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内燃機関超基礎講座 | パワー半導体に用いられるSiC・シリコンカーバイドの優位性:トヨタMIRAIで採用

  • 2020/12/22
  • Motor Fan illustrated編集部
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トヨタ、デンソー、豊田中央研究所の3社が共同開発を進めるSiCパワー半導体はHEVの燃費を10%改善する可能性を持つ。SiCのパワー半導体開発でトップランナーを自認するトヨタ陣営。2020年の実用化を目指し、晴れてトヨタ新型MIRAIに採用された。

デンソー:トヨタ新型MIRAI向けにSiCパワー半導体を量産化

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SiC=シリコン・カーバイドは、シリコンと炭素の化合物でダイヤモンドに次ぐ硬度を持ち、研磨剤や触媒担体などに広く使われている。とはいえ、これは産業用のSiCのことで、トヨタ、デンソー、豊田中央研究所が共同で開発したパワー半導体で使用されるSiCは、高純度・単結晶で生産が非常に難しいタイプだ。

パワー半導体は、HEV(ハイブリッド車)で多数使用されるが、その約25%はPCU(パワーコントロールユニット)で使われている。HEVの心臓部であるPCUは、バッテリーとモーター間で電流を制御する重要なデバイスだ。低燃費を謳うHEVの車両全体の電力損失の約20%がパワー半導体によるものだという。つまり、パワー半導体の効率アップは直接燃費向上に効果があるということだ。

左がSiパワー半導体、右がSiCパワー半導体におけるトランジスターのスイッチング動作時の概念図。Siパワー半導体に電流を流すと電力の一部は熱で失われる。またスイッチのON/OFF時のテール電流でスイッチング損失も大きい。HEVの電力損失の20%がパワー半導体によるものだ。SiCパワー半導体は、熱による定常損失も小さくテール電流がほとんど流れないためスイッチング損失も小さい。

トヨタは初代プリウスからパワー半導体を自社で開発している。このSiCパワー半導体もトヨタグループであるデンソーと豊田中央研究所が1980年代から基礎研究を始め、2007年にトヨタが参加して実用化に向けた技術開発を進めてきたものだ。

SiCパワー半導体ウェーハ(トランジスター):開発したSiCパワー半導体(MOSFET=金属酸化物半導体電界効果トランジスター)。下のダイオードと同じ大きさの基板上に5mm角のものを並べた試作品だ。耐圧1200V、電流は70Aに対応する。トヨタはSiCパワー半導体を内製する方針で、広瀬工場内にSiC専用の半導体開発のためのクリーンルームを2013年12月に整備した。
SiCパワー半導体ウェーハ(ダイオード):基板上に6mm角のチップを並べたダイオード。200Aに対応する。従来のSiウェーハは8インチ(直径約20cm)だったが、開発中のSiCウェーハは4インチ(直径約10cm)。高純度・単結晶のSiCの生産は現状きわめて難しく、現状では良品率が低い。それがコストに跳ね返っている状態だ。

SiCパワー半導体は、現在主流のSi(シリコン)パワー半導体より高効率で小型であり、より高周波で駆動できる。トヨタはSiCパワー半導体を使ったPCUをプリウスに搭載した試作車で5%を超える燃費向上を確認した。細かな調整なしで5%もの向上が見られるほどパワー半導体の存在はHEVにとって大きいのだ。将来的には10%の燃費向上を目指すという。先頃発表した内燃機関の進化も考えれば10%以上の燃費向上も可能だろう。PCUの大幅な小型軽量化もHEV開発で大きなメリットを生むはずだ。

開発したSiCトランジスターは、1セルの横幅が4-5ミクロン。半導体の中に微細な溝を掘るトレンチ構造を採用している。Si半導体では一般的に用いられるドライエッチングという、ガスとプラズマを使った加工法だ。ゲート電極は電流のON/OFFを制御する電極。

パワー半導体の効率がHEVより直接的に燃費(電費)に効くEVに今回開発したSiCパワー半導体を使用すれば「正式に試算はしていませんが、10%どころではない燃費向上があるはずです」(濱田公守氏:トヨタ第3電子開発部・取材当時)という。まさに、バッテリーと並んで自動車の電化でキーになる技術といえる。

SiCは従来のSiと比べて損失で10分の1、高温動作でシリコンの150°Cに対して250°C、高周波駆動で10倍の性能を持つ。HEVのPCUは1秒間に1万回程度電流のON/OFFを繰り返すが、Siでは発熱のために高周波駆動ができなかった。
Siパワー半導体(トランジスター)では切替時にOFFにしても100万分の1秒という短時間だが電流が流れ続ける。これをテール電流というが、このテール電流をスイッチング損失という。SiCだとテール電流はほとんど流れないため高周波駆動が可能になる。
左は現行のSiパワー半導体とPCU、右はSiCパワー半導体とPCU(モックアップ:2014年)。PCU内にはパワー半導体のほかにコイルやコンデンサーが使われていて、PCU体積の約4割を占めるが、PCUの制御を高周波化することで一時的に蓄える電気量が小さくなり小型化できる。パワー半導体を実装しているパワーモジュールもSiCによる高効率化で小型化でき、将来的にはPCU体積は現行の5分の1を目指す。

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