(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型コラム領域及びｐ型コラム領域を有し、前記ｎ型コラム領域及び前記ｐ型コラム領域でスーパージャンクション構造が構成された半導体基体を有するＭＯＳＦＥＴと、
フリーホイールダイオードと、
誘導性負荷とを備える電力変換回路であって、
前記ＭＯＳＦＥＴのスイッチング周波数は、１０ｋＨｚ以上であり、
前記ＭＯＳＦＥＴは、ターンオフしたときに、ドレイン電流の波形が、前記ドレイン電流が減少し始めてから前記ドレイン電流が最初に０となるまでの間に、前記ドレイン電流が減少する第１期間と、前記ドレイン電流が増加する第２期間と、前記ドレイン電流が再び減少する第３期間とがこの順番に出現するように動作し、
前記フリーホイールダイオードは、ライフタイムコントロールされたＳｉ−ＦＲＤ、又は、ＳｉＣ−ＳＢＤであり、
前記電力変換回路の定格最大負荷又は定格最大回生電流で前記電力変換回路を運転した場合において、前記フリーホイールダイオードの順方向電流のピーク時に、前記順方向電流の電流値を前記フリーホイールダイオードの活性領域の面積で割った電流密度は、
前記フリーホイールダイオードが前記Ｓｉ−ＦＲＤの場合には、２００Ａ／ｃｍ２〜４００Ａ／ｃｍ２の範囲内にあり、
前記フリーホイールダイオードが前記ＳｉＣ−ＳＢＤの場合には、４００Ａ／ｃｍ２〜１５００Ａ／ｃｍ２の範囲内にあることを特徴とする電力変換回路。
【請求項２】
前記フリーホイールダイオードは、ライフタイムコントロールされたＳｉ−ＦＲＤであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項３】
前記フリーホイールダイオードは、ＳｉＣ−ＳＢＤであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項４】
前記フリーホイールダイオードは、ＭＰＳ構造又はＪＢＳ構造を有することを特徴とする請求項３に記載の電力変換回路。
【請求項５】
前記電力変換回路における総合損失のうち、前記ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたときのターンオフ損失、前記ＭＯＳＦＥＴをターンオンしたときのターンオン損失及び前記フリーホイールダイオードのリカバリ損失の３つの損失の和が占める割合が、前記フリーホイールダイオードの導通損失が占める割合よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電力変換回路。
【請求項６】
前記ＭＯＳＦＥＴにおいて、前記ｎ型コラム領域の不純物総量は、前記ｐ型コラム領域の不純物総量よりも多いことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電力変換回路。
【請求項７】
前記ＭＯＳＦＥＴにおいて、前記ｎ型コラム領域の不純物総量は、前記ｐ型コラム領域の不純物総量と等しいことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電力変換回路。
【請求項８】
前記ＭＯＳＦＥＴにおいて、前記ｐ型コラム領域の不純物総量は、前記ｎ型コラム領域の不純物総量の１．００倍よりも多く、１．０３倍と等しいかそれよりも少ないことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電力変換回路。
【請求項９】
前記ＭＯＳＦＥＴにおいて、前記第３期間における単位時間当たりの前記ドレイン電流の減少量は、前記第１期間における単位時間当たりの前記ドレイン電流の減少量よりも小さいことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電力変換回路。
【請求項１０】
前記ＭＯＳＦＥＴにおいて、前記ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたとき、ミラー期間終了後にゲート・ソース間電圧が一時的に上昇する期間が出現するように動作することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の電力変換回路。
【請求項１１】
前記ＭＯＳＦＥＴにおける前記半導体基体は、前記ｎ型コラム領域及び前記ｐ型コラム領域の表面に形成されたｐ型のベース領域と、前記ベース領域の表面に形成されたｎ型のソース領域とをさらに有し、
前記ＭＯＳＦＥＴは、
平面的に見て前記ｎ型コラム領域が位置する領域内に、前記ベース領域の最深部よりも深い深さ位置まで形成され、かつ、前記ソース領域の一部が内周面に露出するように形成されたトレンチと、
前記トレンチの内周面に形成されたゲート絶縁膜を介して前記トレンチの内部に埋め込まれてなるゲート電極とをさらに有するトレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の電力変換回路。
【請求項１２】
前記ＭＯＳＦＥＴにおける前記半導体基体は、前記ｎ型コラム領域の一部及び前記ｐ型コラム領域の全部の表面に形成されたｐ型のベース領域と、前記ベース領域の表面に形成されたｎ型のソース領域と、前記ｎ型コラム領域の表面のうち前記ベース領域が形成されていない部分に形成されたｎ型の表面高濃度拡散領域とを有し、
前記ＭＯＳＦＥＴは、
前記ＭＯＳＦＥＴの第１主面側に、前記ソース領域と前記ｎ型コラム領域とに挟まれた前記ベース領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極をさらに有するプレーナーゲート型のＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の電力変換回路。
【請求項１３】
前記ＭＯＳＦＥＴにおいては、前記半導体基体の一方面にソース電極が形成されており、かつ、前記半導体基体の他方面にドレイン電極が形成されており、
前記ソース電極側における前記ｐ型コラム領域の幅は、前記ドレイン電極側における前記ｐ型コラム領域の幅よりも広く、
前記ソース電極側における前記ｎ型コラム領域の幅は、前記ドレイン電極側における前記ｎ型コラム領域の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の電力変換回路。
【請求項１４】
前記ＭＯＳＦＥＴにおいては、前記半導体基体の一方面にソース電極が形成され、かつ、前記半導体基体の他方面にドレイン電極が形成されており、
前記ソース電極側においては、前記ｐ型コラム領域の不純物濃度が、前記ｎ型コラム領域の不純物濃度よりも高く、
前記ドレイン電極側においては、前記ｐ型コラム領域の不純物濃度が、前記ｎ型コラム領域の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の電力変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スーパージャンクション構造が構成されたＭＯＳＦＥＴを備える電力変換回路が知られている（例えば特許文献１参照。）。【０００３】
従来の電力変換回路９００は、スーパージャンクション構造が構成されたＭＯＳＦＥＴ９１０と、逆流阻止ダイオード９２０と、誘導性負荷（リアクトル）９３０とを備える昇圧チョッパ回路である（図１４参照。）。【０００４】
従来の電力変換回路９００によれば、スーパージャンクション構造が構成されたＭＯＳＦＥＴ９１０を備えるため、ＭＯＳＦＥＴ９１０が高耐圧となるだけでなく、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗が低いためスイッチング周波数を上げても導通損失の増加を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１４３０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、本発明の発明者らは、電力変換回路におけるＭＯＳＦＥＴのスーパージャンクション構造のチャージバランスにバラツキが生じると、ターンオフしたときのＭＯＳＦＥＴのドレイン電流の波形に比較的大きなコブ波形（ドレイン電流が減少し始めてからドレイン電流が最初に０となるまでの間に、ドレイン電流が減少する第１期間と、ドレイン電流が増加する第２期間と、ドレイン電流が再び減少する第３期間とがこの順番に出現する波形、図４及び図５参照）が出現する場合があり、このようなコブ波形によって（ドレイン・ソース間電圧のサージ電圧が小さくなるというメリットはあるものの）ターンオフ損失が大きくなってしまう場合がある、という問題があることを見出した。【０００７】
そこで、本発明は、上記した問題を解決するためになされたものであり、ターンオフしたときのドレイン電流のコブ波形を比較的小さくすることができ、ターンオフ損失が大きくなり難い電力変換回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
［１］本発明の電力変換回路は、ｎ型コラム領域及びｐ型コラム領域を有し、前記ｎ型コラム領域及び前記ｐ型コラム領域でスーパージャンクション構造が構成された半導体基体を有するＭＯＳＦＥＴと、フリーホイールダイオードと、誘導性負荷とを備え、前記ＭＯＳＦＥＴのスイッチング周波数は、１０ｋＨｚ以上であり、前記ＭＯＳＦＥＴは、ターンオフしたときに、ドレイン電流の波形が、前記ドレイン電流が減少し始めてから前記ドレイン電流が最初に０となるまでの間に、前記ドレイン電流が減少する第１期間と、前記ドレイン電流が増加する第２期間と、前記ドレイン電流が再び減少する第３期間とがこの順番に出現するように動作し、前記フリーホイールダイオードは、ライフタイムコントロールされたＳｉ−ＦＲＤ、又は、ＳｉＣ−ＳＢＤであり、前記電力変換回路の定格最大負荷又は定格最大回生電流で前記電力変換回路を運転した場合において、前記フリーホイールダイオードの順方向電流のピーク時に、前記順方向電流の電流値を前記フリーホイールダイオードの活性領域の面積で割った電流密度は、前記フリーホイールダイオードが前記Ｓｉ−ＦＲＤの場合には、２００Ａ／ｃｍ２〜４００Ａ／ｃｍ２の範囲内にあり、前記フリーホイールダイオードが前記ＳｉＣ−ＳＢＤの場合には、４００Ａ／ｃｍ２〜１５００Ａ／ｃｍ２の範囲内にあることを特徴とする電力変換回路。【０００９】
［２］本発明の電力変換回路においては、前記フリーホイールダイオードは、ライフタイムコントロールされたＳｉ−ＦＲＤであることが好ましい。【００１０】
［３］本発明の電力変換回路においては、前記フリーホイールダイオードは、ＳｉＣ−ＳＢＤであることが好ましい。【００１１】
［４］本発明の電力変換回路においては、前記フリーホイールダイオードは、ＭＰＳ構造又はＪＢＳ構造を有することが好ましい。【００１２】
［５］本発明の電力変換回路においては、前記電力変換回路における総合損失のうち、前記ＭＯＳＦＥＴをターンオンしたときのターンオフ損失、前記ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたときのターンオン損失及び前記フリーホイールダイオードのリカバリ損失の３つの損失の和が占める割合が、前記フリーホイールダイオードの導通損失が占める割合よりも大きいことが好ましい。【００１３】
［６］本発明の電力変換回路においては、前記ＭＯＳＦＥＴにおいて、前記ｎ型コラム領域の不純物総量は、前記ｐ型コラム領域の不純物総量よりも多いことが好ましい。【００１４】
［７］本発明の電力変換回路においては、前記ＭＯＳＦＥＴにおいて、前記ｎ型コラム領域の不純物総量は、前記ｐ型コラム領域の不純物総量と等しいことが好ましい。【００１５】
［８］本発明の電力変換回路においては、前記ＭＯＳＦＥＴにおいて、前記ｐ型コラム領域の不純物総量は、前記ｎ型コラム領域の不純物総量の１．００倍よりも多く、１．０３倍と等しいかそれよりも少ないことが好ましい。【００１６】
［９］本発明の電力変換回路においては、前記ＭＯＳＦＥＴにおいて、前記第３期間における単位時間当たりの前記ドレイン電流の減少量は、前記第１期間における単位時間当たりの前記ドレイン電流の減少量よりも小さいことが好ましい。【００１７】
［１０］本発明の電力変換回路においては、前記ＭＯＳＦＥＴにおいて、前記ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたとき、ミラー期間終了後にゲート・ソース間電圧が一時的に上昇する期間が出現するように動作することが好ましい。【００１８】
［１１］本発明の電力変換回路においては、前記ＭＯＳＦＥＴにおける前記半導体基体は、前記ｎ型コラム領域及び前記ｐ型コラム領域の表面に形成されたｐ型のベース領域と、前記ベース領域の表面に形成されたｎ型のソース領域とをさらに有し、前記ＭＯＳＦＥＴは、平面的に見て前記ｎ型コラム領域が位置する領域内に、前記ベース領域の最深部よりも深い深さ位置まで形成され、かつ、前記ソース領域の一部が内周面に露出するように形成されたトレンチと、前記トレンチの内周面に形成されたゲート絶縁膜を介して前記トレンチの内部に埋め込まれてなるゲート電極とをさらに有するトレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴであることが好ましい。【００１９】
［１２］本発明の電力変換回路においては、前記ＭＯＳＦＥＴにおける前記半導体基体は、前記ｎ型コラム領域の一部及び前記ｐ型コラム領域の全部の表面に形成されたｐ型のベース領域と、前記ベース領域の表面に形成されたｎ型のソース領域と、前記ｎ型コラム領域の表面のうち前記ベース領域が形成されていない部分に形成されたｎ型の表面高濃度拡散領域とを有し、前記ＭＯＳＦＥＴは、前記ＭＯＳＦＥＴの第１主面側に、前記ソース領域と前記ｎ型コラム領域とに挟まれた前記ベース領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極をさらに有するプレーナーゲート型のＭＯＳＦＥＴであることが好ましい。【００２０】
［１３］本発明の電力変換回路においては、前記ＭＯＳＦＥＴにおいては、前記半導体基体の一方面にソース電極が形成されており、かつ、前記半導体基体の他方面にドレイン電極が形成されており、前記ソース電極側における前記ｐ型コラム領域の幅は、前記ドレイン電極側における前記ｐ型コラム領域の幅よりも広く、前記ソース電極側における前記ｎ型コラム領域の幅は、前記ドレイン電極側における前記ｎ型コラム領域の幅よりも狭いことが好ましい。【００２１】
［１４］本発明の電力変換回路においては、前記ＭＯＳＦＥＴにおいては、前記半導体基体の一方面にソース電極が形成され、かつ、前記半導体基体の他方面にドレイン電極が形成されており、前記ソース電極側においては、前記ｐ型コラム領域の不純物濃度が、前記ｎ型コラム領域の不純物濃度よりも高く、前記ドレイン電極側においては、前記ｐ型コラム領域の不純物濃度が、前記ｎ型コラム領域の不純物濃度よりも低いことが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の電力変換回路によれば、電力変換回路の定格最大負荷又は定格最大回生電流で運転した場合において、フリーホイールダイオードの順方向電流のピーク時に、順方向電流の電流値をフリーホイールダイオードの活性面積で割った電流密度は、Ｓｉ−ＦＲＤの場合には２００Ａ／ｃｍ２以上、ＳｉＣ−ＳＢＤの場合に４００Ａ／ｃｍ２以上であり、流れる電流に対してフリーホイールダイオードの活性領域の面積が比較的小さいことから、フリーホイールダイオードの接合容量Ｃｊが小さくなる。従って、ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたときの第２期間にフリーホイールダイオードからＭＯＳＦＥＴに向かって流れる電流成分が小さくなるため、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電流のコブ波形を比較的小さくすることができ（図５（ａ）参照。）、その結果、ターンオフ損失を小さくすることができる。【００２３】
また、本発明の電力変換回路によれば、上記したように、フリーホイールダイオードの活性領域の面積が比較的小さいことから、フリーホイールダイオードの接合容量Ｃｊが小さくなる。従って、フリーホイールダイオードのリカバリ電流が小さくなるため（図７の破線Ｂで囲まれた領域参照。）、フリーホイールダイオードのリカバリ損失を小さくすることができる。また、フリーホイールダイオードのリカバリ電流が小さくなるため、ＭＯＳＦＥＴをターンオンしたときのドレイン電流のピーク電流が小さくなり（図６の破線Ａで囲まれた領域参照。）、ＭＯＳＦＥＴのターンオン損失を小さくすることができる。【００２４】
また、本発明の電力変換回路によれば、上記電流密度は、Ｓｉ−ＦＲＤの場合には４００Ａ／ｃｍ２以下であり、ＳｉＣ−ＳＢＤの場合には１５００Ａ／ｃｍ２以下であることから、フリーホイールダイオードの活性領域の面積が小さくなりすぎることがない。このため、半導体素子等から発する熱を外部に放出し易くなるため、フリーホイールダイオードが高温になることを防ぐことができ、半導体素子等から発する熱を外部へ放出する際の熱抵抗を比較的小さくすることができる。その結果、スイッチング損失や導通損失によって発生する熱を効率よく外部へ排出することができる。
また、フリーホイールダイオードの活性領域の面積が小さくなりすぎることがないため、電源に接続されていない状態の電力変換回路を電源に接続したときなどに流れる、ピーク値が大きい電流（ラッシュ電流）が、フリーホイールダイオードを通過するときでも、ＩＦＳＭ破壊が起こることを防ぐことができる。【００２５】
また、本発明の電力変換回路によれば、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング周波数は、１０ｋＨｚ以上であるため、総合損失（＝導通損失＋スイッチング損失）に対する導通損失の割合よりも、スイッチング損失（ターンオン損失、ターンオフ損失及びリカバリ損失を含む）の割合の方が大きくなる。このため、上記したような構成としてターンオン損失、ターンオフ損失及びリカバリ損失を小さくすることにより、総合損失を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態１に係る電力変換回路１を示す回路図である。
【図２】実施形態１におけるＭＯＳＦＥＴ１００を示す断面図である。
【図３】実施形態１におけるフリーホイールダイオード２００を示す断面図である。
【図４】実施形態１におけるＭＯＳＦＥＴ１００のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓ及びドレイン電流Ｉｄ、並びに、フリーホイールダイオード２００の順方向電圧−Ｖｆ及び順方向電流Ｉｆの時間変化を示すグラフの模式図である。図４（ａ）はＭＯＳＦＥＴ１００のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓ及びドレイン電流Ｉｄの時間変化を示すグラフの模式図であり、図４（ｂ）はフリーホイールダイオード２００の順方向電圧−Ｖｆ及び順方向電流Ｉｆの時間変化を示すグラフの模式図である。なお、図４（ａ）のドレイン電流Ｉｄのグラフの時刻ｔ３近傍及び時刻ｔ５近傍の破線は、フリーホイールダイオードの活性領域の面積が実施形態１のフリーホイールダイオードの活性領域の面積の４倍のときのドレイン電流Ｉｄのグラフを示し、図４（ｂ）の順方向電流Ｉｆのグラフの時刻ｔ５近傍の破線はフリーホイールダイオードの活性領域の有効面積が実施形態１のフリーホイールダイオードの活性領域の面積４倍のときの順方向電流Ｉｆのグラフを示す。また、図４においては、説明を容易にするために、ターンオフ期間（時刻ｔ２〜ｔ３の間）及びターンオン期間（時刻ｔ４〜ｔ５の間）の変化を強調して記載しているため、寸法、形状、リンギングの有無等は必ずしも実際の波形と一致しない。ちなみに、図４（ｂ）において、電圧軸の採り方として、上向きを−Ｖｆとしたのは、以下のような事情を考慮したからである。すなわち、電流については、順方向電流を正、逆方向電流を負としているのに対して、電圧については、接合に対する順方向電圧降下を負に、逆バイアスを正にとっており、ダイオードが順方向に電流を流しているとき、順方向電圧降下は、グラフでは負値で現れている。また、電源電圧がダイオードに対して逆バイアスで印加されるとき、逆耐圧Ｖｒは正値で現れる。従って、これらの事情を考慮して、電圧軸の採り方として、上向きを−Ｖｆで表している。
【図５】フリーホイールダイオードの活性領域の面積を変えた場合における、ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたときのＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓ、ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓ及びドレイン電流Ｉｄの時間変化の実測波形を示すグラフである。図５（ａ）は実施例に係る電力変換回路におけるＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓ、ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓ及びドレイン電流Ｉｄの時間変化を示すグラフであり、図５（ｂ）は比較例に係る電力変換回路におけるＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓ、ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓ及びドレイン電流Ｉｄの時間変化を示すグラフである。なお、比較例に係る電力変換回路は、フリーホイールダイオードとして、活性領域の面積が実施形態１におけるフリーホイールダイオードの４倍の面積であるフリーホイールダイオードを備える電力変換回路である（図６及び図７において同じ。）。また、経過時間の単位「２０ｎｓｅｃ／ｄｉｖ」は１目盛が２０ｎｓｅｃであることを示し、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓの単位「１００Ｖ／ｄｉｖ」は１目盛が１００Ｖであることを示し、ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓの単位「２Ｖ／ｄｉｖ」は１目盛が２Ｖであることを示し、ドレイン電流Ｉｄの単位「１Ａ／ｄｉｖ」は１目盛が１Ａであることを示す。
【図６】フリーホイールダイオードの活性領域の面積を変えた場合における、ＭＯＳＦＥＴをターンオンしたときのドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓの時間変化のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７】フリーホイールダイオードの活性領域の面積を変えた場合における、ＭＯＳＦＥＴをターンオンしたときのフリーホイールダイオード２００の順方向電圧−Ｖｆ及び順方向電流Ｉｆの時間変化のシミュレーション結果を示すグラフ（リカバリ波形）である。
【図８】実施形態２におけるフリーホイールダイオード２０２を示す断面図である。
【図９】ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたときのドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓ、ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓ及びドレイン電流Ｉｄの時間変化を示すグラフである。なお、図９において、「ｎ過多」は、ｎ型コラム領域の不純物総量がｐ型コラム領域の不純物総量よりも１０％多い場合を示し、「Ｊｕｓｔ」は、ｎ型コラム領域の不純物総量とｐ型コラム領域の不純物総量とが等しい場合を示し、「ｐ過多」は、ｐ型コラム領域の不純物総量がｎ型コラム領域の不純物総量よりも１０％多い場合を示す。また、電源電圧は３００Ｖである。
【図１０】ｐ型コラム領域の不純物総量がｎ型コラム領域の不純物総量よりもわずか（２％）に多い場合において、ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたときのドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓ、ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓ及びドレイン電流Ｉｄの時間変化を示すグラフである。
【図１１】変形例１における電力変換回路２を示す回路図である。
【図１２】変形例２におけるＭＯＳＦＥＴ１０２を示す断面図である。
【図１３】変形例３におけるＭＯＳＦＥＴ１０４を示す断面図である。
【図１４】従来の電力変換回路９００を説明するために示す図である。なお、符号９０１はＤＣ／ＡＣ変換部を示し、符号９０２はフィルタを示し、符号９０３はノイズフィルタを示し、符号９０４は系統を示し、符号９４０は電源を示し、符号９５０は平滑コンデンサを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の電力変換回路について、図に示す実施形態に基づいて説明する。なお、各図面は模式図であり、必ずしも実際の回路構成やグラフを厳密に反映したものではない。
【００２８】
［実施形態１］
１．実施形態１に係る電力変換回路１の構成について
実施形態１に係る電力変換回路１は、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等の構成要素であるチョッパ回路（昇圧チョッパ回路）である。実施形態１に係る電力変換回路１は、図１に示すように、ＭＯＳＦＥＴ１００、フリーホイールダイオード２００と、誘導性負荷（リアクトル）３００と、電源４００と、平滑コンデンサ５００とを備える。実施形態１に係る電力変換回路１の外部端子には負荷６００が接続されている。
【００２９】
ＭＯＳＦＥＴ１００は、電源４００から誘導性負荷３００に供給する電流及び電源４００から供給される電流を制御する。具体的には、ＭＯＳＦＥＴ１００は、ドライブ回路（図示せず）からＭＯＳＦＥＴ１００のゲート電極に印加されるクロック信号に応答してスイッチングし、オン状態になると、誘導性負荷３００と電源４００の負極との間を導通させる。ＭＯＳＦＥＴ１００の具体的な構成については、後述する。
フリーホイールダイオード２００は、電源４００から誘導性負荷３００に供給する電流の整流動作を行う。フリーホイールダイオード２００の具体的な構成については後述する。
誘導性負荷３００は、流れる電流によって形成される磁場にエネルギーを蓄えることができる受動素子である。
【００３０】
電源４００の陽極（＋）は、誘導性負荷３００の一方端と電気的に接続されており、電源４００の負極（−）は、ＭＯＳＦＥＴ１００のソース電極と電気的に接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ１００のドレイン電極は、誘導性負荷３００の他方端及びフリーホイールダイオード２００のアノード電極と電気的に接続されている。
【００３１】
２．実施形態１におけるＭＯＳＦＥＴ１００の構成について
実施形態１におけるＭＯＳＦＥＴ１００は、図２に示すように、半導体基体１１０と、ゲート絶縁膜１２４と、ゲート電極１２６と、層間絶縁膜１２８と、ソース電極１３０と、ドレイン電極１３２とを備えるトレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴである。ＭＯＳＦＥＴ１００のドレイン・ソース間耐圧は、３００Ｖ以上であり、例えば６００Ｖである。ＭＯＳＦＥＴ１００のスイッチング周波数は、１０ｋＨｚ以上である。
【００３２】
半導体基体１１０は、低抵抗半導体層１１２と、低抵抗半導体層１１２上に形成され低抵抗半導体層１１２よりも不純物濃度が低いｎ型のバッファ層１１３、バッファ層１１３上に水平方向に沿って交互に配列されたｎ型コラム領域１１４及びｐ型コラム領域１１６と、ｎ型コラム領域１１４及びｐ型コラム領域１１６の表面(表面上）に形成されたｐ型のベース領域１１８と、ベース領域１１８の表面に選択的に形成されたｎ型のソース領域１２０を有し、ｎ型コラム領域１１４及びｐ型コラム領域１１６でスーパージャンクション構造１１７が構成されている。なお、バッファ層１１３及びｎ型コラム領域１１４は一体的に形成されており、バッファ層１１３とｎ型コラム領域１１４とでｎ型半導体層１１５を構成している。
【００３３】
半導体基体１１０において、ｎ型コラム領域１１４の不純物総量は、ｐ型コラム領域１１６の不純物総量よりも多く、具体的には、ｎ型コラム領域１１４の不純物総量は、ｐ型コラム領域１１６の不純物総量の１．０５倍〜１．１５倍の範囲内にあり、例えば、１．１０倍である。なお、ｎ型コラム領域１１４の不純物総量をｐ型コラム領域１１６の不純物総量よりも多くするためには、ｎ型コラム領域１１４の不純物濃度をｐ型コラム領域１１６の不純物濃度よりも高くしてもよいし、ｎ型コラム領域１１４の幅をｐ型コラム領域１１６の幅よりも広くしてもよい。
【００３４】
なお、「不純物総量」とは、ＭＯＳＦＥＴ内の構成要素（ｎ型コラム領域又はｐ型コラム領域）の不純物（ｎ型不純物又はｐ型不純物）の総量をいう。
【００３５】
ソース電極１３０側におけるｐ型コラム領域１１６の幅は、ドレイン電極１３２側におけるｐ型コラム領域１１６の幅よりも広く、ソース電極１３０側におけるｎ型コラム領域１１４の幅は、ドレイン電極１３２側におけるｎ型コラム領域１１４の幅よりも狭い。ｐ型コラム領域の幅（断面積）をソース電極側に向かうに従って非線形的に大きくし、ｎ型コラム領域の幅（断面積）をソース電極側に向かうに従って非線形的に小さくすることもできる。この場合には、（１）ゲート周辺がｐ過多になり、ｎ型コラム領域１１４が空乏化されやすくなるため、ドレイン電圧が上昇してもゲート周辺のｎ型コラム領域１１４の電位が高くなり難くなる。また、（２）ｎ型コラム領域１１４における空乏化されていない領域とゲート電極との間隔が比較的長くなり、帰還容量Ｃｒｓｓ（ゲート・ドレイン間容量Ｃｇｄと等しい）が比較的小さくなるため、ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたときにドレイン電圧が上昇するのに伴ってｎ型コラム領域１１４（ｎ型コラム領域のうちの空乏化されていない領域）の電位が上昇しても、ゲート電極がｎ型コラム領域の電位変化の影響を受け難くなる。その結果、ゲート周辺のチャージバランスのバラツキがあったとしても、ターンオフしたときのスイッチング特性のバラツキを従来よりも小さくすることができる、という効果を得ることができる。
ｎ型コラム領域１１４及びｐ型コラム領域１１６の不純物濃度はそれぞれ、深さによらず一定になっている。
【００３６】
ｎ型コラム領域１１４、ｐ型コラム領域１１６、ソース領域１２０及びゲート電極１２６はいずれも、平面的に見てストライプ状に形成されている。
【００３７】
低抵抗半導体層１１２の厚さは、例えば１００μｍ〜４００μｍの範囲内にあり、低抵抗半導体層１１２の不純物濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲内にある。ｎ型半導体層１１５の厚さは、例えば５μｍ〜１２０μｍの範囲内にある。ｎ型半導体層１１５の不純物濃度は例えば５×１０１３ｃｍ−３〜１×１０１６ｃｍ−３の範囲内にある。ｐ型コラム領域１１６の不純物濃度は例えば５×１０１３ｃｍ−３〜１×１０１６ｃｍ−３の範囲内にある。ベース領域１１８の最深部の深さ位置は、例えば０．５μｍ〜４．０μｍの範囲内にあり、ベース領域１１８の不純物濃度は、例えば５×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲内にある。ソース領域１２０の最深部の深さ位置は、例えば０．１μｍ〜０．４μｍの範囲内にあり、ソース領域１２０の不純物濃度は、例えば５×１０１９ｃｍ−３〜２×１０２０ｃｍ−３の範囲内にある。
【００３８】
トレンチ１２２は、平面的に見てｎ型コラム領域１１４が位置する領域内に、ベース領域１１８の最深部よりも深い深さ位置まで形成され、かつ、ソース領域１２０の一部が内周面に露出するように(露出する位置に）形成されている。トレンチ１２２の深さは、例えば３μｍである。
【００３９】
ゲート電極１２６は、トレンチ１２２の内周面に形成されたゲート絶縁膜１２４を介してトレンチ１２２の内部に埋め込まれてなる。ゲート絶縁膜１２４は、熱酸化法により形成された厚さが例えば１００ｎｍの二酸化珪素膜からなる。ゲート電極１２６は、ＣＶＤ法及びイオン注入法により形成された低抵抗ポリシリコンからなる。
【００４０】
層間絶縁膜１２８は、ソース領域１２０の一部、ゲート絶縁膜１２４及びゲート電極１２６を覆うように形成されている。層間絶縁膜１２８は、ＣＶＤ法により形成された厚さが例えば１０００ｎｍのＰＳＧ膜からなる。
【００４１】
ソース電極１３０は、ベース領域１１８、ソース領域１２０の一部、及び、層間絶縁膜１２８を覆うように形成され、ソース領域１２０と電気的に接続されている。ドレイン電極１３２は、低抵抗半導体層１１２の表面上に形成されている。ソース電極１３０は、スパッタ法により形成された厚さが例えば４μｍのアルミニウム系の金属（例えば、Ａｌ−Ｃｕ系の合金）からなる。ドレイン電極１３２は、Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｕなどの多層金属膜により形成されている。多層金属膜全体の厚さは、例えば０．５μｍである。
【００４２】
３．実施形態１におけるフリーホイールダイオード２００の構成について
実施形態１に係るフリーホイールダイオード２００は、図３に示すように、半導体基体２１０と、層間絶縁膜２２０と、アノード電極２３０と、カソード電極２４０とを備える、ライフタイムコントロールされたＳｉ−ＦＲＤ（シリコン−ファスト・リカバリ・ダイオード）である。
【００４３】
アノード電極２３０は、半導体基体２１０の第１主面（図３の上方の主面）上に形成されており、活性領域ＡＲにおいて、半導体基体２１０（ｐ型高濃度領域２１８及びｐ型半導体層２１６）と接している。周辺領域においては、半導体基体２１０の表面上に層間絶縁膜２２０が形成されている。カソード電極２４０は、半導体基体２１０の第２主面（図３の下方の主面）上に形成されている。
【００４４】
半導体基体２１０は、低抵抗半導体層２１２と、低抵抗半導体層２１２上に形成され低抵抗半導体層２１２よりも不純物濃度が低いｎ型半導体層２１４と、ｎ型半導体層２１４の表面に形成されたｐ型半導体層２１６と、ｐ型半導体層２１６の表面に選択的に形成され、かつ、ｐ型半導体層２１６を貫通してｎ型半導体層２１４に達する深さで形成されたｐ型高濃度領域２１８とを有し、ｎ型半導体層２１４とｐ型半導体層２１６の間、及び、ｎ型半導体層２１４とｐ型高濃度領域２１８との間でＰＮ接合が形成されている。
【００４５】
フリーホイールダイオード２００は、電子線照射、重金属の拡散、局所ライフタイム制御（Ｈｅやプロトン照射）等によりライフタイムコントロールされている。
【００４６】
電力変換回路１の定格最大負荷で電力変換回路１を運転した場合において、フリーホイールダイオード２００の順方向電流のピーク時に、順方向電流の電流値をフリーホイールダイオード２００の活性領域ＡＲの面積（有効面積）で割った電流密度は、２００Ａ／ｃｍ２〜４００Ａ／ｃｍ２の範囲内にある。
【００４７】
なお、フリーホイールダイオード２００の活性領域ＡＲは、平面的に見て実質的にダイオードとして有効な領域（アノード電極と半導体基体とが接している領域）のことをいう。また、定格最大負荷とは、電力変換回路が外部に電力を供給できるときの最大の負荷のことをいう。
【００４８】
なお、電力変換回路が、回生運転を行う回路の場合には、電力変換回路の定格最大負荷又は定格最大回生電流で電力変換回路を運転した場合において、フリーホイールダイオードの順方向電流のピーク時に、順方向電流の電流値をフリーホイールダイオードの活性領域ＡＲの面積で割った電流密度は、２００Ａ／ｃｍ２〜４００Ａ／ｃｍ２の範囲内にある。
なお、定格最大回生電流とは、回生運転（負荷がブレーキをかけるなどした場合において、負荷で発電し、発電された電力を電源側に逆潮流として戻す運転）をしたときに、負荷から電源に向かって電力が供給できるときの最大の電流のことをいう。
【００４９】
上記したような回生運転を行う電力変換回路の場合において、同一の電力変換回路を用いて通常運転から回生運転に入る場合、（降圧チョッパ又は昇圧チョッパとなるように）結線を変更して使用する（例えば、従来の電力変換回路９００において、通常運転時においては、図１２の左から右に向かって電力が供給され、回生運転時においては、図１２の右から左に向かって電力が供給される。）。
この場合であっても、ＭＯＳＦＥＴとフリーホイールダイオードの役割は、通常運転の場合とほとんど変わらないため、ＭＯＳＦＥＴのターンオフ時に、電流波形にコブ波形が出現することや、そのコブ波形の大きさがフリーホイールダイオードの接合容量によって影響を受ける点も、通常運転の場合とほとんど同様である。また、ダイオードの面積が大きければ、リカバリ電流も大きくなることも通常運転の場合と同様である。
従って、回生運転を行うことを前提にした回路においては、回生運転時の定格最大電流におけるフリーホイールダイオードの電流密度の条件は、通常運転時における電流密度の条件と同じになる。
【００５０】
４．実施形態１に係る電力変換回路１の動作について
（１）オン状態（図４の時刻ｔ１〜ｔ２、ｔ５〜ｔ６参照）
電力変換回路１（図１参照。）のＭＯＳＦＥＴ１００がオン状態のとき、電源４００の正極（＋）から誘導性負荷３００及びＭＯＳＦＥＴ１００を経由して負極（−）に至る電流経路が形成され、当該電流経路に電流が流れる。ＭＯＳＦＥＴ１００においては、ベース領域１１８にチャネルが形成され、ドレイン電極１３２とソース電極１３０とが導通し、ドレイン電流Ｉｄは徐々に大きくなっていく（図４（ａ）参照。）。一方、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓは０のままである。
フリーホイールダイオード２００においては、アノード電極側のｐ型領域とカソード電極側のｎ型領域とのｐｎ接合面から生じる空乏層が広がっている。従って、順方向電流Ｉｆは流れておらず（０になっている）、順方向電圧−Ｖｆが所定の電圧値となっている（図４（ｂ）参照。）。このとき、誘導性負荷３００には電源４００の電気エネルギーが蓄積される。
【００５１】
（２）ターンオフ期間（図４の時刻ｔ２〜ｔ３参照）
電力変換回路１（図１参照。）のＭＯＳＦＥＴ１００をターンオフしたとき、電源４００の正極（＋）から誘導性負荷３００及びＭＯＳＦＥＴ１００を経由して負極（−）に至る電流経路を流れる電流が減少し、やがて０になる。一方、誘導性負荷３００は、自己を流れる電流を維持するために起電力を発生する。発生した起電力はフリーホイールダイオード２００に印加している逆バイアスを順バイアスに変化させるため、順方向電圧−Ｖｆが低下し、フリーホイールダイオード２００に順方向電流が流れる。詳細は以下のとおりである。
【００５２】
（２−１）第１期間
ＭＯＳＦＥＴ１００においては、ゲート電位が大きく低下し、ベース領域１１８に形成されていたチャネルが狭くなる。従って、ソース電極１３０から半導体基体１１０中に電子が流入し難くなりドレイン電流Ｉｄが低下する（図４（ａ）の第１期間参照。）。一方、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓは急激に大きくなる。
フリーホイールダイオード２００においては、逆バイアスが減少し、ｐｎ接合面から広がっていた空乏層に向かってキャリアが移動する（アノード電極側のホールが空乏層に向かい、カソード電極側の電子が空乏層に向かう）。これにより、空乏層が徐々に狭くなっていくことから、フリーホイールダイオード２００に変位電流が流れ、順方向電流Ｉｆが増加する（図４（ｂ）参照。）。
【００５３】
第１期間においては、ＭＯＳＦＥＴ１００のドレイン電位が時間経過とともに高くなっており、ゲート周辺のｎ型コラム領域１１４の電位（静電ポテンシャル）も時間経過とともに高くなる。そして、低下したゲート電極１２６の電位がゲート・ドレイン間容量Ｃｇｄを介して高くなり、チャネルが広くなるとドレイン電流Ｉｄが増加し、第２期間に移行する。
【００５４】
（２−２）第２期間
電力変換回路１においては、電源４００の正極（＋）から誘導性負荷３００及びＭＯＳＦＥＴ１００を経由して負極（−）に至る電流経路を流れる電流が一時的に大きくなる。一方、誘導性負荷３００からフリーホイールダイオード２００へ流れる電流成分が一時的に小さくなる。
ＭＯＳＦＥＴ１００においては、ゲート電極の電位が高くなり、ひいては、ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓが高くなることにより、ベース領域１１８のチャネルが一時的に広くなる。これにより、ソース電極１３０から電子が流入し、一時的にドレイン電極１３２からソース電極１３０へと流れる電流が増加する（図４（ａ）の第２期間参照。）。一方、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓは増加する割合が減少し、緩やかに増加する。
フリーホイールダイオード２００においては、アノード電極から空乏層に向けて流入し、 空乏層の縮小に寄与していたホールの移動が一時的に止まるとともに、 カソード電極から空乏層に向けて流入し、空乏層の縮小に寄与していた電子の移動が一時的に止まる。 従って、フリーホイールダイオード２００の内部（空乏層中）を、変位電流が流れなくなり、 フリーホイールダイオード２００を通過する電流量が減少する（順方向電流Ｉｆが減少する（図４（ｂ）参照。））。
【００５５】
（２−３）第３期間
電力変換回路１（図１参照。）においては、電源４００の正極（＋）から誘導性負荷３００及びＭＯＳＦＥＴ１００を経由して負極（−）に至る電流経路に流れる電流が小さくなる。一方、誘導性負荷３００は、自己を流れる電流を維持するために起電力を発生する。発生した起電力はフリーホイールダイオード２００に印加している逆バイアスを減少させる。
ＭＯＳＦＥＴ１００においては、ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓが再び低下し始め、第１期間の場合と同様に、ベース領域１１８に形成されていたチャネルが狭くなり、ドレイン電流Ｉｄが減少する（図４（ａ）の第３期間参照。）。このため、第２期間と第３期間とが切り替わる時点をピークとしたコブ波形が形成される。一方、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓは再び増加する割合（傾き）が増加し、定格電圧を超える電圧になった後に定格電圧へと減少する。
フリーホイールダイオード２００においては、空乏層が再び狭くなっていき変位電流が流れるため、順方向電流Ｉｆが再び増加する（図４（ｂ）参照。）。
そして、ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓがゲート閾値電圧未満になるとチャネルが消滅しドレイン電流Ｉｄが０になる（オフ状態へ移行）。
【００５６】
なお、ＭＯＳＦＥＴ１００において、第３期間における単位時間当たりのドレイン電流Ｉｄの減少量は、第１期間における単位時間当たりのドレイン電流の減少量よりも小さい（図４、図５及び図９参照。）。また、ＭＯＳＦＥＴ１００は、ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたとき、ミラー期間終了後にゲート・ソース間電圧が一時的に上昇する期間が出現するように動作する（図５及び図９参照。）。
【００５７】
（３）オフ状態（図４の時刻ｔ３〜ｔ４参照）
電力変換回路１（図１参照。）においては、電源４００の正極（＋）から誘導性負荷３００及びＭＯＳＦＥＴ１００を経由して負極（−）に至る電流経路に流れる電流が０になる。
ＭＯＳＦＥＴ１００においては、ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓがゲート閾値電圧未満になるため、チャネルが消滅しておりドレイン電流Ｉｄが０になる。一方、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓは定格電圧を超える電圧になった後に定格電圧へと減少し、定格電圧が維持される（図４（ａ）参照。）。
フリーホイールダイオード２００においては、ｐｎ接合面から広がる空乏層がなくなり、電子及びホールがそれぞれ直接流れるため、順方向電流Ｉｆが流れ、時間が経過するに従って徐々に減少する（図４（ｂ）参照。）。また、順方向電圧−Ｖｆが、負値になり（逆方向電圧が発生する）、導通損失が発生する。
【００５８】
（４）ターンオン期間（図４の時刻ｔ４〜ｔ５参照）
ＭＯＳＦＥＴをターンオンすると、電力変換回路１においては、電源４００の正極（＋）から誘導性負荷３００及びＭＯＳＦＥＴ１００を経由して負極（−）に至る電流経路が形成され、当該電流経路に電流が流れ始める。このとき、フリーホイールダイオード２００に流れる順方向電流が減少し始める。
ＭＯＳＦＥＴ１００においては、電子がソース電極１３０からソース領域１２０を経由してｎ型コラム領域１１４へと流入するため、ドレイン電流Ｉｄが一時的に急激に増加した後、急速に減少する（図４（ａ）参照。）。また、ドレイン・ソース間電圧Ｖｇｓは急激に減少する。
フリーホイールダイオード２００においては、ｐｎ接合を介して順方向に電流が流れていたが、アノード電極からカソード電極に拡散したホールの一部が、アノード電極に戻りはじめる。一方、カソード電極からアノード電極に拡散した電子の一部が、カソード電極に戻りはじめる。これらのキャリア(電子およびホール)の動きにより、順方向電流が減少し、やがて、ｐｎ接合面から空乏層が広がり始め、ホールがアノード電極からカソード電極へ移動できなくなるとともに電子がカソード電極からアノード電極へ移動できなくなる。このとき、ホールがアノード電極側に移動するとともに電子がカソード電極側に移動し、逆回復電流が発生する（順方向電流Ｉｆが負値になっている）が、これらのホール・電子の回収が終わると順方向電流Ｉｆが０になる（図４（ｂ）参照。）。また、順方向電圧−Ｖｆは急激に上昇し、定格電圧を超える値（サージ電圧）まで増加した後、定格電圧まで減少する。
【００５９】
５．実施形態１に係る電力変換回路１の波形について
実施形態１に係る電力変換回路１を説明するために、まず比較例に係る電力変換回路を説明する。
比較例に係る電力変換回路は、基本的には実施形態１に係る電力変換回路１と同様の構成を有するが、フリーホイールダイオードとして、活性領域の面積が実施形態１におけるフリーホイールダイオードの活性領域の面積の４倍の面積であるフリーホイールダイオードを用いた電力変換回路である。比較例に係る電力変換回路において、ＭＯＳＦＥＴは、ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたときに、ドレイン電流Ｉｄが減少する第１期間と、ドレイン電流Ｉｄが増加する第２期間と、ドレイン電流Ｉｄが再び減少する第３期間とがこの順番に出現するように動作する（図５（ｂ）参照。）。比較例に係る電力変換回路においては、ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたときにドレイン電流Ｉｄが急激に低下した後に、ドレイン電流の低下前の１／２程度まで急激に増加している。その後上下に振動を繰り返した後０になっている。
【００６０】
これに対して、実施例に係る電力変換回路（実施形態１に係る電力変換回路１）において、ＭＯＳＦＥＴ１００は、比較例に係る電力変換回路と同様に、ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたときに、ドレイン電流Ｉｄが減少し始めてからドレイン電流Ｉｄが最初に０となるまでの間に、ドレイン電流Ｉｄが減少する第１期間と、ドレイン電流Ｉｄが増加する第２期間と、ドレイン電流Ｉｄが再び減少する第３期間とがこの順番に出現するように動作するが、ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたときにドレイン電流Ｉｄが低下した後に、ドレイン電流の低下前の１／３程度まで増加し、その後上下に振動を繰り返したのち０になっている（図５（ａ）参照。）。すなわち、比較例に係る電力変換回路の場合よりもコブ波形が小さくなっている。従って、比較例の場合よりもターンオフ損失が小さくなっている。
【００６１】
次に、実施形態１に係る電力変換回路１におけるターンオン損失について説明する。
比較例に係る電力変換回路において、ＭＯＳＦＥＴは、ＭＯＳＦＥＴをターンオンしたときに、ドレイン電流Ｉｄは、定常電流を超える値となるまで増加した後（ピーク電流）、リンギングをしながら定常値に近づいていく（図６の細実線参照。）。
また、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓは、単調に、かつ急激に減少する（図６の細破線参照。）。
【００６２】
これに対して、実施例に係る電力変換回路１において、ＭＯＳＦＥＴ１００は、ＭＯＳＦＥＴをターンオンしたときに、比較例に係る電力変換回路の場合よりもピーク電流が小さく、かつ、リンギングも小さく、かつ、早くリンギングが終了する（図６の太実線参照。）。従って、実施例に係る電力変換回路は、比較例に係る電力変換回路よりもターンオン損失が小さくなっている。
【００６３】
次に、実施形態１に係る電力変換回路１におけるリカバリ損失について説明する。
比較例に係る電力変換回路において、フリーホイールダイオードは、ＭＯＳＦＥＴをターンオンしたときに、順方向電流Ｉｆが急減に負値になるまで低下した後、リンギングをしながら０に回復する（図７の細実線参照。）。
また、順方向電圧−Ｖｆは、定常値を超える電圧まで上昇した後、リンギングしながら定常値に収束していく（図７の細破線参照。）。
【００６４】
これに対して、実施例に係る電力変換回路において、フリーホイールダイオードは、逆回復電流（ピーク）値Ｉｒｐが比較例の場合よりも小さく、逆回復時間ｔｒｒも比較例の場合よりも短く、逆回復容量Ｑｒｒが小さくなっている（図７の太実線参照。）従って、実施例に係る電力変換回路は、比較例に係る電力変換回路よりもリカバリ損失が小さくなっている。
また、順方向電圧−Ｖｆは、定常値に達する前に一度急激に減少し、再び定常値付近まで増加する。このとき、比較例の場合よりもリンギングの振幅が小さくなっている（図７の太破線参照。）。
【００６５】
６．実施形態１に係る電力変換回路１の効果について
実施形態１に係る電力変換回路１によれば、電力変換回路１の定格最大負荷又は定格最大回生電流で運転した場合において、フリーホイールダイオード２００の順方向電流のピーク時に、順方向電流の電流値をフリーホイールダイオード２００の活性面積で割った電流密度は、Ｓｉ−ＦＲＤの場合には２００Ａ／ｃｍ２以上であり、流れる電流に対してフリーホイールダイオード２００の活性領域ＡＲの面積が比較的小さいことから、フリーホイールダイオード２００の接合容量Ｃｊが小さくなる。従って、ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたとき（ターンオフしたときの第２期間）にフリーホイールダイオード２００からＭＯＳＦＥＴ１００に向かって流れる電流成分が小さくなるため、ＭＯＳＦＥＴ１００のドレイン電流Ｉｄのコブ波形を比較的小さくすることができ（図５（ａ）参照。）、その結果、ターンオフ損失を小さくすることができる。
【００６６】
なお、フリーホイールダイオード２００の順方向電流のピーク時に、順方向電流の電流値をフリーホイールダイオード２００の活性面積で割った電流密度を２００Ａ／ｃｍ２以上としたのは、当該電流密度が２００Ａ／ｃｍ２未満である場合には、フリーホイールダイオード２００の活性領域ＡＲの面積が比較的大きくなり、フリーホイールダイオード２００の接合容量Ｃｊが大きくなり、ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたとき（ターンオフしたときの第２期間）にフリーホイールダイオード２００からＭＯＳＦＥＴ１００に向かって流れる電流成分が小さくなるため、コブ波形を小さくすることが難しいからである。
【００６７】
また、実施形態１に係る電力変換回路１によれば、電力変換回路１の定格最大負荷又は定格最大回生電流で運転したときに、フリーホイールダイオード２００の順方向電流のピーク時に、順方向電流の電流値をフリーホイールダイオード２００の活性面積で割った電流密度は、Ｓｉ−ＦＲＤの場合には２００Ａ／ｃｍ２以上であり、フリーホイールダイオード２００の活性領域ＡＲの面積が比較的小さいことから、フリーホイールダイオード２００の接合容量Ｃｊが小さくなる。従って、フリーホイールダイオード２００のリカバリ電流が小さくなるため（図７の破線Ｂで囲まれた領域参照。）、フリーホイールダイオード２００のリカバリ損失を小さくすることができる。また、フリーホイールダイオード２００のリカバリ電流が小さくなるため、ＭＯＳＦＥＴ１００をターンオンしたときのドレイン電流Ｉｄのピーク電流が小さくなり（図６の破線Ａで囲まれた領域参照。）、ＭＯＳＦＥＴ１００のターンオン損失を小さくすることができる。
【００６８】
また、実施形態１に係る電力変換回路１によれば、上記電流密度は、Ｓｉ−ＦＲＤの場合に４００Ａ／ｃｍ２以下であることから、フリーホイールダイオード２００の活性領域の面積が小さくなりすぎることがない。このため、半導体素子等から発する熱を外部に放出し易くなるため、フリーホイールダイオード２００が高温になることを防ぐことができ、半導体素子等から発する熱を外部へ放出する際の熱抵抗を比較的小さくすることができる。その結果、スイッチング損失や導通損失によって発生する熱を効率よく外部へ排出することができる。
また、フリーホイールダイオード２００の活性領域の面積が小さくなりすぎることがないため、電源に接続されていない状態の電力変換回路を電源に接続したときなどに流れる、ピーク値が大きい電流（ラッシュ電流。電力変換回路に内蔵された平滑コンデンサをいきなり電源電圧の最大値に対応する電荷量で充電する場合に流れる電流）が、フリーホイールダイオード２００を通過するときでも、ＩＦＳＭ破壊が起こることを防ぐことができる。
【００６９】
また、実施形態１に係る電力変換回路１によれば、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング周波数は、１０ｋＨｚ以上であるため、総合損失（＝導通損失＋スイッチング損失）に対する導通損失の割合よりも、スイッチング損失（ターンオン損失、ターンオフ損失及びリカバリ損失を含む）の割合の方が大きくなる。このため、上記した構成にしてターンオン損失、ターンオフ損失及びリカバリ損失を小さくすることにより、総合損失を小さくすることができる。
【００７０】
また、実施形態１に係る電力変換回路１によれば、フリーホイールダイオード２００は、ライフタイムコントロールされたＳｉ−ＦＲＤであるため、順方向電圧−Ｖｆが大きくなり難くなる。このため、Ｓｉ−ＳＢＤを用いた場合よりも導通損失が大きくなり難くなる。
【００７１】
また、実施形態１に係る電力変換回路１によれば、電力変換回路における総合損失のうち、ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたときのターンオフ損失、ＭＯＳＦＥＴをターンオンしたときのターンオン損失及びフリーホイールダイオード２００のリカバリ損失の３つの損失の和が占める割合が、フリーホイールダイオード２００の導通損失が占める割合よりも大きいため、上記した構成とすることにより、ターンオン損失、ターンオフ損失及びリカバリ損失を小さくすることができ、総合損失を小さくすることができる。
【００７２】
また、実施形態１に係る電力変換回路１によれば、ＭＯＳＦＥＴ１００において、ｎ型コラム領域１１４の不純物総量は、ｐ型コラム領域１１６よりも多いため、ＭＯＳＦＥＴ１００をターンオフしたときに、ゲート周辺のｎ型コラム領域１１４が空乏化され難くなる。従って、ドレイン・ソース間耐圧を高くすることができる。また、ターンオフ時にコブ波形が発生することとなり、ドレイン電流Ｉｄの電流値が０になるまでの時間を長くすることができる。従って、ＭＯＳＦＥＴのサージ電圧が大きくなり難くなる。
【００７３】
また、実施形態１に係る電力変換回路１によれば、ＭＯＳＦＥＴ１００において、ｎ型コラム領域１１４の不純物総量は、ｐ型コラム領域１１６の不純物総量よりも多いため、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが最大になるまでの時間を長くでき、かつ、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが最大になるまでのドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓの単位時間当たりの増加量を小さくすることができるため、発振が起こり難くなる。
【００７４】
また、実施形態１に係る電力変換回路１によれば、ＭＯＳＦＥＴにおいて、第３期間における単位時間当たりのドレイン電流の減少量は、第１期間における単位時間当たりのドレイン電流の減少量よりも小さいため、ＭＯＳＦＥＴ１００をターンオフしたとき、ＭＯＳＦＥＴ１００のサージ電圧をより一層小さくすることができる。
【００７５】
また、実施形態１に係る電力変換回路１によれば、ＭＯＳＦＥＴにおいて、ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたとき、ミラー期間終了後にゲート・ソース間電圧が一時的に上昇する期間が出現するように動作するため、ドレイン電流Ｉｄの電流値が０になるまでの時間を確実に長くでき、かつ、第３期間における単位時間当たりのドレイン電流Ｉｄの減少量を確実に小さくすることができる。従って、ＭＯＳＦＥＴ１００のサージ電圧を確実に小さくすることができる。
【００７６】
また、実施形態１に係る電力変換回路１によれば、ＭＯＳＦＥＴ１００においては、ソース電極１３０側におけるｐ型コラム領域の幅は、ドレイン電極１３２側におけるｐ型コラム領域１１６の幅よりも広く、ソース電極１３０側におけるｎ型コラム領域１１４の幅は、ドレイン電極１３２側におけるｎ型コラム領域１１４の幅よりも狭いため、ゲート周辺がｐ過多になるため、ターンオフ時に空乏層を広げやすく、Ｌ負荷アバランシェ破壊耐量を大きくすることができる
【００７７】
［実施形態２］
実施形態２に係る電力変換回路（図示せず。）は、基本的には実施形態１に係る電力変換回路１と同様の構成を有するが、フリーホイールダイオードがＳｉＣ−ＳＢＤ（シリコンカーバイド−ショットキー・バリア・ダイオード）である点で実施形態１に係る電力変換回路１の場合とは異なる。すなわち、実施形態２に係る電力変換回路において、図８に示すように、フリーホイールダイオード２０２は、半導体基体２１０ａがＳｉＣ（シリコンカーバイド）からなり、かつ、アノード電極２３２における少なくとも半導体基体２１０ａと接する位置にはショットキーバリアメタルが配置されており、当該ショットキーバリアメタルと半導体基体２１０ａとがショットキー接合されたショットキー・バリア・ダイオードである。
【００７８】
フリーホイールダイオード２０２は、ショットキー接合とｐｎ接合とを組み合わせたＪＢＳ構造（又はＭＰＳ構造）を有する。すなわち、半導体基体２１０ａには、実施形態１におけるフリーホイールダイオード２００の場合のようなｐ型半導体層２１６は形成されていない。
ＪＢＳ構造（又はＭＰＳ構造）は、順方向にラッシュ電流が突入した時、ショットキー接合だけでなく、ＰＮ接合を使って電流を流すことで、ショットキー接合が破壊しにくく、ＩＦＳＭ破壊を回避する構造となっている（ＩＦＳＭ耐量が大きい）。
【００７９】
フリーホイールダイオード２０２の電流密度は、４００Ａ／ｃｍ２〜１５００Ａ／ｃｍ２の範囲内にある。フリーホイールダイオード２０２の電流密度が、Ｓｉ−ＦＲＤ構造を有するフリーホイールダイオード２００の電流密度の場合のように２００Ａ／ｃｍ２以上ではなく、４００Ａ／ｃｍ２以上となっているのは、以下の理由による。すなわち、ＳｉＣの場合には一般的に絶縁破壊電界強度が高く、高耐圧のＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）を、耐圧層（ドリフト層）の厚さが薄く、かつ、不純物濃度が濃い状態で作製することができる（一般的である）ため、順方向電圧降下をＳｉの場合よりも小さくすることができ、その結果、活性面積をＳｉ−ＦＲＤの場合よりも小さくすることが可能（すなわち、電流密度をＳｉ−ＦＲＤの場合よりも高くすることが可能）だからである。
また、フリーホイールダイオード２０２の電流密度が、Ｓｉ−ＦＲＤ構造を有するフリーホイールダイオード２００の電流密度の場合のように４００Ａ／ｃｍ２以下ではなく、１５００Ａ／ｃｍ２以下となっているのは、順方向にラッシュ電流が突入した時でもショットキー接合が破壊しにくく、ＩＦＳＭ耐量が大きいからである。
【００８０】
なお、電流密度が高い場合、ＳｉＣ半導体は破壊され難いが、電極で使用されるメタルや半田、ボンディングワイヤ等が発熱して溶断するおそれがあり、周辺の部材の物性限界により、許容電流密度が制限されてしまう。従って、フリーホイールダイオード２０２の電流密度は、４００Ａ／ｃｍ２〜１０００Ａ／ｃｍ２の範囲内にあることがより一層好ましい。
【００８１】
このように、実施形態２に係る電力変換回路は、フリーホイールダイオードがＳｉＣ−ＳＢＤである点で実施形態１に係る電力変換回路１の場合とは異なるが、実施形態１に係る電力変換回路１の場合と同様に、電力変換回路１の定格最大負荷又は定格最大回生電流で運転した場合において、フリーホイールダイオード２０２の順方向電流のピーク時に、順方向電流の電流値をフリーホイールダイオード２０２の活性面積で割った電流密度は、ＳｉＣ−ＳＢＤの場合に４００Ａ／ｃｍ２以上であり、流れる電流に対してフリーホイールダイオード２０２の活性領域ＡＲの面積が比較的小さいことから、フリーホイールダイオード２０２の接合容量Ｃｊが小さくなる。従って、ＭＯＳＦＥＴをターンオフしたとき（ターンオフしたときの第２期間）にフリーホイールダイオード２０２からＭＯＳＦＥＴに向かって流れる電流成分が小さくなるため、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電流Ｉｄのコブ波形を比較的小さくすることができ、その結果、ターンオフ損失を小さくすることができる。
【００８２】
また、実施形態２に係る電力変換回路によれば、電力変換回路の定格最大負荷又は定格最大回生電流で運転したときに、フリーホイールダイオード２００の順方向電流のピーク時において、順方向電流の電流値をフリーホイールダイオード２００の活性面積で割った電流密度は、ＳｉＣ−ＳＢＤの場合には４００Ａ／ｃｍ２以上であることから、流れる電流に対してフリーホイールダイオード２０２の活性領域ＡＲの面積が比較的小さくなり、フリーホイールダイオード２００の接合容量Ｃｊが小さくなる。従って、フリーホイールダイオード２０２のリカバリ電流が小さくなるため（図７の破線Ｂで囲まれた領域参照。）、フリーホイールダイオード２０２のリカバリ損失を小さくすることができる。また、フリーホイールダイオード２０２のリカバリ電流が小さくなるため、ＭＯＳＦＥＴをターンオンしたときのドレイン電流Ｉｄのピーク電流が小さくなり（図６の破線Ａで囲まれた領域参照。）、ＭＯＳＦＥＴのターンオン損失を小さくすることができる。
【００８３】
また、実施形態２に係る電力変換回路によれば、電流密度は、ＳｉＣ−ＳＢＤの場合に１５００Ａ／ｃｍ２以下であることから、フリーホイールダイオード２０２の活性領域の面積が小さくなりすぎることがない。このため、半導体素子等から発する熱を外部に放出し易くなるため、フリーホイールダイオード２００が高温になることを防ぐことができ、半導体素子等から発する熱を外部へ放出する際の熱抵抗を比較的小さくすることができる。その結果、スイッチング損失や導通損失によって発生する熱を効率よく外部へ排出することができる。
また、フリーホイールダイオード２０２の活性領域の面積が小さくなりすぎることがないため、電源に接続されていない状態の電力変換回路を電源に接続したときなどに流れる、ピーク値が大きい電流（ラッシュ電流）が、フリーホイールダイオード２００を通過するときでも、ＩＦＳＭ破壊が起こることを防ぐことができる。
【００８４】
また、実施形態２に係る電力変換回路によれば、フリーホイールダイオード２０２は、ＳｉＣ−ＳＢＤであるため、高速スイッチングが可能となり、スイッチング損失を低減することができる。
【００８５】
また、実施形態２に係る電力変換回路によれば、フリーホイールダイオード２０２は、ショットキー接合とｐｎ接合とを組み合わせたＪＢＳ構造を有するため、低導通損失であるとともに漏れ電流の少ないダイオードとなり、総合損失の少ない電力変換回路とすることができる。
【００８６】
また、フリーホイールダイオード２０２は、ＪＢＳ構造を有するため、ラッシュ電流がフリーホイールダイオードを通過するときにｐ型高濃度領域２１８から電流を流すことができ、ＩＦＳＭ破壊が起こることを確実に防ぐことができる。
【００８７】
なお、実施形態２に係る電力変換回路は、フリーホイールダイオードがＳｉＣ−ＳＢＤである点以外の点においては実施形態１に係る電力変換回路１と同様の構成を有するため、実施形態１に係る電力変換回路１が有する効果のうち該当する効果を有する。
【００８８】
以上、本発明を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
【００８９】
（１）上記実施形態において記載した構成要素の数、材質、形状、位置、大きさ等は例示であり、本発明の効果を損なわない範囲において変更することが可能である。
【００９０】
（２）上記各実施形態においては、ＭＯＳＦＥＴにおいて、ｎ型コラム領域の不純物総量をｐ型コラム領域の不純物総量よりも多く（ｎ過多）したが、本発明はこれに限定されるものではない。ｎ型コラム領域の不純物総量をｐ型コラム領域の不純物総量と等しくてもよいし（Ｊｕｓｔ）、ｐ型コラム領域の不純物総量をｎ型コラム領域の不純物総量よりもわずかに多い（ｐ過多。例えば、ｐ型コラム領域の不純物総量をｎ型コラム領域の不純物総量の１．００倍よりも多く、１．０３倍と等しいかそれよりも少ない）こととしてもよい。この場合においても、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電流Ｉｄには（ｎ過多の場合よりも小さいものの）コブ波形が出現するように動作する(図９及び図１０参照。)。
【００９１】
（３）上記実施形態２においては、フリーホイールダイオードとして、ＪＢＳ構造（又はＭＰＳ構造）を有するＳｉＣ−ＳＢＤを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。ＪＢＳ構造又はＭＰＳ構造以外の構造を有するＳｉＣ−ＳＢＤを用いてもよい。この場合には、ＪＢＳ構造（又はＭＰＳ構造）の場合と比べるとＩＦＳＭ耐量がやや小さいため、フリーホイールダイオードの電流密度は、４００Ａ／ｃｍ２〜１０００Ａ／ｃｍ２の範囲内にあることが好ましく、電極で使用されるメタルや半田、ボンディングワイヤ等が発熱して溶断することを防ぐ観点からは、上限は１０００Ａ／ｃｍ２よりも小さくすることがさらに好ましい。
【００９２】
（４）上記各実施形態においては、電力変換回路として、昇圧チョッパ回路を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。電力変換回路として、降圧チョッパ回路（図１１参照。）、フルブリッジ回路、ハーフブリッジ回路、三相交流コンバータ、非絶縁型フルブリッジ回路、非絶縁型ハーフブリッジ回路、プッシュプル回路、ＲＣＣ回路、フォワードコンバータ、フライバックコンバータその他の回路を用いてもよい。
【００９３】
（５）上記各実施形態においては、ＭＯＳＦＥＴとして、トレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。ＭＯＳＦＥＴとして、半導体基体１１０が、ｎ型コラム領域１１４の一部及びｐ型コラム領域１１６の全部の表面に形成されたｐ型のベース領域１１８と、ベース領域１１８の表面に形成されたｎ型のソース領域１２０と、ｎ型コラム領域１１４の表面のうちベース領域１１８が形成されていない部分に形成されたｎ型の表面高濃度拡散領域１１９とを有し、ＭＯＳＦＥＴの第１主面側(ソース電極側）には、ソース領域１２０とｎ型コラム領域１１４（ｎ型の表面高濃度拡散領域１１９）とに挟まれたベース領域１１８上にゲート絶縁膜１３４を介して形成されたゲート電極１３６をさらに有するプレーナーゲート型のＭＯＳＦＥＴを用いてもよい（変形例２におけるＭＯＳＦＥＴ１０２、図１２参照。）。
【００９４】
（６）上記各実施形態においては、ソース電極側におけるｐ型コラム領域の幅をドレイン電極側におけるｐ型コラム領域の幅よりも広くし、かつ、ソース電極側におけるｎ型コラム領域の幅をドレイン電極側におけるｎ型コラム領域の幅よりも狭くしたが、本発明はこれに限定されるものではない。ｐ型コラム領域１１６の深さ方向に沿って、ｐ型コラム領域１１６の幅を一定にしてもよい。
【００９５】
（７）上記各実施形態においては、ｐ型コラム領域１１６の不純物濃度を深さによらず一定としたが、本発明はこれに限定されるものではない。ソース電極側において、ｐ型コラム領域の不純物濃度をｎ型コラム領域の不純物濃度よりも高くし、ドレイン電極側において、ｐ型コラム領域の不純物濃度をｎ型コラム領域の不純物濃度よりも低くしてもよい(変形例３におけるＭＯＳＦＥＴ１０４、図１３参照。）。この場合、ｐ型コラム領域の深さ方向に沿って、ｐ型コラム領域及びｎ型コラム領域の幅を一定にしてもよいし(図１３参照。）、ソース電極側におけるｐ型コラム領域の幅をドレイン電極側におけるｐ型コラム領域の幅よりも広くし、かつ、ソース電極側におけるｎ型コラム領域の幅をドレイン電極側におけるｎ型コラム領域の幅よりも狭くしてもよい。このような構成とすることにより、Ｌ負荷アバランシェ破壊耐量をより一層大きくすることができる、という効果を得ることができる。
【００９６】
（８）上記各実施形態においては、ｎ型コラム領域１１４、ｐ型コラム領域１１６、トレンチ１２２、ゲート電極１２６を平面的に見てストライプ状に形成したが、本発明はこれに限定されるものではない。ｎ型コラム領域１１４、ｐ型コラム領域１１６、トレンチ１２２、ゲート電極１２６を平面的に見て、円状（立体的に見て柱状）、四角形の枠状、円形の枠状又は格子状等に形成してもよい。
【００９７】
（９）上記各実施形態においては、電源として、直流電源を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。電源として、交流電源を用いてもよい。
【符号の説明】
【００９８】
１，２，９００…電力変換回路、１００，１０２，１０４…ＭＯＳＦＥＴ、１１０，２１０，２１０ａ…半導体基体、１１２，２１２…低抵抗半導体層、１１３…バッファ層、１１４…ｎ型コラム領域、１１５…ｎ型半導体層、１１６…ｐ型コラム領域、１１７…スーパージャンクション構造、１１８…ベース領域、１１９…表面高濃度拡散領域、１２０…ソース領域、１２２…トレンチ、１２４，１３４…ゲート絶縁膜、１２６，１３６…ゲート電極、１２８，１３８…層間絶縁膜、１３０…ソース領域、１３２…ドレイン電極、２００…フリーホイールダイオード、２１４、２１４ａ…ｎ型半導体層、２１６…ｐ型半導体層、２１８、２１８ａ…ｐ型高濃度領域、２２０…層間絶縁膜、２３０，２３２…アノード電極、２４０…カソード電極、３００，９３０…誘導性負荷、４００…電源、５００…平滑コンデンサ、６００…負荷、９２０…逆流阻止ダイオード
【要約】
本発明の電力変換回路１は、スーパージャンクション構造が構成されたＭＯＳＦＥＴと、誘導性負荷と、フリーホイールダイオードとを備え、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング周波数は、１０ｋＨｚ以上であり、ＭＯＳＦＥＴは、ターンオフしたときに、ドレイン電流が減少する第１期間と、ドレイン電流が増加する第２期間と、ドレイン電流が再び減少する第３期間とがこの順番に出現するように動作し、フリーホイールダイオードは、Ｓｉ−ＦＲＤ又はＳｉＣ−ＳＢＤであり、順方向電流の電流値をフリーホイールダイオードの活性領域の面積で割った電流密度は、Ｓｉ−ＦＲＤの場合には２００〜４００Ａ／ｃｍ２、ＳｉＣ−ＳＢＤの場合には４００〜１５００Ａ／ｃｍ２の範囲内にあることを特徴とする。
本発明の電力変換回路１によれば、ターンオフしたときのドレイン電流の波形にコブ波形を比較的小さくすることができ、ターンオフ損失が大きくなり難くなる。【図１】
0006556948.tif 000002
【図２】
0006556948.tif 000003
【図３】
0006556948.tif 000004
【図４】
0006556948.tif 000005
【図５】
0006556948.tif 000006
【図６】
0006556948.tif 000007
【図７】
0006556948.tif 000008
【図８】
0006556948.tif 000009
【図９】
0006556948.tif 000010
【図１０】
0006556948.tif 000011
【図１１】
0006556948.tif 000012
【図１２】
0006556948.tif 000013
【図１３】
0006556948.tif 000014
【図１４】
0006556948.tif 000015