CN103681663B - 电源电路和电源装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电源电路和电源装置。该电源电路包括：耗尽型晶体管，其包括场板；增强型晶体管，耗尽型晶体管的源极和漏极被耦接到该增强型晶体管；以及恒流源，其被耦接到耗尽型晶体管和增强型晶体管之间的连接节点。

Description

电源电路和电源装置
技术领域
本文讨论的实施方式涉及一种电源电路和电源装置。
背景技术
近年来，积极开发了一种电子器件(化合物半导体器件)，其中，GaN层和AlGaN层被顺序地形成在由氮化镓(GaN)或Si形成的衬底上，并且GaN层被用作电子渡越层(electrontransit layer)。
GaN的带隙为3.4eV，其大于Si的1.1eV和GaAs的1.4eV。因此，预期该化合物半导体器件以高的击穿电压进行工作。
一种这样的化合物半导体器件是GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)。在下文中，GaN基高电子迁移率晶体管被称为GaN-HEMT。HEMT是下述场效应晶体管：其中由半导体异质结引起的高迁移率二维电子气(2DEG)被用作沟道。
当GaN-HEMT被用作电源逆变器的开关时，可以降低导通(ON)电阻以及提高耐电压性。此外，与Si基晶体管相比，还可以降低待机功耗且提高工作频率。
因此，可以降低开关损耗，使得可以降低逆变器的功耗。GaN-HEMT可以比具有与GaN-HEMT相同的性能的Si基晶体管更小。
当GaN-HEMT以高频率和高电压工作时，会发生漏电流减小的电流崩塌现象。认为电流崩塌现象的原因之一是：自由电子被捕获在栅极的面对漏极的一侧附近的区域的电子陷阱能级(electron trap level)。当电子被捕获在表面的陷阱能级时，2DEG的密度减小且GaN-HEMT的输出会下降。作为对电流崩塌现象的对策，存在一种具有源场板的GaN-HEMT，其中场板被设置到源极。
然而，存在这样的问题，当GaN-HEMT关断(OFF)时，阈值变化，高电压被施加到源场板下面的绝缘膜，使绝缘膜退化，并缩短GaN-HEMT的寿命。
以下是参考文献：
[文献1]日本特许公开专利公布第2006-324839号。
发明内容
根据本发明的一个方面，电源电路包括：耗尽型晶体管(depression modetransistor)，其包括场板；增强型晶体管，耗尽型晶体管的源极被耦接到该增强型晶体管的漏极；以及恒流源，其被耦接到耗尽型晶体管和增强型晶体管之间的连接节点。
本发明的目的和优点通过权利要求中特别指出的要素和组合来实现和达到。
应当理解，如所声称的，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例性的和说明性的，并不是对本发明的限制。
附图说明
图1是级联(cascode)连接电路的电路图；
图2是包括源场板的GaN-HEMT的结构图；
图3是包括源场板的GaN-HEMT的等效电路图；
图4是示出了GaN-HEMT的可靠性测试结果的图；
图5是一种实施方式的电源电路的电路图；以及
图6是应用该实施方式的电源电路的电源装置的图。
具体实施方式
虽然传统的硅MOS-FET是常关型(增强型)晶体管，当没有电压被施加到栅极时，常关型晶体管是关断的，但是GaN-HEMT是常开型(耗尽型)晶体管，当没有电压被施加到栅极时，常开型晶体管通常是导通的。
因此，为了开关耗尽型GaN-HEMT，存在一种被称为级联连接的方法，其中，耗尽型GaN-HEMT与增强型FET结合来作为增强型运行。
图1示出了级联连接电路的例子。级联连接电路1是耗尽型GaN-HEMT 30和增强型MOS-FET 20串联连接的电路。GaN-HEMT 30的源极被连接到MOS-FET 20的漏极。GaN-HEMT30的栅极和MOS-FET 20的源极接地。增强型MOS-FET 20例如是通常可用的硅基n型MOS-FET。
接下来，将描述级联连接电路1的操作。首先，当MOS-FET 20关断时，MOS-FET 20的电阻增大，并且MOS-FET 20的漏电压上升，与仍然导通的GaN-HEMT 30的电阻值平衡。然后，GaN-HEMT 30的源电压变得高于GaN-HEMT 30的栅电压，因为GaN-HEMT 30的栅电压为0V。这里，例如，如果GaN-HEMT 30关断和导通的阈值为-5V，则当GaN-HEMT 30的源电压变为5V时，GaN-HEMT 30关断。
当级联连接电路1被看作一个晶体管时，GaN-HEMT 30的漏极作为级联连接电路1的漏极运行，而MOS-FET 20的源极作为级联连接电路1的源极运行。类似地，MOS-FET 20的栅极作为级联连接电路1的栅极运行。
当GaN-HEMT以高频率和高电压工作时，会发生漏电流减小的电流崩塌现象。认为电流崩塌现象的原因之一是：自由电子被捕获在栅极的面对漏极的一侧附近的区域的电子陷阱能级。当电子被捕获在表面的陷阱能级时，2DEG的密度减小且GaN-HEMT的输出会下降。
因此，作为对电流崩塌现象的对策，存在一种包括场板的GaN-HEMT。
图2是示出了包括场板的GaN-HEMT 32的结构的截面视图。AIN层91、非掺杂i-GaN层92、N型n-AlGaN层94被顺序地形成在SiC衬底90上。此外，源极81、漏极82和栅极83被形成在n-AlGaN层94上。在GaN-HEMT 32中，形成在n-AlGaN层94与i-GaN层92之间的界面处的二维电子气(2DEG)93被用作载流子。AIN层91作为缓冲层运行。
此外，由绝缘材料如聚酰亚胺形成的层间绝缘膜95被形成在n型n-AlGaN层94、源极81、漏极82和栅极83上。
在层间绝缘膜95中，形成栅场板42，其被电连接到栅极83，并且在水平方向上延伸。
此外，在层间绝缘膜95中，形成源场板40，其在水平方向上从源极81上方延伸到超过栅场板42的位置。源场板40通过在层间绝缘膜95中形成的接触插塞85被电连接到源极81。
此外，漏极焊盘44被形成在层间绝缘膜95上的、漏极82的位置处，并且通过在层间绝缘膜95中形成的接触插塞86被电连接到漏极82。
当源场板40被看作阈值比栅极83的阈值更负(minus)的第二栅极时，具有场板的GaN-HEMT 32可以被看作两个器件。
图3是具有场板的GaN-HEMT 32的等效电路图。第一器件34使用GaN-HEMT 32的源极81作为源极，使用GaN-HEMT 32的栅极83作为栅极，以及使用GaN-HEMT 32的漏极末端下面的二维电子气93的一端作为漏极。
第二器件36使用GaN-HEMT 32的漏极末端下面的二维电子气93的另一端作为源极，使用GaN-HEMT 32的源场板40作为栅极，以及使用GaN-HEMT 32的漏极82作为漏极。
接下来，将描述具有场板的GaN-HEMT 32关断时的操作。第一器件34的栅极的阈值被假定为例如-5V，第二器件36的栅极的阈值被假定为例如-10V。
当第一器件34的栅电压被设定为-5V或更低且第一器件34关断时，第一器件34的栅极下面的电阻增大，以使得第一器件34的漏电压上升，与仍然导通的第二器件36的电阻值平衡。随着第一器件34的漏极的电压上升，第二器件36的源极的电压也上升，并且当第二器件36的源电压变为10V时，第二器件36关断。
认为在GaN-HEMT以高频率和高电压工作时发生的电流崩塌现象的原因之一是：自由电子被捕获在栅极的面对漏极的一侧附近的区域的电子陷阱能级。通过阻止过强的电场被施加到栅极83的面对漏极82的一侧，源场板40具有不抑制自由电子运动的功能。
通过在上述用作例子的级联连接电路1中用具有场板的GaN-HEMT 32代替GaN-HEMT 30，发明人进行了可靠性测试。
图4示出了GaN-HEMT 32的可靠性测试的结果。在图4中，最左边的竖直矩形表示在600V被施加到图1中所示的级联连接电路1的电源、脉冲信号被输入到输入端子中并且级联连接电路1被重复导通和关断的情况下GaN-HEMT 32的寿命。获得GaN-HEMT 32在约1.00×1010秒内损坏的结果。
发明人估计了如下所述的GaN-HEMT 32损坏的原因。当GaN-HEMT 32关断时，泄漏电流从源极81通过GaN晶体流动到漏极82。当泄漏电流小时，仅空穴(正空穴)的陷阱立即出现在源场板40下面，并且不发生复合和去捕获(detrap)。因此，源场板40下面的区域带正电的，2DEG的密度增大，并且源场板40的阈值从-10V改变到例如-50V。然后，如果第二器件36的源电压没有上升直至50V，则第二器件36将不会关断。在这种情况下，50V的高电压被施加到场板40下面的层间绝缘膜95，以使得层间绝缘膜95的退化发展，并且最终层间绝缘膜95损坏。其结果是，GaN-HEMT 32的寿命缩短。
因此，发明人认为GaN-HEMT 32寿命缩短的原因是由于源场板的阈值的变化，从而发明了下述实施方式。
在下文中，将参照附图详细描述公开技术的优选实施方式。
图5是示出了根据应用公开技术的实施方式的电源电路10的图。在图5中，用相同的附图标记表示与图1中所示的级联连接电路1中组件相同的组件，并且将省略它们的描述。
本实施方式的电源电路10是级联连接电路，其中具有场板的GaN-HEMT 32和增强型MOS-FET 20串联连接。GaN-HEMT 32的源极被连接到MOS-FET 20的漏极。GaN-HEMT 32的栅极和MOS-FET 20的源极接地。增强型MOS-FET 20是例如通常可用的硅基n型MOS-FET。此外，恒流源50被连接到下述节点：在该节点处，GaN-HEMT 32的源极和MOS-FET 20的漏极被连接。恒流源50由一般的恒流电路组成，例如使用电流镜电路。
恒流源50具有流出特定量的泄漏电流的功能，所述泄漏电流在GaN-HEMT 32关断时从GaN-HEMT 32的源极81通过GaN晶体流动到漏极82。
在图4中，从左边第二个竖直矩形到左边第5个竖直矩形表示在600V被施加到图5中所示的电源电路10、脉冲信号被输入到输入端子并且电源电路10重复导通和关断的情况下的GaN-HEMT 32的寿命。竖直矩形表示GaN-HEMT 32的寿命的比较的结果，对于额定电流为100mA的GaN-HEMT 32，通过将由恒流源50流出的电流改变到1pA、1nA、1μA和1mA来获得上述结果。
恒流源50流出的电流为1pA的情形和无恒流源的情形之间观察不到寿命的区别。已知，当泄漏电流只增加1pA时，没有很多影响。
当恒流源50流出的电流为1nA和1μA时，与无恒流源50的情形相比，观察到寿命延长了约6倍。如果GaN-HEMT 32关断时的泄漏电流通过将恒流源50连接到GaN-HEMT 32而增大，则即使当GaN-HEMT 32关断时空穴被捕获在源场板40下面，空穴也很容易被去捕获或很容易与电子复合。因此，源场板40下面的2DEG的密度不改变，以使得在源场板40被看作第二栅极时阈值不变。
由于源场板40的阈值不变，所以高电压没有被施加到场板40下面的层间绝缘膜95。因此，认为层间绝缘膜95的退化没有发展，并且GaN-HEMT 32的寿命延长。
当恒流源50流出的电流为1mA时，在GaN-HEMT 32的源极和漏极之间施加高电压以使得大的负载被局部地施加到GaN-HEMT 32的一部分的状态下，大的电流在GaN-HEMT 32的源极和漏极之间流动。因此，认为电压和电流超出了SOA(安全工作区)的范围，以使得GaN-HEMT 32的寿命显著缩短，其中安全工作区是GaN-HEMT 32长时间稳定工作的电压和电流的区域。
因此，已经清楚，当恒流源50流出的电流为1nA和1μA时有影响。认为当在通过GaN-HEMT 32的额定电流确定的范围内增大泄漏电流时源场板40的阈值不变，以使得GaN-HEMT32的退化没有发展。
在本实施方式中，通过恒流源50在借由GaN-HEMT 32的额定电流确定的范围内增大泄漏电流来增大GaN-HEMT 32关断时的泄漏电流，使得高电压没有被施加到场板40下面的层间绝缘膜95。因此，可以阻止层间绝缘膜95退化，并延长GaN-HEMT 32的寿命。
在本实施方式中，描述了源极81具有场板的、带有源场板40的GaN-HEMT 32。然而，从栅极83具有场板的、带有栅场板的GaN-HEMT可以获得相同的效果。
即使当仅电阻，而不是恒流源50，被连接到使GaN-HEMT 32的源极和MOS-FET 20的漏极连接的节点时，GaN-HEMT 32关断时的泄漏电流可以增大到一定程度，使得可以预计有一定程度的影响。
图6是使用本实施方式的电源电路10的电源装置的电路图。本实施方式的电源电路10被设置在功率因素校正(PFC)中来改善电源装置中电源的功率因素。图6中所示的电源装置包括整流电路210、PFC电路220、控制单元250、以及直流(DC)-直流(DC)转换器260。
整流电路210被连接到交流(AC)电源200。整流电路210对AC电力进行全波整流，并且输出AC电力。这里，AC电源200的输出电压是Vin，使得整流电路210的输入电压是Vin。整流电路210输出下述电力：该电力是通过对从AC电源200输入的AC电力进行全波整流而获得的。例如，80V到265V的电压的AC电力被输入到整流电路210中，使得整流电路210的输出电压也是Vin。
PFC电路220包括电感器、本实施方式的用作开关器件的电源电路10、二极管、以及平滑电容器240，其中电感器、电源电路10和二极管以T形连接。PFC电路220是有源滤波电路，其减少包括在整流电路210整流后的电流中的谐波失真等，并且改善功率因素。
控制单元250输出施加到电源电路10的栅极的脉冲形栅电压。控制单元250基于从整流电路210输出的全波整流的电力的电压值Vin、流经电源电路10的电流的电流值以及平滑电容器240的输出侧的电压值Vout，来确定栅电压的占空比，并且将栅电压施加到开关器件10A的栅极。作为控制单元250，例如可以使用乘法器电路，其可以基于流经电源电路10的电流的电流值以及电压值Vout和Vin来计算占空比。
平滑电容器240使从PFC电路220输出的电压平滑化，并且将电压输入到DC-DC转换器260中。作为DC-DC转换器260，例如，可以使用正激(forward)DC-DC转换器或全桥DC-DC转换器。例如，385V电压的交流电力被输入到DC-DC转换器260中。
DC-DC转换器260是下述转换电路：其转换并输出AC电力的电压值。负载电路270被连接到DC-DC转换器260的输出侧。
这里，例如，DC-DC转换器260将385V电压的AC电力转换为12V电压的DC电力，并且输出DC电力到负载电路270。
根据本实施方式，即使当以高频率和高电压使用PFC电路220中的电源电路10中的GaN-HEMT 32时，几乎不发生电流崩塌现象，使得可以提供有效的电源装置。此外，GaN-HEMT32的退化是小的，使得可以提供高质量的电源装置。
本文陈述的所有例子和条件性语言旨在用于教示目的以帮助读者理解本发明以及发明人为促进技术所贡献的构思，并且被解释为不限制这样具体陈述的例子和条件，并且说明书中的这样的例子的组织并不涉及表明本发明的优势和劣势。虽然已经详细描述了本发明的实施方式，但是应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明作出各种改变、替代和变更。

Claims (5)

1.一种电源电路，包括：
GaN-HEMT耗尽型晶体管，其包括场板；
增强型晶体管，所述GaN-HEMT耗尽型晶体管的源极和所述增强型晶体管的漏极在连接节点处耦接；以及
恒流源，其被耦接到所述连接节点，
其中所述GaN-HEMT耗尽型晶体管的栅极被电耦接到所述增强型晶体管的源极。
2.如权利要求1所述的电源电路，其中，所述GaN-HEMT耗尽型晶体管由包括氮的化合物半导体器件形成。
3.如权利要求1所述的电源电路，其中，所述场板是耦接到所述GaN-HEMT耗尽型晶体管的源极的源场板。
4.如权利要求1所述的电源电路，其中，所述恒流源流出所述GaN-HEMT耗尽型晶体管的额定电流的1×10-11到1×10-2的电流。
5.一种电源装置，包括：
直流-直流转换器；以及
电源电路，其被配置成给所述直流-直流转换器供电，
其中，所述电源电路包括：
GaN-HEMT耗尽型晶体管，其包括场板，
增强型晶体管，所述GaN-HEMT耗尽型晶体管的源极和所述增强型晶体管的漏极在连接节点处耦接，以及
恒流源，其被耦接到所述连接节点，
其中所述GaN-HEMT耗尽型晶体管的栅极被电耦接到所述增强型晶体管的源极。
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