(57)【要約】【課題】電力変換を行う半導体素子から排出される熱に対して、熱電変換素子を用いて効率的に発電し、その電力を利用可能とする高効率、高機能な電力変換素子を提供する。【解決手段】150℃以上の温度でも動作する半導体材料と熱電変換機材料を組み合わせて、一体とした電力変換素子を形成する。半導体材料としては、炭化珪素、ガリウム砒素、窒化ガリウム、ダイヤモンド、またはこれらを複合した材料を用いる。【選択図】図1
2008078193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
150℃以上の温度でも動作する半導体材料と、熱電変換材料とを組み合わせて、一体としたことを特徴する電力変換素子。
【請求項２】
半導体材料が、炭化珪素、ガリウム砒素、窒化ガリウム、ダイヤモンド、またはこれらを複合した材料であることを特徴とする請求項１の電力変換素子。
【請求項３】
半導体材料と熱電変換材料とを、熱伝導性の良い電気絶縁材料を介して接合したことを特徴とする請求項1の電力変換素子。
【請求項４】
半導体材料の動作可能温度範囲内で、半導体材料から発生する熱を熱源とし、熱電変換素子により発電を行うことを特徴とする請求項1の電力変換素子。
【請求項５】
半導体材料の設定動作温度上限を超えた場合に、熱電変換材料へ通電を行い、半導体材料を冷却することを特徴とする請求項1の電力変換素子。
【請求項６】
電力変換が20KHz以上の高周波で行われることを特徴とする請求項1の電力変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力を所望の電圧、電流、周波数に変換する電力変換装置（素子）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換材料は、熱エネルギを電力にする機能(ゼーベック効果)、又は、電力を供給することにより物体を冷却する機能(ペルチェ効果)を有する。これらの材料は、一般には熱電変換材料であるP型、N型の極性を有した半導体を金属等の導体からなる電極でつないで素子を構成し、片側を加熱し、もう片側を冷却して温度差を与えると、熱起電力を生じさせることができる(ゼーベック効果)。また、反対にこれら素子に電流を流すと片側で発熱が、もう片側で吸熱が生じる事が知られている(ペルチェ効果)。熱電変換材料として、具体的にはビスマステルル系、鉛テルル系、シリコン・ゲルマニウム系やコバルト-アンチモン、ランタン-アンチモン等の元素で構成されたスクッテルダイト構造を持つ熱電変換材料等を挙げることができる。例えば、ビスマステルル系は熱電変換素子として利用可能な温度は500K程度とされ、鉛テルル系は800Kまでの高温度域で利用可能である。また、理想状態の熱電変換素子で発電を行う場合の電気出力は(式1)で表される(非特許文献1)。
Pj=(α2/ρ)(S0/L0)(ΔT2/2)      ・・・・  (式1)
ここで、Pj:電気出力(W)、α:熱電変換素子1対当たりのゼーベック係数(VK-1)、S0:熱電素子の断面積(m2)、L0:熱電素子の足の長さ(m)、ΔT:熱電素子の接合部温度勾配(K)である。
【０００３】
(式1)から明らかなように、熱電変換素子の発電出力は、熱電変換素子の温度勾配の自乗で大きくできることがわかる。従って、ゼーベック効果により発電を行う場合、熱源としては高温な物体に接続することが望ましいことが知られている。
これらの熱電変換素子は、例えば、ゼーベック効果を利用して自動車の廃熱で発電する等の応用や、ペルチェ効果を利用した冷蔵庫が成されている(非特許文献1)。
【０００４】
一方、半導体材料としては、シリコン半導体材料をベースとした素子が広範囲で用いられている。シリコン半導体は、CPUやメモリ、発信器等のデジタル素子用の材料として用いられており、さらには、交流の100V電圧を5V等の所望の直流電圧に変換する電源機器や、携帯電話等の基地局で信号を増幅するアンプ等のアナログ素子として用いられる等、デジタル機器、アナログ機器等、広範囲に用いられている。また、小型化、高出力化を目指し、多くの分野でその電力素子の動作速度が高周波化されつつある。これらのシリコン電力素子は、シリコン材料の物性値(真性半導体温度)から使用温度に限界があり、例えば、一般の電力用パワー素子では素子内部の温度で150℃程度を上限として、これを超えないように回路設計している(非特許文献2)。
【０００５】
以上の熱電変換素子と半導体素子とを組み合わせて、冷却や発電を試みる例がこれまでに検討がなされてきた。
特許文献1では、半導体素子と熱電変換材料を組み合わせて、半導体素子から発生する熱に対して、ペルチェ効果を用いて熱を放出する例が記載されている。
また、特許文献2では、小型機器等から発熱する熱を利用して、ゼーベック効果により、電力を発電することが記載されている。
【非特許文献１】熱電変換システム技術総覧  3〜15、25〜32、53〜61、148〜152、252〜279頁  平成16年7月31日発行  リアライズ理工センター発行
【非特許文献２】実用電源回路設計ハンドブック  65頁  1988年5月20日初版  CQ出版社株式会社
【特許文献１】特開平2-143548号公報
【特許文献２】特開2005-347348号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
シリコン半導体素子は、シリコンの物性から、素子として動作可能な温度は限界を持っていた。実際、一般のパワー系の半導体素子においては安全余裕を持たせて、実用上、素子内部で150℃までを使用限界としている。
【０００７】
これらシリコン半導体素子と熱電変換素子とを組み合わせて、シリコン半導体素子の損失により生じる熱を熱源として、熱電変換素子により発電させようとする際、空冷の場合には、熱電変換素子部位に形成でいる温度勾配は室温とシリコン素子の利用限界温度である150℃の間が最大となる。発電効率を増すため、例えばシリコン素子の通電電力量を高く設計して、より大きな温度勾配をつけようとすると、当然、シリコン素子の許容温度を超えて破壊に至る問題が生じ、大きな出力電力を得ることが困難であった。また、低温端の温度を下げて温度勾配をつけるために、水冷を試みることも可能であるが、空冷に比べて、システムの信頼性が下がるという問題があった。
【０００８】
また、熱電変換素子を半導体素子に装着する場合には、一般に冷却フィンと半導体素子の間に配置される。放熱の熱抵抗は、熱放散経路の距離に比例するため、半導体素子から見れば熱電変換素子の存在は放熱のための1種の熱抵抗ともなり、熱放散設計も複雑となり、電力変換素子としての信頼性も低下する等の問題が生じていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、以上の課題を解決するため、150℃以上の温度で動作する半導体材料と熱電変換機材料とを組み合わせて、一体としたことを特徴する電力変換素子をその手段として提供する。
【００１０】
その電力変換素子の半導体材料は、炭化珪素、ガリウム砒素、窒化ガリウム、ダイヤモンドあるいはこれらの複合体であることが望ましい。また、半導体材料と熱電変換材料は、熱伝導性の良い電気絶縁材料を介して接合してあることが望ましい。さらに、半導体材料の動作可能温度範囲内で、半導体材料から発生する熱を熱源とし、熱電変換素子により発電を行うのがよく、また半導体材料の設定動作温度上限を超えた場合に、熱電変換材料へ通電を行い、半導体材料を冷却する機能を有するようにするのがよい。更には、それら電力変換素子は20ＫＨｚ以上の高い周波数で電力変換が行われるのがよい。
【００１１】
また、その半導体材料として、真性半導体温度が高く、物性的に高温での動作が可能でかつ半導体材料としてシリコンより高い飽和ドリフト速度、及び絶縁破壊電界を持つことが判明している炭化珪素(SiC)、ガリウム砒素(GaAs)、窒化ガリウム(GaN)、ダイヤモンド、またはこれらを複合した材料を用いることにより、電力変換用としてより一層優れた素子を構成でき、かつ素子の廃熱を用いて発電する機能を有するため、その電力をさらに有効活用すれば、素子全体として高効率な電力変換素子を形成することができる。
【００１２】
具体的には、真性半導体温度Ti及び飽和ドリフト速度Vs、絶縁破壊電界EBは、シリコンではTi=600K、Vs=1×107cm/s、EB=0.3MV/cmであるのに対して、SiCは4HポリタイプでTi=1400K、Vs=2.7×107cm/s、EB=3.5MV/cm、同じく6HポリタイプでTi=1300K、Vs=2.0×107cm/s、EB=3.0MV/cm、3CポリタイプでTi=1000K、Vs=2.7×107cm/s、EB=3.0MV/cmであり、GaAsはTi=850K、Vs=2.0×107cm/s、EB=0.65MV/cmであり、GaNはTi=2000K、EB=2.6MV/cm、Vs=2.7×107cm/s、ダイヤモンドはTi=3000K、Vs=2.7×107cm/s、EB=5.6MV/cmである。尚、真性半導体温度は、真性キャリア濃度が5×1015cm-3になる温度である。
前述した真性半導体温度は物性限界であり、実際に工業利用としてはその温度以下で、十分な余裕を持った設計温度で素子は製造される。例えば、SiCでは、凡そ700℃(943K)以下で設計するのが実用的である。
【００１３】
また、これら電力変換素子は、例えば、電力系統に流れるノイズ等が原因して設計以上に半導体材料が発熱し、熱暴走を起こして、素子の使用設定温度の上限を超えた場合には、発電に用いていた熱電変換素子に逆に電流を外部から流して冷却し、設定温度以下にすることも可能であり、電力変換素子として高い信頼性を有することができる。
【００１４】
また、電力変換における周波数は、一般には可聴周波数の上限以上である20KHz以上の高周波域で動作させると、人間の耳に電子部品から発生する音のノイズは低減できるとされるが、半導体素子の損失は増大する。本発明の電力変換素子において20KHzで動作させると、半導体素子温度は一般に変換周波数の自乗に比例して上昇するため、温度勾配を高めることができ、さらに高速な電子移動度の半導体材料を用いているため、半導体損失量は少なくでき、高効率化が可能である。加えて、その高周波動作により、本発明の電力変換素子を搭載した電源等の回路部品も小型化でき、システム全体も小型化が可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、シリコン半導体では動作させるのが困難な150℃以上で動作する半導体材料で構成された半導体素子と熱電変換材料で構成された素子とを組み合わせて、半導体材料が高い温度で発熱するように動作時の通電電力量、周波数等を設定すれば、熱電変換素子に対して大きな温度勾配を形成することができ、熱電変換素子の発電電力量を効率的に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図1は、本発明の第1の実施形態による電力変換素子の構成図である。1は150℃以上の温度で動作可能な半導体材料であるSiC材料を用いて製造した半導体素子(PN型ダイオード)であり、素子内部で250℃、素子表面で220℃の使用温度限界を持ち、最大定格電圧600V、最大定格電流5A、樹脂モールドされたディスクリート構成の素子であって、背面には非絶縁の放熱金属板が露出した構造であり、かつ、ダイオード端子2を備えてなる。3はビスマス・テルル系材料からなる熱電変換素子であり、素子サイズは10mm角、300℃までの使用温度限界を持ち、熱電変換素子端子3を備える。
【００１７】
半導体素子1と熱電変換素子3との間には電気絶縁性を持ち、1.0W/m・Kの高熱伝導率を有したシリコン樹脂製のシート5を10mm角に切って配置した。また、熱電変換素子3の片側には、アルミ製の放熱フィン6(外形40mm×20mm×20mm)を配置し、ダイオードとシリコン樹脂絶縁シート、及び熱電変換素子をねじ穴付きの金属製のバンド7で束ねて一体として組み合わせ、放熱フィンにねじで取り付けた。
【００１８】
本発明の有効性を検証するため、図2に示すような昇圧チッパー回路を別途構成し、実際に動作させてみた。9は直流電圧源、10はチョークインダクター、11はMOSFET、12はダイオード、13は出力コンデンサ、14は負荷抵抗、15は11のMOSFETを動作させるためにFETのゲート電圧に電圧を与える高周波電圧発生回路である。
【００１９】
図1で示した本発明の電力変換素子のダイオード端子2を図2の回路の12に接続配置して実験を行った。入力電圧は240V、出力電圧は300V、MOSFETの動作周波数は100KHzとして、14の付加抵抗及びMOSFETのゲートON電圧時間を調整しながら電力変換を行い、ダイオード12に流れる平均電流を1Aに調整した。このとき、予めSiCからなるダイオード表面に配置した温度センサーの指示温度は190℃であった。同じく放熱フィンと熱電素子の近くに配した温度センサーの指示温度は90℃であった。この状態で熱電変換素子の端子電極（熱電変換素子端子4）に電力測定器を取り付けて、発電電力量を測定したところ、60mWの電力が発生していることが確認された。
【００２０】
この状態でさらに周波数を120KHｚに上昇させたところ、SiCダイオード素子1の温度は210℃となった。このとき、熱電変換素子に外部電源をつないで、直流電流を流したところ、SiCダイオード素子1の温度が190℃に下がった。
【００２１】
また、比較のため、図1の1のダイオード素子を限界使用温度が素子内部で150℃、素子表面で120℃のシリコン半導体からなるダイオードに取り替えて、同じく評価回路(図2)を用いて測定を行った。先の実験と同じ条件では、シリコンダイオードが限界温度を超えて破損するため、動作周波数を下げて、15KHz動作とした。周波数を下げても連続的に直流電流を維持するには、チョークインダクターのインダクタンス値を上げる必要があることから、図2の10のチョークインダクターを、約3倍の断面積を持つ大型の物に変更し、インダクタンス値を5倍にした。その他の条件は先述した実験と同様として実験した。この結果、予めシリコン材料からなるダイオード表面に配置した温度センサーの指示温度は120℃であった。同じく放熱フィンと熱電素子の近くに配した温度センサーの指示温度は70℃であった。この状態で熱電変換素子の端子電極に測定器を取り付けて、発電電力量を測定したところ、35mWの電力が発生していることが確認された。また、周波数を下げたため、SiCダイオードでは聞こえなかった、高周波の音がインダクター近傍から聞こえてきた。
【００２２】
以上の実験により、本発明の電力変換素子の構成では、シリコン素子と組み合わせた場合以上の高い発電電力を得ることができ、かつ、同じ電力を扱うにも、高周波で動作させることができたため、チョークインダクターの断面積が1/3で済み静音性がある等、回路を構成する電子部品の小型化にも寄与することが確認された。
【００２３】
図3は、本発明の第2の実施形態を示す、電力変換素子の断面図である。第1の実施例では150℃以上の温度で動作する半導体素子と熱電変換素子とはそれぞれ別個に製作したものを組み合わせて一体としたが、図3ではチップレベルで一体としたものである。
16はSiC基板、17はGaNのエピ層、18はショットキー電極、19はオーミック電極、20は熱伝導率が30W/m・Kのアルミナ、21は熱電変換素子、22は同じく熱伝導率が30W/m・Kのアルミナ、23は放熱用の銅金属である。16のSiC基板と17のGaN層からなる部分は、ショットキー電極18及びオーミック電極19でショットキーダイオードを形成しており、ショットキー電極とGaN層の面積は2mm角チップとした。また、SiC基板は、熱放散効果を高めるため、広い面積とし、10mm角とした。同じく熱電変換素子も10mm角のサイズとした。本断面を持つチップに、ボンディングワイヤー等で外部銅電極を接合した後、樹脂モールドし、ディスクリート素子を形成した。なお、熱電変換素子の外側に接合した放熱用の銅金属23は、後ほど取り付ける放熱フィンとの熱伝導性を高めるため、むき出しとし、樹脂には埋め込まなかった。また、本素子の使用限界温度を測定したところ、内部で240℃、素子表面で210℃であった。
【００２４】
以上のようにして構成したデバイスに1.0W/m・Kの高熱伝導率シリコン絶縁シートを介して、図1と同じサイズの放熱フィンに取り付け、同じく図2に示す回路でその効果を評価した。周波数は100KHｚとし、そのほかの条件は先述したSiCダイオードの実験と全く同じ条件とした。
【００２５】
本回路で測定を行ったところ、予めGaNエピ層を有する電力変換素子表面に配置した温度センサーの指示温度は170℃であった。同じく放熱フィンと電力変換素子の近くに配した温度センサーの指示温度は80℃であった。この状態で熱電変換素子の端子電極に測定器を取り付けて、発電電力量を測定したところ、50mWの電力が発生していることが確認された。
さらに、周波数を120KHｚに上げたところ、電力変換素子の温度は190℃となった。この状態で熱電変換素子の端子に直流電流を流したところ、電力変換素子の温度が170℃となった。
【００２６】
以上のように、本発明では、熱電変換素子と半導体素子をそれぞれ個別に形成して一体としても、あるいは、チップレベルで一体化しても同様の効果を得ることができる。また、上述の実施形態では昇圧電源回路で評価したが、本発明の電力変換素子は、降圧電源回路やインバータ回路、GHzで動作する高周波増幅回路でも効果を発揮することができる。
【００２７】
本発明は、バイポーラ、ユニポーラ型いずれのタイプのダイオードでもよく、さらに、MOSFET、MESFET、IGBT、GTO、サイリスタ等の能動部品でも同様な効果を得ることができる。
また、半導体材料も、上記以外のGaAs、ダイヤモンドや上記の材料も含めたこれらの材料の複合体でも、同様な効果を得ることができる。
熱電変換素子も、対象とする素子の発熱温度に合わせて、ビスマステルル系、鉛テルル系、シリコン・ゲルマニウム系を使い分けることができる。さらに、コバルト-アンチモン、ランタン-アンチモン等の元素で構成されたスクッテルダイト構造を持つ熱電変換材料でも同様な効果を得ることができる。
また、電気絶縁に用いる材料として、シリコン絶縁シートやアルミナで実施したが、少なくとも半導体のパッケージに用いられている汎用エポキシ樹脂の熱伝導率である0.19W/m・K以上であり、望ましくは汎用のシリコン絶縁シートの1.0W/m・K以上であって、放熱フィンとして用いられるアルミニウムの熱伝導率236W/m・Kや、銅の熱伝導率390W/m・K程度の熱伝導率を持ったものが良い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る電力変換素子の第1実施形態を示す概略図及び断面図
【図２】電力変換素子を評価するための評価回路概略図
【図３】本発明に係る電力変換素子の第2実施形態を示す概略図
【符号の説明】
【００２９】
1  SiCダイオード素子
2  ダイオード端子
3  熱電変換素子
4  熱電変換素子端子
5  高熱伝導絶縁材
6  放熱フィン
7  バンド
8  フィン留め金
9  直流電圧源
10  チョークインダクター
11  MOSFET
12  ダイオード
13  出力コンデンサ
14  負荷抵抗
15  高周波電圧発生回路
16  SiC基板
17  GaNエピ層
18  ショットキー電極
19  オーミック電極
20  アルミナ
21  熱電変換素子
22  アルミナ
23  銅
【図１】
2008078193.tif 000003
【図２】
2008078193.tif 000004
【図３】
2008078193.tif 000005