「グリーンIT」が切り拓く未来社会創造シンポジウム 2009年3月25日

SiCパワーデバイス技術

三菱電機株式会社先端技術総合研究所

高見 哲也

「グリーンIT」が切り拓く未来社会創造シンポジウム 2009年3月25日 2

DC/ACエアコン

太陽光発電 ハイブリッド自動車電気自動車

エレベーター

パワーデバイス

パワエレ機器

（インバータなど）

広い産業分野で省エネに貢献

汎用インバーター

パワーデバイス、パワーエレクトロニクス技術

AC/DC

DC/DC

UPS無停電電源

AC/AC

パワーデバイスを繰返し高速オン/オフす

ることで電力を変換、制御

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パワエレ装置の応用マップと市場ニーズ

MOSFET

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

10 100 1000 10000 100000

装置電圧（Ｖ）

装置

容量

（Ｋ

ＶＡ

）

家電家電機器機器

送配電送配電

ＵＰＳＵＰＳ

交通用交通用電源電源

電鉄電鉄ドライブドライブ

大形大形ドライブドライブ

ＨＥＶ・ＨＥＶ・EVEVドライブドライブ

産業ドライブ産業ドライブ太陽電池太陽電池燃料電池燃料電池

ＲＦＲＦ電源電源

・省エネ・低損失・小型化・低ノイズ化（ＥＭＩ対策）

Thy/GTO/GCTIGBT/IPMIGBT/IPM

・小型・低損失化

・省エネ・低損失化・小型化

・小型・低損失化

・小型・低損失化

・小型・低損失化

・小型・低損失化

・小型・軽量化・省エネ・低損失化・高圧化・高集積化

・高効率・低損失化・小型化

・省エネ・低損失化・低ノイズ化（ＥＭＩ対策）

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第一世代 第二世代 第三世代 第四世代 第五世代新材料

デバイス

さらなる損失低減には、新材料デバイス開発が望まれる。

1985 1990 1995 2000 2005

電力

損失

( ％

)

100

75

50

4033

Siパワーデバイスの損失の変遷

SiCデバイス

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バンドギャップ(eV)3.25

1.1

電子移動度(cm2/Vs)

1140

1500

絶縁破壊電界(MV/cm)

3

0.3

熱伝導度(W/cmK)

4.9

1.5

SiC

Si

熱的に励起されるキャリアが少ない

約3倍 約10倍

薄い半導体層で高電圧に耐える

SiとSiCの物理的性質の比較

SiCはパワーデバイス用半導体として優れた性質をもつ

高温動作 低抵抗

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n + pn +p

S iC 基板

ドレイン電極

ソースゲート

n－ソース

n + pn +p

S iC 基板

ドレイン電極

ソースゲート

n－ソース

n+ pn +p n－

S i 基板

ドレイン電極

ソースゲート

ソースn+ pn +p n－

S i 基板

ドレイン電極

ソースゲート

ソース

電流の流れ

Si-MOSFET

SiC-MOSFET

薄層化高電子濃度化

電流路における抵抗値を大幅に低減

Si-MOSFETとSiC-MOSFETの構造比較

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パワーデバイスの電力損失

＝ 導通損失 + スイッチング損失パワーデバイス部での電

力損失

オン時の抵抗値（オン電圧）が決定

蓄積キャリアが強く影響

電力損失の低減には導通損失、スイッチング損失とも低減が必要

パワーデバイスのSiC化

○物性値より低抵抗化が可能

○ユニポーラ化により蓄積電荷量の低減可能

→ 導通損失の低減が可能

→ スイッチング損失の低減が可能

SiCを用いたユニポーラデバイスにより大幅な損失低減が可能

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省エネパワエレシステム

高周波制御パワエレシステム

高温動作パワエレシステム

ファン・ポンプ

分散電源

民生家電 他

昇降圧チョッパ

無停電電源

工作機械 他

電気自動車

航空機 他

幅広い用途に適用可能

SiCデバイスのメリットと適用可能システム

SiC化のメリット

低損失・高効率小型・高ﾊﾟﾜｰ密度 高周波・高性能 高温動作

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フルSiC小型CIBモジュール 小型SiCインバータ3.7kW/400V

3.7kW出力の小型SiCインバータ

キャリア周波数=10kHz

Si

0

50

100

150

1 2 3 4 5

SiC

出力 [kW]

損失

[W]

0

50

100

150

1 2 3 4 5

50%以下

MOSFET

SBD

SiCパワーデバイス

本開発の一部は、独立行政法人新エネルギー･産業技術総合開発機構（NEDO)の委託を受けて実施しました。

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Ｓｉインバータ11ｋW/400V

ＳｉＣインバータ11ｋW/400V

体積：1/4パワー密度：10W/cm3

11ｋW出力の小型SiCインバータ

本開発の一部は、独立行政法人新エネルギー･産業技術総合開発機構（NEDO)の委託を受けて実施しました。

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11ｋW損失70%減

現状100

30

電力

損失

（相

対値

）

(80)

FY08

300

450

FY07

50

SiCSi

次世代

BJT IGBT MOSFET

3.7ｋW損失50%減

SiCパワーデバイス技術の現状（低損失化）

インバータ動作時の電力損失

本開発の一部は、独立行政法人新エネルギー･産業技術総合開発機構（NEDO)の委託を受けて実施しました。

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データセンター消費電力

出所：APC

チラー

IT機器

UPSAC/DC/AC変換空調

設備

配電ユニット

その他

CPU

チップセット

メモリー

PCIHDDファン

AC/DC/DC変換

データセンター サーバー

出所：EYPミッションクリティカルファシリティーズ、インテル

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（最下段：汎用モータのインバータ化による効率向上）

各製品分野におけるＳｉＣデバイス化による効率向上

出所：第4回素子協フォーラム2009年2月27日

IT分野

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202020152010 2030 年2025

（汎用インバータによるインバータ化効果を入れた場合）

出所：第4回素子協フォーラム2009年2月27日

2030年までのＳｉＣデバイス適用による省エネ効果予測

IT分野

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

汎用（工業用）モータのインバータ化効果

コジェネ等（燃料電池を含む）

新エネルギー（太陽光発電等）

無停電電源

コンピュータ関連

電気自動車（ ＨＥＶ／ＥＶ）

家電合計（参考）

（原油換算：万ｋｌ／年）

291 万ｋｌ/年114 億kWh/年

22789

14263

7228

原油換算電力換算

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SiCパワエレ技術･ SiCウェハ、エピ技術･ SiCデバイス技術･ パワーモジュール技術･ 変換器技術

モータ駆動

（汎用インバータ）

情報分野

電気自動車

電鉄

民生分野

エアコン

（RAC、PAC)（UPS、サーバ電源）

太陽光発電、風力発電、分散電源

データセンタ情報ネットワーク

（パワコン）

（HEV、PHEV、EV、FCV）

車載環境対応（高温、振動、高信頼 等）

車載環境対応（高温、振動、高信頼 等）

高耐圧、大容量

産業分野

鉄鋼

運輸分野

低コスト化発電・送電分野

高キャリア周波数、高信頼、低ノイズ

ＳｉＣパワーデバイス技術の展開

出所：COCN報告書（グリーンパワエレ）

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まとめ

SiCパワーデバイス適用により、インバータ動作時の損失を70％低減。

SiCパワーデバイス技術は省エネルギーで「グリーンIT」に貢献するとともに、その他広い産業分野への展開が期待される。