[发明专利]半导体开关元件的驱动电路以及使用该驱动电路的电力转换电路

说明书

技术领域

本发明涉及使用宽带隙半导体的肖特基势垒二极管的电力转换电路中的半导体开关元件的驱动电路。

背景技术

近年来，作为与硅(Si)相比带隙大的宽带隙半导体材料，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等引起关注。由于这些宽带隙半导体材料拥有比Si高10倍的高绝缘破坏电场强度，在以宽带隙半导体材料作为基材的半导体元件中可将用于确保耐压的漂移层的厚度减薄到Si的1/10左右。因此，可以实现半导体元件的低导通电压化。由此，即便在Si中只能使用双极元件的高耐压领域，在SiC等宽带隙半导体元件中也可以使用单极元件，结果能够进行高速开关。

以下对作为宽带隙半导体的代表的SiC进行叙述，其他的宽带隙半导体也是一样的。

在逆变器等电力转换电路中使用的功率半导体模块中，与半导体开关元件并联连接有回流用二极管。在以往的功率半导体模块中，作为回流用二极管使用Si-PiN二极管。Si-PiN二极管是双极型半导体元件，在通过正向偏压进行大电流通电时，通过电导调制，电压降降低。但是，PiN二极管具有在从正向偏压状态至逆偏压状态的过程中，由于电导调制而残留在PiN二极管中的载流子发生反向恢复电流的特性。在Si的PiN二极管中，由于残留的载流子的寿命长，所以反向恢复电流变大。因此，由于该反向恢复电流，半导体开关元件接通时的损失(Eon)、二极管反向恢复时发生的恢复损失变大。

接下来，说明反向恢复电流发生时的二极管的端子电压、电流波形。

图8是表示由作为半导体开关元件的绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor：以下记载为IGBT)以及PiN二极管构成上下桥臂，并且具备各IGBT的驱动电路的现有电力转换电路。图9A以及图9B是对图8的电力转换电路中的反向恢复电流发生时的二极管的端子电压、电流波形进行说明的图。在使用现有的PiN二极管的功率模块的逆变器的主电路中，根据PiN二极管的反向恢复电流衰减时的电流变化(反向恢复di/dt)和主电路的寄生电感L的乘积，施加换向浪涌电压(△Vp＝L×反向恢复di/dt)，当电源电压(E)与浪涌电压(△Vp)的和(E+△Vp)超过IGBT的耐压时，有可能损坏IGBT。为此，提出各种主电路的寄生电感的降低技术与干扰降低技术。

另一方面，肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode：以下记载为SBD)是单极型半导体元件，由于几乎没有电导调制导致的载流子的产生，所以在逆变电路中使用时，因为反向恢复电流非常小，所以可以减小接通损失与恢复损失。现有的Si由于绝缘破坏电场强度低，所以当通过具有高耐压的构造制造SBD时，通电时产生大的电阻，所以在Si-SBD中耐压200V左右为极限。然而，由于SiC具有Si的10倍的绝缘破坏电场强度，可知能够使高耐压的SBD实用化，降低接通时的损失(Eon)和二极管反向恢复时产生的恢复损失(Err)。

但是，在将SiC-SBD应用于电路时，在自桥臂的半导体开关元件接通时，在对桥臂的二极管的端子上施加电源电压，由于二极管的结电容和主电路的寄生电感而流过共振电流，与PiN二极管相比，存在电压振动和开关时的电压变化率上升的缺点。图10A以及图10B是对应用了SiC-SBD时的二极管的端子电压、电流波形进行说明的图。当电压振动或电压变化率上升时，担心噪声电平上升，电动机绝缘材料劣化，因此需要降低技术。

在应用了PiN二极管的逆变器中，作为浪涌电压的降低方法，具有如下的方式：在二极管的恢复期间中，接通与正在恢复的二极管并联连接的半导体开关元件，瞬间使上下桥臂短路。在此，作为在浪涌电压上升到元件的耐压附近时进行短路动作的方法，提出以下2个方案。

在专利文献1中介绍了检测开关元件的端子电压，在端子电压达到阈值的时刻，使用电流源对栅极电容进行充电，并使之短路的方法。

在专利文献2中提出了在IGBT的集电极端子与栅极端子之间连接齐纳二极管的有源钳位电路中，在发生恢复时对IGBT的栅极进行充电，并使之短路的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2003-218675号公报

专利文献2：特开2005-328668号公报

发明概要

发明解决的课题

与PiN二极管相比，SiC-SBD的电压振动、开关时的电压变化率上升。但是，在现有技术的专利文献1、专利文献2中，仅在浪涌电压上升到元件的耐压附近时有效，当应用了SiC-SBD时，虽然浪涌电压小但电压振动变大，难以抑制。