KR20030060869A - 인버터 - Google Patents

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KR20030060869A
KR20030060869A KR10-2003-7000642A KR20037000642A KR20030060869A KR 20030060869 A KR20030060869 A KR 20030060869A KR 20037000642 A KR20037000642 A KR 20037000642A KR 20030060869 A KR20030060869 A KR 20030060869A
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KR10-2003-7000642A
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하라다신
히로쯔켄이치
아쯔나미히로유키
키모토츠네노브
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

FET구조의 변환 소자를 채용하는 인버터 에 있어서, 상기 변환 소자 SI∼S6이 SiC(Silicon Carbide)-JFET로 형성되고 있는 것을 특징으로 한다.
스위칭 주파수가 높고, 또한 저손실의 인 버터를 실현할 수 있다.

Description

인버터{INVERTER}
저전압(600V 이하)용 인버터에 이용하는 반도체소자로서, Si-MO SFET나 Si-IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 채용되고 있다.
Si-MOSFET의 경우, 손실의 크기는 Si반도체중의 캐리어 밀도에 반비례 한다. 손실을 저감 하기 위해서는, 캐리어 밀도를 크게하면 되나, 캐리어 밀도가 오르면 파괴 전압으로 정해지는 소자의 내압이 저하한다. 예를 들면 Si의 경우, 내압을 2OOV로 하기 위한 캐리어 밀도는 1O15/cm3으로 낮은 값을 취한다. 이 때문에, 캐리어 밀도를 크게 할 수 없는 것이 Si-MOSFET의 손실이 큰 원인이 되고 있었다.
또, MOSFET에서는 전류가 게이트 절연막SiO2와 Si의 계면을 흐르기 때문에, 결함의 영향을 받기 쉽고 캐리어 이동도가 저하한다. 이 때문에, 손실이 크게 된다.
Si-의 경우, 바이폴러 디바이스로 소수 캐리어의 소실에 시간이 걸려, 스위칭 주파수를 크게 할 수 없기 때문에, 손실이 크다.
인버터에 이용하는 변환 소자는 제어 회로등이 단락 고장났을 경우 등의 보호를 위해서, 노멀리-오프형의 소자가 이용되는 것이 많다. MOSFET는 이 조건을 충족하고 있다. JFET는 일반적으로는 노멀리-오프형이 알려져 있다.
그래서 본 발명은, 스위칭 주파수가 높고, 또한 저손실의 인버터를 실현하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, FET 구조의 변환 소자를 채용하는 인버터(직류-교류 변환 장치)에 관한 것이다.
도 l은, 이온 주입법으로 제조된 SicJFET의 구조를 도시하는 단면도.
도 2는, RIE법으로 제조된 SiCJFET의 구조를 표시하는 단면도.
도 3은, 본 발명이 적용되는 인버터의 회로도.
도 4는, 제조된 SiC-JFET의 트레인 전압-전류 특성의 측정 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 보호의 설명>
S1∼S6 : 변환 소자
본 발명의 인버터는, FET 구조의 변환 소자를 채용하는 인버터에 있어서, 변환 소자가 SiC(Silicon Carbide)-JFET(Junction FET)로 형성되고 있는 것이다.
본 발명에서 SiC-JFET변환 소자를 채용한 것은, 다음의 이유에 의한다.
(1) 종래부터 Si-JFET가 만들어지고 있었지만, 캐리어 밀도가 작고, 손실이 컸다. Si대신에 SiC를 사용하면 캐리어 밀도를 많게 할 수가 있어, 손실을 작게 할 수 있다.
(2) Si-JFET에서는 캐리어 밀도가 작고, 스위칭 주파수가 낮았다. SiC-JFET의 경우 캐리어 밀도가 높으므로, 스위칭 주파수는, 수 100MHz∼수GHz까지 취할 수 있는 것이 계산에 의해 확인할 수 있었다. JFET의 스위칭 주파수 f는, εs
f=qNAμa2/πL2εs
q : 전하, NA : 캐리어 밀도, μ: 캐리어 이동도, a : 채널두께, L : 채널길이, εs개유전율로 표현되지만, 여기서 예를 들면 200V내압 JFET의 전형적인 값NA=1×1017/㎤, μ=300㎠/Vsec, a=30Onm, L=1O㎛, εs-1O×ε0를 (ε0는 진공중의 유전율)대입해서,
f=1.4GHz
를 얻는다. 따라서, 인버터에 매우 적합하다.
도 4는, 채널두께 0.3㎛, 채널길이 l0㎛, 채널폭 700㎛, 캐리어 밀도 lㆍ56×l017/㎤의 채널 영역을 가지는 SjC-JFET를 만들었을 때의, 트레인 전압-전류 특성의 측정 그래프이다. Vg는 게이트 전압이다.
(3) JFET이기 때문에, 벌크속을 전류가 흘러, 캐리어 이동도의 저하가 일어나지 않고, 손실이 작다. 또 Si-MOSFET와 비교해서 드레인온 전압이 50분의 l정도로 작다. 따라서, Si-MOSFET의 효율이85%인데 대해서, SiC의 JFET의 효율은95%이상이 된다.
상세하게 설명하면, 예를들면 200V를 변환하는 인버터중의 Si-MOSFET의 손실은, 정상손실(온전압×전류)이 7.5%, 스위칭 손실이 7.5%이며, 합계하면 15%가 되고, 효율은85%가 된다. 한편, SiC-JFET에서는, Si-MOSFET와 동일한 크기의 전류를 흘렸을 때의 온 전압을1/50에 저감 할 수 있으므로, 정상 손실도1/50에 저감 할 수 있어, 0.15%가 된다. 또, 스위칭시의 손실도 저감 할 수 있다. 따라서, 효율은95%이상이 된다.
SiC로 JFET 소자를 만들려면, 공지의 방법을 이용할 수가 있다. 하나의 방법은, 이온 주입법으로서, 도 1에 표시한 바와 같이, p+SiC 기판의 위에 n-SiC층을 에피택셜법으로 퇴적한다. 마스크를 하고, 이온 주입법에 의해, 소스/트레인 전극이 되는 영역 n+를 만들어, 게이트 전극이 되는 영역 p+를 만든다. 영역 p+를 만들 때, 채널두께a, 채널길이 L의 부분을 남긴다. 그 후 어닐 처리를 하고, 소자를 활성화 시킨다.
SiC-JFET 소자를 만드는 다른방법은, 채널홈을 리액티브이온에칭법(RIE)에 의해 작성하는 방법이다. 도 2에 표시한 바와 같이, p+Si C기판의 위에 n-SiC층을 에피택셜법으로 퇴적시키고, 그 위에 n+층을 만든다. 그리고 RIE법에 의해, 마스크 해서 일부의 SiC를 깎아내고 채널 영역(채널두께a, 채널길이L)을 형성한다.
상기 SiC-JFET 소자는 노멀리-온형에서의 설명이지만, 채널두께a가 아래와 같은 식을 만족하는 경우, 노멀리-오프형 으로서 취급할 수가 있다.
(q : 전하, N : 채널속의 캐리어 농도, εs: 유전율, Vbi: 확산 전위)
이하, 본 발명의 실시의 형태를. 첨부도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 3은, 직류 입력 E를 3상 교류 출력 U, V, W로 변환하는 자려식(自勵式)의 인버터의 회로도이다. 6개의 스위칭 소자 S1∼S6과, 6개의 귀환 다이오드 D1∼D6를 3상브리지 접속한 것이다.
인버터의 회로 자체는 주지하고 있지만, 본 발명에서는, 6개의 스위칭 소자 S1∼S6을 SiC-JFET 변환 소자로 구성하고 있다. 또, 귀환 다이오드 D1∼D6 도 SiC 쇼트키 다이오드로 구성된다.
이 때문에, 스위칭 주파수가 높고, 저손실로 뛰어난 인버터를 실 현할 수가 있다.
또한, 본 발명은, 도 1과 같은 전압형 자려식 인버터에 한정하지 않고, 전류형자려식 인버터, 타려식 인버터 등에도 적용이 가능하다.
이상과 같이 본 발명의 인버터에 의하면, 변환 소자로서 SiC-JFET 를 채용했으므로, 스위칭 주파수가 높고, 또한 저손실의 인버터를 실현할 수 있다.

Claims (3)

  1. FET구조의 변환 소자를 채용하는 인버터 에 있어서,
    상기 변환 소자가 SiC(Silicon Carbide)-JFET로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 인버터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 SiC-JFET는, 노멀리-오프형인 것을 특징으로 인버터.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 변환 소자가 SiC 쇼트키 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터.
KR10-2003-7000642A 2000-07-28 2000-07-28 인버터 KR20030060869A (ko)

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