SiC（シリコンカーバイド）がエネルギーシステムをどう変えるか

SiC（シリコンカーバイド）は、効率性を高め、産業全体の脱炭素化を支える要となっています。SiCは、再生可能エネルギー、電気自動車（EV）、データセンター、グリッドインフラにおける世界的な需要の高まりに対応し、先進的なパワーシステムを実現します。SiC技術は、特にパワー変換効率と熱に敏感な状況において、従来のシリコンデバイスよりも優れています。エレクトロニクスおよびパワー産業におけるその全体的な影響は、より大きな収益性と持続可能性につながります。

業界をリードする半導体企業2社、Infineon Technologiesの産業およびインフラストラクチャ担当マーケティングディレクタのMichael Williams氏とDigiKeyのテクニカルマーケティングエンジニアのShawn Lukeの両専門家が、SiC技術が市場に与えた影響と今後の展望についての考えを述べます。

消費電力のシフト

「かつては、ほとんどの電力消費は、産業オートメーションアプリケーションや工場、鉄道輸送、廃水処理用ポンプの移動、パイプライン内の石油などの流体など、何らかのモータ制御に関連していました。SiC（シリコンカーバイド）の導入により、市場では効率化を推進する方向にシフトし、複数の変換段階にわたってエネルギー損失の削減を可能にし、需要の高いアプリケーションをサポートするようになりました。」とWilliams氏は述べます。

このシフトは、脱炭素化と、再生可能エネルギーシステム、EVインフラ、データセンターなどの新世代の再生可能技術の開発に重点を置いていました。また、パワー変換効率も約95%から98.5%へと改善し、エネルギー損失の低減、発熱の抑制、冷却要件の最小化を実現する重要な転換となりました。

グリッドインフラ

送電網や高圧送電線からデータセンターに電力を送るだけで、電力が何レイヤもの変換レイヤを通過する際に5～6%の損失が生じます。データセンターだけで世界のエネルギー消費量の3%を占めていると推定されており、2030年には4%に増加すると予測されており（Data Centre Magazine、2022年）、減速する見込みはありません。SiCは、データセンターのパワーインフラで活躍し、グリッド規模のエネルギー貯蔵やソーラーセントラルインバータの効率とシステムコストを押し上げます。このソリューションを組み合わせることで、将来のデータセンターはマイクログリッド環境で動作し、すでに緊迫状態にある米国の送電網への負荷を軽減することができます。

「自動車の電動化に伴い、双方向充電と高度なパワーエレクトロニクスを搭載した多くのリファレンス設計が登場しています。つまり、ピーク時以外の時間に充電し、ピーク時に電力をグリッドに戻す仕組みです」とLukeは述べています。

SiCはワイドバンドギャップ技術として、EV充電のようなアプリケーションにおいて、高電圧処理と高速スイッチングをサポートします。これにより、システムの複雑さと全体的なコストを削減しながら、グローバルグリッドインフラの完全な変革が可能になりました。

SiC技術による設計

SiC技術は効率向上によく用いられますが、設計者が小型の製品を必要とする場合もあり、そのような場合にはワイドバンドギャップ（WBG）またはシリコン（Si）デバイスが使用されます。

「設計者が3つの技術から選択するように、設計にも3つの基本的な考慮事項があります。製品を費用対効果に優れたものにするか、小型の製品にするか、効率的なものにするかです。これらの優先順位のうち、どれか2つを選択することで、設計者はSiソリューションを選択することができます。しかし、これら3つすべてを考慮した設計には、ワイドバンドギャップデバイスが必要です。製品を小型化するための重要なことは、スイッチング周波数を高めてシステム内の磁気回路と静電容量を小型化することです。」とWilliams氏は説明します。

SiC技術にはWBG機能があるため、電圧レベルをより高くすることができ、次世代の技術実装が可能になりました。課題は、SiCが従来のシリコンよりもかなり硬い基材であることから、扱いが複雑な材料であることです。

パワーサイクルは、SiCダイとそのリードフレームまたは基板との間の相互接続に負担をかけ、デバイスの早期故障につながる可能性があるため、パッケージ開発における重要な要件です。将来のSiCデバイスのパワーサイクル性能を向上させるための新しい相互接続技術を開発することは、脱炭素グリッドの将来の要件に対応する上で重要です。

「現在のアプリケーションは、かつてのモータ駆動アプリケーションよりもはるかに高いパワーサイクルを利用しています。Infineonは、.XT技術の開発に注力してきました。.XT技術は、標準的なソフトはんだ技術と比較して、パワーサイクル性能を22倍以上向上させることが実証された高度な相互接続技術です。この技術開発により、より高い電力密度、熱性能の向上、システム寿命の最大化が可能になり、より多くの再生可能エネルギー源への移行が可能になります。」とWilliams氏は述べます。

パワー変換市場のイノベーション

これらの専門家が期待を寄せている分野の1つは、送電網の脱炭素化であり、化石燃料発電所（石炭や石油など）からの脱却です。

「脱炭素化は、電力会社が風力、太陽光、水力発電への転換を進めているマクロレベルでも、EVなどによる消費者レベルでも起こります。SiCのようなイネーブラは、これまで以上にマイクログリッドに近づき、電源を局所化することで変換やロスを減らし、脱炭素化に貢献します。」とLukeは述べています。

彼らが電力部門に強い影響を与えると見ているもう1つのイノベーションは、ソリッドステートトランスの導入です。これらは、電力網のインフラを大幅に強化し、ユーティリティサイトのサイズ、設置時間、全体的な複雑さを軽減します。ソリッドステートトランスを導入することで、モジュール式の高電圧システムやマイクログリッドソリューションが可能になり、より持続可能な配電が実現します。

今後について

常に新しい技術が展開される中、SiCは永続的な存在になると予測されています。

「Infineonの専門家は、シリコンパワースイッチングデバイスが10年後も市場を独占し続けると予測しています。シリコン、SiC（シリコンカーバイド）、窒化ガリウムという3つのスイッチング技術すべてを提供することで、市場で独自の地位を築いており、ワイドバンドギャップパワーデバイスが市場規模を縮小させるような脅威はないと考えています。」とWilliamsは述べています。

Infineonのような企業は、SiC技術のコストを削減しながら、生産能力を拡大し、電力効率を改善するソリューションを開発するために投資しています。モジュール式マイクログリッド、分散型DCネットワーク、核融合炉などのイノベーションが目前に迫っており、SiCはこれらの進歩の中核を担っています。

世界的なディストリビュータであるDigiKeyとの強力なパートナーシップにより、最小発注数なし、高可用性の流通モデルによる新技術の迅速に展開することで、設計者やエンジニアは、次に起こるすべてのことに対応できる体制を整えています。パワーソリューションの詳細については、DigiKey.jpをご覧ください。