CN115836468A - 功率转换电路以及功率转换系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种降低了辐射噪声的功率转换电路。功率转换电路至少具备：开关元件(5)，经由电抗器(4)对所输入的电压进行开闭；以及换向二极管(7)，通过至少包括在所述开关元件(5)关断时从所述电抗器(4)产生的电动势的电压，使沿所述电动势的方向流动的电流导通，所述换向二极管(7)包括氧化镓系肖特基势垒二极管。

Description

功率转换电路以及功率转换系统
技术领域
本发明涉及一种功率转换电路以及功率转换系统。
背景技术
作为能够实现高耐压、低损耗及高耐热的下一代开关元件，使用带隙大的氧化镓(Ga2O3)的半导体装置备受瞩目，期待着将其应用于逆变器或转换器等功率半导体装置。而且，由于宽带隙，也期待着作为LED或传感器等光收发装置的应用。关于该氧化镓，根据非专利文献1，通过与铟和铝分别地或组合地进行混晶，能够进行带隙控制，作为InAlGaO系半导体而构成极具魅力的材料系统。在这里，所谓InAlGaO系半导体，表示InXAlYGaZO3(0≤X≤2，0≤Y≤2，0≤Z≤2，X+Y+Z＝1.5～2.5)，可将其概观为包含氧化镓在内的同一材料系统。
在专利文献1中，记载了将包括β―Ga2O3系半导体的肖特基二极管作为包括肖特基二极管和晶体管而构成的开关电路的续流二极管来使用。然而，关于实际组装到开关电路时的课题等并未充分地进行研究。另外，存在着氧化镓基板的热导率低等课题，无法在工业上使用。
另外，在专利文献2中，记载了在交流-直流转换装置的开关部中的二极管或开关元件的一部分或全部中，使用宽带隙的半导体元件(碳化硅、氮化镓、氧化镓或金刚石中的任意一种或组合)。然而，对于每种半导体元件各自的课题并未进行研究，而且在辐射噪声方面也无法充分满足。另外，特别是在使用氧化镓的情况下，还存在着电路整体发热的问题。
为此，期待一种辐射噪声及发热得到抑制的功率转换电路。
专利文献1：日本专利公开2010-233406号公报
专利文献2：日本专利公开2016-27779号公报
非专利文献1：金子健太郎，《刚玉结构氧化镓系混晶薄膜的生长与物性》，京都大学博士论文，平成25年3月。
发明内容
本发明的目的在于提供一种辐射噪声得到抑制的功率转换电路。
本发明人等为了达成上述目而进行了深入研究，结果认为，与使用Si系二极管或SiC系二极管作为换向二极管的功率转换电路相比，如下功率转换电路的辐射噪声得到降低，并且发现这种功率转换电路能够一举解决上述现有问题，该功率转换电路至少具备：开关元件，经由电抗器对所输入的电压进行开闭；以及换向二极管，通过至少包括在所述开关元件关断时从所述电抗器产生的电动势的电压，使沿所述电动势的方向流动的电流导通，所述换向二极管包括氧化镓系肖特基势垒二极管。
即，本发明涉及以下的发明。
[1]一种功率转换电路，其特征在于，至少具备：开关元件，经由电抗器对所输入的电压进行开闭；以及换向二极管，通过至少包括在所述开关元件关断时从所述电抗器产生的电动势的电压，使沿所述电动势的方向流动的电流导通，所述换向二极管包括氧化镓系肖特基势垒二极管。
[2]根据上述[1]所述的功率转换电路，其中，所述电抗器相比于所述二极管配置在输入侧。
[3]根据上述[1]或[2]所述的功率转换电路，其中，还具备输出电容器，所述电流被供给到所述输出电容器。
[4]根据上述[1]～[3]中任一项所述的功率转换电路，其中，所述开关元件具备续流二极管。
[5]根据上述[1]～[4]所述的功率转换电路，其中，所述开关元件包括氧化镓系MOSFET、氧化镓系IGBT、氮化镓系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT。
[6]根据上述[1]～[5]中任一项所述的功率转换电路，其中，所述开关元件和所述换向二极管分别使用不同的半导体。
[7]根据上述[1]～[6]中任一项所述的功率转换电路，其中，所述氧化镓系肖特基势垒二极管中使用的半导体的带隙大于所述开关元件中使用的半导体的带隙。
[8]根据上述[1]～[7]中任一项所述的功率转换电路，其中，所述氧化镓系肖特基势垒二极管至少包括n-型半导体层，所述n-型半导体层的载流子浓度为2.0×1017/cm3以下。
[9]根据上述[8]所述的功率转换电路，其中，所述n-型半导体层的厚度为1μm～10μm。
[10]根据上述[1]～[9]中任一项所述的功率转换电路，其中，所述功率转换电路为升压转换器电路。
[11]一种功率转换系统，其特征在于，至少具备：开关元件，经由电抗器对从电源供给的输入电压进行开闭；控制电路，对所述开关元件的导通关断进行控制；换向二极管，通过至少包括在所述开关元件关断时从所述电抗器产生的电动势的电压，使沿所述电动势的方向流动的电流导通；以及输出电容器，其中，使用氧化镓系肖特基势垒二极管作为所述换向二极管。
[12]根据上述[11]所述的功率转换系统，其中，所述电抗器相比于所述二极管配置在输入侧。
[13]根据上述[11]或[12]所述的功率转换系统，其中，所述开关元件具备续流二极管。
[14]根据上述[11]～[13]所述的功率转换系统，其中，所述开关元件包括氧化镓系MOSFET、氧化镓系IGBT、氮化镓系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT。
[15]根据上述[11]～14]中任一项所述的功率转换系统，其中，所述氧化镓系肖特基势垒二极管至少包括n-型半导体层，n-型半导体层的载流子浓度为2.0×1017/cm3以下。
本发明的功率转换电路降低了辐射噪声。
附图说明
图1是示意性地示出本发明第一实施方式所涉及的功率转换系统的电路图。
图2是示意性地示出本发明第二实施方式所涉及的功率转换系统的电路图。
图3是示意性地示出本发明第三实施方式所涉及的功率转换系统的电路图。
图4是示意性地示出本发明实施方式所涉及的肖特基势垒二极管的优选的一例的图。
图5是示出实施例及比较例中的PFC工作波形的图。
图6是示出实施例中的二极管关断波形的图。
图7是示出比较例中的二极管关断波形的图。
图8是示出比较例中的二极管关断波形的图。
图9是示出采用本发明实施方式所涉及的半导体装置的控制系统的一例的方框结构图。
图10是示出采用本发明实施方式所涉及的半导体装置的控制系统的一例的电路图。
图11是示出采用本发明实施方式所涉及的半导体装置的控制系统的一例的方框结构图。
图12是示出采用本发明实施方式所涉及的半导体装置的控制系统的一例的电路图。
图13是示意性地示出本发明实施方式所涉及的肖特基势垒二极管的优选的一例的图。
具体实施方式
本发明的功率转换电路的特征在于，至少具备：开关元件，经由电抗器对从输入电源输入的电压进行开闭；以及换向二极管，通过至少包括由所述开关元件导通期间的施力而在所述开关元件关断时从所述电抗器产生的电动势的电压，使沿所述电动势的方向流动的电流导通，其中所述换向二极管包括氧化镓系肖特基势垒二极管。在本发明的实施方式中，优选地，所述换向二极管相比于所述电抗器配置在输出侧。另外，在本发明的实施方式中，优选地，所述功率转换电路还具备电容器，并具有如下结构，即，通过至少包括从所述电抗器产生的电动势的电压，经由所述换向二极管将沿所述电动势的方向流动的电流供给到电容器的结构。另外，只要不阻碍本发明的目的，所述功率转换电路就不特别限定，但是在本发明的实施方式中，所述功率转换电路优选为转换器电路，更优选为升压转换器电路。
只要不阻碍本发明的目的，所述开关元件就不特别限定，可以是MOSFET，也可以是IGBT。作为所述开关元件，例如，可以举出氧化镓系MOSFET、氧化镓系IGBT、氮化镓系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT、Si系MOSFET或Si系IGBT等。在本发明的实施方式中，优选地，所述开关元件为氧化镓系MOSFET、氧化镓系IGBT、氮化镓系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT。另外，在本发明的实施方式中，优选地，所述开关元件具备续流二极管。所述续流二极管可以内置于开关元件中，也可以外置于开关元件。
所述换向二极管只要是通过至少包括由在所述开关元件导通期间的施力而在所述开关元件关断时从所述电抗器产生的电动势的电压，使沿所述电动势的方向流动的电流导通的二极管，就不特别限定。在本发明的实施方式中，优选地，所述功率转换电路还具备输出电容器(平滑电容器)，所述电流被供给到所述输出电容器。另外，在本发明的实施方式中，以防止在所述输出电容器中累积的电荷倒流的方式来配置所述换向二极管，这样能够更好地执行噪声对策，故而优选。只要不阻碍本发明的目的，所述氧化镓系肖特基势垒二极管只要是使用氧化镓系半导体的二极管，就不特别限定。作为所述氧化镓系半导体，例如，可以举出含有氧化镓或者氧化镓混晶的半导体等。另外，在本发明的实施方式中，优选地，所述氧化镓系肖特基势垒二极管为结势垒肖特基二极管(JBS)。只要不阻碍本发明的目的，所述氧化镓系半导体的晶体结构也不特别限定。作为所述氧化镓系半导体的晶体结构，例如，可以举出刚玉结构、β―Gallia结构、六方晶结构(例如，ε型结构等)、正交晶结构(例如，κ型结构等)、立方晶结构或正方晶结构等。在本发明的实施方式中，所述氧化镓系半导体的晶体结构为刚玉结构，这样能够得到开关特性更为优异的功率转换电路，故而优选。
在本发明的实施方式中，所述氧化镓系肖特基势垒二极管至少包括n-型半导体层，所述n-型半导体层的载流子浓度为2.0×1017/cm3以下，这样能更好地发挥辐射噪声的降低效果，能够进一步降低电路整体的发热，故而优选。所述n-型半导体层的载流子浓度优选在1.0×1016/cm3～5.0×1016/cm3的范围内。另外，所述n-型半导体层的厚度并不特别限定，优选为1μm～30μm，更优选为1μm～10μm，最优选为2μm～5μm。通过使n-型半导体层的载流子浓度以及厚度为上述优选范围，能够在确保散热性的同时进一步提高开关特性。另外，在本发明的实施方式中，还优选所述氧化镓系肖特基势垒二极管还具备n+型半导体层。所述n+型半导体层的载流子浓度并不特别限定，但通常在1×1018/cm3～1×1021/cm3的范围内。另外，所述n+型半导体层的厚度也不特别限定，但在本发明的实施方式中，优选为0.1μm～30μm，更优选为0.1μm～10μm，最优选为0.1μm～4μm。通过使所述n+型半导体层的厚度为这种优选厚度，能够在维持开关特性的同时进一步降低热阻。
另外，在本发明的实施方式中，优选地，所述开关元件和所述换向二极管分别使用不同的半导体，更优选地，所述氧化镓系肖特基势垒二极管中使用的半导体的带隙大于所述开关元件中使用的半导体的带隙。通过设为这种优选结构，即使在所述开关元件中使用与所述氧化镓系肖特基势垒二极管相比带隙小的半导体时，也能够较好地发挥所述开关元件的性能。
所述功率转换电路的开关频率并不特别限定，但在本发明的实施方式中，优选为100kHz以上，更优选为300kHz以上，进一步优选为500kHz以上。通过将所述氧化镓系肖特基势垒二极管用作换向二极管，即使开关频率为这样的高频，也能够实现辐射噪声被降低的功率转换电路。
下面，将参考附图来更详细地描述本发明的实施方式所涉及的功率转换电路和功率转换系统，但是本发明不限于此。
图1示意性地示出了本发明第一实施方式所涉及的包括功率转换电路的功率转换系统。图1的功率转换系统是功率因数改善系统，具备交流电源1、二极管电桥2、输入电容器3、电抗器4、开关元件5、续流二极管6、换向二极管7、输出电容器8以及负载9。此外，电抗器4、开关元件、续流二极管6、换向二极管7及输出电容器8构成功率转换电路10以作为功率因数改善电路。由所述二极管电桥2和所述输入电容器3构成全波整流电路，对从交流电源1输入的电压进行整流。周期性地重复如下操作，即，在开关元件5的导通期间对电抗器4施力，在开关元件5的关断期间使电抗器4的电流换向到换向二极管7，通过电抗器4的产生电压与输入电压之和的电压来使输出电容器8充电的操作，从而生成比输入电压高的电压。通过使用控制电路来控制这样的所述开关元件5的导通关断操作，从而使交流电压波形与交流电流波形的相位接近同相，改善功率因数，并将改善后的电压供给到负载9。另外，还优选将使用未图示的各种传感器而测量到的实测值输入到控制电路，根据这样的输入信号来进行开关控制。此外，电源1只要能够供给交流电压，就不特别限定。作为所述电源1，例如，可以举出商用电源等。另外，所述电源1例如也可以使用所期望的转换电路来将直流电压或交流电压转换为交流电压并进行输入。此外，图1的功率转换电路10也可以还具有滤波器或变压器。
所述换向二极管7通过至少包括由所述开关元件5导通期间的施力而在所述开关元件5关断时从所述电抗器4产生的电动势的电压，使沿所述电动势的方向流动的电流导通，并且防止充电到所述输出电容器8的电荷倒流。在本发明的实施方式中，通过将氧化镓系肖特基势垒二极管用于所述换向二极管7，从而能够降低功率转换电路整体的辐射噪声。另外，通过降低噪声，能够降低功率转换电路整体的发热。另外，通过降低功率转换电路整体的辐射噪声，从而能够实现例如未图示的滤波器或电容器等抗噪声部件的小型化。
图2示意性地示出了本发明第二实施方式所涉及的包括功率转换电路的功率转换系统。图2的功率转换系统具备电源(直流电源)1、电抗器4、开关元件5、续流二极管6、换向二极管7以及输出电容器8。此外，电抗器4、开关元件5、续流二极管6、换向二极管7以及输出电容器8构成了功率转换电路10。周期性地重复如下操作，即，在开关元件5的导通期间对电抗器4施力，在开关元件5的关断期间使电抗器4的电流换向到换向二极管7，通过电抗器4的产生电压与输入电压之和的电压来使输出电容器8充电的操作，从而生成比输入电压高的电压，供给到负载9。另外，还优选将使用未图示的各种传感器而测量到的实测值输入到控制电路，根据这样的输入信号来进行开关控制。此外，电源1只要能够供给直流电压，就不特别限定。作为所述电源1，例如，可以举出分布式电源、蓄电池、发电机等。所述电源1例如也可以使用所期望的转换电路来将直流电压或交流电压转换为直流电压并进行输入。此外，图2的功率转换电路10也可以还具有变压器。
图3示意性地示出了本发明第三实施方式所涉及的包括功率转换电路的功率转换系统。图3的功率转换系统具备电源(直流电源)1、电抗器4、开关元件5、续流二极管6、换向二极管7以及输出电容器8。此外，电抗器4、开关元件5、续流二极管6、换向二极管7以及输出电容器8构成了功率转换电路10。周期性地重复如下操作，即，在开关元件5的导通期间对电抗器4施力，在开关元件5的关断期间使电抗器4的电流换向到换向二极管7，通过电抗器4的产生电压使输出电容器8充电的操作，从而生成比输入电压低的电压，供给到负载9。另外，还优选将使用未图示的各种传感器而测量到的实测值输入到控制电路，根据这样的输入信号来进行开关控制。此外，电源1只要能够供给直流电压，就不特别限定。作为所述电源1，例如，可以举出分布式电源、蓄电池、发电机等。所述电源1例如也可以使用所期望的转换电路来将直流电压或交流电压转换为直流电压并进行输入。此外，图3的功率转换电路10也可以还具有变压器。
图4示出了本发明实施方式所涉及的氧化镓系肖特基势垒二极管(SBD)的一例。图4的SBD具备n-型半导体层101a、n+型半导体层101b、肖特基电极105a以及欧姆电极105b。在本发明的实施方式中，所述n-型半导体层101a的载流子浓度为2.0×1017/cm3以下，这样能更好地发挥降低辐射噪声的效果，能够进一步降低电路整体的发热，故而优选。所述n+型半导体层的载流子浓度并不特别限定，但通常在1×1018/cm3～1×1021/cm3的范围内。另外，所述n+型半导体层的厚度也不特别限定，但在本发明的实施方式中，优选为0.1μm～50μm，更优选为0.1μm～10μm，最优选为0.1μm～4μm。通过使所述n+型半导体层的厚度为这种优选厚度，能够在维持开关特性的同时进一步降低热阻。
图13示出了作为本发明优选实施方式之一的肖特基势垒二极管(SBD)的主要部分。图13中的SBD具备欧姆电极202、n-型半导体层201a、n+型半导体层201b、肖特基电极203a和203b、绝缘体膜(场绝缘膜)204。在此，绝缘体膜204具有膜厚朝向半导体装置内侧减小的10°的锥形角。虽然在图13中示出了绝缘体膜204的锥形角为10°的情况，但是所述锥形角并不限于10°的情况，还可以是大于10°的角度，也可以是小于10°的角度。在本发明的实施方式中，优选地，所述绝缘体膜204的锥形角为20°以下。另外，绝缘体膜204形成在n-型半导体层101a上，具有开口部。图13的半导体装置通过绝缘体膜204来改善端部的结晶缺陷，更好地形成耗尽层，电场弛豫也变得更加良好，另外，能够更好地抑制漏电流。在图13的半导体装置中，由于作为第一电极层的金属层203b和/或金属层203c的外端部与作为第二电极层的金属层203a的外端部相比位于外侧，因此能够更好地抑制漏电流。更进一步地，由于金属层203b和/或金属层203c之中与金属层203a的外端部相比向外侧突出的部分具有膜厚朝向半导体装置外侧减小的锥形区域，因此成为耐压性更优异的结构。另外，在本发明的实施方式中，还优选所述n-型半导体层具有保护环(未图示)。例如可以通过将p型掺杂剂(例如，Mg等)离子注入到所述n-型半导体层中来设置所述保护环。
只要不阻碍本发明的目的，图13的各层的形成方法就不特别限定，可以是公知的方法。例如，可以举出在通过真空蒸镀法或CVD法、溅射法、各种涂布技术而成膜之后通过光刻法进行图案化的方法、或者使用印刷技术等直接进行图案化的方法等。
制作与图1所示的功率转换电路同等的功率因数改善电路(PFC电路)，并进行了评价。其中，使用SiC系MOFET作为开关元件。另外，作为实施例1，制作了将α-Ga2O3系肖特基势垒二极管用于换向二极管的功率因数改善电路。其中，作为α-Ga2O3系肖特基势垒二极管，使用了具有图13所示结构的SBD。作为比较例1，将Si系二极管用于换向二极管，作为比较例2，将SiC系二极管用于换向二极管，而分别制作了功率因数改善电路。将实施例1及比较例1中的PFC工作波形示于图5。从图5中显然可知，比较例1的功率转换电路在PFC工作波形中观测到恢复电流波形，但实施例1的功率转换电路在PFC工作波形中并未观测到恢复电流波形，它降低了作为PFC电路的噪声，在控制性方面更为优异。另外，将实施例1、比较例1及比较例2的二极管关断波形分别示于图6、图7及图8。从图6、图7及图8中显然可知，实施例1的功率转换电路与比较例1及比较例2的功率转换电路相比，辐射噪声的总能量大幅降低。即，可以看出，与使用Si系二极管或SiC系二极管作为换向二极管的功率转换电路相比，使用氧化镓系肖特基势垒二极管作为换向二极管的功率转换电路在噪声特性方面更为优异。此外，实施例1的开关频率为120kHz左右，确认了在这种高频工作中也降低了噪声。另外，实施例1的功率转换电路由于辐射噪声的总能量降低而使发热也得到抑制，因此即使在使用热导率低的氧化镓系半导体的情况下，也能够在功率因数改善电路中良好地进行工作。进一步地，从图6～图8中显然可知，在实施例1的功率转换装置中，作为开关元件的SiCMOSFET的开关损耗也能够降低。另外，在氧化镓系肖特基势垒二极管中，确认了在将n-型半导体层的浓度设为2.0×1017/cm3以下、且将n-型半导体层的厚度设为1μm～10μm的范围内时，能够获得特别良好的开关特性。另外，确认了在将肖特基界面的电极面积设为0.8mm2～1.0mm2的范围内、将n-型半导体层的浓度设为1.0×1016/cm3～5.0×1016/cm3的范围内、且将n-型半导体层的厚度设为2μm～5μm的范围内的情况下，能够获得更加良好的开关特性。
为了发挥上述功能，上述本发明的功率转换电路可以被应用于包括逆变器或转换器等的功率转换装置中。图9是示出能够应用本发明实施方式所涉及的功率转换装电路的控制系统的一例的方框结构图，图10是该控制系统的电路图，是特别适合于搭载在电动汽车(Electric Vehicle)上的控制系统。
如图9所示，控制系统500具有电池(电源)501、升压转换器502、降压转换器503、逆变器504、电机(驱动对象)505、驱动控制部506，它们被搭载在电动汽车上。电池501例如由镍氢电池或锂离子电池等蓄电池构成，通过在供电站中的充电或减速时的再生能量等来储存电力，并且能够输出电动汽车的行驶系统或电气系统工作所需的直流电压。升压转换器502例如是搭载了斩波电路的电压转换装置，能够通过斩波电路的开关操作将从电池501供给的例如200V的直流电压升压到例如650V，并输出到电机等行驶系统。降压转换器503也同样是搭载了斩波电路的电压转换装置，能够将从电池501供给的例如200V的直流电压通过降压到例如12V左右从而输出到包括电动车窗、动力转向系统或者车载电气设备等的电气系统。
逆变器504通过开关操作将从升压转换器502供给的直流电压转换为三相交流电压，并输出到电机505。电机505是构成电动汽车行驶系统的三相交流电机，通过从逆变器504输出的三相交流电压被驱动旋转，其旋转驱动力经由未图示的变速器等传递到电动汽车的车轮。
另一方面，使用未图示的各种传感器，从行驶中的电动汽车中测量车轮的转速及扭矩、加速踏板的踏入量(加速量)等实测值，这些测量信号被输入到驱动控制部506。另外同时地，逆变器504的输出电压值也被输入到驱动控制部506。驱动控制部506具有控制器的功能，该控制器具备中央处理单元(CPU，Central Processing Unit)等运算部以及存储器等数据保存部，通过使用所输入的测量信号来生成控制信号并作为反馈信号输出到逆变器504，从而对开关元件的开关操作进行控制。由此，由逆变器504提供给电机505的交流电压被瞬间修正，从而能够正确地执行电动汽车的运转控制，实现电动汽车安全舒适的操作。此外，也可以通过将来自驱动控制部506的反馈信号提供给升压转换器502，来控制向逆变器504的输出电压。
图10是图9中除了降压转换器503以外的电路结构，即仅示出用于对电机505进行驱动的结构的电路结构。如该图所示，本发明的半导体装置例如作为肖特基势垒二极管被采用在升压转换器502和逆变器504中，从而供开关控制之用。在升压转换器502中被组装到斩波电路中来进行斩波控制，另外在逆变器504中被组装到包含IGBT的开关电路中来进行开关控制。此外，通过使电感器(线圈等)介于电池501的输出之间来谋求电流的稳定化，另外，通过使电容器(电解电容器等)介于电池501、升压转换器502、逆变器504各自之间来谋求电压的稳定化。
另外，如图10中虚线所示，在驱动控制部506内设有由中央处理单元(CPU，CentralProcessing Unit)构成的运算部507以及由非易失性存储器构成的存储部508。输入到驱动控制部506的信号被提供给运算部507，通过进行必要的运算，生成针对各半导体元件的反馈信号。另外，存储部508暂时保持运算部507的运算结果，或者以表的形式积累驱动控制所需的物理常数和函数等并适当地输出到运算部507。运算部507和存储部508可以采用公知的结构，其处理能力等也可以任意选定。
如图9及图10所示，在控制系统500中，升压转换器502、降压转换器503、逆变器504的开关操作中可以使用二极管或作为开关元件的晶闸管、功率晶体管、IGBT、MOSFET等。通过在这些半导体元件中使用氧化镓(Ga2O3)，特别是刚玉型氧化镓(α-Ga2O3)作为其材料，从而大幅提高了开关特性。进一步地，通过应用本发明所涉及的功率转换电路等，能够期待极为良好的开关特性，并且能够实现控制系统500的进一步小型化以及成本降低。即，升压转换器502、降压转换器503、逆变器504各自能够期待本发明的效果，它们中的任意一个、或任意两个以上的组合、或者还包括驱动控制部506的方式中的任一个都能够期待本发明的效果。
此外，上述的控制系统500不仅能够将本发明的半导体装置应用于电动汽车的控制系统中，还能够应用于对来自直流电源的电力进行升压、降压、或从直流向交流进行功率转换等所有用途的控制系统中。另外，也可以使用太阳能电池等电源来作为电池。
图11是示出能够应用本发明实施方式所涉及的功率转换电路的控制系统的另一例的方框结构图，图12是该控制系统的电路图，是适合搭载在利用来自交流电源的电力工作的基础设施设备或家电设备等上的控制系统。
如图11所示，控制系统600输入从外部的例如三相交流电源(电源)601供给的电力，具有AC/DC转换器602、逆变器604、电机(驱动对象)605、驱动控制部606，它们能够搭载在各种设备(后述)上。三相交流电源601例如是电力公司的发电设施(火力发电站、水力发电站、地热发电站、原子能发电站等)，其输出在经由变电所降压的同时作为交流电压来供给，另外，例如以私人发电机等形态设置在大楼内或附近设施内以通过电缆来供给。AC/DC转换器602是将交流电压转换为直流电压的电压转换装置，将从三相交流电源601供给的100V或200V的交流电压转换为规定的直流电压。具体而言，通过电压转换，而转换为3.3V、5V或12V等通常使用的所期望的直流电压。在驱动对象为电机的情况下，进行向12V的转换。此外，也可以采用单相交流电源来代替三相交流电源，在该情况下，只要将AC/DC转换器设为单相输入，就可以设为同样的系统结构。
逆变器604通过开关操作将从AC/DC转换器602供给的直流电压转换为三相交流电压并输出到电机605。电机604是三相交流电机，该三相交流电机根据控制对象的不同其形态也不同，在控制对象为电车的情况下用于驱动车轮，在控制对象为工厂设备的情况下用于驱动泵或各种动力源，在控制对象为家电设备的情况下用于驱动压缩机等，其通过从逆变器604输出的三相交流电压而被驱动旋转，将其旋转驱动力传递到未图示的驱动对象。
另外，例如在家电设备中，能够对其直接供给从AC/DC转换器602输出的直流电压的驱动对象也很多(例如，个人计算机、LED照明设备、影像设备、音响设备等)，在这种情况下，控制系统600不需要逆变器604，如图11中所示，从AC/DC转换器602向驱动对象供给直流电压。在这种情况下，例如向个人计算机等供给3.3V的直流电压，向LED照明设备等供给5V的直流电压。
另一方面，使用未图示的各种传感器来测量驱动对象的转速和扭矩、或者驱动对象的周边环境的温度和流量等实测值，这些测量信号被输入到驱动控制部606。另外同时地，逆变器604的输出电压值也被输入到驱动控制部606。基于这些测量信号，驱动控制部606将反馈信号提供给逆变器604，控制开关元件的开关操作。由此，由逆变器604提供给电机605的交流电压被瞬间修正，从而能够正确地执行驱动对象的运转控制，实现驱动对象的稳定工作。另外，如上所述，在驱动对象能够以直流电压驱动的情况下，也可以代替向逆变器的反馈而对AC/DC转换器602进行反馈控制。
图12示出图11的电路结构。如该图所示，本发明的半导体装置例如作为肖特基势垒二极管被采用在AC/DC转换器602和逆变器604中，从而供开关控制之用。AC/DC转换器602例如使用将肖特基势垒二极管构成为桥状电路的结构，通过将输入电压的负电压部分转换并整流为正电压来进行直流转换。另外，在逆变器604中，被组装在IGBT的开关电路中来进行开关控制。此外，通过使电感器(线圈等)介于三相交流电源601与AC/DC转换器602之间来谋求电流的稳定化，另外，通过使电容器(电解电容器等)介于AC/DC转换器602与逆变器604之间来谋求电压的稳定化。
另外，如图12中虚线所示，在驱动控制部606内设有由CPU构成的运算部607以及由非易失性存储器构成的存储部608。输入到驱动控制部606的信号被提供给运算部607，通过进行必要的运算，生成针对各半导体元件的反馈信号。另外，存储部608暂时保持运算部607的运算结果，或者以表的形式积累驱动控制所需的物理常数和函数等并适当地输出到运算部607。运算部607和存储部608可以采用公知的结构，其处理能力等也可以任意选定。
在这种控制系统600中，也与图9及图10所示的控制系统500同样地，AC/DC转换器602或逆变器604的整流操作或开关操作中可以使用二极管或作为开关元件的晶闸管、功率晶体管、IGBT、MOSFET等。通过在这些半导体元件中使用氧化镓(Ga2O3)，特别是刚玉型氧化镓(α-Ga2O3)作为其材料，从而提高了开关特性。进一步地，通过应用本发明所涉及的功率转换电路，能够期待极为良好的开关特性，并且能够实现控制系统600的进一步小型化以及成本降低。即，AC/DC转换器602、逆变器604各自能够期待本发明的效果，它们中的任一个、或组合、或者还包括驱动控制部606的方式中的任一个都能够期待本发明的效果。
此外，在图11及图12中，作为驱动对象，示例出了电机605，但驱动对象并不一定限于机械地进行工作的对象，可以将需要交流电压的诸多设备作为对象。在控制系统600中，只要从交流电源输入电力来对驱动对象进行驱动，就可以应用，可以为了以基础设施设备(例如，大楼或工厂等的电力设备、通信设备、交通管制设备、上下水处理设备、系统设备、省力设备、电车等)或家电设备(例如冰箱、洗衣机、个人电脑、LED照明设备、影像设备、音响设备等)等设备为对象的驱动控制而进行搭载。
另外，当然也可以组合本发明所涉及的多个实施方式，或者将一部分构成要素应用于其他的实施方式中，另外，也可以增减一部分构成要素的数量，或者进一步与其他的公知技术组合，只要不阻碍本发明的目的，就可以变更来进行构成，如省略一部分等，这些也属于本发明的实施方式。
符号说明
1 电源
2 二极管电桥
3 输入电容器
4 电抗器
5 开关元件
6 续流二极管
7 换向二极管
8 输出电容器(平滑电容器)
9 负载
10功率转换电路
101a n-型半导体层
101b n+型半导体层
102 p型半导体层
103 半绝缘体层
104绝缘体层
105a肖特基电极
105b欧姆电极
201a n-型半导体层
201b n+型半导体层
202欧姆电极
203肖特基电极
203a金属层
203b金属层
203c金属层
204绝缘体膜
500控制系统
501电池(电源)
502升压转换器
503降压转换器
504逆变器
505电机(驱动对象)
506驱动控制部
507运算部
508存储部
600控制系统
601三相交流电源(电源)
602AC/DC转换器
604逆变器
605电机(驱动对象)
606驱动控制部
607运算部
608存储部

Claims (15)

1.一种功率转换电路，其特征在于，至少具备：
开关元件，经由电抗器对所输入的电压进行开闭；以及
换向二极管，通过至少包括在所述开关元件关断时从所述电抗器产生的电动势的电压，使沿所述电动势的方向流动的电流导通，
所述换向二极管包括氧化镓系肖特基势垒二极管。
2.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中，
所述电抗器相比于所述二极管配置在输入侧。
3.根据权利要求1或2所述的功率转换电路，其中，
还具备输出电容器，所述电流被供给到所述输出电容器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率转换电路，其中，
所述开关元件具备续流二极管。
5.根据权利要求1至4所述的功率转换电路，其中，
所述开关元件包括氧化镓系MOSFET、氧化镓系IGBT、氮化镓系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的功率转换电路，其中，
所述开关元件和所述换向二极管分别使用不同的半导体。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的功率转换电路，其中，
所述氧化镓系肖特基势垒二极管中使用的半导体的带隙大于所述开关元件中使用的半导体的带隙。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的功率转换电路，其中，
所述氧化镓系肖特基势垒二极管至少包括n-型半导体层，所述n-型半导体层的载流子浓度为2.0×1017/cm3以下。
9.根据权利要求8所述的功率转换电路，其中，
所述n-型半导体层的厚度为1μm～10μm。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的功率转换电路，其中，
所以功率转换电路为升压转换器电路。
11.一种功率转换系统，其特征在于，至少具备：
开关元件，经由电抗器对从电源供给的输入电压进行开闭；
控制电路，对所述开关元件的导通关断进行控制；
换向二极管，通过至少包括在所述开关元件关断时从所述电抗器产生的电动势的电压，使沿所述电动势的方向流动的电流导通；以及
输出电容器，
使用氧化镓系肖特基势垒二极管作为所述换向二极管。
12.根据权利要求11所述的功率转换系统，其中，
所述电抗器相比于所述二极管配置在输入侧。
13.根据权利要求11或12所述的功率转换系统，其中，
所述开关元件具备续流二极管。
14.根据权利要求11至13所述的功率转换系统，其中，
所述开关元件包括氧化镓系MOSFET、氧化镓系IGBT、氮化镓系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的功率转换系统，其中，
所述氧化镓系肖特基势垒二极管至少包括n-型半导体层，n-型半导体层的载流子浓度为2.0×1017/cm3以下。
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