EV革命におけるRFパワー半導体の主な役割

5Gの展開数の増加と家庭用電化製品の売上の増加は、主にRFパワー半導体需要の成長にとって好ましい環境を作り出すでしょうが、自動車産業もRFパワーモジュールの主要な消費者分野の1つです。

現在、自動車産業はダイナミックな電気およびデジタル革命を経験しています。急増する車両は、電化、自律性、および接続の準備ができている可能性があります。それはすべて、エネルギー効率の重要性の高まりに要約され、多様体による自動車産業の変革を加速します。ただし、この変革を実現するために引き続き重要な重要な側面は、RFパワー半導体です。これは、EVおよびハイブリッドEV（HEV）を実現する上で極めて重要な役割を果たしてきたためです。

業界の「ゼロエミッション」シフトに参加している世界有数の自動車メーカーは、車両の電動化プロジェクトを強化するために目覚ましい努力を払っています。研究主導の予測によると、OEMの大多数は、2025年に達成されるEVおよびHEVの目標に目立って注目しています。このシナリオは、高温で効果的に機能する高効率RFパワー半導体の重要な機会を明確に促します。したがって、RFパワーモジュールのメーカーは、SiC（炭化ケイ素）、GaN（窒化ガリウム）、およびWBG（ワイドバンドギャップ）技術に基づく製品の開発に常に戦略を集中させています。

RFパワー半導体の材料の選択肢として出現するGaN

WBG半導体の分野では多くの研究開発努力が行われていますが、SiCバリアントは、最近までEVおよびHEVの従来の選択肢であり続けています。ただし、一方で、SiCはすでに市場で成熟段階に達しており、特にパワーエレクトロニクスやその他の電気自動車やハイブリッド電気自動車の要求の厳しいアプリケーションの場合、SiCを乗り越えようとしている他の競合技術に挑戦しています。

EVとHEVは通常、パワートレインのDC / DCコンバーターの調整にSiCベースのRFパワー半導体を利用しますが、遷移時間はスイッチング周波数を10 kHz〜100kHzに制限する傾向があります。現在、世界中のほぼすべての自動車メーカーが、RFパワー半導体のGaN設計を中心に革新的な取り組みを行っています。

GaN半導体の導入は、ナノ秒の範囲内のスイッチング時間と200°Cの高温での動作を可能にすることにより、この長年の課題を克服する可能性を秘めています。 GaN半導体のより高速な機能により、スイッチング周波数が高くなり、スイッチング損失が低くなります。さらに、より低い電力の電子ボリュームは、全体の重量の削減につながり、その後、軽量でより効率的な経済性をサポートします。

いくつかの研究は、高速での高電力変換のためのGaNベースの半導体の事実上の可能性を提唱しています。EVとHEVの目的を最もよく補完するパワーエレクトロニクスの新時代への移行、優れたスイッチング速度、高い動作温度、より少ないスイッチングと導電率の損失、コンパクトなサイズのパッケージ、潜在的なコストなど、GaN半導体材料の重要な属性競争力は、他のすべての対応物の上にGaNベースのRF半導体を配置し続けます。

EVおよびHEVにおけるRFパワー半導体の普及を制限する潜在的な課題

市場に参入するすべての革新と前向きな結果にもかかわらず、電気自動車におけるRFパワー半導体の機能に対する障壁としていくつかの課題が残っています。結局のところ、ナノ秒以内に高出力コンポーネントを駆動することは複雑な雑用であり、まだ解決されていない複数の問題が伴います。最も顕著な課題の1つは、定格電圧の改善です。従来の設計を変更せずに高温での効率的な操作性を強化することは、RF半導体分野の研究開発の関心を引き付け続けるもう1つの重要な課題です。

この事実は、EVおよびHEVでのパワーエレクトロニクスモジュールのアプリケーションが非常に要求が厳しく、その性能が電圧および性能ベースの革新だけに依存していないことを繰り返し強調しています。構造および設計技術の改善に関する絶え間ない推進により、ハイブリッドおよび純粋/バッテリー電気自動車内のRFデバイスの耐久性、信頼性、および熱抵抗が保証されます。

パッケージングの課題が注目を集めています

周囲の電子部品の歪みもEV設計におけるRF半導体デバイスの適合性に挑戦するもう1つの要因ですが、EMC（エポキシ成形コンパウンド）半導体パッケージは、隣接する電子部品を乱すことなく動作できるため、非常に収益性の高い研究分野として浮上しています。

さらに、オーバーモールドされたRFパワーモジュールは、近い将来の主流としてすでに認識されていますが、設計には、熱管理の観点から改善の余地があります。このように、RF半導体業界の大手企業は、電気自動車での使用の信頼性を向上させるために、パッケージングに関連する取り組みを拡大することを強調しています。

WBGのより良い未来–何かありますか？

しかし、SiCの成熟度とGaNの実証済みの優位性を背景に、市場はWBGに関連する信頼性の懸念を解決できず、長期的にはWBGタイプFR半導体の市場浸透を制限しています。より堅牢なWBGタイプの半導体のエンジニアリングを実現する唯一の方法は、過酷な動作条件での故障メカニズムをより深く理解することです。専門家はまた、WBGは、さらなる利用のために信頼性を再確立する具体的な戦略的支援なしに、市場で成熟する可能性があると考えています。

業界の巨人が何をしているのか

プレミアムSiCおよびGaNRFパワー製品を専門とする米国を拠点とするCreeInc。の会社であるWolfspeedは、最近、EVドライブトレインのインバーター損失を75％以上削減する新製品を発売しました。このように効率が向上したことで、エンジニアは、バッテリーの使用量、範囲、設計、熱管理、およびパッケージングの観点から革新するための新しいパラメーターを発見する可能性があります。

電気自動車やハイブリッド電気自動車のインバーターの高電圧回路は大量の熱を発生するため、この問題は効率的な冷却メカニズムで対処する必要があります。研究では、インバーターのサイズと重量の削減が、EVおよびHEVの自動車部品の冷却を改善するための鍵であることが何度も推奨されています。

同様に、業界のリーダーの大多数（たとえば、日立製作所）は、液体または空気のいずれかを使用して目的の高電圧を直接冷却する二重冷却技術の助けを借りて、インバーターの質量とサイズに引き続き焦点を当てています。電圧RFパワーモジュール。このようなメカニズムにより、設計全体のコンパクトさと柔軟性が向上し、それによって発電損失を削減する取り組みが強化されます。

電気自動車へのRFパワー半導体の適用性を高めるためのコンパクトな設計の重要性を楽しみにして、三菱の超コンパクトなSiCインバーターのようなものが先駆者として登場します。三菱電機株式会社は、ハイブリッドEV向けにこの超小型RF電力製品を特別に開発し、この種の世界最小のSiCデバイスであると主張しています。このデバイスのパッケージング量の削減は、車内で消費するスペースが大幅に少なくなるため、燃料とエネルギーの効率が向上します。このデバイスの商品化は、今後数年で見込まれています。新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO、日本）の支援もあり、超小型SiCインバーターの量産も間もなく開始します。

昨年、業界初の革新的なフィールドプログラマブルコントロールユニット（FPCU）が、電気自動車およびハイブリッド電気自動車の航続距離と性能の向上に貢献できる可能性のある新しい半導体アーキテクチャとして発売されました。このRF半導体デバイスは、既存のEVおよびHEVテクノロジーが最大の可能性を実現できるようにすることを目的として、フランスを拠点とするシリコンモビリティによって設計されています。FPCUの開発におけるシリコンモビリティの製造パートナーは、米国を拠点とする半導体メーカーであるGlobalFoundriesです。

アジア太平洋地域で急増するRFパワー半導体の需要

世界がエネルギー効率の高い輸送を実現するために低炭素エネルギー源に急速に切り替えているため、建物内のエネルギー効率の高い車両の二酸化炭素排出量を最小限に抑えるというプレッシャーがあります。約10年前に量産を開始したとしても、EVの市場はすでにICE（内燃機関）を搭載した従来型車両の市場を上回っています。かつての膨張率は、後にし、2040年の終わりに向かって、1/3以上のことを伝え、ほぼ10倍である^RD総新車販売のが電気自動車で計上されます。

中国自動車メーカー協会の最新データによると、2016年には中国だけで50万台以上のEVが販売され、主に商用車とバスが含まれていました。中国は長期的にはEVの最大の市場であり続けるでしょうが、EVの生産率はアジア太平洋地域全体で常に高い水準にあります。

非常に繁栄している家電産業に加えて、この地域は最近EV市場の大幅な成長を目の当たりにしており、それによって、できればGaNをベースにしたRFパワー半導体の普及の強力な機会を生み出しています。

RFパワー半導体市場の世界的な評価額は約120億米ドルです（2018年末現在）。 5Gテクノロジーの登場、ワイヤレスネットワークインフラストラクチャとIIoT（Industrial Internet of Things）テクノロジーの広範な採用、家庭用電化製品の展望の繁栄、電気自動車（EV）の売上の伸びから生じる画期的な機会により、RFパワー半導体市場の収益2027年まで、12％の複合年間成長率で拡大する可能性があります。

Aditi Yadwadkar は、経験豊富な市場調査ライターであり、エレクトロニクスおよび半導体業界について幅広く執筆しています。Future Market Insights（FMI）で、彼女はエレクトロニクスおよび半導体の研究チームと緊密に協力して、世界中のクライアントのニーズに応えています。これらの洞察は、FMIによる RFパワー半導体市場に関する最近の研究に基づいています。