富士時報 Vol.77 No.5 2004 電源二次側整流器用ダイオード「低 I R-SBD シリーズ」 特 集 1 掛布 光泰（かけふ みつひろ） 一ノ瀬 正樹（いちのせ まさき） まえがき 図１ SBD チップの断面構造 ガードリング 近年，携帯機器の小型・高機能化やコンピュータの ショットキー電極 （バリヤメタル） CPU 高速化に代表されるように，電子機器の小型・軽量 酸化膜 化，高性能化が急速に進んでいる中で，電子機器の回路基 板やスイッチング電源では低消費電力，高効率，低ノイズ， エピタキシャル層 高密度実装化が不可欠となっている。また，スイッチング 時のダイオードに印加されるサージ電圧および急峻（きゅ Si基板 うしゅん）な dv/dt によるノイズを抑制するために，スナ バ回路やビーズなどを適用しており，部品点数の増加，コ ストアップなどを招いている。ノートパソコンの AC アダ プタでは携帯性重視のため小型化が進む一方，消費電力の 増加傾向により内部は高温となり，ここに使用される半導 回のチップ設計に際しては，耐圧構造にはガードリング方 体デバイスの使用環境は厳しくなる一方である。このため 式を採用し，その濃度，エピタキシャル層（n−層）の比 半導体デバイスへの要求特性として，低損失，熱暴走温度 抵抗と厚さ，拡散深さ，およびバリヤメタルの最適化を図 抑制，使用温度限界の向上，低ノイズ化の要求が強い。特 ることで，低 IR かつ従来なみの VF を有する 40，60，100 に，スイッチング電源の 50 ％弱の損失を占める二次側出 V 耐圧の低 IR-SBD シリーズを開発した。本製品は，従来 力整流ダイオードの特性改善が強く望まれている。 の同耐圧 SBD と比較して，IR を約一けた低減し，逆方向 損失を大幅に低減させることに成功し，熱暴走開始温度の 概 要 改善，使用温度限界の向上が図られた。また，高アバラン シェ耐量特性を有し，電源起動時などの過渡サージ電圧へ ショットキーバリヤダイオード（SBD）は，低順方向電 の対応が期待でき，スイッチング電源の高効率化，小型化， ，ソフトリカバリー性，低ノイズなどの性能を有 圧（VF） より柔軟で幅広い回路設計に寄与できるものと考える。表 し，スイッチング電源の二次側整流用途に広く使用されて １に低 IR-SBD シリーズの絶対最大定格と電気的特性，図 いる。富士電機では，従来の 20 ∼ 100 V 耐圧の SBD（低 ２ にパッケージの外形を示す。電流定格は 10 A，20 A， ，120 ∼ 250 V 耐圧の SBD〔低逆漏れ電流（IR） VF タイプ） 30 A，製品外形は TO-220，フルモールドタイプの TO- タイプ〕の開発系列化を推進し，多岐にわたるパッケージ 220F，表面実装タイプの T-Pack（S）である。 にて各種出力電圧・電流容量に対応し，さまざまな電源ア 以下に今回開発した低 IR-SBD を紹介する。 プリケーションに最適なダイオードをシリーズ化してきた。 しかしながら，従来の低 VF タイプの SBD は，高温時の 素子特性 IR が大きいことにより逆方向損失が増大し，効率を低下 させ熱暴走を起こす可能性もあり，AC アダプタのような 図３に低 IR-SBD と従来品との順方向特性比較を，図４ に逆方向特性比較を示す。SBD の損失は，順方向と逆方 小型電源パッケージでの適用に難点があった。 今回，開発した低 IR−SBD は，スイッチング電源の二 向の損失の合計であり，特に実使用温度領域で，この損失 次側整流，特に高温環境下での整流用に最適なダイオード を減らすことが課題である。特に高温時には IR 増加によ と考えている。図１に SBD チップの断面構造を示す。今 る逆損失を実用上考慮に入れなければならない。しかしな 334（28） 掛布 光泰 一ノ瀬 正樹 パワーダイオードの開発・設計に パワーダイオードの開発・設計に 従事。現在，富士日立パワーセミ 従事。現在，富士日立パワーセミ コンダクタ （株） 松本事業所開発設 コンダクタ （株） 松本事業所開発設 計部。 計部。 富士時報 電源二次側整流器用ダイオード「低 I R-SBD シリーズ」 Vol.77 No.5 2004 表１ 低 I R-SBDシリーズの絶対最大定格と電気的特性一覧 絶対最大定格 型 式 パッケージ V RRM （V） V RSM （V） YG862C04R TO-220F 45 YA862C04R TO-220 TS862C04R T-Pack YG862C06R YA862C06R 電気的特性 Io （A） I FSM （A） P RM （W） V FM（V） I F＝0.5× I o （Tj＝25 ℃） I RRM （ A） V R＝V RRM R th（j-c） （℃/W） 45 10 125 330 0.61 150 3.50 45 45 10 45 45 10 125 330 0.61 150 2.00 125 330 0.61 150 2.00 TO-220F 60 60 TO-220 60 60 10 125 330 0.68 150 3.50 10 125 330 0.68 150 2.00 TS862C06R T-Pack 60 60 10 125 330 0.68 150 2.00 YG862C10R TO-220F 100 100 10 125 330 0.86 150 3.50 YA862C10R TO-220 100 100 10 125 330 0.86 150 2.00 TS862C10R T-Pack 100 100 10 125 330 0.86 150 2.00 YG865C04R TO-220F 45 45 20 145 330 0.63 175 2.50 YA865C04R TO-220 45 45 20 145 330 0.63 175 1.75 TS865C04R T-Pack 45 45 20 145 330 0.63 175 1.75 YG865C06R TO-220F 60 60 20 145 660 0.74 175 2.50 YA865C06R TO-220 60 60 20 145 660 0.74 175 1.75 TS865C06R T-Pack 60 60 20 145 660 0.74 175 1.75 YG865C10R TO-220F 100 100 20 145 660 0.86 175 2.50 YA865C10R TO-220 100 100 20 145 660 0.86 175 1.75 TS865C10R T-Pack 100 100 20 145 660 0.86 175 1.75 YG868C04R TO-220F 45 45 30 160 1,000 0.63 200 2.00 YA868C04R TO-220 45 45 30 160 1,000 0.63 200 1.25 TS868C04R T-Pack 45 45 30 160 1,000 0.63 200 1.25 YG868C06R TO-220F 60 60 30 160 750 0.74 200 2.00 YA868C06R TO-220 60 60 30 160 750 0.74 200 1.25 TS868C06R T-Pack 60 60 30 160 750 0.74 200 1.25 YG868C10R TO-220F 100 100 30 160 750 0.86 200 2.00 YA868C10R TO-220 100 100 30 160 750 0.86 200 1.25 TS868C10R T-Pack 100 100 30 160 750 0.86 200 1.25 図２ パッケージの外形 10 4.5 10 10 4.5 2.7 4.5 1.3 1.32 3 9.5 TS868C 1.5 15 YG868C 15 P矢視図参照 10 P矢視図 型式：YG868C□□R 型式：YA868C□□R 9.5 13.5 13 YA868C 型式：TS868C□□R がら，VF と IR にはトレードオフの関係があり，一般に低 SBD においては， IR 化を図ると，VF が増加する。今回の 40 ∼ 100 V 耐圧 ル採用と結晶仕様最適化により，定格電流で比較したとき 章で述べたように，新規バリヤメタ 335（29） 特 集 1 富士時報 電源二次側整流器用ダイオード「低 I R-SBD シリーズ」 Vol.77 No.5 2004 図３ 順方向特性比較 特 集 1 10 1 順方向電流 （A） IF 10 順方向電流 （A） IF 順方向電流 （A） IF 10 1 0.1 0.1 0.1 YG805C04R 100 ℃ YG805C04R 25 ℃ YG865C04R 100 ℃ YG865C04R 25 ℃ YG805C10R 100 ℃ YG805C10R 25 ℃ YG865C10R 100 ℃ YG865C10R 25 ℃ YG805C06R 100 ℃ YG805C06R 25 ℃ YG865C06R 100 ℃ YG865C06R 25 ℃ 0.01 0.01 0.01 0 1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 順方向電圧 （V） VF 0 順方向電圧 （V） VF 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 順方向電圧 （V） VF 図４ 逆方向特性比較 YG805C04R T ＝100 ℃ j ＝100 ℃ j YG805C06R T ＝100 ℃ j YG805C10R T 103 YG805C04R 1 10 T ＝25℃ j 103 YG865C06R 102 T ＝25℃ j YG805C06R 1 10 逆方向電流 （ A） IR YG865C04R 102 逆方向電流 （ A） IR 逆方向電流 （ A） IR 103 102 YG865C10R YG805C10R 101 T ＝25℃ j 100 100 0 10 YG865C06R YG865C04R 10 20 30 逆方向電圧 （V） VR 40 10 20 30 40 YG865C10R 50 60 10−1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 VR 逆方向電圧 （V） VR 逆方向電圧 （V） の VF を従来品の 10 ％程度の増加に抑えつつ，IR は従来 品の方が損失は低く，Tj ＝ 150 ℃においては従来品と比 品の約 1/10 にまで低減させ，高温時の損失の大幅な低減 較して約 76 ％と大幅に損失低減が図られており，電源の を実現した。 高効率化が期待できる。 発生損失検討 熱暴走温度検討 LCD（ 液 晶 デ ィ ス プ レ イ ） テ レ ビ 用 24V 出 力 電 源 素子の温度は損失が大きいほど上昇し，高温での IR が （Vdc ＝ 380 V，I ＝ 5 A）の条件にて，損失計算をシミュ 大きいほど顕著になる。IR は高温であるほど増大するた レーションした。図５に 60 V/20 A 品の接合温度（Tj）− め，IR 増大/損失増大/素子発熱/IR 増大・・・と悪循 推定発生損失（Wo）の関係を示す。比較のため従来の 環となり，最後には素子が熱破壊（熱暴走）を引き起こす SBD も示した。Tj が低い領域では，従来品の方が損失は 場合がある。図６に 40 V/30 A 品の周囲温度−逆方向印加 小さいが，高温では IR が損失に大きく影響するため低 IR 電圧の熱暴走データを示す。比較のため従来の SBD も示 336（30） 富士時報 電源二次側整流器用ダイオード「低 I R-SBD シリーズ」 Vol.77 No.5 2004 表２ LCDテレビ用24 V出力電源実装熱暴走推定温度 図５ 接合温度−推定発生損失（60 V/20 A） 条件：放熱フィン30 ℃/W取付け 23インチLCDテレビ電源 （＋24 Vout/3.5 A） 8 YG805C06R YG805C06R YG865C06R YG865C06R 推定発生損失 W （W） O 7 6 5 型 式 フォワード側 フライバック側 フォワード側 フライバック側 フォワード 新製品 YG865C06R 4 従来品 YG805C06R 3 30インチLCDテレビ電源 （＋24 Vout/5.0 A） フライバック フォワード フライバック 従来品 YG805C06R 約74 ℃ 約84 ℃ 約72 ℃ 約77 ℃ 新製品 YG865C06R 約98 ℃ 約108 ℃ 約97 ℃ 約100 ℃ 2 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 接合温度 （℃） Tj 電源（Vdc ＝ 380 V，I ＝ 3.5 A または 5 A）に 60 V/20 A 品を使用した場合の推定熱暴走温度を表２に示す。熱暴走 温度は従来品と比較して，23 インチ LCD ではフォワード 側 が 32 ％ 向 上 （ 98 ℃ ）， フ ラ イ バ ッ ク 側 が 28 ％ 向 上 図６ 熱暴走データ（TS868C04R，TS808C04R） （108 ℃）し，30 インチ LCD ではフォワード側が 34 ％向 上（97 ℃） ，フライバック側が 29 ％向上（100 ℃）すると 45 推測され，動作限界温度が高く高温使用に適したデバイス 逆方向印加電圧 （V） VR 40 35 1 DC 2 30 DC となっている。 新製品 TS868C04R あとがき 25 従来品 TS808C04R 20 低 IR-SBD の概要，スイッチング電源二次側整流用途へ 15 の適用などについて紹介した。 10 今後，電源のさらなる小型化・低損失化・高効率化の要 5 求が高くなることが予想され，それに対応するべく，SBD 0 の特性改善・小型パッケージ品の系列化を図り，製品系列 0 50 100 150 200 周囲温度 T （℃） a の拡充とさらに高品質な製品の開発に向け，レベルアップ を推進していく所存である。 した。低 IR 化が図られているため，従来品と比較して使 用温度範囲が広がっていることが分かる。また，より実装 条件に近い 23 インチ，30 インチ LCD テレビ用 24 V 出力 参考文献 （1） 北村祥司，伊藤博史．高耐圧ショットキーバリヤダイオー ド．富士時報．vol.75, no.10, 2002, p.589- 592. 337（31） 特 集 1 ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。