WBG）半導体が、電力損失の低減と効率向上に大きく貢献しています。
ワイドバンドギャップ半導体(SiC/GaN)のメリット・デメリット
Siはコスト面と豊富な実績による信頼性により、依然として幅広い用途で利用されています。一方、高耐圧や高効率が求められる分野ではSiCが、高周波化や小型化が重要な領域ではGaNが優位性を発揮します。
これらの材料特性を適切に使い分けることが、次世代電子機器の開発に不可欠です。
| 材料 | メリット | デメリット | アプリケーション |
|---|---|---|---|
| Si（シリコン） | 供給性 コスト優位性 信頼性 |
スイッチング速度が遅い 高耐圧・高効率化に限界 高温動作に弱い |
電子機器 （PC、スマホ、家電、車載機器etc…） |
| SiC（シリコンカーバイド） | 高耐圧・高効率 低オン抵抗（温度依存性が低い） 高耐熱 |
コストが高い（Si比） ゲート電圧が高い（Si比） 製造プロセスが複雑 順方向特性VFが大きい |
電気自動車と急速充電器 再生可能エネルギ 鉄道高・電圧電源 |
| GaN（ガリウムナイトライド） | 高周波動作に強い 超高速スイッチング 高効率化・小型化 |
耐電圧が中程度（高電圧用途には不向き） ドライバ回路が複雑(GIT方式) ゲート電圧が低い（SG方式） 実効ボディ ダイオード電圧が高い （ショットキーダイオード内蔵で克服） |
通信機器（5G基地局） データセンター用電源 急速充電器 |
EiceDRIVER ゲートドライバIC技術の概要
Infineonでは、様々な用途に対応できる幅広いゲートドライバ ポートフォリオを持っています。これらのゲートドライバには、優れた伝搬遅延マッチング、精密な入力フィルタ、広い出力側供給範囲、高い同相過渡除去特性（CMTI）、アクティブミラークランプ、低電圧ロックアウト機能（UVLO）、入出力間のガルバニック絶縁などシリコンカーバイドMOSFETの駆動に一般的に推奨される、最も重要な機能とパラメータが組み込まれています。
回路シミュレーションソフト SIMetrix（シメトリックス）
ワイドバンドギャップ半導体を使う上で、事前に電流電圧波形および熱特性を考慮することで設計製造後の手戻りを減らし、効率の良い開発を行うことができます。インフィニオンテクノロジーズではシミュレーションソフト「SIMetrix (シメトリックス) 」に対応するデバイスモデルを用意し、ワイドバンドギャップ半導体を使ったシミュレーションを行えるようにしています。
各製品ページからダウンロードが可能です。（デザインリソース→シミュレーションモデル）
弊社では「SIMetrix (シメトリックス) 」ライセンスを所有しているため、 回路シミュレーションを使用した設計サポートも行っております。
ワイドバンドギャップ半導体(SiC/GaN)のユースケース
GaNのユニークな特性がもたらすモーターアプリケーションへのメリット
低Qgs,Qgdにより高速スイッチングが可能
高速スイッチングが可能であるため、駆動可能なモーター回転数を伸ばすことができたり、 電流トルクリプル低減によるシステム効率改善・モーター小型化を達成
リカバリ動作がないためスイッチングロスが低減
スイッチングロスが低減可能となるため、インバーター回路やヒートシンクなどの小型化が達成可能
Cossのリニアリティによりスイッチング時の波形データが綺麗
デッドタイムを短くすることができるため、トルクリプル低減・振動低減・モーター可聴音 の低減が達成可能
低インダクタンスモーターを使用した時の実験結果（コアレスモータではない点に注意）
設計・量産受託
パワー半導体を用いた開発には、電源やモーターといったアプリケーションの知識に加えて制御側・ソフトウェア開発の技術知識が必要となります。また、開発した製品の評価を行うには専用の評価設備が必要となり、一から開発を始めると膨大な費用と工数がかかってしまいます。
東京エレクトロンデバイスグループでは、マイコンやFPGAを使用したアクチュエータ制御およびエネルギーマネジメントシステムの開発・製造実績がございますので、お客様のご要望に合わせ、試作～量産～サポートまでワンストップサービスを提供します。
設計・製造概要
・部品選定
・回路設計（回路シミュレーション）
・アートワーク設計
・ソフトウェア設計
・FPGA回路設計
・部品手配
・基板実装
・信頼性試験
開発実績
再生可能エネルギー向けシステム用電力変換装置（Smart Power Module）
再生可能エネルギー向けシステム用にリアルタイム・マイコンを使用した電力変換装置を自社製品として提供しており、お客様のご要望に合わせたカスタマイズが可能です。
*¹、*²：系統連携DC-ACインバータ
*³：太陽光発電向けDC-DCコンバータ
*⁴：蓄電池充放電コントローラ
再生可能エネルギー向けシステム用電力変換装置において弊社が対応可能な仕様範囲および弊社が保有する開発・検査用設備は下記となります。
※対応可能な仕様範囲
| 機能 | 入力電圧 | 出力電圧 | 電流 | 電力 |
|---|---|---|---|---|
| DC/DC*¹ | 650V | 380V | 90A | 50kW |
| AC/DC*² | 380VAC(3相) | 380VDC | 38A AC | 25kW |
| DC/AC | 750VDC | 400VAC(3相) | 75A AC | 50kW |
| 充電コントローラ*¹ | 580V(BT) | 380V | 100A(BT) | 50kW |
| 系統連系インバータ*² | 380VDC | 380VAC(3相) | 38A AC | 25kW |
| PV/風力コンバータ*³ | 650V(PV) | 380V | 90A(PV) | 50kW |
*¹：充放電（双方向動作）可能
*²：AC/DC=系統連系インバータ（双方向動作可能）
*³：DC/DC＝PV/風力コンバータ
※開発・検査用設備（2021年12月現在）
| 名称 | 型式 | メーカー | 数量 | 定格 |
|---|---|---|---|---|
| 電源環境シミュレータ | ES36000T | NF | 1 | 3相36kVA |
| 電源環境シミュレータ | ES6000W | 1 | 6kVA | |
| 三相信号発生器 | TG1703 | 1 | 1.00Hz～500.000Hz | |
| LC負荷装置 | FUK54128 | 1 | 3相6kVar | |
| 回生型DC負荷DC電源 | APLⅡ | Myway | 6 | max 400V/28A |
| パワーアナライザ | WT1800/WT3000 | 横河 | 3 | |
| ソーラーアレイシミュレータ | 62150-1000S/A620028 | Chroma | 6 | 1000VDC 15A |
| 三相抵抗負荷 | 3RZ-200-12A | 山菱電機 | 5 | AC 3φ 200V 電流0～34.6A |
| 三相トランス | NETK060AX+K | 布目電機 | 6 | 60kVA(380V-200V変換) |
| 大容量スイッチング電源 | PAT650-12.3T | 菊水電子工業 | 1 | 0～650V / 0～12.3A |
| 大容量スイッチング電源 | PAT80-100T | 菊水電子工業 | 1 | 0～80V / 0～100A |
| 負荷抵抗器 | RZ-50-5BS | 山菱電機 | 2 | 単相2線50V 5A～100A 5kW |
| 耐圧試験器 | TOS5101 | 菊水電子工業 | 1 | 10kV(AC/DC) |
| 回生型双方向交流電源 （グリッドシミュレータ） |
61860 | Chroma | 1 | 3相60kVA |
| 回生型双方向直流電源 | PSB1000-80JP-60-RS | Elektro-Automatik | 1 | 1000VDC 60kW |
| 恒温恒湿室 （ウォークインチャンバー） |
TBR-6EW0P2T | Espec | 1 | -10℃～＋60℃ 槽内寸法：3.5m(D)×3.5m(W)×2m(H) |
弊社にはパワー回路設計、ソフトウェア設計、FPGA設計、筐体設計、それぞれの分野にエキスパートがおり、また多くの実績で積み上げられたノウハウにより、仕様に応じた最適なご提案が可能です。
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