(57)【要約】【課題】大きな電力潮流を運ぶ回路に適し、比較的小さなサイズおよび高速応答のスナバを有するスナバ構成を提供すること。【解決手段】電気回路の条件変化に応答して電気回路中の選択された構成要素の両端間に生じ得る、電気回路の過渡電圧ピークを制限する電圧エクスカーション制御システムは、各ダイの各カソード領域が連続体の共通端部に向かうように、連続体として直列に相互接続された複数の炭化珪素ダイオードダイ１１を有する。第１の導電性電極および第２の導電性電極は、それぞれが、連続体の両端でダイ１１の対応する１つと電気的に相互接続される。【選択図】図３
2008148309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気回路の条件変化に応答して該電気回路中の選択された構成要素の両端間に生じ得る前記電気回路の電圧ピークを制限する電圧エクスカーション制御システムであって、
複数の炭化珪素ダイオードダイであって、それぞれが内部にアノード領域およびカソード領域を有し、それぞれが前記ダイの空間的な連続体として配置され、前記ダイの各々の前記カソード領域の各々が前記連続体の共通端部に向かうように、前記ダイの各々が導電性金属接合により前記連続体における隣接したダイの各々と相互に接続されているダイオードダイと、
第１の導電性電極および第２の導電性電極であって、それぞれが、前記連続体中の両端で前記ダイの対応する１つと導電性金属接合により電気的に相互接続される導電性電極と、
を備える電圧エクスカーション制御システム。
【請求項２】
前記導電性金属接合が、金−ゲルマニウム合金から形成されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の電極および前記第２の電極の中でダイのアノード領域に相互接続された一方の電極が、この一方の電極に設けられた間隙を間に有する１対の延長部の中の一方の延長部によって相互接続され、前記間隙には、前記連続体および他方の電極が配置され、さらに、前記１対の延長部の中の他方の延長部と導電性金属接合によって電気的に相互接続されるカソード領域を内部に有し、かつ前記第１の電極および前記第２の電極の中の前記他方の電極と導電性金属接合によって電気的に相互接続されるアノード領域を内部に有する逆並列なダイオードダイを備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記逆並列なダイオードダイが、炭化珪素ダイオードダイであることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記導電性金属接合が、金−ゲルマニウム合金から形成されることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１の電極および前記第２の電極が、電気回路の前記選択された構成要素の両端間に電気的に接続され、前記選択された構成要素が回路スイッチを備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１の電極および前記第２の電極の中でダイのアノード領域に相互接続された一方の電極が、この一方の電極に設けられた間隙を間に有する１対の延長部の中の一方の延長部によって相互接続され、前記間隙には、前記連続体および他方の電極が配置され、さらに、前記１対の延長部の中の他方の延長部と導電性金属接合によって電気的に相互接続されるカソード領域を内部に有し、かつ前記第１の電極および前記第２の電極の中の前記他方の電極と導電性金属接合によって電気的に相互接続されるアノード領域を内部に有する逆並列なダイオードダイを備えることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記逆並列なダイオードダイが、炭化珪素ダイオードダイであることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過渡電圧ピークを抑制することを含む、電気回路における電圧エクスカーションを制限することに関し、より詳細には、それらを素早く抑制することに関する。
【背景技術】
【０００２】
過渡電圧ピーク、つまりインダクティブ「キック」を生じさせる電気回路におけるインダクタンスのために、電気回路において、しばしばスイッチを開いた直後に電気回路中に生じる大きな電圧ピーク、つまり電圧「スパイク」の可能性がある場合のこうした電気回路において「スナバ」構成が使用される。こうした電圧スパイクはスイッチに有害である。というのは、大きな電圧は、スイッチが開かれるときに、分離しているスイッチ接点の間の間隙の両端間に電気放電を生じさせ、それら接点を損傷させ、これがそのスイッチの故障までの時間を決めることになるからである。
【０００３】
一例として、図１Ａは、スイッチがオンおよびオフになるに従って電力潮流が生じる代表的な回路１の回路図を示す。回路１は、回路の寄生インダクタンスを表す１００μＨのインダクタンスを有するようにしたインダクタ２と、この大電力回路における回路電気負荷を表す０．０３Ωの値を有するようにした抵抗器３とを含む。また、スイッチの接点が閉じられると０．２Ωの電気抵抗を有する電力潮流制御スイッチ４が設けられる。前述の構成要素のすべては、互いに直列に、かつ２つの端子間に２５Ｖの電位を与える直流電圧源５の両端間に接続される。
【０００４】
付随する過渡状態が定常状態に戻るのに少なくとも十分な長さの間スイッチ４を閉じた後に、スイッチ４を開いたときのこの回路の特性について得られるシミュレーションは、スイッチを開く際に分離する理想的なスイッチ接点の間にできる間隙の両端間に生じる実際の電気放電を、回路の寄生性のすべての影響を示すようには、シミュレートしない。しかし、図１Ｂのグラフは、スイッチ４の開に対して四角形で印を付けたシミュレーションデータ点によるシミュレーションされた電圧応答についての上部のプロットと、三角形で印を付けたシミュレーションデータ点による対応する電流応答についての下部のプロットとを有し、接点分離間隙の両端間の放電を伴うことによる何らかの影響はどちらにも見られない。それにもかかわらず、上部のプロットは、そのピークで３５ｋＶを超える電圧応答を示す。これは、典型的なリレーの接点が開く際に生じるような、開スイッチ接点の間にできる間隙の両端間のアーク放電を生じさせるのに十分な大きさのピーク値である。下部のプロットは、このスイッチング動作後に０まで減少する回路電流を示すが、電圧スパイクが生じる時点での回路には依然として大電流があり、これによって、対応する電力スパイクがもたらされる。ある種のスナバ構成がスイッチ４の両端間になければ、この過渡電圧ピークおよび付随するアーク放電は、スイッチ接点を損傷させ、したがって、スイッチ接点の動作期間を減少させることになる。
【０００５】
以前は、こうしたスナバ構成を提供するフィルタ構造において、インダクタとキャパシタとの組合せがしばしば使用された。こうした構造は、比較的大きくなる傾向があった。これらの用途に使用される代替構成は、ツェナーダイオードおよび過渡電圧サプレッサ、またはトランザーボ（ｔｒａｎｓｏｒｂ）であり、また、回路の動作電圧エクスカーションをある最大値または最小値に同様に制限するために、ツェナーダイオードが回路の「クランプ」として使用されてきた。こうしたデバイスはフィルタ構成よりも極めて小さいが、こうしたデバイスの応答速度および電力定格により、大電力を取り扱う回路におけるデバイスの適応性が制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、大きな電力潮流を運ぶ回路に適するが、比較的小さなサイズおよび高速応答のスナバを提供するスナバ構成が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電気回路の条件変化に応答して電気回路中の選択された構成要素の両端間に生じ得る電気回路の過渡電圧ピークを制限する電圧エクスカーション制御システムを提供し、このシステムは複数の炭化珪素ダイオードダイを有し、このダイオードダイはそれぞれ内部にアノード領域およびカソード領域を有し、それぞれがダイの空間的な連続体として配置されている。各ダイの各カソード領域が連続体の共通端部に向かうように、それぞれのこうしたダイが導電性金属接合により連続体における隣接したダイと相互に接続されている。第１の導電性電極および第２の導電性電極は、それぞれが、連続体中の両端でダイの対応する１つと導電性金属接合により電気的に相互接続される。ダイのアノード領域に相互接続された電極は、この電極に設けられた間隙を間に有する１対の延長部の中の一方の延長部によって相互接続され、間隙には、連続体および残りの電極が配置される。逆並列なダイオードダイは、１対の延長部の残りの延長部と導電性金属接合によって電気的に相互接続されるカソード領域を内部に有し、かつ第１の電極および第２の電極の中の他方の電極と導電性金属接合によって電気的に相互接続されるアノード領域を内部に有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
より適切な電圧エクスカーション制御回路の原理は、ダイオードのｐ領域とｎ領域との間に配置された真性、または薄くドープされた領域を有するｐ−ｎ接合ダイオードである、高電圧炭化珪素（ＳｉＣ）ｐ−ｉ−ｎダイオードを使用することによって提供される。スナバ構成のためのこうしたダイオードは、大きな電流を運ぶことができるように構成され、大電力潮流回路における電力潮流を制御する際に行われるスイッチングを制御する間の電圧ピークを制限する際に起こることになる大きな電流の過渡状態に適応するようにしなければならない。また、直列に接続された比較的少数のこうしたダイオードが、スナバ構成を備えることによって保護されるスイッチを有する電力回路の定常動作の間に遭遇する電圧レベルに適したスナバブレイクオーバ電圧を設定することを可能にするように、このダイオードを通るこうした大きな電流は、ダイオードの両端間で大きな順方向電圧降下を伴うことが望ましい。したがって、これらのダイオードは、内部に生じる大きな電力ピークに耐え、こうした電力ピークに起因する熱を周囲環境に放散することもできなければならない。また、ダイオードにおけるこうした必要性は、あるクランプ回路構成において生じることがあり、この回路構成では、過渡電圧ピークの大きさを制御するのではなく、回路の使用中に遭遇する動作電圧の大きさのエクスカーションが、電源電圧など回路のある電圧の値、またはグラウンドなど他のある基準電圧に関して制限される。
【０００９】
これらの要件を満たすのに適切な特性を有するＳｉＣ ｐ−ｉ−ｎダイオードは、作製され得る。図２は、内部を導通される電流の大きさによって２．８Ｖから３．６Ｖの間の順方向電圧Ｖfでもって、５０Ａの大きさまでの順方向電流の様々な値を流すことができるＣｒｅｅ，Ｉｎｃ．から商業的に入手可能な１０ｍｉｌ厚の炭化珪素ｐ−ｉ−ｎダイオードダイの電流対電圧特性によるグラフである。２．８Ｖ未満では、図２に示されるダイオードは、その５０Ａ定格電流よりもはるかに小さな値を導通、すなわち２．５Ｖでダイオードは１８２．９μＡを導通させる。２．８Ｖを超えると、ダイオードは、５０Ａの大きさのその定格電流までの電流を導通させる。
【００１０】
５０Ａを定格とされているこのダイオードダイは、５０Ａの過渡電流を導通させることができることになる。大電力潮流を導通させる回路におけるスイッチングに付随する過渡状態は、極めて速い立上り時間と、極めて短い継続時間とを有する。こうしたスイッチングは、比較的まれに行われ、その結果、スイッチングの中で、結果として動作温度の上昇が制限される短い継続時間を有するスイッチングは比較的少なくなる。こうして、ＳｉＣが、熱の良導体であり、かつ正の熱抵抗係数を有するため、多くの使用状況において、ダイオードは、大きな大きさの電流の過渡状態でさえも取り扱うことができ得る。
【００１１】
したがって、図３に示される回路１０の回路図は、図１Ａの回路１とかなり似ているが、ここでは、図２に示される電流対電圧特性を実質的にそれぞれが有する１０個の直列接続されたＳｉＣ ｐ−ｉ−ｎダイオード１１によって与えられるスナバ構成が回路中に挿入されている。やはり回路１０は、１００μＨの値を有する寄生インダクタンス１２と、０．３Ωの値を有する負荷抵抗器１３とを有し、互いに直列に、かつ０．２Ωの閉接点抵抗を有する電力潮流制御スイッチ１４に接続されている。これらの直列接続された構成要素は、すべて、図１の回路と同様に２５Ｖの電位の直流電圧源１５の両端間に接続される。
【００１２】
スナバを形成する１０個の直列接続されたダイオード１１は、そのアノード端部すなわちダイオードのｐ型導電領域に接続された端部が寄生インダクタンス１２の接合部と電力制御スイッチ１４との間に接続された直列のストリングとして構成され、ストリングの残りのカソード端部すなわちダイオードのｎ型導電領域に接続された端部がグラウンドに接続されている。さらなる単一のダイオード１６が、ストリングと同様であるが他のダイオードとは逆並列に、回路の同じ２つの点の間に配置され、そのアノードがグラウンドに接続され、そのカソードがインダクタンス１２とスイッチ１４との結合部に接続され、スイッチ１４のスイッチングによって生成されたすべての「リンギング」波形の低い値の部分を切り取る。
【００１３】
ダイオードのそれぞれの順方向電圧Ｖfは、互いに合算され、スナバブレイクダウン電圧を提供し、これを超えると、ダイオード１１の直列接続されたストリングが、著しい電流をグラウンドに通し始める。したがって、著しい電流を運ぶためには、少なくとも２．８Ｖの順方向電圧降下Ｖfを有する各ダイオード１１によって、直流電圧源１５によって供給される電位を超えた値である１０Ｖf＝２８Ｖの最小のスナバブレイクオーバ電圧を提供し、著しい電流をストリングが運ぶためには、これを超えなければならない。ゆえに、図３の回路は、定常動作の間は、回路中にストリングが著しい電流を運ぶのに十分な大きさの電圧を有さず、したがって、このような状況においては、ちょうど図１の回路が動作するように回路が動作する。
【００１４】
しかし、スイッチを閉じ、閉の過渡状態が消散するのに十分な長さが経過した後に、スイッチ１４を開くとインダクタンス１２の周りで弱まる磁界が、スイッチ１４の開接点の両端間と負荷抵抗器１３とに大きな電圧ピークを生成しようとすることになる。ダイオード１１のストリングのブレイクオーバ電圧を超える値に電圧が立ち上がると、ダイオード１１は、大きな電流を導通し、これによってダイオードの両端間の電圧上昇をブレイクオーバ電圧の近くに維持し、したがって、開接点間のアーク放電を防止するようにスイッチ１４の開接点間に生じる電圧を制限する。スイッチを開いたときの回路１０におけるスイッチ１４の接点の両端間の電圧降下のシミュレーションは、図４のグラフに示されており、上部のプロットがやはり電圧応答であり、ここではこのプロットがシミュレーションデータ点としての三角形を有し、このプロットが、ピーク電圧がちょうど３５Ｖに制限されており、これによってすべてのアーク放電を防止することを示す。下部のプロットは、やはり電流応答であり、ここで四角形として表されているデータ点が回路中の電流を示しており、スイッチ１４を開いた後に、電流が０へと減少している。
【００１５】
ＳｉＣ ｐ−ｉ−ｎダイオードのＶfの比較的大きな値は、図３の回路１０の電圧源１５の２５Ｖ電位を超えるように１０個のみのこうしたダイオードが直列に接続されることを必要とし、その結果、回路は、定常状態動作の間、ちょうど図１の回路１のように動作することになる。あるいは、０．７Ｖのみの順方向電圧Ｖfを有するスナバ構成にシリコンｐ−ｎ接合ダイオードが使用される場合、ダイオードのこうしたストリングは、直列接続された４０個のダイを必要とすることになり、１０個のみのダイを有するものよりも非常に大きなコストをかけて、直列接続されたダイ構成を組み立てることになる。また、炭化珪素材料は、シリコン材料に対して１３：１の電力消散の利点を有しており、その結果、ダイはより小さくなり得る。また、ＳｉＣは、さらにより堅固な材料であり、その結果、広い温度範囲でパッケージ技法が使用され、これによって、より良好なダイ構成を対応するデバイスハウジングに提供することができ、結果として、シリコン半導体材料の使用よりも高い信頼性を提供するＳｉＣダイオードがもたらされる。
【００１６】
代替的な使用として、例えば、１０個のダイオードのストリングにおけるダイオードのうち６個が短絡回路導電体と交換され、インダクタ１２が抵抗器１３の抵抗値に実質的に一致する抵抗値の抵抗器と交換された場合、ストリング中の残りの４個の有効なダイオードは、グラウンドに対して「クランピング」回路を形成することになる。抵抗器１３の両端間で降下した電圧は、スイッチ１４が閉じた状態での回路の動作中、約１１．２Ｖに制限されることになり、電源１５によって供給される残りの電圧は、インダクタ１２の換わりになる抵抗器の両端間で降下させられることになり、また、これらのすべては、電源１５が時間とともに出力電圧の大きさを変動させたとしても、電圧の大きさが正である限り生じることになる。また、ダイオードのこうしたストリングは、動作電圧の大きさが負、あるいは時間の一部で負となる回路において使用することができ、適切な回路の変更により、グラウンド以外の電圧基準に対して回路動作電圧のクランピングを提供することができる。
【００１７】
図３の直列接続されたダイオード１１のストリングによって概略的に示されるスナバ構成としての電圧エクスカーション制限回路は、図５に示されるように実施される。図５Ａは、図中の垂直方向の中心にある点線より上のアノードｐ型導電領域と、この点線より下のカソードｎ型導電領域と、を有する個々のＳｉＣ ｐ−ｉ−ｎダイオードダイ１１の側面図を示す。真性、または薄くドープされた領域は、この点線付近に配置される。
【００１８】
図５Ｂの切欠き層図では、１０個のＳｉＣ ｐ−ｉ−ｎダイオードダイ１１が積層体として示されており、８８％の金および１２％のゲルマニウムを含む半田である金とゲルマニウムの共晶合金を使用して、それぞれが１つまたは複数の隣接したダイに半田付けされている。また、積層体の頂部でこのダイ１１のアノードｐ型導電領域は、半田１７を使用して「２脚」上部接点１８の上部の脚に同様に半田付けされており、積層体の底部でこのダイ１１のカソードｎ型導電領域は、半田１７によって下部接点１９に半田付けされている。逆並列なダイオードダイ１６は、半田１７によって底部接点１９に半田付けされたアノードｐ型導電領域と、半田１７によって「２脚」上部接点１８の下部の脚に半田付けされたカソードｎ型導電領域とを有する。底部接点１９および上部接点１８は、典型的には金メッキされた銅から形成される。ダイ１１、ダイ１６、および接点１８，１９の一部分は、適切な従来の電子デバイスハウジング２０に収容され、そこから接点１８，１９の他の部分が突出し、これらは相互接続され、使用される。図５Ｂのデバイスの等価回路は、回路用のハウジングを何も示さずに、図５Ｃに表されている。
【００１９】
図５Ｂおよび図５Ｃのスナバ構成にパルス発生器から３０Ｖの大きさの正の電圧パルスを供給する試験回路が図６Ａに示される。３．０Ωの抵抗の負荷抵抗器２１と、このスナバ構成との直列の相互接続は、４２．５Ｖの大きさを有する電圧パルスを供給する電圧パルス源の両端間に接続される。
【００２０】
１００ｎｓの継続時間を有するこうした電圧パルスをこのスナバ構成と負荷抵抗器とに印加することについての結果は、抵抗器２１の両端間において得られる電圧を表す図６Ｂのグラフに表されるプロットに示される。そこに見られるように、最初の垂直な点線において電圧が印加され、約４０ｎｓにおけるこの継続時間の立上り時間となる細かい点線の時間までに抵抗器の両端間で１２．５Ｖ程度に立ち上がり、これによって、この時点でのスナバ構成の両端間で約３０Ｖ降下したままになる。印加された４２．５Ｖのパルスは、１００ｎｓで終了し、抵抗器２１を通る電流が０に減少するとすぐに抵抗器２１の両端間の電圧が０に減少する。したがって、スナバ構成は、４０ｎｓの非常に短時間においてブレイクオーバに到達し、大電流を内部に導通させることができ、これによって、スナバ構成の両端間に接続されるどんなスイッチにも電圧制限保護を非常に素早く提供し、スイッチが開く際のスイッチの接点間のアーク放電を防止することができる。
【００２１】
ここで示されたスナバ構成の例は、２８〜３０Ｖのスイッチング回路における印加電圧を概ね回路の両端間の電圧以下にクランプすることになる１０個のダイオードダイ積層体に基づいているが、任意の数のダイオードダイがその半田付けされた連続体に設けられ、その結果、所望の電圧クランプ値を提供することができる。例えば、５個のダイオードダイ積層体は、スイッチング回路における１４〜１５Ｖの印加電圧をクランプし、概ねこうした値に電圧を制限することになる。
【００２２】
また、こうしたスナバ構成の固有のモジュール性は、それぞれが単にその両端間の電圧を所望の値よりも小さく制限することができるこうしたスナバを、直列接続されたスナバ構成のそれぞれの電圧制限値の合計に等しい、より大きな値に両端間の電圧を制限するように保護されたスイッチング回路構成要素の両端間に互いに直列に接続されるように、使用者が容易に構成することを可能にする。また、同様な電圧制限機能のこうしたスナバ構成は、それぞれが、いくつかの状況において、より大きな電流および電力を取り扱う能力がより大きな電流過渡状態に適応するように保護されるスイッチング回路構成要素の両端間で互いに実質的に並列に接続される。
【００２３】
本発明は、好ましい実施形態に関して説明されてきたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、形式および詳細において変更がなされ得ることが当業者には認識されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】スイッチ起動過渡試験回路の回路図である。
【図１Ｂ】電気応答のプロットによるグラフである。
【図２】電気構成要素の電流対電圧特性のプロットによるグラフである。
【図３】本発明を実現する変更を有する図１Ａの回路の回路図である。
【図４】図３の回路のスイッチ起動に対する電気応答のプロットによるグラフである。
【図５Ａ】本発明の層の図である。
【図５Ｂ】本発明の層の図である。
【図５Ｃ】本発明の等価回路である。
【図６Ａ】パルス過渡試験回路の回路図である。
【図６Ｂ】電気応答のプロットによるグラフである。
【図１Ａ】
2008148309.tif 000003
【図１Ｂ】
2008148309.tif 000004
【図２】
2008148309.tif 000005
【図３】
2008148309.tif 000006
【図４】
2008148309.tif 000007
【図５Ａ】
2008148309.tif 000008
【図５Ｂ】
2008148309.tif 000009
【図５Ｃ】
2008148309.tif 000010
【図６Ａ】
2008148309.tif 000011
【図６Ｂ】
2008148309.tif 000012