JP6531026B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関する。
半導体基体にSi(シリコン、珪素)を用いたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲート型半導体装置、以下において、適宜「IGBT」もしくは「Si−IGBT」と呼称する)と、半導体基体にSiC(炭化ケイ素、シリコンカーバイド)を用いたショットキーバリアダイオード(以下において、適宜「SiC−SBD」と呼称する)を組み合わせた電力変換装置が特許文献1に記載されている。
特許文献1には、「[課題]既知の変換器回路に関する短所が改善されるタイプの変換器回路を提供することである。[解決手段]変換器回路は、少なくとも1つのスイッチングデバイス(5,6)と、デバイスがオフになると導通になり、デバイスがオンになると逆方向にバイアスされるように配置されたダイオードと含む。このダイオードは、炭化シリコンからなる。([要約]を参照)」として、変換器回路の技術が開示されている。
特開2006−149195号公報
しかしながら、前記の特許文献1に開示された技術には、次のような課題がある。
特許文献1に開示された技術の変換器回路(電力変換装置)では、Si−IGBTがターンオンした際に、Si−IGBTとSiC−SBDのそれぞれの電圧・電流が振動(過渡振動)する問題(課題)がある。
本発明は、前記した課題に鑑みて創案されたものであり、高耐圧性と低リカバリー損失の特性を有するSiC−SBDを用いながら、電圧・電流の振動(過渡振動)を抑制できるようにした電力変換装置を提供することを目的とする。
前記の課題を解決して、本発明の目的を達成するために、以下のように構成した。
すなわち、本発明の電力変換装置は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子に対して直列に接続された整流素子と、を備える電力変換装置であって、前記電力変換装置は、前記スイッチング素子と前記整流素子との接続点に外部の電気的負荷が接続される構成を有し、前記スイッチング素子は、第1のゲート端子と第2のゲート端子とを有する絶縁ゲート型半導体素子で構成され、前記整流素子は、半導体基体として炭化ケイ素を用いたショットキー接合を有するダイオードで構成され、前記第1のゲート端子と前記第2のゲート端子に、それぞれ互いに異なる駆動信号を印加する、ことを特徴とする。
また、その他の手段は、発明を実施するための形態のなかで説明する。
本発明によれば、高耐圧性と低リカバリー損失の特性を有する整流素子にSiC−SBDを用いながら、電圧・電流の振動を抑制できる電力変換装置を提供することができる。
本発明の第1実施形態に係る電力変換装置の回路構成例を示す図である。 比較例としての電力変換装置の回路構成例を示す図である。 比較例の電力変換装置において、スイッチング素子がオフ状態からオン状態へ切り替わるときの回路各部の電圧・電流波形を示した図であり、(a)はスイッチング素子のVを示し、(b)はスイッチング素子のVと電流Isを示し、(c)は整流素子にかかるVとIを示している。 図2の電力変換装置においてスイッチング素子がターンオンし、図3で示したI、V、Iに振動が生じているときの等価回路を示す図である。 図1に示す二つの絶縁ゲート端子を有する絶縁ゲート型半導体素子の断面構造の一例を模式的に表した図である。 本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置において、スイッチング素子がオフ状態からオン状態へ切り替わるときの回路各部の電圧・電流波形を示した図であり、(a)はスイッチング素子の第1のゲート電極のVg1を示し、(b)はスイッチング素子の第2のゲート電極のVg2を示し、(c)はスイッチング素子のVとIを示し、(d)は整流素子のVとIを示している。 本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置で用いるスイッチング素子の断面構造の一例を模式的に示した図である。 本発明の第3の実施形態に係る電力変換装置で用いるスイッチング素子の断面構造の一例を模式的に示した図である。 本発明の第4の実施形態に係る電力変換装置で用いるスイッチング素子の平面構造の一例を模式的に示した図である。 本発明の第5実施形態に係る電力変換装置で用いるスイッチング素子の平面構造の一例を模式的に示した図である。 本発明の第6実施形態に係る電力変換装置で用いるスイッチング素子の平面構造の一例を模式的に示した図である。 本発明の第7実施形態に係る電力変換装置で用いるスイッチング素子の平面構造の一例を模式的に示した図である。 本発明の第8実施形態に係る電力変換装置で用いるスイッチング素子の断面構造の一例を模式的に示した図である。 図13で示した本発明の第8実施形態に係るスイッチング素子のトレンチの延伸方向におけるn型ソース領域の配置例を模式的に示す図である。 本発明の第9実施形態に係る電力変換装置の回路構成例を示す図である。 SiC−SBDの断面構造の一例を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態(以下においては「実施形態」と表記する)を、適宜、図面を参照して説明する。
≪第1実施形態:その1≫
本発明の第1実施形態の電力変換装置を、図1、図5、図6を参照して説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る電力変換装置の回路構成例を示す図である。
図1において、電力変換装置100は、第1のゲート端子(絶縁ゲート端子)105と第2のゲート端子106を有するスイッチング素子(IGBT)101と、整流素子(SiC−SBD)102と、を備えている。
そして、電力変換装置100は、電圧源104から電力を供給され、スイッチング素子101が高速にターンオン、ターンオフを繰り返すことで整流素子102に並列に接続された電気的負荷(誘導性負荷)103に供給される電力を制御する構成となっている。
なお、電気的負荷(誘導性負荷)103は、例えば、誘導性負荷であるモータ(電動機)である。
図1に示した電力変換装置100の詳細な構成と、動作および効果を説明する前に、本発明の目的と効果の理解を助けることを目的として、図2で示す比較例の構成と問題とを先に説明する。
その後、再度、図1に戻り、本発明の第1実施形態に係る電力得変換装置の詳細を説明する。
<比較例>
前記したように、本発明の目的と効果の理解を助けることを目的として、比較例の電力変換装置の構成と動作を説明することによって、電圧・電流の振動が発生する原因を説明する。
図2は、比較例としての電力変換装置の回路構成例を示す図である。
図2において、比較例としての電力変換装置200は、スイッチング素子201と、整流素子202と、を備え、電圧源204から直流電圧(電力)が供給されている。
電力変換装置200は、スイッチング素子201が高速にターンオン、ターンオフを繰り返すことで、整流素子202に並列に接続された誘導性負荷203に供給される電力を制御する。
図2の電力変換装置200は、整流素子202にSiC−SBDを用いている。
整流素子202のSiC−SBDは、半導体基体としてSiCを用いることで、半導体基体としてSiを用いたSi−pnダイオードと比較して、高耐圧を有し、同じ耐圧の素子を約1/10の厚さで実現することができ、その結果、整流素子202の導通損失を低減できる。
そのため、電力変換装置200は、SiC−SBDを用いることで、整流素子202に半導体基体としてSi−pnダイオードを用いた場合と比較して、スイッチング素子201がターンオンするときに整流素子202に生じるリカバリー電流を抑制できる。その結果、整流素子202のリカバリー損失とスイッチング素子201のターンオン損失を低減できる。
また、図2の電力変換装置は、スイッチング素子201にSi−IGBTを用いている。
スイッチング素子201のゲート端子は、駆動信号源205に接続されている。駆動信号源205の発生する電圧により、スイッチング素子201のエミッタ端子の電位を基準とするゲート端子の電位Vが変化する。
電位(電圧)Vがスイッチング素子201に固有の電圧値である閾値電圧Vthより小さいとき、スイッチング素子201はオフ状態となり、そのコレクタ端子−エミッタ端子間の抵抗値は大きい。
一方、電位Vが閾値電圧Vthより大きいとき、スイッチング素子201はオン状態であり、そのコレクタ端子−エミッタ端子間の抵抗値は小さい。
《比較例の電力変換装置の各部の電圧・電流波形》
図3は、図2の比較例の電力変換装置200において、スイッチング素子201がオフ状態からオン状態へ切り替わるときの回路各部の電圧・電流波形を示した図であり、図3(a)はスイッチング素子201のゲートの電位Vを示し、図3(b)はスイッチング素子201のコレクタ電位(電圧)Vと流れる電流Iを示し、図3(c)は整流素子202にかかる電圧Vと流れる電流Iを示している。
また、図3(a)、(b)、(c)において、縦軸は電圧(電位)または電流を示し、横軸は時刻、または時間(t)の推移を示している。
時刻tにおいて、図3(a)に示すように、スイッチング素子201(図2)のゲートの電位Vは、閾値電圧Vthより小さい値Voffに等しい。すなわち、スイッチング素子201は、オフ状態である。
したがって、スイッチング素子201に流れる電流Iは、図3(b)に示すように、およそゼロであり、スイッチング素子201が保持する電圧Vは、電源電圧Vccにおよそ等しい。
また、時刻tにおいて誘導性負荷203に流れる電流Iは、整流素子202を通じて還流しているため、整流素子202に流れる電流Iは、図3(c)に示すように、およそIに等しく、整流素子202が保持する電圧Vは、およそゼロである。
時刻tにおいて、図3(a)に示すように、スイッチング素子201のゲートの電位Vは、Voffから、Vthより大きい値Vonに切り替わる。
これに応じて、少しの時間差はあるが、スイッチング素子201は、オフ状態からオン状態へ遷移し(つまり、ターンオンし)、コレクタ端子−エミッタ端子間は高抵抗から低抵抗へ変化する。
この結果、図3(b)に示すように、スイッチング素子201のコレクタ電位(電圧)Vが減少するとともに電流Iが増加する。
一方、整流素子202は、スイッチング素子201のターンオンに応じて順バイアス状態から逆バイアス状態へ変化し(つまり、リカバリーし)、図3(c)に示すように、整流素子202が保持する電圧Vが増加するとともに電流Iが減少する。
図3(b)、(c)で示されるように、スイッチング素子201がターンオンし、整流素子202がリカバリーするとき、I、V、Iには大きな振動成分が過渡的に重畳する。
このI、V、Iの波形振動によって、例えば、素子の耐圧を超える電圧が生じて素子が破壊されることがある。
または、波形振動が誘導障害を引き起こし、図2の電力変換装置200自体か、あるいは、図2の電力変換装置200の近傍に位置する他の電気機器の正常動作を妨げることがある。以上のような理由から、図3に示されるような波形振動は望ましくない。
《波形振動の要因》
次に、前述の波形振動が生じる要因を、図4を参照して説明する。
図4は、図2の電力変換装置においてスイッチング素子201がターンオンし、図3で示したI、V、Iに振動が生じているときの等価回路を示す図である。
図4において、可変抵抗403は、スイッチング素子201(図2)を表している。すなわち、スイッチング素子201のターンオンは、図4においては可変抵抗403の抵抗値が高抵抗から低抵抗へ変化することによって表される。
また、図4において、接合容量402と理想ダイオード406の並列回路は、整流素子202(図2)を表している。この接合容量402は、整流素子202が逆バイアス状態において持つ接合容量を表している。
また、図4において、電流源405は、誘導性負荷203(図2)に流れる電流Iを一定値とみなして表している。なお、誘導性負荷203のインダクタンスは、後記する寄生インダクタンス401と比較して十分に大きいことを仮定すると、電流Iは一定値と見なせるので電流源405として表記できる。
また、図4において、電圧源204と直列に寄生インダクタンス401が接続されている。この寄生インダクタンス401は、図2では図示されていないが、実際の電力変換装置においては、主として電気配線が有限の体積を持つために、不可避的に存在している。
実際の寄生インダクタンスは、回路全体に分布的に存在しているが、図4では、寄生インダクタンス401がそれらを代表して表している。
図4に示すように、可変抵抗403、接合容量402、寄生インダクタンス401は、直列回路を形成しており、条件によって、接合容量402と寄生インダクタンス401との間で共振が生じ、電圧・電流が振動する。
前述したように、可変抵抗403の抵抗値は、スイッチング素子201のターンオンに応じて高抵抗から低抵抗へと変化する。
このとき、変化の速度が速い場合、寄生インダクタンス401と接合容量402に過渡的に蓄積される振動エネルギーを、可変抵抗403で即座に消費することができず、電圧と電流が振動(過渡振動)する。
すなわち、振動エネルギーは、寄生インダクタンス401と接合容量402との間で授受を繰り返しながら、次第に可変抵抗403で消費される。
一方、変化の速度が遅い場合、寄生インダクタンス401と接合容量402に過渡的に蓄積される振動エネルギーは、逐次、可変抵抗403で消費され、振動しない。
以上から、スイッチング素子201のターンオン時に波形振動を生じさせないためには、スイッチング素子201の抵抗値の変化速度を遅くすることが有効である。
ところで、スイッチング素子201(図2)がターンオンするとき、スイッチング素子201の抵抗値が低下するに従って、スイッチング素子201に流れる電流Iが増加する(図3(b))。このことから、スイッチング素子201の抵抗値の変化速度は、スイッチング素子201に流れる電流Iの変化率dI/dt、つまりdI/dtで評価できる。
スイッチング素子201は、Si−IGBTであり、その一部にMOS構造の絶縁ゲート端子を備える能動半導体素子である。
このように、IGBTがMOS構造を持つので、スイッチング素子201の電流変化率dI/dtは、スイッチング素子201の相互コンダクタンスgmと、ゲート電圧(電位)Vの時間変化率dV/dtとの積で表される。
このことから、dI/dtを小さくするためには、スイッチング素子201の相互コンダクタンスgmを小さくすればよいことが分かる。
以上を総合して、図2に示す電力変換装置200において、スイッチング素子201のターンオン時に波形振動を生じさせないためには、スイッチング素子201の相互コンダクタンスgmを小さくすることが有効であると結論される。
本発明は、この結論に鑑みて、相互コンダクタンスgmを小さくできるスイッチング素子の構造と駆動方法を具体的に提示し、整流素子にSiC−SBDを用いながら、波形振動を生じない電力変換装置を提供するところにその特徴がある。
≪第1実施形態:その2≫
本発明の第1実施形態の説明に戻る。第1実施形態の電力変換装置を、詳しく、図1、図5、図6を参照して説明する。
<電力変換装置の回路構成>
前記したように、図1は、本発明の第1実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。
図1において、電力変換装置100は、第1のゲート端子105と第2のゲート端子106とを有するスイッチング素子(IGBT)101と、ショットキー接合を有するダイオードである整流素子(例えば、SiC−ショットキー・バリア・ダイオード(SiC−SBD))102と、を備えると共に、外部の電気的負荷(例えば、誘導性負荷)103が接続されるように構成されている。
スイッチング素子101と整流素子102とは互いに直列に接続され、その両端が電圧源104に接続されている。また、スイッチング素子101と整流素子102との接続点が電気的負荷(誘導性負荷)103に接続されている。
そして、電力変換装置100は、前記した電圧源104から電力を供給され、スイッチング素子101が高速にターンオン、ターンオフを繰り返すことで、電気的負荷(誘導性負荷)103に供給される電力を制御する構成となっている。
なお、「電気的負荷(誘導性負荷)103」と表記したが、これは、本発明の電力変換装置に外部から接続される電気的負荷103として好適な一例はモータ(電動機)などの誘導性負荷であるが、本発明は電気的負荷103として誘導性負荷が接続されるように構成されたものに限定されず、誘導性成分を含んだ他の電気的負荷(例えば、誘導性成分を大なり小なり含む抵抗負荷)が接続されるように構成されたものも、本発明の範囲に含まれることを意味する。
また、図1におけるスイッチング素子101は、絶縁ゲート型半導体素子(IGBT)で構成され、第1のゲート端子105と第2のゲート端子106とを備え、それぞれ異なる個別の駆動信号源107、108によって駆動される。
駆動信号源107、108の発生する電圧により、スイッチング素子101のエミッタ端子の電位を基準とする第1のゲート端子の電位Vg1と、スイッチング素子101のエミッタ端子の電位を基準とする第2のゲート端子の電位Vg2とがそれぞれ変化する。
第1のゲート端子の電位Vg1がスイッチング素子101に固有の電圧値である第1の閾値電圧Vth1より小さく、かつ、第2のゲート端子の電位Vg2がスイッチング素子101に固有の電圧値である第2の閾値電圧Vth2より小さいとき、スイッチング素子101はオフ状態となる(後記する図6におけるt〜t)。
また、第1のゲート端子の電位Vg1がVth1より大きく、かつ、第2のゲート端子の電位Vg2がVth2より小さいとき、スイッチング素子101は第1のオン状態となる(後記する図6におけるt〜t)。
また、第1のゲート端子の電位Vg1がVth1より大きく、かつ、第2のゲート端子の電位Vg2がVth2より大きいとき、スイッチング素子101は、第2のオン状態となる(後記する図6におけるt以降)。
<二つのゲート端子を有するIGBTの断面構造>
図5は、図1に示される二つのゲート端子(絶縁ゲート端子)を有する絶縁ゲート型半導体素子(IGBT)101の断面構造の一例を模式的に表した図である。
図5において、n型(第1導電型)半導体で形成されたドリフト層501(第1半導体層)の一方(紙面の上方)の面(第1表面)にはp型(第2導電型)のチャネル層502(第2半導体層)が形成され、他方(紙面の下方)の面(第2表面)にp型のコレクタ層510(第4半導体層)が形成されている。
チャネル層502のドリフト層501と接していない側の表面から、チャネル層502を貫通してドリフト層501まで達する溝構造を有するトレンチ503が複数、形成されている。
なお、図5に示すように、トレンチ503の幅はtであり、隣接するトレンチ503との間の間隔はtである。
トレンチ503には、トレンチ503の内側に形成された導電体504および導電体504の周囲に形成された絶縁膜505を含んで構成されるゲート電極(絶縁ゲート電極)506、507が形成されている。
p型のチャネル層502のドリフト層501と接していない側の表面において、絶縁膜505に隣接してn型のソース領域513(第3半導体層)が島状に形成されている。
p型のチャネル層502のドリフト層501と接していない側の表面と、n型のソース領域513の表面とには、エミッタ電極511がそれぞれ導電体で形成されている。
p型のコレクタ層510のドリフト層501と接していない側の表面には、コレクタ電極512が形成されている。
また、図5においては、第1のゲート端子105と第2のゲート端子106とを模式的に表記している。
そして、第1のゲート端子105と第2のゲート端子106は、それぞれ複数のゲート電極506、507に接続されている。すなわち、第1のゲート端子105に接続されるのが第1のゲート電極506であり、第2のゲート端子106に接続されるのが第2のゲート電極507である。
第1のゲート端子105と第1のゲート電極506の接続、および第2のゲート端子106と第2のゲート電極507との接続は、図5において模式的に表記している。
これら、第1のゲート端子105と第1のゲート電極506の接続、および第2のゲート端子106と第2のゲート電極507との接続の実際的な構造は、後記する図9であらためて説明する。
なお、第1のゲート端子105と第1のゲート電極506の接続、および第2のゲート端子106と第2のゲート電極507とを接続する導電体と、エミッタ電極511とを電気的に分離するために、絶縁膜505は、図5においてエミッタ電極511が表記されている高さ(紙面の上方)まで形成されている。
また、図5におけるI−Iの断面からドリフト層501の方(紙面の下方)を見た平面図の一例が後記する図9に相当する。
《第1実施形態の電力変換装置の各部の電圧・電流波形》
図6は、本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置において、スイッチング素子101(図1)がオフ状態からオン状態へ切り替わるときの回路各部の電圧・電流波形を示した図であり、図6(a)は、スイッチング素子101の第1のゲート電極506(第1のゲート端子105)の電位Vg1を示し、図6(b)は、スイッチング素子101の第2のゲート電極507(第2のゲート端子106)の電位Vg2を示し、図6(c)は、スイッチング素子101のコレクタ電位(電圧)Vと流れる電流Iを示し、図6(d)は、整流素子102にかかる電圧Vと流れる電流Iを示している。
また、図6(a)、(b)、(c)、(d)において、縦軸は電圧(電位)または電流を示し、横軸は時刻、または時間(t)の推移を示している。
時刻tにおいて、図6(a)、(b)に示すように、第1のゲート電極506の電位Vg1は、第1の閾値電圧Vth1より小さい値Voff1に等しく、かつ、第2のゲート電極507の電位Vg2は、第2の閾値電圧Vth2より小さい値Voff2に等しい。
すなわち、スイッチング素子101(図1)は、オフ状態である。したがって、図6(c)に示すように、スイッチング素子101に流れる電流Iは、およそゼロであり、スイッチング素子101が保持する電圧Vは、電源電圧Vccにおよそ等しい。
また、時刻tにおいて、誘導性負荷103に流れる電流Iは、整流素子102を通じて還流しているため、図6(d)に示すように、整流素子102に流れる電流Iは、およそIに等しく、整流素子102が保持する電圧Vは、およそゼロである。
時刻tにおいて、図6(a)、(b)に示すように、第1のゲート電極506の電位Vg1は、Voff1から、第1の閾値電圧Vth1より大きい値Von1に切り替わる。これに応じて、スイッチング素子101は、オフ状態から第1のオン状態へ遷移する(ターンオンする)。
この結果、図6(c)に示すように、電圧Vsが減少するとともに電流Iが増加する。
一方、図6(d)に示すように、整流素子102は、スイッチング素子101のターンオンに応じて順バイアス状態から逆バイアス状態へ遷移し(リカバリーし)、電圧Vが増加するとともに電流Iが減少する。
時刻tにおいて、図6(c)に示すように、スイッチング素子101と整流素子102の電圧・電流の過渡的な変化は既に終了している。すなわち、スイッチング素子101は第1のオン状態であり、誘導性負荷103に流れる電流Iはスイッチング素子101を通じて流れているため、電流IはおよそIに等しく、電圧Vはおよそゼロである。
また、図6(d)に示すように、整流素子102は逆バイアス状態であるため、電流Iは、およそゼロであり、電圧Vは、およそ電源電圧Vccに等しい。
また、図6(b)に示すように、この状態において、第2のゲート電極506(第2のゲート端子106)の電位Vg2は、Voff2から、第2の閾値電圧Vth2より大きい値Von2に切り替わる。これに応じて、スイッチング素子101は第1のオン状態から第2のオン状態へ遷移する。
《第1の実施形態の電力変換装置において波形振動が生じない理由》
以上で述べたように、図6で示すスイッチング素子101がオフ状態からオン状態へ切り替わる過程において、I、V、Iに大きな振動成分は重畳していない。
本発明の第1の実施例に係る電力変換装置において、このように波形振動が生じない理由は、以下のように説明される。
図5に示したように、スイッチング素子101(図1)においては、スイッチング素子101に複数形成されたゲート電極の一部である第1のゲート電極506のみが、第1のゲート端子105に接続されている。
このため、スイッチング素子101が第1のオン状態にあるとき、p型のチャネル層502に含まれ、かつ、第1のゲート電極506近傍の領域にのみ、反転層が形成され、他方、p型のチャネル層502に含まれ、かつ、第2のゲート電極507近傍の領域には、反転層が形成されない。
例えば、第1のゲート電極506の数と第2のゲート電極507の数の比が1:1である場合、スイッチング素子101が第1のオン状態にあるときに形成される反転層の電流が流れる面積は、スイッチング素子101が第2のオン状態にあるときに形成される反転層の電流が流れる面積の半分となる。
スイッチング素子101が第1のオン状態にあるとき、反転層につながるn型のソース領域513(図5)から、電子が反転層を経由してn型のドリフト層501に注入される。
すると、この電子に呼応してp型のコレクタ層510からホールがn型のドリフト層501に注入される。
このようにして、n型のドリフト層501に注入された電子とホールがキャリアとなり、スイッチング素子101は導通する。
しかし、前述したように、スイッチング素子101が第1のオン状態であるときに形成される反転層の面積は、スイッチング素子101が第2のオン状態にあるときに形成される反転層の面積より小さいので、結果的にスイッチング素子101が第1のオン状態であるときに流れる電流は、スイッチング素子101が第2のオン状態であるときに流れる電流と比較して少なくなる。
すなわち、スイッチング素子101がオフ状態から第1のオン状態へ遷移するときの相互コンダクタンスgm1は、スイッチング素子101がオフ状態から第2のオン状態へ遷移するときの相互コンダクタンスgm2と比較して小さい。
よって、本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置によって、整流素子102にSiC−SBDを用いながら、電圧・電流の振動を抑制することができる。
なお、時刻tにおいてはスイッチング素子101と整流素子102の電圧・電流の過渡的な変化は既に終了しているから、この時点でスイッチング素子101を第1のオン状態から第2のオン状態へ遷移させても、波形振動は生じない。
一方、第2のオン状態は第1のオン状態と比較してn型のドリフト層501に注入されるキャリアの量が多く、結果として、スイッチング素子101のオン電圧が小さい。
よって、スイッチング素子101の導通損失を低減する観点からは、時刻tにおいてスイッチング素子101をオフ状態から第1のオン状態へ遷移させた後に、電圧・電流の過渡変化が終了したならば、速やかに第2のオン状態へ遷移させることが望ましい。
<第1実施形態の効果>
以上より、第1実施形態の電力変換装置100は、高耐圧性と低リカバリー損失の特性を有する整流素子102にSiC−SBDを用いながら、電圧・電流の振動(過渡振動)を抑制できる電力変換装置となる。
すなわち、高耐圧性と低電力損失の特性を有する電力変換装置となる。
≪第2実施形態≫
本発明の第2実施形態の電力変換装置を、図7を参照して説明する。
図7は、本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置で用いるスイッチング素子101(図1)の断面構造の一例を模式的に示した図である。
図7において、複数のトレンチ503は、互いに隣接する二つずつのトレンチの組として形成されている。また、n型のソース領域513を挟んで互いに隣接する二つのトレンチ503の対を「同じ組に属する」と表記する。
n型のソース領域513を挟んで同じ組に属する二つのトレンチの間隔(tS1)は、互いに隣接するトレンチの組にそれぞれが属し、かつ同じ組に属さず互いに隣接する二つのトレンチの間隔(tS2)に対して小さい。
また、同じ組に属する二つのトレンチには、片方に第1のゲート電極506が、また、他方には第2のゲート電極507が形成されている。
また、前記したように、n型のソース領域513は同じ組に属する二つのトレンチの間に形成されている。
互いに隣接するトレンチの組にそれぞれが属し、かつ互いに隣接する二つのトレンチの間のp型のチャネル層502の表面は、絶縁膜505によって覆われている。
また、図7におけるII−IIの断面からドリフト層501の方(紙面の下方)を見た平面図の一例が後記する図10に相当する。
なお、その他の要素および構成は、図5と同じであるので重複する説明は省略する。
図7で示す第2実施形態に係るスイッチング素子の構造は、スイッチング素子101(図1)のオン電圧を小さくする効果がある。
その理由は、図7におけるp型のチャネル層502とエミッタ電極511の接触面積が図5で示した第1実施形態と比較して小さいことに起因する。具体的には、図5では複数個所の間隔tが同じであるのに対し、図7では間隔tS1<間隔tS2となっている。
すなわち、導通時にp型のコレクタ層510からn型のドリフト層501に注入されたホールは、p型のチャネル層502を経由してエミッタ電極511へと排出される。このとき、図7で示す構造では、p型のチャネル層502とエミッタ電極511の接触面積が図5と比較して小さいため、ホールが排出されづらく、n型のドリフト層501に蓄積されるホールの密度が高くなる。この結果、電流の移動に寄与するキャリアが多くなり、等価抵抗が小さくなって、オン電圧を小さくすることができる。
≪第3実施形態≫
本発明の第3実施形態の電力変換装置を、図8を参照して説明する。
図8は、本発明の第3の実施形態に係る電力変換装置で用いるスイッチング素子101(図1)の断面構造の一例を模式的に示した図である。
図8に示す構造は、トレンチ503を、形成した後に導電体504を形成し、この導電体504を、異方性を用いて選択的にトレンチ503の側面を残して除去する工程を挿むことによって実現している。
図8において、トレンチ503の外部に位置し、隣接するトレンチ503の間にn型のソース領域513とチャネル層502を形成し、トレンチ503の内部に形成されるゲート電極506、507に制御される構造となっている。
また、図8においては、トレンチ503の幅(tWB)が、隣接するトレンチとの間隔(tSB)と比較して広い。
この幅広のトレンチ503の1つに対して、前記したように、第1のゲート電極506と第2のゲート電極507が一つずつ、それぞれトレンチ503の相異なる側壁に接するように形成されている。
また、第1のゲート電極506と第2のゲート電極507の間のトレンチ底部は、絶縁膜505によって覆われている。
本(第3)実施形態においても、前記のように(tSB<tWB)の関係があって、第2実施形態と同様に、p型のチャネル層502とエミッタ電極511の接触面積が小さいため、オン電圧が小さくなる効果を得ることができる。
さらに、本(第3)実施形態では、ゲート電極506、507に含まれる導電体504がn型のドリフト層501、p型のチャネル層502、n型のソース領域513を含む半導体層と対向する面積が小さい。この結果、ゲート端子(105,106)のチャネル層502、およびソース領域513に対する帰還容量が小さくなる効果を得ることができる。
≪第4実施形態≫
本発明の第4実施形態の電力変換装置を、図9を参照して説明する。
図9は、本発明の第4の実施形態に係る電力変換装置で用いるスイッチング素子101(図1)の平面構造の一例を模式的に示した図である。
図9は、より詳しくは、図5で示す断面構造を備えたスイッチング素子101を、図5におけるI−Iの断面からドリフト層501の方(トレンチの深さ方向、紙面の下方)を見た平面方向から見た模式図に相当する。
図9によって、トレンチの幅方向に直交する方向を奥行き方向(図5における紙面の手前から奥行き方向)、あるいは延伸方向と呼称して、トレンチ503の延伸方向(奥行き方向)におけるn型のソース領域513の配置が示されている。
図9において、トレンチ503の延伸方向において、n型のソース領域513は、断続的に繰り返して配置されている。
トレンチ503の延伸方向において、n型のソース領域513を含むp型のチャネル層502の繰り返し単位の長さに対するn型のソース領域513の長さの比を断続比と定義する。
ただし、図9においては、第1のゲート電極506(第1のゲート端子105)に隣接するn型のソース領域513の断続比が、第2のゲート電極507(第2のゲート端子106)に隣接するn型のソース領域513の断続比と異なっている。
第1のゲート電極506(第1のゲート端子105)に隣接するn型のソース領域513(第3半導体層)の奥行き方向の長さをa1とする。また、n型のソース領域513(第3半導体層)を含むp型のチャネル層502(第2半導体層)の奥行き方向の繰り返し単位の長さをb1とする。このとき、第1のゲート電極506(第1のゲート端子105)に隣接するn型のソース領域513の断続比は(a1/b1)である。
また、第2のゲート電極507(第2のゲート端子106)に隣接するn型のソース領域513(第3半導体層)の奥行き方向の長さをa2とする。また、n型のソース領域513(第3半導体層)を含むp型のチャネル層502(第2半導体層)の奥行き方向の繰り返し単位の長さをb2とする。このとき、第2のゲート電極507(第2のゲート端子106)に隣接するn型のソース領域513の断続比は(a2/b2)である。
図9においては、(a1/b1)は(a2/b2)と異なり、小さい。
この図9の構造により、本(第4)実施形態は第1実施形態から第3実施形態と比較して、より電圧・電流の振動(過渡振動)を起こしにくい効果を得る。
すなわち、本(第4)実施形態のスイッチング素子101では、第1のゲート電極506に隣接するn型のソース領域513の断続比が小さいために、スイッチング素子101が第1のオン状態となるときの電子の注入量がさらに小さくなる(a1/b1=a2/b2の場合に比較して)。
この結果、スイッチング素子101がオフ状態から第1のオン状態に遷移するときの相互コンダクタンスgmがより小さくなり、振動(過渡振動)しづらくなる。
≪第5実施形態≫
本発明の第5実施形態の電力変換装置を、図10を参照して説明する。
図10は、本発明の第5実施形態に係る電力変換装置で用いるスイッチング素子101(図1)の平面構造の一例を模式的に示した図である。
図10は、より詳しくは、図7で示す断面構造を備えたスイッチング素子101を、図7におけるII−IIの断面からドリフト層501の方(紙面の下方)を見た模式図に相当する。図10によって、トレンチ503の延伸方向(図7における紙面の手前から奥行き方向)におけるn型のソース領域513の配置が示されている。
図10において、トレンチ503の延伸方向(奥行き方向)におけるn型のソース領域513は、断続的に繰り返して配置されている。
図10においても、第1のゲート電極506(第1のゲート端子105)に隣接するn型のソース領域513の奥行き方向の長さをa1とする。また、n型のソース領域513を含むp型のチャネル層502の奥行き方向の繰り返し単位の長さをb1とする。このとき、第1のゲート電極506(第1のゲート端子105)に隣接するn型のソース領域513の断続比は(a1/b1)である。
また、第2のゲート電極507(第2のゲート端子106)に隣接するn型のソース領域513の奥行き方向の長さをa2とする。また、n型のソース領域513を含むp型のチャネル層502の繰り返し単位の長さをb2とする。このとき、第2のゲート電極507(第2のゲート端子106)に隣接するn型のソース領域513の断続比は(a2/b2)である。
図10においては、(a1/b1)は(a2/b2)より小さい。
以上において、図10に示した第5実施形態は、図9に示した第4実施形態と同様の効果が得られる。重複する説明は省略する。
≪第6実施形態≫
本発明の第6実施形態の電力変換装置を、図11を参照して説明する。
図11は、本発明の第6実施形態に係る電力変換装置で用いるスイッチング素子101(図1)の平面構造の一例を模式的に示した図である。
図11は、より詳しくは、図8で示す断面構造を備えたスイッチング素子101を、図8におけるIII−IIIの断面からドリフト層501の方(トレンチの深さ方向、紙面の下方)を見た模式図に相当する。
図11によって、トレンチの幅方向に直交する方向を奥行き方向(図8における紙面の手前から奥行き方向)、あるいは延伸方向と呼称して、トレンチ503の延伸方向(奥行き方向)におけるn型のソース領域513の配置が示されている。
図11において、トレンチ503の延伸方向においてn型のソース領域513は、断続的に繰り返して配置されている。
図11においても、第1のゲート電極506(第1のゲート端子105)に隣接するn型のソース領域513の奥行き方向の長さをa1とする。また、n型のソース領域513を含むp型のチャネル層502の奥行き方向の繰り返し単位の長さをb1とする。このとき、第1のゲート電極506(第1のゲート端子105)に隣接するn型のソース領域513の断続比は(a1/b1)である。
また、第2のゲート電極507(第2のゲート端子106)に隣接するn型のソース領域513の奥行き方向の長さをa2とする。また、n型のソース領域513を含むp型のチャネル層502の奥行き方向の繰り返し単位の長さをb2とする。このとき、第2のゲート電極507(第2のゲート端子106)に隣接するn型のソース領域513の断続比は(a2/b2)である。
図11においては、(a1/b1)は(a2/b2)より小さい。
以上において、図11に示した第6実施形態は、図9に示した第4実施形態と同様の効果が得られる。重複する説明は省略する。
≪第7実施形態≫
本発明の第7実施形態の電力変換装置を、図12を参照して説明する。
図12は、本発明の第7実施形態に係る電力変換装置で用いるスイッチング素子101(図1)の平面構造の一例を模式的に示した図である。
図12に示す第7実施形態では、第2のゲート電極507に隣接するn型のソース領域513の断続比が1と等しい場合の一例である。
すなわち、第2のゲート電極507に隣接するn型のソース領域513が、トレンチ503の延伸方向において連続的に配置されている。
第2のゲート電極507に隣接するn型のソース領域513の断続比が1と等しい場合においても、本(第7)実施形態の特徴である電圧・電流の振動抑制効果を維持しながら、スイッチング素子101が第2のオン状態となったときの電子注入量を増し、導通損失を低減することができる。
なお、第4実施形態から第6実施形態と重複する説明は省略する。
≪第8実施形態≫
本発明の第8実施形態の電力変換装置を、図13、図14を参照して説明する。
図13は、本発明の第8実施形態に係る電力変換装置で用いるスイッチング素子101(図1)の断面構造の一例を模式的に示した図である。
図13で示した第8実施形態では、第1のゲート電極506と第2のゲート電極507の配置に特徴がある。すなわち、一つの幅広のトレンチ503の左右の側壁に接するように、二つの第1のゲート電極506が形成され、これと隣り合う幅広のトレンチ503の左右の側壁に接するように、二つの第2のゲート電極507が形成されている。
図13におけるIV−IVの断面からドリフト層501の方(紙面の下方)を見た平面図を図14に示す。
図14は、図13で示した本発明の第8実施形態に係るスイッチング素子101(図1)の、トレンチ503の延伸方向におけるn型のソース領域513の配置例を模式的に示す図である。
第8実施形態の図13は、図8と、第1のゲート端子105と第2のゲート端子106とからゲート電極506、507への接続方法が異なるだけで、その他の構成は、概ね同一である。したがって、オン電圧が小さくなることや、ゲート端子の帰還容量が小さくなる効果は、図8の第3実施形態と同様である。
次に、第8実施形態が第3実施形態と異なる点、および異なる効果を説明する。
第8実施形態の図13、図14においては、第1のゲート端子105は、一つのトレンチ503における二つのゲート電極が互いに接続されている。また、同様に第2のゲート端子106は一つのトレンチ503における二つのゲート電極が互いに接続されている。
この構造は、一つのトレンチ503における二つのゲート電極の導電体504が、元々、一つの導電体として形成され、その後、エッチングで分割されたものである。したがって、図13、図14のように、一つのトレンチ503における二つのゲート電極が互いに接続されている構造は、製造工程において、製作が容易な都合のよい構造である。
また、図13、図14のように、ゲート電極506、507を配置することで、スイッチング素子101は、その繰り返し構造の基本単位について、鏡像対称となり、製造上のマスクずれに対して頑健となる効果がある。
≪第9実施形態≫
本発明の第9実施形態の電力変換装置を、図15を参照して説明する。
図15は、本発明の第9実施形態に係る電力変換装置の回路構成例を示す図である。
図15に示す第9実施形態の電力変換装置300は、三相交流モータ152を駆動するためのインバータとして電力変換装置を構成したものである。
図15において、電力変換装置300は、図1で示した電力変換装置100U、100U、100V、100V、100W、100Wを備えて構成される。
それぞれ直列に接続された電力変換装置100U、100Uと、電力変換装置100V、100Vと、電力変換装置100W、100Wは、直流の電圧源151に接続されている。
電力変換装置100U、100Uは、その接続点から三相交流のU相を出力するように、電力変換装置100Uが駆動信号源U11、U12によって制御され、電力変換装置100Uが駆動信号源U21、U22によって制御される。
なお、電力変換装置100Uを駆動信号源U11、U12の二つの信号に制御する理由は、図1の第1実施形態で説明した理由と同じである。また、電力変換装置100Uを駆動信号源U21、U22の二つの信号に制御する理由も同様である。
電力変換装置100V、100Vは、その接続点から三相交流のV相を出力するように、電力変換装置100Vが駆動信号源V11、V12によって制御され、電力変換装置100Vが駆動信号源V21、V22によって制御される。
電力変換装置100W、100Wは、その接続点から三相交流のW相を出力するように、電力変換装置100Wが駆動信号源W11、W12によって制御され、電力変換装置100Wが駆動信号源W21、W22によって制御される。
以上の構成により、電力変換装置300は、電圧源151の直流電圧(電力)をU相、V相、W相の三相交流電圧(電力)に変換するインバータの機能を果たし、三相交流モータ152を駆動する。
電力変換装置300は、電力変換装置100U、100U、100V、100V、100W、100Wが高耐圧性と低リカバリー損失の特性を有する整流素子にSiC−SBDを用いながら、電圧・電流の振動を抑制できる電力変換装置であるので、これらで構成した電力変換装置300は、高耐圧性を有し、電力損失の少ないインバータとなる。
<SiC−SBDの構造例>
本発明の実施形態で整流素子に用いるSiC−SBDの構造は、様々にあるが、一例を次に示す。
図16は、SiC−SBDの断面構造の一例を示す図である。
図16において、高濃度のn型半導体層601の第1の表面に低濃度のn型半導体層602が形成されている。
低濃度のn型半導体層602の表面に、選択的にp型半導体層604が形成されている。
高濃度のn型半導体層601の第2の表面に、オーミック接合をもつカソード電極605が、また、低濃度のn型半導体層602とp型半導体層604の表面にショットキー接合をもつアノード電極603が形成されている。
なお、高濃度のn型半導体層601、低濃度のn型半導体層602、p型半導体層604が形成される半導体基体(基板)にSiCが用いられている。
≪その他の実施形態≫
以上、本発明は、前記した各実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々、変更可能であって、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
以下に、その他の実施形態や変形例について、さらに説明する。
《スイッチング素子の構造》
スイッチング素子101の構造として、図5、図7〜図14においては、トレンチ構造で説明したが、トレンチ構造に限定されない。例えばプレーナ構造でもよい。
《スイッチング素子の半導体基体の導電型》
スイッチング素子101の構造として、図5、図7、図8においては、半導体基体から形成されるドリフト層501をn型の半導体層として説明したが、n型に限定されない。p型の半導体層で形成してもよい。このドリフト層501がp型の半導体層の場合には、チャネル層502、コレクタ層510は、n型の半導体層を用いる。
《スイッチング素子のIGBTの種類》
本発明の第1実施形態に係るスイッチング素子101の構造として、単に絶縁ゲート型半導体素子(IGBT)として説明したが、ドリフト層501に代表される半導体基体(基板)は、Siで形成されていても、あるいはSiCで形成されていてもよい。
《スイッチング素子のゲート端子の数》
スイッチング素子のゲート端子の数を図1では、2個の場合で説明したが、3個以上であってもよい。
《電力変換装置の回路構成》
電力変換装置の応用例として、図15に示す直流電圧(電力)から三相交流電圧(電力)への変換をするインバータの例を示したが、インバータに限定されない。
例えば、交流電圧(電力)から直流電圧(電力)へ変換するコンバータや、これらを組み合わせた交流電圧(電力)から電圧や周波数の異なる交流電圧(電力)へ変換する電力変換装置に図1の電力変換装置を備えてもよい。
また、三相ではなく、直流電圧(電力)から単相交流電圧(電力)への変換をする電力変換装置に図1の電力変換装置を備えてもよい。
100,200,300 電力変換装置
101,201 スイッチング素子
102,202 整流素子
103,203 電気的負荷(誘導性負荷)
104,204 電圧源
105,106 ゲート端子(絶縁ゲート端子)
107,108,205,U11,U12,U21,U22,V11,V12,V21,V22,W11,W12,W21,W22 駆動信号源
401 寄生インダクタンス
402 接合容量
403 可変抵抗
405 電流源
406 理想ダイオード
501 ドリフト層(第1導電型の第1半導体層)
502 チャネル層(第2導電型の第2半導体層)
503 トレンチ
504 導電体
505 絶縁膜
506、507 ゲート電極(絶縁ゲート電極)
510 コレクタ層(第2導電型の第4半導体層)
511 エミッタ電極
512 コレクタ電極
513 ソース領域(第1導電型の第3半導体層)
601 高濃度のn型半導体層
602 低濃度のn型半導体層
603 アノード電極
604 p型半導体層
605 カソード電極

Claims (7)

  1. スイッチング素子と、
    前記スイッチング素子に対して直列に接続された整流素子と、
    を備える電力変換装置であって、
    前記電力変換装置は、前記スイッチング素子と前記整流素子との接続点に外部の電気的負荷が接続される構成を有し、
    前記スイッチング素子は、第1のゲート端子と第2のゲート端子とを有する絶縁ゲート型半導体素子で構成され、
    前記整流素子は、半導体基体として炭化ケイ素を用いたショットキー接合を有するダイオードで構成され、
    前記第1のゲート端子と前記第2のゲート端子に、それぞれ互いに異なる駆動信号を印加する、
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項1において、
    前記絶縁ゲート型半導体素子は、
    第1導電型の第1半導体層と、
    該第1半導体層の第1表面に備えられた第2導電型の第2半導体層と、
    該第2半導体層の前記第1半導体層と接していない側の表面から前記第2半導体層を貫通して前記第1半導体層まで達する複数のトレンチと、
    前記複数のトレンチのそれぞれの内側に備えられた導電体及び導電体の周囲に備えられた絶縁膜を含んで構成される複数のゲート電極と、
    前記第2半導体層の前記第1半導体層と接していない側の表面において、前記ゲート電極と隣接して備えられた第1導電型の第3半導体層と、
    前記第1半導体層の第2表面に備えられた第2導電型の第4半導体層と、
    前記第2半導体層の前記第1半導体層と接していない側の表面と前記第3半導体層の表面とに備えられたエミッタ電極と,
    前記第4半導体層の前記第1半導体層と接していない側の表面に備えられたコレクタ電極と、
    を備え、
    前記複数のゲート電極は、
    前記第1のゲート端子に接続される第1のゲート電極と、
    前記第2のゲート端子に接続される第2のゲート電極と、
    を含んで構成される、
    ことを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項2において、
    前記複数のトレンチは,
    前記第3半導体層を挟んで互いに隣接する二つずつのトレンチの組として構成され、
    互いに同じ組に属する二つのトレンチの間隔は、互いに隣接するが同じ組に属さない二つのトレンチの間隔よりも小さく、
    前記複数のゲート電極のそれぞれは、前記トレンチの組の一つにおいて、一つの前記第1のゲート電極と一つの前記第2のゲート電極とが互いに異なるトレンチの内側に備えられる、
    ことを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項2において、
    前記複数のトレンチのそれぞれの幅は、前記トレンチと前記トレンチに隣接するトレンチとの間隔よりも大きく、
    前記複数のトレンチの一つにおいて、一つの前記第1のゲート電極と一つの前記第2のゲート電極とが一つのトレンチの相異なる側壁にそれぞれ接している、
    ことを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項2乃至請求項4のいずれか一項において、
    前記第3半導体層は、
    前記第1のゲート電極に隣接する第1の第3半導体層と、
    前記第2のゲート電極に隣接する第2の第3半導体層と、
    を備えて構成され、
    前記トレンチの深さ方向と前記トレンチの幅方向に直交する方向を奥行き方向として、
    前記第3半導体層は奥行き方向において反復的に備えられ、
    前記第1の第3半導体層の奥行き方向の長さa1と、前記第1の第3半導体層を含む前記第2半導体層の奥行き方向の繰り返し単位の長さb1と、による比a1/b1は、
    前記第2の第3半導体層の奥行き方向の長さa2と、前記第2の第3半導体層を含む前記第2半導体層の奥行き方向の繰り返し単位の長さb2と、による比a2/b2と異なる、ことを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項5において、
    前記の比a1/b1は、前記の比a2/b2より小さい、
    ことを特徴とする電力変換装置。
  7. 請求項2乃至請求項6のいずれか一項において、
    それぞれの前記第1のゲート電極は、一つの第1のゲート電極と一つの第2のゲート電極と隣り合い、
    それぞれの前記第2のゲート電極は、一つの第2のゲート電極と一つの第1のゲート電極と隣り合う、
    ことを特徴とする電力変換装置。
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