パワー半導体とは？半導体との違いや機能、おもな用途などを解説

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吉田SKTは半導体製造装置への加工実績が多数ある、フッ素樹脂コーティングの加工メーカーです。

パワー半導体は、電気自動車（EV）やハイブリッド車、産業機器など幅広い用途で使われており、これからも世界市場の拡大が見込まれています。この記事では、パワー半導体について詳しく解説します。

パワー半導体の種類や特徴、通常の半導体との違い、今後の課題などについても解説しますので、ぜひ参考にしてください。

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パワー半導体とは？

パワー半導体とは半導体の一種で、電力の制御や変換を行うデバイスのことです。小さな電力から大きな電力まで供給できて、電子機器の「心臓」や「筋肉」に該当します。パワー半導体は、別名「パワーデバイス」「パワー半導体デバイス」と呼ばれる場合もあります。

パワー半導体の特徴

パワー半導体の特徴は、高電圧や大電流を取り扱えることです。明確な定義はないものの、多くは定格電流が1A以上の半導体デバイスを、パワー半導体としています。近頃は、数10V以上・数A以上を取り扱う個別半導体を、狭義のパワー半導体と呼ぶことが増えています。

パワー半導体と通常の半導体の違い

パワー半導体と通常の半導体は、用途、使用する電力、サイズが異なります。パワー半導体は、電力の制御や変換に使われて、小さな電力から大きな電力まで取り扱っています。サイズは、小振りなクッキーくらいからお弁当箱くらいまで、さまざまです。

通常の半導体は、数値の計算やデータの保持などの用途に使われて、非常に小さな電力で動作します。サイズは数cm四方です。

パワー半導体の機能

パワー半導体には、どのような機能があるのでしょうか。ここでは、4つの機能について解説します。

コンバーター

コンバーターは、交流電源を直流電源に変換する機能です。交流電源は、電流の大きさと流れる向きが時間によって変わります。直流電源は、電流の大きさに関係なく、電流の向きが変わらない電源です。発電所から家庭のコンセントに届くのは交流電源のため、直流電源で動く電化製品は、コンバーターで電源を変換する必要があります。

インバーター

インバーターとは、直流電源を交流電源に変換する機能です。電化製品によっては、モーターの回転速度の調節が必要なものがあります。モーターの回転速度の調節には、電圧と周波数の変更が必要です。交流電源のままでは変更が難しいため、コンバーターとインバーターを使用して、電源を変換することで、電圧と周波数の大きさを変えます。

周波数変換

パワー半導体の機能には、周波数の変換もあります。周波数とは、交流電源の電圧の向きが1秒間に変わる回数のことで、周波数が50Hzの電源は、1秒間に変わる電圧の向きは50回です。日本では、東西で周波数が異なります。東日本は50Hz、西日本は60Hzのため、どちらでも電化製品を使えるように、パワー半導体が機能しています。

レギュレーター

レギュレーターとは、直流電圧の大きさを変更する機能でのことです。電化製品は、それぞれ定格電圧が決められています。定格電圧とは、該当する電化製品を安全に使用できる最大電圧のことです。電化製品はコンバーターにより交流から直流に変換されたままの電力では使えないため、レギュレーターで電圧を安定させます。

パワー半導体の種類

パワー半導体には、スイッチングをする「パワートランジスタ」や「サイリスタ」、スイッチングをしない「ダイオード」があります。応用できる範囲が広い「パワートランジスタ」など、それぞれの特徴を詳しく解説します。

パワートランジスタとは

トランジスタは、電子回路の基本となる素子のことで、増幅・スイッチの働きをします。パワートランジスタは、動作時の許容電力が1W以上のトランジスタで、バイポーラトランジスタ、パワーMOSFET、IGBTの3つの種類があります。

バイポーラトランジスタ

バイポーラトランジスタは、パワートランジスタのなかでシンプルな構造をしており、大きな電力を扱えます。スイッチングする際の消費電力は大きくなり、スイッチング速度が比較的遅いといえます。

パワーMOSFET

パワーMOSFETは、コンピューターの構成要素の1つであるCPUのような、集積回路に似た構造をしています。パワーMOSFETは高速なスイッチングが可能ですが、バイポーラトランジスタよりも、大きな電力が扱いにくいトランジスタです。

 IGBT

IGBTは、バイポーラトランジスタとパワーMOSFETを組み合わせた、複雑な構造をしています。大きな電力が扱えるだけでなく、比較的高速なスイッチングが行えることが特徴です。絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとも呼ばれています。

サイリスタとは

サイリスタとは、トランジスタのようにスイッチングで電流を制御する電子部品です。ゲート、アノード、カソードと呼ばれる3つの端子を持ち、大電流に耐えられますが、増幅はできません。

ダイオードとは

ダイオードは、整流作用や検波、電圧制御、電流変換などができる電子部品で、基本的にスイッチングは行いません。電流を一方通行に制御するため、電流を片方向にしか流したくない場合に使われています。近年、ダイオードの材料には、熱に強いシリコンが使われています。

パワー半導体のおもな用途

パワー半導体は、さまざまな電子機器に使用されています。ここでは、5つの用途について解説します。

産業機器

産業機器とは、工場や作業現場で負担の大きな作業を、補助・代行する機械のことで、人手不足解消のために、今後の普及が見込まれています。工作機械や製造装置などは、モーター制御や電力変換を行うため、パワー半導体の機能であるコンバーターやインバーターが使われています。

電気自動車（EV）

電気自動車（EV）は、バッテリーに充電した電気をエネルギーとして、モーターで走ります。
モーター駆動やバッテリーからの電源供給の制御などは、パワー半導体の働きによるものです。バッテリーに充電された直流の電気は、インバーターにより交流へ変換されます。モーターの回転速度は、電流の周波数を調整することでコントロールできます。

参考記事：EV(電気自動車)とは？HVとの違いやメリット・デメリット、選び方なども解説

電車

電車のモーター駆動や空調装置、ドアの開閉装置なども、パワー半導体の活躍によるものです。送電線からの電気が直流の場合は、インバーターを使い交流にしてからモーターをコントロールします。交流の場合は、一度変圧器を介してからコンバーターで直流にして、インバーターでモーターの駆動や制御を行います。

参考記事：モーターとは？種類や仕組み、役割や特徴などをわかりやすく解説

5Gの基地局

パワー半導体は、5G対応スマートフォンの基地局の電源回路にも使われています。電波を送信する基地局では、電波をエリア全域に飛ばすために、送信信号を増幅して送り出します。送信信号の増幅に使用するパワーアンプは、パワー半導体です。

太陽光発電

太陽光発電にも、パワー半導体は使われています。太陽光で発電される電力は直流ですが、家庭の電化製品で使用する電力は交流です。そのため、太陽光発電の電力は、パワー半導体が使われているインバーターで交流に変換する必要があります。

パワー半導体の課題

さまざまな用途で活躍するパワー半導体にも、課題があります。ここでは、2つの課題について解説します。

温度上昇

温度の上昇は、パワー半導体の課題の1つです。大きな電流や高電圧を扱うと、パワー半導体の発生する熱量が大きくなり、電力が熱として逃げてしまいます。パワー半導体には、電力の損失を減らすことが求められています。

放熱

パワー半導体で熱が発生すると、電化製品の外へ放熱が行われます。大電流や高電圧ほど、発生する熱量が大きくなり、放熱量も増加する傾向があります。放熱を妨げる熱抵抗が大きくなると放熱が追い付かないため、パワー半導体の温度が上昇します。

まとめ

パワー半導体には、さまざまな機能や種類があり、産業機器や電気自動車、5G対応スマートフォンの基地局など、幅広い分野で使われています。今後は、課題克服やさらなる進化に向けた開発の活発化が期待されており、市場の拡大につながることでしょう。

参考記事：半導体はなぜ必要？役割や種類、半導体の作り方などを解説

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