パワー半導体不足が致命的である理由とは?

パワー半導体不足が致命的である理由とは?

序

「半導体不足」が騒がれるようになってだいぶ経ちましたが、何が足りないかが、やっと少し具体的になってきました。足りないのはパワー半導体だったようです。

ところで、パワー半導体とは何でしょうか? CPUやメモリとは何が違うのでしょうか?

今回は、そこを対話形式で論じていきます。

質問1) パワー半導体とは何ですか?

基本的な事を教えてください。パワー半導体とは何ですか?  CPUやメモリは今までも聞いた事がありますが。新しい技術の半導体ですか?

回答1）パワー半導体は電気エネルギーの流れを制御する部品として、至る場所で使われています。例えば、パワー半導体は、

–        交流電流～直流電流 変換：      AC-DC変換、別名インバータ

–        直流電流～交流電流 変換 ：    DC-AC変換、別名コンバータ

–        交流電源における周波数変換： 50Hz～60Hz変換

–        電圧変換：                                例えば、-48Vdcを3Vdcに変圧

–        オン／オフ スイッチ

と言った事を行います。

今までは、これらの機能は抵抗・コンデンサ・コイル・絶縁体を組み合わせて実現させていましたが、半導体化することで、小型化・消費電力の圧縮といった事が実現されています。

動作周波数や電力変換容量によって、素材もSI、SiC、GaNと使い分けられています。

下図に、パワー半導体の活用場所とその素材の関係を示します。

このようにして見ると、パワー半導体とは、スマフォ等のデジタル機器、家電、自動車、発電所、鉄道、工場生産設備等々、実は至るところで使われている事がわかると思います。

CPUやメモリはデータを電子化しプログラムにすることで、各種機器の動きを制御します。

パワー半導体は、電気エネルギーの流れを制御することで、各種機器の動きを制御します。

一般的に、電力を駆動エネルギーとして使う分野(モータ・照明等)を強電と呼び、電力を制御信号として使う分野 (情報処理機器、テレビ)を弱電と呼びますが、CPUやメモリは弱電で使う半導体で、パワー半導体は強電で使う半導体になります。

出典：経済産業省

図1-1- パワー半導体の活用場所

最近では、SiCを素材にすることで高電圧・大容量な領域への活用が、GaNを素材にする事で高周波数な領域での活用が進んでいます。SiCベースの半導体や、GaNベースの半導体を次世代パワー半導体とも呼ばれています。

まだ研究段階ですが、絶縁耐圧や熱伝導率・高周波特性に優れたダイヤモンドを使ったパワー半導体も注目されています。

質問2) なるほど。わかりました。ところで、パワー半導体とパワーエレクトロニクスはどう違うのでしょうか?

回答2) 下図を使って説明しますが、パワー半導体はチップ・デバイスが該当し、パワーエレクトロニクスというとアプリケーションが該当します。

例えば、自動車の場合では、パワー半導体は、モータ制御、バッテリ放電制御、バッテリ充電制御等で使われていますが、実際にはバッテリやモータと一体化されています。

電動部品・蓄電部品・電力制御部品を組み合わせて、ある種の機能を実現する仕組みをパワーエレクトロニクスと呼びます。

通常、私たちが見るのはアプリケーションレベルの部品ですし、パワー半導体はバッテリやモータよりもはるかに小さいので気づかない事が多いのでしょう。

まさしく、「縁の下の力持ち」ですね。

出典：経済産業省

図2-1- パワー半導体とパワーエレクトロニクスの関係

質問3) なるほど。で、その「縁の下の力持ちが足りない」、とはどういう事なのでしょうか?)

回答3) 下図に示すように、パワー半導体の市場規模は1兆円弱です。半導体市場全体が53兆円ですから、パワー半導体の比率は2%以下です。パワー半導体の影響力は大きくない、とも思えます。

出典：経済産業省

図3-1- 半導体産業におけるパワー半導体の位置づけ

でも、バリューチェーンとした場合はどうでしょうか? 図1-1を再度、見ていただきたいのですが、パワー半導体は至るところでつかわれています。

この事を具体的に紹介しましょう。

自動車もECU導入で電装品が高まりパワー半導体の利用数が増えてきていましたが、今は、電気自動車も急速に増えています。その場合、パワー半導体は、バッテリ充電、バッテリ放電、モータ電力等の制御でも必要になります。パワー半導体が一つでも欠けると、電気自動車は完成しない訳です。

出典：Infinion

図3-2- 自動車におけるパワー半導体の位置づけ

太陽光発電の場合、太陽光パネルが発電する電力は直流です。一方、電力網は交流ですから、この直流電流を交流電流に変換することが必要です。又、電力網とのバランスを常に維持する事も必要です。このような役割はパワーコンディショナーが担っていますが、ここでも、実はパワー半導体は重要な役割を担っています。

出典：京セラFC

図3-3- 自動車におけるパワー半導体の位置づけ

PC/スマフォ等の最近の電子機器は半導体で動きますが、その場合の電力は3Vdcです。一方、商用電源は100Vacです。電子機器の入力口にはAC-DC変換と電圧変換が必須です。

冷蔵庫・エアコン等は、モータを制御するインバータはパワー半導体ですし、CPU等の制御部は3Vdc電源で動きますから、ここでも、AC/DC変換と電圧変換が必要です。

いずれのアプリケーションにおいても、パワー半導体が欠品すると、製品は完成しません。

その為、市場規模は小さいのですが、多くの分野で生産が止まる事になるのです。

質問4) 市場規模が小さいからといって、軽く見てはいけませんね。でも、それはどの部品においても言える事ですけれど。

「半導体不足で自動車の生産が、エアコンの生産が、冷蔵庫の停滞」と新聞が報道し、家電量販店では「入荷は6月中旬」という張り紙があったりするのですが、その理由がわかりました、

このパワー半導体不足の解消はいつ頃になるのでしょうか?

回答4)パワー半導体ベンダー各社は工場の増設を行っていますので、いずれは解消されるのでしょうが、まだまだ予断をゆるさないところがあります。

ここを話し出すと、今までの２倍の長さになりますので、次号にしましょう。

筆者：株式会社データリソース客員研究員　鈴木浩之 (ICTラボラトリー代表)

データリソース社が進める半導体市場レポート

l  絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)の世界市場。IGBTタイプ別、アプリケーション別、地域別サイズと傾向、COVID-19の影響と2026年までの予測による分析

• 調査会社：デダルリサーチ                           発行日：2022年4月

l  パワー半導体市場。世界の産業動向、シェア、サイズ、成長、機会、2022-2027年の予測

• 調査会社：アイマークサービス                    発行日：2022年4月

l  パワーコントロール用自動車用半導体の世界市場の洞察と2028年までの予測

• 調査会社：QYリサーチ                                発行日：2022年1月

l  パワー半導体の世界市場 2022-2026

• 調査会社：テクナビオ                                  発行日：2022年1月

l  車載スイッチ市場 – 成長、トレンド、COVID-19の影響、予測（2022年 – 2027年）

• 調査会社：モードーインテリジェンス          発行日：2022年1月