カーボンニュートラル社会の実現に向けて、EV、鉄道、産業機器、再エネ設備といった領域では、パワー半導体の性能をいかに効率よく引き出すかが大きな課題となっている。パワー半導体は電力変換の要（かなめ）となるデバイスであり、その能力を最大限に発揮させる司令塔が、数ミリ角の「ゲート駆動IC」だ。東京大学 生産技術研究所の高宮 真教授は、このゲート駆動ICに高度なデジタル制御を集約し、損失とノイズの両立困難を乗り越える新たな駆動方式を切り拓いてきた。今回は、注目されるゲート駆動IC研究の核心とその可能性について伺った。

数ミリ角のICが大電力を最適化する新たな電力制御

Q：研究概要について教えてください。

私が取り組んでいるのは、パワーエレクトロニクスで使われる「パワー半導体」を、より効率的かつ安全に動かすためのゲート駆動ICの研究です。パワー半導体は、電気自動車、鉄道、産業機器、エアコンなどに組み込まれ、大電力を高速に切り替える“スイッチ”として機能しています。扱う電圧は数百〜数千ボルトに達し、このスイッチングがどれだけ適切に行われるかが、機器全体の効率や信頼性を大きく左右します。

その“動かし方”を決めるのがゲート駆動ICです。数ミリ角の小さなチップですが、パワー半導体がもつ能力をどれだけ引き出せるかを左右する重要な存在です。イメージとしては、F1マシンに相当するのがパワー半導体で、そのマシンを操るドライバーがゲート駆動ICにあたります。同じマシンであっても操作の仕方によって走行が変わるように、パワー半導体も駆動方法しだいで損失やノイズの大きさが変わってしまいます。

パワー半導体は、ゲートと呼ばれる端子に与える電圧によってオン・オフが切り替わりますが、この切り替えの“仕方そのもの”には大きな課題があります。ゆっくり切り替えるとノイズは小さく抑えられる一方で、電圧と電流が重なって流れる時間が長くなり、その分スイッチング損失が増えてしまいます。反対に、できるだけ素早く切り替えれば損失は減りますが、その代わり電流や電圧が急激に変化してノイズが大きくなるという別の問題が生じます。損失とノイズは性質的に相反し、従来技術ではこのトレードオフを前提とした制約のなかで動作点を選ぶしかありませんでした。

こうした状況に対して私たちは、ゲート電圧の波形をデジタル的に細かく制御することで、このトレードオフの壁を越える可能性を追求しています。波形を人工的に整形し、切り替え方を最適化することで、損失を抑えながらノイズも低減できる、新しい動作領域へ到達できることが分かってきました。これは従来の「ゆっくり動かすか、速く動かすかの二択」に縛られた制御では実現できなかった領域です。

従来、こうした波形制御を実現するには、多数の部品をプリント基板上に組み合わせる必要があり、回路は十数センチもの大きさになっていました。そこで私たちはIC設計の知見を生かし、これらの機能を数ミリ角のワンチップに集約することで、小型化と高速応答、低コスト化、低ノイズ化、そして量産性の向上を同時に実現しました。

私はこの研究の方向性を「小さなチップで大きな電力を賢く操る」と表しています。わずか数ミリの制御デバイスの判断が、大電力システム全体の振る舞いを左右します。その小さなデバイスが、損失とノイズという両立の難しい課題に対して新しい解決策をもたらしうる点に、この研究の醍醐味があります。大電力を扱うパワーデバイスを、数ミリ角の制御デバイスが知的に導く。その関係性のなかに、私の研究の中核があると考えています。

Q：この研究が生まれた背景や、社会的なニーズを教えてください。

この研究が求められるようになった背景には、社会全体で急速に進んでいる「電化」の流れがあります。2050年の脱炭素社会の実現に向けては、ガソリン車から電気自動車へ、産業機器や家庭の設備を電動化へと切り替える必要があります。しかし電化が進むほど、電力を“どれだけ無駄なく使えるか”が、大きな鍵になってきます。

パワー半導体は、この電化社会に欠かせない基盤デバイスですが、性能を根本的に向上させるには、材料開発やデバイス構造の改良が必要で、時間もコストもかかります。一方で、同じ半導体でも“どう動かすか”を工夫することで、比較的短いスパンで効率を大きく改善できる余地が残されていました。

特に問題となるのが、パワー半導体のスイッチングに伴うエネルギー損失とノイズです。電気自動車の走行距離、データセンターの消費電力、鉄道の運行効率など、社会的に重要な領域でこれらのロスが積み重なっており、改善が強く求められていました。にもかかわらず、従来の駆動方法は「単純なオン・オフ」に近く、複雑な最適化には踏み込めていませんでした。

そこで注目されるのが、デバイスそのものを変えるのではなく、既存のパワー半導体を“さらに賢く動かす”というアプローチです。ゲート駆動ICに高度な制御機能を持たせることで、社会全体のエネルギー損失を減らし、電化の価値を最大化できる可能性があります。電動化が社会インフラの中心になるほど、こうした「制御側の工夫」は、今後ますます重要になると考えています。

Q： この技術における独自性を教えてください。

大きく2つの点に集約されます。第1に、パワー半導体の駆動に関して長年前提とされてきた設計上の制約を、ゲート電圧の波形設計というアプローチによって根本的に見直した点です。従来の制御方式は、切り替え速度に依存して損失とノイズの関係がほぼ固定されていました。

私たちはゲート電圧の立ち上がり方や段階的な変化を精密に設計することで、この関係が必ずしも不変ではなく、より良い動作点が存在し得ることを示しました。スイッチングの“方法”を再設計することで、デバイスそのものに手を加えることなく駆動性能を向上させるという視点は、これまでのパワーエレクトロニクスには十分に取り入れられてこなかったアプローチです。

第2に、この新しい駆動方式を現実の機器で利用できる形にまで高めるため、デジタル制御によるゲート駆動ICを世界で初めて開発した点です。従来のアナログ回路では複雑な波形設計を実装するには回路規模が大きくなり、特性を後から変更することも困難でした。これに対し、数ミリ角のチップ内でゲート電圧を6ビットのデジタル信号で制御できるようにしたことで、製造後もソフトウェアによって駆動条件を調整できる柔軟性が生まれ、応用範囲は飛躍的に広がりました。さらに、パワー半導体には精密なシミュレーションモデルが存在しないという課題に対し、300V・100Aの実測データをアルゴリズムに取り込みながら波形を探索する手法を構築しました。これにより、実際の物理現象に基づいた波形設計が実現できる点も大きな特徴です。

こうした取り組みは、パワーエレクトロニクスとIC設計という分野の境界をまたぐことで初めて実現したものです。高電圧・大電流を扱うパワー半導体の知見と、集積回路での高度なデジタル処理の知見を結びつけた結果、駆動方式そのものを高度化し、世界で初めてデジタルICとして具現化することができました。

Q:現在の研究に至るまでの経緯を教えてください。

もともと私はIC設計を専門としており、半導体チップの回路設計に携わってきました。大手電機メーカーに就職し、そこでは高性能計算向けのチップ設計に従事し、回路をどれだけ効率よく、どれだけ賢く動かせるかという視点で技術を磨いてきました。

その後、大学へ戻ってからも、同じ領域の研究を行っていましたが、当時は、日本の半導体産業は縮小傾向にあり、従来型のICだけを追求していては社会への出口が限られていくのではないかという危機感を抱いた時期でもありました。

そうした中で転機が訪れたのは2014年前後のことです。パワーエレクトロニクス分野の先生方から「この領域にはIC設計の知見が必要になる。あなたの技術が役に立つのではないか」と声をかけていただいたのです。当時の私はこの分野の知識をほとんど持っておらず、高電圧を扱う実験の経験もありませんでした。測定の方法も安全管理も何もかも違い、一から学び直す必要がありました。九州工業大学の大村一郎教授、東京都立大学の和田圭二教授をはじめ、多くの先生方に基本から丁寧に教えていただきながら異分野に入っていったことは、今振り返っても大きな財産だと感じています。

ちょうどその頃、研究は思いがけない方向へと広がり始めました。きっかけは、先代の桜井貴康教授が本メディアで取材を受けたことです。その記事をきっかけに、私たちのデジタルゲートドライバー技術に強い関心を寄せ、「これは事業化できるのではないか」と桜井先生に相談されたことが始まりでした。ちょうど桜井先生が退官されるタイミングだったこともあり、「実際に研究を進めているのは高宮なので、ぜひ彼と話してみるといい」と私をご紹介いただき、そこから本格的に事業化の検討が進みました。

実はそれ以前から、同業の研究者の方々から「この技術は使いたい人が多いはずだから、スタートアップを作ってみてはどうか」と背中を押していただくこともありました。ただ、ICの設計はツールや製造工程に多額の初期投資が必要で、自分たちだけで起業に踏み出すにはハードルが高いと感じていました。そうした中で企業からの働きかけにより、事業化へと道が開かれていったことは非常にありがたいものでした。こうして2022年に株式会社AZNICSが立ち上がりました。私たちの技術を実装したICも完成し、現在は複数の企業から実証プロジェクトを受託する段階にまで進んでいます。私は、2025年8月より最高技術顧問として関わり、研究成果を産業につなげる橋渡し役を務めています。

Q： 最新の研究について教えていただけますか？

現在取り組んでいる中心的なテーマは、「状況に応じて自動で最適な波形に切り替えられるゲート駆動IC」の実現です。従来の研究により、ゲート電圧の波形を細かく設計すれば損失とノイズを同時に低減できることが分かりました。しかしその一方で、新たな課題も見えてきました。それは、パワー半導体に流れる電流値やデバイスの温度が変わると、最適な波形が大きく変動してしまうのです。

 静的な条件で一度だけ最適波形をそのまま使い続けても、実際の装置では十分な性能を引き出せません。電流や電圧が刻々と変わる現場では、駆動波形もその変化に応じて柔軟に調整する必要があるのです。この気づきから、現在は「センシングしながら最適駆動するIC」、すなわち内部にフィードバック制御機能を備えたゲート駆動ICの研究へと発展しています。外部環境を自ら観測し、その状況に合わせて瞬時に波形を最適化させる“自動波形制御”は、従来のゲートドライバーにはなかった新しい概念です。

ただし、このアプローチにも大きな技術的ハードルがあります。パワー半導体が扱う電圧・電流は、600V・400Aといった桁違いの値で、一方ICが扱えるのは5V程度の微小な電圧です。言わば“アリがゾウを操る”ような状態で、パワー半導体の動作をそのまま直接測定しようとすれば、ICは一瞬で壊れてしまいます。そのため、実際のスイッチング波形をそのまま測定することはできません。そこで、パワー半導体の振る舞いと強い相関を持つ“間接的な電圧信号”を読み取り、そこからデバイス本来の動作を推定しています。この壊れずに観測するための回路構成と、得られる情報から真の状態を割り出すアルゴリズムの設計が、現在注力している技術的なテーマです。

もっとも、この代替量による推定はまだ課題も多く、すべてのパワー半導体で同じように通用するわけではありません。A社のデバイスではうまく推定できても、B社のデバイスでは誤差が大きいといったケースが出てきます。どのメーカー・どの材料・どの規模のデバイスに対しても普遍的に機能する“真の原理”を見つけることが、今まさに取り組んでいる研究課題です。

一方で、波形制御の効果自体は非常に大きいことも分かってきました。例えば、従来方式と比べて同じノイズ量でスイッチング損失を半分にできる例が多くの実験で確認されています。これはデバイスがシリコンであっても、SiCであっても、GaN(ガリウムナイトライド）であっても同様の傾向が見られ、材料や大きさを問わず波形制御が有効であることを示しています。特に数千ボルト（V)・数千アンペア（A)級の大電力デバイスでは、鉄道や風力発電といった社会インフラの効率改善へ直結するため、CO2排出量の削減にも大きく寄与します。

また、車載用途を中心としたモビリティ分野でも効果が期待されます。2010年代にドイツのBoschが行った試算では、波形制御型ゲートドライバーをEVに組み込むだけで、走行1kmあたりの消費電力が最大7.6％改善すると報告されています。わずか数百円程度のICを置き換えるだけで得られる効果としては非常に大きいものがあります。

現在は、こうした効果を最大限に引き出すため、センシングとフィードバック制御を一体化した“次世代ゲートドライバー”の確立に向けて研究が進んでおり、その応用範囲は産業インフラからモビリティ、再エネ設備まで広がっています。波形制御技術が実用レベルで確立すれば、大電力機器の効率と信頼性を大きく高め、脱炭素社会の実現にも着実に貢献できると考えています。

多様なデバイスに通用する“真の原理”を求めて

Q：これらの研究における実用化に向けての課題はどんなところにありますか？

波形制御による効果は研究段階で十分に確認されていますが、実際の製品として社会に提供するためには、研究室とは異なる厳しい条件を満たす必要があります。実用化を見据えると、依然として乗り越えるべき課題がいくつか残されています。

その一つが、「ノイズの多い環境でも誤作動せずに安定して動作できるか」を確実に保証することです。パワー半導体が動作する現場は、600V・400Aといった大電圧・大電流が高速でスイッチングしており、周囲には大きな電磁ノイズが発生します。この中でICが状況を正しく“センシング”し、誤った判断を一切せずに動作し続けるのは簡単ではありません。研究段階では問題なく動いても、「どんな状況でも絶対に誤動作しない」と言い切るには、さらなる検証が必要です。

また、「どの量をセンシングして、どういうふうに波形制御するのが最適なのか、その正確な原理原則が分に解明されていない点も重要な課題です。現在は、本来のスイッチング挙動を直接測れないため、その代わりとなる電圧成分を手がかりにデバイスの状態を推定しています。しかし、この方法がすべてのパワー半導体に同じ精度で適用できるとは限らず、メーカーや構造が異なると推定誤差が大きくなる場合もあります。多様なデバイスに共通して利用できる真理を示すことが、安全性や信頼性を保証するうえでは欠かせません。

この課題に向き合うため、企業との共同研究も重要な役割を果たしています。実際に、豊田自動織機が提供するEV「bZ4X」向けのDC-DCコンバータ一体ユニットを用いた共同研究では、従来のゲートドライバーを私たちのドライバーに置き換え、損失がどの程度改善されるのかを検証する取り組みを行いました。その結果、損失が約１割低減できるという有望な成果が得られています。こうした“実機での検証”は、研究室内のデータだけでは見えない課題や新たな知見を得るうえで欠かせないプロセスです。

今後は、実世界の多様な条件下でも安定して動作するための原理を確立し、その原理に基づくフィードバック制御の高精度化に取り組むことが大きなテーマになります。多くの企業との共同研究を通じて得られるデータを蓄積しながら、どんな環境でも安心してお使いいただける“実用レベルの次世代ゲートドライバー”の実現を目指しています。

Q：企業との共同研究ではどのようなことを期待していますか？

企業との共同研究で最も大きな価値は、大学では見えにくい“現実の制約条件”を具体的に教えていただけることだと感じています。私も企業出身ということもあり、研究成果が最終的に社会実装されて初めて意味を持つという考え方を強く意識しています。しかし、大学だけで研究していると、どうしても理論的な探究に偏り、現場での使われ方や安全性、コスト、設計の複雑さなどに対する感覚が薄くなりがちです。

企業のエンジニアの方と議論すると、「その方式は性能としては興味深いが、現場ではこういう理由で実装できない」「その測定環境は実際の製品では再現できない」といった率直なフィードバックを多くいただけます。こうした“現場の視点”は、次に取り組むべき研究課題を明確にし、研究をより実用性の高い方向へ導いてくれる重要なヒントにもなります。

実際、私たちが以前取り組んでいた「外部の測定器とPCを使った波形最適化」も、企業の方々との議論のなかで「仕組みが複雑すぎて製品には組み込めない」という指摘を受けました。その経験が、最適化処理をチップ内部で完結させ、外部の測定器やソフトウェアに依存しない“自律型ゲートドライバー”へ研究を発展させるきっかけになりました。結果として、企業側からもより使いやすいアプローチだという評価をいただき、共同研究の幅も広がったのです。

工学の研究者にとって、最終的に「社会で使える技術」をつくることは非常に重要です。だからこそ、産学連携を通じて現場の課題やニーズを共有いただき、それを次の研究テーマへとつなげていくプロセスを大切にしています。企業の知見と大学の技術シーズが組み合わさることで、より実用性の高い技術へと磨かれていく。そのダイナミズムこそが、共同研究に期待していることです。

Q：最後に今後の展望を教えてください。

パワーエレクトロニクス分野の先生方にお声がけいただき、IC設計というバックグラウンドを持ちながら、この異分野へ飛び込んだことで、多くの学びと新しい発見がありました。その経験から強く感じているのは、イノベーションは単一の分野の中だけでは完結しないということです。University of California, Berkeley 構内で目にした「イノベーションはフェンスの上で起きる」という言葉、まさにその通りだと思います。電気・機械・化学といった分野の境界の“揺らいだ部分”にこそ、新しい技術が生まれる余地があります。

私はIC設計からパワーエレクトロニクスへ越境したことで、まさにその“フェンスの上”に立つ感覚を味わいました。文化も常識も異なる領域を行き来することで、IC側の技術をパワーエレクトロニクス側に持ち込み、またパワーエレクトロニクス的な発想をIC側へと戻すーーそうした相互作用が、新しい研究テーマの源泉になっています。最近はIC関連の学会の縁で、バイオエレクトロニクス関連の学会にも参加しています。そこでも研究成果を発表していますが、それぞれの分野で価値観や技術の文脈が全く異なり、むしろその違いが研究を刺激してくれると感じています。

今後の展望としては、パワーエレクトロニクス分野に限らず、IC技術が本質的に貢献できる新たな応用先を見つけたいと考えています。ICは“多機能を小さな領域に詰め込み、超高速に動作できる”という特性を持っています。さらにメモリの例に象徴されるように、「同じ構造を大量に並べる」ことを非常に得意としています。ゲートドライバーの研究でも、その“多数並列”の利点が力を発揮しましたが、こうしたICの特性が生きるアプリケーションは他分野にも必ず存在すると考えています。

具体的なターゲットはまだ明確ではありませんが、ICの強みが他分野のボトルネックを解決する場面を探し、異分野の研究者と協働しながら新しい領域を切り拓いていきたい。これまでの越境経験が研究の大きな推進力になったように、これからも分野の壁を軽やかに越えながら、新しい価値の創出につなげていくことが目標です。（了）