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パワー半導体が使われている応用先やパワー半導体の種類について解説しました。
【書き起こし】パワー半導体の種類と実用例を解説！パワー半導体が革新する産業とは？ #シリーズ半導体
(00:00) この動画はテキサスインストルメントの 提供でお送りしますこんにちはパワー半 導体シリーズ第3弾ということでパワー半 導体はどこに使われているということを 今日は解説します皆さんもちろん知って いるかと思うんですけどもまず最初に ロジック半導体とパワー半導体の違いです ロジック半導体は何か 演算処理をするための半導体ですロジック 半導体と呼ばれるものは ゲート素子と呼ばれる最小の単位を集めて 作ったものですそのゲート素子をたくさん 組み合わせていって何か命令を実行できる ような回路それがCPUであったりGPU とかになります一方でパワー半導体は何か というとその名前の通りパワーを制御する 半導体です例えば IGBTとかmosfetとかここに写真 があります数十アンペアから数キロ アンペアの電流を流したり流せなかったり あとは数キロボルト数千ボルトの電圧にも 耐えられるようなそういったものです そしてスイッチングという動作を使っとし て電力を巧みに制御するのがパワー半導体
(01:03) ですちなみにロジック半導体の電圧は 0.7vから5Vくらいですこれがお さらいですね次に実際パワー半導体がどう いったところに使われているのか電力も レベルを3つくらいに分けて応用例を書い ていますもちろんこれ以外にも応用例は たくさんありますまず一番小さい電力 レベルで例えば1kw未満ですねAC アダプターUSB充電器ありますけども そこを開けてみると赤枠で囲った部分に たくさんパワー半導体が使われています ちなみにこのアップルの140WのAC アダプターですがここにですね 窒化ガリウムのパワー半導体使われてい ますそれ以外にも例えば 産業用のスイッチング 電源ですね制御盤の裏とかについている やつですこういったところ中にパワー半 導体がいくつか使われています次電力の レベルをもう1段上げますだいたい 100kwから100MBWくらいの応用 先です例えば電気当社のメインのモーター を回すためのインバータの部分にパワー半 導体使われていますこれは
(02:07) IGBTですね最近の電気自動車ピーク パワーで数百KWあるものもありますが SIC単価計素のモスペットを使っている そういった応用例もありますとこういった 電気自動車のモーターを回すための インバーターよりさらに規模の大きい モータードライブ装置もパワー半導体当然 使われていますインバータの板を開けると こういう風にパワー半導体が 積層されてですねこれ円盤のものなんです けどそういったパワー半導体の使い方も あります数メガワット数十メガワットの モーターどこで使うっていう話なんです けど例えば 鉄鋼圧延ですね 鉄を伸ばす圧延マシンに使われている モーターは結構容量ありますねそれ以外に も液化天然ガスのプラントで数十メガ ワットあとはパイプラインとかそういった ところでも数十メガワットのモーターを 使ってコンプレッサーを回したりしてい ますここからさらに電力のレベルをもう1 段階上げるとですねこういう風になります ここまで来ると電力系統に接続するレベル の 応用先になります1GBマルチギガワット くらいの電力です例えば日本国内の例だと
(03:14) 東日本と西日本の周波数の変換所ですね 電力を融通するところに使われています それ以外にもfaxii機器ボリュームの 電力系統の品質を安定させるための 装置も使われていますhvdc高圧直流 思想電北海道と本州の電力を融通する ところに最近2019年くらいですかね できましたねそれ以外にも例えば洋上風力 発電の会場にあるサブステーションとか そういったところにも使われています ちなみにこの写真が北海道と本州を連携 する 設備ですここまでの設備になると電圧が 数100kwありますですので地面に直接 ですね 置くことはできなくて外資の上に置いて ですね 絶縁を保つということをやってますこちら はですねパ半導体のバルブを天井から 吊り下げて地面との 絶縁を保っていますこういう風にパワー半 導体いろいろなところに使われているわけ ですけど結局何をしているかというと電流 の流す長さなよう制御しているわけです このスイッチと同じですねスイッチが開い
(04:19) ていますがこれは当然電流は流れません このスイッチを 閉じると電流が流れるようになります機械 的にスイッチを閉じる開くというのをやっ ていますがこの動作をですね電気的にして しまうのがパワー半導体ですここにパワー 半導体の一種である IGBTとmosfetがありますが ゲートと呼ばれる端子に電圧を加えること でスイッチが閉じて電流が流れる状態を 作れると逆にゲートの電圧が0vの場合は 何も電流を流すことができない状態なわけ です機械スイッチで説明するとゲートの 電圧が 0vの時はスイッチが開いていると電流は 流れませんに電圧を加えていくとこういう 風にスイッチが閉じて今電流が流れる状態 になったとでまた今度ゲートの電圧を 0ボルトにするとこういう風にスイッチが 開いて電流は流れないこの動作をやって いるわけです ちなみにこれですねものすごく早く動作が できて機械のスイッチでやると1秒間に 10回とかが限界なんですけどもこういっ
(05:24) たパワー半導体を使うと1秒間に1万回 から100万回ぐらい行けますパワー半 導体の応用先というのはいろいろあるん ですけどもその 応用先によって使うパワー半導体の種類と いうのは実は 違っています 適切なパワー半導体を選んで 設計していくっていうのがパワー エンジニアの役目なわけですけどもこう いう風にたくさん種類のあるパワー半導体 をどういうところに使っているのかという のをもう少し深掘りして話します ちなみにですねよく使われるパワー半導体 はダイオードサイリスタGTO グレーと ゲートターンオフ サイリスタですねgct ゲートコミケートターンオフサイリスタ mosfetとそして IGBTこれらがよく使われます 従来のパワー半導体は基本的にシリコン ベースだったんですけどもここ最近になっ てですねようやくワイドバンドギャップ パワー半導体を使ってさらに高性能に するっていう流れがあります実際ですね ワイドバンドギャップ半導体単価係争
(06:28) SIC 窒化ガリウムガリウムナイトライドギャン ですねこういったものですねもうすでに 実用化が相当進んでいます USB充電器なんかだと窒化ガリウムよく 効きますね ギャンですねであとは電気自動車の インバーとかと単価係争SICよく使われ ています半導体に使われている 材料自体を変えて性能を高くしていこうと いうわけです ちなみにワイドバンドギャップ半導体が よく使われるのはダイオード特に ショートキーバリアダイオードとこちらの モスセットです構造的な工夫をすることで 性能をこれまで高めてきたんですけども それにもですねやっぱり限界があるという ことで物性の壁をですね当然超えることが できないわけですねですのでパワー半導体 を作っているもの自体を変えてしまうと いう作戦です最近になってワイドバンド ギャップ半導体からさらにウルトラワイド バンドギャップ半導体というですねものも 注目されています 酸化ガリウムですねフロスフィアとか ノベルクリスタルテクノロジーとか日本の ベンチャー企業がですね今頑張ってこう
(07:31) いったものを開発してサンプルとかも出て ますねそれ以外にもダイヤモンド半導体で あったりこれはまだまだという感じなん ですけども話がそれましたが紹介ですまた ちょっと話がそれるんですけどもパワー半 導体のパッケージの話ですねパッケージに ついてはまた別で動画作ろうかなと思うん ですけど軽く紹介です使う用途とか目的に 合わせてかなりたくさんの多様なパワー半 導体のパッケージが用意されています一番 スタンダードのがこちらの ディスクリートタイプのパワー半導体です ここに足が生えていますけどここは ハンダ付けして回路を組み立てていくと もうちょっと電力が大きくなってくると パワーモジュールと呼ばれるですね 箱の中にパワー半導体のチップが入って いるようなものもありますさらにカスタム パッケージ品なんかもありますこの中に パワー半導体が入っています最近の電気 自動車はこちらのパワーモジュールを使っ たものなんか結構多いですね一部例外に あってこういったディスクリート品をです ねいくつも並列接続して電流を稼いでいく というやり方もあります今紹介してきた3
(08:36) つのものについては中にパワー半導体だけ しか入っていないんですけどパワー半導体 +制御ICも一緒にこの中に入れてしまう ものもありますパッケージの中身であっ たりその構造についてはまた別で動画作り ますここに来てですねもうちょっと深掘り していくためにパワー半導体に求められる ことですね大前提として 価格は安くなると安くなることが望ましい とその前提があった上で 項目が 求められます大電流を流せる高耐圧つまり 高い電圧に耐えられる 低損失パワー半導体のところで発生する 損失が少ない高いスイッチング周波数で 動作制御性を上げられたりあとはパワー半 導体だけでは使えないんですけどパワー半 導体の周りに受動部品っていうのが必ず ついてくるんですねフィルムキャパシタと かそういったところを小さくするために スイッチング周波数を上げたりします最後 簡単に制御できるつまり簡単に使える かっていうことですねまず電流について です当然ですが大電力を扱うためには大 電流を流せた方がいいわけですねできる
(09:42) だけ電流の容量を稼ぎたいわけです実際 パワー半導体のパッケージを開けていくと 中にチップが入っていますチップをですね 上から見たところですねチップがあるん ですけどもこういう風にしてこの 断面をですね 研磨して見ていくと断面の構造っていうの はこういう風になってますよく教科書とか 見るとパワー半導体のですねデバイスが一 つだけのところがあるんですけども実は この中身を見てみると 端数のデバイスがですね 並列接続になっていてそこに電流が流れる ようになります ちなみにパワー半導体はですねロジック半 導体とは違ってウエハーを貫通するように 電流が流れますロジック半導体はウエハー の表面を電流が流れますねチップの面積を 広くしていけば整列される数も増えますの で多くの電流を流せるようになりますそれ でも間に合わないようだったらパッケージ を並列に接続していきますなんですけども このパッケージ自体の並列接続っていうの は結構難しいですというのもこのチップの 中であればほとんど特性は揃っていますの で電流の偏りというのはあまり生じません
(10:48) パッケージを2つ並列接続にする場合どう なるかというとこれ中身の特性があってい ないと電流の偏りが生じてしまいます電流 が偏りすぎると取った方が壊れるんですね 片っぽが壊れたらもう片方に全電流が 流れるわけですから 結局もう片方も壊れてしまうみたいなこと になってしまいますですので電流は たくさん流れる方がいいとパワー半導体の 種類別でだいたいどのくらいの電流が 流せるかというのをこちらにまとめました 縦軸に周波数とか電圧があった方がいいか と思うんですけど今回は電流だけに着目し ているのでこういう風にしています縦の 並びには意味はありませんまずシリコンの モスセットだと2300Aが上限ですね次 に窒化ガリウム半導体特にギャンオン シリコンですねこれもだいたい100 アンペアから200アンペアの電流が上限 かなっていうところですシリコンの IGBTですが MAXでだいたい2キロアンペアくらい まで流せるものがありますSICの mosfetですねこれはですねまあ
(11:52) まだまだ発展途上といった感じで 1.2kmAくらいまで流せます本当の大 電流のデバイスっていうのは何かっていう と再リスターとかそういったものになり ますシリコンのダイオードですね6kg アンペアくらいまで流せるものがあります サイリスターとか本当に大電力のところで 使うようですねこちらの何キロアンペア 流せるとかデバイスの元々持っている タイヤによっても結構 振れ幅が大きいです次に高耐圧なデバイス ですパッケージがこういう風にやって ドレインとソースのところに全然電圧を 加えても 壊れないと当然ですけども大電力を扱う ためには電圧をですねどんどんどんどん 高くしていった方が大電力 扱えるわけですその電圧に耐えられるだけ のパワー半導体というのが当然必要です だいたいどれくらいの電圧まで耐えられる かシリコンのショットキーバリア ダイオードだと200Vくらいシリコンの モスセット特にスーパージャンクション 構造のやつですねあとはギャンオン シリコンなんかは650vくらいが条件 ですさらに高いタイヤを持っているものは SICのショットキーバリアダイオード
(12:58) SICのセット実際販売されているものだ と3.3kvプロトタイプとかだと 6.5kvのものが例えば三菱電機とか から出ています他にもですねシリコンの IGBT6.5キロボートシリコンの再 リスターですねGTOgctは6.5kw 程度シリコンのダイオードなんかも 6.5kw 耐圧のものがあります用途によっては パワー半導体の持っている体圧以上の電源 電圧の 応用というのがあるわけですそういった 場合はどうするかというとパワー半導体を 直列 接続にしますただ直列接続っていうのは 結構 難しくてこのデバイス間のばらつきという ものがあって電圧の偏りができるわけです 特にスイッチングの時にですね 偏りが大きくなって 定格電圧以上が加わって壊れるということ がありますデバイスのばらつきをなくすと いうのも大事ですしスイッチングの タイミングをですねもうしっかりと同期さ せてやる技術というのも非常に大切になり ます次発生する 損が少ないスイッチングという動作をです
(14:01) ねパワー半導体は基本にしているわけです けどもそのスイッチングのタイミングで スイッチング損失というものが発生します それ以外にも電流が定常的に流れている ところで 導通 損失というのもありますこういった損失を いかに減らすかというのがですねパワー半 導体では重要になります例えばシリコンの IGBTからSICモスセットに変えると こういったところの損失っていうのは基本 的に下がる傾向にあります電気自動車の インバータなんかがいい例ですねそれ以外 にもUSB充電器でシリコンのモスセット が使われてきましたが 窒化ガリウムのパワー半導体を使うことで 損失を減らすことに成功していますその質 を減らすと何がいいかっていうと当然発熱 が減りますので冷却を簡素化できます つまり冷却部分を小さくしてその分の コストを圧縮できるわけです冷却するのに ヒートシンクを使う場合もあればチラーを 使う場合もありますそういったコストって 意外と高かったりするんですね次高い スイッチング周波数で動作可能これはです ね前のスライドの発生する損失が少ないと
(15:06) 関係しています高いスイッチング周波数で 動かすとこちらの受動部品インダクターと キャパシタがありますがそこに出たり入っ たりする時間あたりのエネルギーは小さく なりますそうすると何が嬉しいかというと 受動部品小さくできますつまり 装置を小型化できるわけですですけども 今度スイッチング周波数を上げると スイッチング損失が増えます前のスライド Aですねスイッチングするところで スイッチング損失っていうのが出ていた わけですけども例えばスイッチング周波数 が1khzだったとするとスイッチング 損失は1秒間に1000回発生します次に スイッチング周波数を10倍に上げようと 単純に考えてこのスイッチング損失という のは10倍になるわけですスイッチング 損失が増えるので冷却をですね 頑張らなきゃいけないという風になります デバイス別のスイッチング周波数ですけど も再リスターだと高くても450hz くらいかなといったところですね特に大 電力のパワー半導体だとだいたい 450hzくらいを境にしてSICを使っ たりシリコンのIGBTをまあに
(16:11) 使い分けるということをしています シリコンのIGBTだとスイッチング周波 数高くて20kmhzくらいシリコンの ダイオードもだいたい同じくらいですね シリコンのモスフェッドだとちょっと高く て100khzから高いものだと1mhz くらいまであるかなといけるかなといった ところですねSICの所得バリア ダイオードとSICのmosfetter とシリコンのIGBTよりかは少しは高く できるかなといったところです最後 ギャンですね結構スイッチング周波数高く て20khz当然いけますしそれよりも 高いところで最高13mhzとか 26mhzとかそういったかなり周波数の 高いところで使われます例えばここで一つ 例を挙げるとUSB充電器56年くらい前 まではほとんどシリコンのモスセットが 使われていますも最近のものだと窒化 ガリウムを使ったものがかなり多いかと 思います何でこんなことが起きたかって いうと ギャンの物性がかなり良くてですね使われ ているパワー半導体mosfetから ギャンに変えるだけでもう損失が下がって 装置自体も小さくできますっていうのが
(17:15) ですねもうわかってそうなったらみんな ギャンを使い始めたっていうところですね やっぱ USB充電器小さい方が嬉しいですからね 今までのデバイス別の電流電圧 スイッチング周波数のマップを一つで まとめるとこういう風になります横軸が スイッチング周波数 縦軸が応用先の電力ですここに再リスター シリコンのIGBTシリコンの mosfetがあるとSICの mosfetとシリコン横型のギャンです ねそういったワイドバンドギャップの パワー半導体があると再リスターズって 書いてあるんですけどこれは サイリウスターとgctとGTを全部含ん でいます直流相談hvdc 液側とオーダーキロボートのところで使わ れるとあとは送配電ですね大電力の モータードライブもところでも再リスター は使われますただですねシリコンの IGBTとですね領域がかぶるところが あります特にモータードライブ領域の ところです IGBTだと例えば 鉄鋼圧延大容量モータードライブメガ ソーラー1500Vの太陽光パネルですね
(18:22) 鉄道のモーターですねそういったところに も使われていますあとは電気自動車の インバーターですねただですねSICの mosfetが出てきたことによって だんだんですねシリコンIGBTのですね 領域が少しずつ狭まって逆にSICモス セットがですねこういった大容量の モータードライブメガソーラーであったり 鉄道インバータントコーデ使われています 新幹線のn700SなんかはフルSIC ですし山手線今走ってるやつなんかもフル SICですね電気自動車のインバータ なんかもシリコンのIGBT使われてきた んですけども今はですね結構SIC mosfet使う例が多くなってきてます 強いですね電力は小さいんですけども周波 数が高いところではシリコンの mosfetが使われています家電とか ですね IHエアコン洗濯機とかそういったところ のモーターを回したりサーバーの電源 スイッチング電源 USB充電器シリコンのmosfetが よく使われていますただ窒化ガリウムの パワー半導体が出てきてからですね サーバー電源であったりスイッチング電源 特にUSB充電器なんかは
(19:26) ギャンがかなり使われ始めていますさらに 周波数の高いRFの無線給電なんかでは ギャンの強みをですねかなり出てきます 動画の中盤で説明したウルトラワイド バンドギャップ半導体どこに使われるのか これはですね正直まだよくわかんないと ただ酸化ガリウムなんか非常に高耐圧まで 耐えられるとか言われていますのでもしか したらこのSICmosfetと結構 かぶるかもしれませんすでに出ている SICモスセットもですねやっぱり どんどん 研究されていってコスト的な面であったり 特性的な面倒も 改善されているので 果たしてこの 酸化ガリウムがですね本当にどこか 食い込んでくるのかっていうのはですね これは正直わかんないですねすいません ちょっとですね 忘れかけてたんですけども制御は簡単に できるっていうのをこれも非常に重要です 意外と見落とされがちですね特に スイッチング周波数を高くできる ギャンとかそういったところでパッケージ の中に全部制御回路とパワー半導体が入っ ているものなんかがかなり役に立つのでは ないかと思います
(20:29) ゲートドライブガイドが最初から入って いるとこれの何がいいかっていうと高周波 の場合だとドライバーとパワー半導体が別 だと使うのは難しいんですね使えないこと もないんですけどもパワー半導体の思って いる本来の性能を出すためにPCBの レイアウトを工夫したりしなきゃいけませ ん別々のパッケージに入っているものを一 つのパッケージの中に収めて最短で接続 できるようになればゲートドライブの インダクタンスとかも減るわけですので いろいろ特性であったりそういった制御は 簡単になるよなといったところですね実は ですね今日のスポンサーのテキサス インストールメントなんですけどこういっ た領域かなり得意なんですねもともと アナログ回路を作っているところですから アナログで構成されているような回路です ねこれと同じところにパワー半導体を 入れると実はTIって数十ワットから数 KWいかないレベルのところで使われて いる制御回路とパワー半導体が一体になっ たような電源IC実はかなり得意として いる分野ですねスイッチング電源とか作っ
(21:32) たことのある人なら1回はですね使った ことがあるかとは思います今日はどんな ところにパワー半導体が使われるのか電流 電圧スイッチング周波数のレベル別で見て きましただいたいですねこういう風に分類 されるというのが皆さんお分かりいただけ たかと思います最後のまとめに入る前に 今日のスポンサーの テキサスインストレンツの紹介ですどうぞ テキサスインツの電源を皆さん使うと思い ますが 電源の設計って難しいですよね実際に電源 を作ったら思ったよりパフォーマンスが出 なかったそんな経験あるかと思います そんな悩みをWEB上で解決する設計支援 ツールがあります TIのWebベンチです使い方が簡単 入出力の電圧を選ぶだけビューデザインを して例えば一番上にある電源を選びます このままの設定で電源を作っても良いです し部品をクリックすると代替品を選べたり 左の方から設計を 効率重視に変更できたり EMIフィルターの追加などもできます 設計が完了したらエクスポートでビルオブ
(22:36) マテリアルを出力すれば完了です 電源設計をある程度お任せできるので Web値是非お試しをいかがだった でしょうかTIの電源ICの設計ネット上 でできるのでぜひ試してみてください今回 パワー半導体をいろいろ話してきたわけ ですけども実は第4弾も計画しています シリーズパワー半導体なんですけども中身 はちょっと 未定ですねパ状態だけ実は動画のトピッ クって結構作れますのでかなり長続きする シリーズかとは思います今回のスポンサー のテキサスインストルメントもそうです けども他のスポンサーのデジケーであっ たりインフィニオンであったりそういった 非常に強力なスポンサーがいるのでパワー 半導体については今後ですねかなり充実さ せていく予定です皆さんぜひ期待しておい てくださいシリーズパワー半導体以外にも マイコンとか電動機とかそういったものも シリーズ化していますということで最後 まで動画のご視聴ありがとうございました Tシャツ販売中 詳しくは概要欄から [音楽]
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◤半導体関連動画◢
再生リスト https://www.youtube.com/playlist?list=PLsjRI4ZEczlAZgFuqD1mJLwPTyGfmIaDZ
◤目次◢
0:00 ロジック半導体、パワー半導体の分類
1:10 ~1kWまでの応用例
1:51 100kW~100MWまでの応用例
2:58 ~1GWまでの応用例
4:05 パワー半導体の根本的な役割
5:30 パワー半導体の種類とワイドバンドギャップ半導体
7:41 パワー半導体のパッケージは多種多様
8:51 パワー半導体に求められること
9:33 大電流を流せるパワー半導体が必要
12:18 高耐圧なパワー半導体が必要
13:57 発生する損失が少ないパワー半導体が必要
14:59 高いスイッチング周波数で動作可能(受動部品を小さく、制御性能が高くなる)
17:24 種類別の適用範囲をまとめる
20:09 制御が簡単にできる
22:43 まとめ
【書き起こし】(2) パワー半導体の種類と実用例を解説！パワー半導体が革新する産業とは？ #シリーズ半導体
(00:00) この動画はTEXAS INSTRUMENTSの提供でお送りします こんにちはパワー半導体シリーズ第3弾ということで 『パワー半導体はどこに使われている？』 ということを今日は解説します みなさんもちろん知っているかと思いますが まず最初にロジック半導体とパワー半導体の違いです ロジック半導体は演算処理をするための半導体です ロジック半導体と呼ばれるものは ゲート素子と呼ばれる最小の単位を詰めて作ったものです そのゲート素子をたくさん組み合わせていって 何か命令を実行できるような回路 それがCPUであったりGPUになります 一方でパワー半導体は何かというと その名前のとおりパワーを制御する半導体です 例えばIGBTやMOSFETとか ここに写真があります 数十～数キロアンペアの電流を流したり流さなかったり あとは数キロボルト 数千ボルトの電圧にも耐えられるようなものです そしてスイッチングという動作を使って 電力を巧みに制御するのがパワー半導体です ちなみにロジック半導体の電圧は0.7～5Vくらいです
(01:09) これがおさらいですね 次に実際パワー半導体がどういったところに使われているのか 電力のレベルを3つくらいに分けて応用例を書いています もちろんこれ以外にも応用例はたくさんあります まず1番小さい電力レベルで 例えば1kW未満ですね ACアダプター USB充電器ありますが そこを開けてみると 赤枠で囲った部分にたくさんパワー半導体が使われています ちなみにこのAppleの140WのACアダプターですが ここに窒化ガリウムのパワー半導体が使われています それ以外にも例えば産業用のスイッチング電源ですね 制御盤の裏とかに付いているやつです こういったところ中にパワー半導体がいくつか使われています 次に電力のレベルをもう1段上げます 大体100kW～100MWくらいの応用先です 例えば電気自動車のメインのモーターを 回すためのインバーターの部分に パワー半導体が使われています これはIGBTですね 最近の電気自動車はピークパワーで数百kWあるものもありますが SiC炭化ケイ素のMOSFETを使っている そういった応用例もあります
(02:18) こういった電気自動車のモーターを回すためのインバータより さらに規模の大きいモータードライブ装置にも パワー半導体が当然使われています インバータの盤をあけると こういう風にパワー半導体が積層されて これは円盤のものですが そういったパワー半導体の使い方もあります 数MW 数十MWのモーターはどこで使うのかという話ですが 例えば鉄鋼圧延ですね 鉄を伸ばす圧延マシーンに使われている モーターは結構容量ありますね それ以外にも液化天然ガスのプラントで数十MW 後はパイプラインとか そういったところでも数十MWのモーターを使って コンプレッサーを回したりしています ここからさらに電力のレベルを もう1段階上げるとこういう風になります ここまで来ると電力系統に接続するレベルの応用先になります 1GW マルチGWくらいの電力です 例えば日本国内の例だと東日本と西日本の周波数の変換所ですね 電力を融通するところに使われています それ以外にもFACTS機器
(03:22) 交流の電力系統の品質を安定させるための装置にも使われています HVDC 高圧直流送電 北海道と本州の電力を融通するところに2019年くらいにできましたね それ以外にも 例えば洋上風力発電の 海上にあるサブステーションとか そういったところにも使われています ちなみに この写真が北海道と本州を連系する設備です ここまでの設備になると電圧が数百kVあります なので地面に直接置くことはできなくて 碍子の上に置いて絶縁を保つということをやっています こちらはですねパワー半導体のバルブを 天井からつり下げて地面との絶縁を保っています こういう風にパワー半導体は色々なところに使われていますが 結局何をしているかというと 電流の流す or 流さないを制御しています このスイッチと同じですね スイッチが開いていますがこれは当然電流は流れません このスイッチを閉じると電流が流れるようになります 機械的にスイッチを閉じる開くというのをやっていますが
(04:30) この動作を電気的にしてしまうのがパワー半導体です ここにパワー半導体の1種であるIGBTとMOSFETがありますが ゲートと呼ばれる端子に電圧を加えることで スイッチが閉じて電流が流れる状態を作れます 逆にゲートの電圧が0Vの場合は 何も電流を流すことができない状態です 機械スイッチで説明すると ゲートの電圧が0Vのときはスイッチが開いていて電流は流れません ゲートに電圧を加えていくとこういう風に スイッチが閉じて電流は流れる状態になった また今度ゲートの電圧を0Vにすると こういう風にスイッチが開いて電流は流れない この動作をやっているわけです ちなみにものすごく速く動作ができて 機械のスイッチでやると1秒間に10回とかが限界ですが こういったパワー半導体を使うと 1秒間に1万回～100万回ぐらいいけます パワー半導体の応用先というのはいろいろありますが その応用先によって使うパワー半導体の種類は実は違います
(05:39) 適切なパワー半導体を選んで設計していくというのが パワエレエンジニアの役目ですが こういう風にたくさん種類のあるパワー半導体を どういうところに使っているのかもう少し深掘りして話します ちなみによく使われるパワー半導体は ダイオード サイリスタ GTO Great Teac.. Gate Turn-off Thyristor(GTO)ですね Gate Commutated Turn-off Thyristor(GCT) MOSFETとそしてIGBT これらがよく使われます 従来のパワー半導体は基本的にSiベースでしたが ここ最近になってようやくワイドバンドギャップ半導体を使って さらに高性能にするという流れがあります 実際にワイドバンドギャップ半導体 炭化ケイ素 4H-SiC 窒化ガリウム Gallium nitride GaNですね こういったものは既に実用化が相当進んでいます USB充電器だと窒化ガリウムよく聞きますね GaNですね あとは電気自動車のインバータとかだと 炭化ケイ素 SiCよく使われています
(06:46) 半導体に使われている材料自体を変えて 性能を高くしていこうというわけです ちなみにワイドバンドギャップ半導体がよく使われるのは ダイオード 特にSBDとMOSFETです 構造的な工夫をすることで性能をこれまで高めてきたのですが それにもやっぱり限界があるということで 物性の壁を当然越えることはできないわけですね なのでパワー半導体を作っている物自体を 変えてしまおうという作戦です 最近になってワイドバンドギャップ半導体から さらにウルトラワイドバンドギャップ半導体も注目されています 酸化ガリウムですね FLOSFIAとか ノベルクリスタルテクノロジーとか 日本のベンチャー企業が今頑張ってこういったものを開発して サンプルとかも出ていますね それ以外にもダイヤモンド半導体であったり これはまだまだという感じなのですが 話がそれましたが紹介です すみません またちょっと話がそれるのですが パワー半導体のパッケージの話ですね パッケージについては別で動画を作ろうと思いますが軽く紹介です
(07:51) 使う用途とか目的に合わせて かなりたくさんの多様なパワー半導体の パッケージが用意されています 1番スタンダードなのがこちらの ディスクリートタイプのパワー半導体です ここに足が生えていますがはんだ付けして回路を組み立てていきます もうちょっと電力が大きくなってくると パワーモジュールと呼ばれる箱の中に パワー半導体のチップが入っているようなものもあります さらにカスタムパッケージ品とかもあります この中にパワー半導体が入っています 最近の電気自動車はこちらの パワーモジュールを使ったものが結構多いですね 一部例外もあって こういったディスクリート品を 幾つも並列接続して電流を稼いでいくというやり方もあります 今紹介してきた3つのものについては 中にパワー半導体だけしか入っていませんが パワー半導体＋制御ICも一緒にこの中に入れてしまうものもあります パッケージの中身であったりその構造については また別で動画を作ります ここに来てもうちょっと深掘りしていくために
(08:54) パワー半導体に求められることですね 大前提として低価格が望ましい その前提があった上で項目が求められます 大電流を流せる 高耐圧 高い電圧に耐えられる 低損失 パワー半導体のところで発生する損失が少ない 高いスイッチング周波数で動作 制御性を上げられたり パワー半導体だけでは使えないですが パワー半導体の周りに受動部品というのが必ず付いてきます フィルムのキャパシターとか そういったところを小さくするために スイッチング周波数を上げたりします 最後 簡単に制御できる つまり簡単に使えるかということですね まず電流についてです 当然ですが大電力を扱うためには大電流を流せた方がいいですね できるだけ電流の容量を稼ぎたいわけです 実際パワー半導体のパッケージを開けていくと 中にチップが入っています チップを上から見たところですね チップがありますが こういう風にして断面を研磨して見ていくと 断面の構造というのはこういう風になっています
(10:00) よく教科書とか見るとパワー半導体の デバイスが1つだけのところがありますが 実はこの中身を見てみると多数のデバイスが並列接続になっていて そこに電流が流れるようになります ちなみにパワー半導体はロジック半導体とは違って ウエハーを貫通するように電流が流れます ロジック半導体はウエハーの表面を電流が流れますね チップの面積を広くしていけば並列される数も増えるので 多くの電流を流せるようになります それでも間に合わないようだったら パッケージを並列に接続していきます ですがこのパッケージ自体の並列接続は結構難しいです というのもこのチップの中であればほとんど特性は揃っているので 電流の偏りというのはあまり生じません パッケージを2つ並列接続にする場合 どうなるかというと 中身の特性が合っていないと電流の偏りが生じてしまいます 電流が偏りすぎると偏った方が壊れます 片方が壊れたら もう片方に全電流が流れますので
(11:05) 結局もう片方も壊れてしまうみたいなことになってしまいます なので電流はたくさん流れる方がいい パワー半導体の種類別で大体 どのくらいの電流が流せるかをこちらにまとめました 縦軸に周波数とか電圧がある方がいいと思いますが 今回は電流だけに着目しているのでこういう風にしています 縦の並びには意味はありません まずSiのMOSFETだと200~300Aが上限ですね 次に窒化ガリウム半導体 特にGaN on Siですね これも大体100～200Aの電流が上限かなというところです Si-IGBTですがMaxで大体2kAくらいまで流せるものがあります SiCのMOSFETですね これはまだまだ発展途上という感じで1.
(11:56) 2kAくらいまで流せます 本当の大電流のデバイスというのは何かというと Thyristorとかそういうものになります Si-Diodeですね 6kAくらいまで流せるものがあります Thyristorとかは本当に大電力のところで使う用ですね こちらの何kA流せるかはデバイスの 元々持っている耐圧によっても結構振れ幅が大きいです 次に高耐圧なデバイスです パッケージがこういう風にあって ドレインとソースのところに全電圧を加えても壊れない 当然ですが大電力を扱うためには 電圧をどんどん高くしていった方が大電力を扱えるわけです その電圧に耐えられるだけのパワー半導体というのが当然必要です 大体どれくらいの電圧まで耐えられるか Si-SBDだと200Vくらい Si-MOSFET 特にスーパージャンクション構造のものですね あとはGaN on Siは650Vくらいが上限です さらに高い耐圧を持っているものはSiC-SBD MOSFET 実際販売されているものだと3.3kV プロトタイプだと6.5kVのものが三菱電機などから出ています
(13:08) 他にもSi-IGBT 6.5kV Si-Thyristor GTO GCTは6.5kV程度 Si-Diodeも6.5kV耐圧のものがあります 用途によってはパワー半導体が持っている 耐圧以上の電源電圧の応用というのがあります そういった場合はパワー半導体を直列接続にします ただ直列接続というのは結構難しくて デバイス間のばらつきというものがあって電圧の偏りができます 特にスイッチングの時に偏りが大きくなって 定格電圧以上が加わって壊れるということがあります デバイスのばらつきをなくすというのも大事ですし スイッチングのタイミングをしっかりと 同期させる技術も非常に大切になります 次に発生する損失が少ない スイッチングという動作をパワー半導体は基本にしているわけですが そのスイッチングのタイミングで スイッチング損失というものが発生します それ以外にも電流が定常的に流れているところで 導通損失というのもあります こういった損失をいかに減らすかというのが
(14:17) パワー半導体では重要になります 例えばSi-IGBTからSiC MOSFETに変えると こういったところの損失というのは基本的に下がる傾向にあります 電気自動車のインバータがいい例ですね それ以外にもUSB充電器でSiのMOSFETが使われてきましたが 窒化ガリウムのパワー半導体を使うことで 損失を減らすことに成功しています 損失を減らすと何が良いかというと 当然発熱が減るので冷却を簡素化できます つまり冷却部分を小さくしてその分のコストを圧縮できるわけです 冷却するのにヒートシンクを使う場合もあれば チラーを使う場合もあります そういったコストは意外と高かったりします 次に高いスイッチング周波数で動作可能 これは前のスライドの「発生する損失が少ない」と関係しています 高いスイッチング周波数で動かすと こちらの受動部品インダクタとキャパシタがありますが そこに出たり入ったりする時間当たりのエネルギーは小さくなります そうすると 何が嬉しいかというと 受動部品を小さくできます つまり装置を小型化できるわけです
(15:25) ですがスイッチング周波数を上げるとスイッチング損失が増えます 前のスライドでスイッチングするところで スイッチング損失が出ていたわけですが 例えばスイッチング周波数が1kHzだったとすると スイッチング損失は1秒間に1000回発生します 次に スイッチング周波数を10倍に上げると 単純に考えてこのスイッチング損失というのは10倍になるわけです スイッチング損失が増えるので 冷却を頑張らなきゃいけないという風になります デバイス別のスイッチング周波数ですが Thyristorだと高くても450Hzくらいといったところです 特に大電力のパワー半導体だと 大体450Hzくらいを境にしてSiCを使ったり Si-IGBTを使い分けるということをしています Si-IGBTだとスイッチング周波数は高くて20kHzくらい Si-Diodeも大体同じくらいですね Si-MOSFETだとちょっと高くて 100kHzから高いものだと1MHzくらいまで いけるかなというところです SiCのSBDとSiCのMOSFETだと
(16:33) SiのIGBTより少し高くできるかなといったところです 最後GaNですね 結構スイッチング周波数高くて20kHz当然行けますし それよりも高いところで最高13MHzとか26MHzとか そういったかなり周波数の高いところで使われます 例えばここで1つ例を挙げると USB充電器 5～6年くらい前までは 殆どSi-MOSFETが使われていますが 最近のものだと窒化ガリウムを使ったものがかなり多いと思います なんでこんなことが起きたかというと GaNの物性がかなり良くて 使われているパワー半導体をMOSFETからGaNに変えるだけで 損失が下がって装置自体も小さくできますというのが分かって そうなったらみんなGaNを使い始めたというところですね やっぱりUSB充電器は小さい方が嬉しいですからね 今までのデバイス別の電流電圧スイッチング周波数のマップを 1つでまとめるとこういう風になります 横軸がスイッチング周波数［Hz］ 縦軸が応用先の電力［VA］です ここにThyristors Si-IGBT Si-MOSFETがあると
(17:41) SiC-MOSFETとGaN on Si 横型のGaNですね そういったワイドバンドギャップのパワー半導体がある Thyristorsと書いてあるのですが これはサイリスタとGCTとGTOを全部含んでいます 直流送電HVDC GWオーダー 数百kVのところで使われる あとは送配電ですね 大電力のモータードライブのところでもサイリスタは使われます ただSiのIGBTとは領域がかぶるところがあります 特にモータードライブ領域のところです IGBTだと例えば 鉄鋼圧延 大容量モータードライブ メガソーラー 1500Vの太陽光パネル 鉄道のモーター そういったところにも使われています あとは電気自動車のインバータですね ただSiCのMOSFETが出てきたことによって だんだんSi-IGBTの領域が少しずつ狭まって 逆にSiC-MOSFETがこういった大容量のモータードライブ メガソーラー 鉄道 インバータのところで使われています 新幹線のN700SはフルSiCですし
(18:47) 山手線を走っているものもフルSiCですね 電気自動車のインバータなんかも Si-IGBT使われてきたのですが 今は結構SiC-MOSFETを使う例が多くなってきています それより電力は小さいのですが周波数が高いところでは Si-MOSFETが使われています 家電とかIH エアコン 洗濯機とか そういったところのモーターを回したり サーバーの電源 スイッチング電源 USB充電器 Si-MOSFETがよく使われています ただ窒化ガリウムのパワー半導体が出てきてから サーバー電源であったりスイッチング電源 特にUSB充電器なんかはGaNがかなり使われ始めています 更に周波数の高いRFの無線給電では GaNの強みがかなり出てきます 動画の中盤で説明したウルトラワイドバンドギャップ半導体 どこに使われるのか これは正直まだよく分からない ただ酸化ガリウムは非常に高耐圧まで耐えられると言われているので もしかしたらこのSiC-MOSFETと結構かぶるかもしれません 既に入れているSiC-MOSFETも
(19:53) やっぱりどんどん研究されていって コスト的な面であったり 特性的な面でもどんどん改善されているので 果たしてこの酸化ガリウムが本当にどこに食い込んでくるというのは これは正直分からないですね すいません ちょっと忘れかけていたのですが 制御は簡単にできる これも非常に重要です 意外と見落とされがちですね 特にスイッチング周波数を高くできるGaNとかそういったところで パッケージの中に全部制御回路とパワー半導体が 入っているものがかなり役に立つのではないかと思います ゲートドライブ回路は最初から入っていると これの何が良いかというと 高周波の場合だと ドライバーとパワー半導体が別だと使うのは難しいですね 使えないこともないのですが パワー半導体の持っている本来の性能を出すために PCBのレイアウトを工夫したりしないといけません 別々のパッケージに入っているものを1つのパッケージの中に収めて 最短で接続できるようになれば ゲートドライブのインダクタンスも減るわけなので 色々特性であったり制御が簡単になるといったところですね
(21:02) 実はですね今日のスポンサーのTEXAS INSTRUMENTSなのですが こういった領域かなり得意なんですね 元々アナログ回路を作っているところですから アナログで構成されているような回路ですね これと同じところにパワー半導体を入れると 実はTIって数十W～数kWいかないレベルのところで使われている 制御回路とパワー半導体が一体になったような電源IC 実はかなり得意としている分野ですね スイッチング電源とか作ったことのある人なら 1回は使ったことがあるかと思います 今日はどんなところにパワー半導体が使われるのか 電流電圧スイッチング周波数のレベル別で見ていきました 大体こういう風に分類されるというのが 皆さんお分かりいただけたかと思います 最後のまとめに入る前に 今日のスポンサーのTEXAS INSTRUMENTSの紹介です TEXAS INSTRUMENTSの電源ICを皆さん使うと思いますが 電源の設計って難しいですよね 実際に電源を作ったら思ったよりパフォーマンスが出なかった
(22:07) そんな経験あるかと思います そんな悩みをWEB上で解決する設計支援ツールがあります TIのWEBENCHです 使い方は簡単 入出力の電圧を選ぶだけ VIEW DESIGNSを押して 例えば1番上にある電源を選びます このままの設定で電源を作っても良いですし 部品をクリックすると代替品を選べたり 左の方から設計を効率重視に変更できたり EMIフィルターの追加などもできます 設計が完了したらエクスポートで Bill of materialsを出力すれば完了です 電源設計をある程度お任せできるので WEBENCHぜひお試しを いかがだったでしょうか TIの電源ICの設計 ネット上でできるので ぜひ試してみてください 今回パワー半導体をいろいろ話してきたわけですが 実は第4弾も計画しています ＃シリーズパワー半導体 なのですが中身はちょっと未定ですね パワー半導体だけで実は動画のトピックって結構作れますので かなり長続きするシリーズかと思います 今回のスポンサーのTEXAS INSTRUMENTSもそうですが 他のスポンサーのデジ計であったり インフィニオンだったり
(23:11) そういった非常に強力なスポンサーがいるので パワー半導体については今後かなり充実させていく予定です 皆さんぜひ期待しておいてください ＃シリーズパワー半導体以外にもマイコンとか電動機とか そういったものもシリーズ化しています ということで 最後まで動画のご視聴ありがとうございました
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