(57)【要約】      （修正有）【課題】III-窒化物ＨＥＭＴを使用する場合にデプレッションモードトランジスタを用いてノーマリーオン特性が問題を生じないようにする。【解決手段】少なくとも２つのノーマリーオンスイッチを用いている電圧コンバータ回路には、高電圧レール１０６及び低電圧レール１０８間に結合されたハイサイドスイッチ１２０ａ及びローサイドスイッチ１２０ｂを設ける。ハイサイドスイッチはスイッチノード１３２でローサイドスイッチに結合させる。少なくとも１つのIV族エンハンスメントモードトランジスタ１１０ａをイネーブルスイッチとして用いる。IV族エンハンスメントモードトランジスタは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、スーパージャンクション電界効果トランジスタ、ユニポーラIV族電界効果トランジスタ又はバイポーラジャンクショントランジスタとすることができる。【選択図】図１
2015006125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのハーフブリッジを具える回路であって、
前記ハーフブリッジは、前記回路の高電圧レール及び低電圧レール間に結合されたノーマリーオンハイサイドスイッチ及びノーマリーオンローサイドスイッチを有しており、
前記ノーマリーオンハイサイドスイッチは、前記ハーフブリッジのスイッチノードで前記ノーマリーオンローサイドスイッチに結合されており、
前記ノーマリーオンハイサイドスイッチ及び前記ノーマリーオンローサイドスイッチの少なくとも一方がノーマリーオンIII-窒化物スイッチであり、
前記回路が更に、
前記ノーマリーオンIII-窒化物スイッチに対するイネーブルスイッチとして構成したIV族エンハンスメントモードトランジスタ
を具えている回路。
【請求項２】
請求項１に記載の回路において、この回路がバックコンバータとして構成されているようにした回路。
【請求項３】
請求項１に記載の回路において、前記IV族エンハンスメントモードトランジスタが絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を有している回路。
【請求項４】
請求項１に記載の回路において、前記IV族エンハンスメントモードトランジスタがスーパージャンクション電界効果トランジスタ（ＳＪＦＥＴ）を有している回路。
【請求項５】
請求項１に記載の回路において、前記IV族エンハンスメントモードトランジスタがユニポーラ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を有している回路。
【請求項６】
請求項１に記載の回路において、この回路が１つよりも多いIV族エンハンスメントモードトランジスタを具えている回路。
【請求項７】
請求項１に記載の回路において、前記ノーマリーオンIII-窒化物スイッチがIII-窒化物ＦＥＴを有している回路。
【請求項８】
請求項１に記載の回路において、前記ノーマリーオンIII-窒化物スイッチがIII-窒化物高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を有している回路。
【請求項９】
３相モータ駆動回路であって、この回路が、
この回路の高電圧レール及び低電圧レール間に結合された第１のノーマリーオンハイサイドスイッチ及び第１のノーマリーオンローサイドスイッチを有する第１のスイッチング分岐と、
前記高電圧レール及び前記低電圧レール間に結合された第２のノーマリーオンハイサイドスイッチ及び第２のノーマリーオンローサイドスイッチを有する第２のスイッチング分岐と、
前記高電圧レール及び前記低電圧レール間に結合された第３のノーマリーオンハイサイドスイッチ及び第３のノーマリーオンローサイドスイッチを有する第３のスイッチング分岐と
を具えており、
前記第１、第２及び第３のノーマリーオンハイサイドスイッチ及び前記第１、第２及び第３のノーマリーオンローサイドスイッチの少なくとも１つがノーマリーオンIII-Ｖ族スイッチであり、
前記回路が更に、
前記第１、第２及び第３のスイッチング分岐の少なくとも１つに対するイネーブルスイッチとして構成された少なくとも１つのIV族エンハンスメントモードトランジスタ
を具えている３相モータ駆動回路。
【請求項１０】
請求項９に記載の３相モータ駆動回路において、前記IV族エンハンスメントモードトランジスタが絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を有している３相モータ駆動回路。
【請求項１１】
請求項９に記載の３相モータ駆動回路において、前記IV族エンハンスメントモードトランジスタがスーパージャンクション電界効果トランジスタ（ＳＪＦＥＴ）を有している３相モータ駆動回路。
【請求項１２】
請求項９に記載の３相モータ駆動回路において、前記IV族エンハンスメントモードトランジスタがユニポーラ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を有している３相モータ駆動回路。
【請求項１３】
請求項９に記載の３相モータ駆動回路において、この回路が１つよりも多いIV族エンハンスメントモードトランジスタを具えている３相モータ駆動回路。
【請求項１４】
請求項９に記載の３相モータ駆動回路において、前記ノーマリーオンIII-Ｖ族スイッチがIII-窒化物ＦＥＴを有している３相モータ駆動回路。
【請求項１５】
請求項９に記載の３相モータ駆動回路において、前記ノーマリーオンIII-Ｖ族スイッチがIII-窒化物高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を有している３相モータ駆動回路。
【請求項１６】
３相負荷駆動用のマトリックスコンバータ回路であって、このマトリックスコンバータ回路が、
第１の出力ノードに結合された第１の組の３つのノーマリーオン双方向スイッチを有する第１のスイッチング分岐と、
第２の出力ノードに結合された第２の組の３つのノーマリーオン双方向スイッチを有する第２のスイッチング分岐と、
第３の出力ノードに結合された第３の組の３つのノーマリーオン双方向スイッチを有する第３のスイッチング分岐と
を具えており、
前記第１、第２及び第３の組のノーマリーオン双方向スイッチの少なくとも１つがノーマリーオンIII-Ｖ族スイッチを有しており、
前記マトリックスコンバータ回路が更に、
少なくとも１つの前記ノーマリーオンIII-Ｖ族スイッチに対するイネーブルスイッチとして構成された少なくとも１つのIV族エンハンスメントモードトランジスタ
を具えているマトリックスコンバータ回路。
【請求項１７】
請求項１６に記載のマトリックスコンバータ回路において、前記少なくとも１つのIV族エンハンスメントモードトランジスタが絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を有しているマトリックスコンバータ回路。
【請求項１８】
請求項１６に記載のマトリックスコンバータ回路において、前記少なくとも１つのIV族エンハンスメントモードトランジスタがスーパージャンクション電界効果トランジスタ（ＳＪＦＥＴ）を有しているマトリックスコンバータ回路。
【請求項１９】
請求項１６に記載のマトリックスコンバータ回路において、前記少なくとも１つのIV族エンハンスメントモードトランジスタがユニポーラ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を有しているマトリックスコンバータ回路。
【請求項２０】
請求項１６に記載のマトリックスコンバータ回路において、このマトリックスコンバータ回路が１つよりも多いIV族エンハンスメントモードトランジスタを具えているマトリックスコンバータ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電圧IV族イネーブルスイッチを具えるデプレッションモードIII-Ｖ族トランジスタに関するものである。
【０００２】
本出願は、“Depletion Mode Group III-Ｖ Device with DC Enable IGBT Switch,”と題して２０１３年６月２１日に出願された出願番号61/837,777の米国特許仮出願の優先権を主張するものである。この米国特許仮出願の開示内容は、全体的に参考のために本出願に導入されるものである。
[定義]
【０００３】
ここで用いる用語“III-窒化物”又は“III-Ｎ”は、窒素と、アルミニウム（Al）、ガリウム（Ga）、インジウム（In）及びホウ素（Ｂ）のような少なくとも１つのIII族元素とを有する化合物半導体を言及するものであり、この化合物半導体にはその何らかの合金、例えば、窒化アルミニウムガリウム（Alx Ga(1-x) Ｎ）、窒化インジウムガリウム（Iny Ga(1-y) Ｎ）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（Alx Iny Ga(1-x-y) Ｎ）、窒化ヒ化リン化ガリウム（GaAsa Pb Ｎ(1-a-b) ）、窒化ヒ化リン化アルミニウムインジウムガリウム（Alx Iny Ga(1-x-y) Asa Pb Ｎ(1-a-b) ）を含むが、これらに限定されるものではない。又、III-Ｎは一般に、Ga極性、Ｎ極性、半極性又は無極性（これらに限定されるものではない）の結晶方位を含む如何なる極性をも言及するものである。また、III-Ｎ材料は、ウルツ鉱、閃亜鉛鉱又はこれらの混合のポリ型のいずれかを含んでもよく、単結晶、モノクリスタル、ポリクリスタル又はアモルファス構造であってもよい。ここで用いる窒化ガリウム又はGaＮは、III 族元素が若干の又は相当量のガリウムを含むIII-Ｎ化合物半導体を言及するものであるが、これにはガリウムに加えて他のIII 族元素を含むことができる。III-Ｎ又はGaＮトランジスタは、III-Ｎ又はGaＮトランジスタを低電圧IV族トランジスタとカスコード接続することにより形成された複合高電圧エンハンスメントモードトランジスタを言及することもできる。
【０００４】
更に、ここで用いる語句“IV族”は、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）及び炭素（Ｃ）のような少なくとも１つのIV族元素を有する半導体を言及するものであり、この半導体は例えば、シリコンゲルマニウム（SiGe）や炭化ケイ素（SiＣ）のような化合物半導体を有することもできる。又、IV族は、IV族元素の層を１つよりも多く有するか又はIV族元素のドーピングを有し、ストレインドIV族元素材料を形成するようにした半導体材料をも言及するものであり、この半導体材料は例えば、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、ＳＩＭＯＸ（separation by implantation of oxygen）処理基板及びシリコンオンサファイア（ＳＯＳ）のようなIV族ベースの複合基板を有することもできる。
【０００５】
ここでトランジスタ又はスイッチと関連して用いている用語“低電圧”又は“ＬＶ”は、約５０ボルト（５０Ｖ）までの電圧範囲を有するトランジスタ又はスイッチを表していることを銘記されたい。更に、用語“中電圧（midvoltage）”又は“ＭＶ”は、約５０ボルトから約２００ボルトまでの電圧範囲（約５０Ｖ〜２００Ｖ）を言及することを銘記されたい。更に、ここで用いる用語“高電圧”又は“ＨＶ”は、約２００ボルトから約１２００ボルトまでの電圧範囲（約２００Ｖ〜１２００Ｖ）、或いはそれよりも高い電圧を言及することを銘記されたい。
【０００６】
本出願では、デプレッションモードトランジスタを言及する場合に、“ノーマリーオン”、“デプレッションモード”、“Ｄモード”又は“ｄモード”を互換可能に用いうるものである。逆に、エンハンスメントモードトランジスタを言及する場合に、“ノーマリーオフ”、“エンハンスメントモード”、“Ｅモード”又は“ｅモード”を互換可能に用いうるものである。
【背景技術】
【０００７】
高出力及び高性能回路の分野では、窒化ガリウム（GaＮ）又はその他のIII-窒化物ベースの高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のようなIII-Ｖ族電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が、これらの高効率及び高電圧動作のためにしばしば望まれている。III-窒化物及びその他のIII-Ｖ族ＨＥＭＴは分極場を用いて、低抵抗損失で電流密度を高くする二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を発生させる。２ＤＥＧは、ＨＥＭＴを形成するIII-窒化物又はその他のIII-Ｖ族材料のヘテロ接合界面で必然的に発生しうる為、III-Ｖ族ＨＥＭＴは代表的に、ゲート電位を印加することなく導通する。すなわち、III-窒化物又はその他のIII-Ｖ族ＨＥＭＴは、ネイティブデプレッションモード（すなわち、ノーマリーオン）のデバイスとなる傾向にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第 7,902,809号
【特許文献２】米国特許第 8,674,670号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
III-窒化物ＨＥＭＴの降伏電圧が高く、電流密度が高く、オン抵抗が低いことにより、これらのIII-窒化物ＨＥＭＴを電力分野で用いるのに有利なものとする可能性があるが、このようなデプレッションモードトランジスタを電源スイッチとして用いる場合に、III-窒化物ＨＥＭＴのノーマリーオン特性が問題を生ぜしめるおそれがある。例えば、少なくとも１つのデプレッションモードIII-窒化物ＨＥＭＴのゲートをバイアスしてこのＨＥＴＭを高抵抗性又はオフ状態（ＯＦＦ）に保持する前に、回路の電源を入れる（すなわち、スイッチ端子にバイアスを加える）と、負荷及び回路を損傷させるおそれがある。しかし、デプレッションモードトランジスタを使用することにより、複数のＨＥＭＴの簡単なモノリシック集積化を可能としうる。集積化は、必要とされるデバイスが比較的小型である（例えば、約２．０mm2 よりも小型にする）場合に特に重要である。その理由は、III-窒化物デバイスをより小型にモノリシック集積化するのをしばしばより容易に且つより廉価に行うことができ、従って、極めて小型の個別のIII-窒化物デバイスを単体化及びパッケージ化することができる為である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ほぼ少なくとも１つの図に図示してあるか又はこの図に関連して説明してあるか、或いはこの図示及び説明の双方が行われているように、しかもより完全に特許請求の範囲に開示してあるように、高電圧IV族イネーブルスイッチを具えるデプレッションモードIII-Ｖ族トランジスタの使用に向けたものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一態様による、ハイサイド及びローサイドのノーマリーオンIII-窒化物トランジスタと、２つのＩＧＢＴイネーブルスイッチとを具える代表的なハーフブリッジ型電圧コンバータ回路を示す線図である。
【図２】本発明の他の態様による、ハイサイド及びローサイドのノーマリーオンIII-窒化物トランジスタと、１つのＩＧＢＴイネーブルスイッチとを具える代表的なハーフブリッジ型電圧コンバータ回路を示す線図である。
【図３】本発明の一態様による、ハイサイド及びローサイドのノーマリーオンIII-窒化物トランジスタと、１つのＩＧＢＴイネーブルスイッチとを具える代表的なフルブリッジ型電圧コンバータ回路を示す線図である。
【図４】本発明の一態様による、ノーマリーオンIII-窒化物トランジスタと、１つのＩＧＢＴイネーブルスイッチとを具える、３相モータ駆動用の代表的な電圧コンバータ回路を示す線図である。
【図５】本発明の一態様による、ノーマリーオンIII-Ｖ族双方向スイッチと、ＩＧＢＴイネーブルスイッチとを具える、代表的な３相マトリックスコンバータ回路を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明における実施例に関連する特定の情報を開示する。当業者は、ここに具体的に開示する方法とは異なる方法で本発明を実行しうることを認識するであろう。本出願の図面及びこれに付随する詳細な説明は、代表的な実施例に向けたものにすぎない。他に断らない限り、図中の同様な又は対応する要素を同様な又は対応する参照符号で示しうるものとする。更に、本出願における図面及び絵は一般に実際のものに正比例して描いておらず、実際の相対的な寸法に対応させることを意図するものでもない。
【００１３】
電力変換回路としては、種々のパワーマネージメント（電力管理）分野で用いるための幾つかのスイッチ構造の形態で提供されている。これらの回路では代表的に、シリコンベースの金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）及びスーパージャンクション電界効果トランジスタ（ＳＪＦＥＴ）技術が用いられている。しかし、最近になって、これらのシリコンベースのトランジスタに代わるものとして、III-窒化物ベースの高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）技術のようなIII-Ｖ半導体トランジスタ技術が開発されつつある。
【００１４】
上述したように、III-窒化物及びその他のIII-Ｖ族ＨＥＭＴは、分極場を用いて、低抵抗損失で電流密度を高くする二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を発生させるように動作する。２ＤＥＧはＨＥＭＴを形成するIII-窒化物又はその他のIII-Ｖ族材料のヘテロ接合界面で必然的に発生しうる為、III-Ｖ族ＨＥＭＴは代表的に、ゲート電位を印加することなく導通する。すなわち、III-窒化物及びその他のIII-Ｖ族ＨＥＭＴは、生来的なデプレッションモード（すなわち、ノーマリーオン）のデバイスとなる傾向にある。
【００１５】
III-窒化物ＨＥＭＴの降伏電圧が高く、電流密度が高く、オン抵抗が低いことにより、これらのIII-窒化物ＨＥＭＴを電力分野で用いるのに有利なものとする可能性があるが、このようなデプレッションモードトランジスタを電源スイッチとして用いる場合に、III-窒化物ＨＥＭＴのノーマリーオン特性が問題を生ぜしめるおそれがある。例えば、少なくとも１つのデプレッションモードIII-窒化物ＨＥＭＴのゲートをバイアスしてこのＨＥＭＴを高抵抗性又はオフ状態（ＯＦＦ）に保持する前に、回路に電源を入れる（すなわち、スイッチ端子にバイアスを加える）と、負荷及び回路を損傷させるおそれがある。
【００１６】
しかし、デプレッションモードトランジスタを使用することにより、複数のＨＥＭＴの簡単なモノリシック集積化を可能としうる。集積化は、必要とされるデバイスが比較的小型である（例えば、約２．０mm2 よりも小型にする）場合に特に重要である。その理由は、III-窒化物デバイスをより小型にモノリシック集積化するのをしばしばより容易に且つより廉価に行うことができ、従って、極めて小型の個別のIII-窒化物デバイスを単体化及びパッケージ化することができる為である。
【００１７】
本出願は、１つ以上のノーマリーオンIII-窒化物又はその他のIII-Ｖ族スイッチと、１つのIV族エンハンスメントモード（ノーマリーオフ）スイッチとを具える電圧変換回路に向けたものである。IV族エンハンスメントモードスイッチは、電圧源とノーマリーオンIII-Ｖ族スイッチとの間の経路内のイネーブルスイッチとして構成されており、ノーマリーオンIII-Ｖ族スイッチへの経路の導通を達成するか又はノーマリーオンIII-Ｖ族スイッチからの経路の遮断を達成するようにする。
【００１８】
ハーフブリッジ型の回路構造では、代表的に電圧源のレール間で直列に接続された２つのスイッチがある。ネイティブデプレッションモードのデバイス（例えば、III-窒化物ＨＥＭＴ）をハイサイド及びローサイドのスイッチとして用いる場合には、正及び負のレール間を短絡させる電位がある。低電圧（ＬＶ）エンハンスメントモードスイッチと高電圧（ＨＶ）ノーマリーオンスイッチとを有する複合スイッチを用いてノーマリーオフスイッチを形成しうるが、このようなデバイス構造は、特に比較的低い負荷電流に対して極めて小型のデバイスを必要とする場合にそれ自体を良好に集積化しえない。
【００１９】
頑丈で安定なエンハンスメントモードのIII-窒化物デバイスには現在、その性能が比較的悪いことに不便性があり、従って、ある実施に当ってはデプレッションモードのIII-窒化物デバイスが好まれている。従って、ノーマリーオンIII-窒化物スイッチを用いる場合の正及び負の電圧レール間の短絡を回避するために、ノーマリーオンIII-窒化物スイッチが制御されるまでイネーブルスイッチをオフ状態に保つようにする。すなわち、システムが安全である（例えば、負荷に短絡やその他の不所望な状態が存在しない）ことを、システムコントローラが決定するまで、負のバイアスを少なくとも１つのノーマリーオンIII-窒化物スイッチのゲートに供給することによりこのノーマリーオンIII-窒化物スイッチをオフ状態に保持するようにしうる。
【００２０】
シリコンＭＯＳＦＥＴに基づいているイネーブルスイッチ或いは保護回路を用いるＬＶ電力変換回路及びデプレッションモードIII-窒化物ＨＥＭＴに対する関連の回路構造の設計は、２０１１年３月８日に刊行された“DC/DC Converter Including a Depletion Mode Power Switch ”と題する米国特許第7,902,809号及び２０１４年３月１８日に刊行された“DC/DC Converter with Depletion-Mode III-Nitride Switches”と題する米国特許第 8,674,670号明細書に開示されていることに注意されたい。本出願では、これらの米国特許の開示全体は完全に参考のために導入されるものである。
【００２１】
しかし、ＬＶ及び中電圧（ＭＶ）のユニポーラシリコンベースのＦＥＴは、ＬＶ及びＭＶ回路にイネーブルスイッチの機能性を導入するのにふさわしいものとしうるが、ＨＶ回路においてはこれらのＦＥＴを用いるのは適さない。ＨＶ回路においては、イネーブルスイッチとして代表的にＩＧＢＴ及びＳＪＦＥＴを用いるのがより適している。その理由は、所定のダイ寸法に対するオン抵抗及び価格の面でＩＧＢＴ及びＳＪＦＥＴが著しく有効である為である。
【００２２】
電圧変換回路におけるハイサイド及びローサイドスイッチとして構成されたIII-窒化物スイッチであって、適応分野に基づいた高周波でスイッチングする必要のあるこれらスイッチと相違して、IV族エンハンスメントモードイネーブルスイッチ（例えば、ＩＧＢＴ又はＳＪＦＥＴ）は、回路の電源を入れる状態又は他のシステム故障状態中に時々スイッチングする必要があるだけである。従って、IV族イネーブルスイッチのスイッチチャージ（switch charge ）はそれほど重要なものではなく、従って、適用電流に対してより高いチャージを呈し、デバイスがより低価格となるように最適に設計することができる。
【００２３】
図１は、少なくとも２つのノーマリーオンIII-窒化物ＦＥＴと、IV族エンハンスメントモードイネーブルスイッチとの組合せを具えるスイッチ回路を用いている例である。この図１は、ハイサイド及びローサイドスイッチを有するハーフブリッジスイッチング回路として構成した本発明の一実施例による代表的な電圧コンバータ回路１００を示している。降圧コンバータとしうるこの電圧コンバータ回路１００は例えば、スイッチノード１３２でローサイドスイッチ１２０ｂに結合されたハイサイドスイッチ１２０ａを有するスイッチング分岐１８２を具えている。或いはまた、ブースト回路を適切に構成することもできる。
【００２４】
図１に示すように、スイッチング分岐１８２のハイサイドスイッチ１２０ａ及びローサイドスイッチ１２０ｂは、電圧コンバータ回路１００の高電圧レール１０６と低電圧レール１０８との間に結合されている。更に図１に示すように、ハイサイドスイッチ１２０ａ及びローサイドスイッチ１２０ｂはそれぞれ、ノーマリーオンIII-窒化物ＦＥＴとして構成されている（以後“ＤモードIII-窒化物ＦＥＴ１２０ａ”及び“ＤモードIII-窒化物ＦＥＴ１２０ｂ”と称する）。本明細書で用いられているように、表現“デプレッションモード”、“Ｄモード”及び“ノーマリーＯＮ”を互換可能に用いうるものであることを銘記されたい。図１には、出力インダクタ１３４を介してスイッチノード１３２に結合されている負荷１１８や、キャパシタ１３８も示してある。この負荷１１８は主として、インダクタンス、抵抗及びキャパシタンスの何れか１つ又はこれらの任意の組合せとすることができる。
【００２５】
図１は、スイッチング分岐１８２に対する双方のレール上のエンハンスメントモードのイネーブルスイッチとしてＩＧＢＴを有する対称的な電力レールを用いている例を提供するものである。すなわち、ＩＧＢＴイネーブルスイッチ１１０ａが高電圧レール１０６における入力電圧V+の点とハイサイドスイッチ１２０ａとの間に結合され、ＩＧＢＴイネーブルスイッチ１１０ｂが低電圧レール１０８における入力電圧V-の点とローサイドスイッチ１２０ｂとの間に結合されている。この場合、ＩＧＢＴイネーブルスイッチ１１０ａのエミッタ１１４ａをＤモードIII-窒化物ＦＥＴ１２０ａのドレイン１２２ａに結合でき、ＤモードIII-窒化物ＦＥＴ１２０ｂのドレイン１２２ｂをスイッチノード１３２に結合しうる。更に、ＩＧＢＴイネーブルスイッチ１１０ｂのエミッタ１１４ｂはＤモードIII-窒化物ＦＥＴ１２０ｂのソース１２４ｂに結合させることができる。図１には、ＩＧＢＴイネーブルスイッチ１１０ａのコレクタ１１２ａ及びゲート１１６と、ＩＧＢＴイネーブルスイッチ１１０ｂのコレクタ１１２ｂ及びゲート１１６ｂと、ＤモードIII-窒化物ＦＥＴ１２０ａのソース１２４ａ及びゲート１２６ａと、ＤモードIII-窒化物ＦＥＴ１２０ｂのゲート１２６ｂとが更に示してあることを銘記されたい。
【００２６】
ある実施例では、電圧コンバータ回路１００をブーストコンバータ、バックコンバータ、モータドライブ回路又はその他の一般的な電圧コンバータ回路の構成として形成することができる。更に、ある実施例では、ＩＧＢＴ１１０ａ及び１１０ｂで示されるエンハンスメントモードイネーブルスイッチを、ＳＪＦＥＴとして又は他のＨＶIV族ベース技術を用いて構成することができる。
【００２７】
図１を参照し続けるに、ノード１４１及び１４２において高電圧レール１０６及び低電圧レール１０８間に結合した随意のキャパシタ１３６を示してある。この随意のキャパシタ１３６は、IV族エンハンスメントモードイネーブルスイッチ（例えば、ＩＧＢＴイネーブルスイッチ１１０ａ及び１１０ｂ）の定格電流の条件を低減させるのに用いうる。ＤモードIII-窒化物ＦＥＴ１２０ａは、ハーフブリッジスイッチング分岐１８２の制御スイッチとして作用し、従って、代表的に所定のデューティサイクル“Ｄ”でオン（ＯＮ）となり、高電圧レール１０６から負荷１１８に電流が供給される。高周波スイッチングサイクルを有するＤモードIII-窒化物ＦＥＴ１２０ａとは相違して、ＩＧＢＴイネーブルスイッチ１１０ａは上述したように高周波でスイッチングする必要はない。従って、随意のキャパシタ１３６を高電圧レール１０６及び低電圧レール１０８間に結合することにより、ＤモードIII-窒化物ＦＥＴ１２０ａ及び１２０ｂに改善された過渡応答を与えることができる。従って、ＩＧＢＴイネーブルスイッチ１１０ａ及び１１０ｂを通る全抵抗損は少なくなり、より小型の（且つより廉価な）ＩＧＢＴ又はその他のIV族イネーブルスイッチを用いうるようにする。
【００２８】
図２は、少なくとも２つのＤモードIII-窒化物ＦＥＴと、１つのIV族エンハンスメントモードイネーブルスイッチとの組合せを具えるスイッチ回路を用いている他の例である。この図２は、ハイサイド及びローサイドスイッチを有する、電力レールが非対称とされているハーフブリッジスイッチング回路として構成した本発明の一実施例による代表的な電圧コンバータ回路２００を示している。この電圧コンバータ回路２００は、スイッチノード２３２でローサイドスイッチ２２０ｂに結合されたハイサイドスイッチ２２０ａを有するスイッチング分岐２８２を具えている。図２に示すように、スイッチング分岐２８２のハイサイドスイッチ２２０ａ及びローサイドスイッチ２２０ｂ（これらを以後それぞれ、“ＤモードIII-窒化物ＦＥＴ２２０ａ”及び“ＤモードIII-窒化物ＦＥＴ２２０ｂ”と称する）は、電圧コンバータ回路２００の高電圧レール２０６及び接地レール２０８間に結合されている。図２には、出力インダクタ２３４を経てスイッチノード２３２に結合された負荷２１８や、キャパシタ２３８も示してある。この負荷２１８は主として、インダクタンス、抵抗及びキャパシタンスの何れか１つ又はこれらの任意の組合せとすることができる。
【００２９】
図２は、スイッチング分岐２８２に対する高電圧レール上のイネーブルスイッチとしてＩＧＢＴを有する非対称的な電力レールを用いている例を提供するものである。すなわち、ＩＧＢＴイネーブルスイッチ２１０が高電圧レール２０６における入力電圧V+の点とＤモードIII-窒化物ＦＥＴ２２０ａとの間に直列に結合されている。この場合、ＩＧＢＴイネーブルスイッチ２１０のエミッタ２１４をＤモードIII-窒化物ＦＥＴ２２０ａのドレイン２２２ａに結合でき、ＤモードIII-窒化物ＦＥＴ２２０ｂのドレイン２２２ｂをスイッチノード２３２に結合しうる。ある他の実施例では、イネーブルスイッチをＳＪＦＥＴ又はその他のＨＶのシリコンベースとしたスイッチの形態としうることを銘記されたい。
【００３０】
図２には、ＩＧＢＴイネーブルスイッチ２１０のコレクタ２１２及びゲート２１６と、ＤモードIII-窒化物ＦＥＴ２２０ａのソース２２４ａ及びゲート２２６ａと、ＤモードIII-窒化物ＦＥＴ２２０ｂのドレイン２２２ｂ、ソース２２４ｂ及びゲート２２６ｂとが更に示してあることを銘記されたい。図２は更に、高電圧レール２０６及び接地レール２０８間に結合された随意のキャパシタ２３６を示している。この随意のキャパシタ２３６は、使用した場合に、図１で説明した随意のキャパシタ１３６と同じ機能を呈し、随意のキャパシタ１３６に属する特性の何れかを有するようにしうる。
【００３１】
図３につき説明するに、この図３は少なくとも２つのＤモードIII-窒化物ＦＥＴと、１つのIV族エンハンスメントモードイネーブルスイッチとの組合せを具えるスイッチ回路を用いている更に他の例である。この図３は、第１及び第２スイッチング分岐を有するスイッチング回路をＨブリッジ又はフルブリッジとして構成した本発明の一実施例による代表的な電圧コンバータ回路３００を示している。この電圧コンバータ回路３００は、スイッチノード３３２でローサイドスイッチ３４０に結合されたハイサイドスイッチ３３０を有するスイッチング分岐３８２と、スイッチノード３５２でローサイドスイッチ３６０に結合されたハイサイドスイッチ３５０を有するスイッチング分岐３８４とを具えている。
【００３２】
図３に示すように、スイッチング分岐３８２及び３８４の各々は、電圧コンバータ回路３００の高電圧レール３０６及び接地レール３０８間に結合されている。図３には、出力インダクタ３３４を経てスイッチノード３５２に結合された負荷３１８や、キャパシタ３３８も示してある。この負荷３１８は主として、インダクタンス、抵抗及びキャパシタンスの何れか１つ又はこれらの任意の組合せとすることができる。図３には更に、高電圧レール３０６及び接地レール３０８間に結合された随意のキャパシタ３３６をも示されている。この随意のキャパシタ３３６は、使用した場合に、図１で説明した随意のキャパシタ１３６と同じ機能を呈し、随意のキャパシタ１３６に属する特性の何れかを有するようにしうる。
【００３３】
図３は、ＤモードIII-窒化物ハイサイドスイッチ３３０及び３５０に結合されたＩＧＢＴイネーブルスイッチ３１０をも示している。すなわち、ＩＧＢＴスイッチ３１０が高電圧レール３０６における高入力電圧V+の点と、スイッチング分岐３８２及び３８４のそれぞれのハイサイドＤモードIII-窒化物ＦＥＴ３３０及び３５０との間に結合されている。ハイサイドスイッチ３３０及びローサイドスイッチ３４０を有するスイッチング分岐３８２と、ハイサイドスイッチ３５０及びローサイドスイッチ３６０を有するスイッチング分岐３８４との各々は、図２における、ハイサイドスイッチ２２０ａ及びローサイドスイッチ２２０ｂを有するスイッチング分岐２８２に対応し、これらの上述した対応する特徴に属する特性の何れかを有するようにしうる。
【００３４】
ある他の実施例では、エンハンスメントモードイネーブルスイッチ３１０をＳＪＦＥＴ又はその他のＨＶのシリコンベースとしたスイッチの形態としうることを銘記されたい。更に、図１に示すのと類似する対称的な電力レールをフルブリッジ構造で用いることができることを銘記されたい。このような場合、図１に示す場合におけるように、IV族ＩＧＢＴ又はＳＪＦＥＴのようなエンハンスメントモードイネーブルスイッチを、図１に示す例に類似するように負の低電圧レール及び正の高電圧レールに対して用いることができる。
【００３５】
図４は、少なくとも２つのＤモードIII-窒化物ＦＥＴと、１つのIV族エンハンスメントモードイネーブルスイッチとの組合せを具えるスイッチ回路を用いている他の例である。この図４は、３相モータ４１８を、或いはより一般的には３相負荷を駆動する代表的な電圧コンバータ回路４００を示している。図４に示すように、この電圧コンバータ回路４００はハイサイドスイッチ４３０、４５０及び４７０と、ローサイドスイッチ４４０、４６０及び４８０とを有している。更に図４に示すように、ハイサイドスイッチ４３０及びローサイドスイッチ４４０は、高電圧レール４０６及び接地レール４０８間に結合されてスイッチング分岐４８２を形成している。同様に、ハイサイドスイッチ４５０／４７０及びローサイドスイッチ４６０／４８０が、高電圧レール４０６及び接地レール４０８間に結合されてそれぞれスイッチング分岐４８４／４８６を形成している。更に図４には、３相モータ４１８に結合されたスイッチング分岐４８２、４８４及び４８６のそれぞれのスイッチノード４３２、４５２及び４７２と、随意のキャパシタ４３６と、ＩＧＢＴイネーブルスイッチ４１０とも図示されている。
【００３６】
ＩＧＢＴイネーブルスイッチ４１０は、高電圧レール４０６における入力電圧V+の点と、ＤモードIII-窒化物ＦＥＴのハイサイドスイッチ４３０／４５０／４７０との間に結合されている。ハイサイドスイッチ４３０及びローサイドスイッチ４４０を有するスイッチング分岐４８２と、ハイサイドスイッチ４５０及びローサイドスイッチ４６０を有するスイッチング分岐４８４と、ハイサイドスイッチ４７０及びローサイドスイッチ４８０を有するスイッチング分岐４８６との各々は、図２におけるハイサイドスイッチ２２０ａ及びローサイドスイッチ２２０ｂを有するスイッチング分岐２８２に対応しており、これらの上述した対応する特徴に属する特性の何れかを有するようにしうる。随意のキャパシタ４３６は、高電圧レール４０６及び接地レール４０８間に結合されている。随意のキャパシタ４３６は、これを用いた場合に、図１で説明した随意のキャパシタ１３６と同じ機能を呈し、随意のキャパシタ１３６に属する特性の何れかを有するようにしうる。
【００３７】
ある他の実施例では、イネーブルスイッチ４１０をＳＪＦＥＴ又はその他のＨＶIV族ベースとしたスイッチの形態としうることも銘記されたい。更に、図１に示すのと類似する対称的な電力レールを本発明の回路構造の変形例で用いることができることを銘記されたい。このような場合、図１に示す場合におけるように、IV族ＩＧＢＴ又はＳＪＦＥＴ又はユニポーラＦＥＴのようなエンハンスメントモードイネーブルスイッチを、図１に示す例に類似するように負の低電圧レール及び正の高電圧レールに対して用いることができる。
【００３８】
図５を参照するに、この図５は、何れかの出力相を何れかの入力相に結合させる９個の双方向スイッチを有する代表的な例の３相／３相マトリックスコンバータ回路５００を示す。図５に示すように、このマトリックスコンバータ回路５００は、３つのスイッチ分岐５９２、５９４及び５９６を有するとともに、９個の双方向デプレッションモードIII-窒化物マトリックススイッチ５２０ａ、５２０ｂ、５２０ｃ、５２０ｄ、５２０ｅ、５２０ｆ、５２０ｇ、５２０ｈ及び５２０ｉ（以後“ノーマリーオンIII-窒化物マトリックススイッチ５２０ａ〜５２０ｉ”と称する）を含んでいるスイッチマトリックス５９０を具えている。第１のスイッチ分岐５９２は第１の組のスイッチ５２０ａ、５２０ｂ及び５２０ｃを有している。第２のスイッチ分岐５９４は第２の組のスイッチ５２０ｄ、５２０ｅ及び５２０ｆを有している。第３のスイッチ分岐５９６は第３の組のスイッチ５２０ｇ、５２０ｈ及び５２０ｉを有している。
【００３９】
第１のスイッチ分岐５９２の双方向マトリックススイッチ５２０ａ、５２０ｂ及び５２０ｃの出力端は、出力ノード５３３を経て出力相５３２に結合されている。同様に、第２のスイッチ分岐５９４の双方向マトリックススイッチ５２０ｄ、５２０ｅ及び５２０ｆの出力端は、出力ノード５５３を経て出力相５５２に結合されており、第３のスイッチ分岐５９６の双方向マトリックススイッチ５２０ｇ、５２０ｈ及び５２０ｉの出力端は、出力ノード５７３を経て出力相５７２に結合されている。
【００４０】
また、図５に示す実施例によれば、ノーマリーオンIII-窒化物マトリックススイッチ５２０ａ〜５２０ｉは、デュアルゲートIII-窒化物ＦＥＴで構成されている。他の実施例として、ノーマリーオンIII-窒化物マトリックススイッチ５２０ａ〜５２０ｉは、シングルゲートのノーマリーオンIII-窒化物ＦＥＴや他のＩＩＩ−Ｖ族ＦＥＴで構成されていてもよい。
【００４１】
更に図５に示すように、双方向マトリックススイッチ５２０ａ、５２０ｄ及び５２０ｇはそれぞれ、入力ノード５１４を経てＩＧＢＴイネーブルスイッチ５１０ａに結合された入力端５２２ａ、５２２ｄ及び５２２ｇを有している。同様に、双方向マトリックススイッチ５２０ｂ、５２０ｅ及び５２０ｈはそれぞれ、入力ノード５１６を経てＩＧＢＴイネーブルスイッチ５１０ｂに結合された入力端５２２ｂ、５２２ｅ及び５２２ｈを有し、双方向マトリックススイッチ５２０ｃ、５２０ｆ及び５２０ｉはそれぞれ、入力ノード５１８を経てＩＧＢＴイネーブルスイッチ５１０ｃに結合された入力端５２２ｃ、５２２ｆ及び５２２ｉを有している。
【００４２】
図５は、２つよりも多いＤモードIII-窒化物スイッチをIV族エンハンスメントモードイネーブルスイッチと一緒に有するスイッチ回路を用いる他の例をも提供する。すなわち、ＩＧＢＴイネーブルスイッチ５１０ａが相入力端５０４と、ＤモードIII-窒化物マトリックススイッチ５２０ａ／５２０ｄ／５２０ｇに結合されたスイッチノード５１４との間に直列に結合されている。同様に、ＩＧＢＴイネーブルスイッチ５１０ｂが相入力端５０６と、ＤモードIII-窒化物マトリックススイッチ５２０ｂ／５２０ｅ／５２０ｈに結合されたスイッチノード５１６との間に直列に結合され、ＩＧＢＴイネーブルスイッチ５１０ｃが相入力端５０８と、ＤモードIII-窒化物マトリックススイッチ５２０ｃ／５２０ｆ／５２０ｉに結合されたスイッチノード５１８との間に直列に結合されている。
【００４３】
図５に示すマトリックスコンバータ回路には、他の保護素子（概念上明瞭であるために図示しない）を含めることもできることを銘記されたい。例えば、マトリックスコンバータ回路５００には、幾つかある特徴事項の中で特に、入力フィルタ（例えば、ＬＣ回路）や、クランプ回路や、ダイオードや、バリスタを含めることができる。更に、代替設計として、ＩＧＢＴ又はＳＪＦＥＴ又はその他のIV族デバイスとして構成しうるIV族エンハンスメントモードイネーブルスイッチ５１０ａ、５１０ｂ及び５１０ｃを、III-窒化物Ｄモードマトリックススイッチ出力ノード５３３／５５３／５７３とそれぞれの出力相５３２／５５２／５７２との間に結合させることができることを銘記されたい。繰返して言うに、図５に示す３相／３相マトリックスコンバータ回路は多くの可能なマトリックスコンバータ構造の一例にすぎないものである。
【００４４】
従って、この出願には、１つ以上のノーマリーオンIII-窒化物又はその他のIII-Ｖ族スイッチとIV族エンハンスメントモードイネーブルスイッチとを有する種々の構成の電圧コンバータ回路を開示するものである。IV族エンハンスメントモードイネーブルスイッチは、少なくとも１つのノーマリーオンIII-Ｖ族スイッチの経路内に形成し、ノーマリーオンIII-Ｖ族スイッチ及び電圧レールへの経路の導通を達成するか又はノーマリーオンIII-Ｖ族スイッチ及び電圧レールからの経路の遮断を達成するようにする。その結果、ここに開示した電圧コンバータの解決策によれば、少なくとも１つのノーマリーオンIII-Ｖ族スイッチをバイアスしてこのスイッチを高抵抗性又はオフ状態（ＯＦＦ）に保持する前の、電圧コンバータ回路の早期の電源投入により、電圧コンバータにより駆動される負荷が損傷されるのを回避しうる。更に、回路が故障した場合に、IV族エンハンスメントモードイネーブルスイッチを用いて、ノーマリーオンIII-Ｖ族スイッチを電圧コンバータの電圧源のレールから分離させて、ノーマリーオンIII-Ｖ族スイッチ及び負荷に対する保護を達成するようにしうる。
【００４５】
上述したところから明らかなように、本出願に開示した概念を実施するのに、これらの概念の範囲から逸脱することなく、種々の技術を用いることができるものである。更に、これらの概念は幾つかの実施例を特別に参照して説明したが、当業者にとって認識しうるように、これらの概念の精神及び範囲から逸脱することなくその形態及び細部において変更を施しうるものである。従って、上述した実施例はあらゆる点で例示的なものであり、限定的なものではない。又、本発明は上述した特定の実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなしに多くの再調整、変形及び置換が可能であるものである。
【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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【外国語明細書】
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