[发明专利]电力变换用开关元件以及电力变换装置

说明书

技术领域

本发明涉及电力变换用开关元件以及使用该电力变换用开关元件的电力变换装置。

背景技术

近年来，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)等的电力变换用开关元件从家庭用的空调和微波炉等小功率设备到铁道和钢铁厂的大功率设备，得到广泛的应用。并且，由于为了促进可再生的新能源的利用和节能，从直流向交流的电力变换、或从交流向直流的电力变换不可或缺，因此，电力变换用开关元件逐渐成为用于实现今后的低碳社会的重要的关键组成。

然而，在将IGBT等的电力变换用开关元件应用在电力变换的逆变器等的情况下，在导通时会产生与通路电阻相伴的导通损耗，在开关时会产生与开关动作相伴的开关损耗。为此，为了谋求逆变器的高效率化、小型化，需要一并减少导通损耗以及开关损耗。

在专利文献1中公开了IGBT的示例，等间隔配置多个沟槽型的栅极，并且对相互相邻的沟槽型的栅极提供关断的定时错开的控制信号，由此能在不有损低导通损耗的特性的同时扩大关断时的安全动作区域。

另外，在专利文献2中公开了IGBT的示例，以相互不同的2种间隔交替配置多个沟槽型的栅极，在被该栅极间隔窄的2个栅极所夹的半导体层的上部形成沟道层(基极区域)以及发射极区域，在被栅极间隔宽的2个栅极所夹的半导体层形成不与发射极电极连接的浮空层，由此能在不招致短路耐量和耐压的降低的情况下减少导通损耗、即通路电压。

但是，根据本申请的发明者们的研讨，获知专利文献2公开的结构的IGBT有如下问题：关断损耗大，并且在接通时，IGBT和对臂的二极管的输出电压的时间变化率dv/dr的控制性低。

关于这些问题当中的接通时的输出电压的时间变化率(dv/dr)的控制性低的问题，在专利文献3如下那样说明了该问题产生的理由。

在IGBT成为通路状态时，由于空穴过渡地流入形成在2个栅极间的p型的浮空层，因此该浮空层的电位变高。此时，位移电流经由将栅极和浮空层隔开的栅极绝缘膜的反馈电容流向栅极，让栅极电位抬升。其结果，由MOS(Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)FET(Field Effect Transistor场效应晶体管)结构的跨导(gm)和栅极-发射极间电压(vge)的时间变化率(dvge/dt)之积决定的集电极电流(ic)的时间变化率(dic/dt)增加，开关速度加速。

由于过渡地流入浮空层的空穴的量主要由半导体内部的结构决定，因此难以用外部的栅极电阻进行控制。因此，不能用外部的栅极电阻控制加速的dic/dt，其结果，产生不能用栅极电阻控制IGBT和对臂的二极管的电压的时间变化率dv/dt的期间。

考虑这些，在专利文献3中，提示了增厚漂移层或浮空层与栅极电极间的绝缘膜等来使得寄生电容难以产生的结构的IGBT。由于若减小与栅极电极间的寄生电容，则反馈电容也变小，因此提升了接通时的输出电压的时间变化率(dv/dt)的控制性。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2000-101076号公报

专利文献2：JP特开2006-222455号公报

专利文献3：JP特开2011-119416号公报

发明的概要

发明要解决的课题

于是，在如专利文献2所示的IGBT那样在n型的漂移层内设置p型的浮空层的情况下，在导通时空穴积蓄在漂移层内而减少了通路电压。另一方面，在关断时，由于将该积蓄的空穴排出的时间变长，因此不管怎样关断损耗都会增加。在专利文献3中，未充分考虑关断时的损耗。

发明内容

鉴于以上的现有技术的问题点，本发明的目的在于，提供使关断时的损耗减少、并能提升接通时的输出电压的时间变化率(dv/dt)的控制性的电力变换用开关元件以及电力变换装置。

用于解决课题的手段