JP5316251B2 - Switch circuit - Google Patents

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Description

本発明は、1個又は直列接続された複数個のダイオードからなる還流用ダイオード装置をスイッチング素子に複数個並列に接続したスイッチ回路に関する。   The present invention relates to a switch circuit in which a plurality of free-wheeling diode devices composed of one or a plurality of diodes connected in series are connected in parallel to a switching element.

近年、DC−DCコンバータ、インバータ等の電力変換器の用途が大電力の領域に拡大しており、装置の小型化に向けた課題として電力変換器の高周波化への要望が高まっている。電力変換器のスイッチ回路には、主にシリコンを半導体材料とする電界効果トランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のスイッチング素子が用いられており、これらのスイッチング素子には、負荷から還流する電流をバイパスするための還流用ダイオードが並列に接続されることが多い。   In recent years, the use of power converters such as DC-DC converters and inverters has been expanded to the high power region, and there is an increasing demand for higher frequency power converters as a challenge for miniaturization of devices. The switching circuit of the power converter mainly uses switching elements such as a field effect transistor made of silicon as a semiconductor material, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), etc., and these switching elements include a current flowing back from a load. In many cases, a reflux diode for bypassing the capacitor is connected in parallel.

還流用ダイオードを順方向に流れる電流が遮断される場合、還流用ダイオード中に蓄積されていたキャリアに起因するリカバリ電流が逆方向に流れて熱損失となる。このようなリカバリ電流は、電力変換器の変換周期ごとに発生し、電力変換器が扱う電力(電圧及び電流)の増大と共にリカバリ電流による熱損失も増加する。このため、高い周波数で大電力を扱う電力変換器において損失を低減するには、リカバリ電流が流れるリカバリ時間(逆回復時間)の短い還流用ダイオードを用いる必要がある。   When the current flowing in the forward direction through the return diode is interrupted, the recovery current caused by the carriers accumulated in the return diode flows in the reverse direction, resulting in heat loss. Such a recovery current is generated every conversion cycle of the power converter, and heat loss due to the recovery current increases with an increase in power (voltage and current) handled by the power converter. For this reason, in order to reduce loss in a power converter that handles high power at a high frequency, it is necessary to use a return diode having a short recovery time (reverse recovery time) in which a recovery current flows.

還流用ダイオードにPN接合ダイオード又はPiN接合ダイオードを用いた場合、少数キャリアの蓄積によるリカバリ時間が多少なりとも発生するが、金属と半導体との接合によって生じるショットキ障壁を利用したショットキバリアダイオードでは、少数キャリアの蓄積がないため、リカバリ時間が極めて短いものとなる。但し、ショットキバリアダイオードは、同じ半導体材料からなるPN接合ダイオード又はPiN接合ダイオードと比較して逆方向耐電圧(以下、逆耐圧という)を高めるのが困難であるため、高電圧を扱う用途には不向きである。   When a PN junction diode or a PiN junction diode is used as the free-wheeling diode, a recovery time due to accumulation of minority carriers occurs somewhat. However, in the case of a Schottky barrier diode using a Schottky barrier generated by the junction between a metal and a semiconductor, Since there is no accumulation of carriers, the recovery time is extremely short. However, Schottky barrier diodes have difficulty in increasing the reverse withstand voltage (hereinafter referred to as reverse withstand voltage) as compared with PN junction diodes or PiN junction diodes made of the same semiconductor material. It is unsuitable.

昨今、シリコンに代わる半導体材料として、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)等のワイドバンドギャップ半導体が注目されている。ワイドバンドギャップ半導体は、絶縁破壊電界強度がシリコンを1桁上回り、シリコンより高い熱伝導率及び大きな飽和電子速度を有することなどから、半導体素子に用いた場合、高逆耐圧化、高耐熱化、及び高周波化が図られ、特にスイッチング素子に用いたときは、低いオン抵抗に由来して低損失化が可能となる。また、ワイドバンドギャップ半導体をPN接合ダイオード又はPiN接合ダイオードに用いたときは、リカバリ時間が短縮化される一方で、バンドギャップの大きさ故に順方向に導通し始める電圧(以下、オン電圧という)が高くなるが、ショットキバリアダイオードに用いたときは、高逆耐圧化を実現しつつリカバリ時間を極めて短くし、且つオン電圧を低くすることが可能である。   In recent years, wide band gap semiconductors such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) have attracted attention as semiconductor materials that can replace silicon. Wide band gap semiconductors have a dielectric breakdown electric field strength that is an order of magnitude higher than that of silicon, and have higher thermal conductivity and higher saturation electron velocity than silicon. Therefore, when used in semiconductor devices, high reverse breakdown voltage, high heat resistance, In particular, when used as a switching element, the loss can be reduced due to the low on-resistance. Further, when a wide band gap semiconductor is used for a PN junction diode or a PiN junction diode, the recovery time is shortened, while the voltage that starts to conduct in the forward direction due to the size of the band gap (hereinafter referred to as an on voltage). However, when used in a Schottky barrier diode, the recovery time can be extremely shortened and the on-voltage can be lowered while realizing a high reverse breakdown voltage.

より具体的には、炭化珪素からなるショットキバリアダイオードでは、シリコンからなるPN接合ダイオードよりオン電圧が大きくなるが、窒化ガリウムからなるショットキバリアダイオードでは、シリコンからなるPN接合ダイオードとオン電圧を同等にすることができる。但し、窒化ガリウムからなるショットキバリアダイオードは、現状では大電流に対応する素子が開発途上にある。   More specifically, a Schottky barrier diode made of silicon carbide has a higher on-voltage than a PN junction diode made of silicon, but a Schottky barrier diode made of gallium nitride has the same on-voltage as a PN junction diode made of silicon. can do. However, a Schottky barrier diode made of gallium nitride is currently under development for an element that can handle a large current.

上述したワイドバンドギャップ半導体からなる半導体素子の特性に着目した還流用ダイオードに係る発明として、特許文献1では、炭化珪素からなる第1の還流用ダイオードと、シリコンからなり第1の還流用ダイオードよりオン電圧が低い第2の還流用ダイオードとをスイッチング素子に並列に接続してリカバリ電流を穏やかに減少させることにより、リカバリ電流に起因する損失を低減しつつ高速化を図る技術が開示されている。また、特許文献2では、ワイドバンドギャップ半導体からなるショットキバリアダイオードと、シリコンからなりオン電圧が前記ショットキバリアダイオードと略等しいPiN接合ダイオードとをスイッチング素子に並列に接続して両方のダイオードを並列的に動作させることにより、リカバリ電流に起因する損失を低減する技術が開示されている。   As an invention related to a reflux diode focusing on the characteristics of the above-described semiconductor element made of a wide band gap semiconductor, Patent Document 1 discloses a first reflux diode made of silicon carbide and a first reflux diode made of silicon. A technique for speeding up while reducing a loss caused by a recovery current by connecting a second return diode having a low on-voltage in parallel with a switching element to gently reduce the recovery current is disclosed. . In Patent Document 2, a Schottky barrier diode made of a wide band gap semiconductor and a PiN junction diode made of silicon and having an on-voltage substantially equal to that of the Schottky barrier diode are connected in parallel to the switching element, and both diodes are connected in parallel. A technique for reducing the loss caused by the recovery current by operating in the same manner is disclosed.

特開2009−32769号公報JP 2009-32769 A 特開2008−271207号公報JP 2008-271207 A

しかしながら、特許文献1及び2に開示された技術は、何れも、リカバリ時間の短い還流用ダイオードとリカバリ時間がやや長い還流用ダイオードとを並列に接続してリカバリ電流の減少率を小さくすることにより、回路内の容量及びインダクタンス成分の共振によるスイッチングノイズ(スイッチング素子の両端電圧の振動)を低減するものであり、リカバリ時間が短縮化されたダイオードの特徴を損なうことなく大電力の用途に適用できるようにするものではなかった。   However, the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2 both reduce the recovery current reduction rate by connecting a freewheeling diode with a short recovery time and a freewheeling diode with a slightly long recovery time in parallel. It reduces switching noise (vibration of the voltage across the switching element) due to resonance of capacitance and inductance components in the circuit, and can be applied to high power applications without impairing the characteristics of the diode with shortened recovery time. It wasn't something to do.

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高い周波数においても大電力を扱う用途に適用できるスイッチ回路を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a switch circuit that can be applied to a purpose of handling a large amount of power even at a high frequency.

本発明に係るスイッチ回路は、1個又は直列接続された複数個のダイオードを流用ダイオード装置とし、順方向に導通し始めるオン電圧が相異なる複数の流用ダイオード装置をスイッチング素子に並列に接続したスイッチ回路において、前記流用ダイオード装置は、シリコンより大きいバンドギャップを有する相異なる半導体材料からなるショットキバリアダイオードで構成されており、オン電圧の高低に応じて導通後の電圧に対する電流の変化率が大小となるようにしてあることを特徴とする。 Switch circuit according to the present invention with one or series connected plurality of diodes instead diverted diode device, connecting the place diverted diode device on the voltage begins to conduct the phase different in the forward direction in parallel with the switching element in the switching circuit, wherein instead diverted diode device, Made up by Schottky barrier diode ing from different semiconductor materials having a band gap greater than that of silicon, the current to voltage after conducting according to the level of the on-voltage The change rate is designed to be large or small.

本発明にあっては、ワイドバンドギャップ半導体からなる複数の還流用ダイオード装置は、順方向に導通し始めるオン電圧が高いほど順方向の電圧に対する電流の変化率が大きくなるようにしてある。
これにより、オン電圧が最も低い還流用ダイオード装置から還流電流が先に導通し始め、順方向の電圧の上昇と共に、オン電圧がより高い還流用ダイオード装置へより多くの還流電流が分流するように導通するため、還流電流による導通損失が各還流用ダイオード装置に分散される。また、還流用ダイオード装置が単一である場合と比較して順方向の電圧が全体的に低下するため、還流電流による導通損失の合計値が低減される。更にまた、各還流用ダイオード装置が高逆耐圧であることから高電圧のスイッチングが可能であり、リカバリ時間が短いために高い周波数領域までスイッチング損失が低減される。
In the present invention, the plurality of freewheeling diode devices made of wide band gap semiconductors are configured such that the rate of change of current with respect to the forward voltage increases as the ON voltage at which conduction begins in the forward direction is higher.
As a result, the return current starts to be conducted first from the return diode device having the lowest on-voltage, and as the forward voltage rises, more return current is shunted to the return diode device having the higher on-voltage. In order to conduct, the conduction loss due to the reflux current is distributed to each of the reflux diode devices. In addition, since the forward voltage decreases as a whole compared to the case where there is a single return diode device, the total conduction loss due to the return current is reduced. Furthermore, since each return diode device has a high reverse breakdown voltage, high voltage switching is possible, and since the recovery time is short, the switching loss is reduced to a high frequency region.

本発明にあっては、オン電圧が低くリカバリ時間が極めて短いショットキバリアダイオードからなる還流用ダイオード装置に還流電流が分流するため、還流電流による導通損失及びリカバリ電流によるスイッチング損失が低減される。また、2つ以上のショットキバリアダイオードを直列に接続して1つの還流用ダイオード装置にすることとした場合は、1つのショットキバリアダイオードの導通後の電圧が、他の還流用ダイオード装置のオン電圧より低いときであっても、ショットキバリアダイオードからなる還流用ダイオード装置と他の還流用ダイオード装置とで還流電流が分流されるようになる。   In the present invention, since the return current is shunted to the return diode device composed of a Schottky barrier diode with a low on-voltage and an extremely short recovery time, the conduction loss due to the return current and the switching loss due to the recovery current are reduced. When two or more Schottky barrier diodes are connected in series to form one freewheeling diode device, the voltage after conduction of one Schottky barrier diode is the on-voltage of the other freewheeling diode device. Even when the current is lower, the return current is divided between the return diode device including the Schottky barrier diode and the other return diode device.

本発明にあっては、ショットキバリアダイオードからなる各還流用ダイオード装置のオン電圧が低くリカバリ時間が極めて短いため、還流電流による導通損失及びリカバリ電流によるスイッチング損失が大幅に低減される。また、ショットキバリアダイオードの半導体材料が相異なるため、各還流用ダイオード装置を構成するダイオードが1個であったとしても、オン電圧に差が生じて各還流用ダイオード装置間で還流電流が効果的に分流される。   In the present invention, the on-state voltage of each free-wheeling diode device composed of a Schottky barrier diode is low and the recovery time is extremely short, so that conduction loss due to free-wheeling current and switching loss due to recovery current are greatly reduced. Also, because the semiconductor materials of the Schottky barrier diodes are different, even if there is only one diode constituting each freewheeling diode device, a difference occurs in the on-voltage, and the freewheeling current is effective between the freewheeling diode devices. To be diverted to

本発明に係るスイッチ回路は、前記相異なる半導体材料には、炭化珪素及び窒化ガリウムが含まれることを特徴とする。   The switch circuit according to the present invention is characterized in that the different semiconductor materials include silicon carbide and gallium nitride.

本発明にあっては、窒化ガリウム(以下、GaNという)からなるショットキバリアダイオードのオン電圧が、炭化珪素(以下、SiCという)からなるショットキバリアダイオード(以下、SBDという)のオン電圧より明らかに低いため、夫々の還流用ダイオード装置間で還流電流がより効果的に分流される。
また、GaNからなる小電力用に適したSBDが先に還流電流を導通させ、SiCからなる大電力用のSBDが後に還流電流の大半を導通させ得るため、半導体材料の違いによるSBDの特性に合わせた応用が可能となる。
In the present invention, the on-voltage of a Schottky barrier diode made of gallium nitride (hereinafter referred to as GaN) is clearly greater than the on-voltage of a Schottky barrier diode (hereinafter referred to as SBD) made of silicon carbide (hereinafter referred to as SiC). Since it is low, the return current is more effectively divided between the respective return diode devices.
In addition, the SBD suitable for low power made of GaN can conduct the reflux current first, and the SBD for high power made of SiC can conduct most of the reflux current later. Combined application is possible.

本発明に係るスイッチ回路は、前記スイッチング素子は、炭化珪素を半導体材料とする電界効果トランジスタであることを特徴とする。   The switch circuit according to the present invention is characterized in that the switching element is a field effect transistor using silicon carbide as a semiconductor material.

本発明にあっては、スイッチング素子がSiCからなるため、ワイドバンドギャップ半導体からなる還流用ダイオード装置と相まって、大電力を高周波でスイッチングする電力変換器に適用することができる。   In the present invention, since the switching element is made of SiC, it can be applied to a power converter that switches large power at a high frequency in combination with a reflux diode device made of a wide band gap semiconductor.

本発明によれば、オン電圧が最も低い還流用ダイオード装置から還流電流が先に導通し始め、順方向の電圧の上昇と共に、オン電圧がより高い還流用ダイオード装置へより多くの還流電流が分流するように導通するため、還流電流による導通損失が各還流用ダイオード装置に分散される。また、還流用ダイオード装置が単一である場合と比較して順方向の電圧が全体的に低下するため、還流電流による導通損失の合計値が低減される。更にまた、各還流用ダイオード装置が高逆耐圧であることから高電圧のスイッチングが可能であり、リカバリ時間が短いために高い周波数領域までスイッチング損失が低減される。
従って、高い周波数においても大電力を扱う用途に適用することが可能となる。
According to the present invention, the return current starts to be conducted first from the return diode device having the lowest on-voltage, and as the forward voltage increases, more return current is shunted to the return diode device having the higher on-voltage. Therefore, the conduction loss due to the return current is distributed to each return diode device. In addition, since the forward voltage decreases as a whole compared to the case where there is a single return diode device, the total conduction loss due to the return current is reduced. Furthermore, since each return diode device has a high reverse breakdown voltage, high voltage switching is possible, and since the recovery time is short, the switching loss is reduced to a high frequency region.
Therefore, it becomes possible to apply to the use which handles a large power even at a high frequency.

本発明の実施の形態1に係るインバータの構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the inverter which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るインバータの構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the inverter which concerns on Embodiment 1 of this invention. SiC及びGaNを半導体材料とするSBDの順方向特性の例を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the example of the forward direction characteristic of SBD which uses SiC and GaN as a semiconductor material. SiC及びGaNを半導体材料とするSBDの順方向特性の例を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the example of the forward direction characteristic of SBD which uses SiC and GaN as a semiconductor material. 還流用ダイオード装置の順方向電流に対する電圧の特性を模式的に示す特性図である。It is a characteristic view which shows typically the characteristic of the voltage with respect to the forward direction current of the diode apparatus for reflux. インバータの各スイッチ回路の損失をスイッチング素子の導通損失とその他の損失とに分けて示す説明図である。It is explanatory drawing which divides and shows the loss of each switch circuit of an inverter in the conduction | electrical_connection loss of a switching element, and another loss. SiCを半導体材料とするSBD、及びGaNを半導体材料とするPN接合ダイオードの順方向特性の例を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the example of the forward direction characteristic of SBD which uses SiC as a semiconductor material, and the PN junction diode which uses GaN as a semiconductor material.

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
(実施の形態1)
図1及び図2は、本発明の実施の形態1に係るインバータの構成を示す回路図である。図中電界効果トランジスタFET1,FET2,FET3,FET4の夫々はスイッチング素子である。また、電界効果トランジスタFET1及びダイオードD11,D12、電界効果トランジスタFET2及びダイオードD21,D22、電界効果トランジスタFET3及びダイオードD31,D32、並びに電界効果トランジスタFET4及びダイオードD11,D12の夫々はスイッチ回路であり、これらがいわゆるフルブリッジを構成するように接続されている。ダイオードD11,D12、D21,22、D31,D32、及びD41,D42の夫々は、電界効果トランジスタFET1、FET2、FET3、及びFET4に対し還流用ダイオード装置(いわゆる還流用ダイオード)として機能するものである。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings illustrating embodiments thereof.
(Embodiment 1)
1 and 2 are circuit diagrams showing the configuration of the inverter according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, each of the field effect transistors FET1, FET2, FET3, and FET4 is a switching element. The field effect transistor FET1 and the diodes D11 and D12, the field effect transistor FET2 and the diodes D21 and D22, the field effect transistor FET3 and the diodes D31 and D32, and the field effect transistor FET4 and the diodes D11 and D12 are switch circuits, respectively. These are connected to form a so-called full bridge. Each of the diodes D11, D12, D21, 22, D31, D32, and D41, D42 functions as a freewheeling diode device (so-called freewheeling diode) for the field effect transistors FET1, FET2, FET3, and FET4. .

より具体的には、抵抗負荷R1及び容量負荷C1の並列回路と誘導負荷L1とが直列に接続された直並列回路からなる負荷LD1の一端子に、電界効果トランジスタFET1のソース及びダイオードD11,D12のアノードと、電界効果トランジスタFET2のドレイン及びダイオードD21,D22のカソードとが接続されている。また、負荷LD1の他端子には、電界効果トランジスタFET3のソース及びダイオードD31,D32のアノードと、電界効果トランジスタFET4のドレイン及びダイオードD41,D42のカソードとが接続されている。   More specifically, the source of the field effect transistor FET1 and the diodes D11 and D12 are connected to one terminal of a load LD1 composed of a series-parallel circuit in which a parallel circuit of a resistive load R1 and a capacitive load C1 and an inductive load L1 are connected in series. Are connected to the drain of the field effect transistor FET2 and the cathodes of the diodes D21 and D22. The other terminal of the load LD1 is connected to the source of the field effect transistor FET3 and the anodes of the diodes D31 and D32, and the drain of the field effect transistor FET4 and the cathodes of the diodes D41 and D42.

電界効果トランジスタFET1,FET2のドレインとダイオードD11,D12,D31,D32のカソードとは直流電源の電源ライン+Bに接続されており、電界効果トランジスタFET2,FET4のソースとダイオードD21,D22,D41,D42のアノードとは、接地電位に接続されている。電界効果トランジスタFET1,FET2,FET3,FET4夫々のゲートG1,G2,G3,G4には、図示しないインバータの駆動回路からゲート制御信号が与えられ、電界効果トランジスタFET1,FET4と、電界効果トランジスタFET3,FET2とが交互にオン/オフを繰り返すことによって、負荷LD1が交流で駆動されるようになっている。   The drains of the field effect transistors FET1 and FET2 and the cathodes of the diodes D11, D12, D31, and D32 are connected to the power supply line + B of the DC power supply. Are connected to the ground potential. Gate control signals are given to the gates G1, G2, G3, and G4 of the field effect transistors FET1, FET2, FET3, and FET4 from an inverter driving circuit (not shown), and the field effect transistors FET1, FET4, and the field effect transistors FET3, FET3, FET3, and FET4, respectively. The load LD1 is driven by an alternating current by repeating ON / OFF alternately with the FET2.

尚、上述したインバータでは、電界効果トランジスタFET1,FET2、又は電界効果トランジスタFET3,FET4が同時にオンして電源ライン+Bから接地電位へ短絡電流が導通することがないように、電界効果トランジスタFET1,FET2,FET3,FET4が全てオフとなる期間(いわゆるデッドタイム)を設けるようにしてある。以下、図1及び図2を用いて、夫々デッドタイム中及びデッドタイム直後のインバータの動作について説明する。   In the above-described inverter, the field effect transistors FET1, FET2 are prevented so that the field effect transistors FET1, FET2 or the field effect transistors FET3, FET4 are not turned on at the same time and a short-circuit current is conducted from the power supply line + B to the ground potential. , FET3, and FET4 are all provided for a period (so-called dead time). Hereinafter, the operation of the inverter during the dead time and immediately after the dead time will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

図1において、電界効果トランジスタFET1,FET2,FET3,FET4が全てオフとなった場合、デッドタイムに至る前に負荷LD1の誘導負荷L1に蓄えられていたエネルギーにより、負荷LD1には還流電流が流れ続ける。例えば、図1に矢印で示した向きに負荷電流が流れていたときは、接地電位からダイオードD21,D22、負荷LD1、及びダイオードD31,D32を通じて電源ライン+Bへ電流が流入する。このとき、ダイオードD11,D12,D41,D42には、電源ライン+Bの電圧に略等しい逆電圧が印加されるため、ダイオードD11,D12,D41,D42の逆耐圧は、電源ライン+Bの電圧値に耐えるだけのものにしてある。   In FIG. 1, when all of the field effect transistors FET1, FET2, FET3, and FET4 are turned off, the return current flows through the load LD1 due to the energy stored in the inductive load L1 of the load LD1 before reaching the dead time. to continue. For example, when the load current flows in the direction indicated by the arrow in FIG. 1, the current flows from the ground potential to the power supply line + B through the diodes D21 and D22, the load LD1, and the diodes D31 and D32. At this time, since a reverse voltage substantially equal to the voltage of the power supply line + B is applied to the diodes D11, D12, D41, and D42, the reverse withstand voltage of the diodes D11, D12, D41, and D42 is equal to the voltage value of the power supply line + B. It is only for endurance.

次に、図2において電界効果トランジスタFET1,FET4がオンした場合、電源ライン+Bから電界効果トランジスタFET1、負荷LD1、及び電界効果トランジスタFET4を通じて、図2に矢印で示した向きに接地電位へ負荷電流が流れる。この場合、ダイオードD21,D22のカソードの電圧は、ほぼ電源ライン+Bの電圧まで引き上げられ、ダイオードD21,D22のアノードの電圧は、略接地電位に引き下げられるため、ダイオードD21,D22、D31,D32には電源ライン+Bの電圧値に相当する逆電圧が印加される。従って、ダイオードD21,D22,D31,D32の逆耐圧は、電源ライン+Bの電圧値に耐えるだけのものにしてある。   Next, when the field effect transistors FET1 and FET4 are turned on in FIG. 2, the load current is supplied from the power supply line + B to the ground potential in the direction indicated by the arrow in FIG. 2 through the field effect transistor FET1, the load LD1, and the field effect transistor FET4. Flows. In this case, the cathode voltage of the diodes D21 and D22 is raised to almost the voltage of the power supply line + B, and the anode voltage of the diodes D21 and D22 is lowered to the substantially ground potential, so that the diodes D21, D22, D31, and D32 Is applied with a reverse voltage corresponding to the voltage value of the power supply line + B. Accordingly, the reverse withstand voltages of the diodes D21, D22, D31, and D32 are set to withstand the voltage value of the power supply line + B.

ここで、ダイオードD21,D22、D31,D32にリカバリ時間の長いダイオードを用いた場合は、リカバリ電流が流れている時間だけ電界効果トランジスタFET1からダイオードD21,D22へ、及びダイオードD31,D32からFET4へ、夫々リカバリ電流が流れてインバータの損失となるが、本実施の形態1では、ダイオードD21,D22、D31,D32にリカバリ時間の短いダイオードを用いて上述した損失を低減している。   Here, when a diode having a long recovery time is used as the diodes D21, D22, D31, and D32, the field effect transistor FET1 is changed to the diodes D21 and D22 and the diodes D31 and D32 are changed to FET4 for the time during which the recovery current is flowing. In this embodiment, the loss is reduced by using a diode with a short recovery time for the diodes D21, D22, D31, and D32.

以下では、上述したインバータの各スイッチ回路に用いた還流用ダイオード装置について説明する。
図3及び図4は、SiC及びGaNを半導体材料とするSBDの順方向特性の例を示す特性図である。各図の横軸は順方向電圧(V)を表し、縦軸は電流(A)を表す。また、各図中の実線及び破線は、夫々SiCのSBD及びGaNのSBDの特性を示す。これらのSBDは、何れもリカバリ時間が極めて短く、逆耐圧が500Vを越えるものである。
Below, the freewheeling diode apparatus used for each switch circuit of the inverter mentioned above is explained.
3 and 4 are characteristic diagrams showing examples of forward characteristics of SBDs using SiC and GaN as semiconductor materials. The horizontal axis of each figure represents the forward voltage (V), and the vertical axis represents the current (A). In addition, the solid line and the broken line in each figure indicate the characteristics of SiC SBD and GaN SBD, respectively. These SBDs all have a very short recovery time and a reverse breakdown voltage exceeding 500V.

図3において、SiCのSBD及びGaNのSBDは、順方向に電流が導通し始めるオン電圧が何れも0.9V以下であり、オン電圧が比較的低いために先に導通し初めるGaNのSBDは、オン電圧が比較的高いために後から導通し始めるSiCのSBDよりも、導通後の電圧に対する電流の変化率が小さくなるようにしてある。これにより、SiCのSBD及びGaNのSBDを夫々還流用ダイオード装置として並列に接続した場合、順方向電圧が約1Vより小さいときはオン電圧が低いGaNのSBDにより多くの電流が流れ、順方向電圧が約1Vより大きいときはオン電圧が高いSiCのSBDにより多くの電流が流れる。また、順方向電圧が1Vのときの電流は夫々約3.5Aであるため、還流電流が7A(3.5A×2)より大きくなる領域では、大電流を流せるSiCのSBDにより多くの還流電流を分流させるようにして各SBDに導通損失を分散させることができる。   In FIG. 3, the SiC SBD and the GaN SBD each have an on-voltage of 0.9 V or less at which current starts to flow in the forward direction. Since the on-voltage is relatively low, the GaN SBD that begins to conduct first is Since the ON voltage is relatively high, the rate of change of current with respect to the voltage after conduction is made smaller than the SBD of SiC that starts conduction later. As a result, when the SiC SBD and the GaN SBD are connected in parallel as the free-wheeling diode device, when the forward voltage is less than about 1 V, a large amount of current flows through the GaN SBD having a low on-voltage. When is greater than about 1 V, a large amount of current flows through the SiC SBD having a high on-voltage. In addition, since the current when the forward voltage is 1 V is about 3.5 A, in the region where the return current is larger than 7 A (3.5 A × 2), a larger amount of return current is generated by the SBD of SiC capable of flowing a large current. As a result, the conduction loss can be dispersed in each SBD.

図4において、SiCのSBD及びGaNのSBDが順方向に導通し始めるオン電圧を夫々VnSiC及びVnGaNとする。また、還流用ダイオード装置としてSiCのSBD又はGaNのSBDを単独で使用した場合、還流電流(Ir)が流れたときの順方向電圧を夫々VrSiC及びVrGaNとする。本実施の形態1では、順方向電圧に対してSiCのSBD及びGaNのSBDに流れる電流が略等しくなるときの電流値の約2倍の還流電流が、インバータの各還流用ダイオード装置に流れるものとして説明するが、これより大きい還流電流が流れる用途に適用してもよいことは言うまでもない。   In FIG. 4, the on-voltages at which the SBD of SiC and the SBD of GaN start to conduct in the forward direction are VnSiC and VnGaN, respectively. Further, when a SiC SBD or a GaN SBD is used alone as the reflux diode device, the forward voltages when the reflux current (Ir) flows are VrSiC and VrGaN, respectively. In the first embodiment, a reflux current that is about twice the current value when the currents flowing in the SiC SBD and the GaN SBD are substantially equal to the forward voltage flows in each of the return diode devices of the inverter. However, it goes without saying that the present invention may be applied to applications in which a larger reflux current flows.

図5は、還流用ダイオード装置の順方向電流に対する電圧の特性を模式的に示す特性図である。図5は、図4の縦軸と横軸とを逆にした図に基づいて模式化したものである。図5の横軸は順方向電流(A)を表し、縦軸は電圧(V)を表す。また、図中の実線及び破線は、夫々SiCのSBD及びGaNのSBDを還流用ダイオード装置として用いた場合の順方向電流−電圧特性を示し、一点鎖線は、SiCのSBD及びGaNのSBDを夫々還流用ダイオード装置として並列に接続した場合の順方向電流−電圧特性を示す。一点鎖線の特性図は、同一の電圧に対して実線及び破線が夫々示す順方向電流値を横軸方向に加算して作図したものである。本実施の形態1では、実線及び破線が直線で近似されるものであるため、一点鎖線も直線で描かれるものとなる。   FIG. 5 is a characteristic diagram schematically showing the voltage characteristic with respect to the forward current of the freewheeling diode device. FIG. 5 is a schematic diagram based on a diagram in which the vertical axis and the horizontal axis in FIG. 4 are reversed. The horizontal axis in FIG. 5 represents the forward current (A), and the vertical axis represents the voltage (V). The solid and broken lines in the figure indicate forward current-voltage characteristics when SiC SBD and GaN SBD are used as the freewheeling diode device, respectively, and the alternate long and short dash line indicates SiC SBD and GaN SBD, respectively. The forward current-voltage characteristics when connected in parallel as a reflux diode device are shown. The characteristic diagram of the alternate long and short dash line is drawn by adding the forward current values indicated by the solid line and the broken line to the same voltage in the horizontal axis direction. In the first embodiment, since the solid line and the broken line are approximated by a straight line, the alternate long and short dash line is also drawn by a straight line.

図5において、実線及び破線が夫々示すSiCのSBD及びGaNのSBDの特性は、右肩上がりで交差する直線であり、縦軸の切片は夫々VnSiC及びVnGaNとなっている。これらの特性によって示される還流用ダイオード装置に還流電流(Ir)を流した場合、SiCのSBD又はGaNのSBDを単独で還流用ダイオード装置に用いたときの電圧は、夫々VrSiC及びVrGaNとなるのに対し、SiCのSBD及びGaNのSBDを夫々還流用ダイオード装置として並列に接続したときの電圧は、VrSiC及びVrGaNの何れよりも小さいVr[SiC+GaN]となる。   In FIG. 5, the characteristics of the SBD of SiC and the SBD of GaN indicated by the solid line and the broken line are straight lines that intersect with each other upward, and the intercepts on the vertical axis are VnSiC and VnGaN, respectively. When a reflux current (Ir) is passed through the reflux diode device indicated by these characteristics, the voltages when the SiC SBD or GaN SBD is used alone for the reflux diode device are VrSiC and VrGaN, respectively. On the other hand, the voltage when the SBD of SiC and the SBD of GaN are respectively connected in parallel as a reflux diode device is Vr [SiC + GaN] smaller than either VrSiC or VrGaN.

以上のことから、SiCのSBD及びGaNのSBDを夫々還流用ダイオード装置として並列に接続した場合は、SiCのSBD又はGaNのSBDを単独で還流用ダイオード装置に用いた場合と比較して、同じ還流電流を流したとしても順方向の電圧が低下するため、還流用ダイオード装置全体として導通損失を低減できることがわかる。またこの場合、SiCのSBD及びGaNのSBDには、Vr[SiC+GaN]の電圧に対応する順方向電流しか流れないため、各SBDに還流電流が分流されることが図5から読み取れる。   From the above, when the SBD of SiC and the SBD of GaN are connected in parallel as a reflux diode device, respectively, the same as when the SiC SBD or GaN SBD is used alone for the reflux diode device It can be seen that the conduction loss can be reduced as a whole of the reflux diode device because the forward voltage decreases even when the reflux current is passed. Further, in this case, since only forward current corresponding to the voltage of Vr [SiC + GaN] flows through the SBD of SiC and the SBD of GaN, it can be seen from FIG. 5 that the reflux current is divided into each SBD.

図6は、インバータの各スイッチ回路の損失をスイッチング素子の導通損失とその他の損失とに分けて示す説明図である。図6の横軸はスイッチングの周波数(Hz)を表し、縦軸はスイッチ回路がスイッチングする電力に対するスイッチ回路の損失(%)を表す。図中の破線は、スイッチング素子(電界効果トランジスタFET1〜FET4)の導通損失を示すものである。また、実線及び一点鎖線は、スイッチング素子のスイッチング損失と、還流用ダイオード装置の全損失(導通損失及びスイッチング損失)との和について、夫々還流用ダイオード装置がSiCのSBDである場合と、SiCのSBD及びGaNのSBDを夫々還流用ダイオード装置として並列に接続したものである場合とについて示すものである。
尚、ここでのスイッチ回路がスイッチングする電力は、約2kW(200V×10A)である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the loss of each switch circuit of the inverter divided into conduction loss of the switching element and other loss. The horizontal axis of FIG. 6 represents the switching frequency (Hz), and the vertical axis represents the loss (%) of the switch circuit with respect to the power switched by the switch circuit. The broken line in the figure indicates the conduction loss of the switching elements (field effect transistors FET1 to FET4). The solid line and the alternate long and short dash line indicate the sum of the switching loss of the switching element and the total loss (conduction loss and switching loss) of the freewheeling diode device when the freewheeling diode device is an SBD of SiC, The case where the SBD of GaN and SBD of GaN are respectively connected in parallel as a reflux diode device is shown.
The power switched by the switch circuit here is about 2 kW (200 V × 10 A).

図6において、破線で示されるスイッチング素子の導通損失は、負荷LD1に供給される電流がスイッチング素子を導通する際の損失に相当するため、スイッチングの周波数に依存しない横方向に延びる直線で表される。これに対し、実線及び一点鎖線で示されるその他の損失には、スイッチングの都度発生する還流電流が還流用ダイオード装置を導通する際の導通損失と、スイッチング素子及び還流用ダイオード装置のスイッチングの際に過渡的に発生する損失とが含まれているため、スイッチングの周波数の増大と共に増加する傾向にある。この場合においても、SiCのSBD及びGaNのSBDを夫々還流用ダイオードとして並列に接続したときは、SiCのSBDを単独で還流用ダイオード装置に用いたときと比較して、還流電流による導通損が少ないため、図の一点鎖線で示されるように損失が低減される。   In FIG. 6, the conduction loss of the switching element indicated by the broken line corresponds to the loss when the current supplied to the load LD1 conducts the switching element, and is represented by a straight line extending in the lateral direction independent of the switching frequency. The On the other hand, the other losses indicated by the solid line and the alternate long and short dash line include the conduction loss when the return current generated every time switching is conducted through the return diode device, and the switching element and the return diode device during switching. Since the loss generated transiently is included, it tends to increase as the switching frequency increases. Even in this case, when the SiC SBD and the GaN SBD are connected in parallel as the free-wheeling diode, the conduction loss due to the free-wheeling current is less than when the SiC SBD is used alone in the free-wheeling diode device. Since there are few, loss is reduced as shown with the dashed-dotted line of a figure.

以上のように本実施の形態1によれば、夫々SiC及びGaNからなり電界効果トランジスタに対して並列に接続された2つの還流用ダイオード装置は、順方向に導通し始めるオン電圧が高いほど順方向の電圧に対する電流の変化率が大きくなるようにしてある。
これにより、オン電圧が低い方のGaNからなる還流用ダイオード装置から還流電流が先に導通し始め、順方向の電圧の上昇と共に、オン電圧が高い方のSiCからなる還流用ダイオード装置へより多くの還流電流が分流するように導通するため、還流電流による導通損失が各還流用ダイオード装置に分散される。また、還流用ダイオード装置がSiC又はGaNからなる単一のダイオードである場合と比較して順方向の電圧が全体的に低下するため、還流電流による導通損失の合計値が低減される。更にまた、各還流用ダイオード装置が高逆耐圧であることから、200Vを越える高電圧のスイッチングが可能であり、リカバリ時間が短いため高い周波数領域までスイッチング損失が低減される。
従って、高い周波数においても大電力を扱う用途に適用することができる。
As described above, according to the first embodiment, two free-wheeling diode devices each made of SiC and GaN and connected in parallel to the field effect transistor have a higher on-voltage as they start to conduct in the forward direction. The rate of change of current with respect to the voltage in the direction is increased.
As a result, the reflux current starts to be conducted first from the reflux diode device made of GaN having the lower on-voltage, and with the rise of the forward voltage, the reflux diode device made of SiC having the higher on-voltage is more increased. Therefore, the conduction loss due to the reflux current is distributed to each of the reflux diode devices. Further, since the forward voltage decreases as a whole as compared with the case where the return diode device is a single diode made of SiC or GaN, the total value of conduction loss due to the return current is reduced. Furthermore, since each freewheeling diode device has a high reverse withstand voltage, switching of a high voltage exceeding 200 V is possible, and since a recovery time is short, a switching loss is reduced to a high frequency region.
Therefore, the present invention can be applied to applications that handle large power even at high frequencies.

また、オン電圧が低くリカバリ時間が極めて短いSBDからなる2つの還流用ダイオード装置に還流電流が分流するため、還流電流による導通損失及びリカバリ電流によるスイッチング損失を大幅に低減することができる。   In addition, since the return current is divided into the two return diode devices composed of the SBD with a low ON voltage and an extremely short recovery time, the conduction loss due to the return current and the switching loss due to the recovery current can be greatly reduced.

更にまた、SBDからなる2つの還流用ダイオード装置の半導体材料が相異なるため、各還流用ダイオード装置のオン電圧の差を利用して各還流用ダイオード装置間で還流電流を効果的に分流させることができる。   Furthermore, since the semiconductor materials of the two free-wheeling diode devices made of SBD are different, the free-wheeling current can be effectively divided between the free-wheeling diode devices by using the difference in the on-voltage of the free-wheeling diode devices. Can do.

更にまた、GaNのSBDのオン電圧が、SiCのSBDのオン電圧より明らかに低いため、夫々の還流用ダイオード装置間で還流電流をより効果的に分流させることができる。そして、小電力に適したGaNのSBDが先に還流電流を導通させ、大電力用のSiCのSBDが後に還流電流の大半を導通させ得るため、半導体材料の違いによるSBDの特性に合わせた応用が可能となる。   Furthermore, since the on-voltage of the GaN SBD is clearly lower than the on-voltage of the SiC SBD, the reflux current can be more effectively shunted between the respective reflux diode devices. And since the SBD of GaN suitable for low power can conduct the reflux current first, and the SBD of SiC for high power can conduct most of the reflux current later, it can be adapted to the characteristics of SBD due to the difference in semiconductor materials Is possible.

更にまた、スイッチング素子がSiCからなる電界効果トランジスタであるため、ワイドバンドギャップ半導体であるSiC及びGaNからなる還流用ダイオード装置と相まって、大電力を高周波でスイッチングする電力変換器に適用することができる。   Furthermore, since the switching element is a field effect transistor made of SiC, it can be applied to a power converter that switches large power at a high frequency in combination with a free wheel diode device made of SiC and GaN, which are wide band gap semiconductors. .

尚、本実施の形態1にあっては、ワイドバンドギャップ半導体としてSiC及びGaNを用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、ダイヤモンド、窒化アルミニウム等の他のワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。   In the first embodiment, SiC and GaN are used as the wide band gap semiconductor. However, the present invention is not limited to this, and other wide band gap semiconductors such as diamond and aluminum nitride are used. May be used.

また、1つのスイッチング素子に2つの還流用ダイオード装置を並列に接続したが、3つ以上の還流用ダイオード装置を並列に接続してもよい。   In addition, although two freewheeling diode devices are connected in parallel to one switching element, three or more freewheeling diode devices may be connected in parallel.

更にまた、スイッチング素子としてSiCからなる電界効果トランジスタを用いたが、これに限定されるものではなく、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いてもよい。   Furthermore, although the field effect transistor made of SiC is used as the switching element, the present invention is not limited to this, and for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) may be used.

(実施の形態2)
実施の形態1は、1つのスイッチング素子に並列に接続される2つの還流用ダイオード装置の夫々が1つのダイオードで構成される形態であるのに対し、実施の形態2は、1つのスイッチング素子に並列に接続される2つの還流用ダイオード装置の一方が複数のダイオードで構成される形態である。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, each of the two freewheeling diode devices connected in parallel to one switching element is configured by one diode, whereas in the second embodiment, one switching element is used. One of the two free-wheeling diode devices connected in parallel is configured by a plurality of diodes.

図7は、SiCを半導体材料とするSBD、及びGaNを半導体材料とするPN接合ダイオードの順方向特性の例を示す特性図である。図7の横軸は順方向電圧(V)を表し、縦軸は電流(A)を表す。また、図中の実線、一点鎖線、及び破線は、夫々SiCのSBD、SiCのSBDを3個直列に接続したもの、及びGaNのPN接合ダイオードの特性を示す。   FIG. 7 is a characteristic diagram showing an example of forward characteristics of an SBD using SiC as a semiconductor material and a PN junction diode using GaN as a semiconductor material. The horizontal axis in FIG. 7 represents the forward voltage (V), and the vertical axis represents the current (A). Also, the solid line, the alternate long and short dash line, and the broken line in the figure indicate the characteristics of a SiC SBD, three SiC SBDs connected in series, and a GaN PN junction diode, respectively.

図7において、破線で示されるGaNのPN接合ダイオードが順方向に導通し始めるオン電圧は約3.8Vであり、実線で示されるSiCのSBDとは特性図が交わることがないため、これらのダイオードを並列に接続したとしても全ての還流電流がSiCのSBDに流れる結果となる。そこで本実施の形態2では、SiCのSBDを3個直列に接続した還流用ダイオード装置とGaNのPN接合ダイオードからなる還流用ダイオード装置とを並列に接続する。このように接続することにより、図7の一点鎖線及び破線で示すように、2つの還流用ダイオード装置の特性図を交わらせて還流電流を各還流用ダイオード装置に適切に分流させることができる。   In FIG. 7, the ON voltage at which the GaN PN junction diode indicated by the broken line starts to conduct in the forward direction is about 3.8 V, and the characteristic diagram does not intersect with the SiC SBD indicated by the solid line. Even if the diodes are connected in parallel, all the return currents flow through the SiC SBD. Therefore, in the second embodiment, a reflux diode device in which three SiC SBDs are connected in series and a reflux diode device composed of a GaN PN junction diode are connected in parallel. By connecting in this way, as shown by the one-dot chain line and the broken line in FIG. 7, the characteristics of the two return diode devices can be crossed to appropriately divide the return current to each return diode device.

その他、実施の形態1に対応する箇所には同様の符号を付して、その詳細な説明を省略する。   In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the location corresponding to Embodiment 1, and the detailed description is abbreviate | omitted.

以上のように本実施の形態2によれば、SiCのSBDを3個直列に接続して1つの還流用ダイオード装置にしてあるため、SiCのSBDが導通した後の電圧が、GaNのPN接合ダイオードのオン電圧より低いにも関わらず、SiCのSBDとGaNのPN接合ダイオードとで還流電流が分流されるようにすることができる。   As described above, according to the second embodiment, since three SiC SBDs are connected in series to form one free-wheeling diode device, the voltage after the SiC SBD becomes conductive is the PN PN junction. Although the voltage is lower than the on-voltage of the diode, the reflux current can be shunted between the SiC SBD and the GaN PN junction diode.

尚、本実施の形態2にあっては、3個直列に接続したSBDとGaNのPN接合ダイオードとを並列に接続したが、これに限定されるものではなく、図7に示すような特性図が交わるような領域で使用する限り、1個又は2個直列のSBDとPN接合ダイオードとを並列に接続するようにしてもよい。   In the second embodiment, three SBDs connected in series and a GaN PN junction diode are connected in parallel. However, the present invention is not limited to this, and a characteristic diagram as shown in FIG. One or two SBDs in series and a PN junction diode may be connected in parallel as long as they are used in a region where the two cross.

D11、D12、D21、D22、D31、D32、D41、D42 還流用ダイオード装置
FET1、FET2、FET3、FET4 電界効果トランジスタ(スイッチング素子)
G1、G2、G3、G4 ゲート
LD1 負荷
L1 誘導負荷
C1 容量負荷
R1 抵抗負荷
D11, D12, D21, D22, D31, D32, D41, D42 Diode device for reflux FET1, FET2, FET3, FET4 Field effect transistor (switching element)
G1, G2, G3, G4 Gate LD1 Load L1 Inductive load C1 Capacitive load R1 Resistive load

Claims (3)

1個又は直列接続された複数個のダイオードを流用ダイオード装置とし、順方向に導通し始めるオン電圧が相異なる複数の流用ダイオード装置をスイッチング素子に並列に接続したスイッチ回路において、
前記流用ダイオード装置は、シリコンより大きいバンドギャップを有する相異なる半導体材料からなるショットキバリアダイオードで構成されており、オン電圧の高低に応じて導通後の電圧に対する電流の変化率が大小となるようにしてあること
を特徴とするスイッチ回路。
And one or series connected plurality of diodes instead diverted diode device, the switch circuit connected in parallel diversion diode device on voltage begins to conduct in the forward direction instead of the phase different to the switching element,
Wherein instead diverted diode device includes a Made up by Schottky barrier diode ing from different semiconductor materials having a band gap larger than silicon, the rate of change of current with respect to voltage after conducting according to the level of the turn-on voltage magnitude A switch circuit characterized by comprising:
前記相異なる半導体材料には、炭化珪素及び窒化ガリウムが含まれることを特徴とする請求項に記載のスイッチ回路。 The switch circuit according to claim 1 , wherein the different semiconductor materials include silicon carbide and gallium nitride. 前記スイッチング素子は、炭化珪素を半導体材料とする電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1又は2に記載のスイッチ回路。 The switching device, the switching circuit according to claim 1 or 2, characterized in that a field effect transistor using silicon carbide as a semiconductor material.
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