JP5863442B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

この発明は、ワイドバンドギャップ半導体によって構成されたスイッチング素子を含む半導体モジュールに関する。
高耐圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた半導体素子が有望視されており、インバータなどのパワー半導体モジュールへの適用が期待されている。
ＳｉＣなどのワイドバンドギャップ半導体によって構成されたスイッチング素子を用いた電流変換装置が、例えば特許文献１に提案されている。
各スイッチング素子には、サージ電流による破壊を防ぐため、還流ダイオードが逆並列に接続される。特許文献２には、還流ダイオードのショットキーバリアダイオードをＳｉＣ等のワイドバンドギャップ半導体で形成することによって、還流ダイオードのリカバリ電流を小さくし、スイッチング損失の低減を図っている。
特開２００８−６１４０４号公報 特開２０１０−２５２５６８号公報
しかしながら、特許文献２のようにＳｉＣ製のスイッチング素子の還流ダイオードとしてＳｉＣ製のショットキーバリアダイオード（ＳｉＣ−ＳＢＤ）を用いると、突入電流に対する発生損失が大きくなるという問題があった。ＳｉＣ−ＳＢＤは温度特性が正であるため、大電流が流れて高温になると順方向電圧ＶＦが大きくなる。そのため、突入電流に対する発生損失（ＩＦ×ＶＦ）が大きくなる。発生損失の増大によってデバイスの温度が上昇すると、電圧ＶＦが上昇し、ＶＦの上昇によってさらに発生損失が上昇するという、正帰還に陥ってしまう。
このため、ＳｉＣ製のスイッチング素子にＳｉＣ−ＳＢＤの還流ダイオードを用いたフルＳｉＣ構成の半導体モジュールでは、実際には許容損失以下で使用する必要があり、実使用上、動作温度範囲や突入電流値が制限されるという問題点があった。
本発明は上述の問題点に鑑み、高い突入電流耐量を有する半導体モジュールの提供を目的とする。
本発明に係る半導体モジュールは、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子と、スイッチング素子に他の素子を介することなく直接に逆並列接続された還流ダイオードとを備え、還流ダイオードはシリコンで構成されかつ負の温度特性を有するＰｉＮダイオードである。
本発明に係る半導体モジュールは、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子と、スイッチング素子に他の素子を介することなく直接に逆並列接続された還流ダイオードとを備え、還流ダイオードはシリコンで構成されかつ負の温度特性を有するＰｉＮダイオードであるので、突入電流に対して正帰還に至ることがなく、高い耐性を有する。
実施の形態１に係る半導体モジュールの回路図である。 実施の形態１に係る半導体モジュールにおける還流ダイオードの温度特性を示す図である。 実施の形態２に係る半導体モジュールの回路図である。 前提技術に係る半導体モジュールの回路図である。 ＳｉＣ製ショットキーバリアダイオードの温度特性を示す図である。 前提技術に係る半導体モジュールの回路図である。
（Ａ．前提技術）
図４は、前提技術に係る半導体モジュール１００の回路図である。半導体モジュール１００は、ＳｉＣ製のＭＯＳＦＥＴ１０１と、還流ダイオードとしてＭＯＳＦＥＴ１０１に逆並列接続された、ＳｉＣ製のショットキーバリアダイオード（ＳｉＣ−ＳＢＤ）１０２とを備えている。
ＳｉＣ−ＳＢＤ１０２のＶ−Ｉ特性の温度による変化を図５に示す。図５は、低温時のＶ−Ｉ特性と、高温時のＶ−Ｉ特性を示している。突入電流ＩＦに対する順方向電圧ＶＦは、低温時のＶＦ１に対して高温時にはＶＦ２まで増加する（ＶＦ１＜ＶＦ２）。このように、ＳｉＣ−ＳＢＤ１０２は正の温度特性を有している。
図６は、複数の半導体モジュール１００を用いたコンバーターの回路を示す。複数の半導体モジュール１００がコンデンサ１０３に並列接続されている。電源投入時にコンデンサ１０３が充電される過渡状態において、突入電流が例えば図６に矢印で示す方向に流れる。コンデンサ１０３が大容量であるほど突入電流の値は大きい。大きい突入電流が流れることによってＳｉＣ−ＳＢＤ１０２の温度が上昇すると、図５に示したようにＶＦが上昇するので発生損失ＩＦ×ＶＦが増大する。発生損失が増大すると、さらに温度が上昇してＶＦが大きくなり、ＶＦが大きくなるとまた発生損失が増大するという、正帰還に至る。
本発明の半導体モジュールでは上記の問題点を解決するため、還流ダイオードに負の温度特性を有するデバイスを用いる構成を有する。

（Ｂ．実施の形態１）
＜Ｂ−１．構成、動作＞
図１は、実施の形態１の半導体モジュール１０の回路図である。半導体モジュール１０は、ＳｉＣ製のＭＯＳＦＥＴ１１と、ＭＯＳＦＥＴ１１に還流ダイオードとして逆並列接続されたＳｉ製のＰＮダイオード１２とを備える。
ＰＮダイオード１２のＶ−Ｉ特性の温度による変化を図２に示す。図２は、低温時のＶ−Ｉ特性と、高温時のＶ−Ｉ特性を示している。所定の電流ＩＦに対する順方向電圧ＶＦは、低温時にＶＦ１であったのが高温時にはＶＦ２まで減少する（ＶＦ１＞ＶＦ２）。このようにＳｉ製のＰＮダイオード１２は負の温度特性を有しているため、温度上昇と共にＶＦが低下する特性を有する。そのため、突入電流などの大電流が流れた場合には、ＰＮダイオード１２の温度が上昇すると共にＶＦが低下するため、発生損失（ＩＦ×ＶＦ）が抑制される。
したがって、ＳｉＣ製のＭＯＳＦＥＴ１１の還流ダイオードに正の温度特性を有するＳｉＣ製のダイオードを用いた場合に比べて、半導体モジュール１０の突入電流耐量を向上させることが出来る。
＜Ｂ−２．変形例＞
なお、還流ダイオードとしてＳｉ製のＰＮダイオード１２を用いたが、還流ダイオードは負の温度特性を有していれば他のダイオードであっても良く、例えばＳｉ製のＰｉＮダイオードでも良い。ＰｉＮダイオードでは、ＰＮ接合の間にキャリア蓄積層を設けることによって、伝導度変調が発生し、ＰＮダイオードよりもさらにＶＦを下げることが可能である。そのため、ＰＮダイオードを用いる場合よりもさらに半導体モジュールの突入電流耐量を向上することが可能である。また、動作時の発生損失を抑制し、低損失を実現できる。
また、スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ１１の材料はＳｉＣに限らず、窒化ガリウム系材料やダイヤモンドなどの他のワイドバンドギャップ半導体であっても良い。
＜Ｂ−３．効果＞
本発明に係る半導体モジュールによれば、以下の効果を奏する。すなわち、本発明に係る半導体モジュール１０は、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたＭＯＳＦＥＴ１１（スイッチング素子）と、スイッチング素子に逆並列接続されたＰＮダイオード１２（還流ダイオード）とを備え、還流ダイオードはシリコンで構成されかつ負の温度特性を有するので、突入電流に対して正帰還に至ることがなく、高い耐性を有する。
また、還流ダイオードとして、負の温度特性を有するシリコンで構成されたＰＮダイオードやＰｉＮダイオードを用いることにより、突入電流に対して正帰還に至ることがなく、高い耐性を有する。
また、ＭＯＳＦＥＴ１１を構成するワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣの他、窒化ガリウム系材料やダイヤモンドを含むので、これらワイドバンドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子の半導体モジュールにおいて、突入電流に対する耐性を高めることが出来る。
（Ｃ．実施の形態２）
＜Ｃ−１．構成、動作＞
図３は、実施の形態２に係る半導体モジュール２０の回路図である。半導体モジュール２０では、電源接続端子間に２つの半導体モジュール１０が直列接続され、さらにそれらが３相負荷に対応して３並列接続されている。このように１つのパッケージ内に、実施の形態１の半導体モジュール１０を複数集約することにより、半導体モジュールの小型化が可能となる。
＜Ｃ−２．効果＞
本実施の形態の半導体モジュールは、実施の形態１のスイッチング素子１１と還流ダイオード１２の対を一つのパッケージ内に複数備えるので、半導体モジュールの小型化が可能となる。
１０，２０，１００ 半導体モジュール、１１，１０１ ＭＯＳＦＥＴ、１２，１０２ ＰＮダイオード。

Claims (3)

  1. ワイドバンドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子に他の素子を介することなく直接に逆並列接続された還流ダイオードと、
    を備え、
    前記還流ダイオードはシリコンで構成されかつ負の温度特性を有するＰｉＮダイオードである、
    半導体モジュール。
  2. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを含むことを特徴とする、
    請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記スイッチング素子と前記還流ダイオードの対を一つのパッケージ内に複数備える、
    請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
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