JP4902996B2

JP4902996B2 - 樹脂封止型ダイオード及び倍電圧整流回路

Info

Publication number: JP4902996B2
Application number: JP2006004351A
Authority: JP
Inventors: 洋平篠竹; 幸生中山; 恭介遠藤
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2026-01-12
Also published as: JP2007189792A

Description

本発明は、倍電圧用電解コンデンサを用いた整流回路に用いられる樹脂封止型ダイオード及び倍電圧整流回路に関する。

交流を直流に整流して倍電圧を得る整流回路として、整流用ダイオードと倍電圧用電解コンデンサを用いた整流回路が公知である（例えば、特許文献１参照）。

図５は、この種の全波倍電圧整流回路を示す回路図である。順方向に直列に接続した整流用ダイオード１０３及び１０４の両端と、直列に接続した倍電圧用電解コンデンサ１０５及び１０６の両端とを接続し、整流用ダイオードの接続点と倍電圧用電解コンデンサの接続点に交流電源１０１から力率改善用リアクタ１０２を介して交流を入力して全波倍電圧整流を行う。直列接続する倍電圧用電解コンデンサ１０５及び１０６の両端から出力される直流電流は、平滑用電解コンデンサ１０９により平滑化され、負荷１２０へ与えられる。

更に、倍電圧用電解コンデンサ１０５及び１０６と並列に、倍電圧用電解コンデンサを保護するための保護用ダイオード１０７及び１０８がそれぞれ並列に接続されている。この保護用ダイオードは、整流用ダイオード１０３又は１０４が何らかの原因でオープンとなるような不良が発生した場合であっても、倍電圧用電解コンデンサ１０５又は１０６が破壊されないようにするため設けられている。ダイオード１０３、１０４、１０７及び１０８はブリッジダイオード１００を構成し、各ダイオードは同一特性のものが使用される。

例えば整流用ダイオード１０３が不良でオープン状態となったとする。力率改善用リアクタ１０２から出力される交流が正電圧となった場合には、整流用ダイオード１０３から電流が流れないので、倍電圧用電解コンデンサ１０５又は１０６には充電されない。力率改善用リアクタ１０２の出力が負電圧となった場合には、整流用ダイオード１０４を介して電流が流れることができるため、倍電圧用電解コンデンサ１０６にはその接続点を正として電荷が充電される。その結果、倍電圧用電解コンデンサ１０５には逆極性の電圧が印加されることになる。この場合に、保護用ダイオード１０７は、その電荷をバイパスして倍電圧用電解コンデンサ１０５に逆電圧が印加されることを防止する。同様に、整流用ダイオード１０４が破壊してオープン状態となったときは、倍電圧用電解コンデンサ１０６に逆電圧が印加されないようにするために、保護用ダイオード１０８が設けられている。

通常この種の整流用ダイオードとしては、単相全波整流回路等に用いられるものが使用される。図６は、通常使用されている単相全波整流回路図を示す。図５と異なる部分は、倍電圧用電解コンデンサがないことである。交流電源１１１から交流を入力し、入力する交流が正電圧である場合にはダイオード１１３とダイオード１１８を介してＩｉｎ＋の向きに電流が流れる。交流電源１１１から入力する交流が負電圧である場合には、ダイオード１１４とダイオード１１７を介してＩｉｎ−の向きに電流が流れる。即ち、いずれの極性においても、４つのダイオードを構成するブリッジダイオード１１０にはそれぞれ同じ大きさの電流が流れることになる。そのために、４つのダイオードは同一の特性のものを使用している。

近年、ダイオード特性の向上が求められている。特に許容電流が大きくかつダイオードによる電力損失を低減化した整流素子が求められている。そこで、電力損失を低減させるために順方向電圧降下特性の改善されたダイオードが整流素子として使用されている。この種の特性が改善されたダイオードを整流素子に適用する場合には、４つのダイオード全てが改善された特性のダイオードが使用される。例えば、改善されたダイオードの順方向電圧降下がＶ_１Ｆであり、通常のダイオードの順方向電圧降下がＶ_２Ｆ（Ｖ_１Ｆ＜Ｖ_２Ｆ）であるとする。４つのダイオード全てを改善された特性のダイオードを使用した場合の全体としての順方向電圧降下は２Ｖ_１Ｆであるのに対して、ダイオード１１３とダイオード１１４とを改善されたダイオードを使用し、ダイオード１１７とダイオード１１８とを通常のダイオードを使用した場合の全体としての順方向電圧降下は（Ｖ_１Ｆ＋Ｖ_２Ｆ）＞２Ｖ_１Ｆとなるから、十分に改善された特性を得ることができない。そのために、全波整流用ブリッジダイオードは４つのダイオードを全て同一の特性のダイオードを単一のパッケージに封止している。
特開２００１−２１１６５１号公報

倍電圧用電解コンデンサを使用して全波整流回路を構成する場合には、整流用ダイオードと保護用ダイオードとはその機能が異なる。即ち、整流用ダイオードと倍電圧用電解コンデンサの保護用ダイオードとを同一の特性とする必要が無い。しかしながら、上述したように、整流用ブリッジダイオードは全て同一特性の４つのダイオードを単一のパッケージに組み込んで使用されていた。

しかしながら、大電流を流すことができ、あるいは順方向降下電圧特性が改善されたダイオードは、半導体基板の占める面積が大きくなるとともに製造プロセスが複雑になることから製造コストが高くなる。負荷に大きな電流を供給する倍電圧用電解コンデンサを用いた全波整流回路においては整流用ダイオードとしてこの特性改善がなされたダイオードチップを使用する必要があるが、保護用ダイオードチップはこのようなコスト高となるようなダイオードチップを使用する必要が無い。しかし、従来から４つのダイオード全てを同一特性としたブリッジダイオードが製造されており、このような倍電圧用電解コンデンサを用いた整流回路には適用し難いという課題があった。

本発明は上記の課題を解決するために、以下の手段を採用した。

請求項１に係る本発明においては、交流電圧を直流電圧に変換する樹脂封止型ダイオードにおいて、順方向に直列接続した２個の整流用ダイオードチップ、及び順方向に直列接続した２個の保護用ダイオードチップからなり、交流電圧を直流電圧に変換するブリッジダイオードを有し、前記整流用ダイオードチップの順方向電圧降下は、前記保護用ダイオードチップの順方向電圧降下よりも小さいことを特徴とする樹脂封止型ダイオードとした。

請求項２に係る本発明においては、交流電圧を直流電圧に変換する樹脂封止型ダイオードにおいて、順方向に直列接続した２個の整流用ダイオードチップ、及び順方向に直列接続した２個の保護用ダイオードチップからなり、交流電圧を直流電圧に変換するブリッジダイオードを有し、前記整流用ダイオードチップの許容電流は、前記保護用ダイオードチップの許容電流よりも大きいことを特徴とする樹脂封止型ダイオードとした。

請求項３に係る本発明においては、ダイオードを構成する接合領域を流れる電流密度が１０〜１５０Ａ／ｃｍ^２の領域において、前記整流用ダイオードチップの順方向電圧降下が前記保護用ダイオードチップの順方向電圧降下よりも９０ｍＶ〜２００ｍＶ小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の樹脂封止型ダイオードとした。

請求項４に係る本発明においては、前記整流用ダイオードチップと前記保護用ダイオードチップとが単一のパッケージに内蔵されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の樹脂封止型ダイオードとした。

請求項５に係る本発明においては、２個の前記整流用ダイオードチップが単一のパッケージに内蔵されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の樹脂封止型ダイオードとした。

負荷と並列接続する倍電圧用電解コンデンサに対して直流電圧を供給するための倍電圧用の樹脂封止型ダイオードにおいて、整流用ダイオードチップの順方向電圧降下よりも、倍電圧用電解コンデンサを保護するための保護用ダイオードチップの順方向電圧降下を高くすることにより、樹脂封止型ダイオードの製造コストを低減させることができるという効果を有する。

また、保護用ダイオードチップの許容電流を整流用ダイオードチップの許容電流よりも小さくすることにより、樹脂封止型ダイオードの製造コストを低減させることができるという効果を有する。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

本発明の実施の形態に係る樹脂封止型ダイオードは、倍電圧用電解コンデンサにより倍電圧を得る倍電圧整流回路に用いられるものである。倍電圧清流回路に用いられるダイオードチップには、整流用ダイオードチップと倍電圧用電解コンデンサの保護のための保護用ダイオードチップが使用される。そのうち、本発明の実施の形態に係る樹脂封止型ダイオードには、少なくとも整流用ダイオードチップを有している。そして、この整流用ダイオードチップの順方向電圧降下の値は、保護用ダイオードチップの順方向電圧降下よりも小さいダイオードチップを使用する。その結果、整流用ダイオードチップと保護用ダイオードチップの全てを順方向電圧降下特性が改善されたダイオードチップを使用する必要が無くなり、全体として、製造コストを低減させることができる。

また、整流用ダイオードチップの許容電流は、保護用ダイオードチップの許容電流よりも大きいことを特徴とする。ダイオードチップの許容電流は半導体チップ上に形成するＰＩＮ接合の面積に比例する。従って、大電流を流すことができるダイオードチップの面積は、許容電流の小さい保護用ダイオードチップの面積より大きくする。その結果、整流用ダイオードチップと保護用ダイオードチップの全てを大電流用のダイオードチップとする必要がないことから、全体として、製造コストを低減させることができる。

また、整流用ダイオードチップを２個使用し、保護用ダイオードチップを２個使用し、ダイオードを構成する接合領域を流れる電流密度が１０〜１５０Ａ／ｃｍ^２の領域において、前記整流用ダイオードチップの順方向電圧降下が前記保護用ダイオードチップの順方向電圧降下よりも９０ｍＶ〜２００ｍＶ低下させる。また、より好ましくは１２０ｍＶ〜１７０ｍＶ低下させている。これにより、低損失で大電流の整流を行うことができると共に、倍電圧用電解コンデンサの保護用ダイオードチップの面積を縮小させてコスト低減を図ることができ、全体として製造コストを低減させることができる。

また、整流用ダイオードと保護用ダイオードとを単一のパッケージに内蔵した樹脂封止型ダイオードとすることにより、従来型のブリッジダイオードに使用されてきた回路基板をそのまま使用することができる。

また、２個の整流用ダイオードのみを単一のパッケージに内蔵した樹脂封止型ダイオードとすることにより、従来型のブリッジダイオードに使用されてきた回路基板をそのまま使用できるとともに、倍電圧整流回路の必要とする特性に合わせた保護用ダイオードチップの選択を容易に行うことができる。

以下、本発明について、図面により詳細に説明する。

図１は本発明に係る樹脂封止型ダイオードＢＤが使用される全波倍電圧整流回路を示す回路図である。順方向に直列接続する整流用ダイオードチップＤ１及びＤ３と、直列に接続した倍電圧用電解コンデンサＣ１及びＣ２と、順方向直列接続した保護用ダイオードチップＤ２及びＤ４とが、正極であるノードＮ３と負極であるノードＮ４の接続点にそれぞれ互いに並列に接続している。交流電源Ｅからの交流は、コイルＲを介して順方向に直列接続する整流用ダイオードチップＤ１とＤ３の接続点であるノードＮ１と、直列接続する倍電圧用電解コンデンサＣ１とＣ２の接続点であるノードＮ２に入力される。ノードＮ１とノードＮ２に入力した交流電流は、ノードＮ１が正極性のときには整流用ダイオードチップＤ１を通じて倍電圧用電解コンデンサＣ１に充電され、ノードＮ１が負極性のときには整流用ダイオードチップＤ３を通じて倍電圧用電解コンデンサＣ２に充電される。その結果、ノードＮ３とノードＮ４に倍電圧を得ることができ、平滑化コンデンサＣ３により平滑化された電圧が負荷Ｌに供給される。

また、倍電圧用電解コンデンサＣ１とＣ２のそれぞれと並列に、保護用ダイオードチップＤ２及びＤ４が接続されている。保護用ダイオードチップＤ２は倍電圧用電解コンデンサＣ１の保護のために、保護用ダイオードチップＤ４は倍電圧用電解コンデンサＣ２の保護のためにそれぞれ設けられている。即ち、倍電圧用電解コンデンサＣ１に逆極性の電圧が印加されたときは保護用ダイオードチップＤ２を介してその電圧がバイパスされ、倍電圧用電解コンデンサＣ２に逆極性の電圧が印加されたときは保護用ダイオードチップＤ４を介してその電圧がバイパスされるようにしている。

整流用ダイオードチップＤ１及びＤ３は負荷Ｌの消費電力に応じて高性能の同一の特性を有するダイオードチップを使用し、一方、保護用ダイオードチップＤ２及びＤ４は通常の同一の特性を有するダイオードチップを使用する。例えば、整流用ダイオードチップＤ１及びＤ３の順方向電圧降下Ｖ_Ｆは、保護用ダイオードチップＤ２及びＤ４の順方向電圧降下Ｖ_Ｆよりも小さいダイオードチップを使用する。また、整流用ダイオードチップＤ１及びＤ３の許容電流は、保護用ダイオードチップの許容電流の１０倍以上のダイオードチップを使用する。

図２は、上記特性の異なる４つのダイオードチップからなるブリッジダイオードＢＤを単一のパッケージ２に封入した樹脂封止型ダイオード１の概観図である。パッケージ２内には、整流用ダイオードチップＤ１及びＤ３と保護用ダイオードチップＤ２及びＤ４が封入されている。パッケージ２の下部には外部接続用の端子Ｐ１〜Ｐ４を備え、通常使用されるソケットに挿入可能とする。また、端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４は、図１のノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３及びＮ４にそれぞれ接続している。

また、上記特性の異なる４つのダイオードチップのうち、整流用ダイオードチップＤ１及びＤ３のみを単一のパッケージに封止し、保護用ダイオードチップＤ２及びＤ４を分離して構成することができる。これにより、使用する倍電圧用電解コンデンサＣ１及びＣ２の特性に合わせて、保護用ダイオードチップＤ２及びＤ４の特性を適宜選定することができる。また、整流用ダイオードチップＤ１及びＤ３のみを単一のパッケージに封入しているので、樹脂封止型ダイオード１の単価を低下させることができる。

図３は、本実施の形態に係る樹脂封止型ダイオード１に用いられる低損失ダイオードチップ２０の模式的断面図である。半導体基板の下部に形成した下部電極１０、その上の半導体基板からなる、Ｎ型高濃度層１１、Ｎ型低濃度層１２、Ｐ型拡散層１３が構成されている。更に、Ｐ型拡散層１３の周囲には複数のリング状Ｐ型拡散領域１４が囲むように形成されており、ガードリング群１５を構成している。Ｐ型拡散層１３の上には上部電極１６が形成され、ガードリング群１５の上には絶縁層１７が形成されている。即ち、ＰＩＮ構造のダイオードを構成している。

ガードリング群１５を形成することにより、Ｐ型拡散層１３からＮ型低濃度層１２（Ｉ層）へ伸びる空乏層を半導体基板に対して横方向へ大きく広げることができる。その結果、Ｐ型拡散層１３のエッジ部分に生ずる電界集中を緩和させ、耐圧を向上させることができる。本低損失ダイオードチップ２０のＰ型拡散層１３の不純物濃度を５×１０^１５〜２×１０^１６ｃｍ^−３とし、Ｎ型低濃度層１２の厚さを３０〜４５μｍとしている。これにより、順方向電圧降下特性を改善させることができ、整流用ダイオードチップに適用することができる。

図４は低損失ダイオードチップ２０の順方向電圧降下Ｖ_ＦとダイオードチップのＰＩＮの接合領域を流れる電流密度Ｊ_Ｆとの関係を、各Ｎ型低濃度層１２（Ｉ層）の厚さについてプロットしたグラフを示している。この結果、Ｎ型低濃度層１２の厚さを３０μｍから４５μｍとすることにより、同一の電流密度において従来品と比較して順方向電圧降下Ｖ_Ｆは約９０ｍＶ〜２００ｍＶ低下している。例えば、電流密度が１０Ａ／ｃｍ^２〜１５０Ａ／ｃｍ^２の範囲においては、１２０ｍＶ〜１７０ｍＶ従来品よりも低下している。従って、整流用ダイオードチップＤ１及びＤ３としてはこのような低損失ダイオードチップを使用し、保護用ダイオードチップを通常品又は低電流品を使用することにより、全体として製造コストを低減させることができる。

本実施の形態に係る樹脂封止型ダイオードが用いられる全波倍電圧整流回路を表す回路図である。本実施の形態に係る樹脂封止型ダイオードの概観図である。本実施の形態に係る樹脂封止型ダイオードに用いられる低損失ダイオードチップの模式的断面図である。本実施の形態に係る樹脂封止型ダイオードに用いられる低損失ダイオードの順方向電圧降下Ｖ_Ｆと電流密度Ｊ_Ｆとの関係を示すグラフである。従来公知の倍電圧用電解コンデンサを用いた倍電圧全波型整流回路図である。従来公知の単相全波整流回路図である。

符号の説明

Ｄ１、Ｄ３整流用ダイオードチップ
Ｄ２、Ｄ４保護用ダイオードチップ
Ｃ１、Ｃ２倍電圧用電解コンデンサ
ＢＤブリッジダイオード
１樹脂封止型ダイオード
２パッケージ
１０下部電極
１１Ｎ型高濃度層
１２Ｎ型低濃度層
１３Ｐ型拡散層
１４リング状Ｐ型拡散領域
１５ガードリング群
１６上部電極

Claims

交流電圧を直流電圧に変換する樹脂封止型ダイオードにおいて、
順方向に直列接続した２個の整流用ダイオードチップ、及び順方向に直列接続した２個の保護用ダイオードチップからなり、交流電圧を直流電圧に変換するブリッジダイオードを有し、
前記整流用ダイオードチップの順方向電圧降下は、前記保護用ダイオードチップの順方向電圧降下よりも小さいことを特徴とする樹脂封止型ダイオード。
交流電圧を直流電圧に変換する樹脂封止型ダイオードにおいて、
順方向に直列接続した２個の整流用ダイオードチップ、及び順方向に直列接続した２個の保護用ダイオードチップからなり、交流電圧を直流電圧に変換するブリッジダイオードを有し、
前記整流用ダイオードチップの許容電流は、前記保護用ダイオードチップの許容電流よりも大きいことを特徴とする樹脂封止型ダイオード。
ダイオードを構成する接合領域を流れる電流密度が１０〜１５０Ａ／ｃｍ^２の領域において、前記整流用ダイオードチップの順方向電圧降下が前記保護用ダイオードチップの順方向電圧降下よりも９０ｍＶ〜２００ｍＶ小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の樹脂封止型ダイオード。
前記整流用ダイオードチップと前記保護用ダイオードチップとが単一のパッケージに内蔵されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の樹脂封止型ダイオード。
２個の前記整流用ダイオードチップが単一のパッケージに内蔵されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の樹脂封止型ダイオード。
交流電圧を直流電圧に変換し、倍電圧を得る倍電圧整流回路において、
順方向に直列接続した２個の整流用ダイオードチップ、及び順方向に直列接続した２個の保護用ダイオードチップからなり、交流電圧を直流電圧に変換するブリッジダイオードと、
前記２個の保護用ダイオードチップに対してそれぞれ並列接続される２個の倍電圧用電解コンデンサと、を有し、
前記保護用ダイオードチップは、前記倍電圧用電解コンデンサを保護するためのものであり、
前記整流用ダイオードチップの順方向電圧降下は、前記保護用ダイオードチップの順方向電圧降下よりも小さいことを特徴とする倍電圧整流回路。
交流電圧を直流電圧に変換し、倍電圧を得る倍電圧整流回路において、
順方向に直列接続した２個の整流用ダイオードチップ、及び順方向に直列接続した２個の保護用ダイオードチップからなり、交流電圧を直流電圧に変換するブリッジダイオードと、
前記２個の保護用ダイオードチップに対してそれぞれ並列接続される２個の倍電圧用電解コンデンサと、を有し、
前記保護用ダイオードチップは、前記倍電圧用電解コンデンサを保護するためのものであり、
前記整流用ダイオードチップの許容電流は、前記保護用ダイオードチップの許容電流よりも大きいことを特徴とする倍電圧整流回路。
ダイオードを構成する接合領域を流れる電流密度が１０〜１５０Ａ／ｃｍ^２の領域において、前記整流用ダイオードチップの順方向電圧降下が前記保護用ダイオードチップの順方向電圧降下よりも９０ｍＶ〜２００ｍＶ小さいことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の倍電圧整流回路。
前記整流用ダイオードチップと前記保護用ダイオードチップとが単一のパッケージに内蔵されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の倍電圧整流回路。
２個の前記整流用ダイオードチップが単一のパッケージに内蔵されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の倍電圧整流回路。