JP2008512081A - カスコード整流器 - Google Patents

Abstract

【課題】高電圧で使用できる簡単な、低損失の高速スイッチング整流デバイス。
【解決手段】 低電圧構造体とカスコード構造に接続された高電圧構造体から形成された低順方向抵抗、および高速スイッチング時間を呈する高電圧整流器デバイスである。高電圧構造体は、ゲート端子のいずれかに逆バイアスがかけられている場合、シャットオフするゲート端子と、ソース端子の２つのペアを有する双方向の常時導通半導体スイッチである。低電圧構造体は、ダイオード、好ましくはショットキーダイオードまたはバリアダイオードである。このデバイスは、集積回路として形成することが好ましい。スイッチのうちの端子ペアのうちの１つが、０ボルトにクランプされている場合、デバイスは、ダイオードとして働くか、または第２端子ペアを使って、三端子制御整流器の機能を奏することができる。他の可能なアプリケーションとして、デバイスのうちの４つをブリッジ整流器として使用したり、ＩＧＢＴと接続するためのアンチパラレルダイオードとして、デバイスのうちの１つを使用する集積回路を挙げることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、高電圧整流デバイスに関し、より詳細には、従来のデバイスよりも、順方向の導電性が極めて低く、スイッチング損失も少ない、高電圧整流デバイスに関する。

従来、高電圧アプリケーション（例えば２００〜３００Ｖよりも高い電圧）では、バイポーラ整流器が使用されている。この整流器は、逆方向ブレークダウン能力を適当にするために、一般に、ｐ−ｉ−ｎ構造で構成されている。しかしながら、デバイスが適切に機能できるようにするには、真性領域は、大きい抵抗率を呈しなければならない。そのため、順方向導通モードでの電圧低下が大きくなり、多くの大電流アプリケーションでは、パワー損失の主な原因となる。

一部のケースでは、整流器を、専用制御回路によって制御されるスイッチに置換できる。この整流器は、同期式整流回路と称され、順方向の導通損失が少なく、スイッチングを高速にできるという利点を有するが、必要なステータスを検出し、スイッチ自体を作動させるために、アクティブな回路を使用しなければならない。

「パワーコンバータのための複合ＭＯＳＦＥＴカスコードスイッチ」を発明の名称とする米国特許第6,483,369号には、高電圧スイッチにおける順方向抵抗を小さくしようと試みられた１つの解決方法が示されている。この特許されたデバイスでは、コンポジット構造体は、効率およびスイッチング速度を改善するために、低電圧の小型のダイサイズのＭＯＳＦＥＴと共に、カスコード状に配置された大型のダイサイズの高電圧ＭＯＳＦＥＴによって形成されている。しかし、この解決方法には、同期整流機能を奏するために別の制御回路を必要とするという欠点がある。

従って、高電圧で使用できる簡単な、低損失の高速スイッチング整流デバイスが、依然として求められている。

本発明は、ショットキーダイオード、または同様なダイオードのような低電圧ダイオードと、カスコード構造に接続された常時導通双方向スイッチを備える複合デバイスを提供することにより、上記ニーズを満たすものである。これら２つの部品は、ピンの数が最小の、例えばピンの数が２つ程度に少ないＩＣを形成するように、共通する基板上に配置して、カプセル封入することが好ましい。別の機能を持たせるよう、ＩＣ内には、別のコンポーネントを実装できる。

この種の双方向スイッチは、双方向に電流を導通したり、ブロックしたりできる。これらスイッチは、２つのソース端子の間の電流の流れを制御するための２つの制御ピン、またはゲートを使って実現される。このデバイスは、常時オンであり、デバイスがシャットオフできるように、それぞれのゲート−ソースペアのうちの少なくとも１つペアの間に、負のバイアスを加えなければならない。このタイプのデバイスは、例えば米国特許第4,608,590号に示されている。

この低電圧ダイオードは、複合デバイスが自己駆動されるように、ゲート−ソースペアのうちの１つのペアの間に接続することが好ましい。端子を共に接続することによって、他のゲート−ソースペアを、０ボルトに保持することができるし、またはＳＣＲ（シリコン制御整流器）、すなわちサイリスタのように機能する、三端子デバイスを提供するように、外部制御信号を使用することもできる。

更に、多数のデバイスを組み合わせることができる。例えば、整流ブリッジを形成するように、ＩＣとしてデバイスのうちの４つを製造するか、またはデバイスのうちの１つを、アンチパラレル状に絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）と集積化し、ＩＧＢＴに対するフライホイール機能、または逆電流保護機能を提供することができる。更に上記関連特許は、高電圧ブーストコンバータ内での整流デバイスを使用することを示している。当業者は、次の説明を読めば、本デバイスの他の応用例が容易に明らかになると思う。

本発明は、従来の高電圧整流器と比較して、大幅に導通損失を低減するものであり、同時に、回復電流が存在しないために、スイッチング速度を劇的に改善している。逆電流は、小型ショットキー整流器の容量性変位電流だけであるが、この電流は、バイポーラ高電圧整流器よりも、一般に大きさが数桁少なくなっている。

従って、本発明の目的は、順方向の導通損失が極めて低く、スイッチング時間が速い、高電圧整流器構造体を提供することにある。

本発明の別の目的は、カスコード構造に接続された底電圧ダイオードと、双方向の常時導通スイッチとから形成されたかかる整流器デバイスを提供することにある。

本発明の別の目的は、整流器として機能する二端子デバイス、ＳＣＲ、すなわちサイリスタのように機能する三端子デバイス、フルブリッジ整流器またはＩＧＢＴとアンチパラレル構造となっているデバイスを含むが、これらに限定されない種々の回路アプリケーションにおいて、かかるデバイスを使用することにある。

本発明の更に別の目的は、集積回路のようなデバイスを提供することにある。

添付図面を参照して行う本発明の次の説明から、本発明の上記以外の特徴および利点が明らかとなると思う。

図面全体にわたり、同様な部品には同様の番号を付してある。

図１は、本発明にかかわるデバイスのコンポーネントの１つとして使用できる双方向の常時導通半導体スイッチを示す。全体が符号１０で示されているこのスイッチは、公知のデバイスであり、第１ソース端子１２と第２ソース端子１４との間で電流を双方向に導通したり、ブロックできるようになっている。第１ゲート端子１８とソース端子１２との間に接続されたバイアス電圧ソース１６および第２ゲート端子２２と、ソース端子１４との間に接続された第２電圧ソース３０により制御が行われる。

この種のデバイスは、ゲート−ソースペアの一方または双方の間にプログラムされたスレッショルドよりも低い負のバイアスが加えられると、デバイスはオフとなること、すなわちソース端子間の電圧を維持することを特徴とする。双方のゲートの電圧がゼロになった場合にしか、電流は、２つのソース端子の間を流れることができない。この種のデバイスは、デスクリート要素としていくつかの供給者から市販されており、これらデバイスを製造するためのＩＣ製造技術は周知である。

図２は、高電圧整流器を形成するのに、図１のスイッチ１０をどのように使用できるかを示している。全体が符号３０で示されているデバイスは、スイッチ１０とショットキー整流器、すなわち、バリア整流器のような低電圧整流器３２を備え、この整流器のアノードはゲート端子１８に接続され、カソード３６はソース端子に接続されている。スイッチ１０とダイオード３２とは、共通する基板上に製造し、外部からアクセスできるアノード端子３８、およびカソード端子４０を有する集積回路を形成するようにカプセル封入することが好ましい。

このデバイス３０がダイオードとして機能できるようにするために、外部ジャンパーまたはダイレクト内部接続のいずれかにより、ゲート端子２２にソース端子１４が直接接続されている。

デバイス３０では、入力端子３８と出力端子４０との間の電圧Ｖ_AKが正であるときに、低電圧ダイオード３２に電流が流れ、ゲート端子１８のバイアス電圧Ｖ_GS1とダイオード３０の順方向電圧低下が等しくなる。この電圧は、正の電圧となるので、デバイス１０はオン状態に維持される。

Ｖ_AKが負となると、ダイオード３０は、逆方向にバイアスがかけられ、スイッチ１０に対するゲートスレッショルド以上の電圧を発生させ、これによって、スイッチ１０はターンオフされ、全体のＶ_AK電圧が維持される。

図３は、三端子によって制御される整流器を提供するのに、デバイス３０をどのように変形できるかを示している。全体が３０’で示されたこのデバイスは、デバイスをオンオフにトリガーするための制御装置として第２ゲート−ソースペア２２〜１４を使用しているので、これらデバイスの代表的なラッチング機構を用いることなく、サイリスタ、すなわちＳＣＲの機能をエミュレートできる。換言すれば、パワースイッチに印加される電圧とは無関係に、スイッチをイネーブルできる。

ここで、ソース１４とゲート２２との間の直接接続は、０の値から適当な負の値で変化する電圧ソース４２によって示された外部制御信号ソースに置換されている。この制御信号の電圧が０となっているとき、スイッチ１０のステーとはＶ_AKのみによって決定される。制御信号の電圧が負となると、Ｖ_AKとは無関係に、スイッチ１０はシャットダウンする。従って、デバイス３０’は、ＳＣＲ、すなわち、サイリスタと同じように機能する。

図４Ａは、従来のフルブリッジ整流回路４６を示し、この整流回路は端子５０と５２との間に接続されたＡＣ入力４８と、端子５４および５６に印加される正および負のＤＣ出力電圧を有する。図４Ｂは、図２に示されたタイプの整流デバイス３０ａ〜３０ｄを使った、かかるブリッジ回路４６’の実現例を示している。

整流デバイス３０ａと３０ｄとの間の端子５０および整流デバイス３０ｂと３０ｃとの間の端子５２に、ＡＣ電圧ソースが接続されている。整流デバイス３０ａと３０ｂとの間、および３０ｃと３０ｄとの間にそれぞれ出力５４および５６が生じる。図示されている回路構造によって、整流デバイス３０により提供される高電圧、低導通損失および高速スイッチング能力を有するフルブリッジ整流回路の機能が得られる。

図５Ａは、アンチパラレル状態に、ダイオード６２が接続された従来のＩＧＢＴ６０を示す。図５Ｂは、ダイオード６２が整流デバイス３２に置換されている同じ回路を示す。

以上、本発明の特定の実施例に関連して本発明について説明したが、当業者には、他の多くの変形例および変更例、並びにその他の用途が明らかとなると思う。従って、本発明は、本明細書の特定の開示によって制限されるものではなく、特許請求の範囲のみによって定められるものである。

本願は、２００４年８月２３日に出願された米国仮特許出願第60/603,589号に基づく優先権を主張するものであり、この米国特許出願の全開示内容を、本明細書で参考例として援用する。

本願は、「双方向の常時導通デバイスを使用してインラッシュ電流から保護する自己被動同期整流ブーストコンバータ」を発明の名称とし、マルコ・ソルダーノを発明者とし、２００５年８月１１日に出願された米国特許出願第 号（代理人整理番号2-4813）にも関連するものであり、この特許出願の全開示内容も参考例として援用する。

本発明にかかわるデバイスのコンポーネントとして使用できる、双方向の常時導通スイッチを示す。 ダイオード整流器の機能を奏するための本発明の実施例を示す。 三端子制御整流器を提供するための、本発明の実施例を示す。 従来のフルブリッジ整流回路トポロジーを示す。 図４Ａのブリッジ整流器の機能を提供するための、本発明の実施例を示す。 エミッタ端子とコレクタ端子との間にアンチパラレル構造に接続された従来のダイオードを有するＩＧＢＴを示す。 本発明に係わる整流デバイスを使用する図５Ａの回路の実施例を示す。

符号の説明

１０ スイッチ
１２ 第１ソース端子
１４ 第２ソース端子
１６ バイアス電圧ソース
１８ 第１ゲート端子
２２ 第２ゲート端子
３０ カソード
３２ 低電圧整流器
３６ カソード
３８ カソード端子
４０ 出力ターミナル
４６ フルブリッジ整流回路
５０、５２、５４、５６ 端子
６０ ＩＧＢＴ
６２ ダイオード

Claims (18)

1. ダイオードを含む低電圧構造体と、
   双方向の常時導通半導体スイッチを含む高電圧構造体とを備え、前記高電圧構造体と低電圧構造体とが、カスコード構造に接続されているスイッチング高電圧整流デバイス。
2. 前記ダイオードのカソード端子は、前記双方向スイッチの第１ソース端子に接続されており、
   前記ダイオードのアノード端子は、前記双方向推知の第１ゲート端子および信号入力端子に接続されており、
   前記双方向スイッチの第２ソース端子は、信号出力端子に接続されており、
   前記双方向スイッチの第２ソース端子と第２ゲート端子の間に、カップリング構造体が設けられている、請求項１記載のデバイス。
3. 前記低電圧構造体と前記高電圧構造体とは、共通する基板の上に設けられており、かつ集積回路を形成するように、カプセル封入されている、請求項２記載のデバイス。
4. 本デバイスが、ダイオードとして機能するように、前記結合構造体は、ダイレクト接続部となっている、請求項２記載のデバイス。
5. 請求項４記載の第１、第２、第３および第４スイッチング整流デバイスを備えるブリッジ整流デバイスにおいて、
   前記第１スイッチング整流器の入力端子と、前記第４スイッチング整流器の出力端子とは、第１ブリッジ入力端子に結合されており、
   前記第２スイッチング整流器の入力端子と、前記第３スイッチング整流器の出力端子とは、第２ブリッジ入力端子に結合されており、
   前記第１および第２スイッチング整流器の出力端子は、第１ブリッジ出力端子に接続されており、
   前記第３および第４スイッチング整流器の入力端子は、第２ブリッジ出力端子に接続されており、
   前記ブリッジ整流デバイスは、前記ブリッジ入力端子にてＡＣ入力電圧を受けるとともに、前記ブリッジ出力端子にて全波整流ＤＣ電圧を発生するようになっているブリッジ整流デバイス。
6. 前記４つの整流デバイスは、単一集積回路の一部として、共通する基板上に形成されている、請求項５記載のブリッジ整流デバイス。
7. 本デバイスがダイオードとして機能するように、前記カップリング構造は、ダイレクト接続部となっている、請求項５記載の整流デバイス。
8. 本デバイスが、三端子制御整流器として機能するように、前記結合構造体は、外部から制御される電圧ソースとなっている、請求項２記載のデバイス。
9. 整流デバイスのアノード端子およびカソード端子に、アンチパラレル状態にエミッタ端子およびコレクタ端子が接続されたＩＧＢＴとを組み合わせた、請求項４記載のデバイス。
10. 前記整流デバイスおよびＩＧＢＴは、単一集積回路の一部として、共通する基板上に形成されている、請求項９記載の組み合わせデバイス。
11. 低電圧構造体は、ショットキーダイオードまたはバリアダイオードである、請求項１記載のデバイス。
12. 請求項１記載の第１、第２、第３および第４スイッチング整流デバイスを備えるブリッジ整流デバイスにおいて、
    前記第１スイッチング整流器の入力端子と前記第４スイッチング整流器の出力端子とは、第１ブリッジ入力端子に結合されており、
    前記第２スイッチング整流器のアノード端子と前記第３スイッチング整流器のカソード端子とは、第２ブリッジ入力端子に結合されており、
    前記第１および第２スイッチング整流器のカソード端子は、第１ブリッジ出力端子に接続されており、
    前記第３および第４スイッチング整流器のアノード端子は、第２ブリッジ出力端子に接続されており、
    前記ブリッジ整流デバイスは、前記ブリッジ入力端子にてＡＣ入力電圧を受けるとともに、前記ブリッジ出力端子にて全波整流ＤＣ電圧を発生するようになっているブリッジ整流デバイス。
13. 前記４つの整流デバイスは、単一集積回路の一部として、共通する基板上に形成されている、請求項１２記載のブリッジ整流デバイス。
14. １つのダイオードとして機能するように構成されている、請求項１記載のデバイス。
15. 三端子制御整流器として機能するようになっている、請求項１記載のデバイス。
16. 整流デバイスのアノード端子およびカソード端子に、アンチパラレル状態にエミッタ端子およびコレクタ端子が接続されたＩＧＢＴと組み合わされた、請求項１記載のデバイス。
17. 前記整流デバイスおよびＩＧＢＴは、単一集積回路の一部として、共通する基板上に形成されている、請求項１６記載の組み合わせデバイス。
18. フルブリッジ整流器として機能するようになっている、請求項１記載の４つの整流デバイスを備えるデバイス。

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