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市場調査レポート

シリコン vs. WBG(ワイドバンドギャップ):電気自動車市場でのGaN・SiCの活用見通しの解明

Silicon vs. WBG: Demystifying Prospects of GaN and SiC in the Electrified Vehicle Market

発行 Lux Research 商品コード 309488
出版日 ページ情報 英文
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シリコン vs. WBG(ワイドバンドギャップ):電気自動車市場でのGaN・SiCの活用見通しの解明 Silicon vs. WBG: Demystifying Prospects of GaN and SiC in the Electrified Vehicle Market
出版日: 2014年07月13日 ページ情報: 英文
概要

シリコン半導体素材の性能向上が停滞する一方、ワイドバンドギャップ(以下WGB)半導体素材、特にSiC(炭化ケイ素)やGaN(窒化ガリウム)は、電気自動車用パワーエレクトロニクスの性能上のニーズに適切に応えられるような機能・特性を有しています。GaNやSiCは高温下でも性能を保っているため、電気自動車の熱管理上の要件や配線、パッケージングといった様々な分野に幅広い影響を及ぼしています。

当レポートでは、電気自動車向けGaN・SiCの導入・活用の見通しについて分析し、その導入に際して必要となるバッテリーの経済的・技術的要件や、バッテリー価格が下落した場合の状況変化、本格的な導入の時期と決定要因(技術の成熟化、サプライヤーの成熟化、認証プロセスほか)などについて調査・考察しております。

エグゼクティブ・サマリー

市場環境

  • シリコン素材技術の停滞と、電気自動車への出力増大ニーズに対するWBG素材の適合性:GaNとSiCがPHEV(プラグインハイブリッド車)・EV(電気自動車)にもたらす利点

市場分析

  • SiCダイオード・トランジスタは高価だが、車両用大型バッテリーに最適であり、商業化の可能性が最も高い。GaN製品はまだ実現可能ではなく、サプライヤーは一歩遅れている。

将来展望

図表一覧

  • 図:PHEV市場の成長:主要メーカー6社の動向
  • 表:WBG素材の米国市場での成長:米国エネルギー省(DOE)のAPEEM目標によるパワーエレクトロニクス市場への影響
  • 図:車内での必要電力量は1998年より倍増している
  • 図:インバーター・コンバーター:自動車のパワートレインにおける主要なパワーエレクトロニクス
  • 表:シリコン素材と比較して、SiCやGaNは素材としての優れた特質を持つ
  • 図:PHEVやEVは電気モーターに強く依存するため、GaNやSiCとの適合性が非常に高い
  • 図:分析手法(フローチャート)
  • 図:省エネルギー性:バッテリーの小型化・重量軽減への影響の大きさ
  • 図:バッテリーの小型化による省エネ効果(ガソリン換算)はPHEVが最大となる
  • 表:SiC活用型コンバーター・インバーターは、GaNソリューションよりも高価となる
  • 図:バッテリー費用が250米ドル/kWhを切ることと、2%の省エネ効果が、SiC導入の経済的基準となる
  • 図:シリコン/SiCのハイブリッドシステムは5%の省エネ効果をもたらし、EVにもPHEVにも有効となる
  • 表:TRL(技術成熟度)マップ:技術・企業の成熟度の簡単な評価
  • 図:TRLロードマップ:SiCダイオードが車両搭載・実用化の可能性が最も高い
  • 図:SiCダイオードは2020年までに商用化試験が終わり、SiC MOSFETがそれに続く
  • 図:SiCデバイスメーカーが市場を主導し、GaNメーカーがその後を続く
目次

As silicon struggles to keep up with performance requirements, wide bandgap (WBG) materials like silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) are best positioned to address power electronics performance needs in electrified vehicles. GaN and SiC will allow for efficient high-temperature operation while also having a cascading impact on the thermal management requirements, wiring, and packaging within a vehicle, reducing the total overall costs of the vehicle. We examine what battery economics are needed to justify adoption of either GaN or SiC, while also highlighting the changing dynamics when battery costs fall. This report further predicts when these materials will be adopted in the auto industry factoring in technology maturity, supplier maturity, and qualification timelines in the auto industry.

Table of Contents

EXECUTIVE SUMMARY

LANDSCAPE

As silicon struggles, WBG materials are best positioned to address needs of increased rate of vehicle electrification; PHEVs and EVs will benefit the most from GaN and SiC.

ANALYSIS

SiC diodes and transistors are expensive and best suited to large battery vehicles today, and closest to commercial adoption; GaN products are unavailable and suppliers lag behind.

OUTLOOK

Table of Figures

  • Figure 1: Graphic Plug-in Vehicle Sales Have Been Growing, and Six Key OEMs Lead the Way thus Far
  • Figure 2: Table WBG Materials Get a Boost through the U.S. DOE's APEEM Targets for Power Electronics
  • Figure 3: Graphic Power Requirements Within a Vehicle Have More Than Doubled Since 1998
  • Figure 4: Graphic The Inverter and Converter are the Main Power Electronics in a Powertrain Within a Vehicle
  • Figure 5: Table SiC and GaN Have Superior Material Properties Compared to Silicon
  • Figure 6: Graphic Relying on the Electric Motor, PHEVs and EVs Are Best Suited to Adopt GaN and SiC
  • Figure 7: Graphic Methodology Flow Chart for Analysis
  • Figure 8: Graphic Power Savings Has a Greater Impact on Battery Size and Weight Reduction
  • Figure 9: Graphic Due to a Smaller Battery Size, the Gas Equivalent Fuel Savings Is Highest in PHEVs
  • Figure 10: Table SiC-based Converters and Inverters Are More Expensive than Comparable GaN Solutions
  • Figure 11: Graphic Below Battery Cost of $250/kWh, at 2% Power Savings, Economics Don't Justify Use of SiC
  • Figure 12: Graphic At 5% Power Savings, Hybrid Silicon/SiC Systems Are Attractive to Both EVs and PHEVs
  • Figure 13: Table TRL Map Allows an Easy Mapping of Technology and Company Maturity
  • Figure 14: Graphic TRL Roadmap Shows SiC Diodes Are Closest to Being Adopted in Vehicles
  • Figure 15: Graphic SiC Diodes Will Be Fully Commercially Tested by 2020 as SiC MOSFETs Follow
  • Figure 16: Graphic SiC Device Manufacturers Lead the Pack, While GaN Manufacturers Trail Behind
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