JP2017045901A - 還流ダイオードと車載用電源装置 - Google Patents

還流ダイオードと車載用電源装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ＳｉＣショットキーバリアダイオードの基板面積を大型化することなく、はんだ層に生じるエレクトロマイグレーションの進行速度を低速化する技術を提供する。【解決手段】ＳｉＣショットキーバリアダイオード１１とＳｉＰｉＮダイオード１２を並列に接続する。両者の熱特性の相違から、はんだ層８１、８２にエレクトロマイグレーションが進行しやすい高温となるとＳｉＰｉＮダイオード１２に相対的に大きな電流が流れ、エレクトロマイグレーションを進行させない。エレクトロマイグレーションが進行しづらい低温ではＳｉＰｉＮダイオード１２に相対的に小さな電流しか流れず、ＳｉＣショットキーバリアダイオード１１に電流が流れる。【選択図】図２

Description

本明細書では、還流ダイオードと、それを用いる車載用電源装置を開示する。
スイッチング素子とダイオードを並列に接続し、そのダイオードを還流ダイオードに利用する技術が知られている。スイッチング素子によってコイル（例えば、リアクトルやモーター）を流れる電流をオン／オフすると、コイルに起電力が発生する。その起電力に起因する電流が還流ダイオードを流れる。Ｓｉ基板を利用するＰｉＮダイオード（本明細書ではＳｉＰｉＮＤという。）の他に、ＳｉＣ基板を利用するショットキーバリアダイオード（本明細書ではＳｉＣＳＢＤという。）が知られている。ＳｉＣＳＢＤを還流ダイオードに利用すると、逆回復電流を抑えることができ、ＳｉＰｉＮＤより低損失化することができる。また、ＳｉＣＳＢＤはＳｉＰｉＮＤより破壊耐量が高く、ＳｉＰｉＮＤより高い電流密度で使用することができる。
表面電極と裏面電極を備えており、各々の電極をはんだ層によって導体に接続して用いるダイオードが知られている。そのはんだ層に大電流が流れると、はんだ層を構成する物質が移動してはんだ層の品質が劣化する現象（エレクトロマイグレーションといい、本明細書ではＥＭという。）が進行する。ＥＭは、電流密度が大きいほど進行速度が速く、はんだ層の温度が高いほど進行速度が速い。
特開２００２−１６４５０３号公報
ＳｉＣＳＢＤの表面電極と裏面電極にはんだ層を接合して還流ダイオードとする場合、はんだ層にＥＭが進行しやすい。前記したように、ＳｉＣＳＢＤは高い電流密度で使用することができる。ＳｉＣＳＢＤには問題とならない電流密度が、はんだ層にはＥＭを進行させる電流密度になってしまうからである。
ＳｉＣＳＢＤの基板面積を大きくすれば、表面電極と裏面電極とはんだ層の面積が大きくなり、電流密度を低下させることができる。はんだ層に生じるＥＭの進行速度を低速化することができる。
しかしながらＳｉＣ基板には多くの結晶欠陥が含まれており、基板面積を大型化するとＳｉＣＳＢＤが得られる歩留まりが低下する。ＳＩＣＳＢＤの製造コストが増大してしまう。歩留まりよく製造できる基板面積が小さいＳＩＣＳＢＤを大電流密度で利用したいという要求が存在する。
本明細書では、ＳｉＣＳＢＤの基板面積を大型化することなく、はんだ層に生じるＥＭの進行速度を低速化することができる技術を開示する。
本明細書では、コイルを流れる電流をオン／オフする際に生じる起電力に起因する電流が流れる還流ダイオードを開示する。その還流ダイオードは、ＳｉＣ基板を備えるショットキーバリアダイオード（ＳｉＣＳＢＤ）とＳｉ基板を備えるＰｉＮダイオード（ＳｉＰｉＮＤ）が並列に接続されている。アノード電極とカソード電極は、ＳｉＣ基板よりも大面積とすることができず、従ってはんだ層もまたＳｉＣ基板よりも大面積とすることができない。ＳｉＣ基板を流れる電流密度とはんだ層を流れる電流密度はほぼ等しい。ＳＩＣ基板にとっては障害とならない電流密度がはんだ層にＥＭを進行させることがある。
還流ダイオードには、大電流が流れることもあれば、小電流が流れることもある。例えば、電気自動車やハイブリッド自動車や燃料電池自動車に搭載する車載用電源装置に利用する還流ダイオードの場合、自動車が急加速する場合には大電流が流れ、自動車が通常走行する場合は小電流が流れる。還流ダイオードに大電流が流れる場合は還流ダイオードが発熱して高温となり、ＥＭが進行しやすい。還流ダイオードに小電流が流れる場合は還流ダイオードの発熱量が小さく、ＥＭは進行しづらい。
ダイオードに流れる順方向電流と順方向電圧の関係は温度によって変化する。またその温度特性は、ＳｉＣＳＢＤとＳｉＰｉＮＤで相違する。ＳｉＣＳＢＤの場合は、同じ順方向電圧であっても温度上昇に伴って順方向電流が敏感に低下する。ＳｉＰｉＮＤの場合は、同じ順方向電圧であっても温度上昇に伴って順方向電流が増加する。ＳｉＣＳＢＤとＳｉＰｉＮＤを並列に接続しておくと、温度上昇に伴って、（ＳｉＣＳＢＤの通電電流／ＳｉＰｉＮＤの通電電流）の比率が低下する。温度上昇に伴って、ＳｉＰｉＮＤに分岐する分岐電流の比率が増大し、その分ＳｉＣＳＢＤに流れる電流の比率が低下する。逆に、温度が低下すると、（ＳｉＣＳＢＤの通電電流／ＳｉＰｉＮＤの通電電流）の比率が上昇する。温度低下に伴って、ＳｉＰｉＮＤに分岐する分岐電流の比率が減少し、その分ＳｉＣＳＢＤに流れる電流の比率が増大する。
この結果、下記が得られる。
・還流ダイオードに流れる電流が低く、還流ダイオードの発熱量が小さく、還流ダイオードが低温である間は、ＳｉＰｉＮＤに分岐する分岐電流の比率が低く、大部分がＳｉＣＳＢＤを流れる。電流の大部分がＳｉＣＳＢＤを流れても、もともと通電流が低くて低温であることから、ＳｉＣＳＢＤに接合するはんだ層にＥＭは進行しない。電流の大部分がＳｉＣＳＢＤを流れることから、ＳｉＣＳＢＤによって低損失化することができる。前記したように、車載用電源装置の場合、自動車が通常走行する場合は上記の状態となる。通常走行中はＳｉＣＳＢＤによる低損失化効果を享受することができる。燃費が上昇し、再充電あるいは燃料補給を要するまでの走行可能距離を伸ばすことができる。
・還流ダイオードに流れる電流が高く、還流ダイオードの発熱量が大きく、還流ダイオードが高温である間は、ＳｉＰｉＮＤに分岐する分岐電流の比率が高くなり、相当部分がＳｉＰｉＮＤに分岐する。この場合、ＳｉＣＳＢＤを流れる分岐電流の比率は低下する。ＳｉＣＳＢＤに接合するはんだ層にＥＭが進行しやすい高温時には、ＳｉＣＳＢＤを流れる電流が抑えられてＥＭの進行を阻止する。相当部分がＳｉＰｉＮＤに分岐するために、ＳｉＣＳＢＤによる低損失化効果は低下する。前記したように、車載用電源装置の場合、自動車が急加速する場合に上記の状態となる。ＳｉＣＳＢＤによる低損失化効果の低下現象は、急加速といった一時的条件で発生する現象であり、走行の全体からみるとＳｉＣＳＢＤによる低損失化効果の低下現象を甘受することができる。
第１実施例に係る車載用電源装置の回路図である。 ＳｉＣＳＢＤとＳｉＰｉＮＤがはんだ層によって導体に接合されている状態を示す断面図である。 ＳｉＣＳＢＤとＳｉＰｉＮＤの順方向特性が温度によって変化することを示すグラフである。 第２実施例に係る車載用電源装置の回路図である。 ＳｉＣＳＢＤに電流を流した時間と、はんだ層のクラック発生率の関係を示すグラフである。 ＳｉＣＳＢＤとＳｉＰｉＮＤの順方向電圧と電流密度の関係を示すグラフである。
最初に、本明細書が開示する還流ダイオードの特徴について説明する。ＳｉＣＳＢＤとＳｉＰｉＮＤを併用した還流ダイオードは、製造コストの点で有利である。ＳｉＣＳＢＤ基板を大型化すれば、ＳｉＰｉＮＤを併用しなくても、ＳｉＣＳＢＤの電流密度を抑制することができる。「（還流ダイオードが高温である間にＳｉＣＳＢＤのはんだ層を流れる電流）／はんだ層の面積」＜「はんだ層にＥＭが進行する電流密度」の関係を得ることができる。しかしこの方式によると、還流ダイオードの製造コストが増大する。本技術では、安価に製造できるＳｉＰｉＮＤでＥＭの進行を抑制することができる。
例えば、自動車が急加速等して還流ダイオードに流れる大電流の最大値がＡ＋Ｂであるとする。はんだ層にＥＭが進行する電流密度がＦであるとする。ＳｉＰｉＮＤを併用しなければ、（Ａ＋Ｂ）／Ｆ以上の基板面積を持つＳｉＣＳＢＤを利用する必要がある。
本技術では、ＳｉＰｉＮＤを併用してＳｉＰｉＮＤにも通電させる。自動車が急加速等してＳｉＣＳＢＤに大電流が流れる際の最大電流がＡであり、ＳｉＰｉＮＤに流れる最大電流がＢであるとすれば、Ａ／Ｆ以上の基板面積を持つＳｉＣＳＢＤを利用すればよい。Ｂが通電できるＳｉＰｉＮＤが必要であるが、（Ａ＋Ｂ）／Ｆの基板面積を持つＳｉＣＳＢＤの製造コストとＡ／Ｆの基板面積を持つＳｉＣＳＢＤの製造コストの差＞Ｂが通電できるＳｉＰｉＮＤの製造コストであり、ＳｉＰｉＮＤを併用することによって製造コストを低下させることができる。
ＳｉＰｉＮＤを併用することでＳｉＣＳＢＤによる低損失化効果の低下が懸念されるが、通常は還流ダイオードが低温である。もっとも頻繁に生じる電流を最頻度電流とし、還流ダイオードに最頻度電流が流れる際におけるＳｉＣＳＢＤの通電電流をＣとし、ＳｉＰｉＮＤの通電電流をＤとした場合、ＳｉＣＳＢＤとＳｉＰｉＮＤの温度特性から、（Ｂ／Ａ）＞（Ｄ／Ｃ）の関係を得ることができる。通常時は、Ｄが小さくなることから、ＳｉＣＳＢＤによる低損失化効果が低下することを甘受できる。
設計時には、例えば、Ａ＋Ｂの電流値が与えられ、ＳｉＣＳＢＤの基板面積（すなわちはんだ層の面積）Ｅが指定される。Ａ＋Ｂ＞Ｅ×Ｆ（Ｆ＝はんだ層にＥＭが進行する電流密度）の関係にある。その場合、Ａ＝Ｅ×Ｆの関係からＡを決め、それからＢを決め、ＢからＳｉＰｉＮＤの基板面積を決めればよい。ＳｉＰｉＮＤの場合、もともと許容電流密度が低いことからはんだ層にＥＭが進行することを考慮する必要がないことが多い。
本技術は、アノード電極とカソード電極の双方が面電極であり、双方にはんだ層が接合されている場合に限って有用なものでない。アノード電極が面電極であってそれにはんだ層が接合されている場合は、カソード電極側に構成に制約されないでアノード電極に接合されているはんだ層にＥＭが進行するのを抑制する。カソード電極が面電極であってそれにはんだ層が接合されている場合は、アノード電極側に構成に制約されないでカソード電極に接合されているはんだ層にＥＭが進行するのを抑制する。アノード電極とカソード電極の少なくとも一方がＳｉＣ基板の表面に形成されている面電極であり、その面電極にはんだ層が接合している場合に、有用な技術である。
上記の還流ダイオードは、車載用電源装置に活用する場合に特に有用である。その場合の車載用電源装置は、コイルとスイッチング素子と還流ダイオードを備えており、還流ダイオードの表面電極と裏面電極の各々がはんだ層を介して導体に接続されている。
還流ダイオードに許容最大電流が流れる際におけるＳｉＣＳＢＤの通電電流をＡとしてＳｉＰｉＮＤの電流をＢとし、還流ダイオードに最頻度電流が流れる際におけるＳｉＣＳＢＤの通電電流をＣとしてＳｉＰｉＮＤの通電電流をＤとし、ＳｉＣＳＢＤを接合するはんだ層の最少面積をＥとすると、「（Ａ／Ｅ）＜はんだ層にエレクトロマイグレーションが進行する電流密度」の関係にしてＥＭの進行を抑制し、「（Ｂ／Ａ）＞（Ｄ／Ｃ）」の関係にして通常使用時における還流ダイオードによる損失を抑制することができる。
特に、ＥＭが生じやすい昇圧回路の上アームに利用することが好ましい。すなわち、還流ダイオードのアノードがコイルを介して電池の正極に接続されており、還流ダイオードのカソードがインバーターを介して前記電池の負極に接続されており、インバーターが走行用モーターに接続されている構成とすることが好ましい。
（第１実施例）
図１に示すように、第１実施例に係る車載用電源装置１は、電池３１と、第１キャパシタ３４と、コンバーター３９と、第２キャパシタ３５を備えている。電池３１から供給される電力がコンバーター３９を介して出力される。コンバーター３９は電池３１の電圧を昇圧する。電池３１は充放電可能に構成されている。この車載用電源装置１は、例えば電気自動車やハイブリッド車や燃料電池自動車に搭載されて走行用のモーターに電力を供給する。
コンバーター３９は、コイル３２と、上アームの還流ダイオード１０と、下アームのスイッチング素子３３を備えている。本実施例ではスイッチング素子３３としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いている。
還流ダイオード１０は、ＳｉＣ基板を備えるショットキーバリアダイオード（ＳｉＣＳＢＤ）１１と、Ｓｉ基板を備えるＰｉＮダイオード（ＳｉＰｉＮＤ）１２を備えている。ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２は、並列に接続されている。ＳｉＣＳＢＤ１１では、ｎ型のＳｉＣ基板に金属がショットキー接合している。ＳｉＰｉＮＤ１２では、Ｓｉ基板の内部にｎ型領域とｐ型領域が形成されている。ＳｉＣＳＢＤ１１のアクティブ領域の面積は、ＳｉＰｉＮＤ１２のアクティブ領域の面積より大きい。ＳｉＣＳＢＤ１１を流れる電流の電流密度は、５００Ａ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
コイル３２の一端は電池３１の正極に接続されている。コイル３２の他端はスイッチング素子３３（ＩＧＢＴ）のコレクタ電極に接続されている。また、コイル３２の他端は還流ダイオード１０のアノードに接続されている。すなわち、コイル３２の他端はＳｉＣＳＢＤ１１のアノード電極とＳｉＰｉＮＤ１２のアノード電極に接続されている。スイッチング素子３３（ＩＧＢＴ）のエミッタ電極は電池３１の負極に接続されている。
スイッチング素子３３はオン／オフを切り換え可能に構成されている。スイッチング素子３３がオンになると、コイル３２を流れる電流がスイッチング素子３３に流れる。スイッチング素子３３がオフになると、コイル３２を流れる電流が還流ダイオード１０のＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２に流れる。スイッチング素子３３をターンオフしたときにコイル３２に生じる起電力に起因する電流がＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２に流れる。
第１キャパシタ３４の一端は電池３１の正極に接続されており、他端は電池３１の負極に接続されている。第１キャパシタ３４は、電池３１から供給される電圧を平滑化する。
第２キャパシタ３５の一端は還流ダイオード１０のカソードに接続されており、他端は電池３１の負極に接続されている。第２キャパシタ３５は、コンバーター３９から出力される電圧を平滑化する。
図２に示すように、ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２は、第１導体４１と第２導体４２の間に配置されている。ＳｉＣＳＢＤ１１のアノード電極１１１がはんだ層８１を介して第１導体４１に電気的に接続されている。ＳｉＣＳＢＤ１１は、はんだ層８１によって第１導体４１に接合されている。また、ＳｉＣＳＢＤ１１のカソード電極１１２がはんだ層８２と金属ブロック８３とはんだ層８４を介して第２導体４２に電気的に接続されている。ＳｉＣＳＢＤ１１は、はんだ層８２、８４によって第２導体４２に接合されている。アノード電極１１１とカソード電極１１２は、ＳｉＣ基板の表面（下面と上面）に形成されている面電極である。
ＳｉＰｉＮＤ１２のアノード電極１２１がはんだ層８６を介して第１導体４１に電気的に接続されている。ＳｉＰｉＮＤ１２は、はんだ層８６によって第１導体４１に接合されている。また、ＳｉＰｉＮＤ１２のカソード電極１２２がはんだ層８７と金属ブロック８８とはんだ層８９を介して第２導体４２に電気的に接続されている。ＳｉＰｉＮＤ１２は、はんだ層８７、８９によって第２導体４２に接合されている。アノード電極１２１とカソード電極１２２は、Ｓｉ基板の表面（下面と上面）に形成されている面電極である。
ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２は、封止樹脂５０によって封止されている。ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２の２つが封止樹脂５０によって一体的に封止されている、いわゆる２ｉｎ１構造になっている。第１導体４１と第２導体４２の間に封止樹脂５０が充填されている。ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２の間に封止樹脂５０が充填されている。封止樹脂５０は、ＳｉＣＳＢＤ１１、ＳｉＰｉＮＤ１２、第１導体４１、第２導体４２、および、はんだ層８１、８２、８４、８６、８７、８９を封止している。
第１導体４１は図１に示すコイル３２に電気的に接続されている。第２導体４２は図１に示す第２キャパシタ３５に電気的に接続されている。
金属ブロック８３は、ＳｉＣＳＢＤ１１と第２導体４２の間に配置されている。金属ブロック８８は、ＳｉＰｉＮＤ１２と第２導体４２の間に配置されている。金属ブロック８３、８８は、例えば銅から形成されている。
はんだ層（８１，８２，８４，８６，８７，８９）は、例えば錫（Ｓｎ）を主成分として含む合金から形成されている。はんだは、例えば、ＪＩＳ Ｚ ３２８２に規定されているはんだを用いることができる。はんだの種類は特に限定されるものではない。はんだ層では電流が流れることによってエレクトロマイグレーション（ＥＭ）が生じることがある。エレクトロマイグレーションとは、はんだ層の中を電子が移動することによってはんだ層に欠損が生じる現象である。ＥＭは、はんだ層に高密度の電流が流れることによって生じやすくなる。また、ＥＭは、はんだ層が高温になることによって生じやすくなる。ＳｉＣＳＢＤ１１を固定しているはんだ層８１，８２，８４では、ＳｉＣＳＢＤ１１に高密度の電流が流れてＳｉＣＳＢＤ１１が高温になることによって、ＥＭが生じやすくなる。特に、金属ブロック８８と第２導体４２の間のはんだ層８４は面積が小さいので最もＥＭが生じやすくなる。
図３に示すように、ＳｉＣＳＢＤ１１の順方向電流と順方向電圧の関係は温度によって変化する。また、ＳｉＰｉＮＤ１２の順方向電流と順方向電圧の関係も温度によって変化する。ＳｉＣＳＢＤ１１の温度特性とＳｉＰｉＮＤ１２の温度特性は異なっている。ＳｉＣＳＢＤ１１は正の温度係数を有しており、ＳｉＰｉＮＤ１２は負の温度係数を有している。ＳｉＣＳＢＤ１１では、同じ順方向電圧であっても温度上昇に伴って順方向電流が低下する。ＳｉＰｉＮＤ１２では、同じ順方向電圧であっても温度上昇に伴って順方向電流が上昇する。また、いずれの温度であっても、ＳｉＣＳＢＤ１１の立ち上がり電圧は、ＳｉＰｉＮＤ１２の立つ上がり電圧よりも低い。
上記の構成を備えている車載用電源装置１では、スイッチング素子３３がオンになると、コイル３２とスイッチング素子３３に電流が流れる。このとき、コイル３２にエネルギーが蓄えられる。一方、スイッチング素子３３がオフになると、コイル３２と還流ダイオード１０のＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２に電流が流れる。スイッチング素子３３がターンオフする（オンからオフになる）ときにコイル３２で起電力が生じる。電池３１の電圧にコイル３２で生じた起電力が加わることによって電圧が上昇する。これによって、電池３１の電力がコンバーター３９によって昇圧されて出力される。
上記の車載用電源装置１では、還流ダイオード１０のＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２に大電流が流れることもあれば、小電流が流れることもある。例えば、自動車が急加速するときにＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２に大電流が流れ、自動車が通常走行するときに小電流が流れる。ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２に大電流が流れるとＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２が発熱して高温になる。一方、ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２に小電流が流れるとＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２の発熱が抑制されて低温になる。
ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２が高温（例えば１５０℃）になっている場合を想定する。この場合、図３に示すように、ＳｉＣＳＢＤ１１に流れている大電流（１５０Ａ）と、それに応じた順方向電圧（２．５Ｖ）でＳｉＰｉＮＤ１２に流れている大電流（５０Ａ）を比較すると、ＳｉＣＳＢＤ１１の電流（１５０Ａ）とＳｉＰｉＮＤ１２の電流（５０Ａ）の比が、３：１になっている。
これに対して、ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２が低温（例えば２５℃）になっている場合を想定する。この場合、図３に示すように、ＳｉＣＳＢＤ１１に流れている小電流（５０Ａ）と、それに応じた順方向電圧（１．１Ｖ）でＳｉＰｉＮＤ１２に流れている小電流（５Ａ）を比較すると、ＳｉＣＳＢＤ１１の電流（５０Ａ）とＳｉＰｉＮＤ１２の電流（５Ａ）の比が、１０：１になっている。
上記の各場合を比較すると、大電流で高温の場合はＳｉＣＳＢＤ１１の電流とＳｉＰｉＮＤ１２の電流の比が３：１であり、小電流で低温の場合はＳｉＣＳＢＤ１１の電流とＳｉＰｉＮＤ１２の電流の比が１０：１である。つまり、ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２に大電流が流れてＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２が高温になる場合は、ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２の順方向特性の差異を利用することによって、比較的に大きな電流をＳｉＰｉＮＤ１２に分散することができる。ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２に小電流が流れてＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２が低温になる場合は、比較的に小さな電流しかＳｉＰｉＮＤ１２に分散せず、大部分の電流をＳｉＣＳＢＤ１１に流すことができる。
以上のように、大電流で高温の場合は、ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２に電流を分散することができる。したがって、ＳｉＣＳＢＤ１１に接合されているはんだ層８１，８２，８４に流れる電流密度が増大することを抑制する。またＳｉＣＳＢＤ１１に電流が集中してＳｉＣＳＢＤ１１が更に高温になることを抑制できる。これによって、ＳｉＣＳＢＤ１１に電気的に接続されているはんだ層でＥＭが進行することを抑制できる。そのため、例えば、自動車が急加速するときであってもＥＭの進行を抑制できる。
一方、小電流で低温の場合は、ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２に電流を分散させずにＳｉＣＳＢＤ１１に集中的に電流を流すことができる。そのため、例えば、自動車が通常走行するときはＳｉＣＳＢＤ１１を積極的に活用することができる。
以上、一実施例について説明したが、具体的な態様は上記実施例に限定されるものではない。以下の説明において、上述の説明における構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
（第２実施例）
図４に示すように、第２実施例に係る車載用電源装置１０１は、電池３１と、第１キャパシタ３４と、コンバーター１３９と、第２キャパシタ３５と、第１インバーター９１と、第２インバーター９２を備えている。電池３１から供給される電力がコンバーター１３９を介して第１インバーター９１と第２インバーター９２に入力される。コンバーター１３９は電池３１の電圧を昇圧する。
コンバーター１３９は、コイル３２と、第１スイッチング素子３３と、環流ダイオード１３６と、第２スイッチング素子１３７と、還流ダイオード１０を備えている。本実施例では下アームの環流ダイオード１３６には、Ｓｉ基板を備えるＰｉＮダイオードを用いている。また、本実施例では上アームの第２スイッチング素子１３７にＩＧＢＴを用いている。なお、第１スイッチング素子３３は上記の第１実施例のスイッチング素子３３と同様の構成である。
第１スイッチング素子３３と環流ダイオード１３６が逆並列で接続されている。環流ダイオード１３６のカソード電極はコイル３２の他端に接続されている。環流ダイオード１３６のアノード電極は電池３１の負極に接続されている。
第２スイッチング素子１３７と還流ダイオード１０が逆並列で接続されている。第２スイッチング素子１３７のエミッタ電極はコイル３２の他端に接続されている。第２スイッチング素子１３７のコレクタ電極は第１インバーター９１の一端と第２インバーター９２の一端に接続されている。
第１インバーター９１の他端と第２インバーター９２の他端は電池３１の負極に接続されている。還流ダイオード１０のカソードは、第１インバーター９１と第２インバーター９２を介して電池３１の負極に接続されている。また、還流ダイオード１０のアノードは、コイル３２を介して電池３１の正極に接続されている。
第１インバーター９１は走行用の第１モーター３０１に接続されている。第２インバーター９２は走行用の第２モーター３０２に接続されている。第１インバーター９１と第２インバーター９２は、コンバーター１３９から出力された直流を三相交流に変換する。変換された三相交流の電力が第１モーター３０１と第２モーター３０２に供給される。
第１インバーター９１と第２インバーター９２のそれぞれは、複数のスイッチング素子９６と複数のダイオード９７を備えている。各スイッチング素子９６と各ダイオード９７のそれぞれが逆並列で接続されている。
上記の構成を備えている車載用電源装置１では、第１スイッチング素子３３がオンになると、コイル３２と第１スイッチング素子３３に電流が流れる。このとき、コイル３２にエネルギーが蓄えられる。一方、第１スイッチング素子３３がオフになると、コイル３２と還流ダイオード１０のＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２に電流が流れる。第１スイッチング素子３３がターンオフする（オンからオフになる）ときにコイル３２に起電力が生じる。電池３１の電圧に起電力が加わることによって電圧が上昇する。これによって、電池３１の電力がコンバーター１３９によって昇圧されて出力される。
コンバーター１３９から出力された電力は第１インバーター９１と第２インバーター９２のそれぞれによって三相交流に変換される。第１インバーター９１と第２インバーター９２のそれぞれによって変換された電力が第１モーター３０１と第２モーター３０２のそれぞれに供給される。
一方、回生動作時には、第１モーター３０１と第２モーター３０２が発電機となり、それぞれから第１インバーター９１と第２インバーター９２のそれぞれを介してコンバーター１３９に電流が流れる。この場合は、第２スイッチング素子１３７がスイッチングし、降圧された電圧を電池３１に供給して電池３１を充電する。コンバーター１３９は、降圧昇圧可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバーターである。
第２実施例に係る車載用電源装置１０１も第１実施例と同様に、大電流で高温の場合にＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２に電流を分散することができる。したがって、ＳｉＣＳＢＤ１１に電流が集中してＳｉＣＳＢＤ１１が更に高温になることを抑制できる。これによって、ＳｉＣＳＢＤ１１に電気的に接続されているはんだ層８１、８２、８４でＥＭが進行することを抑制できる。一方、小電流で低温の場合は、ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２に電流を分散させずにＳｉＣＳＢＤ１１に集中的に電流を流すことができる。
（参考例）
次に、ＳｉＣＳＢＤ１１の面積とＳｉＰｉＮＤ１２の面積を決定する方法の一例について説明する。まず、ＳｉＣＳＢＤ１１のはんだ層を問題無く使用できる最大定格電流密度をＦ（Ａ／ｃｍ２）とする。最大定格電流密度Ｆは実験的に求めることができる。例えば、ＳｉＣＳＢＤ１１に電流が流れたときに最もＥＭが生じやすいはんだ層８４の剥離率を考慮して最大定格電流密度を決定することができる。また、ＳｉＣＳＢＤ１１の面積（ＳｉＣＳＢＤ１１のアクティブ領域の面積）をＥ（ｃｍ２）とする。この場合、ＳｉＣＳＢＤ１１を流れる最大の電流Ａ（Ａ）は、Ｆ×Ｅ（Ａ）となる。また、ＳｉＣＳＢＤ１１に電流Ａ（Ａ）が流れるときの順方向電圧をＶｆ１（Ｖ）とする。
一方、還流ダイオード１０の最大定格電流をＡ＋Ｂ（Ａ）とする。この場合、還流ダイオード１０のＳｉＰｉＮＤ１２に流したい電流をＢ（Ａ）と表すことができる。
そして、ＳｉＰｉＮＤ１２に電流Ｂ（Ａ）を流したときの順方向電圧がＶｆ１（Ｖ）となる場合に、そのときのＳｉＰｉＮＤ１２の面積Ｇ（ｃｍ２）をＳｉＰｉＮＤ１２の面積とする。このようにして、ＳｉＣＳＢＤ１１の面積Ｅ（ｃｍ２）とＳｉＰｉＮＤ１２の面積Ｇ（ｃｍ２）を決定することができる。
［試験例］
ＳｉＣＳＢＤに電流が流れることによってはんだ層でＥＭが生じる場合に、そのＥＭに起因してはんだ層でクラックが発生する率を測定した。試験例では、複数のサンプルを用いて、図２に示すＳｉＣＳＢＤ１１に電流が流れるときに、はんだ層（８１、８２、８４）でクラックが発生する率を測定した。試験例では、ＳｉＣＳＢＤ１１のアクティブ領域の面積を０．１７１ｃｍ２とした。ＳｉＣＳＢＤ１１に流す電流の大きさを８５Ａ、１２０Ａ、１４０Ａ、１６０Ａの４パターンとした。また、４００時間にわたってＳｉＣＳＢＤ１１に電流を流し続けた。ＳｉＣＳＢＤ１１の温度は１５０℃であった。
（試験例１）
試験例１では、ＳｉＣＳＢＤ１１に流す電流の大きさを、８５Ａとした。すなわち、ＳｉＣＳＢＤ１１に流す電流の電流密度を、５００Ａ／ｃｍ２（８５Ａ／０．１７１ｃｍ２）とした。サンプル数Ｎを、６個とした。
（試験例２）
試験例２では、ＳｉＣＳＢＤ１１に流す電流の大きさを、１２０Ａとした。すなわち、ＳｉＣＳＢＤ１１に流す電流の電流密度を、７０２Ａ／ｃｍ２（１２０Ａ／０．１７１ｃｍ２）とした。サンプル数Ｎを、８個とした。
（試験例３）
試験例３では、ＳｉＣＳＢＤ１１に流す電流の大きさを、１４０Ａとした。すなわち、ＳｉＣＳＢＤ１１に流す電流の電流密度を、８１９Ａ／ｃｍ２（１４０Ａ／０．１７１ｃｍ２）とした。サンプル数Ｎを、１２個とした。
（試験例４）
試験例４では、ＳｉＣＳＢＤ１１に流す電流の大きさを、１６０Ａとした。すなわち、ＳｉＣＳＢＤ１１に流す電流の電流密度を、９３６Ａ／ｃｍ２（１６０Ａ／０．１７１ｃｍ２）とした。サンプル数Ｎを、８個とした。
（結果）
図５に示すように、試験例１では、２００時間までのクラック発生率が低く抑えられている。これと比較して、試験例２、試験例３および試験例４では、クラック発生率が試験例１より高くなっている。このことから、ＳｉＣＳＢＤ１１に流れる電流の電流密度が５００Ａ／ｃｍ２以下であれば、ＳｉＣＳＢＤ１１に２００時間にわたって電流を流し続けても、はんだ層のクラック発生率を低く抑えることができることが見出された。
［ＳｉＣＳＢＤとＳｉＰｉＮＤの面積の一例］
上記のように、はんだ層のクラック発生率を低く抑えるために、ＳｉＣＳＢＤに流れる電流の電流密度が５００Ａ／ｃｍ２以下にすることが好ましいことが見出された。
一方、ＳｉＣＳＢＤの面積が大きくなると、複数のＳｉＣＳＢＤを製造したときの良品率が低下する。したがって、所定の良品率に収めるために、ＳｉＣＳＢＤの面積を所定の大きさに収めることが好ましい。例えば、良品率を考慮して、ＳｉＣＳＢＤのアクティブ領域の面積を０．２５ｃｍ２とする。この場合、ＳｉＣＳＢＤを流れる最大の電流は、１２５Ａ（５００Ａ／ｃｍ２×０．２５ｃｍ２）である。
また、図６に示すように、ＳｉＣＳＢＤの温度が１５０℃であり、ＳｉＣＳＢＤに流れる電流の電流密度が５００Ａ／ｃｍ２であるとき、ＳｉＣＳＢＤの順方向電圧が２．２５Ｖであることが分かっている。
図１及び図２に示す構成において、還流ダイオード１０に流す最大の電流を、例えば２００Ａとする。この場合、上記のようにＳｉＣＳＢＤ１１を流れる最大の電流が１２５Ａであるとすると、ＳｉＰｉＮＤ１２を流れる最大の電流は、８５Ａ（２００Ａ−１２５Ａ）である。
また、図６に示すように、ＳｉＰｉＮＤの温度が１５０℃であり、ＳｉＰｉＮＤの順方向電圧が２．２５Ｖであるとき、ＳｉＰｉＮＤに流れる電流の電流密度が５００Ａ／ｃｍ２であることが分かっている。
そうすると、ＳｉＰｉＮＤの順方向電圧が２．２５Ｖ（電流の電流密度は５００Ａ／ｃｍ２）であるときに、ＳｉＰｉＮＤを流れる電流の大きさを８５Ａにするためには、ＳｉＰｉＮＤの面積を０．１７ｃｍ２（８５Ａ／５００Ａ／ｃｍ２）にする必要がある。
以上より、図１及び図２に示す構成において、ＳｉＣＳＢＤ１１のアクティブ領域の面積を０．２５ｃｍ２とし、ＳｉＰｉＮＤ１２のアクティブ領域の面積を０．１７ｃｍ２とする。そうすると、還流ダイオード１０に流れる電流が２００Ａである場合、ＳｉＣＳＢＤ１１を流れる最大の電流が１２５Ａであり、ＳｉＰｉＮＤ１２を流れる最大の電流が８５Ａである。ＳｉＣＳＢＤ１１の電流（１２５Ａ）とＳｉＰｉＮＤ１２の電流（８５Ａ）の比は、２５：１７（１２５：８５）である。
また、この場合、ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２の温度が１５０℃であり、ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２の順方向電圧が２．２５Ｖである。ＳｉＣＳＢＤ１１の電流密度は５００Ａ／ｃｍ２であり、ＳｉＰｉＮＤ１２の電流密度も５００Ａ／ｃｍ２である。ＳｉＣＳＢＤに流れる電流の電流密度が最大でも５００Ａ／ｃｍ２であるので、はんだ層（８１、８２、８４）でのクラック発生率を低く抑えることができる。
なお、上記の構成において、還流ダイオード１０に流れる電流が４０Ａである場合、ＳｉＣＳＢＤ１１を流れる最大の電流が３５Ａであり、ＳｉＰｉＮＤ１２を流れる最大の電流が５Ａである。ＳｉＣＳＢＤ１１の電流（３５Ａ）とＳｉＰｉＮＤ１２の電流（５Ａ）の比は、７：１（３５：５）である。また、この場合、ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２の温度が２５℃であり、ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２の順方向電圧が１Ｖである。
以上より、上記の構成によれば、大電流で高温の場合は、ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２に電流を分散することができる。小電流で低温の場合は、ＳｉＣＳＢＤ１１とＳｉＰｉＮＤ１２に電流を分散させずにＳｉＣＳＢＤ１１に集中的に電流を流すことができる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
以下に本明細書が開示する技術要素の一例について説明する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。
１．本明細書では還流ダイオードを用いる車載用電源装置を開示する。還流ダイオードのアノードがコイルを介して電池の正極に接続されていてもよい。還流ダイオードのカソードがインバーターを介して電池の負極に接続されていてもよい。インバーターが走行用モーターに接続されていてもよい。
車載用電源装置がハイブリッド車や電気自動車に搭載されている場合は、自動車が急加速するときに比較的に大きな電流をＳｉＰｉＮＤに電流を分散させることができる。一方、自動車が通常走行するときには比較的に小さな電流しかＳｉＰｉＮＤに分散させず、もっぱらＳｉＣＳＢＤに電流を集中的に流すことができる。
還流ダイオードは主に燃費点で動作する。燃費点とは、車載用電源装置の最大出力の１０〜２０％の範囲のことであって、還流ダイオードのＳｉＣＳＢＤとＳｉＰｉＮＤの上昇温度が０〜１０℃の範囲のことである。燃費点で動作している還流ダイオードのＳｉＣＳＢＤとＳｉＰｉＮＤの温度は６０℃未満である。自動車が通常走行するときは還流ダイオードが主に燃費点で動作する。
２．ショットキーバリアダイオードに流れる電流の電流密度が５００Ａ／ｃｍ２以下であってもよい。
このような構成によれば、はんだ層でＥＭに起因してクラックが発生することを抑制できる。
３．ショットキーバリアダイオードとＰｉＮダイオードが封止樹脂によって封止されていてもよい。
１ ：車載用電源装置
１０ ：還流ダイオード
１１ ：ＳｉＣＳＢＤ
１２ ：ＳｉＰｉＮＤ
３１ ：電池
３２ ：コイル
３３ ：スイッチング素子（第１スイッチング素子）
３４ ：第１キャパシタ
３５ ：第２キャパシタ
３９ ：コンバーター
４１ ：第１導体
４２ ：第２導体
５０ ：封止樹脂
８１ ：はんだ層
８２ ：はんだ層
８３ ：金属ブロック
８４ ：はんだ層
８６ ：はんだ層
８７ ：はんだ層
８８ ：金属ブロック
８９ ：はんだ層
９１ ：第１インバーター
９２ ：第２インバーター
９６ ：スイッチング素子
９７ ：ダイオード
１０１ ：車載用電源装置
１１１ ：アノード電極
１１２ ：カソード電極
１２１ ：アノード電極
１２２ ：カソード電極
１３６ ：ダイオード
１３７ ：第２スイッチング素子
１３９ ：コンバーター
３０１ ：第１モーター
３０２ ：第２モーター

Claims (4)

  1. コイルを流れる電流をオン／オフする際に生じる起電力に起因する電流が流れる還流ダイオードであり、
    ＳｉＣ基板を備えるショットキーバリアダイオードとＳｉ基板を備えるＰｉＮダイオードが並列に接続されており、
    前記ショットキーバリアダイオードのアノード電極とカソード電極の少なくとも一方が前記ＳｉＣ基板の表面に形成されている面電極であり、
    その面電極にはんだ層が接合している、還流ダイオード。
  2. 前記ショットキーバリアダイオードに流れる電流の電流密度が５００Ａ／ｃｍ２以下である、請求項１に記載の還流ダイオード。
  3. 前記ショットキーバリアダイオードと前記ＰｉＮダイオードが封止樹脂によって封止されている、請求項１又は２に記載の還流ダイオード。
  4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の還流ダイオードのアノードが前記コイルを介して電池の正極に接続されており、
    前記還流ダイオードのカソードがインバーターを介して前記電池の負極に接続されており、
    前記インバーターが走行用モーターに接続されている車載用電源装置。
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