CN101290927A - 具有续流二极管的电路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电路装置，其能降低现有的转换电路中的噪声，并且降低电路的导通损耗。本发明的代表性的实施方式是，一种电路装置至少具有一个以上的开关元件和与其并联连接的续流二极管，续流二极管是以具有比硅大的带隙的半导体材料为母材的肖特基势垒二极管、和硅PiN二极管并联连接而构成的，并且这些肖特基势垒二极管和硅PiN二极管由不同的芯片构成。

Description

具有续流二极管的电路装置
技术领域
本发明涉及至少具有一个开关元件和与其并联连接的续流二极管的电路装置。本发明特别适用于安装整流元件的功率半导体模块。
背景技术
半导体功率模块作为构成逆换流器(Inverter)的元件被使用于广泛的领域。特别是，使用Si-IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)作为开关元件、使用Si-PiN二极管(以下称为PND)作为续流二极管的功率模块具有高耐压、低损耗的优点，被使用于铁路、家电等广泛的领域。近年来，节能的重要性不断增强，对功率模块要求更低的损耗。功率模块的损耗由功率器件的性能决定，但相对于Si-IGBT的性能逐年提高，Si-PND处于无重大突破的现状。在现状的二极管中，当IGBT导通时排出蓄积在二极管的载流子的恢复电流成为问题，除了使开关损耗增大之外还成为产生噪声的原因。因此，强烈要求恢复电流较少的二极管。但是，Si-PND的特性已经达到大致由Si的材料物性决定的区域，所以处于难以大幅度降低恢复电流的状况。目前，作为用于抑制恢复电流的技术，开发有在PND的阳极侧的表面上设置具有肖特基界面的区域来限制少数载流子的注入的技术等。日本特许第2590284号公报(专利文献1)中公开有具有肖特基区域的PND的一例。
另一方面，对于以碳化硅(SiC)为基体的功率元件，根据SiC的优良的物理特性，期待超越Si功率元件的性能。SiC的击穿电场强度较大，因此与Si相比可使元件的厚度大幅度变薄，所以即使是单极型器件，也能够同时达到高耐压化和通电时的低电阻化。另外，即使是双极型器件也能使元件的厚度变薄，所以蓄积在器件中的载流子变少，还具有提高开关特性这样的特征。即使在SiC器件中，二极管的低导通电阻化、大电容化优于开关元件。因此，通过组合Si-IGBT和SiC的二极管，进行了实现低损耗化的尝试。在日本特开2006-149195号公报(专利文献2)中示出了组合了Si-IGBT和SiC二极管的示例。
SiC二极管与Si不同，即使是肖特基势垒二极管(以下称为SBD)也可以实现3kV以上的高耐压，所以可根据耐压等级分开使用SBD和PND。与PND相比，其扩散电位较小且额定电流通电时的正向电压被抑制地较低，所以SBD在低耐压区域中使用。另外，由于是单极型器件，所以能够使IGBT导通时的恢复电流非常小。但是，反之恢复电流几乎变为零，所以电流急剧发生变化，产生由电路内的电容和电感成分的谐振引起的开关噪声。噪声不仅会损坏元件，还有可能对系统整体引起损害。进而，SBD与PND相比，无法流过大电流，所以有可能由被称为电涌(surge)的瞬间大电流而损坏元件。而PND的扩散电位较高，所以在低耐压区域中额定电流通电时的正向电压变高，但由于是双极型器件所以由漂移层的厚度产生的电压增加量很少。因此，在高耐压区域中，与SBD相比，额定电流通电时的正向电压变小。另外，由于能够流过大电流，所以对电涌的容许量也较高。这样，SBD和PND分别具有优缺点，谋求根据用途来分开使用。
另一方面，近年来，作为组合了这2种二极管的元件，还提出MPS(Merged PiN Schottky：混合PiN肖特基)这样的结构。这是在阳极侧兼有PN结区域和肖特基结区域的结构。而且，成为在通常工作区域中主要由肖特基结区域进行工作、在流过电涌电流时PN结区域进行工作来保护元件的结构。另外，在反向偏置时耗尽层从PN结区域延伸，使肖特基结区域不暴露于高强度电场，所以还具有可抑制来自肖特基结的漏电流的特征。在Proceedings of ISPSD 2006，305，“2nd Generation SiC Schottky Diode：A new benchmark in SiC deviceruggedness”(非专利文献)1中示出了MPS的一个示例。
专利文献1：日本特许第2590284号公报
专利文献2：日本特开2006-149195号公报
非专利文献1：Proceedings of ISPSD 2006，305，“2nd GenerationSiC Schottky Diode：A new benchmark in SiC device ruggedness”。
发明内容
但是，在包括MPS结构且在通常工作中仅SBD进行工作的器件中，产生如上所述的由电路内的电容和电感成分的谐振引起的噪声。为了抑制噪声，只要流过少量的恢复电流来使开关软化即可，但在上述的MPS结构中，在通常工作区域中PND不工作，因此几乎不流过恢复电流，所以无法抑制噪声。该MPS结构具有图9所示的结构。其是在阳极侧兼有PN结区域和肖特基结区域的结构。层叠有高浓度N+型层14和N-型漂移层13，在N-型漂移层13内形成有多个p型杂质层12和p型终端层16。相对于p型杂质层12，隔着接点金属(contact metal)层11形成有阳极电极10。附图的标号11和13的界面是肖特基结部，标号12和13的界面是pn结部。另外，在高浓度N+型层14的背面形成有阴极电极15。另外，层17是绝缘体层。
另一方面，在3kV以上的高耐压用途中，MPS结构也有时在通常工作区域PND和SBD的正向电压为相同大小，所以2种二极管同时工作，有可能降低噪声。但是，即使将上述MPS结构原样应用于高耐压用途，也存在电位梯度集中于肖特基结区域，在PN结区域附近几乎不产生电位梯度，即使施加PN结的扩散电位以上的电压，PND也不工作这样的缺点。
根据以上的技术背景，本发明的目的在于，提供降低现有的转换电路中的噪声，并且降低该电路的导通损失的装置。
本发明的最大特征在于，使功率模块内的续流二极管的结构为由不同的芯片并联配置SBD和PND的结构。作为上述SBD，使用以具有比硅大的带隙(band gap)的半导体材料为母材的元件，作为上述PND，使用硅或以具有比硅大的带隙的半导体材料为母材的元件。以下，列举出本发明的主要的实施方式。
(1)一种电路装置，其特征在于，至少具有一个以上的开关元件和与其并联连接的续流二极管，
上述续流二极管是以具有比硅大的带隙的半导体材料为母材的肖特基势垒二极管和硅PiN二极管并联连接而构成的，并且，
这些肖特基势垒二极管和硅PiN二极管由不同的芯片构成。
(2)一种电路装置，其特征在于，至少具有一个以上的开关元件和与其并联连接的续流二极管，
上述续流二极管由PiN二极管和串联连接的两个以上的肖特基势垒二极管构成，
上述肖特基势垒二极管以具有比硅大的带隙的半导体材料为母材，
上述PiN二极管以带隙比硅大的半导体材料为母材，并且，
上述肖特基势垒二极管和上述PiN二极管分别由不同的芯片构成。
(3)在上述(1)中所记载的电路装置中，其特征在于，上述具有比硅大的带隙的半导体材料是碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)。
(4)在上述(2)中所记载的电路装置中，其特征在于，构成上述肖特基势垒二极管和上述PiN二极管的具有比硅大的带隙的半导体材料是碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)。
(5)在上述(1)所中记载的电路装置中，其特征在于，上述肖特基势垒二极管由多个并联的肖特基势垒二极管的芯片构成，上述硅PiN二极管的芯片数量少于上述肖特基势垒二极管的芯片数量。
(6)在上述(1)中所记载的电路装置中，其特征在于，上述PiN二极管的结面积小于上述肖特势垒二极管的结面积。
(7)在上述(1)或(2)中所记载的电路装置中，其特征在于，上述肖特基势垒二极管是结型势垒肖特基二极管。
以上，对本发明的要点进行了说明，但根据本发明，基本上用不同的芯片并联连接SBD和PND，所以对各二极管均等地施加电压并独立地工作。另外，在SBD和PND的正向电压相等的电流区域附近进行使用，所以能够一边维持SBD的优良的恢复特性，一边降低噪声。
根据本发明，能够降低现有的转换电路中的噪声。
附图文字
图1是本发明的模块的第1实施例的电路图。
图2是本发明的模块的第1实施例的立体图。
图3是本发明的模块的第1实施例的电流电压特性图。
图4是表示本发明的模块的第1实施例的效果的说明图。
图5是本发明的模块的另一个实施例的电路图的一部分。
图6是本发明的模块的另一个实施例的立体图。
图7是本发明的模块的第2实施例的电路图的一部分。
图8是本发明的模块的第2实施例的电流电压特性图。
图9是目前的代表性的MPS结构的剖视图。
标号说明：
1：逆换流器电路的电源；
2：Si-IGBT(绝缘栅双极型晶体管)；
3：SiC-肖特基势垒二极管(SBD)；
4：SiC-PiN二极管(PND)；
5：发射极端子；
6：栅极端子；
7：集电极端子；
8：安装基板；
9：Si-PiN二极管(PND)；
10：阳极电极；
11：接点金属；
12：P型杂质层；
13：N型漂移层；
14：高浓度N型层；
15：阴极电极；
16：P型终端层；
17：绝缘体层。
具体实施方式
以下，使用附图来说明本发明的实施例。
对实施例1进行说明。本例是电路装置的例子。该电路装置的特征在于：至少具有一个以上的开关元件和与其并联连接的续流二极管，上述续流二极管是并联连接以具有比硅大的带隙的半导体材料为母材的肖特基势垒二极管、和硅PiN二极管而构成，并且，这些肖特基势垒二极管和硅PiN二极管由不同的芯片构成。上述带隙比硅大的半导体材料的代表性的示例是碳化硅(SiC)。另外，作为该材料，也可以使用氮化镓(GaN)。续流二极管是指，对基于开关元件的开关的电路的突然变化进行平滑化，来起到保持特性的电压并在开关元件截止时流过负载所需的电流的作用、该开关元件的保护的作用。
图1是本发明的第一实施例，是示出了将功率模块使用于逆换流器电路时的电路图的主要部分的图。图2是功率模块的一部分的立体图。在图2中，上述开关元件Si-IGBT 2和Si-IGBT 2’相当于图1中的IGBT 2。而且，在功率模块中对Si-IGBT 2并联连接了SiC-SBD 3和Si-PND 4。Si-IGBT 2的两端与该逆换流器电路的电源相连接。这样的逆换流器电路的结构要素如图2例示那样被配置在安装基板8上。图2例示出电路的一部分，不是示出整个电路的图。图2中的各标号与图1的标号相同。标号5表示发射极端子，标号6表示栅极端子，标号7表示集电极端子。
对本实施例的动作进行简单说明。在3相逆换流器电路中，串联连接的两个IGBT(IGBT 3和IGBT 3’)以3相并联地进行连接，使共计6个IGBT依次导通截止，从而可使直流转换成任意的交流。与IGBT并联连接的二极管(肖特基势垒二极管3、3’和PiN二极管4、4’)起到承担IGBT截止时所需的电流的作用。例如，在使IGBT 3截止时，流过负载的电流流向与IGBT 3’并联连接的肖特基势垒二极管3’和PiN二极管4’。此时，流过各个二极管的电流比由二极管的面积比和静态特性来决定。而在该状态下，当使IGBT 3’导通时，流过肖特基势垒二极管3’和PiN二极管4’的电流停止，反过来积蓄在二极管中的载流子作为恢复电流向相反方向流过。该恢复电流成为使开关损耗增大的要因，但还具有承担抑制由电路的谐振引起的噪声的阻尼器(damper)的作用的一面。
将Si的PND组合到SiC-SBD，具有如下的优点。Si-PND与SiC-PND相比，恢复电流较多，所以仅混装小面积的Si-PND就能够抑制噪声。在图3中示出SiC-SBD和Si-PND的静态特性的比较。在该图中示出元件额定(额定电流)和通常使用的区域(斜线部分)的示例。使用Si-PND时的特征为，如图4所示，SiC-SBD和Si-PND的静态特性相似，所以无论在哪个电流区域都可使流过SiC-SBD和Si-PND的电流的比率为大致恒定。因此，能够总是使流过SiC-SBD和Si-PND的电流的比率保持为最佳，所以能够更有效地改善噪声和恢复电流的折衷选择(trade-off)。另外，在本实施例中不论在哪个耐压等级中SiC-SBD和Si-PND的静态特性都比较接近，所以与耐压无关，其为有效的。在本实施例中，各器件的耐压的示例为4.5kV。
接着，对具体的特性例进行说明。在图4中，对仅由SiC-SBD构成逆换流器电路时、仅由Si-PND构成时、以及混装了SiC-SBD和Si-PND时的恢复特性进行比较并示出。在图中，将各个情况记为SiC-SBD、Si-PND、以及混装。在各图中，横轴表示时间，纵轴表示电流或电压。在仅由SBD构成的情况下，恢复电流31非常小，但产生由电路内的电容和电感成分的谐振引起的噪声(41)。在仅由PND构成的情况下，恢复电流32增大，但开关软化，所以不产生噪声(42)。另一方面，在将SiC-SBD和Si-PND混装的情况下，恢复电流33为SBD时和PND时的恢复电流的中间值，但由于PND工作，所以不产生噪声(43)。
对于SBD和PND的面积比，优选SBD的面积大的。其原因为，SBD的恢复电流较小，所以从损耗的观点来看，电流的大部分流过SBD时更有利，为了降低噪声，只要PND以最低限度的面积进行混装即可。关于降低噪声所需的PND的比率，根据电路的电感等而发生变化，大概流过PND的电流为一半以下，可降低噪声。另外，作为改变面积比的方法，不是改变各芯片的面积，而是如图5和图6所示那样，改变各个芯片数是有效的。由此，可简单地改变面积比。
上述第1实施例是SiC-SBD和Si-PND的组合，但SBD也可以替换为结型势垒肖特基二极管(junction barrier schottky：JBS)。JBS是在SBD的表面具有P区域的结构，在反向偏置时耗尽层从PN结延伸来保护肖特基界面的类型的器件。与MPS的不同点在于，在P区域不采用电阻接触，PN结区域不作为二极管进行工作。因此，JBS的正向特性与SBD相同，也可以适用于本实施例。
接着，对实施例2进行说明。本例是电路装置的例子，该电路装置的特征在于，至少具有一个以上的开关元件和与其并联连接的续流二极管，上述续流二极管是并联连接以具有比硅大的带隙的半导体材料为母材的肖特基势垒二极管、和串联连接的两个以上的PiN二极管而构成，上述PiN二极管以带隙比硅大的半导体材料为母材，且上述肖特基势垒二极管和上述PiN二极管由不同的芯片构成。
图7是第2实施例，是示出了将功率模块使用于逆换流器电路时的电路的一部分的图。与图1的示例的不同点在于，(1)第1点是使用由带隙比硅大的半导体材料构成的PiN二极管来代替由硅半导体构成的PiN二极管；(2)第2点是串联连接了这样的肖特基势垒二极管来使用。上述带隙比硅大的半导体材料的代表性示例是碳化硅(SiC)。另外，作为该材料，也可以使用氮化镓(GaN)。在图8中示出本例的电压电流特性。实线的曲线是SiC的PND特性，虚线的曲线是串联连接了两个SiC的SBD的结构的特性。通常，SiC-PND和SiC-SBD的静态特性差异很大，几乎没有在通常工作区域中两个二极管同时工作的情况，但通过串联连接了2个SiC-SBD来提高电流增大所需的电压，从而产生了两个二极管同时工作的区域。由此，与实施例1相同，通过SiC-PND的恢复电流来抑制噪声的同时，通过SiC-SBD的混装来减小总的恢复电流，从而可抑制损耗。
在上述实施例中，开关器件除了Si-IGBT之外，例如还可以是Si-GTO(Gate Turn On Thyristor：门控晶闸管)、SiC-MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)、SiC-JFET(Junction Field Effect Transistor：结型场效应管)等。
本发明是至少具有一个开关元件，并具有二极管的电路装置或电路模块，当该开关元件截止时该二极管导通，当该开关元件导通时该二极管被施加反向偏置。本发明特别适用于直流交流转换中使用的逆换流器、整流器、或直流转换器等各种转换器，是极为有用的。

Claims (8)

1.一种电路装置，其特征在于：
至少具有一个以上的开关元件和与其并联连接的续流二极管，
上述续流二极管是将以具有比硅大的带隙的半导体材料为母材的肖特基势垒二极管和硅PiN二极管并联连接而构成的，并且，
上述肖特基势垒二极管和硅PiN二极管由不同的芯片构成。
2.一种电路装置，其特征在于：
至少具有一个以上的开关元件和与其并联连接的续流二极管，
上述续流二极管由PiN二极管和串联连接的两个以上的肖特基势垒二极管构成，
上述肖特基势垒二极管以具有比硅大的带隙的半导体材料为母材，
上述PiN二极管以带隙比硅大的半导体材料为母材，并且，
上述肖特基势垒二极管和上述PiN二极管分别由不同的芯片构成。
3.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于：
上述具有比硅大的带隙的半导体材料是碳化硅或氮化镓。
4.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于：
构成上述肖特基势垒二极管和上述PiN二极管的、具有比硅大的带隙的半导体材料是碳化硅或氮化镓。
5.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于：
上述肖特基势垒二极管由多个并联的肖特基势垒二极管的芯片构成，上述硅PiN二极管的芯片数量少于上述肖特基势垒二极管的芯片数量。
6.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于：
上述硅PiN二极管的结面积小于上述肖特势垒二极管的结面积。
7.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于：
上述肖特基势垒二极管是结型势垒肖特基二极管。
8.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于：
上述肖特基势垒二极管是结型势垒肖特基二极管。
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