(57)【要約】【課題】パルス駆動される素子２の一対の端子に並列に接続されるフライホイールダイオード３において、発熱量が少なく、エネルギーの損失の少ないものの提供を目的とする。【解決手段】パルス駆動される素子の一対の端子に並列に接続されるフライホイールダイオード３において、前記フライホイールダイオード３は窒化物系化合物半導体からなることを特徴とする。また、その素子２は誘導性、電動機の巻き線であることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス駆動される素子の一対の端子に並列に接続されるフライホイールダイオードにおいて、前記フライホイールダイオードは窒化物系化合物半導体からなることを特徴とするフライホイールダイオード。
【請求項２】
前記素子は誘導性であることを特徴とする請求項１記載のフライホイールダイオード。
【請求項３】
前記素子が自動車用の電動機の巻き線であることを特徴とする請求項２記載のフライホイールダイオード。
【請求項４】
前記フライホイールダイオードの逆電流（ＩＲＲ）が零からピーク値（ＩＲＲＭ）迄マイナス方向に増加する時間Ｔａと、逆回復時間（ＴＲＲ）のピーク値（ＩＲＲＭ）から零に戻る迄の期間Ｔｂと、スイッチング周波数ｆとの積Ｔａ・Ｔｂ・ｆが４．０×１０−１２以上であることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のフライホイールダイオード。
【請求項５】
請求項１〜４記載のフライホイールダイオードを含むことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス駆動される素子に接続されるフライホイールダイオードに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）駆動とはＦＥＴ等のスイッチング素子によりパルス幅のＯＮとＯＦＦの比率を変えて素子を駆動する方法である。
【０００３】
すなわち、図１に示したように、電源Ｖinについてスイッチング素子１によりオン／オフ切り換えを行ない、スイッチング素子１に接続される素子２を駆動するものである。ここで、符号４はスイッチング素子１を駆動するための駆動回路である。
ここで、素子２がコイル等の誘導性のものである場合は、駆動電流がオフになっても、コイルに発生する逆起電力の作用により、素子２は駆動電流とは反対向き方向の電流を強制的に流し続けようとする。すなわち、駆動電流がオフの状態でも、素子２の両端に非常に高い逆電圧がかかることになる。したがって、この電流が流れるようにして素子に蓄えられたエネルギーを放出し、電圧を安全なレベルに保つため、フライホイールダイオードが必要となる。
【０００４】
フライホイールダイオード３はダイオードの一種であり、図１に示したように、素子の一対の端子に並列に接続するものである。なお、接続の向きは素子２に加わる電源電圧Ｖinの極性とは逆にする。このようにすることで、素子２がコイル等の誘導性の場合は、駆動電流がオフになったときの逆起電力により発生する電流をショートさせることができ、素子２に蓄えられたエネルギーを安全に放出することができる。
【０００５】
さらに、素子２が電動機の巻き線である場合には、駆動電流がオフの状態で巻き線に蓄えられたエネルギーがフライホイールダイオード３を通じて放出されると共にこのエネルギーを駆動電流がオフにおける電動機を回す回生エネルギーとして利用することもできる。
【０００６】
【非特許文献１】トランジスタ技術  ２０００年５月号  ｐ１９０〜ｐ１９１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
素子の一対の端子に並列に接続されるフライホイールダイオードは主としてＳｉ系のショットキーダイオードが利用される。ショットキーダイオードはｐｎ接合からなるダイオードよりも順方向電圧が低いが、依然としてその値は０．３Ｖ程度と比較的高い。また、オン抵抗も数ミリ〜数十Ωmm2程度である。
【０００８】
Ｓｉ系のショットキーダイオードではオン抵抗が大きいため、素子に加わる電力が小さい場合にはダイオードに流れる電流も小さいのでダイオードの発熱量はそれほど問題とならないが素子に加わる電力が大きい場合は発熱量が大きくなり、放熱対策が必要となる。また、素子に蓄えられるエネルギーを回生する場合はエネルギーの損失が大きい。さらに、逆方向の耐圧がそれほど高くないので、素子が逆起電力の大きい誘導性のものである場合には、素子に蓄えられたエネルギーを安全に放出することができない。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、フライホイールダイオードにおいて、発熱量が少なく、エネルギーの損失の少ないものの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係る発明は、パルス駆動される素子の一対の端子に並列に接続されるフライホイールダイオードにおいて、前記フライホイールダイオードは窒化物系化合物半導体からなることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１記載のフライホイールダイオードにおいて、前記素子は誘導性であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項２記載のフライホイールダイオードにおいて、前記素子が自動車用の電動機の巻き線であることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項２又は請求項３記載のフライホイールダイオードにおいて、前記フライホイールダイオードの逆電流（ＩＲＲ）が零からピーク値（ＩＲＲＭ）迄マイナス方向に増加する時間Ｔａと、逆回復時間（ＴＲＲ）のピーク値（ＩＲＲＭ）から零に戻る迄の期間Ｔｂと、スイッチング周波数ｆとの積Ｔａ・Ｔｂ・ｆが４．０Ｅ−１２以上であることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４記載のフライホイールダイオードを含むことを特徴とする電力変換装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は以下のような効果がある。
請求項１に係る発明では、パルス駆動される素子の一対の端子に並列に接続されるフライホイールダイオードが窒化物系化合物半導体からなっているので、その発熱量が少なくまた、エネルギーの損失が少ない。
【００１６】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、素子が逆起電力の大きい誘導性であるのが、フライホイールが窒化物系化合物半導体からなっているので、素子に蓄えられたエネルギーを安全に放出することができる。また、素子に蓄えられたエネルギーを回生する場合はエネルギーの損失が少ない。
【００１７】
請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明において、素子が小型化を求められる自動車用の電動機の巻き線であるが、フライホイールダイオードが窒化物系化合物半導体からなっているので放熱対策をほとんどする必要がない。
【００１８】
請求項４に係る発明は、請求項２又は請求項３に係るフライホイールダイオードのパラメータが最適化されているので、フライホイールダイオードの発熱量とエネルギーの損失を一層少なくすることができる。
【００１９】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４に係るフライホイールダイオードを含んだ電力変換装置であるので、電力変換装置の放熱対策を簡略にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係るフライホイールダイオード３の実施形態について図１を参照しながら具体的に説明する。すなわち、フライホイールダイオード３はパルス駆動される素子２の一対の端子に並列に接続される。パルス駆動において、素子はＦＥＴ等のスイッチング素子１に接続され、スイッチング素子１によりパルス幅のＯＮとＯＦＦの比率を変えて駆動される。符号４はスイッチング素子１を駆動するための駆動回路である。
【００２１】
フライホイールダイオード３の接続の向きは素子に加わる電源電圧Ｖinの極性とは逆にする。このようにすることで、素子２がコイル等の誘導性の場合は、駆動電流がオフになったときの逆起電力により発生する電流をショートさせることができ、素子２に蓄えられたエネルギーを放出することができる。
【００２２】
ここで、本発明に係るフライホイールダイオード３は窒化物系化合物半導体からなることを特徴としている。すなわち、図２の模式図に示したようにｐｎ接合５を構成するｐ型半導体層６とｎ型半導体層７からなりｐ型半導体層６とｎ型半導体層７の半導体材料に窒化物系化合物半導体を用いている（符号８は電極である）。
【００２３】
窒化物系化合物半導体としてＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮなどが挙げられるが、これを用いたダイオードは、ＳｉやＧａＡｓ等を用いたダイオードに比べ、オン抵抗が１桁以上も小さい。また、窒化物系化合物半導体はＳｉやＧａＡｓ等の材料に比べてそのバンドギャップエネルギーが大きいので、ダイオードの耐熱温度が高く高温動作に優れる。
【００２４】
こういった窒化物系化合物半導体の性質のため、この半導体からなるフライホイールダイオードを用いることにより、フライホイールダイオードの発熱量を少なくすることができると共に、発熱に対する特別な放熱対策も不要となる。
【実施例１】
【００２５】
図３は本発明の実施例を示すものである。図３はいわゆるＤＣ−ＤＣコンバータ（電力変換装置）を構成し、直流の電源電圧Ｖinをスイッチング素子１となるＦＥＴでスイッチングを行い、ＦＥＴに直列に接続されるコイルＬ（４.５μＨ）からなる素子をパルス駆動する。コイルＬの出力ＶoutはコンデンサーＣ（２０μＦ）で平滑されて直流化される。
【００２６】
フライホイールダイオード３はパルス駆動される素子の一対の端子に並列に接続されかつその接続の向きは素子に加わる電源電圧Ｖinの極性とは逆にする。このようにすることで、駆動電流がオフになったときに逆起電力により発生する電流をショートさせることができ、素子に蓄えられたエネルギーを放出することができる。
【００２７】
本実施例に用いられるフライホイールダイオード３は、図２の模式図に示したように、ｐｎ接合５を構成するｐ型半導体層６とｎ型半導体層７からなり、ｐ型半導体層６とｎ型半導体層７の半導体材料に窒化物系化合物半導体を用いている（符号８，９は電極である）。
【００２８】
具体的なフライホイールダイオードは以下のようにして作成することができる。
まず、図４（ａ）に示したように、サファイア基板１０の上に、アンモニア（１２L／ｍｉｎ）、ＴＭＧａ（１００ｃｍ3／ｍｉｎ）を用い、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成長温度１１００℃で厚み５０ｎｍのＧａＮ層（バッファ層１１）を成膜し、更にその上に、ＴＭＧａ（１００  ｃｍ3／ｍｉｎ）、とアンモニア（１２L／ｍｉｎ）、ｐ型不純物としてのシクロペンタジエニルマグネシウム（２０ｃｍ3／ｍｉｎ）を用い、成長温度１０５０℃で厚み４００ｎｍのｐドープＧａＮ層（キャリア濃度は１×１０18  ／ｃｍ3）（ｐ型半導体層６）を成膜した。そして、ＴＭＧａ（１００ｃｍ3／ｍｉｎ）、アンモニア（１２L／ｍｉｎ）、ｎ型不純物としてのＳｉＨ4（１０ｃｍ3／ｍｉｎ）を用い、成長温度１０５０℃で厚み４００ｎｍのｎドープＧａＮ層（キャリア濃度は１×１０18  ／ｃｍ3）（ｎ型半導体層７）を成膜し、層構造Ａ0を作成した。
【００２９】
次に層構造Ａ0の全面に渡ってＳｉＯ2膜を成膜し、ｐ型電極を形成する部分について、常法のリソグラフィーによりパターニングを行ない、ＳｉＯ2膜に開口を設けた。このＳｉＯ2膜をマスクとして湿式エッチングを行って積層構造の一部をｐドープＧａＮ層（ｐ型半導体層６）の面が露出するまでエッチング除去して、ｐドープＧａＮ層（ｐ型半導体層６）の一部表面を表出させた。
【００３０】
次にＳｉＯ2膜を除去したのち、全面に再度ＳｉＯ2膜を成膜し、そこにｐ型電極開口部を形成し、ｐドープＧａＮ層（ｐ型半導体層６）の上にＴｉ／Ｐｔを蒸着してｐ型電極８（電極面積４ｍｍ2）を形成し、更にｎドープＧａＮ層（ｎ型半導体層７）の上にＴｉ／Ｐｔを蒸着してｎ型電極９（電極面積４ｍｍ2）を形成して、図４（ｂ）で示したフライホイールダイオード（Ａ）が完成する。
【００３１】
図２に示した以上の構成からなるＤＣ−ＤＣコンバータを電源電圧Ｖinが２０Ｖで動作させた。ＧａＮ層からなるフライホイールダイオード３のオン抵抗は、同一の電極面積を有するＳｉからなるフライホイールダイオードと比較して１／１０となった。また、フライホイールダイオード３の温度上昇も５℃程度であり、同一の電極面積を有するＳｉからなるフライホイールダイオードの温度上昇が５０℃程度であったのに比較して低下していたことが確認された。
【実施例２】
【００３２】
図５は本発明の別の実施例を示すものである。図５はいわゆる自動車用の電動機Ｍ（出力３００Ｗ）をパルス駆動するもので、直流の電源電圧Ｖinをスイッチング素子１となるＦＥＴでスイッチングを行い、ＦＥＴに直列に接続される素子２を駆動する。素子２は自動車用の電動機Ｍの端子に電気的に接する巻き線からなる。
【００３３】
フライホイールダイオード３はパルス駆動される素子の一対の端子に並列に接続されかつその接続の向きは素子に加わる電源電圧Ｖinの極性とは逆にする。このようにすることで、駆動電流がオフになったときに逆起電力により発生する電流をショートさせることができ、素子に蓄えられたエネルギーを放出することができる。なお、具体的なフライホイールダイオード３は図４に示した実施例１のものと同様なので詳細は省略する。
【００３４】
図５に示した以上の構成からなる自動車用の電動機を電源電圧Ｖinが２４Ｖで動作させた。ＧａＮ層からなるフライホイールダイオード３のオン抵抗は、同一の電極面積を有するＳｉからなるフライホイールダイオードと比較して１／１０となった。また、ダイオードの温度上昇も５℃程度であり、同一の電極面積を有するＳｉからなるフライホイールダイオードの温度上昇が５０℃程度であったのに比較して低下していたことが確認された。また、フライホイールダイオード３は窒化物系化合物半導体からなっているので放熱対策をほとんどする必要がなく、フライホイールダイオードの素子の体積を同一の電極面積を有するＳｉからなるフライホイールダイオードの体積よりも小さくできた。これは、小型化が求められる自動車用の用途に適合する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】電源Ｖinについてスイッチング素子によりオン／オフ切り換えを行ない、スイッチング素子に接続される素子を駆動するための配線を示したものである。
【図２】フライホイールダイオードの断面の説明図である。
【図３】本発明の実施例を示すものである。
【図４】本発明の実施例に用いられるフライホイールダイオードの断面図で、（ａ）は該フライホイールダイオードを作成する工程の途中で、（ｂ）は完成したものである。
【図５】本発明の他の実施例を示すものである。
【符号の説明】
【００３６】
１  スイッチング素子
２  素子
３  フライホイールダイオード
４  駆動回路
５  ｐｎ接合
６  ｐ型半導体層
７  ｎ型半導体層
８  電極
９  電極
１０  基板
１１  バッファ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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