Vol.26 No.2 高速ソフトリカバリダイオード 宍戸 長次＊ 田山 慶昭＊ この結果，還流ダイオードに流れていた電流は，図２に １．はじめに 示すように，電流の減少率 （−di/dt） に従い徐々に減少し， インバータ回路に用いられるIGBT等のスイッチングデ 一旦はゼロになりますが，その後短時間にダイオードの逆 バイスの高速化とともに，これらのデバイスに逆並列に接 方向に大きな電流が流れます。この電流は，逆回復電流と 続される還流用ダイオード（Free-Wheeling Diode）は， 定義されます。 v dir サージ電圧（＝L’ × ） dt 高速でかつソフトリカバリー特性であることが求められて います。このニーズに応えるべく，弊社では逆耐圧600vで i 電源電圧（E） 高速なソフトリカバリダイオードを開発しましたので，そ t=t1 IF の概要を紹介します。 t VF ２．還流用ダイオードの逆回復時の動作 誘導性 （リアクトル） 負荷のインバータ動作の模式図を図 １に示します。IGBT等がオン状態になると，誘導性負荷 （L） に電流が流れます1。その後IGBT等がオフになると， t=t0 di − dt IrM dir dt 逆回復電流 図２ 逆回復時の電圧―電流波形 これをダイオード内部のキャリアのふるまいとして考え 誘導性負荷 （L） に蓄積されたエネルギにより還流ダイオー ると，PN接合が順バイアスされるとＮ−層はキャリアの注 ドを通って環流電流が流れます2。さらにIGBT等のスイ 入により飽和状態になりますが，ダイオード電極に逆バイ ッチングデバイスが再度オンになると，還流用ダイオード アス電圧が印加されることにより，PN接合は逆電圧回復 は，順バイアス状態から，逆バイアス電圧が印加された状 による遮断動作を始めます。しかし，PN接合は順バイア 態になります3。 スにより蓄積されたキャリアの飽和状態から，直ちに逆電 L’ 圧が回復した状態に移行することができず，Ｎ−層に蓄積 された過剰キャリアは，空乏層が最初に回復するPN接合 ON 1 E ＋ 部分を基点として，電子はN+層側から，正孔はＰ層側から − D L 排出され，最後はキャリアが再結合で消滅するまで電流が 流れます。この電流は，ダイオードの逆回復電流として観 L’ 測されます。 逆回復動作過程では，過剰キャリアが減少してPN接合 OFF 2 E ＋ の逆耐圧が回復するにつれて，逆回復電流は減少し流れな − D L くなりますが，この逆回復電流の減少率 （=dir/dt） により， 回路中の寄生インダクタンス （L ’ ） によって，サージ電圧 L’ （=L’ ×dir/dt） が発生します。 （図２） 最近のインバータ回路は，高効率化および損失の低減化 ON 3 E を図るためにIGBT等のスイッチングデバイスの動作周波 ＋ − L D 数を上げるように設計されており，この場合，接続されて いる還流用ダイオードに流れる逆回復電流は，高い電流減 少率 （−di/dt） により減少します。高di/dt動作では，逆回 図１ テスト回路 復電流のピーク値が大きくなり逆回復電荷量も増加して， 10 Vol.26 No.2 スイッチング損失の増加をまねきます。また逆回復電流の v i 減少率 （dir/dt） も大きくなるため，発生するサージ電圧 （=L’ ×dir/dt） が大きい場合はIGBT等が破壊することがあ Tj=125℃ di/dt=614A/μs ； i 10A/div v；100v/div v ります。 図4 i;gnd→ 当社従来品 FRD ３．ソフトリカバリ特性 ダイオードの逆回復時に発生するサージ電圧を抑制する v;gnd→ ためには，逆回復電流の減少率 （=dir/dt） を小さくしてソ 100ns フトリカバリの特性にすることが必要です。ソフトリカバ リ化を実現するために，PN接合およびＮ＋層とＮ−層の境界 i 領域の不純物プロファイルと逆回復時のキャリアの分布の Tj=125℃ di/dt=620A/μs ； i 10A/div v；100v/div v 依存性を①ポアソンの方程式②キャリアの連続方程式③キ ャリアの輸送方程式をシミュレーターを用いて解くことに 図5 i;gnd→ 開発品 より解析しました。これらの関係を図３に示します。 v;gnd→ Ｐ層 N−層 N＋層 100ns 電子 正孔 を最小限に抑制することが可能です。 濃度 （相対値） ５．開発製品仕様 t=t0 t=t0 表１にTO−247外形30A定格の開発製品定格・特性を示 t=t1 t=t1 t0， t1は図2の時間 と一致 深さ （相対値） 図３逆回復動作でのダイオード内部のキャリア状態解析例 解析結果を基にして，以下の要件を設計に取り入れて， ダイオードを開発しました。 1Ｎ＋層とＮ−層の境界領域に蓄積するキャリアを逆回復 時に緩やかに排出する機構 2順バイアス状態時のPN接合付近に蓄積するキャリア の低減 3Si基板の抵抗率，厚み，Ｐ層の不純物濃度と深さ及び キャリアのライフタイムの最適化 ４．開発品の特長 します。 表１ KSP30B60B開発製品定格・特性 ■最大定格 項目 繰り返しピーク逆電圧 平均整流電流 実効順電流 サージ順電流 動作接合温度範囲 保存温度範囲 記号 条件 定格値 単位 VRRM 600 V IO 商用周波数，正弦波180度通電 30 A IF(RMF) 47 A IFSM 10ms単相正弦半波1サイクル非くり返し 250 A Tjw -40∼+150 ℃ Tstg -40∼+150 ℃ ■電気的特性 項目 記号 ピーク逆電流 IRM ピーク順電圧 VFM 逆回復時間 trr 熱抵抗 Rth(j-c) 条件 VRM=VRRM, Tj=25℃ IFM=30A, Tj=25℃ IFM=10A, −di/dt=50A/μs, Tj=25℃ 接合部−ケース間 min. − − − − typ. max. 単位 50 − μA 1.7 − V 100 − ns − 1.4 ℃/W ＊KSP30B60Bアノード電極両側通電時 今回開発した高速ソフトリカバリダイオードは，その用 途をIGBT等のスイッチングデバイスに逆並列に接続され る還流用ダイオードとしています。開発したダイオードを 本開発品は，高耐圧でかつ高速なソフトリカバリダイ 逆回復時の高−di/dt状態で動作させ，発生するサージ電 オードです。今後も市場ニーズに応えるため，逆回復特 圧が従来品のFRDと比較して，低く抑えることができるこ 性をさらに改善した高速ソフトリカバリダイオードを開 とを確認しました。図４に当社の従来品のFRD，図５に開 発・販売してまいります。 発した高速ソフトリカバリダイオードの逆回復特性波形を ∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼∼ 示します。 ＊筆者紹介 宍戸 長次 Choji Shishido 開発したダイオードは，逆回復時に発生するサージ電圧 及び高周波ノイズ成分を低減できるために，IGBT等を破 壊する事故や，ノイズによる周辺機器，制御機器の誤動作 11 ６．まとめ 1978年入社 現在，生産本部 開発設計部勤務 田山 慶昭 Michiaki Tayama 1996年入社 現在，生産本部 開発設計部勤務