パワー半導体（パワーデバイス）は、電力の供給・制御・変換を担う半導体素子の総称です。スイッチング動作により高速にON/OFFを繰り返すことで、直流を交流に変換したり、交流を直流に変換したりします。この基本的なスイッチング機能を組み合わせることで、複雑な電力変換処理が実現されます。
従来の汎用半導体が情報処理に特化しているのに対し、パワー半導体は「電力の移動と変換」という電気エネルギー管理に特化した設計となっています。一般的には定格電流が1A以上の半導体を指しますが、近年は数10V以上・数A以上を扱う個別半導体を狭義のパワー半導体と呼ぶケースが増えています。
パワーデバイスとパワー半導体は基本的に同義語として使用されていますが、業界慣例によってはパワーデバイスをより広い範囲の電力制御部品を指す上位概念として捉えることもあります。
パワー半導体の主流材料はシリコン（Si）からSiC（炭化ケイ素）、GaN（窒化ガリウム）へシフトしています。これらワイドバンドギャップ半導体は、従来のSiを大幅に上回る性能指標を持ちます。
Si（シリコン） は長年の実績と低コストが利点ですが、バンドギャップが1.1eVと相対的に小さく、高温・高電圧環境での性能限界が課題です。
SiC（炭化ケイ素） はバンドギャップがSiの約3倍で、熱伝導率も高く、600V以上の高耐圧領域に適しています。絶縁破壊電界強度がSiの約10倍と優れており、電力損失を低減しながら高温動作が可能です。鉄道のモーター駆動用インバーター、太陽光発電施設での電力変換設備、データセンターのUPS（無停電電源装置）など、600V以上の耐圧が求められる多様な応用で既に広く活用されています。
GaN（窒化ガリウム） はSiCに比べても電子移動度が優れており、高周波での高速スイッチングが可能です。SiCとの比較ではSiCが電力損失を50%低減させる一方、GaNはさらに効率化を実現します。バリガ性能指数（総合的な性能評価指標）ではSiが1、SiCが500、GaNが930と圧倒的に高く、小型・軽量化が最優先される用途に適しています。パソコンのACアダプター、携帯電話の超小型急速充電器、データセンター用サーバーの電源など、数十～600Vの耐圧領域で急速に普及しています。
パワー半導体の代表的なデバイスとしてIGBT（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）とMOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）があり、用途に応じた使い分けが必要です。
IGBTはMOSFETのような電圧駆動型のゲート構造とバイポーラトランジスタの高耐圧・大電流特性を兼ね備えています。導通損失が小さく、600V以上の高電圧・大電力領域での使用を想定した設計です。一方、スイッチング速度はMOSFETより相対的に遅く、逆回復電流の影響を受けやすいという特性があります。
MOSFETは電圧でスイッチングを制御する特性を持ち、高速な動作と高い入力インピーダンスが特徴です。スイッチング損失が小さく、応答性が重要な低～中電圧領域（一般的には600V以下）での適用が主流です。ただし高電圧での損失が増えやすいため、高電圧アプリケーションでは効率が低下する傾向があります。
実際の適用では、IGBTは電力インフラ・産業機器・自動車用インバーター・鉄道車両用コンバーターなど高電力領域を担当し、MOSFETはPCやスマートフォンの電源回路、太陽光パワーコンディショナ、小型ロボットなど低～中電圧・高周波領域を担当しています。近年ではSiC MOSFETやGaN HEMTといった次世代素子が、従来のIGBT・MOSFETの境界領域での適用を拡大させています。
SiCやGaNに続く次世代半導体として、Ga₂O₃（酸化ガリウム）がウルトラワイドバンドギャップ半導体として注目されています。これはSiCやGaNよりも高いバンドギャップを持ち、さらに高い電圧領域での使用と低いオン抵抗（省エネ・高効率）を同時に実現する可能性を秘めています。
Ga₂O₃は特に3300V以上の超高電圧領域での縦型パワーデバイスへの適用が期待されており、再生可能エネルギー設備や高圧配電システムなど、従来のSiCでも限界に達する応用分野への展開が検討されています。ただし材料科学や製造プロセスがまだ開発途上段階にあり、商用化には時間がかかる見通しです。
材料の選定基準は、必要な耐圧レベル、スイッチング周波数、動作温度、コスト制約、放熱設計などの複合的な要因で判断されます。現在のトレンドとしては、600V以上の高耐圧・低周波領域ではSiCが主流、数十～400V程度の中耐圧・高周波領域ではGaNが急速に浸透しており、3000V超の超高圧領域ではGa₂O₃の開発が進行中という棲み分けが形成されています。
パワー半導体は、電源回路を持つあらゆる電子機器に組み込まれており、スマートフォン・パソコン・冷蔵庫・エアコンといった日常的な家電から、電車・太陽光発電・産業機器に至るまで幅広い分野で活用されています。
電車ではモーター駆動、空調装置、ドアの開閉装置がパワー半導体の適用によって可能になっています。直流の電力供給システムが使用される場合、インバーターでこれを交流に変換し、モーターや制御装置に電力を供給します。このプロセスにおいてパワー半導体の効率性が直結して消費電力量に影響します。
太陽光発電システムでは、太陽電池が生成する直流電力を、家庭用交流電力に変換するために必須の部品がパワーデバイスです。従来のシリコンベースのインバーターと次世代のSiC・GaN・インバーターでは、変換効率で数%のレベルの差が発生し、大規模施設では年間の発電量ロスとして数十万kWh単位の差を生じさせます。
また、次世代自動車のEV・PHVでは、バッテリーのDC電圧をモーター駆動に適した周波数の交流に変換する必要があり、この変換効率の向上が一充電あたりの走行距離向上に直結します。SiCパワーデバイスの採用により、従来のIGBTベースシステムと比較して数%～10%程度の効率改善が報告されており、自動車メーカー間での採用競争が加速しています。
UPS（無停電電源装置）では、商用電源が遮断された際にバッテリーから負荷機器へ瞬時に電力供給を切り替えるという極めて重要な役割を持ちます。中～大容量モデルではIGBTがスイッチング素子として採用されており、スイッチング時のノイズ最小化と変換効率の最大化が同時に求められています。
産業技術総合研究所ではパワー半導体の研究開発と材料別の特性情報を公開しており、技術動向の最新情報が得られます
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