(57)【要約】      （修正有）【課題】同期ＤＣ−ＤＣパワーコンバータにおいて、ＧａＮトランジスタおよびＳｉトランジスタが独自に接続されるハイブリッドの組み合わせを提供する。【解決手段】ＤＣ−ＤＣパワーコンバータにおいて、電力損失を低減すべくＧａＮトランジスタは能動スイッチとして機能し、Ｓｉトランジスタは、同期ダイオードとして機能する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
能動スイッチとしての窒化ガリウムトランジスタと、同期ダイオードとしてのシリコントランジスタと、フィルタを提供する受動素子と、を有する回路を備える、ＤＣ−ＤＣパワーコンバータ。
【請求項２】
前記ＤＣ−ＤＣパワーコンバータが同期パワーコンバータである、請求項１に記載のＤＣ−ＤＣパワーコンバータ。
【請求項３】
前記ＤＣ−ＤＣパワーコンバータがバックコンバータである、請求項１に記載のＤＣ−ＤＣパワーコンバータ。
【請求項４】
前記ＤＣ−ＤＣパワーコンバータがブーストパワーコンバータまたはバックブーストパワーコンバータである、請求項１に記載のＤＣ−ＤＣパワーコンバータ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣパワーコンバータの製造方法であって、回路を形成すべく、シリコントランジスタおよび受動素子と直列に窒化ガリウムトランジスタを入力電圧に接続する段階を備える、方法。
【請求項６】
前記窒化ガリウムトランジスタが能動スイッチとして機能する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記シリコントランジスタが同期ダイオードとして機能する、請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
請求項１から４のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣパワーコンバータが複数並列接続される、ＤＣ−ＤＣパワーコンバータ。
【請求項９】
並列の前記ＤＣ−ＤＣパワーコンバータがインターリーブ式で動作される、請求項８に記載のＤＣ−ＤＣパワーコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロニクスの分野に関する。さらに具体的には、本発明は、ＤＣ−ＤＣパワーコンバータに関する。本発明は、電力損失を最小化することにより、パワーコンバータの効率を増加させるべく、窒化ガリウムトランジスタおよびシリコントランジスタの独自のハイブリッド構成を提供する。ＤＣ−ＤＣコンバータは、電力損失を最小化すべく、窒化ガリウムトランジスタを能動スイッチとして使用し、シリコントランジスタを同期ダイオードとして使用する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＣ−ＤＣコンバータは、数多くの電子的用途において広く使用される。ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流入力電圧を異なる直流出力電圧に変換し、当該直流出力電圧を負荷に出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータは、必要に応じて入力電圧を安定した直流電圧に変換し、当該直流電圧を出力すべく、さまざまな電子製品において、異なる直流電圧で動作するそれぞれの電子回路に含まれる。ソリッドステートスイッチが、電圧および電流をオンおよびオフの状態に切り替え、さらに所望の出力電圧または電流を実現すべくパワーコンバータ内で使用される。
【０００３】
パワーコンバータの効率を増加させることと同様に、サイズおよびコストを低減すべく、さまざまなトポロジが文献で提案されている。シリコン（Ｓｉ）トランジスタを有するＤＣ−ＤＣコンバータは、十分に開発され成熟している。ＭＯＳＦＥＴのようなＳｉトランジスタは、パワーコンバータにおいて広く使用されている。しかしながら、ＧａＮのような材料で作られたより新しいデバイスと比較する場合、Ｓｉ系デバイスは多少の欠点を有する。ＧａＮデバイスは、ＭＨｚの範囲では非常に早く切り替わり、ターンオンおよびターンオフの間の遷移時間の低減を助ける。ターンオン／オフの時間が低減すると、より高い電力変換効率への遷移損失が減少する。これは、フィルタの受動フィルタコンポーネントであるＬおよびＣを減少させ、コンバータをコンパクトにする。
【０００４】
しかしながら、ＧａＮデバイスの技術は、まだ浅く、多少の改善が必要である。さらに、ＧａＮデバイスは、Ｓｉトランジスタと比較すると、逆電流伝導条件における、損失の大きい動作のような多少の欠点を有する。
【０００５】
インターリーブされたＰＷＭを用いた並列パワーコンバータの使用は、"Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ＰＷＭ  ｆｏｒ  Ｓｉｚｅ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｆｉｌｔｅｒ  ｉｎ  Ｐａｒａｌｌｅｌ  Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ",  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ；Ｖｏｌ．３０．，  Ｎｏ  7，２０１５で説明されている。この方法では、複数のコンバータが並列接続され、単一のコンバータであることが必要な場合には、当該方法は使用できない。"Ａ  １０-ＭＨｚ  ＧａＮ  ＨＥＭＴ  ＤＣ/ＤＣ  Ｂｏｏｓｔ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"，  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ；  Ｖｏｌ  ５９，  Ｎｏ．１１，  ２０１２，では、パワー増幅器の用途のための１０ＭＨｚのＧａＮトランジスタ系ＤＣ−ＤＣブーストコンバータが提案されている。ＧａＮスイッチデバイスの使用は、全体的な効率を増加させ得る。しかしながら、ＧａＮスイッチデバイスの逆方向における伝導は、Ｓｉトランジスタよりもさらに損失の大きいことに留意されたい。
【０００６】
本発明は、窒化ガリウムおよびシリコントランジスタの独自の組み合わせを提供することによって、ＤＣ−ＤＣパワーコンバータにおける損失に対処することを目的とする。シリコントランジスタを同期ダイオードとして用いる一方で、窒化ガリウムトランジスタが能動スイッチとして使用されることは、パワーコンバータ全体の効率を増加させるために有益である。
【発明の概要】
【０００７】
したがって、本発明は、能動スイッチとしての窒化ガリウムトランジスタと、同期ダイオードとしてのシリコントランジスタと、電力損失を抑制する受動素子と、を有する回路を備える、ＤＣ−ＤＣパワーコンバータと、
能動スイッチとして窒化ガリウムトランジスタと、同期ダイオードとしてのシリコントランジスタと、フィルタを提供する受動素子と、を有する回路を含むＤＣ−ＤＣパワーコンバータの製造方法であって、回路を形成すべく、シリコントランジスタおよび受動素子と直列に窒化ガリウムトランジスタを入力電圧に接続する段階を備える、ＤＣ−ＤＣパワーコンバータの製造方法と、
本発明における複数のパワーコンバータが並列接続される、ＤＣ−ＤＣパワーコンバータと、
に関する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明の特徴は、添付の図面を一助として詳細に理解することができる。しかしながら、添付の図面はこの発明の典型的な実施形態のみを示すものであり、よって、本発明におけるその範囲を限定するものとみなされるべきではないことに、留意されたい。
【図１】ＤＣ−ＤＣバックコンバータであり、通常のコンバータ（ａ）およびバックコンバータ（ｂ）を示す。
【図２】ＳｉおよびＧａＮトランジスタの異なる構成を示す。
【０００９】
【図３】４つの考えられるコンバータの組み合わせにおける電力損失のパーセンテージを負荷条件の関数として示す。これは、４つの入力電圧（ａ）Ｖｉｎ＝６Ｖ(低)、（ｂ）Ｖｉｎ＝１０Ｖ（中低）、（ｃ）Ｖｉｎ＝１５Ｖ（中高）、（ｄ）Ｖｉｎ＝２０Ｖ（高）によって行われる。
【００１０】
【図４】４つの同期バックコンバータ構成における、負荷電力に対する効率をパーセンテージで示す。複数のプロットは、入力電圧のより低い値（６Ｖ）から高い値（２０Ｖ）における、４つの条件について示す。負荷条件が定格負荷条件に近いと、提案された構成が最も高い効率をもたらすことが観察され得る。
【００１１】
【図５】同期バックコンバータのＱ１およびＱ２トランジスタの温度を負荷条件における関数として示す。これは、４つの入力電圧（ａ）Ｖｉｎ＝６Ｖ(低)、（ｂ）Ｖｉｎ＝１０Ｖ（中低）、（ｃ）Ｖｉｎ＝１５Ｖ（中高）、（ｄ）Ｖｉｎ＝２０Ｖ（高）によって行われる。
【００１２】
【図６】本発明に関連するさまざまなパラメータを検討すべく、製造された典型的なＤＣ−ＤＣパワーコンバータの写真を示す。
【００１３】
【図７】Ｓｉトランジスタ、ＧａＮトランジスタおよび受動素子を有する典型的なＤＣ−ＤＣパワーコンバータにおける概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態についての、上述の説明は、例示の目的で示されている。これは網羅的であることまたは本発明を開示の形態に厳密に限定することを意図するものではなく、当業者にとって図面、明細書および特許請求の範囲において、本開示の観点から多くの修正例および変形例が考えられるものである。さらに、明細書および添付された請求項で用いる場合、単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈でそうでないことを明らかに規定しない限り、複数を指すことを含むことに留意されたい。そうでないことを定義されない限り、本明細書で用いるすべての技術的および科学的用語は、当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。
【００１５】
ＤＣ−ＤＣパワーコンバータに関する本発明は、能動スイッチとして窒化ガリウムトランジスタと、同期ダイオードとしてのシリコントランジスタと、フィルタを提供する受動素子と、を有する回路を備える。本発明の実施形態において、パワーコンバータは、同期パワーコンバータである。本発明の別の実施形態では、パワーコンバータはバックコンバータである。
【００１６】
本発明のさらに別の実施形態では、パワーコンバータは、ブーストまたはバックブーストパワーコンバータである。
【００１７】
本発明におけるＤＣ−ＤＣパワーコンバータの製造方法に関する本発明の当該方法は、回路を形成すべく、シリコントランジスタおよび受動素子と直列に窒化ガリウムトランジスタを入力電圧に接続する段階を含む。
【００１８】
本発明のさらに別の実施形態では、窒化ガリウムトランジスタは、能動スイッチとして機能する。
【００１９】
また、本発明のさらに別の実施形態では、シリコントランジスタは、同期ダイオードとして機能する。
【００２０】
また、ＤＣ−ＤＣパワーコンバータに関する本発明における本発明の複数のパワーコンバータは、並列接続される。
【００２１】
本発明のさらに別の実施形態では、並列パワーコンバータは、インターリーブ式で動作される。
【００２２】
本発明は、ＤＣ−ＤＣバックコンバータにおける電力損失を最小化すべく、ＤＣ−ＤＣコンバータにおける窒化ガリウム（ＧａＮ）トランジスタおよびシリコン（Ｓｉ）トランジスタの独自のハイブリッドの組み合わせを提供する。ＧａＮトランジスタを能動スイッチに使用し、Ｓｉトランジスタを同期ダイオードに使用することで、電力損失が最小化され、それにより、純粋なＧａＮトランジスタ系またはＳｉトランジスタ系のパワーコンバータよりも高い効率がもたらされることが確かめられている。
【００２３】
ＤＣ電圧をより低いＤＣ電圧に変換する効率的な手法は、ＤＣ−ＤＣバックコンバータを使用することである。正規のＤＣ−ＤＣバックコンバータにおいて、受動コンポーネント、インダクタＬおよびコンデンサＣと共に、能動スイッチおよびダイオードが電流を切り替え、電圧レベルを所望の電圧レベルに低減することに使用される。ダイオードの代わりに能動スイッチＭＯＳＦＥＴを採用することによって、正規のＤＣ−ＤＣバックコンバータの効率を高めることが可能である。これは、電流が伝導している間、ダイオードと比較してＭＯＳＦＥＴにわたる電圧降下がより低いことに起因している。この構成は、ＤＣ−ＤＣバックコンバータと呼ばれ、図１（ｂ）に示され、典型的にＳｉ材料で作られた能動スイッチおよびダイオードが図１（ａ）で示される。
【００２４】
同期パワーコンバータにおいて、同期ダイオードは、ほとんどの場合、逆方向に伝導する。しかしながら、能動スイッチは、ほとんどの場合順方向に伝導させ、よって、ＧａＮデバイスの使用は有益である。よって、本発明は、パワーコンバータの全体の効率を改善すべく、同期パワーコンバータにおいてＧａＮデバイスを能動スイッチとしておよびＳｉデバイスを同期ダイオードとして使用することを提案する。これは、損失がより低いと周囲温度を上回る温度上昇もより小さくなるからであり、これにより提案された同期バックコンバータの信頼性がより高まる。
【００２５】
本発明は、より速く、より低い伝導電圧降下で切り替わる能力を提供する。コンバータは、異なる動作条件においてテストされ、結果が互いに比較される。提案されたＳｉおよびＧａＮトランジスタのハイブリッド構成は、他の考えられる構成よりも定格電力においてより効率的であることが示される。
【００２６】
バックコンバータ内のスイッチは、数百ｋＨｚ〜ＭＨｚの範囲における高い周波数にて、動作することができる。より高いスイッチ周波数における動作は、ＬＣフィルタコンポーネントのサイズおよびコストを低減することができる。
【００２７】
２つのスイッチＱ１およびＱ２からなる同期バックコンバータは、図２に示される。表１に記載の通り、これと２つのトランジスタ技術（ＧａＮ系トランジスタ技術およびＳｉ系トランジスタ技術）を合わせると、４つの考えられる異なるデバイス組み合わせがある。全体がＳｉデバイスを備えたコンバータは、既存の成熟技術に対応する。ＧａＮトランジスタ系同期バックコンバータは、近年入手可能となった新しいＧａＮ材料によって生まれ出た技術である。表１に示されるようなＧａＮおよびＳｉトランジスタの独自の組み合わせ（ＧａＮ−Ｔ−Ｓｉ−Ｂ）同期バックコンバータの最も効率的な結果をもたらす。図１に示されるように、下付き文字ＴおよびＢは、それぞれトランジスタＱ１およびＱ２に対応する。
【表１】
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【００２８】
電力損失、効率およびより低いトランジスタ温度に関して前述の４つの構成が研究された。
【００２９】
図３は、上述の４つの同期バックコンバータ構成に関する電力損失を負荷電力に対してパーセンテージで示す。これは、入力電圧のより低い値（６Ｖ）から高い値（２０Ｖ）の４つの条件について測定される。定格値に近い負荷条件のために、提案された構成が最も低い電力消失をもたらすことが観察される。プロットにおける最下部の青色線は、本発明のトランジスタの本構成に起因するより低い電力損失を示す。
【００３０】
図４は、４つの同期バックコンバータ構成における、負荷電力に対する効率をパーセンテージで示す。複数のプロットは、入力電圧のより低い値（６Ｖ）から高い値（２０Ｖ）における、４つの条件について示す。負荷条件が定格負荷条件に近いと、提案された構成が最も高い効率をもたらすことが観察され得る。
【００３１】
図５は、同期バックコンバータの構成についての負荷電力に対する上流のトランジスタＱ１の度合いを温度で示す。図５は、同期バックコンバータの下流のトランジスタＱ２についての同様なプロットを示す。プロットは、また入力電圧のより低い値（６Ｖ）から高い値（２０Ｖ）の４つの条件について示される。負荷条件および入力電圧の範囲において、ＧａＮコンバータに対応する値が６０℃を超え、Ｓｉコンバータの温度が、１０８℃まで高くなる一方、提案された構成におけるトランジスタＱ１の温度が５７℃未満のままであることが観察され得る。同様に、Ｓｉコンバータの温度が６２℃に到達し、ＧａＮコンバータの温度が８８℃近くに到達する一方、提案された構成におけるトランジスタＱ２の温度は、７２℃未満のままでいる。よって、提案されたトポロジは、いずれのスイッチをも十分に使用して、その公称値により近いＱ１およびＱ２の動作温度を有し、コンバータ全体の信頼性を高める結果をもたらす。青色線は、すべての動作条件において、提案された構成での温度上昇が７２℃を超えないことを示す。
【００３２】
さらに、本発明に関連するさまざまなパラメータを研究すべく製造された、典型的なＤＣ−ＤＣパワーコンバータは、図６に示される。コンバータに使用されるトランジスタおよび他の受動素子の詳細は、表２に列挙される。
【表２】
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【００３３】
［トランジスタおよび受動素子の接続に着目したバックコンバータの製造方法］
【００３４】
典型的な同期バックコンバータにおいて、入力電圧源（１０４）は、ノード１００と１０３との間に接続される。能動スイッチ（１０５）は、ノード１００と１０１との間に接続される。能動スイッチ（１０５）、同期ダイオード（１０９）および出力フィルタインダクタ（１０６）は、ノード１０１にて、共に接続される。同期ダイオードは、ノード１０１と１０３との間に接続される。出力フィルタは、ＬＣローパス構成において接続される、フィルタインダクタ（１０６）およびコンデンサ（１０７）からなる。コンデンサ（１０７）がノード１０２と１０３のとの間に接続されている一方、インダクタ（１０６）は、ノード１０１と１０２との間に接続される。コンデンサ１０７は、効果的に並列接続された複数のコンデンサからなってよい。同様に、インダクタ１０６は、効果的に並列接続された複数のインダクタからなってよい。出力電圧は、ノード１０２および１０３の間で取得され、負荷（１０８）は、これらノードにまたがって接続され得る。本発明の好適な実施形態において、同期ダイオード（１０９）がＳｉトランジスタである一方、トランジスタ（１０５）は、窒化ガリウムデバイスである（図７）。
【００３５】
提案された回路構成におけるより高い効率の理由は、Ｓｉ  ＭＯＳＦＥＴの逆伝導特性がより優れていることおよびスイッチング性能がより優れていることであり、提案されたハイブリッド構成に共に結合されるＧａＮ  ＨＥＭＴの順方向伝導およびスイッチング特性である。
【００３６】
よって、本発明は、１０Ｖから１０００Ｖまでの入力電圧レベルで３Ｗから５００ｋＷまで変化する同期バックパワーコンバータを提供する。
【００３７】
本発明における複数のＤＣ−ＤＣコンバータは、またインターリーブ式で動作すべく効率的に並列接続されてよい。
【００３８】
こうして、本発明のハイブリッドの組み合わせ、すなわちＧａＮ能動スイッチおよびＳｉ同期ダイオードは、同期バックコンバータの効率を経済性のよい方法で改善する一助となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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