世界各国の政府が電気自動車（EV）技術の普及に積極的に取り組んでいますが、消費者からは必ずしも好意的に受け止められているわけではありません。EVの普及を阻む主な要因は、航続距離とコストの2つです。
EVの設計上、航続距離を伸ばす最も効果的な方法は、バッテリーの電圧を上げることです。現在、EV用バッテリーの出力は400V以下が主流です。これを800Vに上げれば、同じ電流でより大きな出力を得ることができます。また、所定の出力レベルにおけるシステム効率も向上させることができます。
EVのコストを削減するための重要な手段は、効率の向上です。そして、最も重要なのは、パワーエレクトロニクスの電力密度（全体のサイズに対する電力効率の比率）です。パワーエレクトロニクスの機能は、バッテリーから供給される高電圧の直流を、車両で必要とされるさまざまな形態の電力に変換することです。これには、車輪を駆動するトラクションモーターに必要な三相交流（AC）や、車載充電器やその他のシステムに必要な各種DC/DC変換が含まれます。
設計者側におけるSiC（炭化ケイ素）の問題点
より高いバッテリー電圧の使用を制限し、システムの電力密度のさらなる向上を妨げている要因は何でしょうか？この問題の主な要因は、ほとんどのパワーエレクトロニクスでシリコン半導体のパワースイッチが使用されていることです。シリコンは、現在存在するほぼすべての電子機器の集積回路に使用されていますが、高電圧や高温下ではどうしても正常に機能しません。また、こうした条件はまさにEVのパワーエレクトロニクスが直面する条件そのものなのです。
幸いなことに、このような用途には、シリコンに代わる半導体材料として炭化ケイ素（SiC）があります。これは、EV用パワーエレクトロニクスの高電圧、高温、高出力という条件に最適な一連の電気的特性を備えています。EV用パワーエレクトロニクスにおけるSiCの主な特性と利点を表にまとめました。
特性 |
説明 |
メリット |
 高温環境下での動作 |
SiCパワーデバイスは、従来のシリコンベースのスイッチに比べ、動作温度が非常に高く、許容接合部温度も高くなっています。また、SiCはシリコンよりも熱伝導率が大幅に向上しています。 |
そのため、冷却部品やかさばるヒートシンク材は不要です。これにより、車両のサイズ、重量、コストを削減できます。 |
 高い電流容量 |
SiCパワーデバイスは、シリコンパワーコンポーネントの最大5倍もの電流密度を流すことができます。 |
これにより、チップ内の電力密度を高めることができ、システム内で必要なコンポーネントの総数も削減できます。その結果、トラクションインバータのサイズ、コスト、複雑さが低減されます。 |
 高いスイッチング周波数 |
SiCベースのパワーコンポーネントは、シリコン回路に比べ、高温、高電圧、高電力の動作条件下において、より高速にスイッチングを行うことができます。 |
より高速なスイッチングにより、トラクションインバータに使用されるコンデンサやインダクタなどの受動素子のサイズとコストを削減することができます。 |
 高い電圧容量 |
SiCスイッチは、シリコンスイッチに比べ、最大で10倍の高い電圧に耐えることができます。
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これにより、高電圧システムに必要な直列スイッチの数を最小限に抑え、システムのコスト削減と小型化を実現します。また、自動車の航続距離を延ばし、充電時間を短縮するために、800Vシステムへの移行を進める電気自動車業界にも貢献します。 |
SiCの世界的な需要への対応
SiCパワースイッチの利点は、すでに自動車メーカーの間で広く知られています。もちろん、各マイクロエレクトロニクスメーカーも、この拡大しつつある需要に対応するため、生産能力の増強に取り組んでいます。
しかし、前進を続けるEV業界の生産台数やコスト目標に見合う高品質なSiCデバイスを生産することは容易ではありません。実際、数十年にわたる研究開発の結果、高品質かつ大型で欠陥のないSiCウェハーを製造する技術を確立したサプライヤーは、世界でもまだごくわずかです。
さらに、自動車メーカーは、垂直統合型のベンダーからSiCベースのパワーコンポーネントを調達することを望んでいます。つまり、ウェハの材料となる結晶の育成から、パッケージ化された完成品のデバイス製造までを一貫して行う企業です。材料基板とエピタキシー技術を自社で保有・管理する部品メーカーは、自動車メーカーやティアサプライヤーに対し、製品が確実に納入され、一定の品質が維持されるという信頼を与えます。また、問題が発生した場合でも、サプライチェーン内のベンダー間で責任のなすり合いが生じることもなくなります。
Coherentは、垂直統合された完全なSiC製造能力を有する、世界でも数少ない企業の1つです。当社は、SiCウェハー、エピタキシーからパワーデバイスやモジュールに至るまでを生産しています。さらに、Coherentは、SiC材料の製造において比類のない品質を誇り、現在の標準的なウェーハ径である150 mmから200 mmへの移行を実現できる唯一のサプライヤーです。ウェーハの大型化によるメリットは、デバイスのコストを大幅に削減できる点にあります。
EVが消費者に受け入れられるためには、従来のガソリン車と同等の利便性と経済性を提供する必要があります。そのためには、購入価格や維持費の低減、航続距離の延伸、充電時間の短縮が不可欠です。SiCのユニークな特性を活かした車載パワーエレクトロニクスは、これらの目標を一つひとつ達成するために重要な役割を果たすでしょう。また、CoherentではSiCデバイスのコスト削減に取り組んでおり、この技術で成功するための道筋は十分に整っています。
