(57)【要約】  電力変換回路が、蓄積コンポーネントと、第１の電界効果トランジスタを含み、第１及び第２のバイアス状態を有する整流コンポーネントと、第２の電界効果トランジスタを含み、第１及び第２の動作状態を有するスイッチとを含む。第１及び第２の電界効果トランジスタは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である。【選択図】図１
2013532934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄積コンポーネントと、
第１の電界効果トランジスタを含み、第１及び第２のバイアス状態を有する整流コンポーネントと、
第２の電界効果トランジスタを含み、第１及び第２の動作状態を有するスイッチと、
を含み、
前記第１及び第２の電界効果トランジスタは、それぞれ、第１及び第２の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を含む、
ことを特徴とする電力変換回路。
【請求項２】
前記スイッチが前記第１の動作状態に構成され、前記整流コンポーネントが前記第１のバイアス状態にあるとき、電源からのエネルギーが前記蓄積コンポーネント内に蓄積され、前記スイッチが前記第２の動作状態に構成され、前記整流コンポーネントが前記第２のバイアス状態にあるとき、前記蓄積コンポーネント内に蓄積されたエネルギーが負荷に放出されることを特徴とする、請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項３】
前記整流コンポーネントは、前記第１の電界効果トランジスタのソース・ノードに接続されたカソードと、前記第１の電界効果トランジスタのゲート・ノードに接続されたアノードとを有する半導体ダイオードをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項４】
前記半導体ダイオードは、ホットキャリア・ダイオードであることを特徴とする、請求項３に記載の電力変換回路。
【請求項５】
前記半導体ダイオードは、ショットキー・ダイオードを含むことを特徴とする、請求項３に記載の電力変換回路。
【請求項６】
前記半導体ダイオードは、シリコン・ショットキー・ダイオードを含むことを特徴とする、請求項５に記載の電力変換回路。
【請求項７】
前記第１のＨＥＭＴは、少なくとも１つのヘテロ接合を導電性チャネルとして含むことを特徴とする、請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項８】
前記第２のＨＥＭＴは、少なくとも１つのヘテロ接合を導電性チャネルとして含むことを特徴とする、請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項９】
前記電力変換回路は、直流−直流（ＤＣ−ＤＣ）電力変換回路であり、前記スイッチはハードスイッチング・モードで動作可能であることを特徴とする、請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項１０】
前記電力変換回路は直流−直流（ＤＣ−ＤＣ）電力変換回路であり、前記スイッチは共振スイッチング・モードで動作可能であることを特徴とする、請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項１１】
前記電力変換回路は直流−直流（ＤＣ−ＤＣ）電力変換回路であり、前記蓄積コンポーネント、前記整流器、及び前記スイッチは、バック構成、ブースト構成、バック−ブースト構成、Ｃｕｋ構成、シングルエンド一次インダクタ変換器（ＳＥＰＩＣ）構成、又はゼータ構成で構成されることを特徴とする、請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項１２】
前記蓄積コンポーネントは磁界蓄積コンポーネントを含むことを特徴とする、請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項１３】
前記磁界蓄積コンポーネントはインダクタ及び／又は変圧器を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の電力変換回路。
【請求項１４】
前記蓄積コンポーネントは電界蓄積コンポーネントを含むことを特徴とする、請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項１５】
前記電界蓄積コンポーネントはコンデンサを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の電力変換回路。
【請求項１６】
前記第１及び第２のＨＥＭＴは、第１及び第２のＧａＮ  ＨＥＭＴを含むことを特徴とする、請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項１７】
共振スイッチ動作モードで動作するときに約１０ＭＨｚ乃至１００ＭＨｚの範囲内のスイッチング周波数を有し、少なくとも約９５％の効率を有することを特徴とする電力変換回路。
【請求項１８】
前記電力変換回路は約６００Ｖまでの電圧で動作することを特徴とする、請求項１７に記載の電力変換回路。
【請求項１９】
ハードスイッチング動作モードで動作するときに約１ＭＨｚ乃至１０ＭＨｚの範囲内のスイッチング周波数を有し、少なくとも約９５％の効率を有することを特徴とする電力変換回路。
【請求項２０】
前記電力変換回路は約６００Ｖまでの電圧で動作することを特徴とする、請求項１７に記載の電力変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換に関し、より具体的には、比較的高周波数及び比較的高電圧で動作する電力変換回路に関する。
本発明は、海軍研究事務所契約番号第０５−Ｃ−０２２６号のもとの政府支援によって行われた。政府は本発明において一定の権利を有している。
【背景技術】
【０００２】
電力変換回路は、バッテリ、電源装置、電力供給網などの電源からの電力を、電気で作動するいずれかのデバイス、装置、又はコンポーネントなどの負荷に、好ましくは可能な限り小さい損失で伝えるために使用することができる。一般に、電力変換回路は、入力電圧とは異なるレベルを有する出力電圧を供給する。１つのタイプの電力変換回路は、直流−直流（ＤＣ−ＤＣ）回路である。ＤＣ−ＤＣ電力変換器は、典型的には、電源からの入力エネルギーを一時的に蓄え、次いで、そのエネルギーを異なる電圧レベルで出力負荷に放出することによって動作する。スイッチング・モードＤＣ−ＤＣ変換回路は、一般に、不要な電力を熱として損失する線形電圧レギュレータよりも電力効率が高い。例えば、低周波数変圧器を無くすことによってこうした回路のコンポーネントのサイズ及び重量を低減させることができるので、一般に、スイッチング・モード電力変換回路は、より高い周波数で動作させることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，１９２，９８７号
【特許文献２】米国特許第５，２９６，３９５号
【特許文献３】米国特許第６，３１６，７９３号
【特許文献４】米国特許出願公開第２００５／０１７０５７４号
【発明の概要】
【０００４】
本発明の主題の幾つかの実施形態において、電力変換回路が、蓄積コンポーネントと、第１の電界効果トランジスタを含み、かつ、第１及び第２のバイアス状態を有する整流コンポーネントと、第２の電界効果トランジスタを含み、かつ、第１及び第２の動作状態を有するスイッチとを含む。第１及び第２の電界効果トランジスタは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である。
【０００５】
他の実施形態において、スイッチが第１の動作状態に構成され、整流コンポーネントが第１のバイアス状態にあるとき、電源からのエネルギーは蓄積コンポーネント内に蓄えられ、スイッチが第２の動作状態に構成され、整流コンポーネントが第２のバイアス状態にあるとき、蓄積コンポーネント内に蓄えられたエネルギーは負荷に放出される。
【０００６】
さらに他の実施形態において、整流コンポーネントは、第１の電界効果トランジスタのソース・ノードに接続されたカソードと、第１の電界効果トランジスタのゲート・ノードに接続されたアノードとを有する半導体ダイオードをさらに含む。
さらに他の実施形態において、半導体ダイオードはホットキャリア・ダイオードである。
さらに他の実施形態において、半導体ダイオードはショットキー・ダイオードを含む。
さらに他の実施形態において、半導体ダイオードはシリコン・ショットキー・ダイオードを含む。
【０００７】
さらに他の実施形態において、第１のＨＥＭＴは少なくとも１つのヘテロ接合を導電性チャネルとして含む。
さらに他の実施形態において、第２のＨＥＭＴは少なくとも１つのヘテロ接合を導電性チャネルとして含む。
【０００８】
さらに他の実施形態において、電力変換回路は直流−直流（ＤＣ−ＤＣ）電力変換回路であり、スイッチはハードスイッチング・モードで動作可能である。
さらに他の実施形態において、電力変換回路は直流−直流（ＤＣ−ＤＣ）電力変換回路であり、スイッチは共振スイッチング・モードで動作可能である。
【０００９】
さらに他の実施形態において、電力変換回路は直流−直流（ＤＣ−ＤＣ）電力変換回路であり、蓄積コンポーネント、整流器、及びスイッチは、バック（Ｂｕｃｋ）構成、ブースト構成、バック−ブースト構成、Ｃｕｋ構成、シングルエンド一次インダクタ変換器（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｅｎｄｅｄ  Ｐｒｉｍａｒｙ  Ｉｎｄｕｃｔｏｒ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ、ＳＥＰＩＣ）構成、又はゼータ（Ｚｅｔａ）構成で構成される。
【００１０】
さらに他の実施形態において、蓄積コンポーネントは磁界蓄積コンポーネントを含む。
さらに他の実施形態において、磁界蓄積コンポーネントはインダクタ及び／又は変圧器を含む。
さらに他の実施形態において、蓄積コンポーネントは電界蓄積コンポーネントを含む。
さらに他の実施形態において、電界蓄積コンポーネントはコンデンサを含む。
【００１１】
さらに他の実施形態において、第１及び第２のＨＥＭＴは第１及び第２のＧａＮ  ＨＥＭＴを備える。
【００１２】
本発明主題のさらに別の実施形態において、電力変換回路は、共振スイッチング動作モードで動作するとき、凡そ１０ＭＨｚ乃至１００ＭＨｚの範囲内のスイッチング周波数を有し、少なくとも約９５％の効率を有する。
さらに別の実施形態において、電力変換回路は約６００Ｖまでの電圧で動作する。
【００１３】
本発明主題の他の実施形態において、電力変換回路は、ハードスイッチング動作モードで動作するとき、約１ＭＨｚ乃至１０ＭＨｚの範囲内のスイッチング周波数を有し、少なくとも約９５％の効率を有する。
さらに他の実施形態において、電力変換回路は約６００Ｖまでの電圧で動作する。
【００１４】
本発明主題の実施形態による他の電力変換回路が、添付の図面及び以下の詳細な説明を検討することにより当業者には明白となるであろう。全てのそれら付加的な電力変換回路は、本説明に含まれ、本発明主題の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
【００１５】
添付の図面は、本発明のさらに進んだ理解をもたらすために含められ、本出願に組み込まれてその一部分を構成するものであり、本発明主題のある特定の実施形態を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明主題の幾つかの実施形態による、スイッチング及び整流のためのＧａＮ高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を含む電力変換回路のブロック図である。
【図２】本発明主題の幾つかの実施形態による、電力変換回路内で使用するための整流コンポーネントの回路図である。
【図３】本発明主題の幾つかの実施形態による、ブースト直流−直流（ＤＣ−ＤＣ）電力変換回路の回路図である。
【図４】図３のブースト電力変換回路のシミュレーション結果の表である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
ここで、本発明の実施形態が示されている添付図面を参照して、本発明の実施形態が以下により完全に説明される。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具体化することができ、本明細書で述べられる実施形態に限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が十分かつ完全なものとなるように、そして当業者に本発明の範囲を十分に伝えられるように提供される。全体を通して、同様の番号は同様の要素を指す。
【００１８】
第１、第２などの用語は、本明細書では、種々の要素を説明するために用いることができるが、これらの要素は、これらの用語によって限定されるべきではないことが理解されるであろう。これらの用語は、１つの要素を別の要素と区別するためだけに用いられている。例えば、本発明の範囲から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と称することもでき、同様に、第２の要素を第１の要素と称することもできる。本明細書で用いられる「及び／又は」という用語は、関連した列挙された項目の１つ又はそれ以上のいずれか及び全ての組み合わせを含む。
【００１９】
本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、本発明を限定することを意図したものではない。本明細書で用いられる単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明らかにそうでないことを示していない限り、複数形も含むことが意図される。さらに、本明細書で用いられるとき、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」及び／又は「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、言及された特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又はコンポーネントの存在を指定するが、１つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネント、及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことがさらに理解されるであろう。
【００２０】
特に断りのない限り、本明細書で用いられる全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解される意味と同じ意味を有するものである。さらに、本明細書で用いられる用語は、本明細書及び関連のある技術分野の文脈内でのその意味と矛盾しない意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書で明白にそのように定義されない限り、理想化された又は過度に形式的な意味合いで解釈されるべきではないことが、さらに理解されるであろう。
【００２１】
ある要素が別の要素「に接続される」又は「に結合される」と言及されている場合、これは、直接、他の要素に接続され、若しくは結合されていることもあり、又は、介在する要素が存在することもあることもまた理解されるであろう。対照的に、ある要素が別の要素「に直接接続される」又は「に直接結合される」ものとして言及される場合、介在する要素は存在しない。
【００２２】
本発明の幾つかの実施形態が、その層及び／又は領域の多数キャリアの濃度を示すｎ型又はｐ型などの導電型を有することを特徴とする半導体層及び／又は領域に関して説明される。従って、Ｎ型材料は、負に帯電した電子の多数平衡濃度を有し、Ｐ型材料は、正に帯電した正孔の多数平衡濃度を有する。
【００２３】
本発明主題の幾つかの実施形態は、比較的高電圧の電力変換回路の動作周波数は、スイッチング機能及び／又は整流機能を与えるように、変調ドープ電界効果トランジスタ（ＭＯＤＥＦＴ）としても知られる高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を用いて増大させることができるとの認識から生じ得る。幾つかの実施形態において、ＨＥＭＴはＧａＮデバイスとして具体化することができる。
【００２４】
ＨＥＭＴデバイスにおいては、異なるバンドギャップ・エネルギーを有する２つの半導体材料のヘテロ接合において２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を形成することができる。より小さいバンドギャップの材料が、より広いバンドギャップ材料よりも大きい電子親和力を有することができる。２ＤＥＧは、非ドープの（意図せずドープされた）より小さいバンドギャップの材料中の蓄積層であり、例えば、１０13キャリア／ｃｍ2を超える比較的高いシート電子濃度を含むことができる。さらに、広バンドギャップ半導体中に発生する電子が２ＤＥＧまで移って、イオン化不純物散乱が減少されることによる比較的高い電子移動度が可能になる。比較的高いキャリア濃度と比較的高いキャリア移動度を組み合わせて、比較的大きい相互コンダクタンスをＨＥＭＴに与えることができ、また、高周波の用途では、金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）と比べて、性能の利点をもたらすことができる。
【００２５】
窒化ガリウム／窒化アルミニウムガリム（ＧａＮ／ＡｌＧａＮ）材料系で製造される高電子移動度トランジスタは、例えば、比較的高い破壊電界、比較的広いバンドギャップ、比較的大きい伝導帯オフセット、及び／又は比較的高い飽和電子ドリフト速度などの材料特性の組み合わせにより、大量の無線周波数（ＲＦ）電力を発生させることが可能である。２ＤＥＧ内の電子の大部分は、ＡｌＧａＮにおける分極に起因するものである。
【００２６】
ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系のＨＥＭＴは、既に実証されている。例えば、特許文献１及び特許文献２は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造体及び製造方法を説明している。さらに、同一出願人による、引用により本明細書に組み入れられるＳｈｅｐｐａｒｄ他による特許文献３は、半絶縁性炭化シリコン基板と、基板上の窒化アルミニウムバッファ層と、バッファ層上の絶縁性窒化ガリウム層と、窒化ガリウム層上の窒化アルミニウムガリウムバリア層と、窒化アルミニウムガリウム活性構造体上の不動態化層とを有するＨＥＭＴデバイスを記載する。さらに、同一出願人による、引用により本明細書に組み入れられるＳｈｅｐｐａｒｄ他による特許文献４は、保護層、及び／又は、デバイスのオーミック・コンタクトのアニール中に起こり得るトランジスタのゲート領域における半導体への損傷を減らすことができる低損傷のリセス生成技術、を含むＨＥＭＴデバイスを説明している。
【００２７】
ここで図１を参照すると、本発明主題の幾つかの実施形態による電力変換回路１００が、示されるように接続されている、電源１１０、変換回路１２０、及び負荷１３０を含む。電源１１０は、交流（ＡＣ）又は直流（ＤＣ）電源とすることができる。図１に示すように、変換回路１２０は、スイッチ１４０、整流コンポーネント１５０、及び蓄積コンポーネント１６０を含む。負荷１３０は、電源１１０から受け取った入力電圧／電流に応じて、変換回路１２０が生成する出力電圧／電流を受け取るいずれかの装置又はデバイスとすることができる。本発明の主題の幾つかの実施形態によると、スイッチ１４０は少なくとも１つのＨＥＭＴを含み、整流コンポーネント１５０は少なくとも１つのＨＥＭＴを含む。幾つかの実施形態において、スイッチ１４０及び整流コンポーネント１５０に用いるＨＥＭＴは、ＧａＮデバイスとすることができる。ＨＥＭＴの各々は、少なくとも１つのヘテロ接合を導電性チャネルとして含むことができる。本発明の主題の種々の実施形態によると、蓄積コンポーネント１６０は、磁界蓄積コンポーネント及び／又は電界蓄積コンポーネントを含むことができる。幾つかの実施形態において、磁界蓄積コンポーネントはインダクタ及び／又は変圧器を含むことができる。さらに別の実施形態において、電界蓄積コンポーネントは、コンデンサを含むことができる。
【００２８】
ここで本発明の主題の幾つかの実施形態による電力変換回路１００の動作を説明する。スイッチ１４０は、例えば、開状態又は閉状態、オン状態又はオフ状態といった、少なくとも２つの動作状態に設定することができる。整流コンポーネント１５０は、例えば、順方向バイアス状態又は逆方向バイアス状態といった、少なくとも２つの動作状態にバイアスをかけることができる。スイッチ１４０が第１の動作状態にあるとき、整流コンポーネント１５０は第１のバイアス状態にあり、電源１１０からのエネルギーは蓄積コンポーネント１６０内に蓄えられる。スイッチ１４０が第２の動作状態に移行すると、整流コンポーネント１５０は第２のバイアス状態になり、蓄積コンポーネント１６０内に蓄えられたエネルギーが負荷１３０に放出される。負荷１３０に伝達される電圧／電流は、スイッチ１４０がその動作状態の１つにあるわずかな時間である、スイッチ１４０のデューティ・サイクルに基づいて調整することができる。
【００２９】
幾つかの実施形態において、変換回路１２０は、ＤＣ−ＤＣ電力変換回路を含むことができ、例えば、ハードスイッチング・モード又は共振スイッチング・モードで動作するように構成することができる。ハードスイッチング・モードにおいて、スイッチ１４０は、比較的高電圧及び／又は電流において動作状態の間で切り換えることができる。これとは対照的に、スイッチ１４０は、スイッチに印加される電圧／電流を形成するインダクタンス・キャパシタンス（ＬＣ）回路を使用して、電圧及び／又は電流がほぼゼロであるときにスイッチが動作状態の間で移行する共振スイッチング・モードで動作するように構成することができる。ＤＣ−ＤＣ電力変換回路は、例えば、これらに限定されるものではないが、バック構成、ブースト構成、バック−ブースト構成、Ｃｕｋ構成、シングルエンド一次インダクタ変換器（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｅｎｄｅｄ  Ｐｒｉｍａｒｙ  Ｉｎｄｕｃｔｏｒ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ、ＳＥＰＩＣ）構成、又はゼータ構成で構成することができる。
【００３０】
図２は、本発明主題の幾つかの実施形態による整流コンポーネント１５０を示す回路図である。整流回路２００は、整流器アノード２００及び整流器カソード２１０を含み、それらの間に、電流が比較的低い順方向電圧降下特性を有した状態で第１の方向に流れることができ、実質的に第２の方向に流れることが防止される。整流回路２００は、カソード２１０に接続された、整流回路の整流信号出力ノードと言うことができる出力部を有するデプレッション・モード半導体２０２を含む。
【００３１】
幾つかの実施形態において、デプレッション・モード半導体２０２は、ＨＥＭＴデバイスを含むことができる。デプレッション・モード半導体２０２は、例えば、特に、いずれかの半導体デバイスを用いたＪＦＥＴ、ＧａＮ  ＨＥＭＴ、ＭＥＳＦＥＴ、ＳｉＣ  ＭＥＳＦＥＴ、及び／又は、いずれかの半導体デバイス内のＭＯＳＦＥＴなどの、いずれかの双方向導及び順方向遮断デプレッション・モード・デバイスを含むことができる。ＨＥＭＴ２０２は、少なくとも１つのヘテロ接合を導電性チャネルとして含むことができる。幾つかの実施形態において、デプレッション・モード半導体２０２は、他の材料の中でも、ＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、及び／又はＧａＡｓを含むことができる。デプレッション・モード半導体２０２は、ソース・ノード１１２、ゲート・ノード１１４、及び／又はドレイン・ノード１１３を含むことができる。
【００３２】
整流回路２００は、カソード２０８及びアノード２０６を含むホットキャリア半導体ダイオード２０４を含むことができる。幾つかの実施形態において、ホットキャリア・ダイオードは、低い順方向電圧降下及び非常に速いスイッチング動作によって特徴付けることができ、多数キャリア半導体と呼ぶことができる。カソード２０８は、デプレッション・モード半導体２０２のソース・ノード２１２に接続することができ、アノード２０６はデプレッション・モード半導体２０２のゲート・ノード２１４に接続することができる。幾つかの実施形態において、デプレッション・モード半導体２０２のゲート・ノード２１４とホットキャリア半導体ダイオード２０４のアノード２０６との間の接続によって定められるノードは、整流器アノード２２０に接続することができる。
【００３３】
幾つかの実施形態において、ホットキャリア半導体ダイオード２０４はショットキー・ダイオードを含むことができる。ホットキャリア半導体ダイオード２０４は、低い順方向電圧降下を有するいずれかの低電圧の多数キャリア高速ダイオードを含むことができる。例えば、ホットキャリア半導体ダイオード１０４は、例えばＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓなどのいずれかの半導体内に、ショットキー・ダイオード、接合障壁ショットキー（ＪＢＳ）ダイオード等を含むことができる。幾つかの実施形態において、ホットキャリア半導体ダイオード２０４は、シリコン・ショットキー・ダイオードを含む。従って、整流回路２００は、本発明の主題の幾つかの実施形態に従って互いに組み合わせて用いられる、ＨＥＭＴ及びシリコン・ショットキー・ダイオードを含むことができる。整流回路内に用いられるＨＥＭＴは、ＧａＮデバイスとして具体化することができる。このように、低い順方向電圧降下を有する高電圧高速整流器を、高電圧高速ノーマリオン（ｎｏｒｍａｌｌｙ−ｏｎ）型電界効果トランジスタと低電圧高速ダイオードを含む組み合わせによって実現することができる。本明細書で説明される整流回路２００は、カスコード整流器と呼ぶことができる。
【００３４】
幾つかの実施形態において、上述のようなホットキャリア半導体ダイオード２０４及びデプレッション・モード・トランジスタ２０２を単一のデバイスに統合して、オンチップ・デバイスを形成することができる。
【００３５】
次に、本発明の主題の幾つかの実施形態による整流回路２００の動作を説明する。初めに、電流がアノードからカソードに流れる順方向バイアスの場合について説明する。幾つかの実施形態において、これは整流器アノード２２０に適用されたＡＣ入力信号のサイクルの前半に対応することができる。電圧がアノード２０６上でカソード２０８より高くなると、ホットキャリア半導体ダイオード２０４は順方向にバイアスをかけられ、従って、小さい電圧降下を伴って導電性となる。ホットキャリア半導体ダイオード２０４の伝導電圧（小さい電圧降下を引いた）が、デプレッション・モード半導体２０２のソース・ノード２１２に印加される。ＡＣ入力信号もまたデプレッション・モード・トランジスタ２０２のゲート・ノード２１４に適用されるので、デプレッション・モード半導体２０２のゲート−ソース接合の僅かな順方向バイアスが達成される。
【００３６】
デプレッション・モード半導体のゲート−ソース接合の順方向バイアスの結果として、デプレッション・モード半導体２０２は、ソース・ノード２１２からドレイン・ノード２１３へ向かって導電性となる。結果として生じる整流器アノード２２０から整流器カソード２１０までの電圧降下は、ホットキャリア半導体ダイオード２０４の電圧降下に、デプレッション・モード半導体２０２のソース・ノード２１２からドレイン・ノード２１３までの抵抗による電圧降下を加えたものとなる。
【００３７】
ここで電流が整流器カソード２１０から整流器アノード２２０へ流れる逆バイアスの場合について説明する。幾つかの実施形態において、これは整流器アノード２２０に適用されたＡＣ入力信号のサイクルの後半に対応することができる。この静止状態下では、ホットキャリア半導体ダイオード２０４は、遮断状態又は非導電状態になり得る。この点で、デプレッション・モード半導体２０２のソース・ノード２１２の電圧は、フローティング状態とすることができる。ゲートからソースまでの電圧降下が閾値電圧を下回ると、デプレッション・モード半導体のゲート−ソース接合に逆バイアスをかけられた結果として、デプレッション・モード半導体２０２は、遮断モード及び／又は非導電性モードになり得る。
【００３８】
デプレッション・モード半導体２０２が非導電性モードにあるとき、整流回路２００は導電しない。幾つかの実施形態において、ホットキャリア半導体ダイオード２０４の両端にかかる逆電圧を、デプレッション・モード半導体２０２の閾値電圧に制限することができる。従って、結果として得られる整流回路２００は、低電圧高速ホットキャリア半導体ダイオード２０４のスイッチング特性と共に、高電圧デプレッション・モード半導体２０２の高電圧及び低容量特性を有することができる。幾つかの実施形態において、ホットキャリア半導体ダイオード２０４は、デプレッション・モード半導体の閾値電圧を維持することだけを必要とする。このように、デプレッション・モード半導体２０２の高速特性を利用して、同期整流を用いる必要なしに、低い順方向電圧降下を有するダイオードを形成することができる。
【００３９】
デプレッション・モード半導体２０２は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含むことができる。例えば、本発明の主題の幾つかの実施形態によると、整流回路の整流信号出力ノードに接続された高速高電圧ノーマリオン型ＦＥＴ２０２と、ＦＥＴ２０２のソース・ノード２１２に接続されたカソード２０８及びＦＥＴ２０２のゲート・ノード２１４に接続されたアノード２０６を有する高速低電圧ダイオード２０４とを含む、高電圧低容量整流回路を設けることができる。幾つかの実施形態において、ダイオード２０４は、ショットキー・ダイオードとすることができる。他の実施形態において、ダイオード２０４は、シリコン・ショットキー・ダイオードとすることができる。幾つかの実施形態において、ＦＥＴ２０２は、少なくとも１つのヘテロ接合を導電性チャネルとして組み込むＨＥＭＴ回路を含む。ＦＥＴ２０２は、本発明の主題の幾つかの実施形態によるＨＥＭＴを含むことができる。ＦＥＴ２０２内に用いられるＨＥＭＴは、ＧａＮデバイスとして具体化することができる。
【００４０】
同一出願人による、引用により本明細書に組み入れられる、Ｃａｌｌａｎａｎ他による米国特許出願第１２／５０６，６１０号は、図２の整流回路２００の例示的な実施形態を詳細に説明する。
【００４１】
図３は、本発明の主題の幾つかの実施形態による、ブーストＤＣ−ＤＣ電力変換回路３００の回路図である。ブースト電力変換回路３００は電源電圧Ｖｉを含み、これは電圧変換回路によりコンデンサＣ１及び抵抗器Ｒ１で表される負荷に結合される。電圧変換回路は、インダクタＬ１で表される蓄積コンポーネントと、ダイオードＤ２及びＦＥＴトランジスタＪ２で表される整流コンポーネントと、ＦＥＴトランジスタＪ１で表されるスイッチとを含む。制御信号Ｖｃｔｒｌは、トランジスタＪ１のデューティ・サイクルを調節するのに用いられる。ダイオードＤ２及びトランジスタＪ２は、図２の整流回路２００に関して上述したように具体化することができる。両方のトランジスタＪ１及びＪ２は、ＨＥＭＴとすることができる。幾つかの実施形態において、トランジスタＪ１及びＪ２は、ＧａＮ  ＨＥＭＴとすることができる。
【００４２】
次に、ブーストＤＣ−ＤＣ電力変換回路３００の例示的な動作を説明する。スイッチング・トランジスタＪ１がオンになると、インダクタＬ１を通る電流が増大する。スイッチング・トランジスタＪ１がオフになると、インダクタＬ１を通る電流はもはやトランジスタＪ１を通って流れず、代わりにダイオードＤ１及びトランジスタＪ２を通って流れてコンデンサＣ１を充電する。従って、トランジスタＪ２がオフ状態に移行すると、トランジスタＪ１がオン状態にある間にインダクタＬ１内に蓄積されたエネルギーが、負荷に移動する。
【００４３】
両方のトランジスタＪ１及びＪ２が共にＧａＮ  ＨＥＭＴである図３のブーストＤＣ−ＤＣ電力変換回路３００を、ＰＳＰＩＣＥを用いてシミュレートした。シミュレーションの際に用いられたパラメータが、図４に示される。その結果は、ブーストＤＣ−ＤＣ電力変換回路３００内にスイッチング機能及び整流機能を与えるためのＧａＮ  ＨＥＭＴの使用が、比較的高い効率の、非常に高い周波数（例えば、２０ＭＨｚを上回る）及び高い電力（例えば、１００Ｗを上回る）における動作を可能にすることを示す。例えば、スイッチング及び整流コンポーネントの低容量による高電圧及び高周波数能力の特有の組み合わせが、そのような電力変換回路内の受動部品容積の大きさを２桁低減させることを可能にする。従って、本発明の主題の幾つかの実施形態によると、比較的低容量のスイッチング及び整流コンポーネントを用いて、約６００Ｖまでの比較的高電圧で動作することができる電力変換回路を提供することができる。さらに、低容量のスイッチング及び整流コンポーネントにより、電力変換回路が、少なくとも９５％の効率を維持しながら、共振スイッチ動作モードにおいて約１０ＭＨｚから１００ＭＨｚまでの範囲の周波数、及びハードスイッチング動作モードにおいて約１ＭＨｚから１０ＭＨｚまでの範囲の周波数で動作することが可能になる。
【００４４】
図面及び本明細書において、本発明の典型的な好ましい実施形態が開示され、特定の用語が用いられたが、これらは、一般的及び記述的な意味で用いられただけであり、限定目的では用いられていず、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲において説明される。
【符号の説明】
【００４５】
１００：電力変換回路
１１０：電源
１２０：変換回路
１３０：負荷
１４０：スイッチ
１５０：整流コンポーネント
１６０：蓄積コンポーネント
２００：整流回路
２０２：デプレッション・モード半導体（ＦＥＴ）
２０４：ホットキャリア半導体ダイオード
２０６：アノード
２０８：カソード
２１０：整流器カソード
２１２：ソース・ノード
２１３：ドレイン・ノード
２１４：ゲート・ノード
２２０：整流器アノード
３００：ブーストＤＣ−ＤＣ電力変換回路
【図１】
2013532934.tif 000003
【図２】
2013532934.tif 000004
【図３】
2013532934.tif 000005
【図４】
2013532934.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成25年3月11日(2013.3.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄積コンポーネントと、
第１の電界効果トランジスタを含み、第１及び第２のバイアス状態を有する整流コンポーネントと、
第２の電界効果トランジスタを含み、第１及び第２の動作状態を有するスイッチと、
を含み、
前記第１及び第２の電界効果トランジスタは、それぞれ、第１及び第２の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を含む、
ことを特徴とする電力変換回路。
【請求項２】
前記スイッチが前記第１の動作状態に構成され、前記整流コンポーネントが前記第１のバイアス状態にあるとき、電源からのエネルギーが前記蓄積コンポーネント内に蓄積され、前記スイッチが前記第２の動作状態に構成され、前記整流コンポーネントが前記第２のバイアス状態にあるとき、前記蓄積コンポーネント内に蓄積されたエネルギーが負荷に放出されることを特徴とする、請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項３】
前記整流コンポーネントは、前記第１の電界効果トランジスタのソース・ノードに接続されたカソードと、前記第１の電界効果トランジスタのゲート・ノードに接続されたアノードとを有する半導体ダイオードをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項４】
前記蓄積コンポーネントは磁界蓄積コンポーネントを含むことを特徴とする、請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項５】
前記蓄積コンポーネントは電界蓄積コンポーネントを含むことを特徴とする、請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項６】
前記第１及び第２のＨＥＭＴは、第１及び第２のＧａＮ  ＨＥＭＴを含むことを特徴とする、請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項７】
共振スイッチ動作モードで動作するときに約１０ＭＨｚ乃至１００ＭＨｚの範囲内のスイッチング周波数を有し、少なくとも約９５％の効率を有することを特徴とする電力変換回路。
【請求項８】
前記電力変換回路は約６００Ｖまでの電圧で動作することを特徴とする、請求項７に記載の電力変換回路。
【請求項９】
ハードスイッチング動作モードで動作するときに約１ＭＨｚ乃至１０ＭＨｚの範囲内のスイッチング周波数を有し、少なくとも約９５％の効率を有することを特徴とする電力変換回路。
【請求項１０】
前記電力変換回路は約６００Ｖまでの電圧で動作することを特徴とする、請求項９に記載の電力変換回路。
【国際調査報告】
2013532934.tif 000007