(57)【要約】      （修正有）【課題】電力応用に適した多くのＩＩＩ族窒化物を基材とするスイッチはゲート信号がない場合には常時オンでありこれを解消する。【解決手段】制御スイッチおよび同期スイッチの１つまたは両方がＩＩＩ族窒化物デプレーションモードであるバック変換回路であって、エンハンスメントモードスイッチは、ＩＩＩ族窒化物を基材としたスイッチの１つまたは両方に接続され、すべてのバイアスが適切な動作について確立されるまで、ＩＩＩ族窒化物を基材としたスイッチによる電流の伝導を阻止するために動作させられる。【選択図】図１６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１スイッチと、
ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチと、
前記ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチへの伝導経路を選択的に開閉するために、前記ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチへの前記伝導経路内に配置されているエンハンスメントモードスイッチ
とを備えるＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項２】
第１スイッチは、エンハンスメントモードスイッチである請求項１に記載の変換器。
【請求項３】
ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチは、バック変換器の制御スイッチである請求項１に記載の変換器。
【請求項４】
エンハンスメントモードスイッチは、ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチと直列に接続され、前記ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチを経て、電流の伝導を可能にするようになっている請求項３に記載の変換器。
【請求項５】
ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチは、バック変換器の同期スイッチである請求項１に記載の変換器。
【請求項６】
エンハンスメントモードスイッチは、ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチと直列に接続され、前記ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチを経て、電流の伝導を可能にするようになっている請求項５に記載の変換器。
【請求項７】
第１スイッチおよびＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチは、スイッチドノードで接続され、前記ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチは、エンハンスメントモードスイッチと前記スイッチドノードとの間に接続されている請求項１に記載の変換器。
【請求項８】
第１スイッチおよびＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチは、スイッチドノードで接続され、エンハンスメントモードスイッチは、前記ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチと前記スイッチドノードとの間に接続されている請求項１に記載の変換器。
【請求項９】
第１スイッチおよびＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチは、スイッチドノードで接続され、前記スイッチドノードと接地との間に結合される出力回路をさらに備え、エンハンスメントモードスイッチは、前記出力回路の一部であり、前記ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチへの電流の循環を遮断するように動作するようになっている請求項１に記載の変換器。
【請求項１０】
出力回路は、スイッチドノードと出力ノードとの間に結合されるインダクタと、前記出力ノードと接地との間に結合される出力コンデンサとを有し、エンハンスメントモードスイッチは、前記インダクタと前記スイッチドノードとの間に直列に接続されている請求項９に記載の変換器。
【請求項１１】
出力回路は、スイッチドノードと出力ノードとの間に結合されるインダクタと、前記出力ノードと接地との間に結合される出力コンデンサとを有し、エンハンスメントモードスイッチは、前記インダクタと前記出力ノードとの間に直列に接続されている請求項９に記載の変換器。
【請求項１２】
出力回路が、スイッチドノードと出力ノードとの間に結合されるインダクタと、前記出力ノードと接地との間に結合される出力コンデンサとを有し、エンハンスメントモードスイッチは、前記出力コンデンサと前記出力ノードとの間に直列に接続されている請求項９に記載の変換器。
【請求項１３】
出力回路は、スイッチドノードと出力ノードとの間に結合されているインダクタと、前記出力ノードと接地との間に結合されている出力コンデンサとを含み、エンハンスメントモードスイッチは、前記出力コンデンサと接地との間に直列に接続されている請求項９に記載の変換器。
【請求項１４】
出力回路は、スイッチドノードと出力ノードとの間に結合されているインダクタと、前記出力ノードと接地との間に結合されている出力コンデンサとを有し、エンハンスメントモードスイッチは、ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードデバイスの接地接続部と前記出力コンデンサの接地接続部との間に直列に接続されている請求項９に記載の変換器。
【請求項１５】
第１スイッチおよびＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチは、スイッチドノードで接続され、前記ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチは、同期スイッチであり、エンハンスメントモードスイッチは、前記ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチと前記スイッチドノードとの間に接続されている請求項１に記載の変換器。
【請求項１６】
第１スイッチおよびＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチは、スイッチドノードで接続され、前記ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチは、同期スイッチであり、エンハンスメントモードスイッチは、前記ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチと接地との間に接続されている請求項１に記載の変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００６年１１月２８日に提出の米国仮特許願第６０／８６７４３７号に関連するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、ＤＣ／ＤＣ変換器に関し、より詳細には、１つ以上のデプレーションモードＩＩＩ族窒化物を基材とするスイッチを用いるバック変換回路に関する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
同期バック変換回路は、ＤＣ／ＤＣスイッチングによく使用される。従来、シリコンを基材とするＭＯＳＦＥＴが、これらの回路に使用されている。ＩＩＩ族窒化物を基材とするヘテロ接合スイッチも、またよく知られており、同じサイズのシリコンを基材としたデバイスよりも大きい電流容量、かつ改善された耐電圧能力を有し、そして低減寄生容量を有する。しかしながら、電力応用に適した多くのＩＩＩ族窒化物を基材とするスイッチは、ゲート信号がない場合には、常時オンである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明による回路は、第１スイッチと、ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチと、ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチへの伝導経路を選択的に開閉するために、ＩＩＩ族窒化物デプレーションモードスイッチへの伝導経路内に配置されるエンハンスメントモードスイッチとを含む変換器である。
【０００５】
本発明の一態様によれば、エンハンスメントモードスイッチは、電流のＩＩＩ族窒化物スイッチへの伝導を可能にする。
【０００６】
本発明の別の態様によれば、エンハンスメントモードスイッチは、ＩＩＩ族窒化物スイッチへの電流を遮断する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、（シリコンを基材とする）制御ＭＯＳＦＥＴ Ｑ1と直列に接続されている電圧Ｖinの入力直流源２０と、出力インダクタＬout３０と、出力ノードＶout３１とを備える、従来のバック変換回路を示す。シリコンを基材とする同期ＭＯＳＦＥＴ Ｑ2は、Ｑ1とＬoutとの間のスイッチドノード２７から、接地（電池２０の帰路）に接続される。出力コンデンサＣoutは、従来どおり設けられている。デバイスＱ1およびＱ2は、寄生内部ダイオードＤ1およびＤ2を有している。
【０００８】
制御ＩＣ（ドライバ２１）は、ＦＥＴ Ｑ1およびＱ2のゲートＧ1およびＧ2に接続され、デバイスを図２Ａおよび２Ｂに示すように駆動する。バイアス電圧Ｖdrは、コンデンサ２２（図示せず）を通じて接続され、ＩＣ２１に電力を供給する。回路のいろいろな電流の波形を、図２Ｃ〜２Ｇに示す。Ｖoutの出力は測定され、Ｇ1およびＧ2における電圧のタイミングは、適切に変更され、デューティサイクルＤ（図２Ａ）を変えて、電圧Ｖinの変化にかかわらず、所定の固定した出力電圧Ｖoutを維持する。
【０００９】
図１の同期バック変換器は、そのハーフブリッジトポロジーに基づく非絶縁電力変換回路として広く使用されている。より高いスイッチング周波数の場合は、無効分を最小限まで減らして、スイッチＱ1およびＱ2の動的挙動を鍵になる要因とすることが望ましい。従って、図１のシリコンを基材としたＭＯＳＦＥＴ Ｑ1およびＱ2は、回路の効率を向上させるために、それらの寄生容量、すなわちゲートドレイン間（ミラー）容量、およびソースドレイン間（出力）容量の最小化を必要とする。
【００１０】
シリコンを基材とするＭＯＳＦＥＴと比べて、改善されたスイッチング特性を有する、すなわち、より小さい寄生ミラーおよび出力容量を有する、窒化ガリウム（ＧａＮ）スイッチ（例えば、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合ＨＥＭＴデバイス）が知られている。
【００１１】
ＤＣ／ＤＣ変換器のような電力変換の応用面では、常時オンの（デプレーションモード）ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合電力半導体デバイスを使用することが望ましい。１つのこのような応用例は、少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物デプレーションモードヘテロ接合電力半導体デバイスを含むバック変換器である。
【００１２】
従って、例えば、制御スイッチＱ1および同期スイッチＱ2が、デプレーションモードデバイス（図３Ａ）であるのがよく、同期スイッチＱ2だけが、デプレーションモードデバイス（図３Ｂ）であるか、または制御スイッチＱ1だけが、デプレーションモードデバイス（図３Ｃ）であってもよい。
【００１３】
少なくとも１つの常時オン（デプレーションモード）デバイスを使用する電力変換器では、Ｖinが、ＩＣドライバ２１に対してＶdrよりも速く電力を供給するか、またはＶoutが、事前にバイアスがかけられている場合には、回路に損傷を与える可能性があり、それによって、ＶinとＶoutとの間、またはＶoutと接地との間の短絡を引き起こす。
【００１４】
本発明による回路は、ＶinおよびＶoutの電力供給シーケンス問題を解決する伝導可能スイッチ、または事前バイアス問題を処理する遮断スイッチを設けることによって、上述の問題を克服するものである。これらの２つの解決策は、図１６のように組み合される。
【００１５】
同じ符号が同じ要素を示している図４は、本発明の第１実施形態による回路を示し、シリコンを基材とする伝導可能スイッチＱ3は、ＩＩＩ族窒化物デプレーションモード制御スイッチＱ1と直列に接続され、このスイッチＱ1は、エンハンスメントモードシリコン同期スイッチＱ2（例えば、シリコンを基材とするＭＯＳＦＥＴ）とともに、バック構成を形成している。伝導可能スイッチＱ3は、常時オンスイッチであり、好ましい実施形態では、ドライバ２３からの伝導可能信号ＥＮによって駆動される、シリコンを基材とした電力ＭＯＳＦＥＴである。
【００１６】
図５に示す、第２実施形態では、コンデンサ２５は、Ｖinと接地との間に並列に接続され、伝導可能スイッチＱ3の挿入によって生じる寄生素子を減らす。他の点では、この構成は、図４に示すものと類似している。
【００１７】
図６に示す、本発明の第３実施形態では、伝導可能スイッチＱ3は、ＩＩＩ族窒化物制御スイッチＱ1とスイッチドノード２７との間に直列に接続されている。他の点では、図６に示す回路は、図４に示す第１実施形態と類似している。
【００１８】
図７は、伝導可能スイッチＱ3を含む回路に関する波形図を示す。Ｖinが負であるドライバＩＣバイアス電圧Ｖdrの前に確立される場合に、ＩＩＩ族窒化物スイッチのゲートは、オフになるために負にバイアスされない。その結果、ＩＩＩ族窒化物デバイスは、依然としてオンであり、入力電圧をＱ1を通して出力に伝える。この問題を解決するために、負のＶdrが、ＩＩＩ族窒化物スイッチの閾値電圧（ＵＶＬＯ：アンダーボルテージロックアウト）を超えて確立されるまで、伝導可能スイッチはオフである。伝導可能スイッチのオン／オフは、ＥＮ信号によって制御される。同じシーケンスは、電源オフ中に起こる。ＶdrがＵＶＬＯ閾値未満に降下する場合に、伝導可能スイッチは、ＩＩＩ族窒化物スイッチによる伝導を阻止するためにオフになる。Ｑ1およびＱ2のパルス信号は、通常動作中のＰＷＭスイッチングを表わす。
【００１９】
図８は、本発明の第４実施形態による回路を示し、制御スイッチＱ1は、シリコンを基材とするデバイス、例えば、シリコンを基材とする電力ＭＯＳＦＥＴであるのに対して、同期スイッチＱ2は、デプレーションモードＩＩＩ族窒化物スイッチである。事前バイアス状態（電力スイッチＱ2によって放電され得る電力供給中の部分的なＶoutの存在）に因る損傷を防止するために、遮断スイッチＱ4は、インダクタ３０と出力ノード３１との間に直列に接続されている。遮断スイッチＱ4は、シリコンを基材とするスイッチ、例えば、ドライバ３３からのドライブ信号ＰＢＥＮによって動作させられる、シリコンを基材とした電力ＭＯＳＦＥＴであることが好ましい。
【００２０】
図９は、第５実施形態による回路を示し、遮断スイッチＱ4は、スイッチドノード２７とインダクタ３０との間に直列に接続されている。他の点では、この回路は、図８に示す第４実施形態と類似している。
【００２１】
図１０に示す、第６実施形態による回路では、遮断スイッチＱ4は、同期スイッチＱ2とスイッチドノード２７との間に直列に接続されている。他の点では、この回路は第４実施形態と類似している。
【００２２】
図１１に示す、第７実施形態の回路では、遮断スイッチＱ4は、同期スイッチＱ2と接地との間に直列に接続されている。他の点では、第７実施形態は、本発明の第４実施形態と類似している。
【００２３】
図１２に示す、第８実施形態の回路では、遮断スイッチＱ4は、同期スイッチＱ2の接地接続と出力コンデンサ３２の接地接続との間に接続されている。第８実施形態は、ＶinとＱ2の帰路との間に並列に接続されるコンデンサ２５をさらに有するのがよい。接地を遮断するＱ4がオフになると、もはやコンデンサ３２の帰路は、接地と同じではないので、コンデンサ３２は、ドライバおよびＱ1／Ｑ2から成る浮動電力段に、低インピーダンスのバイパスを与える。他の点では、第８実施形態は、第４実施形態と類似している。
【００２４】
図１３に示す、第９実施形態の回路では、遮断スイッチＱ4は、コンデンサ３２とＶoutノード３１との間に直列に接続されている。他の点では、第９実施形態は、第４実施形態と類似している。
【００２５】
図１４に示す、第１０実施形態の回路では、コンデンサ２５を、第８実施形態から省いてもよい。この実施形態では、Ｖoutの帰路は、遮断スイッチＱ4の存在に因って、もはや接地ではないことに留意すべきである。ドライバおよびＱ1／Ｑ2を浮動させる図１２と比較すると、この実施形態は、Ｖoutを浮動させる。従って、その差異は、Ｖinコンデンサの帰路がＱ2に接続されるか、またはＶoutに接続されるかである。
【００２６】
図１５は、本発明による事前バイアス遮断スイッチＱ3を含む回路に関する波形図を示す。部分的なＶoutが負であるドライバＩＣバイアス電圧Ｖdrの前に確立される場合に、Ｑ2のゲートはオフになるため、負にバイアスされない。その結果、Ｑ2は依然としてオンであって、Ｖoutを放電し、このことは、多くの応用面において許されない。この問題を解決するために、遮断スイッチが、Ｑ2とＶoutコンデンサとの間に挿入されている。負のＶdrが、ＩＩＩ族窒化物スイッチの閾値電圧（ＵＶＬＯ：アンダーボルテージロックアウト）を超えて確立されるまで、伝導可能スイッチはオフである。遮断スイッチのオン／オフは、ＰＥＮ信号によって制御される。同じシーケンスは、電源オフ中に起こる。ＶdrがＵＶＬＯ閾値未満に降下する場合、遮断スイッチは、ＩＩＩ族窒化物スイッチによる伝導を阻止するためにオフになる。Ｑ1およびＱ2のパルス信号は、通常動作中のＰＷＭスイッチングを表わす。
【００２７】
図１６は、伝導可能スイッチＱ3および遮断スイッチＱ4がともに組み込まれ、制御スイッチＱ1および同期スイッチＱ2が、両方ともにデプレーションモードＩＩＩ族窒化物スイッチである、本発明の別の実施形態を示す。図１６は、伝導可能スイッチおよび遮断スイッチが、高圧側および低圧側の両側で、ＩＩＩ族窒化物スイッチとともにどのように使用されるべきであるかを示す１つの例である。高圧側のＩＩＩ族窒化物スイッチに関する図４〜図６、および低圧側のＩＩＩ族窒化物スイッチに関する図８〜図１４の実施形態の組み合わせもまた、さらに別の実施形態を得るために、図１６のように適用し得る。
【００２８】
以上本発明を、その特定の実施形態に即して説明したが、多くの他の変形例と変更態様、および他の用途が、当業者には明らかであると思う。従って本発明は、本明細書の特定の開示によって限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】先行技術によるバック変換回路を示す。
【図２】図１の変換器に関する波形図を示す。
【図３Ａ】少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物デプレーションモードデバイスを含むバック変換器を示す。
【図３Ｂ】少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物デプレーションモードデバイスを含むバック変換器を示す。
【図３Ｃ】少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物デプレーションモードデバイスを含むバック変換器を示す。
【図４】ＩＩＩ族窒化物スイッチを通っての電流の伝導を可能にする、エンハンスメントモード伝導可能スイッチを高圧側に含む実施形態を示す。
【図５】ＩＩＩ族窒化物スイッチを通っての電流の伝導を可能にする、エンハンスメントモード伝導可能スイッチを高圧側に含む実施形態を示す。
【図６】ＩＩＩ族窒化物スイッチを通っての電流の伝導を可能にする、エンハンスメントモード伝導可能スイッチを高圧側に含む実施形態を示す。
【図７】図４〜図６の実施形態に関する波形図を示す。
【図８】ＩＩＩ族窒化物スイッチを通っての電流を遮断する、エンハンスメントモード遮断スイッチを低圧側に含む実施形態を示す。
【図９】ＩＩＩ族窒化物スイッチを通っての電流を遮断する、エンハンスメントモード遮断スイッチを低圧側に含む実施形態を示す。
【図１０】ＩＩＩ族窒化物スイッチを通っての電流を遮断する、エンハンスメントモード遮断スイッチを低圧側に含む実施形態を示す。
【図１１】ＩＩＩ族窒化物スイッチを通っての電流を遮断する、エンハンスメントモード遮断スイッチを低圧側に含む実施形態を示す。
【図１２】ＩＩＩ族窒化物スイッチを通っての電流を遮断する、エンハンスメントモード遮断スイッチを低圧側に含む実施形態を示す。
【図１３】ＩＩＩ族窒化物スイッチを通っての電流を遮断する、エンハンスメントモード遮断スイッチを低圧側に含む実施形態を示す。
【図１４Ａ】ＩＩＩ族窒化物スイッチを通っての電流を遮断する、エンハンスメントモード遮断スイッチを低圧側に含む実施形態を示す。
【図１４Ｂ】ＩＩＩ族窒化物スイッチを通っての電流を遮断する、エンハンスメントモード遮断スイッチを低圧側に含む実施形態を示す。
【図１５】図８〜図１４Ｂの実施形態に関する波形図を示す。
【図１６】ＩＩＩ族窒化物スイッチ用の伝導可能スイッチ、および遮断スイッチを低圧側および高圧側の両側に含む別の実施形態を示す。
【符号の説明】
【００３０】
２０  入力直流源
２１  制御ＩＣ（ドライバ）
２３  ドライバ
２５  コンデンサ
２７  スイッチドノード
３０  出力インダクタ
３１  出力ノード
３２  出力コンデンサ
３３  ドライバ
Ｃout  出力コンデンサ
Ｄ  デューティサイクル
Ｄ1  寄生内部ダイオード
Ｄ2  寄生内部ダイオード
ＥＮ  伝導可能信号
Ｇ1  ゲート
Ｇ2  ゲート
Ｌout  出力インダクタ
ＰＢＥＮ  ドライブ信号
Ｑ1  制御ＭＯＳＦＥＴ
Ｑ2  同期ＭＯＳＦＥＴ 
Ｑ3  伝導可能スイッチ
Ｑ4  遮断スイッチ
Ｖdr  バイアス電圧
Ｖin  入力電圧
Ｖout  出力電圧
【図１】
2008187885.tif 000003
【図２】
2008187885.tif 000004
【図３Ａ】
2008187885.tif 000005
【図３Ｂ】
2008187885.tif 000006
【図３Ｃ】
2008187885.tif 000007
【図４】
2008187885.tif 000008
【図５】
2008187885.tif 000009
【図６】
2008187885.tif 000010
【図７】
2008187885.tif 000011
【図８】
2008187885.tif 000012
【図９】
2008187885.tif 000013
【図１０】
2008187885.tif 000014
【図１１】
2008187885.tif 000015
【図１２】
2008187885.tif 000016
【図１３】
2008187885.tif 000017
【図１４Ａ】
2008187885.tif 000018
【図１４Ｂ】
2008187885.tif 000019
【図１５】
2008187885.tif 000020
【図１６】
2008187885.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成20年1月25日(2008.1.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008187885.tif 000022
【図２】
2008187885.tif 000023
【図３Ａ】
2008187885.tif 000024
【図３Ｂ】
2008187885.tif 000025
【図３Ｃ】
2008187885.tif 000026
【図４】
2008187885.tif 000027
【図５】
2008187885.tif 000028
【図６】
2008187885.tif 000029
【図７】
2008187885.tif 000030
【図８】
2008187885.tif 000031
【図９】
2008187885.tif 000032
【図１０】
2008187885.tif 000033
【図１１】
2008187885.tif 000034
【図１２】
2008187885.tif 000035
【図１３】
2008187885.tif 000036
【図１４Ａ】
2008187885.tif 000037
【図１４Ｂ】
2008187885.tif 000038
【図１５】
2008187885.tif 000039
【図１６】
2008187885.tif 000040
【外国語明細書】
2008187885000001.pdf