JP2006191798A - GaN半導体ベースの電圧変換デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】携帯型デバイス用の窒化ガリウムを用いた電源を提供する。
【解決手段】AC入力およびDC出力を有する変換器を提供する。この変換器は、AC入力を受け取り、かつ整流器出力を提供する整流器と、前記整流器の出力の両端間に接続された直列接続された電流−磁界エネルギ蓄積デバイスおよび電流断続器と、前記直列接続された磁界エネルギ蓄積デバイスおよび電流断続器の中間点と前記整流器出力の端子との間に接続された直列接続された窒化ガリウム・ダイオードおよび出力電荷蓄積デバイスとを備え、前記変換器は過渡電圧抑制回路を必要としないことを特徴とする。
【選択図】図2
【解決手段】AC入力およびDC出力を有する変換器を提供する。この変換器は、AC入力を受け取り、かつ整流器出力を提供する整流器と、前記整流器の出力の両端間に接続された直列接続された電流−磁界エネルギ蓄積デバイスおよび電流断続器と、前記直列接続された磁界エネルギ蓄積デバイスおよび電流断続器の中間点と前記整流器出力の端子との間に接続された直列接続された窒化ガリウム・ダイオードおよび出力電荷蓄積デバイスとを備え、前記変換器は過渡電圧抑制回路を必要としないことを特徴とする。
【選択図】図2
Description
本発明の分野は電源に関し、さらに特には、窒化ガリウム(GaN)半導体デバイスをベースにした電圧変換回路に関する。
携帯型電源は益々れわれの社会の重要な一部となってきている。携帯型電源が必要とされる例には、携帯型コンピュータ、セルラー式通信デバイス、およびビデオ・ゲームがある。
携帯型デバイス用の電源は典型的には、シリコン半導体(例えば、シリコン・ダイオード)から製造される。シリコン・ダイオードの使用が普及しているのは、そのようなデバイスを製造することのできる方法が安価であることに拠るところが大きい。
シリコン・ダイオードは安価であるが、多数の不利も被る。最も大きな不利の1つは電気雑音である。実際、シリコン・ダイオードは典型的には雑音抑制(スナバ)回路の使用を必要とする。しかし、スナバ回路を使用すると、電源の大きさおよび重量がかなり大きなものになってしまう。別の不利は、シリコン・デバイスにおいて逆方向回復時間が大きいことに起因するスイッチング損による、特に高周波での回路の効率である。
シリコン・カーバイド(SiC)などの代替的材料が提唱されている。一般に入手可能な27703ノースカロライナ州ダラム、シリコン通り4600のCree社から市販されているCREE Application Note No.CPWR−AN01 Rev.(著作権2002年)は、SiCダイオードが電気的雑音を著しく低減させ、いくつかの電源においてスナバ回路を使用しなくてもよいことが想定されるであろうことを主張している。
しかし、SiCの使用には著しい不利がある。SiCを使用することの主な不利の1つはコストである。コストが比較的高いために、SiCダイオードを備えた電源の製造を市販的に受容できないものになっている。
一方で、SiCダイオードを使用すればその電源がより小型で軽量になる。他方では、SiPiNダイオードを使用すれば電源は非常に重くなり、より高い温度で動作するかもしれない。
また、SiCダイオードが記載されていない場合、その使用は制限されてきた。例えば、Yuに付与された米国特許第6657874号は、スイッチング素子の逆阻止用のSiCダイオードを使用する電圧インバータを記載している。YuはYuがAC出力の生成に導かれたという点で、本発明の主題とは異なっている。YuはYuのインバータのスイッチング素子は比較的低い周波数(例えば、DC出力を提供する電源用には、60Hz対数kHz)で動作するという点でも異なったものである。
米国特許第6657874号
米国特許出願「GALLIUM NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICES」
米国特許出願「PACKAGE FOR GALLIUM NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICES」
一般的に認知されていなかったダイオードを作製する1つの代替的材料は、窒化ガリウム(GaN)である。しかし、これまでのGaNの使用は発光ダイオード(LED)に限定されていた。携帯デバイスの重要性のために、SiCを用いたものと同じぐらい小型で軽量であるが、SiPiNダイオードを用いたものと同じぐらい安価な電源の必要性がある。
AC入力およびDC出力を有する変換器を提供する。この変換器は、AC入力を受け取り、かつ整流器出力を提供する整流器と、前記整流器の出力の両端間に接続された直列接続された電流−磁界エネルギ(current to magnetic field energy)蓄積デバイスおよび電流断続器と、前記直列接続された磁界エネルギ蓄積デバイスおよび電流断続器の中間点と前記整流器出力の端子との間に接続された直列接続された窒化ガリウム・ダイオードおよび出力電荷蓄積デバイスとを備え、前記変換器は過渡電圧抑制回路を必要としないことを特徴とする。
図2は本発明の一例示的実施形態に基づく電圧変換器10を示している。整流器(例えば、ブリッジ整流器)12、誘電子14、スイッチング・デバイス18、ダイオード16、および出力電荷蓄積デバイス(例えば、コンデンサ)20が電圧変換器10内に含まれ得る。
整流器12は入力電源(図示せず)から交流(AC)入力を受け取り、直流(DC)出力を提供し得る。直列接続された誘電子14およびスイッチング・デバイス18は整流器12の出力の両端間に接続され得る。直列接続されたダイオード16および出力コンデンサ20は、直列接続されたの誘電子およびスイッチング・デバイスの中間点と整流器出力の端子との間に(すなわち、スイッチング・デバイスと並列に)接続され得る。
スイッチング・デバイス18(図1ではFETとして示した)は逆導電型の任意のスイッチング素子であってよい。スイッチング素子の例には、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ(IGBT)、パワー金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(パワーMOSFET)、サイリスタ、ゲート・ターン・オフ(GTO)サイリスタ、ゲート転流形(gate commuted)ターン・オフ(GCT)サイリスタ等を含み得る。
ダイオード16は窒化ガリウム(GaN)ダイオードであり得る。一般に、GaNダイオードはシリコンで製造したダイオードよりも、(材料の単位長さ当たりの電気的崩壊に対してGaNダイオードにより高い抵抗を与える)高いバンド・ギャップ、低い順方向電圧降下、少量の逆方向回復電荷、高い熱安定性、および高い熱伝導性を有する。
図2の回路では、GaNダイオード16は2V未満の順方向電圧降下、500Vを超える逆方向降伏電圧、および4Aを超える、より好適には約8Aの電流容量を有し得る。
GaNダイオード16を使用すれば、シリコン(Si)PiNダイオードが代わりに使用される場合には不可能である数多くの用途において変換器10を使用することが可能となる。例えば、変換器10は連続伝導モード(CCM)力率補正(PFC)電源回路に適用でき得る。
コンピュータ・システムの雑音低減に向けられた法的要件が変わりつつあるために、CCM PFC電源は重要となっている。CCM PFC回路は低いRMS電流を提供し、軽負荷での動作時には安定しており、SMPS PWM回路との良好な同期化を提供する。しかし、CCM PFC回路は超高速ダイオードを必要とする。この点で、SiPiNダイオードは順方向バイアス状態で大量の少数キャリヤを蓄積し易い。SiPiNダイオードをオフにできる前に、蓄積された電荷はキャリヤ再結合によって除去されなければならない。
対照的に、GaNダイオードは高温であっても非常に小さなゼロの逆方向回復電荷を保持し、故にスイッチング時間は非常に速い(50ns(ナノ秒)未満)ことがわかっている。対照的に、類似するSiPiNダイオードはオフにするのに少なくとも100nsを必要とし、600Vの範囲では、オン状態電圧降下は比較的大きい。
可能であったとしても、CCM PFCの変換器10において類似するSiPiNダイオードを使用すれば、スイッチング損およびデバイス温度は著しく増大してしまう。このスイッチング損およびデバイス温度の増大のために、冷却の強化またはデバイスの動作パラメータのディレーティングおよび、恐らくは、類似する様式で機能するより大きなダイオードが必要となろう。
ここで変換器10を参照し、変換器10の動作について説明する。一般に制御器(図示せず)がスイッチング・デバイス18に接続される。この制御器は一定のスイッチング速度を提供し得るか、またはDC OUTPUTに接続された負荷に基づいて変動する一定のスイッチング速度を提供し得る。
使用中、スイッチング・デバイス18が起動される度に、スイッチング・デバイス18にわたる電圧は低いレベルにまで落ちて、その結果、整流器12の出力電圧が誘電子14の両端間に現れる。誘電子14は電流−磁界エネルギ蓄積デバイスとして機能する。スイッチング・デバイス18を起動すれば、誘電子14は直ちにその磁界にエネルギを蓄積し始める。
ある時間間隔の後、スイッチ18は停止される。スイッチ18の停止によって瞬間の電圧パルスが誘電子の両端間に現れる。直列接続されたの整流器12および誘電子の電圧の合計が直列接続されたのダイオード16およびコンデンサ20の両端間に加えられる。この期間の間、誘電子14はGaNダイオード16を介して出力コンデンサ20にそのエネルギを電流のパルスの形態で放出する。その後、ダイオード16はダイオード16からの電流の別のパルスを保留しながら逆バイアスになり得る。
図3はSiPiNダイオードを用いた従来技術の変換器を示している。図3に示すように、SiPiNダイオードが使用される場合、スナバ・ネットワーク22がこのタイプの変換器によって必要となる。
図4は図3の変換器に性能が類似するDC/DC変換器24を示しているが、これはスナバ・ネットワーク22を必要としない。図3および4のDC/DC変換器は、図1および2においてそれぞれ使用され得るようなDC/DC変換器の具体的な例であり得る。図4のダイオード30、32はEmcore社から入手可能な型番M5338GaN500Vダイオードである。これらのダイオードの詳細は本願明細書と同時出願された米国特許出願「GALLIUM NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICES」および「PACKAGE FOR GALLIUM NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICES」に記載されている。
図5は図3および4の変換器の効率の比較を示している。注目され得るように、動作範囲の殆どにおいて、GaN変換器24の効率曲線34は図3のSi変換器の対応する効率曲線36よりも約1%高い。
図6は図3のSiPiN変換器および図4のGaN変換器のトランジスタの電圧および電流のグラフである。図7は図3のSiPiN変換器のSiPiNダイオードおよび図4の変換器24のGaNダイオード30、32の電圧および電流のグラフである。
図6および7から注目され得るように、図3のSiPiN変換器においてスイッチング・デバイスの起動は、スイッチが起動され、SiPiNダイオードが逆バイアスになるときに、著しい電流スパイクが生じる。そのようなスパイクは、図4のGaN変換器24の電流/電圧曲線では一切見られない。
図6aにおいて特に注目され得るように、図3のトランジスタのスイッチングは、トランジスタが停止された後、電圧レベルおよび電流レベルの相当の「リンギング」が生じ得る。このリンギングは実質的には、図3のSiPiNダイオードおよびスイッチング・デバイスの接合容量の間のエネルギの交換によって生じる比較的高周波の発振である。注目され得るように、このリンギングはSiPiNダイオードの伝達周期(conduction cycle)の約50%の両端間に持続し、新しく開発された多数の電力変換器(例えば、CCM−PFC変換器)において耐えることのできない雑音源を表している。
図6aに示したリンギングは図3の変換器が比較的最新のスナバ回路22を含んでいるという事実にもかかわらず発生することにも留意されたい。対照的に、図4の変換器が緩衝デバイスを何ら有していないという事実にもかかわらず、図6bは実質的にリンギングがないことを示している。
図5〜7から観察され得るように、GaNダイオードを使用すれば、GaNダイオードを用いた電圧変換器の効率および性能は著しく改善される。効率が改善されるだけでなく、GaNダイオードを加えることによって、電圧変換器の回路が非常に単純化される。
例えば図5〜7はかなり複雑な従来のスナバ技術を用いても、シリコン・ダイオードを用いる電源は雑音低減に関して同じ性能を提供することはできないことを示している。さらに、シリコン・ダイオードの固有の「リンギング」は、変わり易いスイッチング速度と結合して電源の負荷に左右される雑音ピークを提供し得る雑音を生じる。GaNダイオードから作られた電源はこのような問題を本質的に回避する。
また、GaNダイオードには「リンギング」がないことによって、動作温度は低くなる。動作温度が低くなれば、GaNダイオードベースの電源を冷却をあまり考慮せずに製造することができる。効率が高くなれば、携帯型デバイスの場合にバッテリの寿命が延びる。
本発明を製造し、作るための様式を説明するために、電圧変換器の具体的な実施形態を記載してきた。本発明の他の変更および変形の実施ならびにその種々の態様は当業者には明らかとなるであろう。また本発明は、記載の具体的な実施形態によって限定されるものではないことに留意されたい。したがって、本発明および本願明細書に開示および特許請求された基本的な元になる原理の正当な精神および範囲内にあるあらゆる変形、変更、または均等物を含むものであることが想起される。
Claims (20)
- AC入力およびDC出力を有する変換器であって、
AC入力を受け取り、かつ整流器出力を提供する整流器と、
前記整流器出力の両端間に接続された直列接続された電流−磁界エネルギ蓄積デバイスおよび電流断続器と、
前記直列接続された磁界エネルギ蓄積デバイスおよび電流断続器の中間点と前記整流器出力の端子との間に接続された直列接続された窒化ガリウム・ダイオードおよび出力電荷蓄積デバイスとを備え、前記変換器は過渡電圧抑制回路を必要としないことを特徴とする変換器。 - 前記整流器はブリッジ整流器をさらに備える請求項1に記載の変換器。
- 前記電流−磁界エネルギ蓄積デバイスは誘電子をさらに備える請求項1に記載の変換器。
- 前記電流断続器は電界効果トランジスタをさらに備える請求項1に記載の変換器。
- 前記出力電荷蓄積デバイスはコンデンサをさらに備える請求項1に記載の変換器。
- 前記窒化ガリウム・ダイオードはショットキー・ダイオードをさらに備える請求項1に記載の変換器。
- インバータ回路、変換回路、マトリックス変換回路、およびACスイッチング回路のうちの1つである請求項1に記載の変換器。
- 電源に埋め込まれた変換器であって、
前記電源のパワー・ソースから変動する入力電圧を受け取り、かつ前記変動する入力電圧を整流して比較的一定の出力電圧を提供する窒化ガリウム・ダイオードと、
前記窒化ガリウム・ダイオードに直接かつ直列に接続された前記比較的一定の出力電圧をフィルタリングするコンデンサであり、前記直列接続された窒化ガリウム・ダイオードおよびコンデンサは前記変動する入力電圧の両端間に結合されかつ前記比較的一定の出力電圧は前記コンデンサの両端間に提供される窒化ガリウム・ダイオードとを備え、前記窒化ガリウム・ダイオードは3V未満の順方向電圧降下、500Vを超える逆方向降伏電圧、および4Aを超える電流容量を有する変換器。 - 前記変動する入力電圧は、前記直列接続されたコンデンサおよび窒化ガリウム・ダイオードと並列接続されたスイッチング素子の起動および停止によって提供される請求項8に記載の変換器。
- 前記スイッチング素子は誘電子と直列接続され、かつ前記直列接続された誘電子およびスイッチング素子は前記電源のDC出力の端子のセットの両端間に接続された請求項9に記載の変換器。
- 前記ダイオードは前記スイッチング素子のアノード側およびカソード側の少なくとも一方に接続された請求項10に記載の変換器。
- 前記ダイオードはショットキー・ダイオードである請求項9に記載の変換器。
- 前記スイッチング素子は、IGBT(絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ)、パワーMOSFET、バイポーラ・パワー・トランジスタ、サイリスタ、GTO(ゲート・ターン・オフ)サイリスタ、およびGCT(ゲート転流形ターン・オフ)サイリスタのうちの1つである請求項10に記載の変換器。
- 前記窒化ガリウム・ダイオードの電流容量は約8Aをさらに含む請求項8に記載の変換器。
- DC入力およびDC出力を有する変換器であって、
前記DC入力の端子のセットの両端間に接続された直列接続された誘電子およびスイッチと、
前記スイッチの反対側の端子のセットに接続された直列接続された窒化ガリウム・ダイオードおよび出力コンデンサとを備え、前記変換器は過渡電圧抑制回路を必要としないことを特徴とする変換器。 - 前記窒化ガリウム・ダイオードは3V未満の順方向電圧降下、500Vを超える逆方向降伏電圧、および4Aを超える電流容量を有する請求項15に記載の変換器。
- 前記ダイオードはショットキー・ダイオードである請求項15に記載の半導体電力変換回路。
- 前記ダイオードは前記スイッチのアノード側およびカソード側の少なくとも一方に接続された請求項15に記載の半導体電力変換回路。
- 前記スイッチはIGBT(絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ)、パワーMOSFET、バイポーラ・パワー・トランジスタ、サイリスタ、GTO(ゲート・ターン・オフ)サイリスタ、およびGCT(ゲート転流形ターン・オフ)サイリスタのうちの1つである請求項15に記載の半導体電力変換回路。
- インバータ回路、変換回路、マトリックス変換回路、およびACスイッチング回路のうちの1つである請求項15に記載の半導体電力変換回路。
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