半导体开关及电力变换装置的制造方法
【专利说明】半导体开关及电力变换装置
[0001]发明为下述申请的分案申请，原申请信息如下:
[0002]申请号:201210499766.X
[0003]申请日:2012年11月29日
[0004]发明名称:半导体开关及电力变换装置
技术领域
[0005]本发明涉及半导体开关及电力变换装置。
【背景技术】
[0006]以前，期待着在主电路的开关元件上逆并联连接了续流二极管的构成的电力变换电路中，因续流二极管(Free-Wheeling D1de)的逆恢复电流的流动而产生的损耗的降低的半导体开关及具备该半导体开关的电力变换装置。
[0007]在开关元件上逆并联连接了高速续流二极管的半导体开关中，在反方向上流动主电流时使半导体开关截止(OFF)之际(使主元件和辅助元件截止时)，在主元件的两端之间残留的电压，由将主元件、辅助元件和高速续流二极管连接的电路环路的电感值与主电流的大小之积决定。若使半导体开关的开关速度为高速，则需要尽量小地设计电路环路的电感，因此，有时主元件中残留的电压为小于几V的微小的值。
[0008]在此，需要对主元件截止中的主元件的输出静电电容进行考虑。例如，作为这样的半导体开关元件的特性，具有当在截止中被施加的残留电压低时内置非常大的静电电容的特性。这是因为当输出端子电压低时结部分的耗尽层的厚度薄，所以具有非常大的静电电容。
[0009]这样，大的静电电容时，在直流主电路上串联连接了 2个半导体开关的电桥电路中，若互补地动作的另一个半导体开关打开(turn on)，则充电电流流向该大的静电电容。由于电路阻抗非常小，所以存在该充电电流变成短路的大电流，发生大的损耗的可能性。
【发明内容】
[0010]本发明的实施方式是鉴于上述事情而提出的，其目的在于提供一种半导体开关，防止主元件的输出静电电容的增大，抑制因结电容充电电流而引起的打开损耗。
[0011]根据实施方式，提供一种半导体开关，具备:主元件，具有逆导性能，是高耐压的电压驱动型开关元件；防逆流元件，与上述主元件相比较，耐压低；高速续流二极管，在上述主元件的负极和上述防逆流元件的负极连接而将上述主元件的正极作为正极端子，将上述防逆流元件的正极作为负极端子的情况下，上述高速续流二极管在上述正极端子和上述负极端子之间以从上述负极端子向上述正极端子的方向为正向的方式进行连接，具有与上述主元件相同的耐压；及预备电压施加电路，与上述主元件并联，朝着在上述主元件的正极上施加正电压且在上述主元件的负极上施加负电压的方向进行连接，发生至少比上述主元件的耐压还低的电压脉冲，而且与上述主元件截止时期大致同步地输出上述电压脉冲，将上述主元件的正极侧电位设为比负极侧电位高的电位，上述防逆流元件是与上述主元件大致同步来进行导通及截止的电压驱动型开关元件，还具备第2 二极管，该第2 二极管具有与上述主元件相同的耐压，在上述第2 二极管中，阳极与上述预备电压施加电路的正电压施加侧电连接，阴极与上述主元件的正极电连接。
[0012]根据上述构成，可以提供一种预备电压施加电路，能防止主元件的输出静电电容的增大，抑制因结电容充电电流而弓I起的打开损耗。
【附图说明】
[0013]图1是示意性地示出第I实施方式的半导体开关的一个构成例的图。
[0014]图2是示意性地示出第I实施方式的半导体开关的其他构成例的图。
[0015]图3是示意性地示出第I实施方式的半导体开关的其他构成例的图。
[0016]图4是示意性地示出第2实施方式的半导体开关的一个构成例的图。
[0017]图5是示意性地示出第3实施方式的半导体开关的一个构成例的图。
[0018]图6是示意性地示出第4实施方式的半导体开关的一个构成例的图。
[0019]图7是示意性地示出第5实施方式的半导体开关的一个构成例的图。
[0020]图8是示出超级结(Super junct1n)型MOSFET的电容特性的一个例子的图。
[0021]图9是示出超级结型MOSFET的输出充电电荷特性的一个例子的图。
[0022]图10是示出微细化超级结型MOSFET的电容特性的一个例子的图。
[0023]图11是示意性地示出第6实施方式的半导体开关的一个构成例的图。
[0024]图12是示意性地示出第7实施方式的半导体开关的一个构成例的图。
[0025]图13是示意性地示出第8实施方式的半导体开关的一个构成例的图。
[0026]图14是用于说明主元件和防逆流元件的导通/截止的定时的一个例子的图。
[0027]图15是示意性地示出第9实施方式的半导体开关的一个构成例的图。
[0028]图16是示意性地示出第10实施方式的半导体开关的一个构成例的图。
[0029]图17是示意性地示出一个实施方式的电力变换装置的一个构成例的图。
【具体实施方式】
[0030]以下，对于实施方式涉及的半导体开关，参照附图进行说明。
[0031]图1是示意性地示出第I实施方式的半导体开关的一个构成例的电路图。本实施方式的半导体开关具备主元件1、作为防逆流元件的辅助元件3、高速续流二极管4和预备电压施加电路5。
[0032]主元件I是电压驱动型开关元件，例如可以适用具有600V的耐压的IGBT(绝缘栅双极晶体管:Insulated Gate Bipolar Transistor)。在该IGBT上，逆并联连接逆导二极管2A，使其具有逆导性能。主元件I的耐压优选100V以上，更优选200V以上，进一步优选250V以上的能实现的电压，通常适用具有250V以上的耐压的元件。
[0033]辅助元件3是电压驱动型开关元件，例如可以使用具有50V的耐压的MOSFET(Metal-0xide-Semiconductor Field-Effect Transistor)。辅助元件 3 的耐压比主元件 I 还低。这样，通过对辅助元件3使用足够低的耐压的M0SFET，而可以降低辅助元件3的导通电阻，并且，可以减小辅助元件3的半导体芯片。一般而言，已知MOSFET的导通电阻与元件耐压的2.5乘方成比例，通过降低辅助元件3的元件耐压，能够同时满足导通电阻降低(导通损耗降低)和芯片面积降低(成本增涨降低)。
[0034]高速续流二极管4使用如下元件:具有与主元件I相同的例如600V的耐压，相较于与主元件I逆并联连接的逆导二极管2A，芯片面积小，正向的压降高，但逆恢复特性优良的特性。并且，高速续流二极管4具有与主元件I同等或主元件I的耐压以上的耐压即可，不限于同等的耐压。而且，二极管一般而言具有耐压越高则逆恢复特性越恶化的特性。因此，高速续流二极管4例如也可以串联连接多个逆恢复高速但低耐压的二极管而构成。虽然导通时的压降增加，但在高速续流二极管4中，仅在主电流从负极端子流向正极端子6时的死区时间(dead time)期间中流通，所以该流通时间比率短，增大的导通损耗仅一点儿。
[0035]而且，对于高速续流二极管4，也可以适用由禁带比硅宽的半导体材料(例如碳化硅、氮化镓、砷化镓、金刚石等)形成的二极管而构成。通过适用禁带比硅宽的半导体的二极管，可以得到更高耐压、且逆恢复高速的特性。而且，禁带宽的半导体材料，虽然比硅半导体更贵，但高速续流二极管4仅在死区时间的短时间流通，所以用小芯片面积就成，所以能较低地抑制成本增涨。
[0036]预备电压施加电路5与辅助元件3并联，朝着在辅助元件3的正极上施加正电压的方向进行连接。例如，在主元件I截止的时期比辅助元件3截止的时期迟的情况下，预备电压施加电路5与主元件I的栅极驱动信号截止的时期同步，输出比辅助元件3的耐压低的电压脉冲，例如30V的电压脉冲。
[0037]连接作为主元件I的负极的发射极和辅助元件3的源极端子，将作为主元件I的正极的集电极作为正极端子6，将辅助元件3的漏极端子作为负极端子7，从负极端子7向正极端子6，连接与主元件I及辅助元件3并联的高速续流二极管4。
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