Vol.26 No.1 600V超高速UシリーズFRDの開発 松本 義幸＊ 田中 泰宏＊ 小早川治彦＊ 動作時の損失に影響してきます。 １．はじめに 特に力率改善には，逆回復時間trrの特性がポイント スイッチング電源で広く使用されているコンデンサイ ンプット型電源回路では，電力供給の力率の改善が強く 求められています。当社ではこうした要求に応えるべく になります。 ダイオードの損失について図２の電圧−電流特性で簡 単に説明します。 逆電圧が600Vでかつ，逆回復時間trrの短いファスト・ 電流波形 リカバリー・ダイオード（FRD）のＵシリーズを開発 trr IF しましたので紹介します。 VFR 電圧波形 VF ２．力率改善回路 IRM 力率改善として使用されている昇圧チョッパ回路を図 Qrr IR １に示します。 IL ID IQ L D 図２ パルス整流時の電圧−電流波形 ∼ Q まず順方向の損失として，定常状態における順方向電 圧ＶFと順方向電流ＩFの積からなる定常損失と，立ち上 がりの急峻なパルスがダイオードの順方向に印加された 図１ 昇圧チョッパ型力率改善回路 時に，ダイオードが定常状態に至る前に発生する順回復 電圧ＶFRによる過渡損失があります。 図１において，ダイオードＤに流れる電流はスイッチ 逆方向では，定常状態における逆方向電流ＩRと逆方 Ｑをオンにすると， コイルＬを経由してドレイン電流ＩQ 向電圧ＶRの積である定常損失と，逆回復時に発生する が流れます。次にスイッチＱをオフにすると，コイルＬ 過渡損失があります。この過渡損失は，逆回復電荷Qrr に蓄積されているエネルギは，ダイオードＤに電流ＩD と電源電圧に比例します。 として流れます。コイルＬに蓄積されているエネルギが 零になるとＩDも零になります。 このような回路では，ダイオード特性として 和として考える必要があります。 一般的には，ライフタイムコントロールにより逆回復 ○逆回復時間trrが短いこと。 時間trrを短くできますが，順方向電圧ＶFとの間にはト ○商用ライン電圧が入力される昇圧回路のため高耐圧 レードオフの関係があり，逆回復時間trrを短くすると であることが要求されています。 ３．ダイオード（FRD）の損失 ダイオードには，順方向電圧ＶF，逆方向電流ＩR，逆 回復時間trrの特性があり，これらの値がダイオードの 1 このようにFRDの損失は，順方向と逆方向の損失の 順方向電圧ＶFは上昇します。したがって高周波整流用 などに使用するFRDの設計にはこのトレードオフの関 係を考慮し，損失も含めた設計が必要となります。 Vol.26 No.1 電圧ＶＦをより小さくしたＡ仕様品と，逆回復時間trrを ４．開発品の特徴 より短くしたＢ仕様品２種類を用意しました。 今回開発したFRDはその用途を力率改善回路用とし て設計し，当社通常品のFRDよりもさらに高速動作さ ５．開発品の特性 5A-600v定格の素子を実測し，通常品と比較した結果 せるべく，Ｓi基板の抵抗率，厚み，さらにはＰ層の濃 度と深さ，キャリアのライフタイムの最適化を図りまし を表１に示します。 た。 開発品 Ａ仕様品 710 65 1.87 24 55 100 項目 その結果，当社通常品に比べ逆回復時間trrを約35％ VRRM IRM VFM 25℃ trr 125℃ IFSM 短くすることに成功しました。 写真１に当社通常品のFRD，写真２に開発品のFRD， （いづれも５Ａ定格品）の逆回復特性波形を示します。 開発品 Ｂ仕様品 770 72 2.16 19 48 80 通常品 単位 710 85 1.36 31 80 145 V μA V ns ns A 表１ 特性比較表（実測例） IF=5A -di/dt=50A/μs この表からもわかるように常温ではもちろんのこと高 温状態でも逆回復時間trrは通常品よりも短くなってい ます。 またtrrの温度依存性は，図３に示すように今回の開 発品は通常品と比べ， 温度依存性が少なくなっています。 逆方向電流Ｉ RM についても通常品より低くなっていま す。順サージ耐量ＩFSMはＶFが大きいため，通常品に比 べ小さくなっていますが，力率改善回路での短パルス条 件では十分使用に耐える値となっています。 V：0.5A/DIV H：20ns/DIV（Tj=25℃） 100 IF=5A -di/dt=50A/μs 逆回復時間trr（ns） 写真１ 通常品FRDの逆回復波形 80 Ａ仕様 60 Ｂ仕様 通常品 40 20 0 0 25 50 75 100 125 150 175 温度（℃） 図３ 逆回復時間trrの温度依存性 ５．開発品仕様 以下に代表製品として，絶縁型TO-220外形の10Ａ定 格（センタータップ）品の定格・特性を示します。 V：0.5A/DIV H：20ns/DIV（Tj=25℃） 写真２ 開発品FRDの逆回復波形 表２にFCU10A60型Ａ仕様品，表３にFCU10B60型Ｂ 仕様品を示します。 写真３に開発品の外観を示します。 開発品のピーク逆電流ＩRMは通常品の約半分であり， 逆回復電荷Qrrも大幅に小さくなっています。 開発品は，お客様の使用目的に対応するため，順方向 2 Vol.26 No.1 ■最大定格 項目 条件 VRRM IO IFSM 50Hz正弦全波1サイクル非くり返し Tjw Tstg ■電気的特性 項目 条件 IRM VRM=VRRM, 25℃, Per Diode VFM IFM=5A, 25℃, Per Diode trr IFM=5A, -di/dt=50A/μs, 25℃ Rth(j-c) 接合部−ケース間 Rth(c-f) ケース−フィン間 定格値 600 10 70 -40∼+150 -40∼+150 Typ Max 20 1.9 25 3 1.5 単位 V A A ℃ ℃ 単位 μA V ns ℃/W ℃/W ■最大定格 項目 条件 VRRM IO IFSM 50Hz正弦全波1サイクル非くり返し Tjw Tstg ■電気的特性 項目 条件 IRM VRM=VRRM, 25℃, Per Diode VFM IFM=5A, 25℃, Per Diode trr IFM=5A, -di/dt=50A/μs, 25℃ Rth(j-c) 接合部−ケース間 Rth(c-f) ケース−フィン間 表２ FCU10A60型Ａ仕様品 Typ Max 20 2.2 19 3 1.5 単位 V A A ℃ ℃ 単位 μA V ns ℃/W ℃/W 表３ FCU10B60型Ｂ仕様品 ６．まとめ ∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼ 今回の開発は３Ａ，５Ａ，６Ａ，10Ａ，20Ａ定格の５ 品種です。 製品外形は，当社既存の各種外形の樹脂パッケージで ＊筆者紹介 松本 義幸 Yoshiyuki Matsumoto 1986年入社 現在，生産本部開発設計部勤務 田中 泰宏 Yasuhiro Tnanaka 提供します。TO-220外形をはじめ，特に３Ａチップを 利用したものではアキシャルリード外形，当社NS外形， 1993年入社 現在，生産本部プロセス技術部勤務 小早川治彦 Haruhiko Kobayakawa TO-252外形と多様な外形を用意していますので是非ご 1996年入社 現在，生産本部生産技術部 アッセンブリ技術課勤務 利用下さい。 写真３ 開発品 外観 3 定格値 600 10 60 -40∼+150 -40∼+150