JP6884186B2 - Bidirectional switch - Google Patents

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Description

本実施の形態は、双方向スイッチに関する。 This embodiment relates to a bidirectional switch.

半導体を使用した双方向ACスイッチは電磁式の双方向ACスイッチと比較して高速応答と長寿命の点に優れた方式として知られている。 A bidirectional AC switch using a semiconductor is known as a method excellent in high speed response and long life as compared with an electromagnetic bidirectional AC switch.

これまでのシリコン(Si:Silicon)を材料とした双方向ACスイッチの一形態として、逆並列ダイオードを有したMOSFETを互いに向かい合わせに接続した回路を基本セルとした構成がある。 As one form of the conventional bidirectional AC switch made of silicon (Si: Silicon) as a material, there is a configuration in which a circuit in which MOSFETs having antiparallel diodes are connected facing each other is used as a basic cell.

従来の電磁式スイッチは、無電圧接点だったが、物理的リレーで応答速度が遅く寿命において半導体式の双方向ACスイッチに劣り、特に電力系統に使用される高電圧双方向ACスイッチにおいては、スイッチする際のアーク放電によって完全な開放状態となるまでに数十ミリ秒の時間を要するため、その間に巨大な事故電流が流れる可能性があった。このため、系統に接続される配線や電子機器にはその事故電流を許容できる設計が必要であり、配線工事コストを増大させていた。 Conventional electromagnetic switches are non-voltage contacts, but they are physically relays and have a slow response speed and are inferior to semiconductor bidirectional AC switches in terms of life. Especially in high voltage bidirectional AC switches used in power systems. Since it takes several tens of milliseconds to reach a completely open state due to the arc discharge at the time of switching, a huge accident current may flow during that time. For this reason, the wiring and electronic devices connected to the system must be designed to withstand the accident current, which increases the wiring construction cost.

また、従来の半導体式の双方向ACスイッチは、応答速度と長寿命、スイッチ時に放電しない点で電磁式の双方向ACスイッチに勝るが、高価でかつ接点接触抵抗以外の要因で発生する電圧降下を伴う有電圧接点であるため使いづらく、また発熱も大きくなり、冷却機構の充実や発熱の分散が必要であった。 In addition, the conventional semiconductor type bidirectional AC switch is superior to the electromagnetic type bidirectional AC switch in that it has a response speed, a long life, and does not discharge at the time of switching, but it is expensive and the voltage drop caused by factors other than contact contact resistance occurs. Since it is a voltage contact with a voltage, it is difficult to use and heat generation is large, so it is necessary to enhance the cooling mechanism and disperse the heat generation.

一方、炭化ケイ素(SiC:Silicon Carbide)を使ったパワーデバイスは複数の企業から世に供給されている。ワイドバンドギャップ半導体であるSiCを用いて作られたパワーデバイスの特長として、従来のSiパワーデバイスよりも優れた低オン抵抗、高速スイッチングおよび高温動作などが挙げられる。 On the other hand, power devices using silicon carbide (SiC: Silicon Carbide) are supplied to the world by multiple companies. Features of power devices made using SiC, which is a wide bandgap semiconductor, include low on-resistance, high-speed switching, and high-temperature operation, which are superior to conventional Si power devices.

また、SiCを使った高耐圧化と耐高温化および小型化を指向する双方向ACスイッチも開示されている。 Further, a bidirectional AC switch aiming at high withstand voltage, high temperature resistance, and miniaturization using SiC is also disclosed.

特開2012−54694号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-54694 特開平10−308510号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-30810 特開2007−135081号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-135081

ここで、従来のパワーモジュールでは、絶縁層とリードフレーム(金属層)とが平面で接している。このように絶縁層と金属層とが平面で接している状態で外力が負荷された場合、絶縁層と金属層とがずれて、絶縁不良となる可能性がある。また、絶縁層と金属層とがずれて、この間に隙間が空くと、モジュールの熱抵抗が上昇する。これにより、半導体デバイスを設計通りに冷却できなくなるため、半導体デバイスの熱暴走、はんだ層などの接合層の熱劣化、ボンディングワイヤの溶断が発生してしまう。 Here, in the conventional power module, the insulating layer and the lead frame (metal layer) are in contact with each other in a plane. When an external force is applied while the insulating layer and the metal layer are in contact with each other on a flat surface in this way, the insulating layer and the metal layer may be displaced from each other, resulting in poor insulation. Further, if the insulating layer and the metal layer are displaced and a gap is provided between them, the thermal resistance of the module increases. As a result, the semiconductor device cannot be cooled as designed, so that thermal runaway of the semiconductor device, thermal deterioration of the bonding layer such as the solder layer, and fusing of the bonding wire occur.

本発明の目的は、外力が負荷されても絶縁層と金属層とのずれが発生しにくく、信頼性の向上したパワーモジュールおよびその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a power module and a method for manufacturing the same, in which the insulating layer and the metal layer are less likely to be displaced even when an external force is applied, and the reliability is improved.

本実施の形態は、電圧−電流特性の線形性に優れ、小型で安価、長寿命、高耐圧、大電流容量で高速応答可能な無電圧接点の双方向スイッチを提供する。 The present embodiment provides a bidirectional switch of a non-voltage contact that has excellent linearity of voltage-current characteristics, is compact and inexpensive, has a long life, has a high withstand voltage, and can respond at high speed with a large current capacity.

本実施の形態の一態様によれば、第1ゲート、第1ソースおよび第1ドレインを有する第1SiC−MOSFETと、前記第1ゲートと短絡された第2ゲート、および前記第1ソースと短絡された第2ソースを有し、かつ第2ドレインを有する第2SiC−MOSFETと、互いに短絡された前記第1ゲートおよび前記第2ゲートを外部から入力される信号により制御するように構成された電気的絶縁回路を備えたゲート駆動回路とを備えた双方向スイッチであって、前記第1SiC−MOSFETと前記第2SiC−MOSFETと前記ゲート駆動回路とを備えるセルが複数直並列に接続され、各セルは前記ゲート駆動回路に入力される前記信号により共通制御され、前記双方向スイッチのスイッチ出力端子間の通電時の定格電流が、前記第1ソース側に正電圧が印加された場合に前記第1SiC−MOSFETのチャネル部と前記第1SiC−MOSFETのボディダイオード部に流れる電流を比較して、前記チャネル部側を流れる電流の方が大きくなる電流範囲内に設定された、双方向スイッチが提供される。 According to one aspect of this embodiment, the first gate being short-circuited and the SIC-MOSFET having a first source and a first drain, the first gate and the shorted second gate, and the first source The second SiC-MOSFET having a second source and a second drain, and the first gate and the second gate short-circuited with each other are electrically controlled by a signal input from the outside. A bidirectional switch including a gate drive circuit including an insulation circuit, wherein a plurality of cells including the first SiC-MOSFET, the second SiC-MOSFET, and the gate drive circuit are connected in series and parallel, and each cell is connected. Commonly controlled by the signal input to the gate drive circuit, the rated current when energized between the switch output terminals of the bidirectional switch is the first SiC- when a positive voltage is applied to the first source side. A bidirectional switch is provided in which the current flowing through the channel portion of the MOSFET and the body diode portion of the first SiC-MOSFET is compared, and the current flowing through the channel portion is set within a larger current range.

本実施の形態によれば、電圧−電流特性の線形性に優れ、小型で安価、長寿命、高耐圧、大電流容量で高速応答可能な無電圧接点の双方向スイッチを提供することができる。 According to this embodiment, it is possible to provide a bidirectional switch of a non-voltage contact which is excellent in linearity of voltage-current characteristics, is compact and inexpensive, has a long life, has a high withstand voltage, and can respond at high speed with a large current capacity.

第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチの模式的回路構成図。The schematic circuit block diagram of the bidirectional AC switch which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチに適用可能なSiC−MOSFETの回路表現図。The circuit representation diagram of the SiC-MOSFET applicable to the bidirectional AC switch according to the first embodiment. 第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチに適用可能なSiC−MOSFETとSi−MOSFETの順方向および逆方向電流−電圧特性の説明図。The explanatory view of the forward-direction and reverse-direction current-voltage characteristics of a SiC-MOSFET and a Si-MOSFET that can be applied to the bidirectional AC switch according to the first embodiment. 第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチに適用可能なSiC−MOSFETの順方向および逆方向のドレイン電流−ドレイン電圧特性例。Example of forward and reverse drain current-drain voltage characteristics of SiC-MOSFET applicable to the bidirectional AC switch according to the first embodiment. 第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチに適用可能なSiC−MOSFETにおいて、オン状態におけるチャネル部を導通するMOS電流IMOSの順方向電流−電圧特性例、およびボディダイオードの順方向電流−電圧特性例。In SiC-MOSFET can be applied to a bidirectional AC switch according to the first embodiment, MOS current I MOS forward current to conduct channel section in the on state - voltage characteristic example, and the forward current of the body diode - Example of voltage characteristics. 第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチの電流−電圧特性例。An example of the current-voltage characteristics of the bidirectional AC switch according to the first embodiment. 第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチの電流−電圧特性上における定格電流動作範囲の説明図。The explanatory view of the rated current operating range on the current-voltage characteristic of the bidirectional AC switch which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施の形態に係る双方向ACスイッチの模式的回路構成図。The schematic circuit block diagram of the bidirectional AC switch which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチの模式的回路構成図。The schematic circuit block diagram of the bidirectional AC switch which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチにおいて、双方向ACスイッチの単位セルの模式的回路構成図。In the bidirectional AC switch according to the third embodiment, a schematic circuit configuration diagram of a unit cell of the bidirectional AC switch. 第4の実施の形態に係る双方向ACスイッチの模式的回路ブロック構成図。The schematic circuit block block diagram of the bidirectional AC switch which concerns on 4th Embodiment. 実施の形態に係る双方向ACスイッチに適用可能な半導体デバイスの例であって、SiC DIMOSFETの模式的断面構造図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional structural view of a SiC DI MOSFET, which is an example of a semiconductor device applicable to the bidirectional AC switch according to the embodiment. 実施の形態に係る双方向ACスイッチに適用可能な半導体デバイスの例であって、SiC TMOSFETの模式的断面構造図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional structural view of a SiC TMOSFET, which is an example of a semiconductor device applicable to the bidirectional AC switch according to the embodiment.

次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, an embodiment will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings below, the same or similar parts are designated by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane dimensions, the ratio of the thickness of each layer, etc. are different from the actual ones. Therefore, the specific thickness and dimensions should be determined in consideration of the following explanation. In addition, it goes without saying that the drawings include parts having different dimensional relationships and ratios from each other.

また、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Further, the embodiments shown below exemplify devices and methods for embodying the technical idea, and the embodiments describe the materials, shapes, structures, arrangements, etc. of the components as follows. It is not specific to. Various modifications can be made to the embodiments within the scope of the claims.

なお、以下の説明において、無電圧接点とは接点接触抵抗値が電流値によらず一定の値を有する接点であり、また少なくとも0V近辺での電流−電圧特性に線形性があり、電圧の正負切り替え時の電圧、電流波形歪みがない特性をいう。 In the following description, the non-voltage contact is a contact whose contact contact resistance value has a constant value regardless of the current value, and the current-voltage characteristic at least in the vicinity of 0V has linearity, and the positive and negative of the voltage. The characteristic that there is no voltage or current waveform distortion at the time of switching.

[比較例]
シリコンを材料とした比較例に係る双方向ACスイッチの個々のセルにおいて、逆並列ダイオードは金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)のソース側に正電圧が印加された場合に、MOSFET部でなく、動作電流に対するオン抵抗がより低いダイオード部に電流を流すことを目的として接続されている。
[Comparison example]
In the individual cells of the bidirectional AC switch according to the comparative example using silicon as the material, the antiparallel diode applies a positive voltage to the source side of the metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET). When this is done, the current is connected not to the MOSFET section but to the diode section having a lower on-resistance to the operating current for the purpose of passing the current.

双方向ACスイッチの個々のセルにおいて、MOSFETのゲートをオン状態にしてスイッチ出力端子間に交流電圧を印加すると、逆並列ダイオードが順方向バイアスされる側について、逆並列ダイオードのバリアハイト(barrier height)に相当する電圧以下の電圧領域ではほぼMOSFETのみを電流が流れ、それ以上の電圧領域ではMOSFETと逆並列ダイオードの両方を電流が流れる。 In each cell of a bidirectional AC switch, when an AC voltage is applied between the switch output terminals with the MOSFET gate turned on, the barrier height of the antiparallel diode is on the side where the antiparallel diode is forward biased. In the voltage region below the voltage corresponding to, current flows through almost only the MOSFET, and in the voltage region above that, current flows through both the MOSFET and the antiparallel diode.

ここで、Si製のMOSFETは耐圧を確保するための構造によって一般にオン抵抗が高く、かつSi製の逆並列ダイオード(もしくはボディダイオード)のpn接合拡散電位がナローバンドギャップ半導体であるSiでは1V以下程度のためオン抵抗が低く抑えられることから、基本的に前記2つの動作モードはSi製双方向ACスイッチの定格電流範囲内に必ず存在する。 Here, the Si MOSFET generally has a high on-resistance due to the structure for ensuring the withstand voltage, and the pn junction diffusion potential of the Si antiparallel diode (or body diode) is about 1 V or less for the narrow band gap semiconductor Si. Therefore, since the on-resistance can be suppressed low, basically, the above two operation modes always exist within the rated current range of the Si bidirectional AC switch.

したがって、Si製双方向ACスイッチはゼロ電圧付近において電流−電圧特性の線形性が崩れており、接点スイッチ特性以外の特性や制約を持っているという点で厳密には無電圧接点(ドライ接点)とは言えない。また、低抵抗を目的として逆並列ダイオードを接続させている分、素子点数が多くなりシステム全体の大型化、高コスト化を招く。 Therefore, in the Si bidirectional AC switch, the linearity of the current-voltage characteristic is broken near zero voltage, and strictly speaking, it is a non-voltage contact (dry contact) in that it has characteristics and restrictions other than the contact switch characteristic. It can not be said. In addition, since the antiparallel diode is connected for the purpose of low resistance, the number of elements increases, which leads to an increase in size and cost of the entire system.

[第1の実施の形態]
第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100の模式的回路構成は、図1に示すように表される。
[First Embodiment]
The schematic circuit configuration of the bidirectional AC switch 100 according to the first embodiment is shown as shown in FIG.

第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100は、図1に示すように、第1ゲートG1ij(i=1,2、…、m、j=1、2、…、nであり、m、nは1以上の整数)、第1ソースS1ijおよび第1ドレインD1ijを有する第1SiC−MOSFET Q1ijと、第1ゲートG1ijおよび第1ソースS1ijとそれぞれ短絡された第2ゲートG2ijおよび第2ソースS2ijを有し、かつ第2ドレインD2ijを有する第2SiC−MOSFET Q2ijと、互いに短絡された第1ゲートG1ij・第2ゲートG2ijにゲート電圧を印加するゲート駆動回路13ijと、を備えたセル110ijが、m直列×n並列に接続されている。 As shown in FIG. 1, the bidirectional AC switch 100 according to the first embodiment has a first gate G1 ij (i = 1, 2, ..., M, j = 1, 2, ..., N. m and n are integers of 1 or more), the first SiC-MOSFET Q1 ij having the first source S1 ij and the first drain D1 ij , and the second gate short-circuited with the first gate G1 ij and the first source S1 ij, respectively. It has a G2 ij and the second source S2 ij, and a second 2SiC-MOSFET Q2 ij having a second drain D2 ij, gate for applying a gate voltage to the first gate G1 ij · second gate G2 ij which are shorted together The drive circuit 13 ij and the cell 110 ij provided with the drive circuit 13 ij are connected in m series × n parallel.

ここで、第1SiC−MOSFET Q1ijおよび第2SiC−MOSFET Q2ijのそれぞれのドレインD1ij・D2ijが接続されたスイッチ出力端子間の通電時の定格電流が、第1SiC−MOSFET Q1ijのソースS1ij側に正電圧が印加された場合に第1SiC−MOSFET Q1ijのチャネル部を流れるMOS電流IMOSと第1SiC−MOSEFT Q1ijのボディダイオード(BD1ij)部に流れるBD電流IBDを比較して、チャネル部側を流れるMOS電流IMOSの方が大きくなる電流範囲内に設定される。ここで、定格電流については、図7を参照して、後述する。 Here, the rated current during energization between the respective drains D1 ij · D2 ij is connected switch output terminal of the 1SiC-MOSFET Q1 ij and the SIC-MOSFET Q2 ij is the source of the 1SiC-MOSFET Q1 ij S1 Compare the MOS current I MOS flowing through the channel section of the 1st SiC-MOSFET Q1 ij and the BD current I BD flowing through the body diode (BD1 ij ) section of the 1st SiC- MOS EFT Q1 ij when a positive voltage is applied to the ij side. Therefore, the MOS current I MOS flowing on the channel portion side is set within the larger current range. Here, the rated current will be described later with reference to FIG. 7.

第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100を構成するセル110ijにおいて、ゲート駆動回路13ijは、図1に示すように、入力端子18A・18B間に印加する電圧を操作することで、オン・オフ制御可能な発光ダイオード(LED)8ijを備える。第1SiC−MOSFET Q1ijおよび第2SiC−MOSFET Q2ijの互いに短絡されたゲートG1ij・G2ijには、発光ダイオード(LED)8ijからの光を受光可能な受光素子と、受光素子に接続された充放電回路を少なくとも備えた光電変換回路などが接続されていても良いが、図示は省略する。すなわち、実施の形態に係る双方向ACスイッチ100を構成するセル110ijにおいては、発光ダイオード(LED)8ijを動作させ続け、これの動作を停止すれば、セル110ijの動作も停止するような構成を備えるため、図1においては、セル110ijのゲート制御部は、単にG1ij・G2ij間を短絡して示している。 In the cell 110 ij constituting the bidirectional AC switch 100 according to the first embodiment, the gate drive circuit 13 ij operates the voltage applied between the input terminals 18A and 18B as shown in FIG. , Equipped with a light emitting diode (LED) 8 ij that can be turned on and off. The gates G1 ij and G2 ij of the first SiC-MOSFET Q1 ij and the second SiC-MOSFET Q2 ij , which are short-circuited to each other, are connected to a light receiving element capable of receiving light from the light emitting diode (LED) 8 ij and a light receiving element. A photoelectric conversion circuit having at least a charge / discharge circuit may be connected, but the illustration is omitted. That is, in the cell 110 ij constituting the bidirectional AC switch 100 according to the embodiment, if the light emitting diode (LED) 8 ij is continuously operated and the operation is stopped, the operation of the cell 110 ij is also stopped. In FIG. 1, the gate control unit of the cell 110 ij is simply short-circuited between G1 ij and G2 ij.

第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100を構成するセル110ijにおいては、1200V80mΩのSiC−MOSFET Q1ij・Q2ijを2つ向かい合わせで接続し、LED8ijからの光信号を受光する受光素子と充放電回路でゲート制御を行う接点定格AC(700×m)V/(5×n)Aの双方向ACスイッチが構成可能である。 In the cell 110 ij constituting the bidirectional AC switch 100 according to the first embodiment, two 1200V 80mΩ SiC-MOSFETs Q1 ij and Q2 ij are connected facing each other to receive an optical signal from the LED8 ij. A bidirectional AC switch with a contact rating of AC (700 × m) V / (5 × n) A that controls the gate with the light receiving element and the charge / discharge circuit can be configured.

第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチを構成するセル110ijに適用可能なSiC−MOSFETの回路表現は、図2に示すように表される。図2の回路表現は、Si−MOSFETにおいても同様である。 The circuit representation of the SiC-MOSFET applicable to the cell 110 ij constituting the bidirectional AC switch according to the first embodiment is shown as shown in FIG. The circuit representation of FIG. 2 is the same for Si-MOSFET.

第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチを構成するセル110ijに適用可能なSiC−MOSFETとSi−MOSFETの順方向および逆方向電流−電圧特性の説明図は、図3に示すように表される。 An explanatory diagram of the forward and reverse current-voltage characteristics of the SiC-MOSFET and the Si-MOSFET, which can be applied to the cell 110 ij constituting the bidirectional AC switch according to the first embodiment, is as shown in FIG. expressed.

ここで、Si−MOSFETでは、オン状態においても順方向のMOS電流IMOS(Si−MOS)は、図3の破線に示すように、一般にオン抵抗が高い。かつSi製の逆並列ダイオード(もしくはボディダイオード)のpn接合拡散電位がナローバンドギャップ半導体であるSiでは1V以下程度のため、逆方向特性は、例えば、約0.6Vまでは、逆方向のMOS電流IMOS(Si−MOS)特性に従い、更に約0.6V以上の逆方向電圧が印加されると、ボディダイオードBDの順方向電流が重畳されて、図3の破線に示すように、IBD(Si−MOS)の特性が得られる。 Here, in the Si-MOSFET, the forward MOS current I MOS (Si-MOS) generally has a high on-resistance even in the on state, as shown by the broken line in FIG. Moreover, since the pn junction diffusion potential of the Si antiparallel diode (or body diode) is about 1 V or less for Si, which is a narrow band gap semiconductor, the reverse characteristic is, for example, the MOS current in the reverse direction up to about 0.6 V. According to the I MOS (Si-MOS) characteristics, when a reverse voltage of about 0.6 V or more is further applied, the forward current of the body diode BD is superimposed, and as shown by the broken line in FIG. 3, the I BD ( The characteristics of Si-MOS) can be obtained.

一方、SiC−MOSFETは、Si−MOSFETに比べて、オン状態(例えばVgs=18V)において順方向のMOS電流IMOS(SiC−MOS)は、図3の実線に示すように、オン抵抗が低い。かつSiC製のボディダイオードBDのpn接合拡散電位がワイドギャップ半導体であるSiCでは約3V以下程度のため、ボディダイオードBDの電気特性は、例えば、図3の(2)の曲線IBD(SiC−MOS)に示されるように、約0.6Vまでは、ほぼ非導通である。このため、逆方向特性は、例えば、約0.6Vまでは、逆方向のMOS電流IMOS(SiC−MOS)特性に従い、更に約0.6V以上の逆方向電圧が印加されると、印加電圧が大きくなるほどボディダイオードBDの順方向電流が大きく重畳されて、図3の(1)の実線に示すように、IMOS(SiC−MOS)+IBD(SiC−MOS)の特性が得られる。 On the other hand, in the SiC-MOSFET, the forward MOS current I MOS (SiC-MOS) in the on state (for example, Vgs = 18V) has a lower on-resistance than the SiC-MOSFET, as shown by the solid line in FIG. .. And since pn junction diffusion potential of the SiC body diode BD is much less SiC at about 3V, which is a wide-gap semiconductor, the electrical characteristics of the body diode BD, for example, curve I BD of (2) in FIG. 3 (SiC- As shown in MOS), it is almost non-conducting up to about 0.6V. Therefore, for example, the reverse direction characteristic follows the reverse direction MOS current IMOS (SiC-MOS) characteristic up to about 0.6 V, and when a reverse voltage of about 0.6 V or more is further applied, the applied voltage is applied. The larger the value, the larger the forward current of the body diode BD is superimposed, and as shown by the solid line in FIG. 3 (1), the characteristics of I MOS (SiC-MOS) + I BD (SiC-MOS) are obtained.

第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100を構成するセル110ijに適用可能なSiC−MOSFETの順方向および逆方向のドレイン電流−ドレイン電圧特性例は、図4に示すように表される。図4において、破線RAは、1個のSiC−MOSFETの空冷時の定格動作範囲の一例を示す。 Examples of forward and reverse drain current-drain voltage characteristics of the SiC-MOSFET applicable to the cell 110 ij constituting the bidirectional AC switch 100 according to the first embodiment are shown as shown in FIG. To. In FIG. 4, the broken line RA shows an example of the rated operating range of one SiC-MOSFET when it is air-cooled.

図4において、ゲート電圧Vgs=0Vにおいて順方向のMOS電流IMOSはほぼ導通せず、逆方向電流は、ボディダイオードBDに導通する電流IBDが示されている。一方、ゲート電圧Vgs=18Vにおいては、SiC−MOSFETはオン(導通)状態となり、順方向および逆方向のMOS電流IMOSは破線RAの範囲内においてともに直線性の良好な電流−電圧特性が得られている。 In FIG. 4, when the gate voltage Vgs = 0V, the forward MOS current I MOS is substantially non-conducting, and the reverse current is the current I BD which is conductive to the body diode BD. On the other hand, when the gate voltage Vgs = 18V, the SiC-MOSFET is turned on (conducting), and the forward and reverse MOS currents I MOS both obtain good linear current-voltage characteristics within the range of the broken line RA. Has been done.

第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチを構成するセル110ijに適用可能なSiC−MOSFETにおいて、ゲート電圧Vgs=18Vのオン状態におけるMOSFETのチャネル部を導通するMOS電流IMOSの順方向電流−電圧特性例、およびボディダイオードBDを導通するBD電流IBDの順方向−電圧特性例は、図5に示すように表される。また、破線は、ボディダイオードBDに流れる電流割合IBD/(IBD+IMOS)(%)を表している。 In the SiC-MOSFET applicable to the cell 110 ij constituting the bidirectional AC switch according to the first embodiment, the forward direction of the MOS current I MOS conducting the channel portion of the MOSFET in the ON state of the gate voltage Vgs = 18V. current - forward voltage characteristic example, and BD current I BD to conduct body diode BD - voltage characteristic example is expressed as shown in FIG. Further, the broken line represents the current ratio I BD / ( IBD + I MOS ) (%) flowing through the body diode BD.

SiC−MOSFETのドレイン電流−ドレイン電圧特性(150℃:定格ジャンクション温度)では、±5A以下の領域ではボディダイオードBDはほぼ動作せず、SiC−MOSFETのチャネル部の電気特性を反映した関係になっている。すなわち、図5に示すように、5A時のSiC−MOSFETのドレイン−ソース間オン電圧は0.68Vであるため、ソース側に正電圧が印加された場合のチャネル部とボディダイオードに流れる電流Dの比IBD/(IBD+IMOS)(%)は0.002%以下となり、ほぼ完全にMOSFET部にのみ電流が流れる。この傾向は25℃時では電流比は0.001%以下になり、同様の効果が得られる。 In the drain current-drain voltage characteristics (150 ° C: rated junction temperature) of the SiC-MOSFET, the body diode BD hardly operates in the region of ± 5A or less, and the relationship reflects the electrical characteristics of the channel part of the SiC-MOSFET. ing. That is, as shown in FIG. 5, since the drain-source on-voltage of the SiC-MOSFET at 5 A is 0.68 V, the current D flowing through the channel portion and the body diode when a positive voltage is applied to the source side. The ratio of I BD / ( IBD + I MOS ) (%) is 0.002% or less, and the current flows almost completely only in the MOSFET section. This tendency is that the current ratio is 0.001% or less at 25 ° C., and the same effect can be obtained.

SiCはワイドバンドギャップ半導体であるが故に、pn接合を形成した場合の拡散電位はSiと比較して非常に大きい。このため、SiCを材料に使えば、ゲートオン状態においてMOSFETのソース側に正電圧が印加された場合にボディダイオードに流れる電流を抑制し、MOSFET部のみに選択的に電流を流すことができる。すなわち、SiCのpn接合拡散電位は3V程度と大きくボディダイオードが導通しにくいため、SiC−MOSFETのみで双方向スイッチ回路を作り、動作電流をボディダイオードを動かさずMOSFETのみに制限することで線形性の優れた双方向ACスイッチを作成することができる。 Since SiC is a wide bandgap semiconductor, the diffusion potential when a pn junction is formed is much larger than that of Si. Therefore, if SiC is used as a material, the current flowing through the body diode when a positive voltage is applied to the source side of the MOSFET in the gate-on state can be suppressed, and the current can be selectively passed only to the MOSFET section. That is, since the pn junction diffusion potential of SiC is as large as about 3 V and the body diode is difficult to conduct, a bidirectional switch circuit is made only with SiC-MOSFET, and the operating current is limited to MOSFET without moving the body diode. It is possible to create an excellent bidirectional AC switch.

図1に示される回路構成により、SiC−MOSFET Q1ij・Q2ijを向かい合わせに接続した双方向ACスイッチ100を構成するセル110ijが形成される。ここでSiC−MOSFET Q1ij・Q2ijはボディダイオードBD1ij・BD2ijを内蔵しているが、そのpn接合の拡散電位はワイドバンドギャップ半導体であるSiCから形成されているため3V程度と高く、一方で絶縁破壊電界が高いためドリフト層の膜厚を薄く、キャリア濃度を高く設定でき、SiC−MOSFET Q1ij・Q2ijのドレイン−ソース間オン抵抗を低く設定することができる。例えば、SiC−MOSFET Q1ij・Q2ijは、耐圧1200V、入力容量2080pFで、ドレイン−ソース間オン抵抗は、約80mΩを実現可能である。 According to the circuit configuration shown in FIG. 1, a cell 110 ij constituting a bidirectional AC switch 100 in which SiC-MOSFETs Q1 ij and Q2 ij are connected facing each other is formed. Here, the SiC-MOSFETs Q1 ij and Q2 ij have built-in body diodes BD1 ij and BD2 ij , but the diffusion potential of the pn junction is as high as about 3 V because it is formed from SiC, which is a wide bandgap semiconductor. On the other hand, since the insulation breakdown electric field is high, the thickness of the drift layer can be made thin, the carrier concentration can be set high, and the drain-source on-resistance of the SiC-MOSFET Q1 ij and Q2 ij can be set low. For example, the SiC-MOSFETs Q1 ij and Q2 ij have a withstand voltage of 1200 V, an input capacitance of 2080 pF, and a drain-source on-resistance of about 80 mΩ.

このため、SiC−MOSFET Q1ij・Q2ijのソースS1ij・S2ij側に正電圧が印加されたとき、チャネル側電流経路のオン抵抗値をボディダイオードBD1ij・BD2ij側電流経路のオン抵抗より低く設定できる範囲がSi−MOSFETと比較して飛躍的に拡張でき、チャネル側に優先的に電流を流しやすくなる。Si−MOSFETにおいても大量に並列数を増やせばチャネル部のみに流せる電流範囲を増大させることはできるが、その場合MOSFET素子数とその数に応じた制御回路が必要になるため、双方向ACスイッチ全体のシステムが大きくなり現実的でない。 Therefore, when a positive voltage is applied to the source S1 ij / S2 ij side of the SiC-MOSFET Q1 ij / Q2 ij , the on-resistance value of the channel-side current path is changed to the on-resistance of the body diode BD1 ij / BD2 ij- side current path. The range that can be set lower can be dramatically expanded as compared with Si-MOSFET, and it becomes easier to preferentially flow current to the channel side. Even in Si-MOSFET, if the number of parallels is increased in large quantities, the current range that can be passed only in the channel section can be increased, but in that case, the number of MOSFET elements and the control circuit corresponding to the number are required, so the bidirectional AC switch. The whole system becomes large and unrealistic.

ここで、双方向ACスイッチの定格電流をチャネル側電流経路の電流が主になる範囲に制限すれば双方向ACスイッチの電流−電圧特性はSiC−MOSFETのチャネル部を通る電流の電流−電圧特性によって決まり、途中で主の電流経路が変化しないため電流−電圧特性の急峻な変曲点が現れなくなる。また、SiC−MOSFETはオン抵抗が低く、SiC−MOSFETのみに電流が流れる場合でも電圧降下がほとんどない。スイッチ出力部の接点接触抵抗はSiC−MOSFETのオン抵抗のみとなり、接触抵抗以外による電圧降下がほぼ発生しない無電圧接点の双方向ACスイッチを構成することができる。 Here, if the rated current of the bidirectional AC switch is limited to the range in which the current of the channel side current path is the main, the current-voltage characteristic of the bidirectional AC switch is the current-voltage characteristic of the current passing through the channel portion of the SiC-MOSFET. Since the main current path does not change in the middle, the steep turning point of the current-voltage characteristic does not appear. Further, the SiC-MOSFET has a low on-resistance, and even when a current flows only through the SiC-MOSFET, there is almost no voltage drop. The contact contact resistance of the switch output unit is only the on-resistance of the SiC-MOSFET, and a bidirectional AC switch with no voltage contact in which a voltage drop other than the contact resistance hardly occurs can be configured.

第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100においては、SiC−MOSFETの線形領域特性のみを使用しているため、歪率の少なく線形性に優れた無電圧接点の双方向ACスイッチを構成することができる。また、逆並列接続されるボディダイオードとは別のダイオードがなく、部品点数が削減されるため、小型でかつ安価に製作でき、信頼性も向上する。 Since the bidirectional AC switch 100 according to the first embodiment uses only the linear region characteristics of the SiC-MOSFET, a bidirectional AC switch with no voltage contacts having a low distortion factor and excellent linearity is configured. can do. In addition, since there is no diode separate from the body diode connected in antiparallel and the number of parts is reduced, it can be manufactured in a small size and at low cost, and the reliability is also improved.

第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100においては、図5に示すように、定格電流が、第1SiC−MOSFETのソース側に正電圧が印加された場合に第1SiC−MOSFET Q1のボディダイオードBD1側に流れる電流が全体の1%以下になる電流範囲内に設定されていても良い。 In the bidirectional AC switch 100 according to the first embodiment, as shown in FIG. 5, the body of the first SiC-MOSFET Q1 has a rated current when a positive voltage is applied to the source side of the first SiC-MOSFET. The current flowing on the diode BD1 side may be set within the current range of 1% or less of the total.

すなわち、ボディダイオードBD側に流れる電流IBDをチャネル側に流れる電流IMOSと合わせた全体の電流値の1%以下になるようにオン抵抗を設計すれば、実質的にチャネル部のみに電流が流せるようになるため、電流−電圧特性の歪率が少なく線形性に優れた双方向ACスイッチを構成することができる。 That is, if the on-resistance is designed so that the current I BD flowing on the body diode BD side is 1% or less of the total current value including the current I MOS flowing on the channel side, the current is substantially applied only to the channel portion. Since the current-voltage characteristic can be flowed, a bidirectional AC switch having a low distortion rate of the current-voltage characteristic and excellent linearity can be configured.

また、第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100においては、図5に示すように、定格電流が流れた場合に、SiC−MOSFETのゲートをオンさせた状態におけるドレイン−ソース間に掛かる電圧の絶対値が1.0V以下になるように設定されていても良い。 Further, in the bidirectional AC switch 100 according to the first embodiment, as shown in FIG. 5, when the rated current flows, it is applied between the drain and the source in the state where the gate of the SiC-MOSFET is turned on. The absolute value of the voltage may be set to be 1.0 V or less.

すなわち、双方向ACスイッチの定格電流範囲内でSiC−MOSFETのゲートオン時のドレイン−ソース間オン電圧を1.0V以下にすることによって、実質的にほぼ完全にチャネル部のみに電流が流せるようになるため、電流−電圧特性の歪率が少なく線形性に優れた双方向ACスイッチを構成することができる。 That is, by setting the drain-source on-voltage at the time of gate-on of the SiC-MOSFET to 1.0 V or less within the rated current range of the bidirectional AC switch, the current can flow almost completely only to the channel portion. Therefore, it is possible to configure a bidirectional AC switch having a small distortion rate of the current-voltage characteristic and excellent linearity.

SiC−MOSFETのボディダイオードはそのチップ面積や集積量に関わらず順方向電圧が1.0V以下であればほぼ動作しないため、実質的にチャネル部のみに電流が流せるようになる。さらに、1.0V以下の微小電圧領域においてはMOSFETのチャネル部を通る電流経路の電流−電圧特性のうち、線形領域部分のみを使えるため、飽和領域特性の影響による出力電流波形の歪みも抑制され、電流−電圧特性の線形性の非常に優れた双方向ACスイッチを構成することができる。 Since the body diode of the SiC-MOSFET does not operate if the forward voltage is 1.0 V or less regardless of the chip area and the integrated amount, the current can be substantially passed only in the channel portion. Further, in the minute voltage region of 1.0 V or less, only the linear region portion of the current-voltage characteristics of the current path passing through the channel portion of the MOSFET can be used, so that the distortion of the output current waveform due to the influence of the saturation region characteristics is suppressed. , A bidirectional AC switch with very good linearity of current-voltage characteristics can be constructed.

第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチを構成する単位セルの電流−電圧特性例であって、1200V80mΩのSiC−MOSFET×2から構成される双方向ACスイッチの電流−電圧特性は、図6に示すように表される。破線RAは、SiC−MOSFET×2から構成される双方向ACスイッチを構成する単位セルの定格動作範囲を示す。 An example of the current-voltage characteristics of the unit cell constituting the bidirectional AC switch according to the first embodiment, and the current-voltage characteristics of the bidirectional AC switch composed of two 1200 V80 mΩ SiC-MOSFETs are shown in FIG. It is represented as shown in 6. The broken line RA indicates the rated operating range of the unit cell constituting the bidirectional AC switch composed of SiC-MOSFET × 2.

第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチを構成する単位セルの電流−電圧特性上における定格電流動作範囲の説明図は、図7に示すように表される。 An explanatory diagram of the rated current operating range on the current-voltage characteristics of the unit cell constituting the bidirectional AC switch according to the first embodiment is shown as shown in FIG. 7.

定格電流とは、第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチを構成する単位セルに適用されるSiC−MOSFETおよびこれらのSiC−MOSFETを2個直列接続した双方向ACスイッチにおいて、いずれも同様に定義可能である。すなわち、定格電流は、発熱量、熱抵抗、および冷却方法に依存し、一定の冷却条件において、定格接合温度TjMAX以下になる最大の電流値で定義される。 The rated current is the same for both the SiC-MOSFET applied to the unit cell constituting the bidirectional AC switch according to the first embodiment and the bidirectional AC switch in which two of these SiC-MOSFETs are connected in series. Can be defined as. That is, the rated current depends on the calorific value, the thermal resistance, and the cooling method, and is defined by the maximum current value that becomes the rated junction temperature T jMAX or less under certain cooling conditions.

図7に示される第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチを構成する単位セルの線形範囲の電流−電圧特性上、電流値IDが定格電流で表される。+IDと−ID間の電流範囲ΔIで、第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチを構成する単位セルは、線形の電流電圧特性を示す。例えば、一定の空冷条件において、定格接合温度TjMAX=150℃において、定格電流ID=5Aが得られている。 Due to the current-voltage characteristics of the linear range of the unit cell constituting the bidirectional AC switch according to the first embodiment shown in FIG. 7, the current value ID is represented by the rated current. In the current range ΔI between + ID and −ID, the unit cells constituting the bidirectional AC switch according to the first embodiment exhibit linear current-voltage characteristics. For example, under constant air cooling conditions, the rated current ID = 5A is obtained at the rated bonding temperature T jMAX = 150 ° C.

第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチによれば、構成するそれぞれのMOSFETがボディダイオードとは別の逆並列ダイオードを有しない無電圧接点双方向ACスイッチを実現することができる。 According to the bidirectional AC switch according to the first embodiment, it is possible to realize a non-voltage contact bidirectional AC switch in which each of the constituting MOSFETs does not have an antiparallel diode different from the body diode.

第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチによれば、所望の電流仕様範囲においてボディダイオードが動作しないようなSiC−MOSFETを適用可能であるため、電流−電圧特性の線形性が良好に保たれた無電圧接点双方向ACスイッチを実現することができる。 According to the bidirectional AC switch according to the first embodiment, since it is possible to apply a SiC-MOSFET in which the body diode does not operate in a desired current specification range, the linearity of the current-voltage characteristic is maintained well. It is possible to realize a non-voltage contact bidirectional AC switch.

また、セルの直並列数は1以上の任意の値を取ってよく、この双方向ACスイッチを使ってシーケンスを組む場合には、無電圧接点であるために設計の複雑化を抑えることができる。例えば、設計の簡易化、設計期間の短縮、スイッチ部の電圧降下に基づく動作不良の回避が実現可能となる。 Further, the number of series-parallel cells may take any value of 1 or more, and when a sequence is formed using this bidirectional AC switch, the complexity of the design can be suppressed because it is a non-voltage contact. .. For example, it is possible to simplify the design, shorten the design period, and avoid malfunction due to the voltage drop of the switch unit.

第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチによれば、電圧−電流特性の線形性に優れ、小型で安価、長寿命、高耐圧、大電流容量で高速応答可能な無電圧接点の双方向ACスイッチを提供することができる。 According to the bidirectional AC switch according to the first embodiment, the bidirectional AC switch is a non-voltage contact that has excellent linearity of voltage-current characteristics, is compact and inexpensive, has a long life, has a high withstand voltage, and can respond at high speed with a large current capacity. AC switches can be provided.

[第2の実施の形態]
第2の実施の形態に係る双方向ACスイッチ102の模式的回路構成は、図8に示すように、双方向ACスイッチ102の各セル111ijの第1ドレインD1ijおよび第2ドレインD2ij間に接続されたサージキラー回路26ijを備える。
[Second Embodiment]
As shown in FIG. 8, the schematic circuit configuration of the bidirectional AC switch 102 according to the second embodiment is between the first drain D1 ij and the second drain D2 ij of each cell 111 ij of the bidirectional AC switch 102. It is provided with a surge killer circuit 26 ij connected to.

サージキラー回路26iは、互いにカソードを向かい合わせに接続した第1アバランシェブレークダウンダイオード(ABD:Avalanche Breakdown Diode)ABD1ijおよび第2アバランシェブレークダウンダイオードABD2ijを備えていても良い。 The surge killer circuit 26 i may include a first avalanche breakdown diode (ABD) ABD1 ij and a second avalanche breakdown diode ABD2 ij in which cathodes are connected to each other facing each other.

第2の実施の形態に係る双方向ACスイッチ102は、図8に示すように、各段の出力端子間にABD1ij・ABD2ijを向かい合わせにしたサージキラー回路26iを接続している。この構成により、例えば、接点定格負荷AC(700×m)V/(5×n)Aの双方向ACスイッチ102を提供することができる。また、i段目に接続されたサージキラー回路26iにより、同じi段目のSiC−MOSFET Q1ij・Q2ijのドレイン−ソース間に掛かる電圧を制限することができる。 As shown in FIG. 8, the bidirectional AC switch 102 according to the second embodiment connects a surge killer circuit 26 i with ABD1 ij and ABD2 ij facing each other between the output terminals of each stage. With this configuration, for example, it is possible to provide a bidirectional AC switch 102 having a contact rated load AC (700 × m) V / (5 × n) A. Further, the connected surge suppressor circuit 26 i in the i-th stage, the drain of the SiC-MOSFET Q1 ij · Q2 ij of the same i-th stage - it is possible to limit the voltage applied between the source.

SiC−MOSFETは材料であるSiCが高絶縁破壊電界であることを利用してドリフト層の膜厚を薄く、キャリア濃度を高く設定できる反面、ゲート絶縁膜に強い電界強度が掛かってしまう危険がある。これに対し、アバランシェ降伏電圧でなくゲート絶縁膜への電界集中緩和を目的としたドリフト層条件設定を行うため、デバイスのドレイン−ソース間定格電圧とアバランシェ降伏電圧が大きく乖離している特徴を持っていることが多い。 In SiC-MOSFET, the thickness of the drift layer can be made thin and the carrier concentration can be set high by utilizing the fact that SiC, which is a material, has a high dielectric breakdown electric field, but there is a risk that a strong electric field strength will be applied to the gate insulating film. .. On the other hand, since the drift layer conditions are set for the purpose of relaxing the electric field concentration on the gate insulating film instead of the avalanche breakdown voltage, the rated voltage between the drain and source of the device and the avalanche breakdown voltage are significantly different from each other. Often.

ここで仮にSiC−MOSFETにSiCショットキーバリアダイオード(SiC−SBD:Silicon Carbide Schottky Barrier Diode)を逆並列接続させていた場合は、SiC−SBDのアバランシェ降伏によって電圧が制限されが、SiC−MOSFETのみで双方向ACスイッチを構成した場合は、意図せぬ巨大電圧が印加された場合に、アバランシェ降伏せずに印加電圧がデバイスのドレイン−ソース間定格電圧を継続的に超過する危険がある。 Here, if a SiC Schottky barrier diode (SiC-SBD: Silicon Carbide Schottky Barrier Diode) is connected in antiparallel to the SiC-MOSFET, the voltage is limited by the avalanche breakdown of the SiC-SBD, but only the SiC-MOSFET. When a bidirectional AC switch is configured with the above, when an unintended huge voltage is applied, there is a risk that the applied voltage continuously exceeds the drain-source rated voltage of the device without yielding the avalanche.

ここで、双方向ACスイッチの各段の出力端子間に向かい合わせに接続したABD(アバランシェブレークダウンダイオード)を配置することで、双方向ACスイッチの各セルに掛かる電圧をABDのアバランシェ降伏電圧によって規定することができる。 Here, by arranging ABDs (avalanche breakdown diodes) connected facing each other between the output terminals of each stage of the bidirectional AC switch, the voltage applied to each cell of the bidirectional AC switch is determined by the avalanche breakdown voltage of the ABD. Can be specified.

また、SiC−MOSFETの中間点と向かい合わせにしたABDの中間点とを接続しないため、ABDの順方向特性による双方向ACスイッチの電流−電圧特性への影響をなくすことができるため、ABDの順方向特性をデバイス選定基準から外すことができ、設計の自由度が向上する。 Further, since the intermediate point of the SiC-MOSFET and the intermediate point of the ABD facing each other are not connected, the influence of the forward characteristic of the ABD on the current-voltage characteristic of the bidirectional AC switch can be eliminated. The forward characteristics can be excluded from the device selection criteria, increasing the degree of freedom in design.

第2の実施の形態に係る双方向ACスイッチによれば、双方向ACスイッチの各セルに掛かる電圧をABDのアバランシェ降伏電圧によって規定することができ、電圧−電流特性の線形性に優れ、小型で安価、長寿命、高耐圧、大電流容量、高速応答可能で、大電圧や分圧バランスの不均一に起因するSiC−MOSFETの破壊の危険が軽減した無電圧接点の双方向ACスイッチを提供することができる。 According to the bidirectional AC switch according to the second embodiment, the voltage applied to each cell of the bidirectional AC switch can be defined by the Avalanche breakdown voltage of ABD, and the voltage-current characteristic is excellent in linearity and compact. Provides a bidirectional AC switch with non-voltage contacts that is inexpensive, has a long life, has a high withstand voltage, has a large current capacity, can respond at high speed, and reduces the risk of destruction of the SiC-MOSFET due to uneven voltage and voltage division balance. can do.

また、サージキラー回路は双方向スイッチの各段毎に1つ以上接続されていても良く、各セル毎に接続されていても良い。さらに、ABDの耐圧を確保する目的でABDの直列数を増加させても良い。 Further, one or more surge killer circuits may be connected to each stage of the bidirectional switch, or may be connected to each cell. Further, the number of series of ABDs may be increased for the purpose of ensuring the withstand voltage of ABDs.

また、セルの直並列数は1以上の任意の値を取っても良く、この双方向ACスイッチを使ってシーケンスを組む場合には、無電圧接点であるために設計の複雑化を抑えることができる。例えば、設計の簡易化、設計期間の短縮、スイッチ部の電圧降下に基づく動作不良の回避を実現可能である。 Further, the number of series-parallel cells may take any value of 1 or more, and when forming a sequence using this bidirectional AC switch, the complexity of the design can be suppressed because it is a non-voltage contact. it can. For example, it is possible to simplify the design, shorten the design period, and avoid malfunction due to the voltage drop of the switch unit.

[第3の実施の形態]
第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチ104の模式的回路構成は、図9に示すように表され、双方向ACスイッチ104を構成する単位セル202ijの模式的回路構成は、図10に示すように表される。
[Third Embodiment]
The schematic circuit configuration of the bidirectional AC switch 104 according to the third embodiment is shown as shown in FIG. 9, and the schematic circuit configuration of the unit cell 202 ij constituting the bidirectional AC switch 104 is shown in FIG. It is expressed as shown in.

第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチ104は、図9・図10に示すように、向かい合わせに接続した2つのMOFET Q1ij・Q2ijと、MOFET Q1ijのドレインD1ijとMOFET Q2ijのドレインD2ij間に2つのABD1ij・ABD2ijを向かい合わせにしたサージキラー回路26iを備える構成を単位セル202ijとし、この単位セル202ijをm直列×n並列に接続した構成を備える。 As shown in FIGS. 9 and 10, the bidirectional AC switch 104 according to the third embodiment has two MOFETs Q1 ij and Q2 ij connected to each other and drains D1 ij and MOFET Q2 of MOFET Q1 ij. A configuration having a surge killer circuit 26 i in which two ABD1 ij and an ABD2 ij are opposed to each other between drains D2 ij of ij is defined as a unit cell 202 ij , and the unit cell 202 ij is connected in m series × n parallel. ..

また、ゲート駆動回路15iは、入力端子18A・18Bに接続されたE/O変換器22iと、直流電圧(DC+24V)が供給された絶縁型DC/DC変換器16iと、E/O変換器22iに接続された光ファイバー17iと、光ファイバー17iを介してE/O変換器22iと接続され、かつ絶縁型DC/DC変換器16iと接続されたO/E変換器14iと、O/E変換器14iに接続されたFETドライバ12i1とを備える。E/O変換器22iとO/E変換器14iの間には絶縁型DC/DC変換器16iと同等以上の耐圧が確保されている。同様に、i段目の他のセル202i2・202i3・…・202inのFETドライバ12i2・12i3・…・12inは、O/E変換器14iと共通接続されている。 Further, the gate drive circuit 15 i includes an E / O converter 22 i connected to the input terminals 18A and 18B, an isolated DC / DC converter 16 i to which a DC voltage (DC + 24V) is supplied, and an E / O. an optical fiber 17 i connected to the transducer 22 i, through an optical fiber 17 i is connected to the E / O converter 22 i, and the insulation type DC / DC converter 16 i and connected the O / E converter 14 The i and the FET driver 12 i1 connected to the O / E converter 14 i are provided. A withstand voltage equal to or higher than that of the insulated DC / DC converter 16 i is secured between the E / O converter 22 i and the O / E converter 14 i. Similarly, the FET drivers 12 i2 , 12 i3 , ..., 12 in of the other cells 202 i2 , 202 i3 , ..., 202 in of the i-th stage are commonly connected to the O / E converter 14 i.

第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチ104によれば、例えば、接点定格負荷AC(700×m)V/(5×n)Aの双方向ACスイッチを提供することができる。 According to the bidirectional AC switch 104 according to the third embodiment, for example, a bidirectional AC switch having a contact rated load AC (700 × m) V / (5 × n) A can be provided.

第3の実施の形態によれば、光ファイバーによる十分な絶縁距離の確保によって、制御側のノイズ耐性を強化し、ゲート電圧低下による電流の低下や、ゲート過電圧によるゲート破壊、スイッチング特性の悪化を抑制した双方向ACスイッチを構成することができる。 According to the third embodiment, by securing a sufficient insulation distance by the optical fiber, the noise immunity on the control side is strengthened, and the current decrease due to the gate voltage decrease, the gate destruction due to the gate overvoltage, and the deterioration of the switching characteristics are suppressed. A bidirectional AC switch can be configured.

また、第3の実施の形態によれば、サージキラー回路による印加電圧の保証をすることで故障しにくく、電圧−電流特性の線形性に優れ、小型で安価、長寿命、高耐圧、大電流容量、高速応答可能で、大電圧や分圧バランスの不均一に起因するSiC−MOSFETの破壊の危険が軽減した無電圧接点の双方向ACスイッチを提供することができる。 Further, according to the third embodiment, the applied voltage is guaranteed by the surge killer circuit to prevent failure, excellent linearity of voltage-current characteristics, small size and low cost, long life, high withstand voltage, and large current capacity. It is possible to provide a bidirectional AC switch having a non-voltage contact that is capable of high-speed response and reduces the risk of destruction of the SiC-MOSFET due to a large voltage or uneven voltage division balance.

[第4の実施の形態]
第4の実施の形態に係る双方向ACスイッチ106の模式的回路ブロック構成は、図11に示すように、第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100のスイッチ出力端子の外側に直列に接続された断路器107をさらに備える。ここで、断路器107は、電磁式スイッチ等により構成可能である。また、双方向ACスイッチ100と断路器107との間には、制御回路109を備えていても良い。制御回路109は、双方向ACスイッチ100の電流遮断信号を受信し、断路器107のオフ動作のトリガ信号を断路器107に供給する動作を行っている。
[Fourth Embodiment]
As shown in FIG. 11, the schematic circuit block configuration of the bidirectional AC switch 106 according to the fourth embodiment is serialized outside the switch output terminal of the bidirectional AC switch 100 according to the first embodiment. A connected disconnector 107 is further provided. Here, the disconnector 107 can be configured by an electromagnetic switch or the like. Further, a control circuit 109 may be provided between the bidirectional AC switch 100 and the disconnector 107. The control circuit 109 receives the current cutoff signal of the bidirectional AC switch 100 and supplies the trigger signal for the off operation of the disconnector 107 to the disconnector 107.

半導体を使った双方向ACスイッチ100は物理的に配線を切っているわけではないので、リーク電流が僅かながら存在する。これが問題にならないように、双方向ACスイッチ100で高速遮断した後に、断路器107を使って物理的に遮断することで、リーク電流に起因する電力損失や、オフ状態の双方向ACスイッチ100に異常が発生したときの事故を防止することができる。 Since the bidirectional AC switch 100 using a semiconductor does not physically cut the wiring, a slight leakage current exists. To prevent this from becoming a problem, the bidirectional AC switch 100 cuts off at high speed and then physically cuts off using the disconnector 107 to prevent power loss due to leakage current and the bidirectional AC switch 100 in the off state. It is possible to prevent an accident when an abnormality occurs.

すなわち、半導体を使った双方向ACスイッチ100では出力端子間の物理的接続は切れておらず、リーク電流を完全にゼロにすることは困難である。半導体を使った双方向ACスイッチ100の出力端子に直列に断路器107が接続され、双方向ACスイッチ100が電流導通を遮断した後に断路器107により電圧をオフにする順序を経ることで、配線108に導通する電流を高い安全性を確保しつつ遮断するとともに、双方向ACスイッチ100のオフ時の電力消費が抑制できる。双方向ACスイッチは電流遮断を1μ秒以内の短時間で完了できるため、電磁式スイッチ特有の放電現象による遮断時間の遅れとそれに伴う巨大事故電流発生の可能性を完全に排除する。このことは、系統に接続される配線108や電子機器の電流許容設計の簡略化を実現する。 That is, in the bidirectional AC switch 100 using a semiconductor, the physical connection between the output terminals is not broken, and it is difficult to completely eliminate the leakage current. A disconnector 107 is connected in series to the output terminal of the bidirectional AC switch 100 using a semiconductor, and the bidirectional AC switch 100 cuts off the current conduction and then turns off the voltage by the disconnector 107. It is possible to cut off the current conducted to the 108 while ensuring high safety, and to suppress the power consumption when the bidirectional AC switch 100 is off. Since the bidirectional AC switch can complete the current cutoff in a short time of 1 μsec or less, the delay of the cutoff time due to the discharge phenomenon peculiar to the electromagnetic switch and the possibility of the occurrence of a huge accident current are completely eliminated. This simplifies the current tolerance design of the wiring 108 and electronic devices connected to the grid.

なお、第4の実施の形態に係る双方向ACスイッチ106において、第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100を適用する例を開示したが、第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100に限定されることはない。すなわち、第2の実施の形態に係る双方向ACスイッチ102や、第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチ104に対しても同様に適用可能である。 In the bidirectional AC switch 106 according to the fourth embodiment, an example in which the bidirectional AC switch 100 according to the first embodiment is applied has been disclosed, but the bidirectional AC according to the first embodiment has been disclosed. It is not limited to the switch 100. That is, it can be similarly applied to the bidirectional AC switch 102 according to the second embodiment and the bidirectional AC switch 104 according to the third embodiment.

(半導体デバイスの構成例)
―SiC−DIMOSFET―
第1〜第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチに適用可能な半導体デバイス200の例であって、SiC−DI(Double Implanted)MOSFETの模式的断面構造は、図12に示すように表される。
(Semiconductor device configuration example)
-SiC-DIMOSFET-
An example of the semiconductor device 200 applicable to the bidirectional AC switch according to the first to third embodiments, the schematic cross-sectional structure of the SiC-DI (Double Implanted) MOSFET is shown in the table as shown in FIG. Will be done.

第1〜第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチに適用可能なSiC−DIMOSFETは、図12に示すように、n+SiC基板124と、n+SiC基板124上にエピタキシャル成長されたn-ドリフト層126と、n-ドリフト層126の表面側に形成されたpボディ領域128と、pボディ領域128の表面に形成されたn+ソース領域130と、pボディ領域128間のn-ドリフト層126の表面上に配置されたゲート絶縁層132と、ゲート絶縁層132上に配置されたゲート電極138と、n+ソース領域130およびpボディ領域128に電気的に接続されたソース電極134と、n+SiC基板124の、n-ドリフト層126と反対側の表面に電気的に接続されたドレイン電極136とを備える。 As shown in FIG. 12, the SiC-DIMOSFET applicable to the bidirectional AC switch according to the first to third embodiments is n − obtainedly grown on the n + SiC substrate 124 and the n + SiC substrate 124. a drift layer 126, n - and p-body region 128 formed on the surface side of the drift layer 126, an n + source region 130 formed on the surface of the p-body region 128, n between the p-body region 128 - drift layer A gate insulating layer 132 arranged on the surface of 126, a gate electrode 138 arranged on the gate insulating layer 132, and a source electrode 134 electrically connected to the n + source region 130 and the p body region 128. The n + SiC substrate 124 includes a drain electrode 136 electrically connected to the surface opposite to the n-drift layer 126.

図12では、半導体デバイス200は、pボディ領域128と、pボディ領域128の表面に形成されたn+ソース領域130が、ダブルイオン注入(DI)で形成され、ソースパッド電極SPは、n+ソース領域130およびpボディ領域128に接続されたソース電極134に接続される。ゲートパッド電極GP(図示省略)は、ゲート絶縁層132上に配置されたゲート電極138に接続される。また、ソースパッド電極SP・ソース電極134およびゲートパッド電極GP(図示省略)は、図12に示すように、半導体デバイス200の表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜144上に配置される。 In FIG. 12, in the semiconductor device 200, the p-body region 128 and the n + source region 130 formed on the surface of the p-body region 128 are formed by double ion implantation (DI), and the source pad electrode SP is n +. It is connected to the source electrode 134 connected to the source region 130 and the p-body region 128. The gate pad electrode GP (not shown) is connected to the gate electrode 138 arranged on the gate insulating layer 132. Further, the source pad electrode SP / source electrode 134 and the gate pad electrode GP (not shown) are arranged on the passivation interlayer insulating film 144 covering the surface of the semiconductor device 200, as shown in FIG.

―SiC−TMOSFET―
第1〜第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチに適用可能な半導体デバイス200の例であって、SiC−TMOSFETの模式的断面構造は、図13に示すように表される。
-SiC-TMOSFET-
An example of the semiconductor device 200 applicable to the bidirectional AC switch according to the first to third embodiments, the schematic cross-sectional structure of the SiC-TMOSFET is shown as shown in FIG.

第1〜第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチに適用可能なSiC−TMOSFETは、図13に示すように、n+SiC基板124と、n+SiC基板124上にエピタキシャル成長されたn-ドリフト層126Nと、n-ドリフト層126Nの表面側に形成されたpボディ領域128と、pボディ領域128の表面に形成されたn+ソース領域130と、pボディ領域128を貫通し、n-ドリフト層126Nまで形成されたトレンチの内にゲート絶縁層132および層間絶縁膜144U・144Bを介して形成されたトレンチゲート電極138TGと、ソース領域130およびpボディ領域128に接続されたソース電極134と、n+SiC基板124の、n-ドリフト層126Nと反対側の表面に電気的に接続されたドレイン電極136とを備える。 N SiC-TMOSFET applicable to bidirectional AC switch according to the first to third embodiments, as shown in FIG. 13, in which the n + SiC substrate 124, which is epitaxially grown on the n + SiC substrate 124 - and the drift layer 126N, n - and p-body region 128 formed on the surface side of the drift layer 126N, the n + source region 130 formed on the surface of the p-body region 128, through the p-body region 128, n - A trench gate electrode 138TG formed via a gate insulating layer 132 and an interlayer insulating film 144U / 144B in a trench formed up to the drift layer 126N, and a source electrode 134 connected to a source region 130 and a p-body region 128. , The drain electrode 136 electrically connected to the surface of the n + SiC substrate 124 opposite to the n-drift layer 126N.

図13では、半導体デバイス200は、pボディ領域128を貫通し、半導体基板126Nまで形成されたトレンチ内にゲート絶縁層132および層間絶縁膜144U・144Bを介して形成されたトレンチゲート電極138TGが形成され、ソースパッド電極SPは、ソース領域130およびpボディ領域128に接続されたソース電極134に接続される。ゲートパッド電極GP(図示省略)は、ゲート絶縁層132上に配置されたゲート電極138に接続される。また、ソースパッド電極SP・ソース電極134およびゲートパッド電極GP(図示省略)は、図13に示すように、半導体デバイス200の表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜144U上に配置される。 In FIG. 13, the semiconductor device 200 penetrates the p-body region 128, and the trench gate electrode 138TG formed through the gate insulating layer 132 and the interlayer insulating films 144U / 144B is formed in the trench formed up to the semiconductor substrate 126N. The source pad electrode SP is connected to the source electrode 134 connected to the source region 130 and the p body region 128. The gate pad electrode GP (not shown) is connected to the gate electrode 138 arranged on the gate insulating layer 132. Further, as shown in FIG. 13, the source pad electrode SP / source electrode 134 and the gate pad electrode GP (not shown) are arranged on the passivation interlayer insulating film 144U covering the surface of the semiconductor device 200.

SiC−TMOSFETはドレイン電流経路にpボディ領域128から伸張するジャンクション抵抗が存在しないため、SiC−DIMOSFETと比較してさらに低オン抵抗のFETを提供することが可能であり、1素子当たりに100A以上のドレインパルス電流を許容することも可能になる。 Since the SiC-TMOSFET does not have a junction resistor extending from the p-body region 128 in the drain current path, it is possible to provide an FET with a lower on-resistance as compared with the SiC-DIMOSFET, and 100 A or more per element. It is also possible to tolerate the drain pulse current of.

また、第1〜第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチに適用可能な半導体デバイス200には、SiC系MOSFETの代わりに、GaN系FETなどを適用することもできる。 Further, a GaN-based FET or the like can be applied instead of the SiC-based MOSFET to the semiconductor device 200 applicable to the bidirectional AC switch according to the first to third embodiments.

SiCデバイスは、高絶縁破壊電界(例えば、約3MV/cmであり、Siの約3倍)であることから、Siに比べてドリフト層の膜厚を薄くし、かつキャリア濃度を高く設定しても耐圧が確保できる。絶縁破壊電界の違いから、SiC−MOSFETのピーク電界強度は、Si−MOSFETのピーク電界強度よりも高く設定可能である。 Since the SiC device has a high dielectric breakdown electric field (for example, about 3 MV / cm, which is about 3 times that of Si), the thickness of the drift layer is made thinner and the carrier concentration is set higher than that of Si. Withstand voltage can be secured. Due to the difference in dielectric breakdown electric field, the peak electric field strength of the SiC-MOSFET can be set higher than the peak electric field strength of the Si-MOSFET.

SiC−MOSFETにおいては、必要なn-ドリフト層126・126Nの膜厚が薄く、キャリア濃度と膜厚の双方のメリットによって、n-ドリフト層126・126Nの抵抗値を低減し、オン抵抗Ronを低くすることができ、チップ面積を縮小化(小チップ化)可能である。さらにユニポーラデバイスであるMOSFET構造のままで、Si−IGBTに比肩し得る耐圧を実現可能であることから、高耐圧でかつ高速スイッチングできるとされ、スイッチング損失の低減が期待できる。 In SiC-MOSFET, the required film thickness of n- drift layer 126/126N is thin, and the resistance value of n- drift layer 126 / 126N is reduced by the merits of both carrier concentration and film thickness, and the on-resistance R on. Can be lowered, and the chip area can be reduced (smaller chips). Further, since it is possible to realize a withstand voltage comparable to that of the Si-IGBT with the MOSFET structure which is a unipolar device, it is said that high withstand voltage and high-speed switching can be performed, and reduction of switching loss can be expected.

以上説明したように、本実施の形態によれば、電圧−電流特性の線形性に優れ、小型で安価、長寿命、高耐圧、大電流容量で高速応答可能な無電圧接点の双方向ACスイッチを提供することができる。 As described above, according to the present embodiment, a bidirectional AC switch with a non-voltage contact that has excellent linearity of voltage-current characteristics, is compact and inexpensive, has a long life, has a high withstand voltage, and can respond at high speed with a large current capacity. Can be provided.

[その他の実施の形態]
上記のように、第1〜第3の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As described above, although described by the first to third embodiments, the statements and drawings that form part of this disclosure are exemplary and should be understood to limit the invention. Absent. This disclosure will reveal to those skilled in the art various alternative embodiments, examples and operational techniques.

このように、本実施の形態ここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。 As described above, the present embodiment includes various embodiments not described here.

本実施の形態の双方向ACスイッチは、パワーSiC−MOSFETを用い、電圧−電流特性の線形性に優れ、小型で安価、長寿命、高耐圧、大電流容量で高速応答可能な無電圧接点の双方向ACスイッチとして、AC高電圧リレーを行うスイッチギアを初めとして、幅広い応用分野に適用可能である。 The bidirectional AC switch of the present embodiment uses a power SiC-MOSFET, has excellent linearity of voltage-current characteristics, is compact and inexpensive, has a long life, has a high withstand voltage, and has a large current capacity and can respond at high speed. As a bidirectional AC switch, it can be applied to a wide range of application fields, including a switch gear that performs an AC high voltage relay.

11、812、…、8mn…発光ダイオード(LED)
1211、1212、…、12mn…FETドライバ
1311、1312、…、13mn、151、152、…、15m…ゲート駆動回路
141、142、…、14m…O/E変換器
161、162、…、16m…絶縁型DC/DC変換器
171、172、…、17m…光ファイバー
18A、18B…入力端子
221、222、…、22m…EO変換器
24…負荷
261、262、…、26m、2611、2612、…、26mn…サージキラー回路
100、102、104、106…双方向ACスイッチ
107…断路器
108…配線
109…制御回路
11011、11012、…、110mn、11111、11112、…、111mn、20211、20212、…、202mn…セル(単位セル)
124…n+SiC基板
126、126N…n-ドリフト層
128…pボディ領域
130…ソース領域
132…ゲート絶縁膜
134…ソース電極
136…ドレイン電極
138、138TG…ゲート電極
144、144U、144B…層間絶縁膜
200、Q111、Q112、…、Q1mn、Q211、Q212、…、Q2mn…半導体デバイス(SiC−MOSFET)
S111、S112、…、S1mn、S211、S212、…、S2mn…ソース
G111、G112、…、G1mn、G211、G212、…、G2mn…ゲート
D111、D112、…、D1mn、D211、D212、…、D2mn…ドレイン
BD111、BD112、…、BD1mn、BD211、BD212、…、BD2mn…ボディダイオード
T1、T2…スイッチ出力端子
ac…交流電圧
8 11 , 8 12 , ..., 8 mn ... Light emitting diode (LED)
12 11 , 12 12 , ..., 12 mn ... FET driver 13 11 , 13 12 , ..., 13 mn , 15 1 , 15 2 , ..., 15 m ... Gate drive circuit 14 1 , 14 2 , ..., 14 m ... O / E converter 16 1, 16 2, ..., 16 m ... insulated type DC / DC converter 17 1, 17 2, ..., 17 m ... optical fiber 18A, 18B ... input terminal 22 1, 22 2, ..., 22 m ... E / O converter 24 ... Load 26 1 , 26 2 , ..., 26 m , 26 11 , 26 12 , ..., 26 mn ... Surge killer circuit 100, 102, 104, 106 ... Bidirectional AC switch 107 ... Breaker 108 … Wiring 109… Control circuit 110 11 , 110 12 ,…, 110 mn , 111 11 , 111 12 ,…, 111 mn , 202 11 , 202 12 ,…, 202 mn … Cell (unit cell)
124 ... n + SiC substrate 126, 126N ... n - drift layer 128 ... p body region 130 ... source region 132 ... gate insulating film 134 ... source electrode 136 ... drain electrode 138, 138TG ... gate electrode 144, 144U, 144B ... interlayer insulation Film 200, Q1 11 , Q1 12 , ..., Q1 mn , Q2 11 , Q2 12 , ..., Q2 mn ... Semiconductor device (SiC-MOSFET)
S1 11 , S1 12 , ..., S1 mn , S2 11 , S2 12 , ..., S2 mn ... Source G1 11 , G1 12 , ..., G1 mn , G2 11 , G2 12 , ..., G2 mn ... Gate D1 11 , D1 12 , ..., D1 mn , D2 11 , D2 12 , ..., D2 mn ... Drain BD1 11 , BD1 12 , ..., BD1 mn , BD2 11 , BD2 12 , ..., BD2 mn ... Body diode T1, T2 ... Switch output terminal V ac … AC voltage

Claims (10)

第1ゲート、第1ソースおよび第1ドレインを有する第1SiC−MOSFETと、
前記第1ゲートと短絡された第2ゲート、および前記第1ソースと短絡された第2ソースを有し、かつ第2ドレインを有する第2SiC−MOSFETと、
互いに短絡された前記第1ゲートおよび前記第2ゲートを外部から入力される信号により制御するように構成された電気的絶縁回路を備えたゲート駆動回路と
を備えた双方向スイッチであって、
前記第1SiC−MOSFETと前記第2SiC−MOSFETと前記ゲート駆動回路とを備えるセルが複数直並列に接続され、各セルは前記ゲート駆動回路に入力される前記信号により共通制御され、
前記双方向スイッチのスイッチ出力端子間の通電時の定格電流が、前記第1ソース側に正電圧が印加された場合に前記第1SiC−MOSFETのチャネル部と前記第1SiC−MOSFETのボディダイオード部に流れる電流を比較して、前記チャネル部側を流れる電流の方が大きくなる電流範囲内に設定された、双方向スイッチ。
A first SiC-MOSFET having a first gate, a first source and a first drain,
A second gate short-circuited with the first gate , a second SiC-MOSFET having a second source short-circuited with the first source, and a second drain.
A bidirectional switch comprising a gate drive circuit with an electrically isolated circuit configured to control the first gate and the second gate short-circuited with each other by a signal input from the outside.
A plurality of cells including the first SiC-MOSFET, the second SiC-MOSFET, and the gate drive circuit are connected in series and parallel, and each cell is commonly controlled by the signal input to the gate drive circuit.
When a positive voltage is applied to the first source side, the rated current when energized between the switch output terminals of the bidirectional switch is applied to the channel portion of the first SiC-MOSFET and the body diode portion of the first SiC-MOSFET. A bidirectional switch set within a current range in which the current flowing on the channel portion side is larger than the flowing current.
前記定格電流が、前記第1ソース側に正電圧が印加された場合に前記第1SiC−MOSFETのボディダイオード部側に流れる電流が全体の1%以下になる電流範囲内に設定された、請求項1に記載の双方向スイッチ。 The claimed current is set within a current range in which the current flowing to the body diode portion side of the first SiC-MOSFET is 1% or less of the total when a positive voltage is applied to the first source side. The bidirectional switch according to 1. 前記定格電流が流れた場合に前記第1SiC−MOSFETの前記第1ゲートをオンさせた状態における前記第1ドレインと前記第1ソースとの間に掛かる電圧の絶対値が1.0V以下になるように設定された、請求項1または2に記載の双方向スイッチ。 When the rated current flows, the absolute value of the voltage applied between the first drain and the first source when the first gate of the first SiC-MOSFET is turned on is 1.0 V or less. The bidirectional switch according to claim 1 or 2, which is set to. 前記双方向スイッチの前記第1ドレインおよび前記第2ドレイン間に1つ以上接続されたサージキラー回路を備える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の双方向スイッチ。 The bidirectional switch according to any one of claims 1 to 3, further comprising one or more surge killer circuits connected between the first drain and the second drain of the bidirectional switch. 前記サージキラー回路は、互いにカソードを向かい合わせに接続した第1アバランシェブレークダウンダイオードおよび第2アバランシェブレークダウンダイオードを備える、請求項4に記載の双方向スイッチ。 The bidirectional switch according to claim 4, wherein the surge killer circuit includes a first avalanche breakdown diode and a second avalanche breakdown diode in which cathodes are connected to each other so as to face each other. 前記第1SiC−MOSFETおよび前記第2SiC−MOSFETは、
第1導電型のSiC基板と、
前記SiC基板上に形成された第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の表面側に形成された第2導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域の表面に形成された第1導電型のソース領域と、
前記ボディ領域の前記ドリフト層の表面上に配置されたゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上に配置されたゲート電極と、
前記ソース領域および前記ボディ領域に電気的に接続されたソース電極と、
前記SiC基板の、前記ドリフト層と反対側の表面に電気的に接続されたドレイン電極と
をそれぞれ備える、請求項1に記載の双方向スイッチ。
The first SiC-MOSFET and the second SiC-MOSFET are
The first conductive type SiC substrate and
The first conductive type drift layer formed on the SiC substrate and
A second conductive body region formed on the surface side of the drift layer and
The first conductive type source region formed on the surface of the body region and
A gate insulating layer arranged on the surface of the drift layer in the body region,
With the gate electrode arranged on the gate insulating layer,
With source electrodes electrically connected to the source region and the body region,
The bidirectional switch according to claim 1, further comprising a drain electrode electrically connected to a surface of the SiC substrate opposite to the drift layer.
前記第1SiC−MOSFETおよび前記第2SiC−MOSFETは、
第1導電型のSiC基板と、
前記SiC基板上に形成された第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の表面側に形成された第2導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域の表面に形成された第1導電型のソース領域と、
前記ボディ領域を貫通し、前記ドリフト層まで形成されたトレンチの内にゲート絶縁層および層間絶縁膜を介して形成されたトレンチゲート電極と、
前記ソース領域および前記ボディ領域に接続されたソース電極と、
前記SiC基板の、前記ドリフト層と反対側の表面に電気的に接続されたドレイン電極と
をそれぞれ備える、請求項1に記載の双方向スイッチ。
The first SiC-MOSFET and the second SiC-MOSFET are
The first conductive type SiC substrate and
The first conductive type drift layer formed on the SiC substrate and
A second conductive body region formed on the surface side of the drift layer and
The first conductive type source region formed on the surface of the body region and
A trench gate electrode formed through a gate insulating layer and an interlayer insulating film in a trench formed through the body region and up to the drift layer.
With the source electrode connected to the source region and the body region,
The bidirectional switch according to claim 1, further comprising a drain electrode electrically connected to a surface of the SiC substrate opposite to the drift layer.
前記第1SiC−MOSFETの前記ボディダイオード部は、前記第1ソースと前記第1ドレインとの間に内蔵されたボディダイオードである、請求項1〜7のいずれか1項に記載の双方向スイッチ。 The bidirectional switch according to any one of claims 1 to 7, wherein the body diode portion of the first SiC-MOSFET is a body diode incorporated between the first source and the first drain. 前記第1SiC−MOSFETの前記ボディダイオード部は、前記ボディ領域と前記ドリフト層との間に内蔵されたボディダイオードである、請求項6または7に記載の双方向スイッチ。 The bidirectional switch according to claim 6 or 7, wherein the body diode portion of the first SiC-MOSFET is a body diode incorporated between the body region and the drift layer. 前記電気的絶縁回路は光電変換回路を備え、
前記第1ゲートおよび前記第2ゲートは、前記ゲート駆動回路に入力される前記信号を前記光電変換回路により変換した信号により制御される、請求項1に記載の双方向スイッチ。
The electrical insulation circuit includes a photoelectric conversion circuit and has a photoelectric conversion circuit.
The bidirectional switch according to claim 1, wherein the first gate and the second gate are controlled by a signal obtained by converting the signal input to the gate drive circuit by the photoelectric conversion circuit.
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