トヨタが自主製造を進め、自動車各社が開発・採用を競う「SiCパワー半導体」に世界が注目する理由

　次世代パワー半導体として注目されるSiC(シリコンカーバイト)パワー半導体関連のビジネスが日本でも大きく動き始めている。この分野における主導権獲得に向けた動きが俄然活発化しているのだ。日本ではロームや三菱電機、東芝などが積極的なアプローチをしており、SiCパワー半導体の量産に踏み切っている。

SiC製パワー素子を製造する上で欠かせないSiC基板についても、新日本製鉄が2009 年4月から口径4インチのSiC基板のサンプル出荷をスタート。ロームは同年夏にドイツのSiC基板メーカー「SiCrystal」社を買収。日本企業による基板の安定調達にメドを付けた。

　自動車業界もSiCパワー半導体の開発・製造に積極的で、トヨタ自動車は今後ハイブリッド車(HV)を含む省燃費車製造のため、SiCによる高効率パワー半導体開発を推進する構えだ。現在のHV用PCU(パワーコントロールユニット)は、エンジン出力を最適に制御するために燃料供給、吸排気システムに伴うバルブタイミングのコントロール、点火時期などを電子制御しており、これらを動かすためのモーターやアクチュエーターをパワー半導体で制御している。トヨタの発表では、将来的にここにSiCパワー半導体を使うことで、現在主流のSiパワー半導体を使ったPCU搭載車に比べ、燃費を10%以上向上させ、PCUの容積を5分の1に小型化するというのだ。

　トヨタの研究によれば、HVのPCUが車両の電力損失の約1/4を占めているという。その大半がパワー半導体による損失だ。つまり、パワー半導体の高効率化は燃費向上の重要な部分を占めているのである。現行のSi素子をSiC素子に置き換えることで、インバーターやコンバーターなどによる損失を大幅(70-80%程度)に低減できる。電力損失を低減できるので発熱量が減り、電力変換器も小さく、軽くなるというわけだ。

　トヨタ以外にも、SiCパワー半導体に期待し開発する自動車メーカーは多い。日産自動車は、SiC製ダイオードを利用したインバーター装置を自主開発・製造し、燃料電池車「X-TRAIL FCV」に搭載して走行実験を行なっている。

　本田技術研究所も、SiCを使ったハイパワーモジュールを半導体メーカーのロームと共同で開発している。このモジュールは、ロームのSiCデバイス技術と本田技術研究所のハイパワーモジュール技術を融合させることで実現した。フルSiCデバイスによるハイパワー・インバータモジュールとしては世界初。コンバーター回路とインバーター回路をワンパッケージ搭載し小型化したのが特徴だという。

　20年以上も前から研究されていたSiCが一気に普及するきっかけになったのは、2008年の原油価格高騰で、省エネルギー技術・新エネルギー開発機運が世界で一気に高まったからだ。この機運は自動車のほか、産業機器や生活家電など電気を使用する全ての機器に拡がっている。

　たとえばJRや私鉄の電車用モーター制御のための超高耐圧システムにもパワー半導体は不可欠だ。日本には直流モーターで駆動する電車と交流モーターで駆動する電車が混在している。JR新幹線は交流モーター駆動で走行するため、直流電流を交流に変換するインバーター制御が必要になる。

　また、太陽光発電では直流電力が生まれるが、インバーターによって交流に変換して送電しなければならない。家庭用太陽光発電に用いる太陽電池パネル素子1個で発電する電圧はせいぜい0.5V程度なので、大量の素子を直列につないでインバーターを使って交流100Vに変換する必要がある。ロスの少ないパワー半導体がここでも求められる。

　このように、自動車メーカーや大手電機メーカーをはじめ、産業機器、インバーター装置、電源装置に関係するさまざまな企業が、SiCパワー半導体にかつてないほど高い関心を寄せている。

　自動車や家電、産業機器などのいずれの分野においても、インバーターやコンバーターの電力損失低減は大きな課題だ。エネルギー効率的な利用は地球環境問題に大きくかかわる。こうしたなか、SiCパワー半導体は機器のエネルギー利用効率を大幅に改善する。これが、「環境重視時代のキー・デバイス」とも呼ばれる所以である。(編集担当:吉田恒)

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