JP2024086864A - スイッチングモジュール - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、D級増幅器等に適用されるスイッチングモジュールに関し、特に、基板上に実装されたGaN-FETと、このGaN-FETのゲート電極にゲート抵抗を介して接続されたドライバ回路と、このドライバ回路に駆動電圧を与えるドライバ電源と、を含むスイッチングモジュールに関する。
高周波電源は、超音波発振や誘導電力の発生あるいはプラズマの発生等の電源として適用されており、D級増幅器によるスイッチング動作により、直流を高周波交流に変換する機能を有する電源である。このようなスイッチング動作を行うD級増幅器は、電力効率が高く、発熱量が少ないことが特徴であり、そのスイッチング動作を行うパワー半導体を含むモジュールとして、FET(Field Effect Transistor:電界効果トランジスタ)を用いたものが知られている。
こうしたスイッチング動作を実施し得るFETとして、接合型FETとMOS型FETが知られており、ゲート電極への信号入力に応じてソース電極とドレイン電極との電極間を流れる電流を高速で制御できる。近年では、スイッチング動作のさらなる高速化(高周波スイッチング)を意図して、GaN(窒化ガリウム)を用いたGaN-FET素子が適用されつつある。
このようなGaN-FETを用いたスイッチングモジュールとして、例えば特許文献1には、入力信号の波形に基づき送信増幅器をエンベロープトラッキング駆動するスイッチング電源において、入力信号が一時側に入力されるトランスと、トランスの二次側に接続される第1乃至第3のスイッチング部と、並列接続される抵抗およびコンデンサを備えるスピードアップ回路と、アノード接地のショットキーダイオードと、ゲートが抵抗に接続されソースがショットキーダイオードのカソードに接続される電源用FETとを具備し、第1乃至第3のスイッチング部は、ゲートおよびソースがトランスの二次側に接続される回路内FETと、カソードが回路内FETのゲートに接続される回路内ショットキーダイオードと、回路内ショットキーダイオードに逆極性で直列接続されカソードが回路内FETのソースに接続されるツェナーダイオードと、ツェナーダイオードに並列接続されるコンデンサと、をそれぞれ備え、第1のスイッチング部の回路内FETのソースと、第2のスイッチング部の回路内FETのドレインと、抵抗とを接続し、第3のスイッチング部の回路内FETのドレインおよびソースを、スピードアップ回路に並列接続し、上記電源用FETは、ショットキー接合のゲートを持つノーマリーオフ動作のNチャネル型GaN-FETである構成のものが開示されている。このようなスイッチング電源では、高効率な高周波送信機用の高速・大振幅スイッチング電源およびスイッチング方法を提供することができるとされている。
GaN-FETに用いられるGaN材料は、一般的なMOS-FETのシリコンに比べてバンドギャップが広く、オン抵抗が低いという特性があり、さらにスイッチング素子としては、高速かつ高温での動作が可能である点で優位である。その一例として、GaN-FETは、通常のMOS-FETに対して、電圧変化(dV/dt)においては4倍以上、電流変化(dI/dt)においては10倍以上の高速動作が可能とされている。
スイッチング動作を高速化する場合、ゲート電極に入力されるゲート電流の立上りあるいは立下りが急峻となる。このような急峻な変化を伴うゲート電流は、FETが有する寄生成分の影響を受けやすく、サージやリンギングを発生させる原因となる。
こうしたことから、GaN-FETをスイッチングモジュールとして適用する場合には、高速化に伴うサージやリンギング等の発生を抑制するために、ゲート電流を適正なタイミングで入力するための特別なゲートドライブ回路を設計する必要がある。例えば、特許文献1においても、ゲート電流を発生する広帯域ドライバとスイッチング素子との間に、トランスとショットキーダイオードとツェナーダイオードとコンデンサとを含む特別な回路が介在した構成となっている。
しかしながら、ドライバからの信号を整流するためにダイオードを用いる場合、例えばショットキーダイオードは高温でリーク電流が発生してしまうため、動作環境温度を下げる必要がある。一方、ツェナーダイオードは逆方向の特性を有するため、応答速度を速めるためにはコンデンサと並列接続する必要がある。これらのことから、GaN-FETを駆動するためのゲートドライブ回路は複雑な構成となってしまうという問題があった。
本発明は、上記した従来の問題点を解決するためになされたものであって、簡易かつ安価な構成であっても、GaN-FETによる高速スイッチングを実現できるスイッチングモジュールを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の代表的な態様の1つは、基板上に実装されたGaN-FETと、このGaN-FETのゲート電極にゲート抵抗を介して接続されたドライバ回路と、このドライバ回路に駆動電圧を与えるドライバ電源と、を含むスイッチングモジュールであって、前記ドライバ回路は、複数のロジックIC回路が並列に接続された構成を有することを特徴とする。
このような構成を備えた本発明によれば、GaN-FETのゲート電極にゲート電流を入力するドライバ回路を複数のロジックIC回路が並列に接続された構成とすることにより、簡易かつ安価な構成であっても、GaN-FETによる高速スイッチングを実現できる。
以下、本発明によるスイッチングモジュールの代表的な具体例を図1~図5を用いて説明する。
<実施例1>
図1は、本発明の代表的な一例である実施例1によるスイッチングモジュールを増幅器に適用した高周波電源装置のブロック図である。また、図2は、図1に示したスイッチングモジュールのモジュール近傍における等価接続回路を示す回路図である。さらに、図3は、図1に示したドライバ電源及びドライバ回路の概要を示すブロック図である。このような高周波電源装置は、例えば、増幅器の出力が1kW以上で、出力周波数が0.3MHz以上の半導体製造装置向けの高周波電源装置等に適用される。
図1は、本発明の代表的な一例である実施例1によるスイッチングモジュールを増幅器に適用した高周波電源装置のブロック図である。また、図2は、図1に示したスイッチングモジュールのモジュール近傍における等価接続回路を示す回路図である。さらに、図3は、図1に示したドライバ電源及びドライバ回路の概要を示すブロック図である。このような高周波電源装置は、例えば、増幅器の出力が1kW以上で、出力周波数が0.3MHz以上の半導体製造装置向けの高周波電源装置等に適用される。
図1に示すように、実施例1によるスイッチングモジュールを適用した高周波電源装置1は、その一例として、スイッチングされる直流電圧を供給する直流供給電源10と、当該直流供給電源10の一方側(ハイ側)の入力端に接続されたスイッチングモジュール100Hと、直流供給電源10の他方側(ロー側)の入力端に接続されたスイッチングモジュール100Lと、これらのスイッチングモジュール100H、100Lに駆動信号を出力する制御ユニット20と、を含む。
ここで、図1では、一対のスイッチングモジュールを含むいわゆるハーフブリッジ回路の構成による高周波電源装置を例示しているが、二対のスイッチングモジュールを含むフルブリッジ回路の構成による高周波電源装置としてもよい。なお、スイッチングモジュール100Hと100Lとは同一の構成を備えるため、以後の具体的な実施態様については、ハイ側のスイッチングモジュールの構成のみ説明を行い、ロー側のスイッチングモジュールについてはその説明を省略する。
実施例1によるスイッチングモジュール100Hは、基板110H上に実装されたGaN-FET120Hと、このGaN-FET120Hのゲート電極Gに接続配線140Hを介して接続されたドライバ回路130Hと、このドライバ回路130Hに駆動電圧を与えるドライバ電源150Hと、を含む。図1に示すように、制御ユニット20は、信号線22H、22Lを介してハイ側のドライバ回路130H及びロー側のドライバ回路130Lと電気的に接続されており、これらのドライバ回路130H、130Lに駆動信号DsH、DsLをそれぞれ出力する。
基板110Hは、その一例として、酸化ベリリウム(BeO)又は窒化アルミニウム(AlN)等の熱伝導性の良い材料で形成される。これにより、モジュールを駆動した際に発生した熱を効果的に放散あるいは排出することができる。
GaN-FET120Hは、電流の流れる経路をGaNで形成した電界効果トランジスタ(FET)デバイスの一種であって、ゲート電極G、ソース電極S、ドレイン電極Dがそれぞれ同一面に位置する「横型」の構造を有するパワー半導体として構成される。このような構造により、GaN-FET120Hは一般的なMOSFETより高速でのスイッチング動作が可能となる。
ドライバ回路130Hは、その一例として図3に示すように、複数のTTL素子132H1、132H2、132H3からなるロジックIC回路が並列に接続された構成を有する。なお、図3では、3つのTTL素子132H1~132H3を有する場合を例示しているが、本発明においては、複数を並列に接続したものであれば、ロジックIC回路の数は任意の数を採用できる。
接続配線140Hは、その一例として、例えば金、銅又はアルミニウム製のワイヤからなるボンディングワイヤBWとゲート抵抗Rgとを含む構成を有している。このような接続配線140Hは、図3に示すように、電気的な等価接続回路として、ゲート抵抗Rgと浮遊インダクタンスLs及び抵抗成分Rsを内含する構成として模擬される。このとき、ゲート抵抗Rgの抵抗値をGaN-FET120Hの寄生容量に基づいて選択することにより、ゲート電極Gから印加されるゲート・ソース電圧Vgsの減衰率を制御できる。
ドライバ電源150Hは、その一例として、直流電源DCからの入力を交流に変換するインバータ152Hと、インバータ152Hからの交流を変圧するトランス154Hと、トランス154Hからの交流入力を直流に再変換するコンバータ156Hと、を含む。コンバータ156Hからの出力電流は、ドライバ回路130HのTTL素子132H1~132H3のそれぞれに並列に入力される。
本発明によるスイッチングモジュール100Hでは、スイッチング素子としてGaN-FET120Hを用いることにより、そのゲート電極Gに入力されるドライバ回路130Hからのゲート電流IgHを、例えば一般的なMOSFETに比べて小さくすることができる。その一例として、従来のシリコン基板を用いたMOSFETでは、入力容量Cissが大きく(約600~3000pF)、また素子を高周波帯域(例えば13.56MHz)の飽和領域で使用するために必要なゲート電圧Vgsも高くなる(例えば12V以上)ため、ドライバ回路を駆動するためのドライバ電源の供給電力も大きく(例えば10W以上)する必要があった。
これに対して、実施例1に適用されるGaN-FET120Hは、一般のMOSFETに比べて小さく(約150~300pF)、また飽和領域で使用するために必要なゲート電圧Vgsも5V以下となるため、ドライバ電源150Hの供給電圧を1~2W程度とすることができる。さらに、GaN-FETは従来のシリコン基板を用いたMOSFETよりも高速での駆動が可能とされているため、ドレイン・ソース電圧Vdsの変位電圧傾斜(dV/dt)が大きくなる(例えば100V/ns)。これにより、高速駆動する際のハイサイド側でスイッチングの誤作動が生じることがあるため、ゲート電圧を供給するドライバ電源の結合容量ができるだけ小さい方(例えば5pF以下)が望ましい。
そこで、実施例1においては、ドライバ電源150Hのトランス154Hを、図3に示すように、一対の空芯コイル155H1、155H2を有するコアレストランスとして形成する。これにより、トランス154Hのサイズを小さくして供給電力を低減するとともに、電源の結合容量を小さくすることができる。そして、その結果として、トランス電源全体の占有領域(面積)を削減することが可能となる。
次に、図1~図3に示した実施例1によるスイッチングモジュール100Hにおける、GaN-FETのスイッチング動作を説明する。
例えば、図1に示す高周波電源装置1において、スイッチングモジュール100Hあるいは100Lのいずれか一方をオンとして切り換えることにより、直流供給電源10からの入力を高周波電圧VFとして出力する。このとき、制御ユニット20は、スイッチングモジュール100H、100Lをオン駆動するための駆動信号DsHあるいはDsLを、信号線22H、22Lを介していずれか一方のモジュールに送信する。
図2に示すように、ドライバ回路130Hは、駆動信号DsHを受信している間に接続配線140Hを介してゲート電流IgHを出力する。このゲート電流IgHをゲート電極Gで受信したGaN-FET120Hはオン状態となり、入力端子Vinから入力した電力を出力端子Voutに出力する。このような動作を繰り返すことにより、ハイ側とロー側でのスイッチングモジュール100H、100Lのスイッチング動作が実行される。
図3に示すように、実施例1によるドライバ回路130Hにおいて、ドライバ電源150Hからの電圧が接続されたTTL素子132H1~132H3が並列に設けられることにより、ロジックIC回路を形成している。このとき、制御ユニット20からの駆動信号DsHは並列接続されたTTL素子132H1~132H3に入力されて、それぞれの素子からゲート電流Ig1~Ig3が出力される。これらのゲート電流Ig1~Ig3が後段側で合流してゲート電流IgHとなる。
これにより、個々のTTL素子132H1~132H3からのゲート電流Ig1~Ig3の出力レベルが小さいとしても、複数のゲート電流の合成電流として、ドライバ回路130Hから出力されるゲート電流IgHは所望のレベルとすることができる。なお、ロジックIC回路を構成する論理回路としては、AND回路、OR回路やバッファ回路等の任意の種類を適用できる。
実施例1によるスイッチングモジュール100Hの具体的な構成としては、以下のようなものを例示できる。
例えば、スイッチング周波数を13.56MHzとした場合、実施例1で例示したGaN-FET120Hのスイッチング動作に必要なゲート駆動電力はおよそ0.1W程度となる。このようなゲート駆動電力を得るためには、図3に示したTTL素子132H1~132H3を2~3個程度並列に接続すれば足りることになる。
一方、上記のとおり、GaN-FET120Hのゲート駆動電力は大きくても数W程度の大きさで済むため、ドライバ回路130Hに駆動電力を供給するドライバ電源150Hに用いられる絶縁用トランスも、例えば空芯コイル155H1、155H2を誘電率ε=1の材料を用いて、コイル直径20mm、コイル間隔1mm程度のサイズに抑制することが可能となる。これにより、空芯コイル155H1、155H2の巻線間の静電容量CtHを5pF以下に抑制することができる。
なお、空芯コイル155H1、155H2の材料として誘電率εが1より高いものを用いれば、コイル直径をさらに小さくすることが可能となる。また、図3では、空芯コイル155H1、155H2として円形のものを例示しているが、コイルの形状は多角形のものでも良く、さらに巻数比も任意に選択することができる。
上記のような構成を備えることにより、実施例1によるスイッチングモジュール100H、100Lは、GaN-FET120H、120Lのゲート電極Gにゲート電流IgH、IgLを入力するドライバ回路130H、130Lを、複数のTTL素子132H1~132H3からなるロジックIC回路が並列に接続された構成とすることにより、簡易かつ安価な構成であっても、GaN-FETによる高速スイッチングを実現できる。
<実施例2>
図4は、実施例2によるスイッチングモジュールのドライバ電源及びドライバ回路の概要を示すブロック図である。ここで、実施例2によるスイッチングモジュールにおいて、実施例1と同一あるいは同様の構成を備えるものについては、実施例1と同一の符号を付して再度の説明を省略する。
図4は、実施例2によるスイッチングモジュールのドライバ電源及びドライバ回路の概要を示すブロック図である。ここで、実施例2によるスイッチングモジュールにおいて、実施例1と同一あるいは同様の構成を備えるものについては、実施例1と同一の符号を付して再度の説明を省略する。
実施例2によるスイッチングモジュール100Hにおいて、ドライバ回路230Hは、その一例として図4に示すように、複数のCMOS素子232H1、232H2、232H3からなるロジックIC回路が並列に接続された構成を有する。なお、実施例1の場合と同様に、図4では3つのCMOS素子232H1~232H3を有する場合を例示しているが、複数を並列に接続したものであれば、ロジックIC回路の数は任意の数を採用してもよい。
実施例2によるドライバ回路230Hにおいて、ドライバ電源150Hからの電圧が接続されたCMOS素子232H1~232H3が並列に設けられることにより、ロジックIC回路を形成している。このとき、制御ユニット20からの駆動信号DsHは並列接続されたCMOS素子232H1~232H3に入力されて、それぞれの素子からゲート電流Ig1~Ig3が出力される。これらのゲート電流Ig1~Ig3が後段側で合流してゲート電流IgHとなる。
これにより、図3の場合と同様に、個々のCMOS素子232H1~232H3からのゲート電流Ig1~Ig3の出力レベルが小さいとしても、複数のゲート電流の合成電流として、ドライバ回路230Hから出力されるゲート電流IgHは所望のレベルとすることができる。このとき、一般的なCMOS素子は、同程度の出力を得るための消費電力がTTL素子よりも小さいため、この変形例によるドライバ回路230Hを用いることにより、ドライバ電源150Hの能力をより小さくすることが可能となる。
上記のような構成を備えることにより、実施例2によるスイッチングモジュール100H、100Lは、実施例1のスイッチングモジュールで得られた効果に加えて、ロジックIC回路をCOMS素子で構成することにより、ドライバ電源の構造をより簡素化できるため、結果としてスイッチングモジュール全体のサイズを小型化することが可能となる。
<実施例3>
図5、実施例3よるスイッチングモジュールのドライバ電源及びドライバ回路の概要を示すブロック図である。ここで、実施例2の場合と同様に、実施例3よるスイッチングモジュールにおいて、実施例1と同一あるいは同様の構成を備えるものについては、実施例1と同一の符号を付して再度の説明を省略する。
図5、実施例3よるスイッチングモジュールのドライバ電源及びドライバ回路の概要を示すブロック図である。ここで、実施例2の場合と同様に、実施例3よるスイッチングモジュールにおいて、実施例1と同一あるいは同様の構成を備えるものについては、実施例1と同一の符号を付して再度の説明を省略する。
実施例1において説明したとおり、GaN-FETは高速駆動する際のハイサイド側でスイッチングの誤作動が生じることがあるため、ゲート電圧を供給するドライバ電源の結合容量ができるだけ小さい方(例えば5pF以下)が望ましい。そこで、実施例3においては、ドライバ電源として、発光素子と光電変換器とを組合せた光給電デバイスを用いる。
すなわち、図5に示すように、実施例3によるスイッチングモジュール100Hにおいて、ドライバ電源350Hは、その一例として、直流電源DCからの入力により光を発する発光素子352Hと、当該発光素子352Hから発せられた光を伝送する伝送機構354Hと、伝送された光を電力に変換する光電変換器356Hと、を含む。そして、光電変換器356Hから出力される電力は、ドライバ回路130HのロジックIC回路として複数並列に接続されたTTL素子132H1~132H3にそれぞれ入力される。
発光素子352Hは、その一例として、半導体レーザ(LD)や発光ダイオード(LED)の通電時に光を発する素子で構成される。これにより、ドライバ電源350Hのさらなる小型化とともに、直流電源DCを省力化できる。なお、後述する光電変換器356Hの構成に応じて、発光素子352Hは、ランプ等の発光手段を適用してもよい。
伝送機構354Hは、例えば伝送される光が上記したレーザ光のように指向性の高い光である場合には、光路上に配置したミラー等の光学系や光ファイバ等の伝送路を適用できる。特に、伝送機構354Hを光ファイバで構成した場合、そのファイバ長さを調整することにより発光素子352Hと光電変換器356Hとの間の静電容量CtHを1pF以下に抑制した絶縁電源を構築することができる。また、光ファイバで光を伝送する方式を採用することにより、発光素子352Hをスイッチングモジュール100Hとは別体として構成できるため、モジュール全体の構成をより簡素化することが可能となる。
光電変換器356Hは、その一例として、フォトダイオードやフォトトランジスタ等の半導体素子、あるいは光電池等の入力された光エネルギを電力に変換できるものとして構成される。このとき、発光素子352Hと光電変換器356Hとの距離を近くに配置することにより、伝送機構354Hを省略して両者の間の空間を介して電力の伝送を行ってもよい。
上記のような構成を備えることにより、実施例3によるスイッチングモジュール100H、100Lは、実施例2のスイッチングモジュールで得られた効果に加えて、ドライバ電源150H、150Lを光給電デバイスとして構成することにより、ドライバ電源自体の駆動電力を小さくできるため、結果としてスイッチングモジュール全体のサイズをさらに小型化することが可能となる。また、発光素子352Hと光電変換器356Hとの距離を調整することにより、両者の間の給電容量(静電容量)を極小化できるため、GaN-FET120Hの誤作動を抑制することが可能となる。
なお、上記した各実施例における記述は、本発明に係るスイッチングモジュールの一例であって、本発明は各実施例の実施形態に限定されるものではない。また、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形を行うことが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
1 高周波電源装置
10 直流供給電源
20 制御ユニット
22H、22L 信号線
100H、100L スイッチングモジュール
110H、110L 基板
120H、120H GaN-FET
130H、130L、230H ドライバ回路
132H1、132H2、132H3 TTL素子
140H、140L 接続配線
150H、150L、350H ドライバ電源
232H1、232H2、232H3 CMOS素子
352H 発光素子
354H 伝送機構
356H 光電変換器
G ゲート電極
D ドレイン電極
S ソース電極
Rg ゲート抵抗
IgH、IgL ゲート電流
Vgs ゲート・ソース電圧
DsH、DsL 駆動信号
10 直流供給電源
20 制御ユニット
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S ソース電極
Rg ゲート抵抗
IgH、IgL ゲート電流
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DsH、DsL 駆動信号
Claims (3)
- 基板上に実装されたGaN-FETと、このGaN-FETのゲート電極にゲート抵抗を介して接続されたドライバ回路と、このドライバ回路に駆動電圧を与えるドライバ電源と、を含むスイッチングモジュールであって、
前記ドライバ回路は、複数のロジックIC回路が並列に接続された構成を有し、
前記ドライバ電源は、発光素子と、前記発光素子からの光を変換する光電変換器と、を含むことを特徴とするスイッチングモジュール。 - 前記発光素子と前記光電変換器とは、光ファイバで接続されていることを特徴とする請求項1に記載のスイッチングモジュール。
- 前記ロジックIC回路は、TTL素子又はCMOS素子からなることを特徴とする請求項1又は2に記載のスイッチングモジュール。
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