JP2011067051A - Inverter, and electrical apparatus and solar power generator employing the same - Google Patents

Inverter, and electrical apparatus and solar power generator employing the same Download PDF

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義明 野崎
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inverter having a small switching loss and being at low cost. <P>SOLUTION: In the inverter, each arm A contains normally-on elements P and N-channel MOS transistors Q connected in series, built-in diodes D for the N-channel MOS transistors Q are used as free wheel diodes and the breakdown voltage of each N-channel MOS transistor Q is 10 to 50 V. Consequently, since the N-channel MOS transistors Q of low breakdown voltage are used, the reverse recovery currents of the built-in diodes D can be decreased, and the switching loss can be reduced. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明はインバータと、それを用いた電気機器および太陽光発電装置に関し、特に、直流電力を交流電力に変換するインバータと、それを用いた電気機器および太陽光発電装置に関する。   The present invention relates to an inverter, an electric device and a solar power generation device using the inverter, and more particularly to an inverter for converting DC power into AC power, and an electric device and a solar power generation device using the inverter.

電力用半導体装置を構築する接合型電界効果トランジスタや静電誘導型トランジスタは、高電圧、大電力領域において高速動作を実現することが可能な電力用半導体スイッチング素子である。この電力用半導体スイッチング素子は、ゲート電圧が0Vのときにドレイン電流が流れるノーマリーオン素子である。ノーマリーオン素子では、ゲート電極に負極性の電圧が十分に印加されない状態において、ドレイン電圧が印加されると、大きなドレイン電流が流れて素子が破壊されてしまう。   A junction field effect transistor and a static induction transistor that constitute a power semiconductor device are power semiconductor switching elements capable of realizing high-speed operation in a high voltage and high power region. This power semiconductor switching element is a normally-on element in which a drain current flows when the gate voltage is 0V. In a normally-on device, when a drain voltage is applied in a state where a negative voltage is not sufficiently applied to the gate electrode, a large drain current flows and the device is destroyed.

このため、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、MOSトランジスタなどのノーマリーオフ素子に比べ、ノーマリーオン素子の取り扱いは比較的難しい。そこで、ノーマリーオン素子とノーマリーオフ素子であるMOSトランジスタとの直列接続体を用いた電力用半導体装置が開発されている(たとえば特許文献1参照)。   For this reason, handling of normally-on elements is relatively difficult compared to normally-off elements such as bipolar transistors, insulated gate bipolar transistors, and MOS transistors. Therefore, a power semiconductor device using a serially connected body of normally-on elements and MOS transistors which are normally-off elements has been developed (see, for example, Patent Document 1).

また、ノーマリーオン素子と複数のMOSトランジスタとの直列接続体と、その直列接続体に逆並列に接続された高速ダイオードとで各アームを構成したインバータもある(たとえば特許文献2参照)。   There is also an inverter in which each arm is configured by a serial connection body of normally-on elements and a plurality of MOS transistors and a high-speed diode connected in antiparallel to the serial connection body (see, for example, Patent Document 2).

特開2001−251846号公報JP 2001-251846 A 特開2006−158185号公報JP 2006-158185 A

しかし、上記特許文献1のノーマリーオン素子とMOSトランジスタの直列接続体でインバータの各アームを構成すると、以下の問題がある。すなわち、上側および下側のうちの一方側のアームが導通した後に非導通になると、他方側のアームのMOSトランジスタの内蔵ダイオード(寄生ダイオード)が導通する。このとき、導通した内蔵ダイオードのPN接合部付近のP層およびN層内にはそれぞれN型およびP型の少数キャリアが蓄積される。   However, when each arm of the inverter is configured by the serially connected body of the normally-on element and the MOS transistor of Patent Document 1 described above, there are the following problems. That is, when one of the upper and lower arms is turned on and then turned off, the built-in diode (parasitic diode) of the MOS transistor on the other arm is turned on. At this time, N-type and P-type minority carriers are accumulated in the P layer and N layer near the PN junction of the built-in diode, respectively.

次に、一方側のアームが再度導通すると、他方側のアームの内蔵ダイオードに蓄積された少数キャリアは接合部に空乏層が形成されるまで逆回復電流として内蔵ダイオードに流れ、逆回復損失が発生する。逆回復損失は内蔵ダイオードのリカバリー損失であり、リカバリー動作毎に発生する。また、この逆回復電流により、導通過渡状態のノーマリーオン素子およびMOSトランジスタを介して電源とグランドの間に貫通電流が流れ、スイッチング損失の増大を引き起こす。   Next, when the arm on one side is turned on again, minority carriers accumulated in the built-in diode of the other arm flow to the built-in diode as reverse recovery current until a depletion layer is formed at the junction, causing reverse recovery loss. To do. The reverse recovery loss is a recovery loss of the built-in diode and occurs every recovery operation. Also, the reverse recovery current causes a through current to flow between the power supply and the ground via the normally-on element and the MOS transistor in the conduction transient state, thereby causing an increase in switching loss.

また、上記特許文献2のインバータでは、直列接続された複数のMOSトランジスタの複数の内蔵ダイオードのオン電圧が高速ダイオードのオン電圧よりも高いので、高速ダイオードがオンし、内蔵ダイオードはオンしない。したがって、内蔵ダイオードの逆回復電流が導通過渡状態のノーマリーオン素子およびMOSトランジスタに流れ込むことによるスイッチング損失を低減することができる。しかし、このインバータでは、外付の高速リカバリー・ダイオードを使用していたので、装置価格が高くなると言う問題があった。   In the inverter disclosed in Patent Document 2, since the ON voltage of the plurality of built-in diodes of the plurality of MOS transistors connected in series is higher than the ON voltage of the high-speed diode, the high-speed diode is turned on and the built-in diode is not turned on. Therefore, the switching loss due to the reverse recovery current of the built-in diode flowing into the normally-on element and the MOS transistor in the conduction transient state can be reduced. However, since this inverter uses an external high-speed recovery diode, there is a problem that the device price increases.

それゆえに、この発明の主たる目的は、スイッチング損失が小さく、安価なインバータと、それを用いた電気機器および太陽光発電装置を提供することである。   Therefore, a main object of the present invention is to provide an inexpensive inverter with low switching loss, and an electric device and a solar power generation device using the inverter.

この発明に係るインバータは、直流電力をN相(ただし、Nは2以上の整数である)の交流電力に変換するインバータであって、第1の直流電圧を受ける第1の入力端子と、第1の直流電圧よりも低い第2の直流電圧を受ける第2の入力端子と、N相の交流電力を出力するためのN個の出力端子と、各出力端子に対応して設けられ、第1の入力端子と対応の出力端子との間に直列接続された第1のノーマリーオン素子および第1のMOSトランジスタと、各出力端子に対応して設けられ、対応の出力端子と第2の入力端子との間に直列接続された第2のノーマリーオン素子および第2のMOSトランジスタとを備えたものである。第1のノーマリーオン素子のゲートは対応の出力端子に接続され、第2のノーマリーオン素子のゲートは第2の入力端子に接続される。第1および第2のMOSトランジスタの各々はオン/オフ制御される。第1および第2のMOSトランジスタの各々の内蔵ダイオードはフリーホイールダイオードとして使用される。第1および第2のMOSトランジスタの耐圧は10〜50Vである。   An inverter according to the present invention is an inverter that converts DC power into N-phase AC power (where N is an integer of 2 or more), a first input terminal that receives the first DC voltage, A second input terminal that receives a second DC voltage that is lower than the first DC voltage, an N number of output terminals for outputting N-phase AC power, and a first input terminal corresponding to each output terminal, The first normally-on element and the first MOS transistor connected in series between the input terminal and the corresponding output terminal, and the corresponding output terminal and the second input are provided corresponding to each output terminal. A second normally-on element and a second MOS transistor connected in series with the terminal are provided. The gate of the first normally-on element is connected to the corresponding output terminal, and the gate of the second normally-on element is connected to the second input terminal. Each of the first and second MOS transistors is on / off controlled. The built-in diode of each of the first and second MOS transistors is used as a free wheel diode. The withstand voltage of the first and second MOS transistors is 10 to 50V.

好ましくは、第1および第2のノーマリーオン素子の各々は窒化物半導体で形成されている。   Preferably, each of the first and second normally-on elements is formed of a nitride semiconductor.

また、この発明に係る電気機器は、上記インバータと、インバータによって生成された交流電力によって駆動されるモータとを備えたものである。   An electric apparatus according to the present invention includes the inverter and a motor driven by AC power generated by the inverter.

また、この発明に係る太陽光発電装置は、上記インバータと、インバータに直流電力を供給する太陽電池とを備えたものである。   Moreover, the solar power generation device according to the present invention includes the inverter and a solar battery that supplies DC power to the inverter.

この発明に係るインバータでは、上側アームは直列接続された第1のノーマリーオン素子および第1のMOSトランジスタを含み、下側アームは直列接続された第2のノーマリーオン素子および第2のMOSトランジスタを含み、第1および第2のMOSトランジスタの各々の内蔵ダイオードはフリーホイールダイオードとして使用され、第1および第2のMOSトランジスタの耐圧は10〜50Vである。したがって、MOSトランジスタの内蔵ダイオードをフリーホイールダイオードとして使用するので、高速ダイオードを別途設けていた従来に比べ、装置の低価格化を図ることができる。また、MOSトランジスタの耐圧を10〜50Vと低く設定したので、内蔵ダイオードの逆回復電流を小さくすることができ、スイッチング損失の低減化を図ることができる。   In the inverter according to the present invention, the upper arm includes a first normally-on element and a first MOS transistor connected in series, and the lower arm includes a second normally-on element and a second MOS connected in series. A built-in diode of each of the first and second MOS transistors including a transistor is used as a freewheel diode, and the first and second MOS transistors have a withstand voltage of 10 to 50V. Therefore, since the diode built in the MOS transistor is used as a free wheel diode, the cost of the device can be reduced as compared with the conventional case where a high speed diode is separately provided. In addition, since the breakdown voltage of the MOS transistor is set as low as 10 to 50 V, the reverse recovery current of the built-in diode can be reduced, and the switching loss can be reduced.

この発明の一実施の形態によるインバータの構成およびその使用方法を示す回路ブロック図である。1 is a circuit block diagram showing a configuration of an inverter according to an embodiment of the present invention and a method for using the inverter. 図1に示したノーマリーオン素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the normally on element shown in FIG. 図1に示したNチャネルMOSトランジスタの構成を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of an N-channel MOS transistor shown in FIG. 図1に示したNチャネルMOSトランジスタの耐圧と内蔵ダイオードの逆回復電荷量との関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the breakdown voltage of the N-channel MOS transistor shown in FIG. 1 and the reverse recovery charge amount of a built-in diode. 本願発明の効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect of this invention. 図1に示したNチャネルMOSトランジスタの耐圧とインバータの損失との関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the breakdown voltage of the N-channel MOS transistor shown in FIG. 1 and inverter loss. 図1に示したノーマリーオン素子とNチャネルMOSトランジスタを備えたパワーモジュールの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the power module provided with the normally-on element and N channel MOS transistor shown in FIG.

本実施の形態のインバータは、図1に示すように、入力端子T1,T2、アームA1〜A6、出力端子TO1〜TO3、および制御部1を備える。入力端子T1には直流電源2の正極が接続され、入力端子T2には直流電源2の負極が接続される。入力端子T2は、接地される。   As shown in FIG. 1, the inverter according to the present embodiment includes input terminals T1 and T2, arms A1 to A6, output terminals TO1 to TO3, and a control unit 1. The positive terminal of the DC power source 2 is connected to the input terminal T1, and the negative electrode of the DC power source 2 is connected to the input terminal T2. The input terminal T2 is grounded.

アームA1〜A6は、それぞれノーマリーオン素子P1〜P6を含む。ノーマリーオン素子P1〜P3のドレインはともに入力端子T1に接続され、それらのゲートはそれぞれ出力端子TO1〜TO3に接続される。ノーマリーオン素子P4〜P6のドレインはそれぞれ出力端子TO1〜TO3に接続され、それらのゲートはともに入力端子T2に接続される。   Arms A1 to A6 include normally-on elements P1 to P6, respectively. The drains of normally-on elements P1 to P3 are all connected to input terminal T1, and their gates are connected to output terminals TO1 to TO3, respectively. The drains of normally-on elements P4 to P6 are connected to output terminals TO1 to TO3, respectively, and their gates are all connected to input terminal T2.

また、アームA1〜A6は、それぞれNチャネルMOSトランジスタQ1〜Q6を含む。NチャネルMOSトランジスタQ1〜Q3のドレインはそれぞれノーマリーオン素子P1〜P3のソースに接続され、それらのソースはそれぞれ出力端子TO1〜TO3に接続され、それらのゲートはともに制御部1に接続される。NチャネルMOSトランジスタQ4〜Q6のドレインはそれぞれノーマリーオン素子P4〜P6のソースに接続され、それらのソースはともに入力端子T2に接続され、それらのゲートはともに制御部1に接続されている。NチャネルMOSトランジスタQ1〜Q6の各々の耐圧は、10〜50Vに設定されている。   Arms A1 to A6 include N channel MOS transistors Q1 to Q6, respectively. The drains of N channel MOS transistors Q1-Q3 are connected to the sources of normally-on elements P1-P3, respectively, their sources are connected to output terminals TO1-TO3, respectively, and their gates are both connected to control unit 1. . The drains of N channel MOS transistors Q4 to Q6 are connected to the sources of normally on elements P4 to P6, respectively, their sources are both connected to input terminal T2, and their gates are both connected to control unit 1. The breakdown voltage of each of N channel MOS transistors Q1 to Q6 is set to 10 to 50V.

たとえば、アームA1において、NチャネルMOSトランジスタQ1のゲートが制御部1によって「L」レベルにされると、NチャネルMOSトランジスタQ1がオフする。NチャネルMOSトランジスタQ1がオフすると、ノーマリーオン素子P1のゲート電圧がソース電圧よりも十分に低くなり、ノーマリーオン素子P1がオフする。   For example, when the gate of N channel MOS transistor Q1 is set to “L” level by control unit 1 in arm A1, N channel MOS transistor Q1 is turned off. When N channel MOS transistor Q1 is turned off, the gate voltage of normally on element P1 becomes sufficiently lower than the source voltage, and normally on element P1 is turned off.

また、NチャネルMOSトランジスタQ1のゲートが制御部1によって「H」レベルにされると、NチャネルMOSトランジスタQ1がオンする。NチャネルMOSトランジスタQ1がオンすると、ノーマリーオン素子P1のゲート電圧がソース電圧に略等しくなり、ノーマリーオン素子P1がオンする。つまり、NチャネルMOSトランジスタQ1のゲートを「L」レベルにするとアームA1が非導通状態になり、NチャネルMOSトランジスタQ2のゲートを「H」レベルにするとアームA1が導通状態になる。他のアームA2〜A6もアームA1と同様に動作する。   When the gate of N channel MOS transistor Q1 is set to “H” level by control unit 1, N channel MOS transistor Q1 is turned on. When N-channel MOS transistor Q1 is turned on, the gate voltage of normally-on element P1 becomes substantially equal to the source voltage, and normally-on element P1 is turned on. That is, when the gate of N channel MOS transistor Q1 is set to “L” level, arm A1 is rendered non-conductive, and when the gate of N channel MOS transistor Q2 is set to “H” level, arm A1 is rendered conductive. The other arms A2 to A6 operate in the same manner as the arm A1.

また、NチャネルMOSトランジスタQ1〜Q6は、それぞれダイオードD1〜D6を内蔵している。ダイオードD1〜D6は、それぞれNチャネルMOSトランジスタQ1〜Q6に逆並列に接続されている。NチャネルMOSトランジスタQ1〜Q6の耐圧が10〜60Vと低いレベルに設定されているので、それらに内蔵されているダイオードD1〜D6の逆回復電流も小さい。ダイオードD1〜D6の各々は、フリーホイールダイオード(free wheel diode)として使用される。   N-channel MOS transistors Q1 to Q6 incorporate diodes D1 to D6, respectively. Diodes D1-D6 are connected in antiparallel to N-channel MOS transistors Q1-Q6, respectively. Since the breakdown voltage of the N channel MOS transistors Q1 to Q6 is set to a low level of 10 to 60 V, the reverse recovery currents of the diodes D1 to D6 incorporated therein are also small. Each of the diodes D1 to D6 is used as a free wheel diode.

出力端子TO1〜TO3には、たとえば、三相モータ3のU相コイルC1、V相コイルC2、およびW相コイルC3の一方端子がそれぞれ接続される。コイルC1〜C3の他方端子は互いに接続されている。制御部1は、NチャネルMOSトランジスタQ1〜Q6の各々を所定のタイミングでオン/オフ制御し、直流電源2から供給される直流電力を三相交流電力に変換する。   For example, one terminals of a U-phase coil C1, a V-phase coil C2, and a W-phase coil C3 of the three-phase motor 3 are connected to the output terminals TO1 to TO3, respectively. The other terminals of the coils C1 to C3 are connected to each other. Control unit 1 performs on / off control of each of N-channel MOS transistors Q1 to Q6 at a predetermined timing, and converts DC power supplied from DC power supply 2 into three-phase AC power.

たとえば、アームをA1,A6,A2,A4,A3,A5,…の順で60度ずつ位相をずらせて180度ずつ導通状態にすると、インバータから三相モータ3のコイルC1〜C3に三相交流電流が流れ、回転磁界が発生してモータ3のロータ(図示せず)が回転駆動される。   For example, when the arm is shifted by 60 degrees in the order of A1, A6, A2, A4, A3, A5,... And turned into a conductive state by 180 degrees, the three-phase alternating current is transferred from the inverter to the coils C1 to C3 of the three-phase motor 3. A current flows, a rotating magnetic field is generated, and a rotor (not shown) of the motor 3 is rotationally driven.

図2は、ノーマリーオン素子Pを構成するGaN電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。図2において、GaN電界効果トランジスタは、シリコン基板11を含む。シリコン基板11の裏面には、ソース端子10が形成されている。シリコン基板11の表面には、バッファ層12、GaN層13、AlGaN層14が順に積層されている。バッファ層12は、たとえばAlGaNで形成される。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a GaN field effect transistor that constitutes a normally-on element P. In FIG. 2, the GaN field effect transistor includes a silicon substrate 11. A source terminal 10 is formed on the back surface of the silicon substrate 11. On the surface of the silicon substrate 11, a buffer layer 12, a GaN layer 13, and an AlGaN layer 14 are sequentially stacked. The buffer layer 12 is made of, for example, AlGaN.

AlGaN層14の表面にゲート電極15が形成され、ゲート電極15の表面にゲート端子16が積層されている。AlGaN層14の表面において、ゲート電極15の一方側にソース電極17が形成され、ソース電極17は、シリコン基板11、バッファ層12、GaN層13、およびAlGaN層14を貫通する貫通電極18によってソース端子10に接続されている。   A gate electrode 15 is formed on the surface of the AlGaN layer 14, and a gate terminal 16 is stacked on the surface of the gate electrode 15. On the surface of the AlGaN layer 14, a source electrode 17 is formed on one side of the gate electrode 15, and the source electrode 17 is sourced by a silicon substrate 11, a buffer layer 12, a GaN layer 13, and a through electrode 18 that penetrates the AlGaN layer 14. It is connected to the terminal 10.

また、AlGaN層14の表面において、ゲート電極15の他方側にドレイン電極19が形成される。ゲート端子16の表面以外の部分はポリイミド樹脂層20で覆われる。ポリイミド樹脂層20の表面にドレイン端子21が形成され、ドレイン端子21は、ポリイミド樹脂層20を貫通する貫通電極22によってドレイン電極19に接続されている。   A drain electrode 19 is formed on the other side of the gate electrode 15 on the surface of the AlGaN layer 14. Portions other than the surface of the gate terminal 16 are covered with the polyimide resin layer 20. A drain terminal 21 is formed on the surface of the polyimide resin layer 20, and the drain terminal 21 is connected to the drain electrode 19 by a through electrode 22 that penetrates the polyimide resin layer 20.

このGaN電界効果トランジスタでは、AlGaN層14とGaN層13とのヘテロ接合近傍に高濃度の2次元電子ガスが形成され、高い電子移動度が得られる。このGaN電界効果トランジスタは、通常、負のしきい値電圧を有し、ゲート電圧が0Vのときにはオン状態となる。したがって、GaN電界効果トランジスタはノーマリーオン素子である。   In this GaN field effect transistor, a high-concentration two-dimensional electron gas is formed in the vicinity of the heterojunction between the AlGaN layer 14 and the GaN layer 13, and high electron mobility is obtained. This GaN field effect transistor normally has a negative threshold voltage and is turned on when the gate voltage is 0V. Therefore, the GaN field effect transistor is a normally-on element.

図3は、NチャネルMOSトランジスタQの構成を示す断面図である。図3において、NチャネルMOSトランジスタQは、N型シリコン基板30を含む。N型シリコン基板30の裏面にドレイン電極31が形成され、ドレイン電極31はドレイン端子32に接続されている。N型シリコン基板30の表面にN型ドレイン層33が形成され、N型ドレイン層33の表面にゲート酸化膜34およびゲート電極35が積層される。ゲート電極35は、ゲート端子36に接続される。N型ドレイン層33の表面において、ゲート電極35の両側の各々において、P型領域37が形成され、P型領域37の表面にN型ソース領域38が形成される。P型領域37およびN型ソース領域38は、ソース端子39に接続される。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the N-channel MOS transistor Q. In FIG. 3, N channel MOS transistor Q includes an N + type silicon substrate 30. A drain electrode 31 is formed on the back surface of the N + -type silicon substrate 30, and the drain electrode 31 is connected to the drain terminal 32. An N-type drain layer 33 is formed on the surface of the N + -type silicon substrate 30, and a gate oxide film 34 and a gate electrode 35 are stacked on the surface of the N-type drain layer 33. The gate electrode 35 is connected to the gate terminal 36. A P-type region 37 is formed on each side of the gate electrode 35 on the surface of the N-type drain layer 33, and an N-type source region 38 is formed on the surface of the P-type region 37. P-type region 37 and N-type source region 38 are connected to source terminal 39.

このNチャネルMOSトランジスタQでは、P型領域37とN型ドレイン領域33によってダイオードDが形成される。NチャネルMOSトランジスタQは、正のしきい値電圧を有する。ゲート端子36およびソース端子39間にしきい値電圧よりも高い電圧を印加すると、ドレイン端子32およびソース端子39間が導通する。ゲート端子36およびソース端子39間にしきい値電圧よりも低い電圧(たとえば0V)を印加すると、ドレイン端子32およびソース端子39間が非導通になる。したがって、NチャネルMOSトランジスタQはノーマリーオフ素子である。   In this N channel MOS transistor Q, a diode D is formed by the P type region 37 and the N type drain region 33. N channel MOS transistor Q has a positive threshold voltage. When a voltage higher than the threshold voltage is applied between the gate terminal 36 and the source terminal 39, the drain terminal 32 and the source terminal 39 become conductive. When a voltage lower than the threshold voltage (for example, 0 V) is applied between the gate terminal 36 and the source terminal 39, the drain terminal 32 and the source terminal 39 become non-conductive. Therefore, N channel MOS transistor Q is a normally-off element.

NチャネルMOSトランジスタQの耐圧は、N型シリコン基板30とP型領域37の間の距離Lで決まる。トランジスタQの耐圧を上げるために距離Lを大きくすると、トランジスタQのオン抵抗が増大する。また、トランジスタQの耐圧を上げるために不純物濃度を下げて空乏層の幅を広げると、トランジスタQのオン抵抗が増大する。また、距離Lを大きくして不純物濃度を下げると、少数キャリアの蓄積量が増大してリカバリー特性が悪くなる。 The breakdown voltage of the N channel MOS transistor Q is determined by the distance L between the N + type silicon substrate 30 and the P type region 37. Increasing the distance L to increase the breakdown voltage of the transistor Q increases the on-resistance of the transistor Q. On the other hand, if the impurity concentration is decreased to increase the width of the depletion layer in order to increase the breakdown voltage of the transistor Q, the on-resistance of the transistor Q increases. Further, if the distance L is increased to lower the impurity concentration, the amount of minority carriers accumulated increases and the recovery characteristics deteriorate.

一般に、MOSトランジスタのオン抵抗を一定値に維持しながら耐圧の異なるMOSトランジスタを作成すると、MOSトランジスタのチップ面積は、およそ耐圧の2乗に比例して増大する。最近のスーパージャンクション型の高耐圧のMOSトランジスタでも、チップ面積は、およそ耐圧に比例して増大する。   In general, when MOS transistors having different breakdown voltages are produced while maintaining the on-resistance of the MOS transistor at a constant value, the chip area of the MOS transistor increases in proportion to the square of the breakdown voltage. Even in a recent super junction type high withstand voltage MOS transistor, the chip area increases in proportion to the withstand voltage.

NチャネルMOSトランジスタQの内蔵ダイオードDに順方向の電流を流すと、ダイオードDの空乏層にキャリアが蓄積され、蓄積されたキャリアはダイオードDが逆バイアスされたときに流れて逆回復電流となる。したがって、キャリアが蓄積され易いNチャネルMOSトランジスタQでは、逆回復電流が大きくなる。低耐圧のNチャネルMOSトランジスタQは、オン抵抗が同じ高耐圧のNチャネルMOSトランジスタに比べ、面積が小さく、かつ空乏層の幅が狭いので、空乏層に蓄積されるキャリアが少なくなり、逆回復電流が小さくなる。   When a forward current flows through the built-in diode D of the N-channel MOS transistor Q, carriers are accumulated in the depletion layer of the diode D, and the accumulated carriers flow when the diode D is reverse-biased to become a reverse recovery current. . Therefore, reverse recovery current increases in N channel MOS transistor Q in which carriers are easily stored. The low breakdown voltage N-channel MOS transistor Q has a smaller area and a narrow depletion layer width than the high breakdown voltage N-channel MOS transistor having the same on-resistance, so that the number of carriers accumulated in the depletion layer is reduced and reverse recovery is achieved. The current becomes smaller.

図4は、MOSトランジスタにおけるオン抵抗(mΩ)と逆回復電荷量(nC)との関係を示す図である。MOSトランジスタとしては、耐圧が500Vの高耐圧MOSトランジスタと、耐圧が20Vの低耐圧MOSトランジスタを使用した。図4において、逆回復電荷量は、オン抵抗に比例して低下する。また、高耐圧MOSトランジスタの逆回復電荷量は10000nCもある。したがって、この高耐圧MOSトランジスタをインバータに使用すると、大きな逆回復電流が流れ、大きな逆回復損失が発生する。   FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the on-resistance (mΩ) and the reverse recovery charge amount (nC) in the MOS transistor. As the MOS transistor, a high breakdown voltage MOS transistor having a breakdown voltage of 500V and a low breakdown voltage MOS transistor having a breakdown voltage of 20V were used. In FIG. 4, the reverse recovery charge amount decreases in proportion to the on-resistance. The reverse recovery charge amount of the high voltage MOS transistor is 10000 nC. Therefore, when this high voltage MOS transistor is used for an inverter, a large reverse recovery current flows and a large reverse recovery loss occurs.

これに対して、低耐圧MOSトランジスタのオン抵抗を10mΩにすれば、その逆回復電流は60nCとなり、高耐圧MOSトランジスタの逆回復電流の1/100以下になる。したがって、本願発明では、低耐圧のNチャネルMOSトランジスタQ1〜Q6を使用するので、内蔵ダイオードD1〜D6の逆回復電流を十分に小さくすることができ、インバータにおけるスイッチング損失を小さくすることができる。   On the other hand, if the on-resistance of the low breakdown voltage MOS transistor is 10 mΩ, the reverse recovery current is 60 nC, which is 1/100 or less of the reverse recovery current of the high breakdown voltage MOS transistor. Therefore, in the present invention, the low breakdown voltage N-channel MOS transistors Q1 to Q6 are used, so that the reverse recovery current of the built-in diodes D1 to D6 can be sufficiently reduced, and the switching loss in the inverter can be reduced.

図5(a)は、本願発明のインバータにおいて、アームA1を非導通状態から導通状態に変化させたときのノーマリーオン素子P1の電圧Vおよび電流Iの波形を示す図である。また、図5(b)は、6つの高耐圧NチャネルMOSトランジスタで構成される従来の通常のインバータにおいて、正側の高耐圧NチャネルMOSトランジスタの電圧Vおよび電流Iの波形を示す図である。図5(a)(b)の各々において、電流Iのピークは点線の丸で囲まれている。図5(a)(b)から分かるように、本願発明のインバータにおける逆回復電流は、従来のインバータにおける逆回復電流よりも明らかに小さくなっている。   FIG. 5 (a) is a diagram showing waveforms of voltage V and current I of normally-on element P1 when arm A1 is changed from a non-conductive state to a conductive state in the inverter of the present invention. FIG. 5B is a diagram showing waveforms of voltage V and current I of the positive high-breakdown-voltage N-channel MOS transistor in a conventional normal inverter composed of six high-breakdown-voltage N-channel MOS transistors. . In each of FIGS. 5A and 5B, the peak of the current I is surrounded by a dotted circle. As can be seen from FIGS. 5A and 5B, the reverse recovery current in the inverter of the present invention is clearly smaller than the reverse recovery current in the conventional inverter.

図6は、NチャネルMOSトランジスタQの耐圧(V)とインバータの損失(W)との関係を示す図である。図6において、NチャネルMOSトランジスタQの耐圧を増大させると損失が指数関数的に増大し、特に、NチャネルMOSトランジスタQの耐圧が50Vを越えると損失が急増する。したがって、NチャネルMOSトランジスタQの耐圧の上限は50V程度となる。一方、NチャネルMOSトランジスタQの耐圧がノーマリーオン素子Pのしきい値電圧の絶対値|Vth|(たとえば5V)よりも小さくなると、ノーマリーオン素子Pはオフしなくなる。また、5V程度のオーバードライブ電圧も必要である。したがって、NチャネルMOSトランジスタQの耐圧は、10Vから50Vの間の値に設定することが最適である。   FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the breakdown voltage (V) of N channel MOS transistor Q and the loss (W) of the inverter. In FIG. 6, when the breakdown voltage of the N channel MOS transistor Q is increased, the loss increases exponentially. In particular, when the breakdown voltage of the N channel MOS transistor Q exceeds 50V, the loss increases rapidly. Therefore, the upper limit of the breakdown voltage of N channel MOS transistor Q is about 50V. On the other hand, when the breakdown voltage of N channel MOS transistor Q is smaller than the absolute value | Vth | (for example, 5 V) of the threshold voltage of normally-on element P, normally-on element P does not turn off. An overdrive voltage of about 5V is also required. Therefore, it is optimal to set the breakdown voltage of N channel MOS transistor Q to a value between 10V and 50V.

図7は、ノーマリーオン素子PおよびNチャネルMOSトランジスタQを備えたパワーモジュールの要部を示す図である。図7において、ノーマリーオン素子PのチップとNチャネルMOSトランジスタQのチップとは基板40の表面に搭載される。ノーマリーオン素子のソース端子(図示せず)とNチャネルMOSトランジスタQのドレイン端子(図示せず)とは、基板40の表面に形成された電極を介して互いに接続される。   FIG. 7 is a diagram showing a main part of a power module including normally-on element P and N-channel MOS transistor Q. In FIG. 7, the normally-on element P chip and the N-channel MOS transistor Q chip are mounted on the surface of the substrate 40. The source terminal (not shown) of the normally-on element and the drain terminal (not shown) of the N-channel MOS transistor Q are connected to each other via an electrode formed on the surface of the substrate 40.

NチャネルMOSトランジスタQのゲート端子41は、ボンディングワイヤW1によってリードフレームF1に接続される。NチャネルMOSトランジスタQのソース端子42は、ボンディングワイヤW2によってリードフレームF3に接続される。ノーマリーオン素子Pのゲート端子43は、ボンディングワイヤW3によってリードフレームF3に接続される。ノーマリーオン素子Pのドレイン端子44は、ボンディングワイヤW4によってリードフレームF2に接続される。リードフレームF1〜F3の先端部以外の部分は、樹脂によって封入されて固定される。このパワーモジュールは、図1に示した1つのアームAを構成する。   The gate terminal 41 of the N channel MOS transistor Q is connected to the lead frame F1 by a bonding wire W1. The source terminal 42 of the N channel MOS transistor Q is connected to the lead frame F3 by a bonding wire W2. The gate terminal 43 of the normally-on element P is connected to the lead frame F3 by a bonding wire W3. The drain terminal 44 of the normally-on element P is connected to the lead frame F2 by a bonding wire W4. Portions other than the tip portions of the lead frames F1 to F3 are sealed and fixed with resin. This power module constitutes one arm A shown in FIG.

この実施の形態では、インバータの各アームAを直列接続されたノーマリーオン素子PおよびNチャネルMOSトランジスタQで構成し、NチャネルMOSトランジスタQの内蔵ダイオードDをフリーホイールダイオードとして使用する。つまり、上側および下側のアームのうちの一方のアームが導通した後に非導通になると、他方のアームのNチャンネルMOSトランジスタQの内蔵ダイオードDが順バイアスとなり、内蔵ダイオードDが導通する。内蔵ダイオードDの順電圧はノーマリーオン素子Pのしきい値電圧よりも低いので、ノーマリーオン素子Pが導通し、NチャンネルMOSトランジスタQの内蔵ダイオードDからノーマリーオン素子Pを介して所謂回生電流が流れる。したがって、内蔵ダイオードDはフリーホイールダイオードとして動作する。また、NチャネルMOSトランジスタQの耐圧を10〜50Vに設定した。したがって、フリーホイールダイオードとして高速ダイオードを別途設けていた従来に比べ、装置の低価格化を図ることができる。また、低耐圧のNチャネルMOSトランジスタQを使用したので、内蔵ダイオードDの逆回復電流を小さくすることができ、スイッチング損失の低減化を図ることができる。   In this embodiment, each arm A of the inverter is constituted by a normally-on element P and an N-channel MOS transistor Q connected in series, and the built-in diode D of the N-channel MOS transistor Q is used as a freewheel diode. That is, when one of the upper and lower arms becomes conductive and becomes non-conductive, the internal diode D of the N-channel MOS transistor Q of the other arm becomes forward biased, and the internal diode D becomes conductive. Since the forward voltage of the built-in diode D is lower than the threshold voltage of the normally-on element P, the normally-on element P becomes conductive, so-called from the built-in diode D of the N-channel MOS transistor Q via the normally-on element P. Regenerative current flows. Therefore, the built-in diode D operates as a freewheel diode. The breakdown voltage of the N channel MOS transistor Q is set to 10 to 50V. Therefore, it is possible to reduce the cost of the device as compared with the conventional case where a high-speed diode is separately provided as a freewheel diode. Further, since the low breakdown voltage N-channel MOS transistor Q is used, the reverse recovery current of the built-in diode D can be reduced, and the switching loss can be reduced.

また、上記回生電流が流れる際、ノーマリーオン素子Pとして窒化物半導体、たとえばGaNを用いたFETを使用していることで、GaNFETの高い相互コンダクタンスgmと低耐圧NチャンネルMOSトランジスタQの内蔵ダイオードDの低い順電圧の組み合わせにより、低い順方向電圧を実現することができ、損失を低減できる。特に、回生動作になった際、高耐圧ノーマリーオン素子Pが高速に導通しなければサージ電圧が発生するが、GaNを用いたFETは高速性に優れており、サージの発生を抑えることができる。さらにGaNFETは少数キャリアの蓄積が無いので、回生動作後逆回復動作になった際、高速にオフする。このため、逆回復に起因する損失を低減できる。   Further, when the regenerative current flows, a nitride semiconductor, for example, a FET using GaN is used as the normally-on element P, so that a high mutual conductance gm of the GaN FET and a built-in diode of the low breakdown voltage N-channel MOS transistor Q A combination of forward voltages with a low D can realize a low forward voltage and reduce loss. In particular, when the regenerative operation is performed, a surge voltage is generated unless the high breakdown voltage normally-on element P is conducted at high speed. However, FETs using GaN are excellent in high speed and can suppress the occurrence of surge. it can. Furthermore, since GaNFET does not accumulate minority carriers, it turns off at high speed when reverse recovery operation is performed after regenerative operation. For this reason, the loss resulting from reverse recovery can be reduced.

なお、この実施の形態では、本願発明が三相インバータに適用された場合について説明したが、本願発明は二相インバータにも適用可能であることは言うまでもない。二相インバータは、図1の三相インバータからアームA3,A6および出力端子TO3を除去したものである。二相インバータでは、アームA1,A5とアームA2,A4とが180度ずつ交互に導通状態にされる。   In this embodiment, the case where the present invention is applied to a three-phase inverter has been described. Needless to say, the present invention is also applicable to a two-phase inverter. The two-phase inverter is obtained by removing the arms A3 and A6 and the output terminal TO3 from the three-phase inverter of FIG. In the two-phase inverter, arms A1 and A5 and arms A2 and A4 are alternately turned on by 180 degrees.

また、本願発明のインバータは、どのような電気機器にも使用可能であり、電気機器の低消費電力化を実現することができる。具体的には、冷蔵庫、空気調和機などのコンプレッサのモータの交流電源、あるいは洗濯機のドラムを回転させるモータの交流電源として使用可能である。   In addition, the inverter of the present invention can be used for any electric equipment, and low power consumption of the electric equipment can be realized. Specifically, it can be used as an AC power source for a compressor motor such as a refrigerator or an air conditioner, or an AC power source for a motor that rotates a drum of a washing machine.

また、本願発明のインバータは、太陽光発電システムにおいて、太陽電池で生成された直流電力を交流電力に変換する場合にも有効である。この場合にも、インバータにおける電力損失を小さくすることができる。   The inverter of the present invention is also effective when converting direct current power generated by a solar cell into alternating current power in a photovoltaic power generation system. Also in this case, the power loss in the inverter can be reduced.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

A アーム、P ノーマリーオン素子、Q NチャネルMOSトランジスタ、D ダイオード、T 入力端子、TO 出力端子、C コイル、1 制御部、2 直流電源、3 モータ、10,39,42 ソース端子、11 シリコン基板、12 バッファ層、13 GaN層、14 AlGaN層、15 ゲート電極、16,36,41,43 ゲート端子、17 ソース電極、18,22 貫通電極、19 ドレイン電極、20 ポリイミド樹脂層、21,32,44 ドレイン端子、30 N型シリコン基板、31 ドレイン電極、33 N型ドレイン領域、34 ゲート酸化膜、35 ゲート電極、37 P型領域、38 N型ソース領域、40 基板、W ボンディングワイヤ、F リードフレーム。 A arm, P normally on element, Q N-channel MOS transistor, D diode, T input terminal, TO output terminal, C coil, 1 control unit, 2 DC power supply, 3 motor, 10, 39, 42 source terminal, 11 silicon Substrate, 12 Buffer layer, 13 GaN layer, 14 AlGaN layer, 15 Gate electrode, 16, 36, 41, 43 Gate terminal, 17 Source electrode, 18, 22 Through electrode, 19 Drain electrode, 20 Polyimide resin layer, 21, 32 , 44 Drain terminal, 30 N + type silicon substrate, 31 Drain electrode, 33 N type drain region, 34 Gate oxide film, 35 Gate electrode, 37 P type region, 38 N type source region, 40 substrate, W bonding wire, F Lead frame.

Claims (4)

直流電力をN相(ただし、Nは2以上の整数である)の交流電力に変換するインバータであって、
第1の直流電圧を受ける第1の入力端子と、
前記第1の直流電圧よりも低い第2の直流電圧を受ける第2の入力端子と、
前記N相の交流電力を出力するためのN個の出力端子と、
各出力端子に対応して設けられ、前記第1の入力端子と対応の出力端子との間に直列接続された第1のノーマリーオン素子および第1のMOSトランジスタと、
各出力端子に対応して設けられ、対応の出力端子と前記第2の入力端子との間に直列接続された第2のノーマリーオン素子および第2のMOSトランジスタとを備え、
前記第1のノーマリーオン素子のゲートは対応の出力端子に接続され、前記第2のノーマリーオン素子のゲートは前記第2の入力端子に接続され、
前記第1および第2のMOSトランジスタの各々はオン/オフ制御され、
前記第1および第2のMOSトランジスタの各々の内蔵ダイオードはフリーホイールダイオードとして使用され、
前記第1および第2のMOSトランジスタの耐圧は10〜50Vである、インバータ。
An inverter that converts DC power into AC power of N-phase (where N is an integer of 2 or more),
A first input terminal receiving a first DC voltage;
A second input terminal for receiving a second DC voltage lower than the first DC voltage;
N output terminals for outputting the N-phase AC power;
A first normally-on element and a first MOS transistor provided corresponding to each output terminal and connected in series between the first input terminal and the corresponding output terminal;
A second normally-on element and a second MOS transistor provided corresponding to each output terminal and connected in series between the corresponding output terminal and the second input terminal;
A gate of the first normally-on element is connected to a corresponding output terminal; a gate of the second normally-on element is connected to the second input terminal;
Each of the first and second MOS transistors is on / off controlled,
The built-in diode of each of the first and second MOS transistors is used as a freewheel diode,
An inverter having a withstand voltage of 10 to 50 V of the first and second MOS transistors.
前記第1および第2のノーマリーオン素子の各々は窒化物半導体で形成されている、請求項1に記載のインバータ。   The inverter according to claim 1, wherein each of the first and second normally-on elements is formed of a nitride semiconductor. 請求項1または請求項2に記載のインバータと、
前記インバータによって生成された交流電力によって駆動されるモータとを備えた、電気機器。
An inverter according to claim 1 or claim 2,
An electric device comprising: a motor driven by AC power generated by the inverter.
請求項1または請求項2に記載のインバータと、
前記インバータに直流電力を供給する太陽電池とを備えた、太陽光発電装置。
An inverter according to claim 1 or claim 2,
A solar power generation apparatus comprising: a solar battery that supplies DC power to the inverter.
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