(57)【要約】【課題】  高効率で小型の電力変換装置を提供する。【解決手段】  スイッチング動作を行うトランジスタとトランジスタに並列接続されたダイオードを有するＡＣ／ＤＣコンバーターやＡＣアダプター等に用いられる電力変換装置において、トランジスタは所定濃度分布のＧｅを含むバイポーラトランジスタからなる電力変換装置である。またこの電力変換装置を複数個備え、外部入力端子及び外部出力端子を具備する電力変換ユニットである。更には、上記電力変換装置に用いられる予定濃度分布のＧｅを含むトランジスタである。【選択図】    図１
2005072157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング動作を行うトランジスタと、前記トランジスタに並列接続されたダイオードを有する電力変換装置において、前記トランジスタは所定濃度分布のＧｅを含むバイポーラトランジスタであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
スイッチング動作を行う複数個のトランジスタと、前記トランジスタのそれぞれに並列接続又は前記トランジスタに一括で並列接続された1個又は複数のダイオードを有する電力変換装置において、前記トランジスタのうち少なくとも1個は所定濃度分布のＧｅを含むバイポーラトランジスタであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
直流電源の出力をスイッチングするトランジスタを有するスイッチング回路と、前記トランジスタに並列接続されたダイオードと、前記直流電源の直流出力を前記トランジスタ回路でスイッチングした出力を一次側入力とし前記一次側入力を所定の比率で変圧して出力する二次側出力を持つ変圧器と、前記変圧器の二次側出力に接続された第二の整流平滑回路を有する電力変換装置において、前記トランジスタは所定濃度分布のＧｅを含むバイポーラトランジスタであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
直流電源の出力をスイッチングする複数個のトランジスタを有するスイッチング回路と、前記トランジスタのそれぞれに又は並列接続されたトランジスタに一括で並列接続された1個又は複数のダイオードと、前記直流電源の直流出力を前記トランジスタ回路でスイッチングした出力を一次側入力とし前記一次側入力を所定の比率で変圧して出力する二次側出力を持つ変圧器と、前記変圧器の二次側出力に接続された第二の整流平滑回路を有する電力変換装置において、前記トランジスタのうち少なくとも1個は所定濃度分布のＧｅを含むバイポーラトランジスタであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
交流電源の整流平滑回路と、前記整流平滑回路の直流出力をスイッチングするトランジスタを有するスイッチング回路と、前記トランジスタに並列接続されたダイオードと、前記整流平滑回路の直流出力を前記トランジスタ回路でスイッチングした出力を一次側入力とし前記一次側入力を所定の比率で変圧して出力する二次側出力を持つ変圧器と、前記変圧器の二次側出力に接続された第二の整流平滑回路を有する電力変換装置において、前記トランジスタは所定濃度分布のＧｅを含むバイポーラトランジスタであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
交流電源の整流平滑回路と、前記整流平滑回路の直流出力をスイッチングする1個又は複数個のトランジスタを有するスイッチング回路と、前記トランジスタのそれぞれに又は並列接続されたトランジスタに一括で並列接続された1個又は複数のダイオードと、前記整流平滑回路の直流出力を前記トランジスタ回路でスイッチングした出力を一次側入力とし前記一次側入力を所定の比率で変圧して出力する二次側出力を持つ変圧器と、前記変圧器の二次側出力に接続された第二の整流平滑回路を有する電力変換装置において、前記トランジスタのうち少なくとも1個は所定濃度分布のＧｅを含むバイポーラトランジスタであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
前記Ｇｅを含むトランジスタのベース層は、前記トランジスタのエミッター側にＳｉ層と、前記トランジスタのコレクター側にＧｅ濃度が６％乃至１６％であるＳｉＧｅ層を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの請求項記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記Ｇｅを含むトランジスタのベース層の厚みは１００ｎｍ乃至４００ｎｍであり、前記ベース層の前記トランジスタのエミッター側にＳｉ層と、前記トランジスタのコレクター側にＧｅ濃度が６％乃至１６％であるＳｉＧｅ層とを有し、前記トランジスタのコレクタ層の厚みは２０μｍ乃至９０μｍであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの請求項記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記Ｇｅを含むトランジスタのベース層は、前記トランジスタのエミッター側に第１のＳｉＧｅ層と、前記トランジスタのコレクター側に第一のＳｉＧｅ層よりもＧｅ濃度の大きい第２のＳｉＧｅ層を有し、前記第２のＳｉＧｅ層のＧｅ濃度が６％乃至１６％であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの請求項記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記Ｇｅを含むトランジスタのベース層の厚みは１００ｎｍ乃至４００ｎｍであり、前記ベース層は前記トランジスタのエミッター側に第１のＳｉＧｅ層と、前記トランジスタのコレクター側に第一のＳｉＧｅ層よりもＧｅ濃度の大きい第２のＳｉＧｅ層とを有し、前記第２のＳｉＧｅ層のＧｅ濃度が６％乃至１６％であり、前記トランジスタのコレクタ層の厚みは２０μｍ乃至９０μｍであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの請求項記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記Ｇｅを含むトランジスタのベース層は、前記トランジスターのエミッタ層側からコレクター層側へＧｅ濃度が漸増し、Ｇｅ濃度のピーク値は６％乃至１６％であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの請求項記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記Ｇｅを含むトランジスタのベース層の厚みは１００ｎｍ乃至４００ｎｍであり、前記ベース層は前記トランジスターのエミッタ層側からコレクター層側へＧｅ濃度が漸増しＧｅ濃度のピーク値は６％乃至１６％であり、前記トランジスタのコレクタ層の厚みは２０μｍ乃至９０μｍであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの請求項記載の電力変換装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかの請求項記載の電力変換装置を複数個備え、外部入力端子、外部出力端子を具備したことを特徴とする電力変換ユニット。
【請求項１４】
請求項７乃至１２のいずれかの請求項に記載の電力変換装置用のＧｅを含むトランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換装置に関する。特に、情報機器、モバイル情報機器、家電品、照明、液晶表示装置等の多くの機器、装置に用いられる電源装置、充電機器、ＡＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣアダプター、各種パルス電源装置などの電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止のために、炭酸ガス換算電力消費量の削減が地球規模で求められている。多くの家電機器、情報機器、モバイル情報機器、電気自動車などの民生機器や種々の産業機器においては、省エネルギーやバッテリーの充電電力の有効利用を図るために、電力変換制御装置内部の電力損失を抑えてエネルギーの利用効率を上げることが重要視されている。また、電力変換制御装置内部の電力損失抑制は冷却用放熱フィンなどを小さくでき適用機器全体のの小型・軽量化につながりこれが一層の省エネルギー化と低コスト化につながるというメリットがある。
【０００３】
前記情報機器、モバイル情報機器、家電品、ＬＥＤ照明や液晶表示装置等の多くの機器、装置に用いられる電源、ＡＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣアダプターはＡＣ電源（交流電源）入力を所定の直流電圧に変換して出力する。
これらは1台当たりの変換電力は数Ｗから数１００Ｗものが多くその内部損失も1台当たりの絶対値は小さいが、これらが社会全体で使用される台数は膨大であり個々の機器での数Ｗ程度の損失低減は社会全体では巨大なものとなり地球環境改善への寄与度合いも極めて大きいものが期待できる。
【０００４】
そのため、これら情報機器、家電品などコンシューマ製品に用いられる電力変換装置の電力損失の抑制を目的として種々の研究開発が進められてきている。しかし、制御方式や既存パワートランジスタによる電力変換装置の改良改善は限界点近くまで達してきており、従来のアプローチだけでは回路内部での消費電力低減は限界に近い。
【０００５】
従来技術として、例えばＣＱ出版社のハードウエア・デザイン・シリーズ“実用電源回路設計ハンドブック”第７６頁に記載されるような幾つかの回路方式があるが、基本的に直流整流平滑回路又は直流電源回路、トランジスタを用いたスイッチング回路、変圧器、二次側整流平滑回路で構成される。
国内の家庭用で用いられているＡＣ１００Ｖ交流電源に接続してパソコン、携帯電話充電器、家電品などに直流１０〜２０Ｖ程度の直流電力を供給するのに用いられる。これらの電力変換では、ＡＣ１００Ｖ系統と低電圧直流電圧の負荷機器、装置とは、安全上及び負荷機器、装置側での地落時にＡＣ１００V系統側の地落継電器が動作しないようにＡＣ１００Ｖ側と低電圧直流側は電気的に絶縁する必要がある。この絶縁には通常はスイッチング周波数に対応した高周波変圧器が用いられる。尚、パルス電源においては高周波変圧器を用いない場合もある。
【０００６】
図９に示すフォワード方式回路の電力変換装置回路はノートパソコンのＡＣ／ＤＣアダプターや携帯電話の充電器などに用いられるＡＣ／ＤＣコンバータであり、情報機器、モバイル情報機器、家電品、照明、液晶表示装置等の多くの機器、装置に用いられる電源装置、パルス電源装置などに用いられる一般的な回路方式のひとつである。この多くの製品で用いられている図９に示すフォワード方式電力変換回路を例にして説明する。
【０００７】
従来のフォワード方式の電力変換回路においては、図９（ａ）は直流電源出力（ＤＣ）Ｖｉｎを入力としてこの直流入力を所定電圧の直流出力Ｖｏｕｔに変換して出力するフォワード方式電力変換装置の回路図である。
図９（ｂ）は交流電圧（ＡＣ）Ｖｉｎを入力として整流平滑回路、コンデンサで直流電圧に変換した後、図９（ａ）と同様に所定電圧の直流出力Ｖｏｕｔに変換して出力するフォワード方式電力変換装置の回路図である。
【０００８】
図９（ａ）において、直流電源の出力の一方を変圧器（Ｔ１）の一次側巻腺の一方の端子に接続し、変圧器の一次側巻線のもう一方の端子をＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）Ｑ１００のドレイン端子に接続している。直流電源の出力のもう一方をＱ１００のソース端子に接続する。
ＦＥＴＱ１００は直流出力をスイッチングして直流出力を矩形波に変換して変圧器一次側巻線に印加する。Ｑ１００に並列接続されたダイオード（Ｄ１５）はＱ１００に逆電圧が印加される場合に導通して電流をながすためのものであり、導通時の低いダイオード順方向電圧によりＱ１００を保護するために用いられる。
コンデンサ（Ｃ１１）は直流電源出力を平滑するためとＱ１００がオフ状態からオンした直後の短時間の間の直流電源からＱ１００への電流が直流電源内部や配線のインダクタンスで遅れるのを補償する電流をＱ１００へ流すエネルギー源として用いられ、通常トランジスタスイッチング及び変圧器の近くに設置するものである。
変圧器一次側に印加された矩形波電圧は、変圧器の変圧比で変圧された矩形波電圧を変圧器二次側に出力される。
ダイオード（Ｄ２１）はＱ１００がオンの時に変圧器二次側から出力される矩形波出力の電流をリアクトル（Ｌ２１）及びコンデンサ（Ｃ２１）へ流す。
ダイオード（Ｄ２２）はＱ１００がオンからオフ状態になった間にインダクター（Ｌ２１）に蓄積されているエネルギーを流して出力電圧（コンデンサ（Ｃ２１）の両端電圧）を平滑化する。
出力が所定のパルス幅であるパルス出力を要求される場合はコンデンサ（Ｃ２１）を省略することも多い。
【０００９】
図９（ｂ）は、図９（ａ）の回路入力に、ＡＣ（交流）入力を直流に変換するために複数のダイオード（Ｄ１１〜Ｄ１４）で構成される全波整流回路を設けたもので、これ以外は図９（ａ）と同じである。
【特許文献１】特開２００１−３３８９２８号
【非特許文献１】川戸治郎著「ハードウエア・デザイン・シリーズ  実用電源回路設計ハンドブック」ＣＱ出版社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のフォワード回路電力変換装置においては、スイッチング用に用いるＦＥＴの次の性能からの制約で損失低減、装置全体の小型化の障害になっていた。
オン状態におけるその両端電圧が大きい。
オフからオン、オンからオフへ動作するスイッチング時間が長い。
このようなスイッチングトランジスタのスイッチング損失は、ＦＥＴを用いた電力変換装置だけでなく、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を備えたにおいても同様に生じ、ＩＧＢＴはＦＥＴよりもスイッチング時間が更に大きいためスイッチング損失が更に大きい。
【００１１】
以下に従来技術のフォワード回路の電力変換装置で用いられるＦＥＴ（Ｑ１００）の性能の一例を列記する。（モバイルパソコンのＡＣ／ＤＣコンバータ応用で、入力直流電圧１４２Ｖ（ＡＣ１００Ｖの全波整流後の最大電圧）、入力電流は１Ａである、という条件のもとで、後述の本発明実施例と同じ定格電流１Ａのものを記載する。）
１）定格ドレイン/ソース電流；                          ２．０Ａ
２）定格ドレイン／ソース間降伏電圧；                  ４００Ｖ
３）ドレイン／ソース間オン抵抗（接合部温度１００℃にて）；  ３．６Ω
２Ａの場合は、オン電圧＝２Ａx３．６Ω＝７．２Ｖ
４）ターンオン時間（ゲート電圧１０Ｖの場合）；    ９．９ｎｓｅｃ
５）ターンオフ時間（同上）；                      １１ｎｓｅｃ
ただし、上記３）はゲート電圧１０Ｖ印加を満足するときの値でありゲート電圧がこの値より低い場合にはオン抵抗は更に大きくなる。上記４）及び５）はゲート電圧１０Ｖの場合で、ターンオン、ターンオフ時のゲート電圧が１０Ｖより小さい場合は各々の時間が長くなる。
【００１２】
ＦＥＴの定格電流が２Ａであるのは、動作でＦＥＴ内部に発生する損失によるＦＥＴ内部の接合部（ジャンクション部）温度を定格の１５０℃以下に信頼性確保上の余裕をもって押さえる通常の設計からの選定である。
【００１３】
２）の耐電圧が、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電圧より大きいのは次の理由による。ＦＥＴがターンオフする時にスイッチングサージと呼ばれる急峻な過電圧が発生して同トランジスタ２１の両端に印加される。モータ駆動のインバータなどではこれを抑制するサージアブソーバ（スナバと呼ばれる）を付けることが多いが、スナバも損失を生じるので省略してスイッチングトランジスタ自体の耐圧を大きくすることが多い。通常、ＦＥＴの定格耐圧は直流電源電圧の２倍程度の耐圧を持つＦＥＴを選定する。
【００１４】
これらからスイッチングトランジスタの損失が大きいため、前述のように従来技術ではＡＣ／ＤＣコンバータ、モバイル情報機器の充電用ＡＣアダプターなどのスイッチング周波数は数１００ｋｈｚ程度で総合効率は９０％以下であった。効率が９０％以下であり１０％が損失になるためＦＥＴなどの冷却に用いる冷却機器も大型であった。
【００１５】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、従来にない高効率のＡＣ／ＤＣコンバータなどを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
ＡＣ／ＤＣコンバータなどを高効率化して更に小型化も実現するためには、パワートランジスタのスイッチング速度を高速化かつオン時のコレクターエミッタ間の電圧を低電圧化することすることが最も効果的であるが、従来のＦＥＴではスイッチング速度の高速化とオン時電圧低減は相反して両立が困難であった。
【００１７】
一方、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニューム）トランジスタは、携帯電話用の１ＧＨｚ近辺の無線増幅アンプとして用いられおり、高速ではあるが、耐圧が低く電流増幅率が低い等の問題があった。これは、無線増幅アンプでは内部雑音を極小化する必要があり、その為に増幅率を犠牲にしていたからである。また、従来、ＳｉＧｅトランジスタに係る技術者は無線アンプ用途での低内部雑音化技術開発に注力し、高増幅率、高耐圧化などＡＣ／ＤＣコンバータ、充電器、パルス電源などの電力変換装置用としての研究・開発は見向きもされていなかった。
【００１８】
発明者らは、研究の結果、内部雑音は犠牲にしてでも耐電圧、増幅率を上げるという見地を応用側から見出した。この見地から高速スイッチング特性と高耐電圧、高増幅率を同時にもつＳｉＧｅトランジスタに着目し高効率で小型の電力変換装置の開発を進め、本発明を考案するに至った。
【００１９】
換言すれば、本発明者らは、高速スイッチング特性をもつＳｉＧｅトランジスタに着目し、従来はＡＣ／ＤＣコンバータなどのスイッチング素子としての適用が全く考えられていなかったＳｉＧｅトランジスタを一般に用いられるＡＣ／ＤＣコンバータなどに共通に活用する可能性を鋭意研究した結果、以下に述べる本発明であるＡＣ／ＤＣコンバータなどに用いて高効率を実現できる電力変換装置を完成させるに至った。発明の構成は次のとおり。
【００２０】
トランジスタ、前記トランジスタに並列接続されたダイオードを有する電力変換装置において、前記トランジスタは所定濃度分布のＧｅを含むバイポーラトランジスタである電力変換装置である。
【００２１】
また、複数個のトランジスタ、前記トランジスタのそれぞれに並列接続又は前記トランジスタに一括で並列接続された1個又は複数のダイオードを有する電力変換装置において、前記トランジスタのうち少なくとも1個は所定濃度分布のＧｅを含むバイポーラトランジスタである電力変換装置である。
【００２２】
また、直流電源の出力をスイッチングするトランジスタを有するスイッチング回路、前記トランジスタに並列接続されたダイオード、前記直流電源の直流出力を前記トランジスタ回路でスイッチングした出力を一次側入力とし前記一次側入力を所定の比率で変圧して出力する二次側出力を持つ変圧器、前記変圧器の二次側出力に接続された第二の整流平滑回路とで構成される電力変換装置において、前記トランジスタは所定濃度分布のＧｅを含むバイポーラトランジスタである電力変換装置である。
【００２３】
また、直流電源の出力をスイッチングする複数個のトランジスタを有するスイッチング回路、前記トランジスタのそれぞれに又は並列接続されたトランジスタに一括で並列接続された1個又は複数のダイオード、前記直流電源の直流出力を前記トランジスタ回路でスイッチングした出力を一次側入力とし前記一次側入力を所定の比率で変圧して出力する二次側出力を持つ変圧器、前記変圧器の二次側出力に接続された第二の整流平滑回路とで構成される電力変換装置において、前記トランジスタのうち少なくとも1個は所定濃度分布のＧｅを含むバイポーラトランジスタである電力変換装置である。
【００２４】
また、交流電源の整流平滑回路、前記整流平滑回路の直流出力をスイッチングするトランジスタを有するスイッチング回路、前記トランジスタに並列接続されたダイオード、前記整流平滑回路の直流出力を前記トランジスタ回路でスイッチングした出力を一次側入力とし前記一次側入力を所定の比率で変圧して出力する二次側出力を持つ変圧器、前記変圧器の二次側出力に接続された第二の整流平滑回路とで構成される電力変換装置において、前記トランジスタは所定濃度分布のＧｅを含むバイポーラトランジスタである電力変換装置である。
【００２５】
また、交流電源の整流平滑回路、前記整流平滑回路の直流出力をスイッチングする1個又は複数個のトランジスタを有するスイッチング回路、前記トランジスタのそれぞれに又は並列接続されたトランジスタに一括で並列接続された1個又は複数のダイオード、前記整流平滑回路の直流出力を前記トランジスタ回路でスイッチングした出力を一次側入力とし前記一次側入力を所定の比率で変圧して出力する二次側出力を持つ変圧器、前記変圧器の二次側出力に接続された第二の整流平滑回路とで構成される電力変換装置において、前記トランジスタのうち少なくとも1個は所定濃度分布のＧｅを含むバイポーラトランジスタである電力変換装置である。
【００２６】
また、前記Ｇｅを含むトランジスタのベース層は、前記トランジスタのエミッター側にＳｉ層、前記トランジスタのコレクター側にＧｅ濃度が６％乃至１６％であるＳｉＧｅ層を有する電力変換装置である。
【００２７】
また、前記Ｇｅを含むトランジスタのベース層の厚みは１００ｎｍ乃至４００ｎｍであり、前記ベース層の前記トランジスタのエミッター側にＳｉ層と前記トランジスタのコレクター側にＧｅ濃度が６％乃至１６％であるＳｉＧｅ層とを有し、前記トランジスタのコレクタ層の厚みは２０μｍ乃至９０μｍである電力変換装置である。
【００２８】
また、前記Ｇｅを含むトランジスタのベース層は、前記トランジスタのエミッター側に第１のＳｉＧｅ層、前記トランジスタのコレクター側に第一のＳｉＧｅ層よりもＧｅ濃度の大きい第２のＳｉＧｅ層を有し、前記第２のＳｉＧｅ層のＧｅ濃度が６％乃至１６％である電力変換装置ある。
【００２９】
また、前記Ｇｅを含むトランジスタのベース層の厚みは１００ｎｍ乃至４００ｎｍであり、前記ベース層は前記トランジスタのエミッター側に第１のＳｉＧｅ層と前記トランジスタのコレクター側に第一のＳｉＧｅ層よりもＧｅ濃度の大きい第２のＳｉＧｅ層とを有し、前記第２のＳｉＧｅ層のＧｅ濃度が６％乃至１６％であり、前記トランジスタのコレクタ層の厚みは２０μｍ乃至９０μｍである電力変換装置である。
【００３０】
また、前記Ｇｅを含むトランジスタのベース層は、前記トランジスターのエミッタ層側からコレクター層側へＧｅ濃度が漸増し、そのピーク値は６％乃至１６％である電力変換装置である。
【００３１】
また、前記Ｇｅを含むトランジスタのベース層の厚みは１００ｎｍ乃至４００ｎｍであり、前記ベース層は前記トランジスターのエミッタ層側からコレクター層側へＧｅ濃度が漸増し、そのピーク値は６％乃至１６％であり、前記トランジスタのコレクタ層の厚みは２０μｍ乃至９０μｍである電力変換装置である。
【００３２】
更に、前記電力変換装置を複数個備え、外部入力端子、外部出力端子を具備したことを特徴とする電力変換ユニットである。
【００３３】
そして、上述した電力変換装置に用いられる前記Ｇｅを含むトランジスタである。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、高周波かつ増幅率の高く高耐電圧のトランジスタを備え、従来にない高効率でかつ小型のＡＣ／ＤＣコンバータなどの電力変換装置を得ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１から図７を参照しながら本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００３６】
図１を参照して第１の実施形態の電力変換装置について説明する。
図１（ａ）の本実施形態の電力変換装置１０は、入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔに変換するもので変圧器により入力と出力を絶縁する。基本動作は従来技術を用いたものと同様であるが、本発明の構造及び濃度プロファイルをもつＳｉＧｅトランジスタを用いることにより、高耐電圧化、スイッチング損失低減による高効率化、省エネ化を図れると同時に小型化、低コスト化も図れる。
【００３７】
また、図１（ｂ）は、図１（ａ）の入力側に更に複数のダイオードＤ１〜Ｄ４で構成される全波整流回路を設けて一般にＡＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣアダプターと呼ばれる電力変換装置である。ノートパソコン、携帯電話など、入力がＡＣ１００Ｖ電源で装置内部は低電圧直流電圧のＣＰＵ、ＬＳＩなどで機能動作する多くの情報機器、家電品に用いられる。本発明による構造、濃度プロファイルをもつＳｉＧｅトランジスタを用いることによりスイッチング損失低減による高効率化、省エネ化を図れると同時に小型化、低コスト化も図れる。
【００３８】
以下に本発明の実施例で用いるＳｉＧｅトランジスタＱ１０の性能の一例を列記する。従来技術で説明した入力電流１Ａをスイッチングするのに必用な仕様をもつ。
１）定格電流；                                        ２．０Ａ
２）定格コレクタ―エミッタ間降伏電圧；                ４００Ｖ
３）オン状態コレクタ−エミッタ間電圧（接合部温度１００℃にて）；  
０．４０Ｖ  （電流１Ａであるからオン抵抗換算値は、４００ｍΩ）
４）ターンオン時間（温度条件同上）；                ３ｎｓｅｃ
５）ターンオフ時間（同上）；                        ３ｎｓｅｃ
６）電流増幅率 ｈｆｅ（同上）；     １００以上
【００３９】
直流電源の出力の一方を変圧器（Ｔ１）の一次側巻腺の一方の端子に接続し、変圧器の一次側巻線のもう一方の端子をＳｉＧｅトランジスタＱ１０のコレクタ端子に接続している。直流電源の出力のもう一方をＱ１０のエミッタ端子に接続する。
ＳｉＧｅトランジスタＱ１０は直流出力をスイッチングして直流出力を矩形波に変換して変圧器一次側巻線に印加する。Ｑ１０に並列接続されたダイオード（Ｄ１５）はＱ１０に逆電圧が印加される場合に導通して電流をながすためのものであり、導通時の低いダイオード順方向電圧によりＱ１０を保護するために用いられる。
【００４０】
コンデンサ（Ｃ１１）は直流電源出力を平滑するためとＱ１０がオフ状態からオンした直後の短時間の間直流電源からＱ１０への電流が直流電源内部や配線のインダクタンスで遅れるのを補償する電流をＱ１０へ流すエネルギー源として用いられ、通常トランジスタスイッチング及び変圧器の近くに設置するものである。
変圧器一次側に印加された矩形波電圧は、変圧器の変圧比で変圧された矩形波電圧を変圧器二次側に出力される。
【００４１】
ダイオード（Ｄ２１）はＱ１０がオンの時に変圧器二次側から出力される矩形波出力の電流をリアクトル（Ｌ２１）及びコンデンサ（Ｃ２１）へ流す。
ダイオード（Ｄ２２）はＱ１０がオンからオフ状態になった間にインダクター（Ｌ２１）に蓄積されているエネルギーを流して出力電圧（コンデンサ（Ｃ２１）の両端電圧）を平滑化する。出力が所定のパルス幅であるパルス出力を要求される場合はコンデンサ（Ｃ２１）を省略することも多い。
【００４２】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の回路入力に、ＡＣ（交流）入力を直流に変換するために複数のダイオード（Ｄ１１〜Ｄ１４）で構成される全波整流回路を設けたもので、これ以外は図１（ａ）と同じである。
【００４３】
本実施例の電力変換装置は、高速でかつオン時コレクターエミッタ間電圧の小さい次のような構造のＳｉＧｅベース層をもつトランジスタを用いることにより実現できる。
【００４４】
本発明者らが特願２０００−１５６４８４号の出願明細書等において提案しているＳｉＧｅ／Ｓｉヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下、ＳｉＧｅトランジスタという）、高濃度N型Ｓｉ基板の上に低濃度Ｎ型Ｓｉコレクタ層、Ｐ型ＳｉＧｅベース層、Ｎ型Ｓｉエミッタ層を順次積層した構造を基本構造として用い、ベース厚み、コレクタ厚み及びベース層に含まれるＧｅ濃度を所定の範囲とすることで、ＤＣ３００Ｖ〜ＤＣ５００Ｖの高耐圧、低オン電圧、高増幅率で、かつ、高速でスイッチング動作するスイッチ素子となる。
【００４５】
上記トランジスタを図２の構造図、図３の不純物濃度分布を用いて説明する。図３の不純物分布は図２に図示しているＡ−Ａ’部分の不純物濃度分布を示している。本トランジスタは高濃度のＮ型シリコン基板２の上に低濃度のＮ型シリコン層を有するコレクタ層３、Ｇｅ濃度分布をもつＰ型シリコンゲルマニウム層を有するベース層４、高濃度のＮ型シリコン層又はＮ型アモルファスシリコンを有するエミッタ層５からなっている。
【００４６】
高濃度のＮ型シリコン基板２のＮ型不純物はＰ（リン）またはＡｓ（ヒ素）であり、その不純物濃度は２×１０１９/ｃｍ３、厚みは１００μｍである。但し、このＮ型不純物濃度は１×１０１８/ｃｍ３〜１×１０２０/ｃｍ３、厚みは１００μｍ〜５００μｍの範囲で構成されていても良い。
【００４７】
上記コレクタ層３のＮ型不純物はＰまたはＡｓであり、その不純物濃度８は６×１０１４/ｃｍ３、コレクタ層３の厚みは３０μｍである。但し、このＮ型不純物濃度は１×１０１４/ｃｍ３〜５×１０１５/ｃｍ３、厚みは２０μｍ〜９０μｍの範囲で構成されていても良い。
【００４８】
上記ベース層４のＰ型不純物はＢ（ホウ素）であり、その不純物濃度８は５×１０１７/ｃｍ３、ベース層４の厚みは２００ｎｍである。但し、このＰ型不純物濃度は１×１０１７/ｃｍ３〜１×１０１８/ｃｍ３、厚みは１００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲で構成されていても良い。
【００４９】
上記ベース層４のＧｅ濃度分布１６は、エミッタ層５とベース層４との境界Ｐ０からベース層４内のＰ１の位置までは０％、その位置Ｐ１からコレクタ層３とベース層４の界面Ｐ２までは１０％の台形状のＧｅ濃度分布で構成されており、Ｐ１からＰ２までの距離Ｘｓｉｇｅは１６５ｎｍで構成されている。但し、Ｇｅ濃度分布の最大値は６〜１６％、Ｘｓｉｇｅは２０ｎｍ〜３８０ｎｍの範囲であっても良い。図５にＳｉＧｅトランジスタのＧｅ濃度と電流増幅率の解析結果を示す。解析値から判るように増幅率１００以上となるためには、Ｇｅ濃度（モル濃度）は６％から１６％となることが判る。更に、電流増幅率として２００以上が要求される場合、Ｇｅ濃度は８％から１３％とすることがより好ましい。
【００５０】
また、本実施例の変形例として、上記ベース層４のエミッタ層５とベース層４との界面Ｐ０からベース層４内のＰ１の位置までのＧｅ濃度分布１６が０％から３％であっても良い。尚、この場合も、Ｐ１からコレクタ層３とベース層４の界面Ｐ２までのＧｅ濃度は６％から１６％の台形分布、より好ましくは８％から１３％の台形分布となる。
【００５１】
上記エミッタ層５のＮ型不純物はＰまたはＡｓであり、その不純物濃度はピーク濃度が１×１０２０/ｃｍ３、エミッタ層５とベース層４との界面位置Ｐ０の濃度が５×１０１8/ｃｍ３であり、エミッタ層５の厚みは１μｍで構成されている。但し、この高濃度Ｎ型不純物の濃度分布はガウシアン分布以外、例えば濃度一定の台形上分布等、であっても良く、その厚みは０.５〜２μｍであってもよい。
【実施例２】
【００５２】
上記ＳｉＧｅトランジスタはベース層４のＧｅ濃度分布１６として図４に示すような傾斜状のＧｅ濃度分布を持ったトランジスタを用いても良い。これはエミッタ層側からコレクタ層側に向けて漸次、Ｇｅ濃度が高くなる濃度分布となっており、Ｇｅ濃度はベース層４とコレクタ層３の境界近辺で最大となり、１０％のＧｅ濃度を有する。また、ベース層４とエミッタ層５の境界付近でのＧｅ濃度は２％である。但し、このベース層４とコレクタ層３の境界近辺のＧｅ濃度は８〜１３％であっても良く、ベース層４とエミッタ層５の境界付近でのＧｅ濃度は０〜３％であっても良い。
【００５３】
図５は本発明の実施形態例に係るＳｉＧｅバイポーラトランジスタに含まれるＧｅ濃度と電流増幅率の関係を示すものである。
本発明者らはＳｉＧｅバイポーラトランジスタを、従来見向きされなかった用途である電力変換装置に用いるうえで重要な性能のひとつである高電流増幅率を実現するために、３００Ｖ〜６００Ｖ耐圧を有するＳｉＧｅバイポーラトランジスタが含有するＧｅ濃度と電流増幅率ｈｆｅとの関係を鋭意解析して図５を得た。その結果、図５に示すように、１００以上の電流増幅率を得るためには６〜１６％のＧｅ濃度が良く、２００以上の電流増幅率を得るためには８〜１３％のＧｅ濃度が良い。
【００５４】
図６は本発明の実施形態に係るＳｉＧｅバイポーラトランジスタに含まれるＧｅ濃度を１０％とした場合の、コレクタ層厚みＷｃ、不純物濃度Ｎｃと電流増幅率ｈｆｅの関係を示す。
Ｇｅを含まないＳｉのみのバイポーラトランジスタではその電流増幅率は図６に示すＳｉＧｅバイポーラトランジスタのほぼ半分になる。
逆にいえば、従来のＳｉのみのバイポーラトランジスタの２倍の電流増幅率を有するＳｉＧｅバイポーラトランジスタとそれを用いた低損失の電力変換装置を生み出すことができた。コレクタ層厚みＷｃは２０μｍ〜９０μｍが良い。９０μｍを超えると増幅率ｈｆｅが下がり所望する１００以下となってしまう。また、２０μｍ未満ではトランジスタの耐電圧が下がってしまうからである。
【００５５】
本発明者らは社会的な省エネのニーズに応えるべく鋭意研究を行い、その結果このように、高耐圧・高速スイッチング・低オン抵抗、高増幅率を有するＳｉＧｅバイポーラトランジスタを発明するに至った。
又、従来は無線用途にしか適用されなかったＳｉＧｅトランジスタの用途として従来見向きもされなかった電力変換装置用途を開拓するとともに社会的な省エネニーズに応えるに至った。
【００５６】
さらに、上記説明ではトランジスタ全体の構造として縦型構造で説明を行なったが、図３または図４に示す不純物濃度を持った図７に示すような横型構造（プレーナ構造）であっても良い。
【００５７】
図８（ａ）、（ｂ）は、従来品の回路と本実施例の回路とのスイッチ速度を比較するために模式的に示した特性線図である。
図８で比較した従来品はスイッチングトランジスタにＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用いたフォワード方式電力変換装置、本実施例品はＳｉＧｅトランジスタをもつフォワード方式電力変換装置である。図８（ａ）に示すように、従来品ではＦＥＴのオフ状態（電流が流れない）（ｔ１１）からオン定常状態（電流が流れる）に移行する時（ｔ１２）までの間が９．９ナノ秒（ｎｓｅｃ）以上を要する。オン状態（ｔ１３）からオフ状態（ｔ１４）に移行するターンオフには１１ｎｓｅｃ以上の時間を要する。
【００５８】
これに対して本実施例品では、図８（ｂ）に示すように、通電開始からＳｉＧｅトランジスタがオフ状態（ｔ２１）からオン状態（ｔ２２）に移行するまでのターンオン時間ｔ２２−ｔ２１が３ナノ秒（ｎｓｅｃ）、オン状態（ｔ２３）からオフ状態（ｔ２４）に移行するターンオフ時間ｔ２４−ｔ２３が３ｎｓｅｃと非常に短いので、その間にトランジスタ内部で生じる損失（過渡電圧×過渡電流の時間積分）が少ない。前述のようにＳｉＧｅトランジスタはオン状態での両端電圧が小さいのでオン状態における内部損失も小さくできる。
【００５９】
更に、スイッチング周波数をより高くすると変圧器、出力側のインダクターやコンデンサを小型化できる。従来より効率を下げないという制約下でスイッチング周波数をできるだけ高くして電力変換装置を小型化することも可能である。
【００６０】
本発明の実施例の効果を、携帯電話、ノートパソコンなどのＡＣアダプター、充電器として用いられるフォワード方式電力変換装置の主仕様を例にして説明する。
【００６１】
例としての共通の仕様は、入力電圧Ｖｉｎは直流１３５Ｖ（ＡＣ１００Ｖ入力を整流平滑した直流平均電圧）、出力電圧は１０Ｖ、電源容量を１００Ｗの仕様条件においては従来技術のＦＥＴ或いは本発明のＳｉＧｅトランジスタがスイッチングする電流値（ピーク値）は約１Ａになる。
【００６２】
コンピューター計算により、スイッチングトランジスタのオン時損失、ターンオン損失、ターンオフ損失を計算して求めた。
スイッチング周波数は現在開発が進められているターゲットである１ＭＨｚとした。従来例のＦＥＴの損失は２．２７Ｗ（オン損失１．８Ｗ＋ターン音損失０．２２Ｗ＋ターンオフ損失０．２５Ｗ）、本発明の実施形態によるＳｉＧｅトランジスタ内部の損失は０．３４Ｗ(オン損失０．２Ｗ＋ターンオン損失０．０７Ｗ＋ターンオフ損失０．０７Ｗ)で１．９３Ｗの省エネになる。
【００６３】
例えばノートパソコンに適用した場合は、２００２年時点でのノートパソコンは世界市場で約１．７億台生産されているから1台当り１．９３W省エネできればノートパソコン用ＡＣアダプタのみの適用で世界中では３２．８１万ｋＷの省エネになる。
他の多くの適用製品、例えば携帯電話用充電器、液晶TV電源、ＯＡ機器電源、照明装置電源など膨大な適用製品数を考慮すると少なくとも全体で１桁以上の数１００万ｋＷレベルの省エネ効果が期待できる。
【００６４】
更に、トランジスタ内部損失が低減できるのでトランジスタ用冷却部品（アルミ製冷却フィンた小型ファンなど）を小型軽量化できて適用製品全体の小型化にも貢献できる。
更に、金属／フェライト複合磁気コア（例えば、日本応用磁気学会誌Ｖｏｌ．２７  Ｎｏ．６，２００３年、第７２１頁）などのナノテクを応用した高周波と低損失を実現できるコアを用いた変圧器と組み合わせてスイッチング周波数を数ＭＨｚにアップして更に高効率化と小型化も可能である。
【００６５】
また、上述したＧｅを含むトランジスタについては、電力変換装置が複数のトランジスタを備える場合、少なくとも１つのトランジスタをＧｅを含むトランジスタとし、残りはＦＥＴ等の従来型トランジスタとしても良い。
【００６６】
以上の実施形態の説明はフォワード方式電力変換装置についておこなったが、フライバック方式やＬＣＣ方式などの多くの電力変換装置、パルス電源についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換装置の回路を示す。    （ａ）入力が直流電源であるフォワード方式電力変換装置    （ｂ）入力がＡＣ（交流）電源であるフォワード方式電力変換装置
【図２】本発明の実施形態に係る電力変換装置に用いられるＳｉＧｅ／Ｓｉヘテロ接合型バイポーラトランジスタの構造の一例を模式的に示す断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る電力変換装置に用いられるＳｉＧｅバイポーラトランジスタのＧｅ濃度分布が台形状を有している構造の一例を模式的に示す不純物濃度分布図。
【図４】分布が傾斜状を有している構造の一例を模式的に示す不純物濃度分布図。
【図５】本発明の実施形態に係る電力変換装置に用いられるＳｉＧｅバイポーラトランジスタのＧｅ濃度と電流増幅率を示す図。
【図６】本発明の実施形態に係る電力変換装置に用いられるＳｉＧｅバイポーラトランジスタのコレクタ層の厚みと電流増幅率を示す図
【図７】本発明の実施形態に係る電力変換装置に用いられるＳｉＧｅバイポーラトランジスタの構造の横型構造（プレーナ構造）の一例を模式的に示す断面図。
【図８】（ａ）従来の比較例回路のスイッチング特性を示す図    （ｂ）本発明の実施形態に係る実施例回路のスイッチング特性を示す図
【図９】従来のFET(電界効果トランジスタ)を用いた電力変換装置の回路を示す    （ａ）入力が直流電源であるフォワード方式電力変換装置    （ｂ）入力がAC（交流）電源であるフォワード方式電力変換装置
【符号の説明】
【００６８】
１０…本発明によるフォワード方式電力変換装置
Ｑ１０…ＳｉＧｅバイポーラトランジスタ
Ｑ１００・・・ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）
Ｄ・・・ダイオード
Ｌ・・・インダクタ
Ｃ・・・コンデンサ
Ｔ・・・変圧器（トランス）
２・・・高濃度シリコン（Ｓｉ）基板
３・・・低濃度Ｎ型シリコンを有するコレクタ層
４・・・Ｐ型シリコンゲルマニウムを有するベース層
５・・・高濃度Ｎ型シリコンを有するエミッタ層
６・・・ベース電極
７・・・エミッタ電極
８・・・コレクタ電極
１２・・・Ｓｉ基板内の高濃度Ｎ型不純物濃度分布
１３・・・コレクタ層内の低濃度Ｎ型不純物濃度分布
１４・・・ベース層内のＰ型不純物濃度分布
１５・・・エミッタ層内の高濃度Ｎ型不純物濃度分布
１６・・・Ｇｅ濃度分布
【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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【図８】
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【図９】
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