JPH09232597A - ダイオード及び電力変換装置 - Google Patents

ダイオード及び電力変換装置

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JPH09232597A
JPH09232597A JP8040918A JP4091896A JPH09232597A JP H09232597 A JPH09232597 A JP H09232597A JP 8040918 A JP8040918 A JP 8040918A JP 4091896 A JP4091896 A JP 4091896A JP H09232597 A JPH09232597 A JP H09232597A
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正浩 長洲
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森  睦宏
Hideo Kobayashi
秀男 小林
Junichi Sakano
順一 坂野
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    • H01L29/861Diodes
    • H01L29/8611Planar PN junction diodes

Abstract

(57)【要約】 【課題】ダイオードの臨界di/dtを改善する。 【解決手段】p+ 導電型の半導体層11とアノード電極
16とが接触していない領域におけるアノード電極の後
退長Lを、n- 導電型の半導体層14内における正孔の
拡散長よりも長くする。 【効果】ターミネーション領域内のキャリア濃度が小さ
くなるため、リカバリー時にp+ 導電型の半導体層11
の端部に局所的な電流集中が起こらない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ダイオード及びダ
イオードを用いる電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】ダイオードにおいては、順方向電流が流
れている状態から急激に逆方向電圧が印加されると、し
ばらくの間逆方向に電流が流れる。これは、キャリアの
導電度変調によってダイオード内に蓄えられたキャリア
が、逆方向電圧の印加により外部に排出されるからであ
る。この逆方向電流はダイオードのリカバリー電流とい
われる。リカバリー電流のピーク値(Irp)は、順方向
から逆方向状態に移行するときの電流の時間変化(di
/dt)が急激になるほど大きくなる。
【0003】ダイオードはリカバリー時のdi/dtが
過大になると破壊する。一般的に、破壊に至るときのd
i/dtの値(以下、「臨界di/dt」と記す)は大
きいことが要求される。臨界di/dtの小さなダイオ
ードの場合、リカバリー時の破壊からダイオードを保護
するために、従来は主回路内にインダクタンスを挿入す
ることやダイオードといっしょに使用されるスイッチン
グ素子のスイッチング速度を抑えることによって、ダイ
オードに加わるdi/dtを制限している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、主回路にイン
ダクタンスを挿入すると、ダイオードのリカバリー時や
スイッチング素子のスイッチング時に発生する電圧が過
大になるため、ダイオードやスイッチング素子が破壊す
る。そのため、スナバ回路などの保護回路が必要であ
る。しかし、保護回路は部品点数を増加させるだけでな
く、電力損失を発生するので、電力変換装置の大型化や
変換効率の低下などの問題が起きる。
【0005】また、スイッチング素子のスイッチング速
度を緩やかにしてダイオードに加わるdi/dtを小さ
くするためには、スイッチング素子のターンオン時間を
長くする必要がある。ターンオン時間を長くすると、素
子のターンオン損失が増大するため、スイッチング周波
数の制限や素子を冷却するための冷却設備のコストが高
くなる。
【0006】本発明は、上記のような問題点を考慮して
なされたものであり、ダイオードの臨界di/dtの改
善、及びそれによる電力変換装置の変換効率の向上やコ
スト低減を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明のダイオードは、
pn接合を形成する第1半導体層および第2半導体層を
有し、それぞれに第1主電極および第2主電極が接続さ
れる。さらに、本ダイオードは、第2半導体層の平面方
向における端部から注入されるキャリアの濃度を低減す
る手段を有している。
【0008】具体的な1手段としては、第2半導体層と
第2主電極との接触領域と、第1半導体層と第2半導体
層とのpn接合部との距離を広くする。すなわち、第2
半導体層の端部における、第2主電極と第2半導体層が
接触しない領域を広くする。第2主電極と第2半導体層
が接触しない領域は第2主電極に比べ抵抗が大きいの
で、第2半導体層の端部に隣接するターミネーション領
域内に注入されるキャリアの量が低減する。このため、
リカバリー時に第2半導体層の端部における局所的な電
流集中が防止される。従って、リカバリー時にダイオー
ドが破壊しにくくなり、臨界di/dtが向上する。
【0009】具体的な他の手段としては、ダイオードの
ターミネーション領域付近のキャリアライフタイムをア
クティブ領域よりも短くする。これにより、ターミネー
ション領域でキャリアの再結合が速くなるため、ターミ
ネーション領域付近の第1半導体層内の蓄積キャリアが
低減する。このため、リカバリー時に第2半導体層の端
部における局所的な電流集中が防止され、臨界di/d
tが向上する。
【0010】さらに、IGBTなどのスイッチング素子
と本発明を実施したダイオードとからなる並列回路を有
する電力変換装置は、スイッチング素子をオン・オフす
るときにダイオードに流れる電流のdi/dtを少なく
とも2500A/μsまで大きくすることができるとい
う特徴を有する。本特徴によれば、電力変換装置に必要
なアノードリアクトルを低減あるいは除去できる。ま
た、本特徴によりスナバ回路などの保護回路を小さくす
ることができる。従って、電力変換装置の小型軽量化や
変換効率の向上が可能になる。
【0011】なお、本発明によれば、スイッチング素子
とダイオードとの並列回路を内蔵する耐圧4000V級
以上のモジュールを複数個有し、かつアノードリアクト
ルを備えないという新規な電力変換装置が実現できる。
本電力変換装置の構成は、電源電圧1500V程度以上
の高電圧電源で使用される大容量変換装置を小型軽量化
する。
【0012】
【発明の実施の形態】図1は本発明を実施したプレーナ
型ダイオードの鳥瞰図である。
【0013】ダイオードが阻止状態の時、n- 導電型の
半導体層14内に空乏層が広がるため電流は流れない。
アノード電極16にカソード電極17に対し正の電圧が
印加されるとき、p+ 導電型の半導体層11から正孔が
半導体層14に注入されるので電流が流れる。また、タ
ーミネーション部に部分的に設けられたp+ 導電型の半
導体層12は、阻止状態のときに、p+ 導電型の半導体
層11とn- 導電型の半導体層14との接合J1から伸
びる空乏層をダイオードの周辺部へ広げて、L部とター
ミネーション部の境界付近での電界集中を防止する。
【0014】ターミネーション領域はアクティブ領域と
L部を取り囲むように設けられる。絶縁膜13(例えば
SiO2 膜)は、L部またはターミネーション部の表面
付近に部分的に形成される。これにより、L部ではアノ
ード電極16がp+ 導電型の半導体層11に接すること
が防止され、ターミネーション部ではp+ 導電型の半導
体層12に接するように設けられる電極18がn- 導電
型の半導体層14に接するのが防止される。ターミネー
ション部に設けられた電極18は、p+ 導電型の半導体
層12の間で同心円状に分離される。最外周部の電極1
8は、n+ 導電型の半導体層19に接している。また、
- 導電型の半導体層14のカソード側表面にはn+ 導
電型の半導体層15があり、この半導体層15とカソー
ド電極17が接触する。n+ 導電型の半導体層15は、
順方向電圧が印加されたときに、n- 導電型の半導体領
域14に電子を注入する。
【0015】また、Lはp+ 導電型の半導体層11のタ
ーミネーション領域側の最周辺部と、アノード電極16
とp+ 導電型の半導体層11が接している部分の最周辺
部との距離(以下、「アノード電極の後退長」と記す)
である。なお、以下「アクティブ領域とターミネーショ
ン領域の境界」と記した場合、この「p+ 導電型の半導
体層11の最周辺部」と同じ意味を持つものとする。
【0016】図1のダイオードにおいては、アノード電
極16に正,カソード電極17に負の電圧が印加される
ときが順方向状態である。このとき、p+ 導電型の半導
体層11から正孔が、n+ 導電型の半導体層15から電
子が同時に注入され、n- 導電型の半導体層14内は、
キャリア濃度が高まって高注入状態になる。そのため、
- 導電型の半導体層14が低抵抗化し、低い順方向電
圧VF が得られる。これに対して、アノード電極16に
負,カソード電極17に正の電圧が印加されるとき、ダ
イオードは逆方向状態であり、静的には阻止状態にな
る。しかし、順方向状態から急激に逆方向状態の電圧が
印加されたときは、n- 導電型の半導体層14内に蓄え
られたキャリアのうち、正孔がp+ 導電型の半導体層1
1へ排出され、電子がn+ 導電型の半導体層15へ排出
される。このため、しばらくの間リカバリー電流が流れ
る。
【0017】順方向状態から逆方向状態への電圧の反転
速度が速くなると、すなわちdi/dtが大きくなる
と、キャリアの排出速度が急激になるため、n- 導電型
の半導体層14内で局所的な電流集中が発生する。本発
明者の検討によれば、ダイオードを破壊するような電流
集中は、アクティブ領域とターミネーション領域の境界
部で発生しやすい。以下詳述するように、本実施例は、
アクティブ領域とターミネーション領域の境界部にL部
を設けることにより電流集中を防止する。
【0018】図2は、図1のダイオードにおけるLと臨
界di/dtの関係について、本発明者が検討した結果
である。n-導電型の半導体領域14の不純物濃度は1.
8×1013cm-3、接合J1とJ2との距離は約400μ
mである。本ダイオードの逆方向耐圧は約4000Vで
ある。
【0019】ダイオードの臨界di/dtの大きさはア
ノード電極の後退長Lに大きく依存し、後退長Lが10
0μm以下では臨界di/dtが急激に低下する。例え
ば、Lが100μmの時のdi/dtは2500A/μ
sであるのに対し、10μmでは200A/μsと一桁
以上も低下する。臨界di/dtがアノード電極の後退
長Lに大きく依存する一要因は、n- 導電型の半導体層
14中での正孔の拡散長Lp にある。一般に、正孔n-
導電型の半導体領域14中の正孔の拡散係数及びライフ
タイムを、それぞれD及びτとすると、 Lp=√(D・τ) …(数1) という関係がある。ここで、「√( )」は( )内の
値の平方根を表す。図2の関係を示すダイオードにおい
ては、n- 導電型の半導体領域14の不純物濃度が2×
1013cm-3であるので、拡散係数Dは12cm2/s 程度
である。また、ライフタイムτは約8.3μs であるの
で、Lp は約100μmとなる。すなわち、臨界di/
dtが急激に低下するアノード電極の後退長Lがn-
電型の半導体領域14内における正孔の拡散長に一致す
る。
【0020】上記の検討結果は、アノード電極の後退長
Lを L≧Lp=√(D・τ) …(数2) を満足する範囲に設定すれば大きな臨界di/dtが実
現できることを示している。
【0021】しかしながら、Lを大きくすることはダイ
オードのアクティブ領域を狭めるので、順方向電圧降下
が大きくなって電力損失が増加する。したがって、アク
ティブ領域の面積がターミネーション領域を除くダイオ
ードの総面積の30%程度になるような値をアノード電
極の後退長Lの上限とすることが望ましい。
【0022】図2は、耐圧4000Vのダイオードにつ
いての結果であるが、本発明者は他の耐圧クラスのダイ
オードについても検討し、同様の結果を得ている。具体
的に、大きな臨界di/dtが得られる後退長Lは、耐
圧200V級では24μm以上,耐圧600V級では3
2μm以上,耐圧1200V級では44μm以上,耐圧
2000V級では60μm以上,耐圧3300V級では
86μm以上,耐圧4000V級では100μm以上,
耐圧5000V級では120μm以上である。前記後退
長L(μm)は、耐圧をVB (V)とすると、 L≧0.02VB+20 …(数3) で表わされ、前記式(数3)を満たすようにLを設定す
れば、大きな臨界di/dtが実現できる。なお、これ
らのダイオードの順方向電圧は、電流密度100A/cm
2 付近において耐圧200V級では1.2V〜1.5V,
耐圧600Vでは1.5V〜1.8V,1200V〜20
00V級では1.8V〜2.5V,耐圧2000V級以上では
2.5V〜4V 程度である。
【0023】ところで、耐圧が約100Vを越える高耐
圧のダイオードでは、正孔の拡散長のみならず導通状態
における順方向電圧VF もキャリアのライフタイムに大
きく依存する。さらに、高耐圧になるほど、n- 導電型
の半導体層14が厚くなるため、VF が大きくなる。そ
こで、本発明者は、順方向電圧VF とn- 導電型の半導
体層14における正孔の拡散長Lp および半導体層14
の厚さWn -との間には何らかの関係があるものと予測
し、その関係を検討した。
【0024】図3は、電流密度100A/cm-2における
順方向電圧VF と、n- 導電型の半導体層14内の正孔
の拡散長Lp と半導体層14の厚さWn -の比との関係を
示す。本関係は、耐圧が100V以上のダイオードにつ
いて成立する。なお、p+ 導電型の半導体層11及びn
+ 導電型の半導体層15の不純物分布は、従来のプレー
ナダイオードに用いられる範囲のものである。典型的に
は、p+ 導電型の半導体層11については、ピーク濃度
1018cm-3程度,深さ10〜15μm,n+ 導電型の半
導体層15については、ピーク濃度1019〜1020cm-3
程度,深さ10〜20μmである。
【0025】本図は、順方向電圧VF とn- 導電型の半
導体層の厚さWn -を設定すれば、正孔の拡散長Lp が求
められることを示している。例えば、n- 導電型の半導
体層14の厚さが200μmで順方向電圧VF が2Vの
ダイオードの場合、図3からVFが2VとなるLp/Wn -
は0.28 であるので、正孔の拡散長Lp は、 Lp=0.28×200=56μm となる。従って、この値以上にアノード電極の後退長L
を設定すれば、式(数2)で示した範囲にLが設定でき
る。図3の関係を用いれば、ライフタイムから拡散長L
を求めることなく、所望の順方向電圧VF とn-
電型の半導体層14の厚さWn -から、大きな臨界di/
dtを得るためのアノード電極の後退長Lが設定でき
る。
【0026】図4は、本発明者が、リカバリー時におけ
るダイオード内部での電流分布を検討した結果を示す。
図4(a)はリカバリー時の電流と電圧の波形を示し、
図4(b)と図4(c)はリカバリー電流のピーク値
(Irp)におけるダイオード内部での電流分布である。
図4(b)は図1の実施例の場合であり、アノード電極
の後退長Lは400μmである。また図4(c)は、従
来ダイオードの場合であり、Lは10μmである。な
お、各場合とも、耐圧は4000V級,n- 導電型の半
導体層14の不純物濃度は1.8×1013cm-3,同半導
体層の厚さ(接合J1とJ2間の距離)は400μmで
ある。リカバリー時のdi/dtは1500A/μsで
ある。
【0027】本発明を実施したダイオードでは、アクテ
ィブ領域とターミネーション領域の境界部での電流集中
は認められず、一様な電流分布が得られている。これに
対して、従来ダイオードでは、リカバリー時にアクティ
ブ領域とターミネーション領域の境界部に電流が集中し
ている。このように、本発明を実施したダイオードの電
流分布は、従来とは全く異なっている。
【0028】図5は、本発明の他の実施例におけるアノ
ード電極16の平面パターンを示す。領域52におい
て、アノード電極16はp+ 導電型の半導体層11に接
触している。また領域51は、アノード電極16はp+
導電型の半導体層11に接触していない領域、すなわち
アノード電極が後退している領域である。図5(a)で
は、領域52の角部が曲線になっており、かつ領域51
の幅が、直線部分よりも角部で広くなっている。また、
図5(b)では、領域52の角部が直線状であり、領域
51部の幅は図5(a)と同様に角部で広くなってい
る。すなわち、図5(a)および図5(b)のダイオー
ドにおいては、角部でのアノード電極の後退長LR が、
直線部分での後退長LS よりも広い。そして、少なくと
もLR が上式(数2)を満たしている。
【0029】リカバリー時の電流集中は特に角部で発生
しやすいため、上記角部(LR )のみが上式(数2)を
満たす場合でも、臨界di/dtが向上する。なお、L
S も上式(数2)を満たしていれば、さらにいっそう高
い臨界di/dtが得られる。
【0030】なお、LR ,LS が上式(数2)を満たし
ていない場合でも、LR >LS であれば、本実施例ほど
ではないがLR =LS の場合よりも臨界di/dtが向
上する。
【0031】図6は、本発明の他の実施例を示す。本実
施例は、アクティブ領域でp+ 導電型の半導体層61と
- 導電型の半導体層62が交互に配置されるダイオー
ドである。このダイオードの動作原理は、特開平3−250
670 号公報で述べられている。アクティブ領域に設けら
れたp- 導電型の半導体層62は、表面付近の不純物濃
度が1016cm-3程度、その深さは50〜100nm程度
で、アノード電極とショットキー接合を形成している。
- 導電型の半導体層62は、通常、AlSiなどでア
ノード電極16を形成した後、数100℃の熱処理によ
りAlSi中のAlをn- 導電型の半導体層に拡散して
形成する。
【0032】また、p+ 導電型の半導体層61とp-
電型の半導体層62が交互に配置された領域とターミネ
ーション領域との境界には、p+ 導電型の半導体層63
が設けられている。p+ 導電型の半導体層63における
アノード電極の後退長Lが、図1の実施例と同様に上式
(数2)を満たしている。カソード電極側およびターミ
ネーション領域は、図1の実施例と同様の構造を有す
る。
【0033】p- 導電型の半導体層62は不純物濃度が
低いため、カソード電極側から移動してきた電子はp-
導電型の半導体層62を通り抜けやすい。このため、n
- 導電型の半導体層内においてリカバリー電流の大きさ
を決める主たる要因となるアノード電極側のキャリア濃
度が低減される。従って、リカバリー電流のピーク値I
rpが小さくなる。
【0034】しかしながら、アノード電極16とp+ 導
電型の半導体層63との接触領域の寸法LA が広くなる
と、p+ 導電型の半導体領域63からn- 導電型の半導
体層への正孔注入が促進されるため、アノード電極16
側でのキャリア濃度が増加し、結果的にリカバリー時の
電流ピークIrpが大きくなる。そのため、LA は、あま
り大きくならないようにすることが望ましい。本実施例
では、LA はアクティブ領域に部分的に設けられたp+
導電型の半導体層61とアノード電極との接触領域の寸
法LB と同等にしている。このためアクティブ領域内で
のキャリア密度が一様となる。従って、Irpは増加しな
い。
【0035】図7は、さらに異なる他の実施例を示す。
本実施例では、アノード電極A側の構造は図1の実施例
と同様であるが、カソード電極K側において、n+ 導電
型の半導体領域15中にp+ 導電型の半導体層71が部
分的に設けられている。
【0036】このダイオードにおいては、アノード電極
Aをカソード電極Kに対し負に印加したとき、n- 導電
型の半導体層14とp+ 導電型の半導体層11との接合
界面J1から広がる空乏層が、J1付近でアバランシェ
降伏が発生する電圧よりも低い電圧でカソード電極K側
のn- 導電型の半導体層14とp+ 導電型の半導体層7
1との接合J3に到達する。空乏層がJ3接合に到達す
る電圧値をV1 とすると、V1 で逆方向電流が緩やかに
流れ出す。さらに電圧を増大すると、p+ 導電型の半導
体層71からn- 導電型の半導体層14へ注入された正
孔が接合J1付近でアバランシェ降伏を発生させる。そ
のため、このときの電圧値をV2 とすると、V2 で電流
が急激に増大する。このような逆方向出力特性は、ダイ
オードのリカバリー時の過大電圧の発生および電磁ノイ
ズの発生を低減する効果を発揮する。以下これについて
説明する。
【0037】ダイオードは、それと直列にインダクタン
ス成分(リアクトルまたは配線のインダクタンス)が存
在する回路で使用される。そのため、ダイオードのリカ
バリー電流は、ダイオードと直列に接続されたインダク
タンス中にも流れる。リカバリー電流は、n- 導電型の
半導体層中のキャリア濃度の低下とともに、そのピーク
値Irpを過ぎると急激に減少するため、インダクタンス
によってダイオードの逆方向電圧が電源電圧以上に急増
する。この逆方向電圧が過大になると、ダイオードの破
壊や電磁ノイズが発生する。しかし、本実施例のダイオ
ードの場合、第1の逆方向電圧値V1 で電流が緩やかに
流れ出すために、リカバリー電流の減少速度が小さくな
り、インダクタンスによる高電圧と電磁ノイズの発生が
防止できる。
【0038】カソード側にp+ 導電型の半導体層71層
を設けると、リカバリー時にアクティブ領域とターミネ
ーション領域の境界部付近に集中する正孔は、ターミネ
ーション領域内に蓄えられた正孔だけでなく、p+ 導電
型の半導体層71から注入される正孔も加わる。そのた
め、境界部において電流集中が発生しやすい。しかしな
がら、本実施例においては、p+ 導電型の半導体層11
におけるアノード電極Aの後退長Lが上式(数2)を満
足しているので、電流集中が防止される。
【0039】本実施例では、電流集中を緩和するため
に、p+ 導電型の半導体層71をアノード電極を後退さ
せる領域およびターミネーション領域には設けていな
い。
【0040】図8は本発明の他の実施例の断面図を示
す。本実施例においては、ターミネーション領域付近8
1のキャリアライフタイムをアクティブ領域82のそれ
と異なるようにするものである。具体的には、ターミネ
ーション領域付近81のライフタイムをアクティブ領域
のそれより短くする。アノード電極の後退領域は、ライ
フタイムの短い領域81内に含まれている。アノード電
極の後退長Lは上式(数2)の関係を満たしている。本
実施例では、ターミネーション領域のキャリアライフタ
イムを小さくすることで、ターミネーション領域中のキ
ャリア密度を小さくしているので、前述の実施例より短
いアノード電極の後退長Lで、大きな臨界di/dtが
得られる。
【0041】なお、アクティブ領域の内ライフタイムを
短くする範囲、つまり図8のL1 で示した範囲は、領域
81内のキャリアライフタイムで決まる正孔の拡散長の
2倍程度がよい。しかし、ターミネーション領域のキャ
リアライフタイムをあまり短くしすぎると、ライフタイ
ムを短くするための加工時間(例えば電子線の照射時
間)や逆方向電圧印加時のリーク電流が増加する。この
点を考慮すると、正孔の拡散長Lp をあまり短くするこ
とは好ましくなく、拡散長が10μm程度になるキャリ
アのライフタイムすなわち0.08μs 程度を下限とす
ることがよい。
【0042】図9は、ダイオードの厚さ方向の一部分の
ライフタイムを短くする実施例である。
【0043】図9(a)は、ダイオードのアノード電極
A側のライフタイムを部分的に短くする実施例である。
リカバリー時にアクティブ領域とターミネーション領域
の境界部に集中するキャリアは、主にターミネーション
領域のアノード電極側付近に蓄積されるキャリアであ
る。本実施例によれば、n- 導電型の半導体層内におい
てアノード電極側付近のライフタイムを短くしているの
で、該付近に蓄積されるキャリア密度を低減できる。
【0044】本実施例では、図8の実施例に比べ正孔が
ターミネーション領域内に注入されやすいので、LとL
1は十分大きく設定される。具体的には、LおよびL
1は、それぞれキャリアライフタイムを部分的に短くし
た領域91内における正孔の拡散長Lp の2倍程度およ
び4倍程度にする。さらに、逆電圧印加時のリーク電流
を増加させないために、ライフタイムの短い領域91と
J1接合との距離は50μm程度にするのが望ましい。
【0045】図9(b)はカソード電極側の一部にライ
フタイムの短い領域92を設けた実施例である。本実施
例でもターミネーション領域中のキャリア濃度を低減で
き、これまでの実施例と同様に臨界di/dtが大きく
なる。本実施例は、ライフタイムの低減部がカソード領
域側にあるため、リーク電流の増加がほとんどない。こ
のため、図9(a)の実施例以上に領域92のライフタ
イムを短くすることが可能である。従って、本実施例は
リーク電流を増加させることなくターミネーション領域
のキャリア濃度を低くでき、かつ後退長Lを短くでき
る。ここで、L,L1 の範囲は、図9(a)と同等に設
定する。
【0046】なお、図9の実施例のように、厚さ方向に
対し部分的にライフタイムを制御する技術としては公知
のプロトン注入法がある。
【0047】以上、いくつかの実施例を示したが、本発
明において、ターミネーションの構造はここで示した実
施例の構造に限定されるものでない。さらに、以上の実
施例において、p導電型とn導電型は逆になってもよ
い。
【0048】図10は、本発明を実施したダイオードを
使用する電力変換装置の一例を示す。本実施例は、三相
誘導電動機駆動用のインバータ装置である。
【0049】2個のスイッチング素子(例えばIGBT
11とIGBT12)が直列に接続されている。また、それ
ぞれのスイッチング素子にはフリーフォイールダイオー
ドDF が並列に接続されている。さらに、それぞれのス
イッチング素子には、スイッチング時の急激な電圧の上
昇からスイッチング素子を保護するために、いわゆるス
ナバ回路Sが並列に接続されている。このスナバ回路は
ダイオードDS と抵抗RS の並列接続回路にコンデンサ
S を直列に接続したものである。各相における2個の
スイッチング素子の接続点は、それぞれ交流端子T3
4 ,T5 に接続される。各交流端子に三相誘導電動機
が接続される。上アーム側のスイッチング素子のアノー
ド端子は3個とも共通であり、直流端子T1 において直
流電圧源の高電位側と接続されている。下アーム側のス
イッチング素子のカソード電極は3個とも共通であり直
流端子T2 において直流電圧源の低電位側と接続されて
いる。本インバータ装置においては、各スイッチング素
子のスイッチングにより直流を交流に変換することによ
り、三相誘導電動機を駆動する。
【0050】図11は、図10のインバータ装置の動作
を説明するための図である。図11(a)の回路は、図
11の回路の中から一相分を抜き出し、かつ上アームの
スイッチング素子IGBTと下アームのフリーフォイー
ルダイオードDF を省略して記載している。また、イン
ダクタンスLM は三相誘導電動機のインダクタンス、L
S は図10の例えばLS11に相当する。
【0051】図11(a)において、DF は本発明を適
用したダイオードであり、これと直列に、スイッチング
素子IGBT,インダクタンスLA ,直流電源E1 が接
続されている。また、フリーフォイールダイオードDF
とスイッチング素子IGBTには、それぞれスナバ回路
が、スナバインダクタンスLS を介して並列に接続され
る。スナバ回路は、スナバ抵抗RS とスナバダイオード
S からなる並列回路と、これにスナバコンデンサCS
が直列に接続される。さらに、図11(b)は、図11
(a)の回路の主要部分の電流・電圧波形を示す。電圧
と電流の記号は図11(a)中の記号と一致している。
【0052】時刻t1で、ゲート信号VG に負の電圧を
印加してスイッチング素子IGBTをオフ状態にする
と、IGBTを流れる電流IIは急激に減衰する。しか
し、主回路中のインダクタンスLA と負荷のインダクタ
ンスであるLM をも流れる電流は、急激に減少すること
ができない。LM にはフリーフォイールダイオードDF
が接続されているので、LM を流れていた電流はフリー
フォイールダイオードを電流ID として流れ続ける。こ
のとき電流ID は順方向電流として流れるため、LM
主電極間の電圧はダイオードのオン電圧程度の数Vとい
う低い値になる。これに対し、主回路のインダクタンス
A を流れていた電流はIGBTによって急激に遮断さ
れるため、IGBTのコレクタ電圧VIGを増大させ、I
GBTに過大な電圧を発生させる。これを防止するため
に、図11(a)に示すようにスイッチング素子と並列
にスナバ回路を接続し、高電圧を制限する。
【0053】次に、時刻t2で、ゲート信号VG に正の
電圧を印加するとIGBTはオン状態になり、フリーフ
ォイールダイオードを流れていた電流ID は減少しはじ
め、ついには負の方向(カソード電極Kからアノード電
極Aに向かう方向)にリカバリー電流が流れる。このリ
カバリー電流は、ダイオードの内部に蓄えられたキャリ
アによって流れるため、そのピーク値Irpを過ぎた後は
キャリア量の低下とともに零に向かって電流の絶対値が
減少する。ダイオードのリカバリー電流は主回路インダ
クタンスLA にも流れるので、その絶対値の減少に伴っ
て、高電圧がダイオードに印加される。この場合も、フ
リーフォイールダイオードと並列接続されたスナバ回路
が、ダイオードの主端子間に発生する高電圧を防止す
る。
【0054】ところで、フリーフォイールダイオードの
電流が順方向から逆方向で変化する時間変化の大きさ、
すなわち図11(b)に示すdi/dtは、主回路内に
存在するインダクタンスLA とスイッチング素子IGB
Tのスイッチング速度で決まる。
【0055】図10,図11に示す回路においては、本
発明を実施したフリーフォイールダイオードが大きな臨
界di/dtを有しているので、主回路内のインダクタ
ンスLA を小さくできるとともに、スイッチング素子の
スイッチング速度を制限する必要がなくなる。従って、
インバータ装置の電力損失の低減やスナバ回路の小型化
さらには高周波動作などが可能となる。
【0056】たとえば、耐圧4kV程度のダイオードの
場合、従来のダイオードは約200A/μsのdi/d
tで破壊するので、1.5 kVの電源電圧で動作させる
ときには、主回路には少なくとも7.5μH(=1500
(V)/200(A/μs))以上のインダクタンスLA
必要である。一般に、フリーフォイールダイオードおよ
びIGBTを内蔵する耐圧4kV以上,電流数100A
から数1000Aのモジュールにより主回路を製作する
と、少なくとも主回路の配線長は1m程度になる。配線
のインダクタンスは、通常1mで1μH程度であること
から、少なくとも6.5 μH程度のアノードリアクトル
を主回路に挿入することが必要である。これに対し、本
発明を実施した4kV級ダイオードは、2500A/μ
s以上のdi/dtまで破壊することがないので、イン
ダクタンスは0.6μH(=1500(V)/2500(A/μ
s))まで小さくできる。この値は、主回路配線のイン
ダクタンス以下であり、主回路にアノードリアクトルを
挿入する必要がなくなる。従って、インバータ装置を小
型化することができる。また、主回路のインダクタンス
に蓄えられるエネルギーが小さくなるので、高電圧の発
生が抑制できる。従って、スナバ回路のコンデンサ容量
を小さくできる。
【0057】なお、本発明を実施したダイオードは、フ
リーフォイールダイオードのみならず、スナバ回路のス
ナバダイオードとして使用しても良い。この場合スナバ
回路のインダクタンスLS の値を小さくできるなどの効
果が得られる。
【0058】なお、本発明を実施したダイオードは、三
相電動機駆動用のインバータ装置のみならず、他のイン
バータ装置やコンバータ装置等に使用しても同様の効果
がある。
【0059】
【発明の効果】本発明によれば、大きな臨界di/dt
を有するダイオードが得られる。また、本発明のダイオ
ードを電力変換装置に使用した場合、装置を小型化でき
るとともに、過電圧の発生が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施したプレーナ型ダイオードの鳥瞰
図。
【図2】図1のダイオードにおけるLと臨界di/dt
の関係。
【図3】電流密度100A/cm-2における順方向電圧V
F ,n- 導電型の半導体層内の正孔の拡散長Lp とこの
半導体層の厚さWn -の比との関係。
【図4】本発明者の検討結果である(a)はリカバリー
時の電流・電圧波形、(b)及び(c)はダイオード内
部の電流分布。
【図5】(a)及び(b)は本発明の他の実施例におけ
るアノード電極の平面パターン。
【図6】本発明の他の実施例。
【図7】さらに異なる他の実施例。
【図8】本発明の他の実施例の断面図。
【図9】(a)及び(b)はダイオードの厚さ方向の一
部分のライフタイムを短くする実施例。
【図10】本発明を実施したダイオードを使用する電力
変換装置の一例。
【図11】(a)及び(b)は図10のインバータ装置
の動作を説明するための図。
【符号の説明】
11,12…p+ 導電型の半導体層、13…絶縁膜、1
4…n- 導電型の半導体層、15…n+ 導電型の半導体
層、16…アノード電極、17…カソード電極、L…ア
ノード電極の後退長。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂野 順一 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1導電型の第1半導体層と、 第1半導体層内に設けられる第2導電型の第2半導体層
    と、 第1半導体層に電気的に接続される第1主電極と、 第2半導体層の平面方向の端部において、第1半導体層
    と第2半導体層との接合部よりも内側で第2半導体層と
    接触する第2主電極と、 第2半導体層の平面方向における端部から注入されるキ
    ャリアの濃度を低減する手段と、を有することを特徴と
    するダイオード。
  2. 【請求項2】請求項1に記載のダイオードにおいて、前
    記手段が、第2半導体層と第2主電極との接触領域と、
    前記接合部との間に位置する、第2半導体層の領域であ
    ることを特徴とするダイオード。
  3. 【請求項3】請求項2に記載のダイオードにおいて、第
    2半導体層と第2主電極との接触領域と、前記接合部と
    の距離が、第1半導体層内における少数キャリアの拡散
    長以上であることを特徴とするダイオード。
  4. 【請求項4】請求項2に記載のダイオードにおいて、第
    2半導体層と第2主電極との接触領域と、前記接合部と
    の距離が、電流密度100A/cm-2における第1主電極
    と第2主電極間の順方向電圧および第1半導体層の厚さ
    に基づいて、本願の図面の図3から求められる第1半導
    体層内における少数キャリアの拡散長以上であることを
    特徴とするダイオード。
  5. 【請求項5】請求項1に記載のダイオードにおいて、第
    2半導体層と第2主電極との接触領域と、前記接合部と
    の距離が、第2半導体層の端部の直線部よりも角部にお
    いて大きいことを特徴とするダイオード。
  6. 【請求項6】請求項1に記載のダイオードにおいて、第
    2導電型で第2半導体層よりも不純物濃度が小さく、第
    2主電極と接触する第3半導体層を有することを特徴と
    するダイオード。
  7. 【請求項7】請求項1に記載のダイオードにおいて、第
    2導電型で第1主電極と接触する第3半導体層を有する
    ことを特徴とするダイオード。
  8. 【請求項8】請求項1に記載のダイオードにおいて、第
    2の半導体層の周囲にターミネーション領域を有し、前
    記手段が、該ターミネーション領域と前記接合部との間
    に位置し、前記接触領域の投影部よりも少数キャリアの
    ライフタイムが短い、第1半導体層の1領域であること
    を特徴とするダイオード。
  9. 【請求項9】請求項8に記載のダイオードにおいて、前
    記第1半導体層の1領域が、第1半導体層の第1主電極
    側に位置することを特徴とするダイオード。
  10. 【請求項10】請求項8に記載のダイオードにおいて、
    前記第1半導体層の1領域が、第1半導体層の第2主電
    極側に位置することを特徴とするダイオード。
  11. 【請求項11】第1導電型の第1半導体層と、 第1半導体層内に設けられる第2導電型の第2半導体層
    と、 第1半導体層に電気的に接続される第1主電極と、 第2半導体層の平面方向の端部において、第1半導体層
    と第2半導体層との接合部よりも内側で第2半導体層と
    接触する第2主電極と、を有し、 第2半導体層と第2主電極との接触領域と、前記接合部
    との距離が、電流密度100A/cm-2における第1主電
    極と第2主電極間の順方向電圧および第1半導体層の厚
    さに基づいて、本願の図面の図3から求められる第1半
    導体層内における少数キャリアの拡散長以上であること
    を特徴とするダイオード。
  12. 【請求項12】スイッチング素子とダイオードとの並列
    回路を有し、 該ダイオードは、 第1導電型の第1半導体層と、 第1半導体層内に設けられる第2導電型の第2半導体層
    と、 第1半導体層に電気的に接続される第1主電極と、 第2半導体層の平面方向の端部において、第1半導体層
    と第2半導体層との接合部よりも内側で第2半導体層と
    接触する第2主電極と、 第2半導体層の平面方向における端部から注入されるキ
    ャリアの濃度を低減する手段と、を有し、 スイッチング素子をオン・オフするときにダイオードに
    流れる電流のdi/dtを少なくとも2500A/μs
    まで大きくすることができることを特徴とする電力変換
    装置。
  13. 【請求項13】スイッチング素子とダイオードとの並列
    回路を内蔵する耐圧4000V級以上のモジュールを複
    数個備え、 該ダイオードは、 第1導電型の第1半導体層と、 第1半導体層内に設けられる第2導電型の第2半導体層
    と、 第1半導体層に電気的に接続される第1主電極と、 第2半導体層の平面方向の端部において、第1半導体層
    と第2半導体層との接合部よりも内側で第2半導体層と
    接触する第2主電極と、 第2半導体層の平面方向における端部から注入されるキ
    ャリアの濃度を低減する手段と、を有し、 アノードリアクトルを備えないことを特徴とする電力変
    換装置。
  14. 【請求項14】スイッチング素子とダイオードとの並列
    回路を内蔵する耐圧4000V級以上のモジュールを複
    数個有し、アノードリアクトルを備えないことを特徴と
    する電力変換装置。
  15. 【請求項15】第1導電型の第1半導体層と、 第1半導体層内に設けられる第2導電型の第2半導体層
    と、 第1半導体層に電気的に接続される第1主電極と、 第2半導体層の平面方向の端部において、第1半導体層
    と第2半導体層との接合部よりも内側で第2半導体層と
    接触する第2主電極と、を有し、 第2半導体層と第2主電極との接触領域と、前記接合部
    との距離L(μm)が、前記構成のダイオードの耐圧をV
    B (V)とするとき、L≧0.02VB+20を満たすこと
    を特徴とするダイオード。
  16. 【請求項16】スイッチング素子とダイオードとの並列
    回路を有し、該ダイオードは、前記請求項16に規定の
    条件を満たすことを特徴とする電力変換装置。
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