CN116472672A - 开关模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种开关模块，其包括：安装在基板上的GaN‑FET、经由栅极电阻与该GaN‑FET的栅极电极连接的驱动电路、以及向该驱动电路提供驱动电压的驱动电源，其中，驱动电路具有并联连接多个逻辑IC电路而成的结构。

Description

开关模块
技术领域
本发明涉及应用于D级放大器等的开关模块，特别涉及包含安装在基板上的GaN-FET、经由栅极电阻与该GaN-FET的栅极电极连接的驱动电路、以及向该驱动电路提供驱动电压的驱动电源的开关模块。
背景技术
高频电源被用作超声波振荡、感应电力的产生或者等离子体的产生等的电源，是具有通过利用D级放大器的开关动作将直流变换为高频交流的功能的电源。进行这样的开关动作的D级放大器的特征在于，功率效率高、发热量少，作为包含进行该开关动作的功率半导体的模块，已知有使用FET(Field Effect Transistor：场效应晶体管)的模块。
作为可以实施这样的开关动作的FET，已知有接合型FET和MOS型FET，能够根据向栅极电极的信号输入，高速地控制在源极电极和漏极电极的电极间流动的电流。近年来，意图实现开关动作的进一步高速化(高频开关)，应用使用了GaN(氮化镓)的GaN-FET元件。
作为使用了这样的GaN-FET的开关模块，例如在专利文献1中公开了如下结构：在基于输入信号的波形对发送放大器进行包络跟踪驱动的开关电源中，具备：变压器，其将输入信号输入到一次侧；第1至第3开关部，其与变压器的二次侧连接；加速电路，其具备并联连接的电阻和电容器；阳极接地的肖特基二极管；以及电源用FET，其栅极与电阻连接，源极与肖特基二极管的阴极连接，第1至第3开关部分别具备：电路内FET，其栅极和源极与变压器的二次侧连接；电路内肖特基二极管，其阴极与电路内FET的栅极连接；齐纳二极管，其与电路内肖特基二极管以相反极性串联连接，阴极与电路内FET的源极连接；以及电容器，其与齐纳二极管并联连接，将第1开关部的电路内FET的源极、第2开关部的电路内FET的漏极、电阻连接，将第3开关部的电路内FET的漏极和源极与加速电路并联连接，上述电源用FET是具有肖特基结的栅极的常断开动作的N沟道型GaN-FET。在这样的开关电源中，能够提供高效率的高频发送机用的高速、大振幅开关电源以及开关方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-186563号公报
发明内容
发明所要解决的课题
GaN-FET所使用的GaN材料与一般的MOS-FET的硅相比，具有带隙宽、导通电阻低的特性，进而作为开关元件，在能够进行高速且高温下的动作这一点上是具有优势的。作为其一例，相对于通常的MOS-FET，GaN-FET能够进行电压变化(dV/dt)为4倍以上、电流变化(dI/dt)为10倍以上的高速动作。
在使开关动作高速化的情况下，输入到栅极电极的栅极电流的上升或下降变得陡峭。伴随这样的急剧变化的栅极电流容易受到FET所具有的寄生成分的影响，成为产生浪涌或振铃的原因。
由此，在将GaN-FET应用于开关模块的情况下，为了抑制伴随高速化的浪涌、振铃等的产生，需要设计用于在适当的定时输入栅极电流的特别的栅极驱动电路。例如，在专利文献1中，也成为在产生栅极电流的宽带驱动器与开关元件之间存在包含变压器、肖特基二极管、齐纳二极管以及电容器的特别电路的结构。
然而，在为了对来自驱动器的信号进行整流而使用二极管的情况下，例如肖特基二极管在高温下产生漏电流，因此需要降低动作环境温度。另一方面，齐纳二极管具有相反方向的特性，因此为了加快响应速度，需要与电容器并联连接。因此，用于驱动GaN-FET的栅极驱动电路具有复杂的结构。
本发明是为了解决上述以往的问题点而完成的，其目的在于提供一种即使是简易且廉价的结构，也能够实现基于GaN-FET的高速开关的开关模块。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的代表性的方式之一的开关模块包括：安装在基板上的GaN-FET、经由栅极电阻与该GaN-FET的栅极电极连接的驱动电路、以及向该驱动电路提供驱动电压的驱动电源，其中，所述驱动电路具有并联连接多个逻辑IC电路而成的结构。
根据具备这样的结构的本发明，将向GaN-FET的栅极电极输入栅极电流的驱动电路设为多个逻辑IC电路并联连接的结构，从而即使是简易且廉价的结构，也能够实现基于GaN-FET的高速开关。
附图说明
图1是将实施例1的开关模块应用于放大器的高频电源装置的框图。
图2是表示图1所示的开关模块的模块附近的等效连接电路的电路图。
图3是表示图1所示的驱动电源和驱动电路的概要的框图。
图4是表示实施例2的开关模块的驱动电源和驱动电路的概要的框图。
图5是表示实施例3的开关模块的驱动电源和驱动电路的概要的框图。
具体实施方式
以下，使用图1～图5，对本发明的开关模块的代表性的具体例进行说明。
＜实施例1＞
图1是将本发明的代表性的一例的实施例1的开关模块应用于放大器的高频电源装置的框图。而且，图2是表示图1所示的开关模块的模块附近的等效连接电路的电路图。而且，图3是表示图1所示的驱动电源和驱动电路的概要的框图。这样的高频电源装置例如应用于放大器的输出为1kW以上、输出频率为0.3MHz以上的面向半导体制造装置的高频电源装置等。
如图1表示，作为其一例，应用实施例1的开关模块的高频电源装置1包含：直流供给电源10，其供给被开关的直流电压；开关模块100H，其与该直流供给电源10的一侧(高侧)的输入端连接；开关模块100L，其与直流供给电源10的另一侧(低侧)的输入端连接；以及控制单元20，其向这些开关模块100H、100L输出驱动信号。
在此，在图1中，例示了包含一对开关模块的所谓的半桥电路结构的高频电源装置，但也可以设为包含二对开关模块的全桥电路结构的高频电源装置。此外，开关模块100H与100L具备相同的结构，因此对于以后的具体的实施方式，仅对高侧的开关模块的结构进行说明，对于低侧的开关模块省略其说明。
实施例1的开关模块100H包括：安装在基板110H上的GaN-FET120H、经由连接配线140H与该GaN-FET120H的栅极电极G连接的驱动电路130H、以及向该驱动电路130H提供驱动电压的驱动电源150H。如图1表示，控制单元20经由信号线22H、22L与高侧的驱动电路130H和低侧的驱动电路130L电连接，向这些驱动电路130H、130L分别输出驱动信号DsH、DsL。
作为其一例，基板110H由氧化铍(BeO)或氮化铝(AlN)等导热性良好的材料形成。由此，能够有效地扩散或排出驱动模块时产生的热。
GaN-FET120H是由GaN形成电流流动的路径的场效应晶体管(FET)装置的一种，构成为具有栅极电极G、源极电极S、漏极电极D分别位于同一面的“卧式”结构的功率半导体。通过这样的结构，GaN-FET120H能够进行比一般的MOSFET更高速的开关动作。
作为其一例，如图3所示，驱动电路130H具有由多个TTL元件132H1、132H2、132H3构成的逻辑IC电路并联连接的结构。此外，在图3中例示了具有3个TTL元件132H1～132H3的情况，但在本发明中，只要是并联连接多个的结构，逻辑IC电路的数目可以采用任意的数目。
作为其一例，连接配线140H例如具有包含由金、铜或是铝制的导线(wire)构成的接合线BW和栅极电阻Rg的结构。如图3所示，这样的连接配线140H模拟为内含有栅极电阻Rg、寄生电感Ls和电阻成分Rs的结构作为电性的等效连接电路。此时，基于GaN-FET120H的寄生电容来选择栅极电阻Rg的电阻值，由此能够控制从栅极电极G施加的栅极-源极电压Vgs的衰减率。
作为其一例，驱动电源150H包含：逆变器152H，其将来自直流电源DC的输入变换为交流；变压器154H，其对来自逆变器152H的交流进行变压；以及转换器156H，其将来自变压器154H的交流输入再次变换为直流。来自转换器156H的输出电流被分别并联输入到驱动电路130H的TTL元件132H1～132H3。
在本发明的开关模块100H中，作为开关元件使用GaN-FET120H，从而能够使输入到该栅极电极G的来自驱动电路130H的栅极电流IgH例如比一般的MOSFET小。作为其一例，在使用了以往的硅基板的MOSFET中，由于输入电容Ciss大(约600～3000pF)，此外在高频带(例如13.56MHz)的饱和领域使用该元件所需的栅极电压Vgs也变高(例如12V以上)，因此用于驱动驱动电路的驱动电源的供给电力也需要变大(例如10W以上)。
相对于此，应用于实施例1的GaN-FET120H与一般的MOSFET相比较小(约150～300pF)，此外在饱和领域使用而所需的栅极电压Vgs也为5V以下，因此驱动电源150H的供给电压可以为1～2W左右。并且，GaN-FET与使用了以往的硅基板的MOSFET相比可以高速驱动，因此漏极-源极电压Vds的变位电压斜率(dV/dt)变大(例如100V/ns)。由此，在高速驱动时的高侧有时会产生开关的误动作，因此优选供给栅极电压的驱动电源的耦合电容尽可能小(例如5pF以下)。
在此，实施例1中，如图3所示，将驱动电源150H的变压器154H形成为具有一对空芯线圈155H1、155H2的无芯变压器(coreless transformer)。由此，能够使变压器154H的尺寸变小而减低供给电力，并且，能够使电源的耦合电容变小。并且，作为其结果，可以削减变压器电源整体的占有领域(面积)。
接着，说明图1～图3所示的实施例1的开关模块100H中的GaN-FET的开关动作。
例如，在图1所示的高频电源装置1中，通过将开关模块100H或100L的任一方切换为接通，输出来自直流供给电源10的输入作为高频电压VF。此时，控制单元20经由信号线22H、22L，将用于对开关模块100H、100L进行接通驱动的驱动信号DsH或DsL发送到任一方的模块。
如图2表示，驱动电路130H在接收到驱动信号DsH的期间，经由连接配线140H输出栅极电流IgH。通过栅极电极G接收到该栅极电流IgH的GaN-FET120H成为接通状态，将从输入端子Vin输入的电力输出到输出端子Vout。反复进行这样的动作，由此执行高侧和低侧的开关模块100H、100L的开关动作。
如图3所述，在实施例1的驱动电路130H中，通过并联设置连接有来自驱动电源150H的电压的TTL元件132H1～132H3，形成逻辑IC电路。此时，来自控制单元20的驱动信号DsH被输入到并联连接的TTL元件132H1～132H3，从各个元件输出栅极电流Ig1～Ig3。这些栅极电流Ig1～Ig3在后段侧合流，成为栅极电流IgH。
由此，即使来自各个TTL元件132H1～132H3的栅极电流Ig1～Ig3的输出电平小，作为多个栅极电流的合成电流，从驱动电路130H输出的栅极电流IgH也可以成为所期望的电平。此外，作为构成逻辑IC电路的逻辑电路，可以应用AND电路、OR电路或缓冲电路等任意的种类。
作为实施例1的开关模块100H的具体结构，可以例示以下那样的结构。
例如，在将开关频率设为13.56MHz的情况下，在实施例1所例示的GaN-FET120H的开关动作所需的栅极驱动电力大约为0.1W左右。为了得到这样的栅极驱动电力，并联连接2～3个左右的图3所示的TTL元件132H1～132H3即可。
另一方面，如上所述，即使GaN-FET120H的栅极驱动电力大，也可以为数W左右的大小，因此向驱动电路130H供给驱动电力的驱动电源150H所用的绝缘用变压器例如也可以使用介电常数ε＝1的材料，将空芯线圈155H1、155H2抑制为线圈直径20mm、线圈间隔1mm左右的尺寸。由此，可以将空芯线圈155H1、155H2的绕线间的静电电容CtH抑制在5pF以下。
此外，若作为空芯线圈155H1、155H2的材料使用介电常数ε比1高的材料，则能够进一步减小线圈直径。另外，在图3中，作为空芯线圈155H1、155H2例示了圆形的线圈，但线圈的形状也可以是多边形，还能够任意地选择匝数比。
通过具备上述那样的结构，实施例1的开关模块100H、100L通过将向GaN-FET120H、120L的栅极电极G输入栅极电流IgH、IgL的驱动电路130H、130L设为由多个TTL元件132H1～132H3构成的逻辑IC电路并联连接的结构，即便是简易且廉价的结构，也可以实现GaN-FET的高速开关。
＜实施例2＞
图4是表示实施例2的开关模块的驱动电源和驱动电路的概要的框图。在此，在实施例2的开关模块中，对于具备与实施例1相同或是同样的结构的部分，赋予与实施例1相同的符号并省略再次的说明。
在实施例2的开关模块100H中，作为其一例，如图4所示，驱动电路230H具有由多个CMOS元件232H1、232H2、232H3构成的逻辑IC电路并联连接的结构。此外，与实施例1的情况同样地，在图4中例示了具有3个CMOS元件232H1～232H3的情况，但只要是将多个并联连接的情况，逻辑IC电路的数量可以采用任意的数量。
在实施例2的驱动电路230H中，通过并联设置连接有来自驱动电源150H的电压的CMOS元件232H1～232H3，形成逻辑IC电路。此时，来自控制单元20的驱动信号DsH被输入到并联连接的CMOS元件232H1～232H3，从各个元件输出栅极电流Ig1～Ig3。这些栅极电流Ig1～Ig3在后级侧合流，成为栅极电流IgH。
由此，与图3的情况同样地，即使来自各个CMOS元件232H1～232H3的栅极电流Ig1～Ig3的输出电平较小，作为多个栅极电流的合成电流，从驱动电路230H输出的栅极电流IgH也可以成为所期望的电平。此时，一般的CMOS元件由于用于得到同样程度的输出的消耗电力比TTL元件小，因此通过使用该变形例的驱动电路230H，能够进一步减小驱动电源150H的能力。
通过具备上述那样的结构，实施例2的开关模块100H、100L除了通过实施例1的开关模块得到的效果以外，通过由CMOS元件构成逻辑IC电路，可以进一步简化驱动电源的结构，作为结果，能够使开关模块整体的尺寸小型化。
＜实施例3＞
图5是表示实施例3的开关模块的驱动电源和驱动电路的概要的框图。在此，与实施例2的情况同样地，在实施例3的开关模块中，对于具备与实施例1相同或者同样的结构，赋予与实施例1相同的符号并省略再次的说明。
如在实施例1中说明的那样，GaN-FET在高速驱动时的高侧有时会产生开关的误动作，因此优选供给栅极电压的驱动电源的耦合电容尽可能小(例如5pF以下)。在此，在实施例3中，作为驱动电源，使用组合了发光元件和光电变换器的光供电装置。
即，如图5表示，在实施例3的开关模块100H中，作为其一例，驱动电源350H包括：发光元件352H，其通过来自直流电源DC的输入而发光；传送机构354H，其传送从该发光元件352H发出的光；以及光电变换器356H，其将传送的光变换为电力。而且，从光电变换器356H输出的电力被分别输入到作为驱动电路130H的逻辑IC电路而并联连接的多个TTL元件132H1～132H3。
作为其一例，发光元件352H由在半导体激光器(LD)、发光二极管(LED)通电时发出光的元件来构成。由此，能够实现驱动电源350H的进一步的小型化，并且能够使直流电源DC省力化。此外，根据后述的光电变换器356H的结构，发光元件352H也可以应用灯等发光单元。
传送机构354H例如在传送的光为上述的激光那样指向性高的光的情况下，能够应用配置在光路上的反射镜等光学系统、光纤等传送路径。特别是，在由光纤构成传送机构354H的情况下，通过调整该光纤的长度，能够构建将发光元件352H与光电变换器356H之间的静电电容CtH抑制在1pF以下的绝缘电源。此外，通过采用利用光纤传送光的方式，能够将发光元件352H与开关模块100H独立地构成，由此能够进一步简化模块整体的结构。
作为其一例，光电变换器356H构成为能够将光电二极管、光电晶体管等半导体元件、或者光电池等输入的光变换为电力。此时，通过将发光元件352H与光电变换器356H的距离配置在附近，能够省略传送机构354H并经由两者之间的空间来进行电力的传送。
通过具备上述那样的结构，实施例3的开关模块100H、100L除了通过实施例2的开关模块得到的效果以外，通过将驱动电源150H、150L构成为光供电装置，能够减小驱动电源本身的驱动电力，因此作为结果，能够使开关模块整体的尺寸进一步小型化。此外，通过调整发光元件352H与光电变换器356H的距离，能够将两者之间的供电电容(静电电容)极小化，由此能够抑制GaN-FET120H的误动作。
此外，上述各实施例中的记述是本发明的开关模块的一例，本发明并不限定于各实施例的实施方式。此外，本领域技术人员能够在不脱离本发明的主旨的情况下进行各种变形，而不将它们从本发明的范围排除。。
符号说明
1高频电源装置
10直流供给电源
20控制单元
22H、22L信号线
100H、100L开关模块
110H、110L基板
120H、120L GaN-FET
130H、130L、230H驱动电路
132H1、132H2、132H3 TTL元件
140H、140L连接配线
150H、150L、350H驱动电源
232H1、232H2、232H3 CMOS元件
352H发光元件
354H传送机构
356H光电变换器
G栅极电极
D漏极电极
S源极电极
Rg栅极电阻
IgH、IgL栅极电流
Vgs栅极-源极电压
DsH、DsL驱动信号。

Claims (5)

1.一种开关模块，其包括：安装在基板上的GaN-FET、经由栅极电阻与该GaN-FET的栅极电极连接的驱动电路、以及向该驱动电路提供驱动电压的驱动电源，其特征在于，
所述驱动电路具有并联连接多个逻辑IC电路而成的结构。
2.根据权利要求1所述的开关模块，其特征在于，
所述逻辑IC电路由TTL元件或CMOS元件构成。
3.根据权利要求1或2所述的开关模块，其特征在于，
所述驱动电源包括具有空芯线圈的无芯变压器。
4.根据权利要求1或2所述的开关模块，其特征在于，
所述驱动电源包括发光元件和对来自所述发光元件的光进行变换的光电变换器。
5.根据权利要求4所述的开关模块，其特征在于，
所述发光元件与所述光电变换器通过光纤连接。
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