JP5811800B2 - 制御回路及び電子機器 - Google Patents
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Description
本発明は、ノーマリーオンのスイッチング素子を含む制御回路及びその制御回路を用いた電子機器に関する。
近年、様々な分野におけるエネルギー資源の節約が注目され、例えば、電源の分野においてもその影響が波及している。具体的には、例えば、スイッチング電源のさらなる高効率化が求められるようになってきている。
スイッチング電源は、入力された直流電圧をＤＣ（Direct Current）−ＤＣコンバータを用いて所望の直流電圧に変換し、安定化電源電圧として出力する。コンピュータに用いられるＣＰＵ（ Central Processing Unit ）等の半導体素子の低電圧化及び消費電力の増大に伴って、電源装置も低電圧かつ大電流を出力可能なスイッチング電源が使用されてきている。
電源装置の出力効率をさらに向上させるためには、例えば、使用するスイッチング素子（スイッチング用トランジスタ）で消費される電力を減らす必要がある。そこで、電力損失を低減するためには、オン抵抗が小さく、スイッチング速度が速いスイッチング素子を用いるのが望ましい。その両方の特性を満足する、シリコンではない化合物半導体材料を用いたスイッチング電源用トランジスタが開発されている。
化合物半導体の一例として、窒素ガリウム（ＧａＮ）を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）について説明する。以下、このトランジスタをＧａＮ−ＨＥＭＴと称する。
ＧａＮ−ＨＥＭＴは、ドレイン、ソース、ゲートを有する三端子トランジスタである。例えば、ソースを接地し、ソース−ドレイン間に所定の正電圧を印加し、ソース−ゲート間に印加する電圧を閾値以上にすると、ソース−ドレイン間が導通する（オンになる）。ソース−ゲート間に印加する電圧の閾値は、例えば、−１０（Ｖ）〜＋１０（Ｖ）である。ＧａＮ−ＨＥＭＴは、動作を含めてＭＯＳＦＥＴと同様に取り扱うことができる。
従来のシリコンのＭＯＳＦＥＴが、ゲートに電圧を印加しない状態でオフになるノーマリーオフ型（エンハンスメント型）であるのに対して、ＧａＮ−ＨＥＭＴは、通常、ゲートに電圧を印加しない状態でオンになるノーマリーオン型（デプレッション型）である。そのためＧａＮ−ＨＥＭＴをスイッチングするためには、負電位の閾値以下にゲート電圧を下げるための負電源が必要になる。
ノーマリーオン型のＧａＮ−ＨＥＭＴを高電圧でスイッチング動作させると、ゲート直下のゲート絶縁膜の界面に電荷がチャージされて、閾値が上がり、疑似的にノーマリーオフになることが判っている。
図１（Ａ）は、ＧａＮ−ＨＥＭＴの断面を示す。ＧａＮ−ＨＥＭＴは、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｓｉ等の基板９０上に、ＧａＮ層９１、ＡｌＧａＮ層９２を結晶成長し、その上にｎ−ＧａＮ層９４を挟んで、ソース８１、ドレイン８２が形成されている。ゲート８０は、ゲート絶縁膜９５を挟んでｎ−ＧａＮ層９４上に形成されている。ＧａＮ−ＨＥＭＴにおいては、ＧａＮ層９１とＡｌＧａＮ層９２間の二次元電子ガス層９３を電子走行層としている。ＧａＮ−ＨＥＭＴを高電圧でスイッチング動作させると、図に示す様に、ゲート８０直下のゲート絶縁膜９５の界面に電荷が溜まることによって、閾値が正電圧に上昇する。
図１（Ｂ）は、ゲート直下に電荷がチャージされたＧａＮ−ＨＥＭＴの閾値の変化を表わす。ＧａＮ−ＨＥＭＴをスイッチング動作させて、ゲート８０直下のゲート絶縁膜９５の界面にある程度の電荷がチャージされた状態では、ゲート電圧を零電位にしても、閾値は正電圧レベルのままとなる。ゲートを零電圧にして長時間（数ケ月〜年）放置しておくと、ゲート下の電荷が徐々に放電されてしまうため、ノーマリーオンに戻る。
ノーマリーオフ化したＧａＮ−ＨＥＭＴを装置の電源のスイッチング素子に用いた場合、長期間装置を電源オフの状態にしておくと、ノーマリーオンに戻ってしまう。この状態では、ＧａＮ−ＨＥＭＴのゲートに、負電位を加えないとスイッチングができなくなってしまう。また、電源を立ち上げた時に、ＧａＮ−ＨＥＭＴに高電圧が急に加わって、リーク電流で破壊する恐れがある。
１つの案では、制御回路は、ソース、ゲート及びドレインを有する第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子を介して前記ゲートに電圧を供給するバッテリーと、第３のスイッチング素子を介して前記ゲートにＰＷＭ信号を供給するＰＷＭ信号発生回路と、電源がオフの状態で、前記第２のスイッチング素子をオンして前記ゲートに前記バッテリーの電圧を供給すると共に、前記第３のスイッチング素子をオフし、電源がオンの状態で、前記第３のスイッチング素子をオンして前記ゲートに前記ＰＷＭ信号電圧を供給すると共に、前記第２のスイッチング素子をオフするゲート制御回路とを有する。
一実施態様の制御回路によれば、電源をオフしている間もノーマリーオフ化したＧａＮ−ＨＥＭＴのゲートはバッテリーで閾値以上に保持されているため、ノーマリーオンに戻るのを防止することができる。
まず、初めにノーマリーオン型のＧａＮ−ＨＥＭＴをノーマリーオフ化する手法について説明する。
図２（Ａ）は、ノーマリーオン型のＧａＮ−ＨＥＭＴをノーマリーオフ化する回路兼閾値測定回路を示す。ＧａＮ−ＨＥＭＴに負荷電源４Ｖ、負荷抵抗２０Ωを接続し、ＧａＮ−ＨＥＭＴのゲートに、−５〜＋１０Ｖ、１ＫＨｚのデューティ比５０％の三角波を加えて、ＧａＮ−ＨＥＭＴをノーマリーオフ化する。
図２（Ｂ）は、ＧａＮ−ＨＥＭＴの閾値の変化を示す。図２（Ｂ）のＡ線は、電荷がチャージされる前、つまり初期状態のＧａＮ−ＨＥＭＴの閾値を示している。閾値は−１Ｖ程度でノーマリーオンの特性を示している。
図２（Ｂ）のＢ線は、ＧａＮ−ＨＥＭＴのゲートに、−５〜＋１０Ｖ、１ＫＨｚのデューティ比５０％の三角波を加え続けた１時間後のＧａＮ−ＨＥＭＴの閾値を示している。閾値が正電位側にシフトしており、ノーマリーオフ化されている。
ノーマリーオフ化したＧａＮ−ＨＥＭＴ素子を、サーバー用の電源回路のＰＦＣ回路部に接続し、スイッチング素子として動作させる。周波数100kHz、ゲート電圧０〜１０Ｖ、デューティ比０〜１００％まで変動させて、ソース・ドレイン間電圧４００Ｖの条件で連続スイッチングを行ない、１時間サーバー用の電源回路内で動作させた後の閾値特性は、ほぼＢ線と等しくなる。高電圧の電源負荷をかけても閾値は変動していない。これはノーマリーオフ化した時点で電荷のチャージが十分に飽和しており、より大きな負荷をかけても閾値が変化しないことがわかる。
次いで、ノーマリーオフ化したＧａＮ−ＨＥＭＴのゲートソース間に＋３Ｖを印加した状態で１ヶ月放置した後の閾値特性をＣ線に示す。Ｃ線もほぼＢ線と等しくなる。ゲート電圧を閾値以上に保っておけば閾値の低下は起きない。
以下に図面を参照して、本開示の技術にかかる好適な実施の形態を詳細に説明する。
図３は、ノーマリーオフ化したＧａＮ−ＨＥＭＴを電源回路の降圧型コンバータに適用した実施形態を示す回路図である。
図３に示す降圧型コンバータ１０は、例えば、電圧が３８５（Ｖ）の直流電圧Ｖ１を電圧が１２（Ｖ）の直流電圧に変換して負荷回路ＲＬ０に出力する。
降圧型コンバータ１０は、入力電圧Ｖ１をオンオフする主スイッチとなるスイッチング素子ＳＷ１０と、整流用ダイオードＤ１０と、インダクタＬ１０と、平滑コンデンサＣ１０とを備えている。
ＰＷＭ信号発生回路２０は、発生するＰＷＭ信号のデューティ比によって降圧型コンバータ１０の出力電圧レベルを調整する。ＰＷＭ信号発生回路２０は、降圧される前の直流電圧で動作し、出力電圧をモニターして、ＰＷＭ信号のデューティ比を調整する。
スイッチング素子ＳＷ１０は、ＰＷＭ信号発生回路２０からゲートにパルス状のゲート電圧が印加されることによってオン／オフ動作が行われ、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）駆動される。スイッチング素子ＳＷ１０には、前記の手法にてノーマリーオフ化したＧａＮ−ＨＥＭＴを用いる。
ダイオードＤ１０は、直流電源Ｖ１の負極からインダクタＬ１０の方向の整流方向を有していればよく、例えば、ファーストリカバリーダイオード、ＳｉＣショットキーダイオードが用いられる。
ゲート制御回路３０は、電源のオンオフを制御する電源制御信号ＭＡＩＮがオフの時に、スイッチング素子ＳＷ１０のゲートにバッテリーＢＡＴの電圧を供給し、電源制御信号ＭＡＩＮがオンの時に、スイッチング素子ＳＷ１０のゲートにＰＷＭ信号を供給する働きを有する。
降圧型コンバータ１０と直流電圧Ｖ１との間には、突入電流防止回路５０が設けられている。突入電流防止回路５０は、トライアックＴＲ１と制限抵抗Ｒ１を直列にした経路と、リレーＲＬ１の経路を有する。トライアックＴＲ１は、双方向サイリスタであって、ゲートからカソードにゲート電流を流すことにより、アノードとカソード間を導通させることができ、アノードとカソードの間の電流が一定値以下に下がると導通状態は停止する（セルフターンオフ）という特性を有する３端子の半導体整流素子である。電源制御信号ＭＡＩＮがオンとなった時点では、トライアックＴＲ１が導通し、スイッチング素子ＳＷ１０のドレインには、制限抵抗Ｒ１を介して直流電圧Ｖ１からの電流が流れる。この電流は、制限抵抗Ｒ１で制限されているので、スイッチング素子ＳＷ１０のドレイン及び平滑コンデンサＣ１０に大電流が急に流れこむのを防いでいる。次に電源制御信号ＭＡＩＮより遅延した遅延信号ＤＬＯＮによって、トライアックＴＲ１と制限抵抗Ｒ１と並列に設けられたリレーＲＬ１をオンすると、スイッチング素子ＳＷ１０のドレインには、リレーＲＬ１の経路で電流が流れる。トライアックＴＲ１と制限抵抗Ｒ１を直列にした経路に流れる電流は少なくなるので、トライアックＴＲ１はセルフターンオフとなり、トライアックＴＲ１と制限抵抗Ｒ１での電力損失は無くなる。
次に、図４を参照して、ゲート制御回路３０の動作について説明する。図４は、スイッチング素子ＳＷ１０の動作を表わすタイムチャートである。
図４において、０．０ｍｓからＴ１時間までの間は、電源がオフの状態を示していて、電源制御信号ＭＡＩＮはオフとなっている。
図３を参照して、この間は、ＰＷＭ信号発生回路２０にドレイン側が接続されたスイッチング素子ＮＭ１はオフとなり、バッテリーＢＡＴの電圧がＰＷＭ信号発生回路２０側に逆流して回路破壊や誤動作を起こすのを防いでいる。スイッチング素子ＮＭ１は、例えばＮＭＯＳ−ＦＥＴとする。
同時に、スイッチング素子ＳＷ１０のゲートにドレイン側が接続されたスイッチング素子ＰＭ１がオンとなり、ダイオードＤ２０、抵抗Ｒ２を介してバッテリーＢＡＴの電圧が、スイッチング素子ＳＷ１０のゲートに供給される。スイッチング素子ＰＭ１は、例えばＰＭＯＳ−ＦＥＴとし、バッテリーＢＡＴは、ノーマリーオフ化してあるスイッチング素子ＳＷ１０の閾値電圧より高い、例えば３Ｖのバッテリーとする必要がある。この時、バッテリーＢＡＴから流れる電流はスイッチング素子ＳＷ１０のゲートリーク電流程度であり、長時間放置してもバッテリーの消耗は最低限に抑えられている。
図４を参照して、スイッチング素子ＳＷ１０のゲート電圧ＶＧは、約３Ｖに保持されていることを示している。この様に電源がオフの間は、ノーマリーオフ化されたスイッチング素子ＳＷ１０のゲートに、閾値以上の電圧が供給されるので、ノーマリーオフ化は維持される。
次に、Ｔ１の時点で、電源がオンとなり電源制御信号ＭＡＩＮがオンになると、スイッチング素子ＰＭ１がオフとなり、スイッチング素子ＳＷ１０のゲートには、バッテリーＢＡＴの電圧が供給されなくなり、スイッチング素子ＳＷ１０のゲート電圧ＶＧは一旦ゼロとなる。スイッチング素子ＳＷ１０は、ノーマリーオフ化してあるので、スイッチング素子ＳＷ１０はオフのままで、ドレイン−ソース間電流Ｉｄｓは流れない。同時にスイッチング素子ＮＭ１はオンとなり、ＰＷＭ信号発生回路２０とスイッチング素子ＳＷ１０のゲートが電気的に接続され、スイッチング素子ＳＷ１０のスイッチングが可能な状態になる。
次に、Ｔ２の時点で、ＰＷＭ信号発生回路２０からＰＷＭ信号が出力され始め、スイッチング素子ＳＷ１０のスイッチングが行なわれる。負荷回路ＲＬ０に出力される直流電圧は、スイッチング素子ＳＷ１０のゲートのオンオフを制御するＰＷＭ信号のデューティ比を変更することにより調整される。
以降、スイッチング動作が継続すれば、スイッチング素子ＳＷ１０のノーマリーオフの特性は維持され続ける。サーバー等常に電源がオンの状態で使用される装置の電源においては、半永久的にノーマリーオフのままＧａＮ−ＨＥＭＴを使用することが可能となる。
また、装置を工場から顧客へ搬送するまでの期間、装置を保守する期間など、装置の電源をオフする期間があったとしても、バッテリーＢＡＴによって、スイッチング素子ＳＷ１０のゲートは閾値以上に保たれているので、ＧａＮ−ＨＥＭＴのノーマリーオフの特性は維持される。
本実施形態によれば、ノーマリーオフ化したＧａＮ−ＨＥＭＴを、ノーマリーオフの状態で使い続けることが可能となるので、ノーマリーオンのＧａＮ−ＨＥＭＴを制御するための負電源発生回路が不要となる。
次に、図５を用いて電源を立ち上げる制御方法について説明する。
装置の電源がオフされていた期間が例えば数ヶ月以上と長いと、バッテリーが消耗して、ノーマリーオフ化したＧａＮ−ＨＥＭＴがノーマリーオンに戻ってしまう恐れがある。前にも述べたが、ノーマリーオン状態のＧａＮ−ＨＥＭＴに高電圧を加えるとリーク電流で破壊する恐れがある。これを防ぐために、装置の電源を立ち上げる前に、コンパレータ等でバッテリーの電圧がノーマリーオフ化したＧａＮ−ＨＥＭＴの閾値より高いことを確認してから通常の動作を始める方法がある。この方法では、図３に示す降圧型コンバータ１０の周辺に、バッテリー電圧検出回路を設ける必要がある。
まず、降圧型コンバータ１０の電源をオンする前に、バッテリー電圧検出回路に電源を供給するためのサブ電源をオンする。
次いで、バッテリー電圧検出回路によって、バッテリーの電圧がノーマリーオフ化したＧａＮ−ＨＥＭＴの閾値電圧以上であるかを比較する。
その際に、バッテリーの電圧がノーマリーオフ化したＧａＮ−ＨＥＭＴの閾値電圧より低かった場合は、ＧａＮ−ＨＥＭＴがノーマリーオンに戻っていると判断して、何らかの表示装置にエラー表示をして、処理を終了する。
バッテリーの電圧がノーマリーオフ化したＧａＮ−ＨＥＭＴの閾値電圧より高い場合は、ＧａＮ−ＨＥＭＴがノーマリーオフの状態を維持していると判断して、通常の電源オンの処理を始める。この処理では、バッテリーの電圧がノーマリーオフ化を維持できる電圧より低かった場合は、ＧａＮ−ＨＥＭＴがノーマリーオンに戻っていると判断して、処理を終了させているが、バッテリーの電圧がノーマリーオフ化したＧａＮ−ＨＥＭＴの閾値電圧より低くなっていたとしても、必ずしも、ＧａＮ−ＨＥＭＴがノーマリーオンに戻っているとは限らない。その場合は、閾値を上げるためのリカバリー処理を行なうことによって、ＧａＮ−ＨＥＭＴを通常の動作させることができる場合がある。
次に、図６を用いて、リカバリー処理を含んだ電源を立ち上げる制御方法について説明する。
この制御方式では、図２（Ａ）に示す閾値測定回路に相当する閾値測定回路を必要とする。
まず、降圧型コンバータ１０の電源をオンする前に、閾値測定回路に電源を供給するためのサブ電源をオンしてから、主電源をオンする。スイッチング素子ＳＷ１０のゲートにバッテリーＢＡＴの電圧が供給されるのを遮断したあと、ＰＷＭ発生回路にて、スイッチング素子ＳＷ１０のゲートに、通常動作時のＰＷＭ信号とはかなり低い周波数のＰＷＭ信号を供給する。スイッチング素子ＳＷ１０のドレインにも通常動作時の電圧とはかなり低い電圧を供給し、スイッチングを行なう。この時、ＧａＮ−ＨＥＭＴがノーマリーオンになっていたとしても、ドレインに加えられる電圧は低いので、ＧａＮ−ＨＥＭＴがリーク電流で破壊されることはない。
次いで、閾値測定回路を用いてＧａＮ−ＨＥＭＴの閾値を測定する。閾値がある程度、例えば１．２Ｖくらいあれば、通常の動作ができると判断して、閾値の測定を終了するため、閾値測定回路を切り離す。そして、通常動作を行なうため、ＰＷＭ発生回路にて、スイッチング素子ＳＷ１０のゲートに通常動作時の周波数のＰＷＭ信号を供給する。スイッチング素子ＳＷ１０のドレインにも通常動作時の電圧を供給し、スイッチングを行なう。
閾値が１．２Ｖ以下だった場合は、スイッチング素子ＳＷ１０のゲートに通常動作時のＰＷＭ信号とはかなり低い周波数でＰＷＭ信号を供給し続ける。場合によっては、徐々に閾値が上昇することがある。タイマー監視を行ない、閾値が１．２Ｖまで上昇するかどうかを閾値測定回路で測定し、閾値が１．２Ｖになったら、通常動作に移行する。
低い周波数でＰＷＭ信号を供給し続けても閾値が１．２Ｖに達しない場合は、リカバリーできないと判断し、何らかの表示装置にエラー表示をして、処理を終了する。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
２Ａ、２Ｂ 入力端子
３Ａ、３Ｂ 出力端子
１０ 降圧型コンバータ
２０ ＰＷＭ信号発生回路
３０ ゲート制御回路
５０ 突入電流防止回路
８０ ゲート
８１ ソース
８２ ドレイン
９０ 基板
９１ ＧａＮ層
９２ ＡｌＧａＮ層
９３ 二次元電子ガス層
９４ ｎ−ＧａＮ層
９５ ゲート絶縁膜
３Ａ、３Ｂ 出力端子
１０ 降圧型コンバータ
２０ ＰＷＭ信号発生回路
３０ ゲート制御回路
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８０ ゲート
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９２ ＡｌＧａＮ層
９３ 二次元電子ガス層
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９５ ゲート絶縁膜
Claims (10)
- ソース、ゲート及びドレインを有する第１のスイッチング素子と、
第２のスイッチング素子を介して前記ゲートに電圧を供給するバッテリーと、
第３のスイッチング素子を介して前記ゲートにＰＷＭ信号を供給するＰＷＭ信号発生回路と、
電源がオフの状態で、前記第２のスイッチング素子をオンして前記ゲートに前記バッテリーの電圧を供給すると共に、前記第３のスイッチング素子をオフし、電源がオンの状態で、前記第３のスイッチング素子をオンして前記ゲートに前記ＰＷＭ信号を供給すると共に、前記第２のスイッチング素子をオフするゲート制御回路と
を有することを特徴とする制御回路。 - 前記第１のスイッチング素子は、ノーマリーオンからノーマリーオフ化されたＧａＮ−ＨＥＭＴである
ことを特徴とする請求項１に記載の制御回路。 - 前記バッテリーの電圧は、前記ノーマリーオフ化されたＧａＮ−ＨＥＭＴの閾値よりも大きい電圧である
ことを特徴とする請求項２に記載の制御回路。 - さらに、前記バッテリーの電圧を比較する検出回路を有し、
該検出回路は、前記バッテリーの電圧が前記ノーマリーオフ化されたＧａＮ−ＨＥＭＴの閾値より低い場合は、電源をオフする
ことを特徴とする請求項３に記載の制御回路。 - さらに、前記第１のスイッチング素子の閾値を測定する閾値測定回路を有し、
該閾値測定回路は、前記第１のスイッチング素子の閾値が所定の電圧より低い場合は、電源をオフする
ことを特徴とする請求項１に記載の制御回路。 - 前記ＰＷＭ信号発生回路は、第１の周波数の第１のＰＷＭ信号と、前記第１の周波数よりも遅い第２の周波数の第２のＰＷＭ信号を出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の制御回路。 - さらに、前記第１のスイッチング素子の閾値を測定する閾値測定回路を有し、
該閾値測定回路は、前記第１のスイッチング素子の閾値が所定の電圧より低い場合は、前記ゲートに前記第２のＰＷＭ信号を供給し、前記第１のスイッチング素子の閾値が所定の電圧より高くなった場合は、前記ゲートに前記第１のＰＷＭ信号を供給する
ことを特徴とする請求項６に記載の制御回路。 - 前記第２のスイッチング素子は、ＰＭＯＳ−ＦＥＴであり、
前記第３のスイッチング素子は、ＮＭＯＳ−ＦＥＴである
ことを特徴とする請求項１に記載の制御回路。 - さらに、前記第１のスイッチング素子のドレイン側に突入電流防止回路を有し、
該突入電流防止回路は、直列に接続されたトライアックと抵抗、及び前記トライアックと前記抵抗に並列に接続されたリレーを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の制御回路。 - ソース、ゲート及びドレインを有する第１のスイッチング素子を含むコンバータ回路と、
第２のスイッチング素子を介して前記ゲートに電圧を供給するバッテリーと、
第３のスイッチング素子を介して前記ゲートにＰＷＭ信号を供給するＰＷＭ信号発生回路と、
電源がオフの状態で、前記第２のスイッチング素子をオンして前記ゲートに前記バッテリーの電圧を供給すると共に、前記第３のスイッチング素子をオフし、電源がオンの状態で、前記第３のスイッチング素子をオンして前記ゲートに前記ＰＷＭ信号を供給すると共に、前記第２のスイッチング素子をオフするゲート制御回路と
を有することを特徴とする電子機器。
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