[发明专利]半导体装置以及使用该半导体装置的电力变换装置

说明书

技术领域

本发明涉及半导体装置以及使用该半导体装置的电力变换装置，特别是涉及具有续流二极管(Flywheel Diode)的半导体装置以及使用该半导体装置的电力变换装置。

背景技术

在近年来的节能或新能源的电力变换装置中，使用很多的逆变器或转换器，而为了实现低碳社会，它们的特别普及是必不可少的。图19示出对电动机950进行可变速控制以实现节能的逆变器的例子。使用作为功率半导体的一种的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)700，将来自直流电源Vcc的电能转换成期望频率的交流，使电动机950的转速为可变速。电动机950为三相电动机，具有U相910、V相911和W相912的输入。在接通集电极连接到正极侧的电源端子900的IGBT 700(以下称为上臂的IGBT)的栅极电路800时，U相910的输入电力被供给。另一方面，为了停止U相910的输入电力，只要断开该栅极电路800即可。通过重复该操作，能够向电动机950供给期望频率的电力。

在IGBT 700上，与IGBT 700反向并联地连接有续流二极管600。例如在上臂的IGBT 700断开了的情况下，续流二极管600通过使在该IGBT 700中流动的电流换向到续流二极管600，释放存储在电动机950的线圈中的能量，其中续流二极管600与发射极连接到负极侧的电源端子901的IGBT 700(以下称为下臂的IGBT)反向并联。如果再次接通上臂的IGBT 700，则下臂的续流二极管600变为非导通状态，通过上臂的IGBT 700向电动机950供给电力。这样，续流二极管600根据IGBT 700的接通、断开来重复非导通和导通，因此为了通过使逆变器高效化、小型化和低成本化而促进其普及，需要降低续流二极管600的导通损耗。因此，需要减小电流在续流二极管600中流动时的续流二极管600中的正向电压降。在具有几百V以上的额定电压的功率半导体中，一般来说，为了减小正向电压降，使用pn二极管，该pn二极管使用了能够通过注入电荷来提高传导率的硅。

另一方面，如果上臂的IGBT 700重复地接通、断开，则下臂的续流二极管600在正向时蓄积的电荷被吐出，从而形成反向恢复电流并重叠在上臂的IGBT 700的导通电流上。该反向恢复电流在直流电源Vcc、寄生电感920、高电位侧900、上臂的IGBT 700、下臂的续流二极管600、低电位侧901的闭合电路中流动，在该开关时，使上臂的IGBT 700的导通损耗增加，使下臂的续流二极管600产生反向恢复损耗。另外，如果该反向恢复电流的电流变化率(di/dt)大，则在与寄生电感920(L)之间产生过量的跳起电压(L×di/dt)，并且如果该跳起电压超过IGBT 700或续流二极管600的额定电压，则逆变器会产生故障。

这样，如果在续流二极管600中使用pn二极管，则虽然能够降低正向电压、减小导通损耗，但却增加了反向恢复损耗、产生了跳起电压。对于pn二极管而言，作为电荷的注入少并且反向恢复电流极小的二极管，有肖特基二极管，但硅中的正向电压极大，在处理大电流的逆变器中损耗会增加。最近，使用碳化硅(SiC)来代替硅的肖特基二极管受到关注，但由于其结晶质量差、制造工艺难且大口径化还没有普及到碳化硅，因此成本高、无法使逆变器或转换器低价格化，从而其普及有限。

图20是专利文献1中记载的、复合了使用硅的pn二极管和肖特基二极管的现有的续流二极管。半导体基体1具有与n⁺层13进行了欧姆连接11的阴极电极2，n⁺层13上的n^-层14与深p层形成pn结15。另一方面，n^-层14夹着浅p层与电极3形成肖特基结16。电极3与深p层进行欧姆连接，促进来自深p层的电荷(空穴)的注入。这样，利用电极3来结合pn结和肖特基结，从而与仅有pn二极管的情况或仅有肖特基二极管的情况相比，可以增减电荷的注入，并且不会明显地增大正向电压，也不会明显地增大反向恢复电流，并且能够减小反向恢复电流的电流变化率di/dt，能够改善导通损耗或开关损耗的降低、跳起电压的抑制之间的权衡(tradeoff)特性关系。

但是，在图20的二极管中，进一步注入电荷并减小正向电压降会使反向恢复特性恶化，相反，如果抑制电荷的注入改善反向恢复特性，则存在正向电压变大且损耗上升的问题，很难通过该结构来进一步改善续流二极管的特性。

专利文献1：日本特许第2590284号公报

发明内容

发明要解决的技术问题