CN1822485A - 基于GaN半导体的电压变换器件 - Google Patents

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Abstract

提供一种具有交流输入和直流输出的变换器。变换器包括接收交流输入、提供整流输出的整流器，连接在整流器输出之间的串联的电流－磁场能量存储器件和电流断续器；连接在串联的磁场能量存储器件和电流断续器的中点和整流器输出端子之间的氮化镓二极管和输出电荷存储器件，其中变换器的特征在于其不需更瞬态电压抑制电路。

Description

基于GaN半导体的电压变换器件
技术领域
本发明的领域是涉及电源，特别是，涉及基于氮化镓(GaN)半导体器件的电压变换电路。
背景技术
便携式电源已经成为我们社会越来越重要的一部分。需要便携式电源的例子包括便携式电脑、蜂窝通信设备和电子游戏。
典型地，用于便携式设备的电源由硅半导体(例如硅二极管)构成。因为硅二极管制作成本低廉，所以其已经得到了普遍应用，而且决不是小规模的应用。
尽管硅二极管价格低廉，但是它们也有几个缺点。其中最大的一个缺点就是电气噪声。事实上，典型的硅二极管需要使用噪声抑制(缓冲)电路。然而，使用缓冲电路导致电源尺寸和重量的显著增加。由于硅器件的反向恢复时间长引起开关损耗，所以电路的另一个缺点是效率问题，尤其是在高频时。
已经提出了可供替代的材料，例如碳化硅(SiC)。目前公开的可利用的CREE申请记录第CPWR-AN01 Rev，其可从Cree公司4600SiliconDr.Durham，NC27703(版权2002)中，宣称碳化硅二极管可以显著降低电气噪声，并期望可以在一些电源中不使用缓冲电路。
然而，使用碳化硅具有相当大的缺点。使用碳化硅的一个主要缺点是成本高。较高的成本使利用碳化硅二极管制成的电源在商业上是无法被接受的。
一方面，在便携式电源中使用碳化硅二极管使那些电源变得更小、更轻。另一方面，使用Si PiN二极管使电源变得太重并且运行时发出更多的热量。
此外，前面描述的碳化硅二极管，它们的使用已经被限制了。例如，授予Yu的美国专利No.6,657,874描述了一种使用碳化硅二极管对开关元件进行反向阻断的电压逆变器。Yu不同于发明的主题，因为Yu目的是产生交流输出。不同之处还在于Yu逆变器的开关元件工作在一个相对较低的频率下(例如60赫兹，其相对于为了提供直流输出的电源开关元件的几千赫兹)。
一种还没有得到大家广泛认可的制造二极管的替代材料是氮化镓(GaN)。然而，早先使用GaN一直限制在发光二极管(LED)上。因为便携式设备的重要性，所以电源需要象使用碳化硅那么轻，但是象使用Si PiN二极管那么便宜的二极管。
发明内容
提供了一种具有交流输入、直流输出的变换器。变换器包括接收交流输入、提供整流输出的整流器；连接在整流器输出之间的串联的电流-磁场能量存储器件和电流断续器；连接在串联磁场能量存储器件和电流断续器中点和整流器输出端子之间的串联连接的氮化镓二极管和输出电荷存储器件，其中变换器的特征在于其不需要瞬态电压抑制电路。
附图说明
图1描述了现有技术中具有缓冲(snubber)网络的电压变换器；
图2描述了根据所说明的本发明的实施例的电压变换器；
图3描述了现有技术中使用Si PiN二极管的电压变换器；
图4描述了根据所说明的本发明的实施例的电压变换器；
图5描述了图3和图4所示电压变换器的效率曲线图；
图6a-b描述了图3和图4所示电压变换器中晶体管的电压-电流记录图；
图7a-b描述了图3和图4所示电压变换器中二极管的电压-电流记录图。
具体实施方式
图2描述了根据所说明的本发明的实施例的电压变换器10。在电压变换器10中可以包括整流器12(例如桥式整流器)、电感器14、开关器件18、二极管16以及输出电荷存储器件20(例如电容器)。
整流器12可以从输入电源(未示出)接收交流(AC)输入，并提供直流(DC)输出。串联的电感器14和开关器件18可以连接在整流器12的输出之间。串联的二极管16和输出电容器20可以连接在串联的电感器和开关器件的中点和整流器输出端子之间(即与开关器件并联)。
开关器件18(尽管在图1中示出的是场效应晶体管FET)可以是任何反向导通型开关元件。例如，开关元件的例子可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)、功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、晶闸管、门极关断晶闸管(GTO)、门极换向晶闸管(GCT)等等。
二极管16可以是氮化镓(GaN)二极管。通常，与硅二极管相比，氮化镓二极管具有更宽的能带隙(这使氮化镓二极管的每单位长度材料具有更高的抗电气击穿性)、更低的正向电压压降、更短的电荷反向恢复、更大的热稳定性以及更高的导热性。
在图2的电路中，氮化镓二极管16的正向压降小于2伏，反向击穿电压大于500伏，电流容量大于4安培，最好接近8安培。
氮化镓二极管16可以使变换器10应用在多种应用中，在这些应用中不可能使用硅(Si)PiN二极管。例如，变换器10可以应用在连续导通模式(CCM)功率因数校正(PFC)电源电路中。
由于改变的法律要求涉及减少计算机系统的噪音，所以CCM PFC电源已经变得很重要。CCM PFC电路提供低的RMS电流，在轻负载时是稳定的，并且向SMPS PWM电路提供良好的同步。然而，CCM PFC电路需要超快二极管。在这方面，Si PiN二极管在正向偏置状态时总是存储大量的少数载流子。在Si PiN二极管关断前，必须通过载流子复合将存储的电荷移除。
相反，已经发现，甚至在高温下，氮化镓二极管也保持非常小的零反向恢复电荷，因此其具有非常小的开关时间(小于50纳秒ns)。相反，能够相比的Si PiN二极管至少需要100纳秒关断，并且在600伏的范围内，其有相当大的导通压降。
即使可能，在CCM PFC的变换器10中使用可比较的Si PiN二极管也将导致开关损耗和器件温度的显著增加。增加的开关损耗和器件温度将需要增加冷却或者使器件工作在核定运行参数以下，并且可能要求一个更大的二极管可以执行可比较的性能。
现在转向变换器10，并对变换器10的操作进行解释。一般，控制器(未示出)与开关器件18连接。控制器可以根据与直流输出连接的负载，设置不变的开关速度或者可变的开关速度。
在使用中，开关器件18每次被触发，开关器件18的电压就降到一个低值，使整流器12的输出电压出现在电感器14两端上。电感器14的作用是作为一个电流-磁场能量存储器件。开关器件18的触发引起电感器14立即存储它的磁场能量。
一段时间后，开关18被去激活，开关18去激活引起电感两端出现一个瞬时电压。串联连接的整流器12和电感器上的总电压施加在串联连接的二极管16和电容器20两端上。在此期间，电感器14将它的能量通过氮化镓二极管16以脉冲电流的方式释放给输出电容器20。此后，二极管16变成反向偏置，直到二极管16的另一个脉冲电流。
图3给出了现有技术中使用Si PiN二极管的变换器。如图3所示，当变换器使用Si PiN二极管时，这种类型的变换器需要缓冲网络22。
图4给出了一种DC-DC变换器24，变换器24在性能上相当于图3中的变换器，但是其不需要缓冲网络22。图3和图4中的DC-DC变换器可以分别是图1和图2使用的DC-DC变换器的一个具体例子。图4中的二极管30、32的型号是M5338的氮化镓500伏二极管，可以从Emcore公司买到。与本申请同时提交的相关美国专利申请“GALLIUM NITRIDE SCMICONDUCTORDEVICE”和“PACKAGE FOR GALLIUM NITRIDE SEMICONDUCTORDEVICE”都详细描述了这些二极管的细节。
图5给出了图3和图4所示变换器效率的对比图。如记录所示，在大部分工作区域内，氮化镓变换器24的效率曲线34比图3的硅变换器的效率曲线36的对应效率高将近一个百分点。
图6是图3的Si PiN变换器和图4的氮化镓变换器中晶体管的电压电流曲线。图7是图3的Si PiN变换器中的Si PiN二极管和图4所示变换器24中氮化镓二极管30、32的电压电流曲线。
如图6和图7记录的那样，当开关激活，并且Si PiN二极管反向偏置时，图3所示的Si PiN变换器中的开关器件激活引起很大的电流尖峰。图4所示的氮化镓变换器24的电流/电压记录图中没有看到那样的尖峰。
如图6a特别标注所示，晶体管去激活后，图3中晶体管的开关引起电压和电流值相当大的“振荡”，振荡实际上是图3中Si PiN二极管的结电容和开关元件之间能量交换引起的高频振荡。如所示的那样，振荡持续的时间约为Si PiN二极管导通周期的50％，表示多种最新开发电源变换器不能忍受的噪声源。(例如CCM-PFC变换器)。
应该注意的是：尽管图3中的变换器包含一个相当复杂的缓冲电路22，但是图6a中仍然有振荡出现。与此对比，尽管图4没有任何缓冲器件，但是图6b基本没有振荡。
从图5-7观察可知，使用氮化镓二极管可以使使用氮化镓二极管制成电压变换器的效率和性能有显著的改善。不仅提高了效率，而且增加氮化镓二极管也相当大程度上简化了电压变换器的电路。
例如，图5-7显示，即使利用非常复杂的传统缓冲技术，利用硅二极管制成的电源也不具备同样的降躁性能。并且，硅二极管内在的“振荡”也会产生噪声，这些噪声与可变的开关速率结合产生依电源负载而定的噪声峰值。氮化镓二极管制成的电源从本质上避免了这些问题。
此外，氮化镓二极管无“振荡”导致工作温度更低。更低的工作温度允许基于氮化镓二极管制成的电源考虑较少的冷却。更大的效率使便携式设备具有更长的电池寿命。
为了描述本发明的制造和使用方式，已经描述了电压变换器的一个具体实施方式。应该明白的是：实现对本发明进行的其它改动和修正和它的各个方面对那些本领域熟练的技术人员来讲是很明显的，并且本发明不限于前面描述的具体实施方式。因此，希望可以覆盖可落入本文所公开和要求的基本原理及本质精神范围内的本发明以及任何、全部的改变、调整或者等同内容。

Claims (20)

1、一种具有交流输入和直流输出的变换器，所述变换器包括：
接收交流输入、提供整流输出的整流器；
连接在整流器输出之间的串联的电流-磁场能量存储器件和电流断续器；
连接在串联的磁场能量存储器件和电流断续器的中点和整流器输出端子之间的串联的氮化镓二极管和输出电荷存储器件，其中变换器的特征在于其不需要瞬态电压抑制电路。
2、如权利要求1的变换器，其中整流器进一步包括桥式整流器。
3、如权利要求1的变换器，其中电流-磁场能量存储器件进一步包括电感器。
4、如权利要求1的变换器，其中电流断续器进一步包括场效应晶体管。
5、如权利要求1的变换器，其中输出电荷存储器件进一步包括电容器。
6、如权利要求1的变换器，其中氮化镓二极管进一步包括肖特基二极管。
7、如权利要求1的变换器，可以是逆变器电路、变换器电路、矩阵变换器电路和交流开关电路中的一种。
8、一种设置在电源中的变换器，该变换器包括：
从电源接收可变输入电压并对可变输入电压进行整流从而提供相对稳定的输出电压的氮化镓二极管；和
与氮化镓二极管直接串联连接并对相对稳定的输出电压进行滤波的电容器，所述串联的氮化镓二极管和电容器耦合在可变输入电压之间，在电容器两端提供相对稳定的输出电压，其中，氮化镓二极管具有小于3伏的正向压降，大于500伏的反向击穿电压和超过4安培的电流容量。
9、如权利要求8的变换器，其中，通过对与串联连接的电容器和氮化镓二极管并联的开关元件进行激活和去激活来提供可变的输入电压。
10、如权利要求9的变换器，其中开关元件与电感器串联连接，其中串联的电感器和开关元件连接在电源的一组直流输出端子之间。
11、如权利要求10的变换器，其中所述二极管与所述开关元件的阳极侧和阴极侧中至少之一相连。
12、如权利要求9的变换器，其中所述二极管是肖特基二极管。
13、如权利要求10的变换器，其中所述开关元件是IGBT(绝缘栅双极性晶体管)、功率MOSFET、双极功率晶体管、晶闸管、GTO晶闸管(门极关断)和GCT晶闸管(门极换向)中的一种。
14、如权利要求8的变换器，其中氮化镓二极管的电流容量接近8安培。
15、一种具有直流输入和直流输出的变换器，所述变换器包括：
连接在一组直流输入端子之间的串联的电感器和开关；和
连接在开关的一组相对的端子之间的串联的氮化镓二极管和输出电容器，其中，变换器的特征在于不需要瞬态电压抑制电路。
16、如权利要求15的变换器，其中氮化镓二极管具有小于3伏的正向压降，大于500伏的反向击穿电压和大于4安培的电流容量。
17、根据权利要求15的半导体功率变换器电路，其中所述二极管是肖特基二极管。
18、根据权利要求15的半导体功率变换器电路，其中所述二极管与所述开关的阳极侧和阴极侧中至少之一相连。
19、根据权利要求15的半导体功率变换器电路，其中所述开关是IGBT(绝缘栅双极性晶体管)、功率MOSFET、双极功率晶体管、晶闸管、GTO晶闸管(门极关断)和GCT晶闸管(门极换向)中的一种。
20、根据权利要求15的半导体功率变换器电路，可以是逆变器电路、变换器电路、矩阵变换器电路和交流开关电路中的一种。
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