JP2011509629A - 集積ｉｉｉ族窒化物電力変換回路 - Google Patents

Abstract

電力段及びドライバ段を含み、全ての段がIII族窒化物電力デバイスを用いる集積回路。

Description

本明細書に示すIII族窒化物スイッチ（時としてデバイス）は、ＧaＮ、ＡlＧaＮ、ＩnＧaＮ、ＡlＮ等のようなＩnＡlＧaＮ系からの合金を用いた、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のようなヘテロ接合電力半導体素子を称する。

本発明は、電力変換用の集積回路に関するものであり、より具体的には、III族窒化物電力半導体スイッチを、その電力変換段並びにドライバ（駆動）段に用いる電力変換用集積回路に関するものである。

III族窒化物へテロ接合電力半導体スイッチは既知である。例えば、米国特許第５１９２９８７号明細書、発明者Khan他は、デプレッションモードIII族窒化物ＨＥＭＴの一種類を開示しているのに対し、米国特許公開第２００６／００６０８７１号明細書、発明者Beachは、エンハンスメントモードIII族窒化物ＨＥＭＴの数種類の例を開示している。

III族窒化物スイッチは、III族窒化物材料の比較的大きいバンドギャップ、導通中のスイッチの比較的小さい抵抗率、及び高周波スイッチング能力により、電力用途にとって特に望ましい。

米国特許第５１９２９８７号明細書 米国特許出願公開第２００６／００６０８７１号明細書

本発明の目的は、電力段並びにドライバ段内のスイッチがIII族窒化物スイッチである電力変換用集積回路を供給することにある。

本発明による集積回路は、電力変換ブリッジ及びドライバ段を含み、電力変換ブリッジは、バス電圧と接地の間にあり、出力回路に電流を供給するためのスイッチト（被切替）ノードを含み、ドライバ段は第１セクション及び第２セクションを含み、第１セクションは負電源電圧と接地の間にあり、第２セクションは、スイッチトノードと、負電源電圧から導出されたスイッチトノードより低電圧の導出電圧との間にある。

１つの好適例では、上記電力変換ブリッジが、ハイ側III族窒化物スイッチと、このハイ側III族窒化物スイッチに直列接続されたロー側III族窒化物スイッチとを含んで、ハーフブリッジを形成する。この好適例では、上記第１及び第２のIII族窒化物スイッチがデプレッションモードデバイスである。さらに、この好適例では、上記第１セクション及び第２セクションの各々がドライバ（駆動）ブリッジを含み、このドライバブリッジは、ハーフブリッジ構成の形に直列接続された２つのIII族窒化物スイッチで構成され、このハーフブリッジは、その出力端子を、上記ハイ側III族窒化物スイッチ及び上記ロー側III族窒化物スイッチの一方のゲートに結合されている。１つの好適例では、上記直列接続されたIII族窒化物スイッチの各々において、上記第１セクション及び上記第２セクションがエンハンスメントモードデバイスである。他の実施例では、上記直列接続されたIII族窒化物スイッチの各々において、上記第１セクション及び上記第２セクションがデプレッションモードデバイスである。

本明細書には、ＰＷＭ信号をドライバ段に供給する前にレベルシフトする新規のレベルシフト方式も開示する。

本発明の他の特徴及び利点は、以下の図面を参照した本発明の説明より明らかになる。

第１実施例による集積回路の回路図である。 第２実施例による集積回路の回路図である。 本発明の１つの態様によるダウンレベルシフタの回路図である。 本発明の他の態様によるアップレベルシフタの回路図である。 本発明の第１実施例の種々のスイッチのゲートにおける、ＰＷＭ信号に応答した事象を示す図である。

図１を参照すれば、本発明の好適な実施例による電力変換装置は、電力変換段１０、出力段１２、及びドライバ段１４を含む。電力変換段１０は、ハイ側III族窒化物デプレッションモードスイッチ１６、及びこのハイ側スイッチ１６に直列接続されたロー側III族窒化物デプレッションモードスイッチ１８を含んで、入力電源電圧 (バス電圧)Ｖddと接地Ｇとの間のハーフブリッジ構成をなす。なお、電力変換段１０の出力２０、すなわちスイッチドノード２０は、出力段１２に接続されている。具体的には、出力段１２は、電力出力ノード２４とスイッチドノード２０との間に直列接続されたインダクタ２２、及び電力出力ノード２４と接地Ｇとの間に結合された出力コンデンサ２６とを含む。

ドライバ段１４は、ハイ側スイッチ１６にゲート信号を供給するハイ側ドライバ、及びロー側スイッチ１８にゲート信号を供給するロー側ドライバを含む。ハイ側ドライバは、ハイ側ドライバブリッジ２８を含む。ハイ側ドライバブリッジ２８は、第２のIII族窒化物エンハンスメントモードスイッチ３２に直列接続された第１のIII族窒化物エンハンスメントモードスイッチ２０を含む。なお、ハイ側ブリッジ２８の出力は、ハイ側スイッチ１６のゲートにゲート信号を供給する。ハイ側ドライバはさらに、第１スイッチ３０にゲート信号を供給する第１プリドライバ（前置駆動回路）３４、及び第２スイッチ３２にゲート信号を供給する第２プリドライバ３６を含む。第１プリドライバ３４は、III族窒化物デプレッションモードスイッチ３８を含み、このスイッチ３８は、エンハンスメントモードIII族窒化物スイッチ４０に直列接続されてブリッジを形成する。なお、第１プリドライバ３４は、スイッチトノード２０の電圧と、後に説明するブートストラップ（起動）電圧との間に結合されている。第２プリドライバ３６は、並列接続された３つのブリッジを含み、各ブリッジは、それぞれがエンハンスメントモードIII族窒化物スイッチ４４、４４’、４４”に直列接続された、デプレッションモードIII族窒化物スイッチ４２、４２’、４２”を含む。ドライバ１４はさらに、アップレベルシフタ４６を含み、アップレベルシフタ４６は、外部ＰＷＭ電源からのＰＷＭ（パルス幅変調）信号をシフトしてスイッチ４４のゲートに供給する。

ロー側ドライバは、ロー側ドライバブリッジ４８を含む。ロー側ドライバブリッジ４８は、第３エンハンスメントモードIII族窒化物スイッチ５０を含み、これは第４エンハンスメントモード III族窒化物スイッチ５２に直列接続されて、接地Ｇと負レール電圧Ｖeeとの間に接続されたブリッジを形成する。第３プリドライバ５６は、第３スイッチ５０のゲートにゲート信号を供給し、第４プリドライバ５４は、第４スイッチ５２のゲートにゲート信号を供給する。第３プリドライバ５６は、並列接続された３つのブリッジを含み、各ブリッジは、それぞれのエンハンスメントモードIII族窒化物スイッチ６０、６０’、６０”に直列接続されたデプレッションモードIII族窒化物スイッチ５８、５８’、５８”を含んで、Ｖeeと接地Ｇとの間に接続されたブリッジを形成する。なお、スイッチ６０は、レベルシフトされたゲート信号をダウンレベルシフタ６２から受信し、ダウンレベルシフタ６２は、外部電源からのＰＷＭ信号をシフトする。第４プリドライバ５４は、エンハンスメントモードIII族窒化物スイッチ６６に直列接続されたデプレッションモードIII族窒化物スイッチ６４を含んで、接地とＶeeとの間に接続されたブリッジを形成する。

このように、本発明の１つの態様によれば、この好適な実施例によるゲートドライバ用に、１つの負レール電圧Ｖeeしか必要としない。

図２を参照すれば、代案実施例では、ハイ側ドライバブリッジ２８が、直列接続された２つのデプレッションモードIII族窒化物スイッチ６８及び７０を含み、ロー側ドライバブリッジ４８は、２つのデプレッションモードIII族窒化物スイッチ７２及び７４を含む。なお、第２実施例による構成では、２つの負レール電圧Ｖee1及びＶee2を用いて、プリドライバに給電する。具体的には、ロー側ドライバブリッジはＶee1と接地の間に接続され、第４プリドライバはＶee2とＶee1との間に接続され、第３プリドライバはＶee2と接地の間に接続されている。なお、Ｖee1はＶee2よりも高い。

図３を参照すれば、本発明の１つの態様によれば、ダウンレベルシフタ６２が、エンハンスメントモードIII族窒化物スイッチＭ１及びＭ２を含み、これらのスイッチは直列接続されて、接地ＧとＶeeとの間にブリッジ７６を形成する。なお、スイッチＭ１のゲートはブリッジ７６の出力ノードに短絡され、外部ＰＷＭ電源からの入力信号を受信する。ダウンレベルシフタ６２はさらに抵抗Ｒ１を含み、抵抗Ｒ１は、接地ＧとＶeeとの間に、エンハンスメントモードIII族窒化物スイッチと直列接続されている。なお、スイッチＭ２及びＭ３のゲートは互いに短絡され、かつスイッチＭ３のドレンと抵抗Ｒ１との間に短絡されている。ダウンレベルシフタ６２は、接地とＶeeとの間に接続されている。

このレベルシフト回路は、スイッチＭ１を用いて入力電圧をシフトする（図２）。レベルシフタ６２の出力は、スイッチ６０のゲートを駆動する。スイッチＭ１は閾値電圧Ｖ_t1を有する。スイッチＭ２は閾値電圧Ｖ_t2を有し、Ｖ_t2はＶ_t1未満である（Ｖ_t2＜Ｖ_t1）。 このことは、より大きなレベルシフトを可能にする。また、スイッチ６０も閾値電圧Ｖ_t1を有し、このことは、スイッチ６０をオフ状態にして、適切な信号を後続段に供給することを可能にする。

なお、各実施例は、ブートストラップ構成８０も含むことができる。 ブートストラップ構成８０は、スイッチドノード２０とＶeeとの間に接続された、ブートストラップコンデンサ８２、トランジスタ８４、及びダイオード８６を含む。トランジスタ８４は、ロー側スイッチ１８と一緒にオン状態／オフ状態になって、スイッチドノード２０の電圧がローになるといつもブートストラップコンデンサ８２を充電する。なお、図２に示す実施例では、ブートストラップ構成８０はＶee1に接続されている。

本発明による装置は次の様に動作する。ＰＷＭ信号が受信されると、ＰＷＭ信号はレベルシフタ４６によって上方にレベルシフトされ、レベルシフトされた信号はプリドライバブリッジ３６によって増幅される。そして、プリドライバ３４はドライバブリッジ２８内のスイッチ３０を駆動して、ゲート信号をハイ側スイッチ１６に送信する。

ロー側の動作も同様である。具体的には、ＰＷＭ信号はレベルシフタ６２によって下方にレベルシフトされ、レベルシフトされた信号はプリドライバブリッジ５６によって増幅される。そして、プリドライバブリッジ５４はスイッチ５２を駆動して、ゲート信号をロー側スイッチ１８に供給することを可能にする。

本発明による装置では、デッドタイム制御方式を大幅に簡略化することができ、そして、最小の伝搬遅延により、少数の遅延ゲートで実現することができる。

図１及び図４を参照すれば、本発明によるドライバ（駆動）装置は次の様に動作する。 なお、図４に示すように、デプレッションモードデバイスについては、「オン」はゲート電荷が供給されていないことを意味する。従って、デバイスは導通している。逆に、デプレッションモードデバイスについては、「オフ」は、ゲート電荷が存在すことを意味し、このことは、デバイスが導通していないこと、即ちデバイスがオフ状態であることを意味する。 他方では、エンハンスメントモード素子については、「オフ」はゲート電荷が存在しないことを意味し、このことはデバイスが導通していないことを意味し、そして「オン」は、ゲート電荷が存在し、従ってデバイスが導通していることを意味する。

なお、第２、第４行はハイ側のデバイス、すなわち４４、４４’、４４”、４０、３０、３２及び１６のゲート上の電荷に関するのに対し、第３、第５行は、ロー側のデバイス、即ち６０、６０’、６０”、６６、５０、５２及び１８の素子のゲート上の電荷に関するものである。

従って、図に示すように、ＰＷＭ信号がハイである際にハイ側スイッチはオン状態であり、このことは、スイッチ１６のゲートに供給されるゲート電荷が存在しないことを意味する。具体的には、ブートストラップコンデンサはドライバブリッジの負レール電圧をスイッチドノード２０の電圧より低い電圧にシフトする。従って、レベルシフタ４６がスイッチ４４のゲートに信号を送信すると、これによりスイッチ４４がオン状態になり、スイッチ４４’のゲートをローにシフトするのに対し、スイッチ４４”のゲートはスイッチトノード（の電圧）にシフトされ、これによりスイッチ４４”をオン状態にする。その結果、スイッチ３２’のゲート及びスイッチ４０はブートストラップコンデンサの電圧でバイアスをかけられ、これによりスイッチ３２’及び４０がオフ状態に保ち、スイッチ３０のゲートの充電を生じさせてスイッチ３０をオン状態にする。 その結果、ハイ側スイッチ１６のゲートには負のゲート電荷が供給されず、スイッチ１６をオン状態のままにする。

他方では、ＰＷＭ信号がハイである際は、スイッチ６０のゲートが充電され、これにより、スイッチ６０’のゲートのローへのシフト、及びスイッチ６０”のゲートのハイへのシフトを生じさせる。その結果、スイッチ６６のゲートはローにシフトされ、これによりスイッチ６６をオフ状態に保ち、スイッチ５２のゲートの充電を生じさせる。従って、ロー側スイッチのゲートはＶeeで充電され、これによりロー側スイッチをオフ状態にする。なお、スイッチ５０のゲートは、スイッチ６０”がオン状態であることにより充電されない。

ＰＷＭ信号がローである際は、ハイ側スイッチ１６はオフ状態にされなければならず、このことは、スイッチ１６のゲートに負のバイアスをかけなければならないことを意味する。従って、スイッチ３２のゲートを充電して、スイッチ１６のゲートにブートストラップ電圧でバイアスをかけなければならない。従って、ＰＷＭ信号がローである際は、スイッチ４４のゲートは充電されない。その結果、スイッチ４４’のゲートが充電されてスイッチ４４’をオン状態にするのに対し、スイッチ４４”のゲートはローにシフトされてスイッチ４４”をオフ状態にする。その結果、スイッチ４０のゲートが充電され、これによりスイッチ３０のゲートをローにシフトする。しかし、スイッチ４４”のゲートはオフ状態であるので、スイッチ３２のゲートが充電されてスイッチ３２がオン状態になり、ハイ側スイッチ１６のゲートに負のブートストラップ電圧でバイアスをかけて、ハイ側スイッチ１６をオフ状態にする。

ＰＷＭ信号がローである際は、ロー側スイッチ１８が導通すべきであり、このことは、ロー側スイッチ１８のゲートに供給されるゲート電荷が存在しないことを意味する。従って、スイッチ５２はオフ状態であるのに対しスイッチ５０はオン状態である。具体的には、ＰＷＭ信号がローである際は、スイッチ６０のゲートは充電されずスイッチ６０をオフ状態のままにし、これによりスイッチ６０’のゲートの充電が生じて、スイッチ６０’をオン状態にする。その結果、スイッチ６０”のゲートはＶeeでバイアスをかけられ、従ってスイッチ６０”をオフ状態のままにする。その結果、スイッチ６６のゲートが充電されて、スイッチ６６をオン状態にし、スイッチ５２のゲートに負のバイアスをかけてスイッチ５２をオフ状態にする。しかし、スイッチ６０”はオフ状態であるので、スイッチ５０のゲートは充電され、これによりロー側スイッチ１８のゲートは充電されず、ローのＰＷＭ信号に応答してオン状態のままである。

図３Ａを参照すれば、ダウンレベルシフタ６２は次の様に動作する。ＰＷＭ信号がハイである際は、スイッチＭ１のゲートはハイにシフトされる。その結果、スイッチ６０のゲートが接地にシフトされて、スイッチ６０をオン状態にする。他方では、ＰＷＭ信号がローである際は、抵抗Ｒ１がスイッチＭ２及びＭ３のゲートをハイにシフトし、これによりスイッチ６０のゲートをＶeeにシフトして、スイッチ６０をオフ状態にする。

図３Ｂを参照すれば、図３では、同様の符号が同様の特徴を識別し、アップレベルシフタ４６は本質的に、ダウンレベルシフタ６２と同様に動作する。しかし、アップレベルシフタ４６の出力はスイッチ４４のゲートに結合され、スイッチ４４はＶeeとＳＷの間に結合されている。従って、アップレベルシフタ４６の出力は、まず下方にレベルシフトされ、次に、ＶeeとＳＷとの間のブリッジにより上方にレベルシフトされる。

本発明による集積回路は、ＤＣ−ＤＣ変換のような用途における高周波動作を可能にする。また、ＰＷＭ信号は外部ＩＣによって供給されることが好ましい。本発明による集積回路の超高速（すなわちサブナノ秒）により、明示的なデッドタイム制御の必要性を除去または簡略化することができることが有利である。また、駆動の対称性は、電力デバイスどうしの正確なデッドタイム整合を可能にする。さらに、好適な実施例における電力スイッチはデプレッションモードであるが、本発明の範囲から逸脱することなしに、エンハンスメントモードスイッチを用いることができることは明らかである。さらに、第１実施例におけるエンハンスメントモードスイッチを用いたプリドライブ段は、１つの負電圧レールのみを用いた動作を可能にし、複数の閾値電圧スイッチを利用できることは、性能の向上を可能にする。電力スイッチのデプレッションモードの性質により、（１つまたは複数の）ディスエーブル（無効化）スイッチを起動状況用に実現することができる。本発明による集積回路は超高周波動作を可能にし、出力インダクタ及びコンデンサのサイズを低減し、非常に高い電力密度を電力管理装置用の空間の低減と共に可能にすることが有利である。

集積回路は、分離した個別のダイを用いるのとは対照的に、単一のダイで実現することができる。従って、電力段内のロー側及びハイ側スイッチ、ドライバ段内のスイッチ、レベルシフタ、及び全ての論理回路が１つのダイ内に集積される。

さらに、集積回路は、バックコンバータのようなＤＣ−ＤＣコンバータ用途に好適であるが、同じトポロジーを、ブーストコンバータ、他のハーフブリッジ用途、３相モータドライバ、及び類似用途に適用することができる。

本発明は、その特定実施例に関して説明してきたが、他の多数の変形及び変更、及び他の用法は当業者にとっては明らかである。従って、本発明は、本明細書の特定の開示に限定されず、特許請求の範囲のみによって限定されることが好ましい。

Claims (11)

1. バス電圧と接地との間にあり、出力回路に電流を供給するためのスイッチトノードを含む電力変換ブリッジと、
   第１セクション及び第２セクションを含むドライバセクションとを具え、前記第１セクションは、負電源電圧と接地との間にあり、前記第２セクションは、前記スイッチトノードと、前記負電源電圧から導出された前記スイッチトノードより低電圧の導出電圧との間にあることを特徴とする集積回路。
2. 前記電力変換ブリッジは、ハイ側III族窒化物スイッチ、及びこのハイ側III族窒化物スイッチに直列接続されたロー側III族窒化物スイッチを含んで、ハーフブリッジを形成することを特徴とする請求項１に記載の集積回路。
3. 前記ハイ側III族窒化物スイッチ及び前記ロー側III族窒化物スイッチが、デプレッションモードデバイスであることを特徴とする請求項２に記載の集積回路。
4. 前記第１セクション及び前記第２セクションの各々がドライバブリッジを含み、このドライバブリッジは、ハーフブリッジ構成の形に直列接続された２つのIII族窒化物スイッチで構成され、前記ハーフブリッジ構成の出力端子は、前記ハイ側III族窒化物スイッチ及び前記ロー側III族窒化物スイッチの一方のゲートに結合されていることを特徴とする請求項２に記載の集積回路。
5. 前記第１セクション及び前記第２セクションの各々の、前記直列接続されたIII族窒化物スイッチが、エンハンスメントモードデバイスであることを特徴とする請求項４に記載の集積回路。
6. 前記第１セクション及び前記第２セクションの各々の、前記直列接続されたIII族窒化物スイッチが、デプレッションモードデバイスであることを特徴とする請求項４に記載の集積回路。
7. さらに、前記第１セクションに電圧を供給する他の負電源電圧を具えていることを特徴とする請求項６に記載の集積回路。
8. 前記第１セクション及び前記第２セクションの各々が、並列接続された複数のブリッジを具えた論理回路を含み、前記ブリッジの各々は、エンハンスメントモードIII族窒化物スイッチ、及びこのエンハンスメントモードIII族窒化物スイッチに直列接続されたデプレッションモードIII族窒化物スイッチを含み、前記並列接続されたブリッジは、外部供給されるＰＷＭ信号に基づいて、前記ドライバブリッジの前記直列接続された２つのIII族窒化物スイッチの一方を選択的に動作させるように機能することを特徴とする請求項４に記載の集積回路。
9. 前記ドライバセクションが第１レベルシフタ及び第２レベルシフタを含み、前記第１レベルシフタ及び前記第２レベルシフタの各々は、外部ＰＷＭ信号を受信するように結合され、かつ、前記ドライバセクション内の前記第１セクション及び前記第２セクションのそれぞれに、レベルシフトされた信号を供給するように結合されていることを特徴とする請求項１に記載の集積回路。
10. さらに、前記導出電圧を導出するためのブートストラップ構成を含むことを特徴とする請求項１に記載の集積回路。
11. 前記ブートストラップ構成が、ブートストラップコンデンサ、トランジスタ、及びブートストラップダイオードを含み、前記ブートストラップコンデンサ、前記トランジスタ、及び前記ブートストラップダイオードの全てが、前記スイッチトノードと前記負電源電圧との間に直列接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の集積回路。