JP5939260B2 - 自動車に電圧供給するための発電機装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車に電圧供給するための発電機装置に関する。

背景技術
自動車用三相交流発電機または交流発電機（オルタネータ）においては、整流のために交流ブリッジ（整流器）が使用される。整流素子として主にシリコンから成りｐｎ接合を備えた半導体ダイオードが使用される。例えば三相交流発電機では６個の半導体ダイオードが１つのＢ６ブリッジへ相互接続される。時にはダイオードも並列に接続され、例えば６個のダイオードの代わりに１２個のダイオードが使用される。異なる相数の交流発電機ではそれに応じて適合されたダイオードブリッジが使用される。ダイオードは電流密度が５００Ａ／ｃｍ²超までの大きい電流および最大障壁接合温度Ｔｊが約２２５℃の高い温度で動作するよう設計されている。典型的には、順方向での電圧降下、すなわち順方向電圧ＵＦは、使用する電流が大きい場合には、約１Ｖに達する。一般的に逆方向の動作では、降伏電圧ＵＺまでは非常に小さな逆方向電流ＩＲしか流れない。この電圧を超えると、逆方向電流が非常に強く増大する。それ故に、さらなる電圧の上昇が防止される。これに関して、ツェナーダイオード（Ｚダイオード）は、車両の車載電源の電圧に応じて逆方向電圧が約２０Ｖ〜４０Ｖのものが主に使用されている。Ｚダイオードは降伏時に非常に大きな電流を短時間に加えることさえ可能である。したがってＺダイオードは、負荷変化時に発電機の過電圧を制限する（ロードダンプ）ために使用される。このようなダイオードは例えばＤＥ１９５４９２０２Ｂ４に記述されているように通常、堅牢なダイオード圧入筐体に包入されている。

このような装置の欠点はｐｎダイオードの順方向電圧が伝導損を、ひいては発電機の効率悪化をもたらすことにある。発電機の電流出力の際に平均して常に２個のダイオードが直列に接続されているため、平均伝導損は１００Ａ発電機で約２００Ｗである。それに伴うダイオードと整流器の温度上昇は、費用のかかる冷却手段によって、例えば放熱器またはブロワを使用して、抑制する必要がある。

伝導損を低減するために、ＤＥ１０２００４０５６６６３Ａ１は、いわゆる高効率ダイオード（ＨＥＤ）をｐｎダイオードの代わりに使用することを提示している。高効率ダイオード（ＨＥＤ）としてショットキーダイオードが挙げられており、これは従来のショットキーダイオードとは対照的に逆方向電圧によって引き起こされる障壁低下効果（ＢＬ）を有しておらず、それ故に逆方向電流は低い。高効率ショットキーダイオード（ＨＥＤ）は、モノリシックに半導体チップに一体化された、従来型ショットキーダイオード（ＳＢＤ）とフィールドプレート、ｐｎ接合またはさまざまな障壁金属のようなほかのエレメントとの組み合わせから構成される。これにはしばしばトレンチ技術が使用される。

高効率ショットキーダイオード（ＨＥＤ）によって、その範囲が０．５Ｖ〜０．６Ｖにある、格段に低い順方向電圧ＵＦが実現できる。ダイオードの伝導損が小さいことにより、各発電機の効率と電力出力が高まる。ショットキーダイオードは多数キャリアコンポーネントとして非常にスイッチングが高速で、さらには特定周波数域における発電機のＲＦ干渉が最大１０ｄＢに改善される。

逆方向電力損失が低い結果、加えてダイオード冷却の費用はｐｎダイオードを使用する場合と比べて低減される。

しかし、高効率ショットキーダイオード（ＨＥＤ）の製造は費用がかかり、技術的要求度も非常に高い。メサ幅が５００ｎｍ以下の範囲の非常に細かい溝構造をシリコンにエッチングしなければならないことのほかに、特に適切で頑丈なショットキー接点を低費用で製造するという課題がある。ショットキー接点として好ましくはニッケルシリサイドまたは他の適切なシリサイドが使用される。パワーＭＯＳＦＥＴを製造している現代の半導体工場では、このシリサイドプロセスはほとんど使用できない。

発明の開示
本発明によれば、自動車発電機用整流器内に専用に作られたｎチャネルＭＯＳＦＥＴが使用され、このｎチャネルＭＯＳＦＥＴではゲート、ボディエリアおよびソースエリアが固定的に電気的に相互に結合され、ドレインエリアがカソードとして用いられる。この特別な、疑似ショットキーダイオード（ＰＳＤ）とも呼ばれる整流素子により、ＨＥＤと同じように、ｐｎダイオードの順方向電圧よりも低い順方向電圧を得ることができる。好ましくはこのような整流素子は、５００Ａ／ｃｍ²の電流が流れる場合、０．７Ｖより小さいオン状態電圧ないしは導通電圧を有する。好ましくはこのオン状態電圧は０．５Ｖ〜０．７Ｖの間にある。このような整流素子はショットキー接触を含んでおらず、したがって特別なシリサイドプロセスも不要である。これは、ＭＯＳＦＥＴ用標準プロセスを軽度に変更して、プレーナー技術でもトレンチ技術でも製造することができる。これは多数キャリアコンポーネントとして、やはり非常に高速にスイッチングする。

本発明による発電機装置の１つの実施形態を例示した図 疑似ショットキーダイオードの実施形態を例示した断面図

本発明による発電機装置の一例を図１に示す。ここでは、参照符号１０はスター接続で動作する三相交流発電機で、相巻線もしくはコイルＵ、ＶおよびＷ、および回転可能な励磁コイルＥを備えている。発電機として例えば自動車において一般的なクローポール型発電機が使用される。当然他の発電機の使用も、および三相よりも多くの相を備えた発電機の使用も可能である。発電機内で他の電気的相互接続も、例えば三角結線も可能である。参照符号２０はそれぞれ、整流コンポーネントとしてエンハンスメント型ｎチャネルＭＯＳＦＥＴを使用して実現された疑似ショットキーダイオードを示している。エンハンスメント型ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０は、ここではゲート、ボディエリアおよびソースエリアが固定的に電気的に相互に結合され、およびドレインエリアがカソードとして機能するように結線されている。この結線は、基本的に個別に行うことができるが、特に有利にはモノリシックに、疑似ショットキーとして機能するＭＯＳＦＥＴ内で実現される。これによって図１に示されたアノード端子Ａおよびカソード端子Ｋを備えた二極構造が得られる。

カソード端子Ｋに、アノード端子Ａに対して正電圧が印加された場合、ＭＯＳＦＥＴは阻止状態となる。なぜならＭＯＳＦＥＴのゲートはソース電位にあるからである。わずかな逆方向電流を除き、電流の流れが阻止される。さらにこの構造においては、ＭＯＳＦＥＴはＺダイオードとしてさえも使用可能である。このようにすれば、例えば突然、負荷が欠落したときの電圧上昇のような故障時（ロードダンプ）に、過電圧を制限することができる。電圧がボディダイオードの降伏電圧ＵＺを超えて上昇すると、ダイオードが降伏し（アバランシェ降伏または電子なだれ降伏）、電圧がさらに上昇するのを阻止する。

電圧の極性が反転すると、トランジスタは第３象限で動作する。しきい値電圧を超えると電流が流れる。なぜなら内蔵ダイオード、いわゆるボディダイオードは、順方向に極性づけられている。ダイオードの順方向電圧ＵＦは降下する。ゲートがＭＯＳＦＥＴのドレイン端子と結線されている構造とは異なり、このゲートは今は電気的にソース接点と接続されている。この場合、オン状態電圧ＵＯＮは順方向電圧ＵＦよりもいくらか小さい。ただし市販されているＭＯＳＦＥＴは、この２つの電圧間の差は非常に小さい。６０ＶのパワーＭＯＳＦＥＴでしきい値電圧ＵＴＨが約１．８Ｖの場合、その差は、ｍＡ範囲で測定して、２０ｍＶの範囲にある。したがって疑似ショットキーダイオードでは、さらにＭＯＳＦＥＴの構成部品固有の特性を、適切な方法で一般的なトランジスタに比べて変えておく必要がある。

疑似ショットキーダイオード（ＰＳＤ）の基本的な構造は大体において、例えば教科書J. Lutz, Halbleiter-Leistungsbauelemente (Springer Verlag出版、2006年) に記述されている一般的なパワーＭＯＳＦＥＴの構造と一致している。しかし一般的なＭＯＳＦＥＴとは異なり、ゲート接続は通例別途導出されているわけではなく、直接ソースエリアと接続されている。しかしながらオン状態電圧ＵＯＮを低くするためには、ＰＳＤとして機能するＭＯＳＦＥＴにはさらなる変更を施す必要がある。

これについて以下で述べる。ＭＯＳＦＥＴの第３象限での動作における動作原理は、ＰＳＤの伝導方向で、ソース端子Ｓとドレイン端子Ｄを取り替えてＭＯＳＦＥＴの第１象限での動作として見ることもできる。この場合、ソースエリアＳからドレイン端子Ｄ’が取り出され、ドレインエリアＤからソース端子Ｓ’が取り出される。このように名称を変更することにより、一般的な名称において第３象限での動作から第１象限の動作になる。ｐドープされたボディエリアＢ、高濃度にｎドープされたドレインエリアＤ’（以前のソースエリアＳ）およびゲートＧは、したがってドレイン電位ＵＤ’にある。しかしその場合は、電圧がＤ’とＳ’の間でダイオード順方向電圧ＵＦを上回って上昇することはできない。この考察からわかるのは、ＵＤ’Ｓ’=ＵＧＳ’であるためにトランジスタが常に飽和状態で作動されること、およびＵＤ’Ｓ’=ＵＢＳ’＞０であるためにｐドープされたボディエリアに、Ｓ’に対してあらかじめ正電圧が印加されていることである。しかしボディエリアの正電圧によって、ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧ＵＴＨが低減される。ボディエリアの正電位によって低減された空間電荷は、いっそう高い反転電荷によって相殺される。

ＨＥＤに匹敵するオン状態電圧ＵＯＮを得るため、ＰＳＤとして適したＭＯＳＦＥＴでは、しきい値電圧ＵＴＨが非常に低いだけではなくボディ効果による相当大きな低減を有していなければならない。これら２つの要件は、根本的に矛盾する。したがって大きなボディ効果を得るために、ゲート酸化層の厚さおよびボディドーピングを可能な限り高く選択すると有利である。しかしボディドーピングは、選択された逆方向電圧によってすでに決定されている。他方でこのことは、低いしきい値電圧ＵＴＨを要求することと矛盾する。このような理由から、追加の措置によってしきい値電圧をボディ効果とは無関係に設定しなければならない。このことは、例えばドナーによるしきい値インプランテーションによって実施される。これにより、ボディエリア表面へのｐドーピングは低下され、それによってしきい値電圧ＵＴＨも下がる。この処置によってＨＥＤに匹敵する順方向電圧を有する疑似ショットキーダイオードが得られ、この順方向電圧はさらにＺダイオードとして作用する。

図２は、疑似ショットキーダイオード（ＰＳＤ）の実施形態を例示する断面図である。ここでは断面として１つのセルのみが観察できる。高濃度にｎ＋ドープされた半導体１上にｎドープされた層２があり、この層内にｐドープされた層３（ボディエリア）が施されている。ボディエリア３内には特定の間隔（チャネル長Ｌ）を空けてボディエリア３の縁から離れた、薄い、非常に高濃度にｎ＋ドープされたエリア４（ソースエリアＳ）がある。半導体表面上には、例えば範囲約５０〜２００ｎｍの厚さｔｏｘの二酸化ケイ素からなる誘電層５があり、これはボディエリア３の間にあるｎドープされたエリア２、チャネルＬの範囲のボディエリア３、および一部はソースエリア４とも重なり合っている。この誘電層５は高濃度にドープされたポリシリコン層６（ゲート電極）によって覆われている。

以上の点においては、この構造は一般的なプレーナーＤＭＯＳ構造に相当する。

しかし一般的なプレーナーＤＭＯＳ構造とは異なり、ゲート電極はソースエリア４およびボディエリア３と電気的に絶縁されておらず、それらとガルバニックに接続されている。ポリシリコン層６およびそれによって覆われていないソースエリア４とボディエリア３の上方には金属層７があり、この層は３つのエリアを電気的に互いに接続している。これに加えてソースエリア４は直接、エリア６と接続されている。しかしこれは必ずしも不可欠ではない。なぜなら金属７によっても接続が行われるからである。金属層７は好ましくはＡｌＳｉＣｕまたはＡｌＣｕまたは銅から構成されている。金属層７の上方および基板１の下方には金属層系８および９があり、これらは基板１のオーム接触を保証し、および加えてハンダ付け可能な表側８および裏側９を形成している。金属層系は例えばＴｉ／ＮｉＶ／Ａｇであってよい。コンポーネントはただ２つの端子すなわちアノード端子Ａ（エリア８）とカソード端子Ｋ（エリア９）を備えている。しきい値電圧を低減するために、ＰＳＤのｐドープされたボディエリア３はその表面に（少なくともチャネル範囲に）より低度にドーピングされる。この範囲は図２の明瞭さを保つために図示されていない。

本発明のさらに別の実施例について、ここでもう一度図１を参照しながら説明する。名称と機能は前述の実施例と一致する。この例もやはり整流素子における、短絡したゲートエリア、ソースエリア、およびボディエリアを備えた各ＭＯＳＦＥＴであり、第３象限で動作する。これもまた、ソース端子Ｓ’とドレイン端子Ｄ’の取り替えにより、第１象限での飽和状態での動作として見なされる。しかし前述の実施例とは異なり、ここではボディ効果の好ましい影響を大部分は放棄している。それに対してしきい値電圧ＵＴＨは前述の実施例と比較してさらに大幅に低く選択されている。低いしきい値電圧ＵＴＨは、好ましくは厚さが２０ｎｍ未満、例えば１０ｎｍの非常に薄いゲート酸化物を使用することによって、およびこれに加えて、やはりドナーによるｐドープされたベース６のしきい値インプランテーションの実施によって達成される。一般的なＳｉＯ₂ゲート酸化物の代わりに、例えばＨｆＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄等（いわゆる高誘電率材料）のような、誘電率のより高い誘電性の材料を使用してもよい。このような材料は、例えばＵＳ２０１０／００７８７０７に記述されている。

ロードダンプ時の電圧限界がＰＳＤ単独では不十分な場合、整流器内で従来型のＺダイオードをＰＳＤに並列に接続してもよい。この場合、ＰＳＤの降伏電圧はＺダイオードより大きな電圧が選択される。そのようにすれば、ＰＳＤは順方向で電流を受け入れ、他方で降伏は付加的なＺダイオード内でのみ行われる。

さらに、ＰＳＤ内では、例えば追加的に別の、降伏電圧を決めるｐｎ接合を内蔵する構造を使用してよい。

加えて、それぞれプラスダイオードだけが、またはその別法としてマイナスダイオードだけが、ＰＳＤによって代替される回路を採用してよい。

Claims (7)

1. 発電機によって供給される交流電圧を整流するために少なくとも１つの整流素子を備えた、車両の電圧供給用発電機装置において、
   前記整流素子はｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタを備え、該ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタにおいてゲート、ボディエリアおよびソースエリアが電気的に互いに接続され、前記ソースエリアがアノードとして機能し、ドレインエリアがカソードとして機能し、
   前記整流素子は、ｐｎダイオードの順方向電圧よりも低いオン状態電圧（ＵＯＮ）を有しており、ここで、前記整流素子は、５００Ａ／ｃｍ²の電流が流れる場合に、オン状態電圧（ＵＯＮ）が０．７Ｖより小さくなり、
   前記整流素子は、２０ｎｍ未満のゲート酸化層の厚さを備えており、
   前記整流素子は、電圧制限部を備えており、前記電圧制限部が、ボディダイオードのアバランシェ降伏に起因して過電圧を制限する、
   ことを特徴とする、
   発電機装置。
2. 前記ボディエリアのドーピングの濃度が、表面におけるしきい値電圧低減のために引き下げられることを特徴とする、請求項１に記載の発電機装置。
3. 前記ソースエリアと前記ゲートの接続はモノリシックに集積されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の発電機装置。
4. 前記整流素子は、前記整流素子のゲート、ボディエリアおよびソースエリアの上方に金属層（７）を有し、前記整流素子は、前記整流素子のゲート、ボディエリアおよびソースエリアの下方に基板（１）を有し、前記金属層（７）の上方には、ハンダ付け可能な表側の面（８）が形成され、前記基板（１）の下方には、ハンダ付け可能な裏側の面（９）が形成されていることを特徴とする、請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の発電機装置。
5. 前記ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタが、プレーナー技術によって製造されたｎチャネルパワーＭＯＳ電界効果トランジスタ、または、トレンチ技術によって製造されたｎチャネルパワーＭＯＳ電界効果トランジスタである、請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の発電機装置。
6. 前記発電機装置は複数の整流素子を備え、それぞれが、１つの二極性ダイオード圧入筐体に備えられていることを特徴とする、請求項１から５のうちのいずれか一項に記載の発電機装置。
7. 前記整流素子に、電圧制限素子が並列に接続されていることを特徴とする、請求項１から６のうちのいずれか一項に記載の発電機装置。

Images