CN104704736B - 半导体器件和使用它的电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体器件，其特征在于，包括：直流电源；基准电位；第一和第二臂电路，其在基准电位与直流电流之间串联连接；和负载电感器，其连接至第一臂电路与第二臂电路的连接点，第一臂电路包括第一开关元件和与第一开关元件的电流通路并联连接的多个第一二极管，第二臂电路包括第二开关元件和与第二开关元件的电流通路并联连接的多个第二二极管，第一和第二二极管以从基准电位向直流电源去的方向为正方向，第一和第二二极管都是Si二极管或者都是SiC二极管，多个第一二极管各自与直流电源的输出端子的距离分别不同。

Description

半导体器件和使用它的电力转换装置
技术领域
本发明涉及半导体器件。特别涉及使用多组晶体管与二极管的并联连接电路的半导体器件。
背景技术
近年来，风力发电、太阳光发电设备和电动机等动力电路驱动电路等中必需的用于从直流电源发生交流的电力转换装置(逆变器装置)中，因为发电规模的增大和动力装置的输出功率的提高，要求能够流过大电流。但是，另一方面，因为通过将这些逆变器装置设置在发电装置附近或动力驱动装置附近能够提高电力转换效率，所以小型、轻量化也是必需的。上述逆变器装置中，在大电流工作时，IGBT或Si-MOSFE、SiC-MOSFE、GaN-FET等开关元件和Si二极管、SiC二极管或GaN二极管等恢复元件(recovery element)等功率半导体元件的损失引起的发热增加，为了抑制该发热，散热设备要占据较大容量，所以小型、轻量化困难。于是，降低逆变器装置中使用的功率半导体元件的损失是重要的问题。
为了提供小型轻量、低损失的逆变器，通过降低功率半导体元件中使用的开关元件的损失可以得到最大的损失降低效果，但降低恢复元件的损失也占有仅次于降低开关元件的损失的权重，所以改善它们是重要的。
专利文献1中公开了为了降低损失，而为了减少恢复元件中流过的振铃电流(ringing current)引起的噪声，使用Si二极管、SiC二极管这样接通电压不同的2种二极管，从而使二极管切断恢复电流的速度变得缓慢，因此能够防止在二极管的两端发生振铃电流。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-032769
发明内容
发明要解决的课题
作为用于降低恢复元件的损失的一例，列举了使用SiC二极管、GaN二极管等。使用这样的二极管时，因为没有反向恢复电流流过，所以接通损失和恢复损失小。进而，通过减小IGBT或Si-MOSFET、SiC-MOSFET、GaN-FET等开关元件的栅极阻抗的值，能够提高开关速度(接通速度)。由此，能够进一步降低损失。此外，各种要素电路也通过提高速度而小型化。但是，SiC二极管这样的肖特基结构中也多少存在结电容，所以开关元件接通时会对作为恢复元件的二极管的两端施加电源电压，发生二极管的结电容与主电路的电感引起的共振现象，流过共振电流(振铃电流)。
即，无论是否是SiC二极管，在Si二极管和GaN二极管等任意的二极管中，也不能够使结电容完全为0，所以存在对二极管两端子施加电源电压和共振引起的高浪涌电压(振铃电压)、振铃电压增大的缺点。
此外，专利文献1这样的结构中，需要个别地安装Si二极管和SiC二极管，制造工序变得复杂。
本发明以解决这样的问题点为目的，提供一种低损失的半导体器件。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述课题，例如采用权利要求中记载的结构。本申请包括多种解决上述课题的技术方案，举其一例，是一种半导体器件，其特征在于，包括：直流电源；基准电位；第一和第二臂电路，其在基准电位与直流电流之间串联连接；和负载电感器，其连接至第一臂电路与第二臂电路的连接点，第一臂电路包括第一开关元件和与第一开关元件的电流通路并联连接的多个第一二极管，第二臂电路包括第二开关元件和与第二开关元件的电流通路并联连接的多个第二二极管，第一和第二二极管以从基准电位向直流电源去的方向为正方向，第一和第二二极管都是Si二极管或者都是SiC二极管，多个第一二极管各自与直流电源的输出端子的距离分别不同。
发明效果
根据本发明，能够提供一种制造简便且低损失的半导体器件。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的逆变器装置的结构的电路图。
图2是表示本发明的第二实施方式的逆变器装置的结构的电路图。
图3是表示本发明的第三实施方式的逆变器装置的结构的电路图。
图4是表示本发明的第四实施方式的逆变器装置的结构的电路图。
图5是表示电感与二极管的等价电路和衰减正弦波振动、衰减正弦波振动频率的图。
图6是用于比较现有技术与实施方式中的振铃电流波形的概念图。
图7是表示用于改变电感的一例的图。
图8是表示用于改变电感的一例的图。
图9是表示用于改变电感的一例的图。
图10是表示用于改变电感的一例的图。
图11是表示用于改变电感的一例的图。
图12是表示用于改变电感的一例的并联连接了图13的图。
图13是表示安装了单片的恢复二极管和开关元件的实际安装结构的图。
图14是表示用图11安装4并联的恢复二极管和开关元件的实际安装结构的图。
图15是表示使用了本发明的半导体器件的双面冷却型功率组件的图。
具体实施方式
以下参考附图，用电路图说明用于实施本发明的方式(以下称为实施方式)的逆变器装置的基本结构，接着说明本实施方式的特征结构。此外，各图中，对于共同的构成要素和同样的构成要素，附加相同的符号并省略其重复的说明。
实施例1
图1是表示本发明的第一实施方式的逆变器装置的基本结构的电路图。逆变器装置由以下构成：由高压侧开关元件202a、与高压侧开关元件202a的源极-漏极通路并联连接的恢复二极管204D1～204D4、与各恢复二极管的阴极侧串联连接的电感203L1～203L4构成的开关上臂电路部；由低压侧开关元件202b、与低压侧开关元件202b的源极-漏极通路并联连接的恢复二极管204D5～204D8、与各恢复二极管的阴极侧串联连接的电感203L5～203L8构成的开关下臂电路部；作为主电源的直流电源206；用于抑制电源电压的变动的电容器207；用于使高压侧开关元件202a和低压侧开关元件202b接通/关断(ON/OFF)的栅极驱动电路201a、201b；和与高压侧开关元件202a和低压侧开关元件202b的连接点连接的负载205，按直流电源206、高压侧开关元件202a、低压侧开关元件202b的顺序与基准电位串联连接。在本实施例中，在开关上下臂电路部中，分别并联4组电感与恢复二极管的组，但在上下臂电路部，电感与恢复二极管的组的数量也可以是非对称的。
通过切换开关元件202a、202b的接通/关断(ON/OFF)，负载205中交替地流过方向不同的电流，发生交流磁场。此时，双方的开关元件瞬间为接通(ON)时，电路整体中流过大电流而短路，所以设置有使双方的开关元件为关断(OFF)的时间(死区时间)。为了在该死区时间中释放负载205中发生的感应电流，而在上臂电路部和下臂电路部的上下设置有串联电感与恢复二极管的组。为了使恢复二极管能够导通该感应电流，恢复二极管204D1～204D8被设置为以从基准电位向直流电源206流过的电流的方向为正方向。
通过使此处的开关上臂部中的串联电感203L1～203L4、或者开关下臂部中的串联电感203L5～203L8的值基于图5所示的衰减正弦波振动式和衰减正弦波振动频率式变化，而使各二极管中流过的振铃电流的频率变化，因此并联连接的二极管之间的振铃电流相互削弱，由此能够使上臂电路部整体的振铃电流的频率降低为图6的右图所示的电流波形。当然，如果对上下臂部双方的串联电感采取上述措施，则能够得到更好的效果。
为了改变串联电感203，因为串联电感由从直流电源到二极管的电流流过的距离(通路)决定，所以只要改变该距离即可。进而，令二极管204D1～204D2中流过的振铃电流为I1～I4时，在204D1～204D4中分别流过的电流I1～I4的频率相同的情况下，因为两者的重合，振铃电流的峰值可能增加至4倍，所以通过使I1的频率f1与I2的频率f2与I3的频率f3与I4的频率f4的关系为f1≠f2≠f3≠f4这样使各频率不同，振铃电流的峰值能够从4倍降低。例如，各频率的比为奇数倍且不相等的情况下，能够使峰值降低至约2.92倍。
在频率以外，也能够通过改变振铃电流的相位而使臂部内的振铃电流抵消，但是要成为对信号电流没有影响的程度的电感值，仅能够附加数纳量级的电感，为了用该程度的电感改变电流的相位，如果振铃电流的频率不是数GHz量级则相位改变难以实现，并不现实。
本实施例中，恢复二极管的材料全部使用Si，但也可以全部是SiC二极管或者GaN二极管。考虑防止电流集中引起的元件劣化这一点和温度特性方面，优选上下臂部的恢复二极管203L1～203L8都统一为同一种(Si或SiC、GaN)元件。
考虑以上，本实施例中记载的半导体器件特征在于，包括：直流电源；基准电位；第一和第二臂电路，其在基准电位与直流电流之间串联连接；和负载电感器，其连接至第一臂电路与第二臂电路的连接点，第一臂电路包括第一开关元件和与第一开关元件的电流通路并联连接的多个第一二极管，第一臂电路包括第二开关元件和与第二开关元件的电流通路并联连接的多个第二二极管，第一和第二二极管以从基准电位向直流电源去的方向为正方向，第一和第二二极管都是Si二极管或者都是SiC二极管，多个第一二极管各自与直流电源的输出端子的距离分别不同。
根据该特征，臂部内的恢复二极管中发生的各振铃电流相互抵消，从而能够降低臂部整体的噪声，能够提供低损失的半导体器件。此外，因为全部使用相同的二极管，所以制造工序简便，也难以发生电流集中引起的元件劣化。
实施例2
图2是表示本发明的第二实施方式的逆变器装置的基本结构的电路图。与实施例1所示的电路结构的不同点，是不仅改变开关上臂部中的串联电感303L1～303L4和开关下臂部中的串联电感303L5～303L8的值，还改变使用的开关上臂部的恢复二极管304D1～304D4和开关下臂部的恢复二极管304D5～304D8中的各芯片尺寸、即结电容值，从而能够使振铃电流的频率更积极地变化，与实施例1相比，能够提供更低损失的半导体器件。
实施例3
图3是表示本发明的第三实施方式的逆变器装置的基本结构的电路图。与实施例1所示的电路结构的不同点，在于用开关上臂部中的恢复二极管404Da1～404Dan、串联电感403La1～403Lan、和开关下臂部中的恢复二极管404Db1～404Dbn、串联电感403Lb1～403Lbn(n是1以上的自然数)构成，使并联数量增加至n并联。基本上，通过增加分割芯片数量，能够使芯片尺寸变小，所以成品率提高。此外，通过增加分割芯片数量，能够变化的频率即不同的频率成分变多，分割芯片中流过的电流值的绝对值降低，所以振铃电流之间的抵消效果与实施例1相比提高，与实施例1相比能够提供更低损失的半导体器件。
实施例4
图4是表示本发明的第四实施例的半导体器件的基本结构的电路图。与实施例1所示的电路结构的不同点，在于与恢复二极管504D1-2和电感503L1-2串联地连接有电阻508R1-2这一点。
通过与L成分即电感、C成分即二极管串联地连接电阻成分，恢复二极管中发生的振铃电流的衰减增大。通过该结构，能够降低振铃电流，提供低损失的半导体器件。此外，对于电阻成分，不仅附加电阻元件，通过集肤效应引起的电阻成分也能够得到同样的效果。
其中，本实施例中上下臂部采用非对称的形式。这是示出即使上下臂部非对称，只要对单方的臂部应用本发明，就可以得到本发明的效果的例子。
实施例5
图7是表示用于实现上述实施例1～3中的电感控制的本发明的第五实施方式的逆变器装置的电感的结构图。是用上部金属电极901、下部金属电极902夹着恢复二极管904的结构，此处，通过敷设金属的间隔物905而调整恢复二极管904的芯片高度。此外，在下部金属电极902上，设置有相对于电流的前进方向成直角的凹凸结构903。它可以设置在上部金属电极901和下部金属电极902双方或者某一方。通过该凹凸结构903有无或者数量、或者沟深度和节距能够控制电感，所以能够更积极地改变振铃频率，能够降低振铃振幅。
通常，设想开关元件与恢复二极管如图13所示安装在同一个电极上。从而，如实施例1-3那样改变电感时，对于通过相同金属电极对开关元件的栅极输入的信号电流也会发生影响。于是，本实施例着眼于与对开关元件的栅极施加的电流的基本频率数10～数100kHz相比，振铃电流的频率是数10～数100MHz这样3个数量级以上的高频这一点，而利用了集肤效应。
通过利用集肤效应，因为振铃电流的频率是MHz量级，所以在金属表面流过，但栅极驱动电流的信号是kHz量级，所以在金属整体中流过。通过该效应，能够在对于频率高的振铃电流以增加电感的方式使其感应，同时对于信号电流即栅极驱动电流不附加电感而使电路工作。换言之，通过设置凹凸结构而增加电极表面的距离，对在电极表面流过的振铃电流以增加串联电感的方式使其感应，这一点是本实施例中的特征。此外，因为使前进方向不同的电流接近而引起的邻近效应，高频的振铃电流更加集中在表面。通过这些效应，在凹凸结构903的表面发生振铃的高频区间中电感增加，能够提供低损失的半导体器件。
其中，本实施例中，是在电极上设置间隔物并对电极表面设置凸部的状态，但在电极上挖槽、对电极表面设置凹部也可以同样发挥上述效果，所以包括在本申请说明书中所称的凹凸结构中。此外，对电极表面设置凹部和凸部双方的结构也包括在本发明的凹凸结构中。关于该凹凸结构，本实施例中间隔物的高度设为0.5毫米。但是，优选与电极表面的距离是±0.1～1毫米程度。这是因为电极表面的凹凸高于1毫米时，不仅对振铃电流、也会对信号电流附加电感。此外，凹凸小于0.1毫米时不能表现出集肤效应，所以需要一定程度的高度的凹凸。
实施例6
图8是表示用于实现上述实施例5中的电感控制的另一个第五实施方式的逆变器装置的电感的结构图。与实施例4所示的结构的不同点，是与电流方向平行地构成凹凸，特别是如图8的平行凹凸结构1003这样在两端部分构成凸部分，或者仅在中心部分构成凸部分，或者组合双方，从而能够控制电感，所以能够使振铃电流的频率更积极地变化，能够降低振铃振幅。
此处使用的相对于电流方向平行的凹凸的结构，使用了实施例5中叙述的集肤效应和邻近效应，电感变化的效果比实施例5差，但是能够变化。因此，通过组合实施例5与本实施例，能够实现电感的更大变化幅度，能够更加有效地降低振铃电流引起的损失。
实施例7
图9与实施例4所示的图7的凹凸结构903是同样的结构，但采用对恢复二极管1104的芯片周围用凹凸结构1103波纹状地包围的结构，从而能够控制电感，所以能够使振铃电流的频率更积极地变化，与实施例5的情况相比能够更有效地降低振铃电流引起的损失。该情况下，使上部电极具有同样的波纹状结构，也可以得到同样的效果。
实施例8
图10能够通过与实施例5所示的图7的凹凸结构903同样的效应控制电感，但采用不是在上下而是在左右配置恢复二极管1204的金属电极的结构，这一点不同。在由里侧金属电极1201、前侧金属电极1202构成的环路的内周侧生成横型凹凸结构1203，但在图11所示的外周侧构成横型凹凸结构也能够得到效果。进而，使它们如图12所示并联连接也能够得到电感的变化，所以能够使振铃电流的频率更积极地变化，与实施例5的情况相比能够更有效地降低振铃电流引起的损失。
实施例9
图14表示了通过与实施例7所示的图9的凹凸结构903同样的凹凸结构1503的效果能够控制电感、并联连接了4个实施例6的恢复二极管1104的芯片的结构。此外，该图14中，为了方便，凹凸结构1503的凹凸数量全部相同，但实际上凹凸数量全部相同的可能性较低。进而，在图14中，仅对下部金属电极1502施加了凹凸结构1503，但仅在上部金属电极1501上生成，或在上部金属电极1501和下部金属电极1502双方生成也没有问题。
图14是安装有开关元件1505的图，是接近实际的安装情况的结构。
如本实施例一样，通过以四角包围二极管的周围的形式设置凹凸结构，能够进一步增大电感成分。通过改变这些凹凸结构的形状，能够容易地使振铃电流的频率更积极地变化，与实施例5的情况相比能够更有效地降低振铃电流引起的损失。
实施例10
图15是搭载了本发明的实施例4的电力转换器(双面冷却型功率组件)的概要图。在804配置恢复二极管，在803配置开关元件，在801构成上部金属电极，在802构成下部金属电极。此外，右图中，图示了为了固定该各部件而施加了806树脂成型体而被密闭的外形。左图中，804表示合为一体的恢复二极管，在804内部，是多个恢复二极管并联连接的结构。
此外，对801上部电极和802下部电极施加了实施例4所示的凹部结构。本实施例中，搭载了实施例4的半导体器件，但也能够搭载其他实施例所示的结构。
通过应用本发明的电力转换装置，在实施例4的效果外，还能够降低噪声，能够提供低损失的电力转换器。
符号说明
101a，201a，301a，401a，501a 栅极驱动电路1
101b，201b，301b，401b，501b 栅极驱动电路2
102a，202a，302a，402a，502a 高压侧开关元件
102b，202b，302b，402b，502b 低压侧开关元件
103L1，203L1～203L4，303L1～303L4，503L1 上臂部中的串联电感
103L2，203L5～203L8，303L5～303L8，503L2 下臂部中的串联电感
403La1～403Lan 上臂部中的串联电感(1～n个)
403Lb1～403Lbn 下臂部中的串联电感(1～n个)
104D1，204D1～204D4，304D1～304D4，504D1 恢复二极管
104D2，204D5～204D8，304D5～304D8，504D2 恢复二极管
404Da1～404Dan 恢复二极管(1～n个)
404Db1～404Dbn 恢复二极管(1～n个)
105，205，305，405，505 负载
106，206，306，406，506 直流电源
107，207，307，407，507 电容器
508R1 上臂部中的串联电阻
508R2 下臂部中的串联电阻
801，901，1001，1101，1501，1601 上部金属电极
802，902，1002，1102，1502，1602 下部金属电极
1201 里侧金属电极
1202 前侧金属电极
803，1505，1605 开关元件
804，904，1004，1104，1204，1504，1604 恢复二极管
805 栅极驱动端子
806 树脂成型体
905，1005，1205，1506，1606 间隔物
1206 连接用金属板
903，1003，1103，1203，1503 凹凸结构。

Claims (5)

1.一种半导体器件，其特征在于，包括：
直流电源；
基准电位；
第一和第二臂电路，其在所述基准电位与所述直流电源之间串联连接；和
负载电感器，其连接至所述第一臂电路与所述第二臂电路的连接点，
所述第一臂电路包括第一开关元件和与所述第一开关元件的电流通路并联连接的多个第一二极管，
所述第二臂电路包括第二开关元件和与所述第二开关元件的电流通路并联连接的多个第二二极管，
所述第一二极管和第二二极管以从基准电位向直流电源去的方向为正方向，
所述第一二极管和第二二极管都是Si二极管或者都是SiC二极管，
所述第一二极管的电极设置有凹凸结构，
连接在多个所述第一二极管与所述直流电源的输出端子之间的多个所述第一二极管的电极各自的表面的距离分别不同。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：
所述凹凸结构设置在连结所述直流电源的输出端子和所述第一二极管的输入端子的线上。
3.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：
所述第二二极管的电极也设置有凹凸结构。
4.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：
令一方的所述第一二极管中流过的电流的频率为f1、另一方的所述第一二极管中流过的电流的频率为f2时，所述f1与f2的关系是f1＝n·f2，其中，n≠整数。
5.一种电力转换器，其特征在于：
在权利要求1的半导体器件中，
还包括第一电极和第二电极，
所述第一电极与所述第二电极相对地配置，
所述第一开关元件、第二开关元件和所述第一二极管、第二二极管配置在所述第一电极与所述第二电极之间，
所述第一电极或所述第二电极设置有凹凸结构。
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