JPH0521792A - Zero-cross switching element - Google Patents

Zero-cross switching element

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JPH0521792A
JPH0521792A JP3195721A JP19572191A JPH0521792A JP H0521792 A JPH0521792 A JP H0521792A JP 3195721 A JP3195721 A JP 3195721A JP 19572191 A JP19572191 A JP 19572191A JP H0521792 A JPH0521792 A JP H0521792A
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JP
Japan
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layer
voltage
drain
current
zero
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Pending
Application number
JP3195721A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Kobayashi
寛 小林
Tokushige Inoue
徳成 井上
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MELS CORP
Original Assignee
MELS CORP
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Filing date
Publication date
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H01L29/0873Drain regions
    • H01L29/0878Impurity concentration or distribution

Abstract

PURPOSE:To reduce the power loss during a transient period from ON to OFF of a power switching element. CONSTITUTION:A MOS type FET includes a p-type channel layer 13 sandwiched between an n-type source layer 14 and an n-type drain layer 15, and a gate electrode 17 formed on them with a dielectric layer 16 interposed therebetween. Internal layers 3 and 4, having impurity concentrations raised stepwise, are formed in the vicinity of the junction surface 2 between the channel layer 13 and the drain layer 15. A substrate electrode 18 of the channel layer 13 is connected to the electrode of the source layer 14 by an electric conductor. When a current, passing from a drain 20d to a source 20s, is interrupted by lowering the voltage of a gate 20g to zero, the power loss is reduced by storing a given amount of electric charge into the internal layers 3 and 4, and by delaying, stepwlse, the increase of the voltage applied to the channel that is in a semi- conducted state until all of the carriers inside the channel layer 13 substantially disappear.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、電力のスイッチングに
おける過渡現象による損失を低減するゼロクロス・スイ
ッチング素子に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a zero-cross switching element which reduces loss due to a transient phenomenon in power switching.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、スイッチングレギュレータ、DC
−DCコンバータ、インバータ等の高速度スイッチング
に用いられるパワーMOS型FET(電界効果型トラン
ジスタ)は、導通時には素子を通過する電流は大きい
が、素子内における電圧降下は微小である。また、遮断
時には素子に加わる電圧は大きいが、素子を通過する電
流が微小である。このため、制御する電力と比較して素
子自体での損失電力は小さく、発熱量が少ないために小
型軽量である。
2. Description of the Related Art Conventionally, switching regulators and DC
A power MOS FET (field effect transistor) used for high-speed switching such as a DC converter or an inverter has a large current passing through the element when it is conductive, but has a small voltage drop in the element. Further, the voltage applied to the element at the time of interruption is large, but the current passing through the element is minute. Therefore, the power loss in the element itself is small as compared with the power to be controlled, and the heat generation amount is small, so that the device is small and lightweight.

【0003】このようなスイッチング素子をリアクタン
ス成分を有する素子と組合わせることにより、抵抗器や
パワートランジスタに代えて用いることができ、しかも
電力を熱として捨てることなく制御ができるため、抵抗
器を用いた電流制限器だけでなく、巻線型可変変圧器も
これに置き換えられつつある。更に、スイッチング素子
とリアクタンス素子或いは変圧器とを組合わせたコンバ
ータ等の装置は、スイッチング周波数を大きくすること
により、使用されているリアクタンス素子或いは変圧器
を小型、軽量化できるため、より高いスイッチング周波
数を用いた装置が次々に開発されている。
By combining such a switching element with an element having a reactance component, the switching element can be used in place of a resistor or a power transistor, and the power can be controlled without being discarded as heat. Therefore, the resistor is used. Not only the current limiter that was used, but also the wound variable transformer is being replaced. Further, in a device such as a converter in which a switching element and a reactance element or a transformer are combined, the reactance element or transformer used can be made smaller and lighter by increasing the switching frequency. Devices using are being developed one after another.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、スイッ
チング素子の動作には導通時と遮断時の切換時に過渡期
間が存在する。例えば、MOS型FETが導通から遮断
に移行する際には、図15に示すように、ドレイン電流
Idが減少を始める時刻t1に、ドレイン・ソース間電圧Vd
s が上昇し始め、ドレイン・ソース間電圧Vds が最高値
に達する時刻t2にドレイン電流Idが零になるため、時刻
t1から時刻t2の間にこのMOS型FET内で熱となる電
力損失Pswoffが生ずる。この電力損失Pswoffはドレイン
・ソース間電圧Vds とドレイン電流Idの積を時刻t1から
時刻t2まで時間で積分したものと等しい。
However, there is a transient period in the operation of the switching element during switching between conduction and interruption. For example, when the MOS type FET shifts from conduction to cutoff, as shown in FIG.
At time t1 when Id starts to decrease, drain-source voltage Vd
s starts to rise and the drain current Id becomes zero at time t2 when the drain-source voltage Vds reaches the maximum value.
Between t1 and time t2, power loss Pswoff, which becomes heat in the MOS type FET, occurs. This power loss Pswoff is equal to the product of the drain-source voltage Vds and the drain current Id integrated over time from time t1 to time t2.

【0005】また、遮断から導通に移行する際には、図
16に示すようにドレイン電流Idの増加と同時にドレイ
ン・ソース間電圧Vds が減少する。これらが始まる時刻
t3から終わる時刻t4まで、ドレイン電流Idとドレインソ
ース間電圧Vds の積を積分した値が、導通に移行する際
の電力損失Pswon である。従って、スイッチング損失Ps
w はPsw =Pswon +Pswoffとなり、1周期ごとにPsw の
損失を生ずることになる。このため、スイッチング周波
数が高くなると、スイッチング素子での損失が大きくな
り小型化が困難となる。
Further, when transitioning from interruption to conduction, as shown in FIG. 16, the drain-source voltage Vds decreases at the same time as the drain current Id increases. The time when these start
The value obtained by integrating the product of the drain current Id and the drain-source voltage Vds from the time t3 to the time t4 is the power loss Pswon at the time of transition to conduction. Therefore, switching loss Ps
w becomes Psw = Pswon + Pswoff, and Psw loss occurs every cycle. Therefore, when the switching frequency becomes high, the loss in the switching element becomes large and it becomes difficult to reduce the size.

【0006】この損失を減少するため、DC−DCコン
バータなどでは、トランスの1次巻線に電力を供給する
回路を共振回路とし、共振によってスイッチング素子に
流れる電流が零又は電圧降下が零となる時にスイッチン
グ素子の状態を切換える方式の、所謂共振コンバータが
主流となりつつある。しかし、共振を用いることで、取
り出す電力よりはるかに大きな電力を回路内で扱う必要
が生ずるため、各素子の定格が大きくなるという問題
や、高度な制御技術が要求される等の問題がある。
In order to reduce this loss, in a DC-DC converter or the like, the circuit that supplies power to the primary winding of the transformer is a resonant circuit, and the current flowing through the switching element is zero or the voltage drop is zero due to the resonance. A so-called resonance converter, which is a method of switching the state of a switching element at some time, is becoming mainstream. However, the use of resonance causes a problem that electric power much larger than the electric power to be taken out must be handled in the circuit, so that there is a problem that the rating of each element is increased and a high-level control technique is required.

【0007】本発明の目的は、上述の欠点を解消し、ス
イッチング素子におけるスイッチング時の過渡現象に伴
う損失を低減するゼロクロス・スイッチング素子を提供
することにある。
An object of the present invention is to provide a zero-cross switching element that solves the above-mentioned drawbacks and reduces the loss due to a transient phenomenon at the time of switching in the switching element.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明に係るゼロクロス・スイッチング素子は、少
なくともP、N何れかの領域においてPN接合面近傍の
薄い部分の不純物濃度を、略ステップ状に高くし、前記
PN接合面を隔てて前記薄い部分に隣接する他方の領域
の不純物濃度を高くしたPN接合ダイオードを、MOS
型FETのドレイン領域とチャンネル領域の境界を含む
PN接合面に設けたことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, a zero-cross switching element according to the present invention is configured so that the impurity concentration of a thin portion in the vicinity of a PN junction surface in at least one of P and N regions is set in a substantially stepwise manner. A PN junction diode in which the impurity concentration of the other region adjacent to the thin portion across the PN junction surface is increased by a MOS transistor.
It is provided on the PN junction surface including the boundary between the drain region and the channel region of the type FET.

【0009】[0009]

【作用】上述の構成を有するゼロクロス・スイッチング
素子は、オンからオフへのスイッチング時に、過渡的な
半導通状態における電流が一定電荷量だけドレイン・ソ
ース間PN接合に形成された電荷制限ダイオードの接合
容量に吸収されるために、スイッチング素子に加わる電
圧の急峻な上昇が一定時間だけ遅れ、スイッチング素子
における電力損失が少ない。
The zero-cross switching element having the above-mentioned structure is a junction of a charge limiting diode in which a current in a transient semi-conducting state is formed in the drain-source PN junction by a constant charge when switching from on to off. Since it is absorbed by the capacitance, the steep rise of the voltage applied to the switching element is delayed for a fixed time, and the power loss in the switching element is small.

【0010】[0010]

【実施例】本発明を図1から図14に図示の実施例に基
づいて詳細に説明する。図1は本発明で使用するPN接
合ダイオード1の構成図を示し、中心部においてPN接
合が形成され、両側に電極が取り付けられた半導体から
成っている。PN接合の接合面2はほぼ平面となってお
り、接合面2の両側は不純物濃度がほぼ同程度にステッ
プ状に高くされ、厚さが例えば0.1μm程度の内層
3、4が形成され、境界面5、6を挟んで、その外側は
不純物濃度がほぼ同程度に低く、厚さが数μm程度の中
間層7、8が形成されている。中間層7、8の外側に
は、オーム性接触を実現するために不純物濃度を特に高
くした外層9、10を挟んで、電極11、12が設けら
れている。内層3、中間層7、外層9は何れもP型半導
体であり、内層4、中間層8、外層10はN型半導体で
ある。従って、電極11がアノード1a、電極12がカ
ソード1kとなる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in FIGS. FIG. 1 shows a configuration diagram of a PN junction diode 1 used in the present invention, which is made of a semiconductor in which a PN junction is formed in a central portion and electrodes are attached to both sides. The junction surface 2 of the PN junction is substantially flat, and the impurity concentration is increased stepwise on both sides of the junction surface 2 to the same degree, and the inner layers 3 and 4 having a thickness of, for example, about 0.1 μm are formed. On the outer sides of the boundary surfaces 5 and 6, intermediate layers 7 and 8 having an impurity concentration as low as approximately the same and a thickness of about several μm are formed. Electrodes 11 and 12 are provided on the outer sides of the intermediate layers 7 and 8 with the outer layers 9 and 10 having a particularly high impurity concentration in order to realize ohmic contact interposed therebetween. The inner layer 3, the intermediate layer 7, and the outer layer 9 are all P-type semiconductors, and the inner layer 4, the intermediate layer 8, and the outer layer 10 are N-type semiconductors. Therefore, the electrode 11 becomes the anode 1a and the electrode 12 becomes the cathode 1k.

【0011】このPN接合ダイオード1の縦断面に沿っ
た不純物濃度分布は図2に示すようになっている。ここ
で、X5は内層3と中間層7との境界面5の座標、X2は接
合面2の座標、X6は内層4と中間層8との境界面6の座
標であり、縦軸は不純物濃度を示している。
The impurity concentration distribution along the vertical cross section of the PN junction diode 1 is as shown in FIG. Here, X5 is the coordinate of the boundary surface 5 between the inner layer 3 and the intermediate layer 7, X2 is the coordinate of the joining surface 2, X6 is the coordinate of the boundary surface 6 between the inner layer 4 and the intermediate layer 8, and the vertical axis is the impurity concentration. Is shown.

【0012】このPN接合ダイオード1に逆方向電圧Vr
を印加すると、電圧Vrが十分小さい時には接合面2を中
心に電圧Vrの平方根に比例した厚さの空乏層が内層3、
4内に生ずるが、空乏層の厚さはまた不純物濃度の平方
根に反比例するので、空乏層が境界面5、6の外側に達
すると印加電圧の増加に対する空乏層の拡がり方は急に
なる。このとき、空乏層中のN型領域はドナーイオンが
多いためにプラスに帯電し、P型領域はアクセプタイオ
ンが多いためにマイナスに帯電しているので、このダイ
オード1はコンデンサと見做すことができる。
A reverse voltage Vr is applied to the PN junction diode 1.
When the voltage Vr is sufficiently small, the depletion layer having a thickness proportional to the square root of the voltage Vr with the junction surface 2 as the center is formed on the inner layer 3,
4 occurs, the thickness of the depletion layer is also inversely proportional to the square root of the impurity concentration. Therefore, when the depletion layer reaches the outside of the boundary surfaces 5 and 6, the depletion layer spreads rapidly with respect to the increase of the applied voltage. At this time, the N-type region in the depletion layer is positively charged because there are many donor ions, and the P-type region is negatively charged because there are many acceptor ions. Therefore, the diode 1 should be regarded as a capacitor. You can

【0013】そして、PN接合ダイオード1に印加した
逆方向電圧Vrとダイオード1の接合容量Cjの関係は図3
に示す特性図のようになる。即ち、電圧Vrが増加すると
容量Cjは減少し、その減少の割合は一部で不連続に変化
する。空乏層の厚さが内層3、4の厚さに等しくなる電
圧を閾値電圧Vth とすると、電圧Vrの増加につれてVr<
Vth では容量Cjは少しずつ減少するが、Vr=Vth におい
て減少の割合が急増し、Vr>Vth では容量Cjは最初は急
激に減少し、逆方向電圧Vrの増加につれて容量Cjの減少
の割合は零に近付く。
The relationship between the reverse voltage Vr applied to the PN junction diode 1 and the junction capacitance Cj of the diode 1 is shown in FIG.
It becomes like the characteristic chart shown in. That is, when the voltage Vr increases, the capacitance Cj decreases, and the rate of decrease partially changes discontinuously. Assuming that the threshold voltage Vth is a voltage at which the thickness of the depletion layer is equal to the thickness of the inner layers 3 and 4, Vr <
The capacitance Cj gradually decreases at Vth, but the rate of decrease sharply increases at Vr = Vth. At Vr> Vth, the capacitance Cj decreases sharply at first, and the rate of decrease of the capacitance Cj increases as the reverse voltage Vr increases. It approaches zero.

【0014】PN接合ダイオード1は逆方向電圧を印加
すると充電され、電荷量が一定値Qo を超えると、電圧
が急激に立ち上がり、充電される電荷量がほぼ一定値Q
o に制限されるという電荷制限特性を有する。この電荷
量Qo は、Qo =eNXSから定まる。ただし、Sは接
合面の面積、Nは内層3、4での不純物濃度つまりN領
域でのアクセプタイオン濃度及びP領域でのドナーイオ
ン濃度であり、Xは内層3、4のそれぞれの厚さであ
る。そして、境界面5、6での不純物濃度の変化はでき
るだけ大きくかつ鋭く変化する方が、電荷制限特性は急
峻になる。
The PN junction diode 1 is charged when a reverse voltage is applied, and when the charge amount exceeds a constant value Q o , the voltage rises sharply and the charged charge amount is substantially constant value Q o.
It has a charge limiting property of being limited to o . This charge amount Q o is determined by Q o = eNXS. Here, S is the area of the junction surface, N is the impurity concentration in the inner layers 3 and 4, that is, the acceptor ion concentration in the N region and the donor ion concentration in the P region, and X is the thickness of each of the inner layers 3 and 4. is there. The charge limiting characteristic becomes steeper when the change in the impurity concentration at the boundary surfaces 5 and 6 is as large and sharp as possible.

【0015】なお、上述の例ではPN接合ダイオード1
の電極11、12の内側に、不純物濃度の特に高い層
9、10を設けたが、オーム性接触が得られればこれら
を除いたものとしてもよい。また、薄層3、4又は中間
層7、8は互いに濃度が等しくなくてもよく、薄層3、
4の厚さは必ずしも等しくなくてもよい。ただし、接合
容量Cjの変化を急峻にするには等しくすることが有効で
ある。
In the above example, the PN junction diode 1
Although the layers 9 and 10 having a particularly high impurity concentration are provided inside the electrodes 11 and 12 of the above, they may be removed if ohmic contact is obtained. Further, the thin layers 3 and 4 or the intermediate layers 7 and 8 may not have the same concentration as each other.
The thicknesses of 4 do not necessarily have to be equal. However, equalization is effective for making the change in the junction capacitance Cj steep.

【0016】この電荷制限ダイオード1は充電電荷が所
定の電荷量Qo に達すると急激に充電電流が減少するた
め、スイッチング特性を伴った遅延動作を実現すること
ができる。
In the charge limiting diode 1, the charge current sharply decreases when the charge reaches a predetermined charge amount Q o , so that the delay operation with switching characteristics can be realized.

【0017】図4は本発明に係るゼロクロス・スイッチ
ング素子の構成図を示し、P型チャンネル層13をN型
ソース層14とN型ドレイン層15で挟み、かつ絶縁層
16を介してゲート電極17を設けた構造を有するMO
S型FET20aの、P型チャンネル層13とN型ドレ
イン層15の接合面2の近傍に、電荷制限ダイオード2
0bが形成されている。つまり、P型チャンネル層13
は図1のP- 中間層7に相等し、接合面2の近傍には厚
さの薄いP+内層3が形成され、N型ドレイン層15は
接合面2に接してn+ 内層4が薄く形成され、その外側
がn- 中間層8に相等する。また基板電極18はソース
20sの電極に導体で接続されている。このような構成
のゼロクロス・スイッチング素子20は、通常のMOS
型FETと同様にソース20sに対してゲート20gに
正のゲート電圧Vgs を印加することにより、図5に静特
性を示すようにドレイン20dからソース20sにドレ
イン電流Idが流れる。また、ソース20sにドレイン2
0dに対して正の電圧を印加すれば、接合面2に形成さ
れた寄生ダイオードの順方向電流が基板電極18を経て
流れる。この寄生ダイオードは図1に示したPN接合ダ
イオード1と同じものであり、チャンネル層13が中間
層7、ドレイン層15が中間層8に相当し、回路図に表
現すると図6のようになる。このゼロクロス・スイッチ
ング素子20は、ゲート電圧Vgs を急速に零にすること
により導通から遮断に移行させた場合には、電荷制限ダ
イオード20bに電流が吸収、蓄積されるため、過渡期
間で半導通状態のFET20aには電流が流れず、この
時のスイッチング損失は殆ど生じない。また、電荷制限
ダイオード20bは非線形容量であるため、充電電荷が
所定値に達すると充電電流は急激に零になる。
FIG. 4 is a block diagram of a zero-cross switching element according to the present invention, in which a P-type channel layer 13 is sandwiched between an N-type source layer 14 and an N-type drain layer 15, and a gate electrode 17 is provided with an insulating layer 16 interposed therebetween. MO having a structure provided with
In the vicinity of the junction surface 2 between the P-type channel layer 13 and the N-type drain layer 15 of the S-type FET 20a, the charge limiting diode 2 is provided.
0b is formed. That is, the P-type channel layer 13
Is equivalent to the P intermediate layer 7 in FIG. 1, a thin P + inner layer 3 is formed in the vicinity of the joint surface 2, and the N-type drain layer 15 is in contact with the joint surface 2 and the n + inner layer 4 is thin. Formed and its outside corresponds to the n intermediate layer 8. The substrate electrode 18 is connected to the electrode of the source 20s by a conductor. The zero-cross switching element 20 having such a configuration is an ordinary MOS.
By applying a positive gate voltage Vgs to the gate 20g with respect to the source 20s similarly to the type FET, a drain current Id flows from the drain 20d to the source 20s as shown in the static characteristics in FIG. In addition, the source 20s drain 2
When a positive voltage is applied to 0d, the forward current of the parasitic diode formed on the junction surface 2 flows through the substrate electrode 18. This parasitic diode is the same as the PN junction diode 1 shown in FIG. 1, and the channel layer 13 corresponds to the intermediate layer 7 and the drain layer 15 corresponds to the intermediate layer 8. The circuit diagram shown in FIG. 6 is obtained. This zero-cross switching element 20 is in a semi-conducting state during a transient period because current is absorbed and accumulated in the charge limiting diode 20b when the gate voltage Vgs is rapidly set to zero to shift from conduction to cutoff. A current does not flow in the FET 20a, and switching loss at this time hardly occurs. Further, since the charge limiting diode 20b has a non-linear capacitance, the charging current rapidly becomes zero when the charging charge reaches a predetermined value.

【0018】図7は第1の実施例の断面構成図を示し、
リン(P)をドープした多結晶シリコンのゲート電極1
7を用いた縦型二重拡散MOS型FET20aのP型チ
ャンネル層13とN型ドレイン層15の境界のドレイン
電極層10に面する部分に高濃度の内層3、4を形成し
て電荷制限ダイオード20bを設け、ゼロクロス・スイ
ッチング素子20としている。導通時はP型チャンネル
層13のゲート電極17近傍に集まったキャリアによっ
て逆転層から成るチャンネルが形成され、N型領域がつ
ながるためN型ドレイン層15からN型ソース層14に
電流が流れるが、ゲート電圧Vgs が下がると、キャリア
はゲート電極近傍から離れ、P+ 内層3に引き寄せら
れ、接合面2の逆バイアスによって内層3、4内に形成
された空乏層の周囲に、電荷が蓄積される。この電荷に
よる電位が殆ど上昇しないうちに、P型チャンネル層1
3のキャリアは殆ど消えて、FET20aは遮断状態と
なる。この後、内層3、4内の空乏層は、内層3、4の
全域に拡がり、その後は不純物濃度が低い領域であるチ
ャンネル層13とドレイン層15に拡がるので、急速に
静電容量が減少し、ドレイン・ゲート間電圧つまりドレ
イン・ソース間電圧Vds は急峻に立ち上がる。
FIG. 7 is a sectional view of the first embodiment.
Gate electrode 1 of polycrystalline silicon doped with phosphorus (P) 1
Of the vertical double-diffused MOS FET 20a using the high-concentration inner layer 3 and 4 at the boundary between the P-type channel layer 13 and the N-type drain layer 15 facing the drain electrode layer 10 The zero-cross switching element 20 is provided with 20b. When conducting, a channel composed of an inversion layer is formed by the carriers gathered in the vicinity of the gate electrode 17 of the P-type channel layer 13, and the N-type region is connected, so that a current flows from the N-type drain layer 15 to the N-type source layer 14. When the gate voltage Vgs is lowered, the carriers are separated from the vicinity of the gate electrode and are attracted to the P + inner layer 3, and charges are accumulated around the depletion layers formed in the inner layers 3 and 4 by the reverse bias of the junction surface 2. .. Before the potential due to this charge rises almost, the P-type channel layer 1
The carriers of No. 3 almost disappear, and the FET 20a is cut off. After that, the depletion layer in the inner layers 3 and 4 spreads over the entire area of the inner layers 3 and 4, and thereafter spreads to the channel layer 13 and the drain layer 15 which are regions having a low impurity concentration, so that the capacitance rapidly decreases. , The drain-gate voltage, that is, the drain-source voltage Vds rises sharply.

【0019】図8は第2の実施例を示し、U溝MOS型
FET20aのP型チャンネル層13とN型ドレイン層
15の境界に内層3、4を形成して電荷制限ダイオード
20bを設け、ゼロクロス・スイッチング素子20を構
成したものである。チャンネルはU溝の側面に沿って形
成されるため、内層3、4はこれを避けてU溝から離れ
た位置に設けられている。このような形状でもゼロクロ
ス・スイッチング素子を形成することができる。
FIG. 8 shows the second embodiment, in which the inner layers 3 and 4 are formed at the boundary between the P-type channel layer 13 and the N-type drain layer 15 of the U-groove MOS FET 20a to provide the charge limiting diode 20b and to achieve zero cross. The switching element 20 is configured. Since the channel is formed along the side surface of the U groove, the inner layers 3 and 4 are provided apart from the U groove while avoiding this. A zero-cross switching element can be formed even with such a shape.

【0020】次に、本発明に基づくゼロクロス・スイッ
チング素子20の回路中での使用方法を説明する。図9
は他励型の半波部分共振DC−DCコンバータの主要部
を示し、ゼロクロス・スイッチング素子20を主スイッ
チング素子として用いている。FET20aのドレイン
20dは磁気ヒステリシス特性が角形の環状コアに導線
を通した飽和リアクタ21を介して、トランス22の1
次巻線22aの終端に接続されている。また、1次巻線
22aの終端はダイオード23とクランプコンデンサ2
4を介してソース20sに接続され、ダイオード23の
アノード側が1次巻線22aに結線されている。ドレイ
ン20dには飽和リアクタ21と1次巻線22aを介し
て直流電源26の正極が接続され、ソース20sに直流
電源26の負極が接続され、ゲート20gとソース20
sの間に加える電圧によりFET20aがスイッチング
動作する。
Next, a method of using the zero-cross switching element 20 according to the present invention in a circuit will be described. Figure 9
Shows the main part of the separately excited half-wave partial resonance DC-DC converter, and uses the zero-cross switching element 20 as the main switching element. The drain 20d of the FET 20a is connected to one of the transformer 22 through a saturation reactor 21 in which a conductor is passed through an annular core having a rectangular magnetic hysteresis characteristic.
It is connected to the end of the secondary winding 22a. The terminal of the primary winding 22a is connected to the diode 23 and the clamp capacitor 2
4 to the source 20s, and the anode side of the diode 23 is connected to the primary winding 22a. The drain 20d is connected to the positive electrode of the DC power supply 26 via the saturation reactor 21 and the primary winding 22a, the source 20s is connected to the negative electrode of the DC power supply 26, and the gate 20g and the source 20 are connected.
The FET 20a performs a switching operation by the voltage applied during s.

【0021】クランプコンデンサ24のダイオード23
側がトランス22のもう1つの1次巻線であるリセット
巻線22bと、もう1つのMOS型FET27を介して
直流電源26の正極に接続されていて、FET27のド
レイン27dがリセット巻線22bの巻き始めに結線さ
れ、ソース27sが直流電源26の正極に結線されてい
る。そして、FET20aのゲート20gとFET27
のゲート27gには、互いに逆相の制御信号が印加され
るようになっている。トランス22にはギャップ入りの
鉄心が用いられており、2次巻線22cには平滑回路が
接続されている。即ち、2次巻線22cの巻き始めには
ダイオード28のアノードが接続され、終端にはダイオ
ード29のアノードと負極出力端子30及びコンデンサ
31の負極が接続されている。そして、ダイオード2
8、29のカソードは共にチョークコイル32の一端に
結線され、チョークコイル32の他端は正極出力端子3
3及びコンデンサ31の正極に接続している。
Diode 23 of clamp capacitor 24
The side is connected to the positive winding of the DC power supply 26 via the reset winding 22b, which is the other primary winding of the transformer 22, and another MOS FET 27, and the drain 27d of the FET 27 is the winding of the reset winding 22b. First, the source 27s is connected to the positive electrode of the DC power supply 26. Then, the gate 20g of the FET 20a and the FET 27
Control signals of opposite phases are applied to the gate 27g of the. An iron core with a gap is used for the transformer 22, and a smoothing circuit is connected to the secondary winding 22c. That is, the anode of the diode 28 is connected to the winding start of the secondary winding 22c, and the anode of the diode 29, the negative output terminal 30, and the negative electrode of the capacitor 31 are connected to the end. And the diode 2
Cathodes 8 and 29 are both connected to one end of the choke coil 32, and the other end of the choke coil 32 is the positive output terminal 3
3 and the positive electrode of the capacitor 31.

【0022】定常状態においては、FET20aがオン
になると1次巻線22aを通ってFET20aにドレイ
ン電流Idが流れ始める。このとき、図10に示すように
飽和リアクタ21の環状コアが飽和するまでの僅かな時
間だけ、ドレイン電流Idは極めて緩慢に増加し、この間
にソース20sとドレイン20dの間の抵抗値がほぼ零
まで降下するため、FET20aのオフからオンへの過
渡期間の電力損失は小さい。飽和リアクタ21に流れる
電流Idが或る一定値Ith まで増加すると、環状コアが飽
和するためインダクタンスが小さくなり、FET20a
及び1次巻線22aに流れる電流は急増する。このと
き、2次巻線22cに誘起される電圧はダイオード28
の順方向になるため、電流がチョークコイル32を通っ
てコンデンサ31に充電され、また負荷RLにも流れる。
FET20aがオンからオフに切換わる際にも、クラン
プコンデンサ24の電圧は殆ど降下しないため、それま
でのドレイン20dとソース20s間の電圧Vds の最大
値にほぼ等しい電圧Vcになっている。
In the steady state, when the FET 20a is turned on, the drain current Id starts flowing through the primary winding 22a to the FET 20a. At this time, as shown in FIG. 10, the drain current Id increases extremely slowly only for a short time until the annular core of the saturation reactor 21 is saturated, and the resistance value between the source 20s and the drain 20d is substantially zero during this period. Therefore, the power loss of the FET 20a during the transition period from OFF to ON is small. When the current Id flowing in the saturation reactor 21 increases to a certain constant value Ith, the annular core is saturated and the inductance becomes small.
Also, the current flowing through the primary winding 22a rapidly increases. At this time, the voltage induced in the secondary winding 22c is the diode 28
, The electric current is charged in the capacitor 31 through the choke coil 32 and also flows into the load RL.
Even when the FET 20a is switched from ON to OFF, the voltage of the clamp capacitor 24 hardly drops, and thus the voltage Vc is almost equal to the maximum value of the voltage Vds between the drain 20d and the source 20s up to then.

【0023】FET20aがオンの状態では、ドレイン
20dとソース20s間の抵抗値はほぼ零であり、時刻
t1から時刻t2までのオフになる過渡期間には徐々にこの
抵抗値が上昇してゆく。これは、FET20aの図示し
ないゲート電極直下に生じていた逆転層中のキャリア
が、ゲート電圧の低下に伴って拡散し消失するためであ
る。このとき、電荷制限ダイオード20bはコンデンサ
として作用し、1次巻線22aからの電流を分流するた
め、図11に示すように電圧Vds つまり電圧Vrは閾値電
圧Vth に達するまではあまり急速には上昇しない。この
間に、FET20aのキャリアの拡散が行われ、ドレイ
ン20dとソース20s間の抵抗値が高くなる。電荷制
限ダイオード20bは過渡期間の終わる頃に電圧Vrが閾
値電圧Vthに達し、その直後の時刻t2にはVrは急激に上
昇し電圧Vcに達する。このため、ダイオード23を通し
てクランプコンデンサ24に1次巻線22aからの電流
が流れ込む。
When the FET 20a is on, the resistance value between the drain 20d and the source 20s is almost zero, and
This resistance value gradually rises during the transition period from t1 to time t2 when it is turned off. This is because the carriers in the inversion layer, which were generated just below the gate electrode (not shown) of the FET 20a, diffuse and disappear as the gate voltage decreases. At this time, since the charge limiting diode 20b acts as a capacitor and shunts the current from the primary winding 22a, the voltage Vds, that is, the voltage Vr rises too rapidly until it reaches the threshold voltage Vth as shown in FIG. do not do. During this time, carriers of the FET 20a are diffused, and the resistance value between the drain 20d and the source 20s increases. In the charge limiting diode 20b, the voltage Vr reaches the threshold voltage Vth at the end of the transition period, and immediately after that, at time t2, Vr rapidly increases and reaches the voltage Vc. Therefore, the current from the primary winding 22a flows into the clamp capacitor 24 through the diode 23.

【0024】次に、FET27がオンになると、始めの
うちはリセット巻線22bに生じた誘導起電力により電
流は殆ど流れないが、1次巻線22aの電流が減少して
起電力が小さくなると、クランプコンデンサ24からリ
セット巻線22bを通ってリセット電流が流れ始める。
このとき、2次巻線22cには起電力が生じても、ダイ
オード28が逆極性のため電流が流れず、チョークコイ
ル32の慣性電流がフライホイールダイオード29を通
ってコンデンサ31に充電される。
Next, when the FET 27 is turned on, almost no current flows due to the induced electromotive force generated in the reset winding 22b at the beginning, but when the current in the primary winding 22a decreases and the electromotive force decreases. The reset current starts to flow from the clamp capacitor 24 through the reset winding 22b.
At this time, even if an electromotive force is generated in the secondary winding 22c, no current flows because the diode 28 has a reverse polarity, and the inertia current of the choke coil 32 is charged in the capacitor 31 through the flywheel diode 29.

【0025】FET27がオフになると1次巻線22a
に起電力が生じ、FET20aに逆電圧が加わるが、並
列に接続された電荷制限ダイオード20bに充電された
電荷の放電と、電荷制限ダイオード20bに順方向電流
が流れることにより高電圧にはならない。このとき、飽
和リアクタ21は逆電流によってコアのヒステリシスが
リセットされる。次に、FET20aがオンになるた
め、1次巻線22aに電流が流れ始める。
When the FET 27 is turned off, the primary winding 22a
A reverse voltage is applied to the FET 20a, but a high voltage does not occur due to the discharge of the charge stored in the charge limiting diode 20b connected in parallel and the forward current flowing through the charge limiting diode 20b. At this time, in the saturation reactor 21, the hysteresis of the core is reset by the reverse current. Next, since the FET 20a is turned on, a current starts to flow in the primary winding 22a.

【0026】このようにゼロクロス・スイッチング素子
20においては、FET20aのオンからオフへの過渡
期間に電圧Vds が低く保たれ、またオフからオンへの過
渡期間に電流が殆ど流れないため、ゼロクロス・スイッ
チング素子内でのスイッチング損失Psw は極めて少な
い。
As described above, in the zero-cross switching element 20, the voltage Vds is kept low during the transition period of the FET 20a from on to off, and almost no current flows during the transition period from off to on. The switching loss Psw in the device is extremely small.

【0027】図12は第2の実施例の他励型の半波部分
共振DC−DCコンバータの主要部を示し、同一基板上
にMOS型FET20a及び電荷制限ダイオード20b
を設け、これを並列に接続した主スイッチング素子であ
るゼロクロス・スイッチング素子20が、飽和リアクタ
21を介してトランス35の1次巻線35aの終端に接
続されている。1次巻線35aの巻始めには直流電源2
6の正極が接続され、ソース20sに直流電源26の負
極が接続され、ゲート20gとソース20sの間に加え
る電圧によりFET20aがスイッチング動作する。
FIG. 12 shows the main part of the separately excited half-wave partial resonance DC-DC converter of the second embodiment, in which a MOS type FET 20a and a charge limiting diode 20b are provided on the same substrate.
And a zero-cross switching element 20 which is a main switching element connected in parallel is connected to the terminal end of the primary winding 35a of the transformer 35 via a saturation reactor 21. The DC power source 2 is provided at the beginning of the winding of the primary winding 35a.
The positive electrode of 6 is connected, the negative electrode of the DC power supply 26 is connected to the source 20s, and the FET 20a performs a switching operation by the voltage applied between the gate 20g and the source 20s.

【0028】1次巻線35aの終端には、クランプコン
デンサ24とダイオード23が直列に接続され、ダイオ
ード23のカソードが直流電源26の負極に接続されて
いる。ダイオード23にはもう1つのMOS型FET2
7が並列に結線され、ソース27sがダイオード23の
アノードに、ドレイン27dがカソードに接続されてい
て、ゲート27gとソース27sの間に加える電圧によ
りFET27がスイッチング動作する。FET20aの
ゲート20gとFET27のゲート27gには、互いに
逆相の制御信号が印加されるようになっている。トラン
ス35の2次巻線35cには、第1の実施例と同様の構
成の整流回路及び平滑回路が接続されている。そして、
使用時には負極出力端子30と正極出力端子33に負荷
RLが接続される。
At the end of the primary winding 35a, a clamp capacitor 24 and a diode 23 are connected in series, and the cathode of the diode 23 is connected to the negative electrode of a DC power supply 26. Another MOS type FET2 is used for the diode 23.
7 are connected in parallel, the source 27s is connected to the anode of the diode 23, and the drain 27d is connected to the cathode, and the FET 27 performs a switching operation by the voltage applied between the gate 27g and the source 27s. Control signals of opposite phases are applied to the gate 20g of the FET 20a and the gate 27g of the FET 27. To the secondary winding 35c of the transformer 35, a rectifying circuit and a smoothing circuit having the same configuration as in the first embodiment are connected. And
Load the negative output terminal 30 and the positive output terminal 33 when using
RL is connected.

【0029】定常状態においてFET20aがオンにな
ると、1次巻線35aを通ってFET20aにドレイン
電流Idが流れ始める。このとき、図10に示すように飽
和リアクタ21が飽和するまでの僅かな時間だけ、ドレ
イン電流Idは極めて緩慢に増加しその後に環状コアが飽
和するため、飽和リアクタ21のインダクタンスが小さ
くなり、FET20a及び1次巻線35aに流れる電流
は急増する。このとき、2次巻線35cに誘起される電
圧は、ダイオード28の順方向になるため電流が流れ、
チョークコイル32を通ってコンデンサ31に充電さ
れ、また負荷RLにも流れる。
When the FET 20a is turned on in the steady state, the drain current Id starts to flow to the FET 20a through the primary winding 35a. At this time, as shown in FIG. 10, the drain current Id increases extremely slowly for a short time until the saturation reactor 21 is saturated, and thereafter the annular core is saturated, so that the inductance of the saturation reactor 21 becomes small and the FET 20a Also, the current flowing through the primary winding 35a rapidly increases. At this time, since the voltage induced in the secondary winding 35c is in the forward direction of the diode 28, a current flows,
The capacitor 31 is charged through the choke coil 32 and also flows to the load RL.

【0030】FET20aがオンの状態では、ドレイン
20dとソース20s間の抵抗値はほぼ零であり、オフ
になる時刻t1から時刻t2までの過渡期間には徐々にこの
抵抗値が上昇してゆく。このとき、電荷制限ダイオード
20bはコンデンサとして働き、1次巻線35aからの
電流を分流するため、図11に示すように電圧Vds は閾
値電圧Vth に達するまではあまり急速には上昇しない。
電荷制限ダイオード20bは過渡期間の終わる頃に電圧
Vrが閾値電圧Vth に達し、その直後の時刻t2にはVrは急
激に上昇しVcに達する。このため、ダイオード23を通
してクランプコンデンサ24に1次巻線35aからの電
流が流れ込む。このように、ゼロクロス・スイッチング
素子20では、電荷制限ダイオード20bの働きによっ
て、スイッチオフに伴う損失を極めて小さく抑制するこ
とができる。
When the FET 20a is on, the resistance value between the drain 20d and the source 20s is almost zero, and this resistance value gradually rises during the transition period from the time t1 to the time t2 when the FET 20a is turned off. At this time, the charge limiting diode 20b acts as a capacitor and shunts the current from the primary winding 35a, so that the voltage Vds does not rise very rapidly until it reaches the threshold voltage Vth, as shown in FIG.
The charge limiting diode 20b has a voltage at the end of the transient period.
Vr reaches the threshold voltage Vth, and immediately after that, at time t2, Vr rapidly rises and reaches Vc. Therefore, the current from the primary winding 35a flows into the clamp capacitor 24 through the diode 23. As described above, in the zero-cross switching element 20, the loss due to the switch-off can be suppressed to be extremely small by the action of the charge limiting diode 20b.

【0031】次に、FET27がオンになると、始めの
うちは1次巻線35aに生じた誘導起電力によりクラン
プコンデンサ24からは電流が流れないが、1次巻線3
5aの電流が零になると、クランプコンデンサ24から
逆向きに1次巻線35aを通ってリセット電流が流れ始
める。このとき、2次巻線35cには起電力が生じて
も、ダイオード28が逆極性のため電流が流れず、チョ
ークコイル32の慣性電流がフライホイールダイオード
29を通ってコンデンサ31に充電され、同時に負荷RL
にも流れる。
Next, when the FET 27 is turned on, no current flows from the clamp capacitor 24 due to the induced electromotive force generated in the primary winding 35a at first, but the primary winding 3
When the current of 5a becomes zero, the reset current starts to flow from the clamp capacitor 24 in the reverse direction through the primary winding 35a. At this time, even if an electromotive force is generated in the secondary winding 35c, no current flows because the diode 28 has a reverse polarity, and the inertia current of the choke coil 32 is charged in the capacitor 31 through the flywheel diode 29. Load RL
Also flows.

【0032】FET27がオフになると、1次巻線35
aに起電力が生じFET20aに逆電圧が加わるが、並
列に接続された電荷制限ダイオード20bに充電された
電荷の放電と、電荷制限ダイオード20bに順方向電流
が流れることにより高電圧にはならない。同時に、飽和
リアクタ21のコアがリセットされ、次にFET20a
がオンになるため、1次巻線35aに電流が流れ始め
る。
When the FET 27 is turned off, the primary winding 35
Although an electromotive force is generated in a and a reverse voltage is applied to the FET 20a, a high voltage does not occur due to discharge of electric charge charged in the charge limiting diode 20b connected in parallel and forward current flowing in the charge limiting diode 20b. At the same time, the core of the saturation reactor 21 is reset, and then the FET 20a
Is turned on, current starts to flow in the primary winding 35a.

【0033】上述の2つの他励型コンバータでは、何れ
も負荷電流が流れる場合にはFET20aがオフからオ
ンになる際に、トランス35のインダクタンスは殆ど働
かないため、主に飽和リアクタ21によって電流の増加
が遅らされ、スイッチオンに伴う損失を小さく抑制でき
る。
In the above two separately excited converters, when the load current flows, the inductance of the transformer 35 hardly works when the FET 20a is turned from OFF to ON, so that the saturation reactor 21 mainly supplies the current. The increase is delayed, and the loss due to switch-on can be suppressed to a small level.

【0034】図13はセンタタップ型スイッチングイン
バータ回路を示し、2つのゼロクロス・スイッチング素
子20、20とセンタタップ付きのトランス37を用い
て、プッシュプル方式により直流を絶縁された交流に変
換するものの主要部である。コアにギャップを入れてい
ない角型特性のトランス37には、1次巻線の両端に飽
和リアクタ21を介してそれぞれゼロクロス・スイッチ
ング素子20、20のドレイン20dが接続されてい
る。飽和リアクタ21は角型磁気ヒステリシス特性を有
する環状コアに導線を通すか、或いは導線を巻き付けた
ものである。1次巻線のセンタタップには直流電源26
の正極が接続されており、ゼロクロス・スイッチング素
子20、20のソース20sは直流電源26の負極に接
続されている。そして、2つのゼロクロス・スイッチン
グ素子20、20ではゲート20gとソース20sの間
に、互いに逆相の制御信号が信号源38、39から印加
されるようになっており、トランス37の2次巻線から
直流電源26と絶縁された交流電圧を得るようになって
いる。
FIG. 13 shows a center tap type switching inverter circuit, which is mainly used for converting a direct current into an insulated alternating current by a push-pull method using two zero-cross switching elements 20, 20 and a transformer 37 with a center tap. It is a department. To the transformer 37 having a rectangular characteristic with no core gap, the drains 20d of the zero-cross switching elements 20 and 20 are connected to both ends of the primary winding via saturation reactors 21, respectively. The saturation reactor 21 is formed by passing a conductor wire or winding a conductor wire on an annular core having a rectangular magnetic hysteresis characteristic. DC power supply 26 for the center tap of the primary winding
Of the zero-cross switching elements 20 and 20 is connected to the negative electrode of the DC power supply 26. In the two zero-cross switching elements 20, 20, control signals having opposite phases are applied from the signal sources 38, 39 between the gate 20g and the source 20s, and the secondary winding of the transformer 37 is applied. Is to obtain an AC voltage insulated from the DC power supply 26.

【0035】この回路では、2つのゼロクロス・スイッ
チング素子20、20は交互に同じ動作を行うので、一
方について動作を説明する。先ず、一方のFET20a
がオンの状態ではドレイン20dとソース20s間の抵
抗値はほぼ零であり、オフになる過渡期間においては徐
々にこの抵抗値が上昇してゆく。このとき、電荷制限ダ
イオード20bがコンデンサとしてトランス37からの
電流を吸収するため、図11に示すようにドレイン・ソ
ース間電圧Vds はあまり急速には上昇しない。過渡期間
の終わる頃に閾値電圧Vth に達し、その直後の時刻t2に
は急激に上昇し、電源電圧を超えてオーバーシュートを
起こすが、キャリアが殆ど消失しているためドレイン電
流Idは殆ど流れない。
In this circuit, the two zero-cross switching elements 20, 20 alternately perform the same operation, so the operation of one of them will be described. First, one FET 20a
In the ON state, the resistance value between the drain 20d and the source 20s is almost zero, and this resistance value gradually increases during the transition period in which the drain is off. At this time, since the charge limiting diode 20b functions as a capacitor to absorb the current from the transformer 37, the drain-source voltage Vds does not rise very rapidly as shown in FIG. The threshold voltage Vth is reached at the end of the transition period, and immediately after that, at time t2, it rises sharply and causes an overshoot exceeding the power supply voltage, but almost no carriers flow, so almost no drain current Id flows. ..

【0036】次に、トランス37の一次巻線を通して電
荷制限ダイオード20bが放電し、この電流により飽和
リアクタ21の環状コアがリセットされる。更に、回路
の動作状態によってはトランス37の慣性電流により、
電荷制限ダイオード20bが放電を終えた後に電荷制限
ダイオード20bの電圧が逆向きになる。しかし、電荷
制限ダイオード20bの順方向電圧であるため、電荷制
限ダイオード20bが導通し、電荷が蓄積しないためリ
ンギングが生ずることはない。
Next, the charge limiting diode 20b is discharged through the primary winding of the transformer 37, and this current resets the annular core of the saturation reactor 21. Furthermore, depending on the operating state of the circuit, due to the inertia current of the transformer 37,
After the charge limiting diode 20b has finished discharging, the voltage of the charge limiting diode 20b is reversed. However, since the voltage is the forward voltage of the charge limiting diode 20b, the charge limiting diode 20b conducts and no charge is accumulated, so ringing does not occur.

【0037】ここで、ゲート20gに正電圧が印加され
ると、FET20aはオフからオンに切換わって電荷制
限ダイオード20bは放電され、同時に直流電源26か
らトランス37を通ってFET20aにドレイン電流Id
が流れ始める。このとき、図10に示すように、飽和リ
アクタ21の環状コアが飽和するまでの僅かな時間だ
け、ドレイン電流Idは非常に緩慢に増加し、この間にソ
ース20sとドレイン20dの間の抵抗値がほぼ零まで
下がる。このため、FET20aのオフからオンへの過
渡期間の電力損失は小さい。飽和リアクタ21に流れる
電流Idが或る一定電流値Ith まで増加すると、環状コア
が飽和するためインダクタンスが小さくなり、その結果
としてゼロクロス・スイッチング素子20及びトランス
37に流れる電流は急増する。このとき、他方のゼロク
ロス・スイッチング素子20はオンからオフになるとこ
ろであり、このように2つのゼロクロス・スイッチング
素子20が交互に導通することにより、トランス37に
は方向の異なる磁束が交互に生じ、2次巻線に誘導起電
力が誘起され、絶縁された交流電圧が得られる。
When a positive voltage is applied to the gate 20g, the FET 20a is switched from off to on and the charge limiting diode 20b is discharged, and at the same time, the drain current Id from the DC power supply 26 through the transformer 37 to the FET 20a.
Begins to flow. At this time, as shown in FIG. 10, the drain current Id increases very slowly only for a short time until the annular core of the saturation reactor 21 is saturated, and the resistance value between the source 20s and the drain 20d is increased during this period. It drops to almost zero. Therefore, the power loss during the transition period from OFF to ON of the FET 20a is small. When the current Id flowing through the saturation reactor 21 increases to a certain constant current value Ith, the annular core is saturated and the inductance becomes small, and as a result, the current flowing through the zero-cross switching element 20 and the transformer 37 rapidly increases. At this time, the other zero-cross switching element 20 is about to be switched from on to off, and by alternately conducting the two zero-cross switching elements 20 in this manner, magnetic fluxes in different directions are alternately generated in the transformer 37, Induced electromotive force is induced in the secondary winding, and an insulated AC voltage is obtained.

【0038】なお、本発明に係るスイッチング回路は、
図9、図12、図13のようなインバータ回路だけでな
く多くのスイッチング回路に対しても有効である。図1
4は電熱線40の駆動電流のスイッチングをゼロクロス
・スイッチング素子20に行わせるものである。直流電
源26からの電流は、オンになる際には飽和リアクタ2
1によって増加が遅らされ、オフになる際の過渡期間に
は電荷制限ダイオード20bに吸収されるため、FET
20bにおいてスイッチング時の損失つまり発熱が低く
抑えられる。
The switching circuit according to the present invention is
This is effective not only for the inverter circuits shown in FIGS. 9, 12, and 13 but also for many switching circuits. Figure 1
Reference numeral 4 causes the zero-cross switching element 20 to switch the drive current of the heating wire 40. When the current from the DC power supply 26 is turned on, the saturation reactor 2
The increase is delayed by 1 and is absorbed by the charge limiting diode 20b during the transition period when the FET is turned off.
In 20b, loss at the time of switching, that is, heat generation is suppressed to a low level.

【0039】また、ゼロクロス・スイッチング素子20
のゲート20gに印加する電圧を矩形波として、PWM
制御により電力制御を行うことができる。或いは、単に
回路の遮断を行うためにゼロクロス・スイッチング素子
20を用いてもよい。
Further, the zero-cross switching element 20
The voltage applied to the gate 20g of the
Power control can be performed by control. Alternatively, the zero-cross switching element 20 may be used simply for breaking the circuit.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るゼロク
ロス・スイッチング素子は、MOS型FETの寄生ダイ
オードを電荷制限ダイオードに形成し、他の素子や回路
を用いることなく、スイッチ素子のオンからオフへの過
渡状態でのスイッチング損失を抑制することを可能とす
るものである。
As described above, in the zero-cross switching element according to the present invention, the parasitic diode of the MOS type FET is formed in the charge limiting diode, and the switch element is turned on and off without using other elements or circuits. It is possible to suppress the switching loss in the transient state to the.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】内蔵するPN接合ダイオードの構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a built-in PN junction diode.

【図2】内蔵するPN接合ダイオードの不純物濃度分布
の説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of an impurity concentration distribution of a built-in PN junction diode.

【図3】内蔵するPN接合ダイオードの電圧と接合容量
の特性図である。
FIG. 3 is a characteristic diagram of voltage and junction capacitance of a built-in PN junction diode.

【図4】ゼロクロス・スイッチング素子の構成図であ
る。
FIG. 4 is a configuration diagram of a zero-cross switching element.

【図5】入出力の静特性の説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of input / output static characteristics.

【図6】回路記号図である。FIG. 6 is a circuit symbol diagram.

【図7】第1の実施例の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of the first embodiment.

【図8】第2の実施例の断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of the second embodiment.

【図9】半波部分共振DC−DCコンバータへの適用例
の構成図である。
FIG. 9 is a configuration diagram of an application example to a half-wave partial resonance DC-DC converter.

【図10】オフからオンへの電圧と電流の変化の説明図
である。
FIG. 10 is an explanatory diagram of changes in voltage and current from off to on.

【図11】オンからオフへの電圧と電流の変化の説明図
である。
FIG. 11 is an explanatory diagram of changes in voltage and current from on to off.

【図12】半波部分共振DC−DCコンバータへの第2
の適用例の構成図である。
FIG. 12: Second half-wave partial resonance DC-DC converter
It is a block diagram of the application example of.

【図13】センタタップ型インバータへの適用例の構成
図である。
FIG. 13 is a configuration diagram of an application example to a center tap type inverter.

【図14】電熱線の駆動電流のスイッチングへの適用例
の構成図である。
FIG. 14 is a configuration diagram of an application example of switching of a driving current of a heating wire.

【図15】MOS型FETのターンオフ時の電流と電圧
の変化の説明図である。
FIG. 15 is an explanatory diagram of changes in current and voltage when the MOS type FET is turned off.

【図16】MOS型FETのターンオン時の電流と電圧
の変化の説明図である。
FIG. 16 is an explanatory diagram of changes in current and voltage when the MOS FET is turned on.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 PN接合ダイオード 1a アノード 1k カソード 2 接合面 3、4 内層 5、6 境界面 7、8 中間層 9、10 外層 11、12、17、18 電極 13 P型チャンネル層 14 N型ソース層 15 N型ドレイン層 16 絶縁層 20 ゼロクロス・スイッチング素子 20a、27 MOS型FET 20b 電荷制限ダイオード 21 飽和リアクタ 22、35、37 トランス 40 電熱線 1 PN junction diode 1a Anode 1k Cathode 2 Junction surface 3,4 Inner layer 5,6 Boundary surface 7,8 Intermediate layer 9,10 Outer layer 11, 12, 17, 18 Electrode 13 P-type channel layer 14 N-type source layer 15 N-type Drain layer 16 Insulating layer 20 Zero cross switching element 20a, 27 MOS type FET 20b Charge limiting diode 21 Saturation reactor 22, 35, 37 Transformer 40 Heating wire

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】 少なくともP、N何れかの領域において
PN接合面近傍の薄い部分の不純物濃度を、略ステップ
状に高くし、前記PN接合面を隔てて前記薄い部分に隣
接する他方の領域の不純物濃度を高くしたPN接合ダイ
オードを、MOS型FETのドレイン領域とチャンネル
領域の境界を含むPN接合面に設けたことを特徴とする
ゼロクロス・スイッチング素子。
Claim: What is claimed is: 1. An impurity concentration of a thin portion in the vicinity of a PN junction surface in at least one of P and N regions is increased in a substantially stepwise manner so that the thin portion is separated by the PN junction surface. A zero-cross switching element characterized in that a PN junction diode having a high impurity concentration in the other adjacent region is provided on a PN junction surface including a boundary between a drain region and a channel region of a MOS type FET.
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