JP2024516899A

JP2024516899A - 電力変換器デバイスおよびそれを備えるシステム

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Publication number: JP2024516899A
Application number: JP2023569747A
Authority: JP
Inventors: マルティン、オルソン; アンドレアス、ノレリウス
Original assignee: Epinovatech AB
Current assignee: Epinovatech AB
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2022-05-05
Publication date: 2024-04-17
Also published as: EP4090139A1; CN117242687A; EP4338272A1; TW202245388A; WO2022238231A1; EP4090139B1; EP4090139C0

Abstract

本発明は、電力変換器デバイス（１）であって、第１のドライバ（１０２）、および対（１０３、１０４）で配置され、前記対は、並列に接続される少なくとも４つのＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）を備える第１の回路基板（１００）と、第２のドライバ（２０２）、および対（２０３、２０４）で配置され、前記対は、並列に接続される少なくとも４つのＭＯＳＦＥＴデバイス（２０１）を備える第２の回路基板（２００）とを備え、電力変換器デバイスは、２つの回路基板間に少なくとも２つの電気接続（２０）を備え、第１の回路基板は、第１の平面内に延び、第２の回路基板は、第２の平面内に延び、第１および第２の回路基板は、２つの平面が並列に延び、２つの回路基板間の電気接続が前記第１および第２の平面に実質的に垂直な方向に延びるように上下に配置され、前記少なくとも４つのＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）は、前記第１のドライバ（１０２）に等距離で電気的に接続される、電力変換器デバイス（１）に関する。本発明はさらに、そのような電力変換器デバイスを備えるシステム（２、３）、およびその使用に関する。

Description

本開示は、電力変換器デバイスに関し、特に、ＧａＮＨＥＭＴデバイスを備える電力変換器デバイスに関する。

シリコンＭＯＳＦＥＴは、ノーマリーオフデバイスであり、すなわちそれらが伝導する特定の正の閾値電圧にある。窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）デバイスは、典型的にはノーマリーオンであるが、ノーマリーオフにすることができる。ＧａＮＨＥＭＴデバイスの優れた性質は、低い伝導損失を生じさせるシリコンＭＯＳＦＥＴよりも低い値を有するそれらの低いオン抵抗、Ｒｄｓ（オン）である。ＧａＮＨＥＭＴデバイスは、典型的には、負の閾値電圧を有し、すなわちゲート電圧が０でノーマリーオンである。トランジスタがオン状態であり、電力がオンにされると、短絡が発生する可能性がある。ＧａＮＨＥＭＴデバイスは、シリコンよりも低いスイッチング損失および低い伝導損失を有するが、それらのノーマリーオン挙動のために（特にエンハンスメントモードＧａＮＨＥＭＴにしない限り）、パワーエレクトロニクス用途において短絡する傾向がある。このような短絡は、パワーエレクトロニクスにおいては壊滅的であるが、例えば低電圧でのＲＦ用途における問題は少ない。

ＧａＮデバイスは、典型的には約１００Ｈｚの作動周波数を有するシリコンＭＯＳＦＥＴと比較して、パワーエレクトロニクス用途のために１ＭＨｚなどのはるかに高い作動周波数で駆動されることができる。しかし、約６６Ｈｚを超える周波数は、電磁両立性（ＥＭＣ）の問題を引き起こす第二次高調波を導入する。これは大きなＬＣフィルタでフィルタリングされてもよいが、ＧａＮはより小さな受動構成要素でシステムサイズを減少させる可能性があるため、そのようなフィルタはかさばり、ＧａＮを使用する目的を無効にするので非実用的である。

加えて、ＧａＮＨＥＭＴのスイッチング時間はシリコンＭＯＳＦＥＴよりもはるかに速く、電磁放射を引き起こす。速いスイッチング時間、ならびに低い入力および出力静電容量が望ましい。シリコンＭＯＳＦＥＴと比較して、ＧａＮＨＥＭＴデバイスは、異なる逆電流特性（すなわち、ＩＤ対ＶＧＳグラフにおける第３象限伝導）を有する。ＧａＮＨＥＭＴがオフ状態にある間、典型的なハーフブリッジ（a half bridge）構成ではハーフブリッジの別のＧａＮＨＥＭＴがオン状態にある間に逆電流を伝導することができることが必要である。逆電流伝導は、典型的には、シリコンＭＯＳＦＥＴのボディダイオードによって処理されることができる。

さらに、ＧａＮＨＥＭＴデバイスは、典型的には、炭化ケイ素の電圧よりも低い電圧、すなわち１２００Ｖ未満に制限される。したがって、炭化ケイ素ＭＯＳＦＥＴは、高電力および高電圧用途のためのトランジスタの好ましい選択肢であった。しかし、ＡＣ－ＤＣ変換の場合、ＧａＮは炭化ケイ素よりも約３０％エネルギー効率が高いため、高パワーエレクトロニクスにおけるＧａＮの適用に関心が寄せられている。

ＧａＮトランジスタデバイスは、カスコードデバイスまたはエンハンスメントモードＨＥＭＴデバイスとしてパワーエレクトロニクスに使用され得る。カスコードは、ＨＥＭＴを駆動するシリコンＭＯＳＦＥＴと集積されたＨＥＭＴからなる。ＨＥＭＴデバイスはノーマリーオンであり、集積ＭＯＳＦＥＴは、あたかもノーマリーオフであるがノーマリーオンであるかのように挙動するようにＨＥＭＴを制御する。

これまでのところ、ＧａＮデバイスの適用は、それらが高電力用途のための有望性を示しているにもかかわらず、中電力、約４ｋＷに制限されている。より高い電力に達するために、並列ＧａＮデバイスが必要とされる可能性がある。しかし、多くのトランジスタを並列化すると、トランジスタラダー(transistor ladder)の上で電圧降下が生じる可能性がある。この電圧降下は、単一のデバイスをより多く加熱させるのに十分な大きさであるため、オン抵抗が増加し、１つまたは複数のデバイスが燃焼してエレクトロニクスの故障を引き起こす可能性がある。ＧａＮＨＥＭＴデバイスの非常に速いスイッチング時間のために、任意の２つのＧａＮＨＥＭＴデバイスは異なる量の電流を受け取る可能性があり、これはデバイスの故障につながる場合がある。これは、各個々のトランジスタが他のトランジスタと同一ではないためである。

カスコードＧａＮデバイスに対する１つの解決策は、カスコードデバイスのスイッチング速度を減速させる作動周波数においてインダクタとして挙動し、ＧａＮデバイスが並列に動作するときに適切な電流共有を確実にするフェライトの使用である。

エンハンスメントモード（ｅモード）ＧａＮＨＥＭＴデバイスを使用すると、デバイスは代わりにノーマリーオフとして動作する。ノーマリーオフ動作は、ＨＥＭＴ構造の製造中にｐＧａＮゲートコンタクトによって構成されてもよい。ｅモードＧａＮＨＥＭＴデバイスは非常に速くスイッチングしているが、ｅモードＧａＮＨＥＭＴデバイス間の不適切な電流共有は、デバイスを燃焼させる可能性がある。ｅモードＧａＮＨＥＭＴデバイスを減速させることは、シリコンおよび炭化ケイ素ＭＯＳＦＥＴと比較してＧａＮを使用する目的を無効にする。

まず、並列ＧａＮデバイスを使用することに対する代替策は、使用され得るより大きなＧａＮデバイスである。しかし、そのようなデバイスの入力電流の分布は、ソースコンタクト（source contact）のためのデバイスの可能な限り多くのコンタクト領域（contact area）を使用することに敏感になる。

その結果、既存のデバイスに関するこれらの欠点を克服する解決策が必要とされている。

米国特許出願公開第２００５／１８９５６６号明細書は、２つの回路基板と、駆動回路セクションと、整流動作を実施するダイオードとを備えるスイッチング電力供給モジュールを開示している。

米国特許出願公開第２００５／１８９５６６号明細書

本発明の目的は、本デバイスに関する上述の欠点を軽減する改善された解決策を提供することである。さらに、高いスイッチング周波数を可能にする高パワーエレクトロニクスに適した信頼性の高い電力変換器デバイスを提供することが目的である。

本発明は、添付の独立請求項によって定義され、実施形態は、添付の従属請求項、以下の説明、および図面に記載されている。

本発明の第１の態様によれば、電力変換器デバイスであって、第１のドライバ、および対で配置された少なくとも４つのＧａＮＨＥＭＴデバイスであって、各対は、ＧａＮＨＥＭＴデバイスのハーフブリッジであり、前記対は、並列に接続される少なくとも４つのＧａＮＨＥＭＴデバイスを備える第１の回路基板と、第２のドライバ、および対で配置された少なくとも４つのＭＯＳＦＥＴデバイスであって、各対は、ＭＯＳＦＥＴデバイスのハーフブリッジであり、前記対は、並列に接続される少なくとも４つのＭＯＳＦＥＴデバイスを備える第２の回路基板とを備え、電力変換器デバイスは、第１の回路基板と第２の回路基板との間に少なくとも２つの基板間電気接続を備え、第１の回路基板上のＧａＮＨＥＭＴデバイスの対のソース端子出力は、少なくとも２つの基板間電気接続を介して第２の回路基板上のＭＯＳＦＥＴデバイスの対のソース端子出力に電気的に接続され、第１の回路基板上のＧａＮＨＥＭＴデバイスの対のドレイン端子出力は、少なくとも２つの基板間電気接続を介して第２の回路基板上のＭＯＳＦＥＴデバイスの対のドレイン端子出力に電気的に接続され、第１の回路基板は、第１の平面内に延び、第２の回路基板は、第２の平面内に延び、第１および第２の回路基板は、２つの平面が並列に延び、２つの回路基板間の基板間電気接続が前記第１および第２の平面に実質的に垂直な方向に延びるように上下に配置され、前記少なくとも４つのＧａＮＨＥＭＴデバイスは、前記第１のドライバに等距離で電気的に接続される、電力変換器デバイスが提供される。

本発明者は、複数のＧａＮデバイスを使用して、いくつかのＧａＮデバイスが単一のデバイスとして挙動するより高い電力変換を達成することが有利であることを認識した。さらに、２つの回路基板が互いに上下に縦に配置され、かつＧａＮＨＥＭＴデバイスと第１のドライバとの間の等距離接続を有する対称的に構築された電力変換器デバイスを提供することによって、高い動作周波数におけるＧａＮＨＥＭＴデバイス間の動作の差による故障を回避する際の信頼性が改善される。

さらに、ＧａＮＨＥＭＴデバイスがドライバと等しい距離を共有するという本発明における利点は、ＭＯＳＦＥＴデバイスの回路基板への基板間電気接続と組み合わせて、ＧａＮＨＥＭＴデバイス間の電流共有における遅延および分散が回避され、単一の電力変換器デバイスとして挙動する２つの回路基板を提供するという点であり得る。

対の２つのＧａＮＨＥＭＴデバイスは、ＧａＮＨＥＭＴデバイスのハーフブリッジとして配置されてもよい。電力変換器デバイスは、ＡＣ電源などの電源に結合されてもよい。第１の回路基板は、電源の線間電圧出力に結合されてもよい。第２の回路基板は、電源の中性線出力に結合されてもよい。

第１および第２の回路基板は、個々のプリント回路基板であってもよい。

ＧａＮＨＥＭＴデバイスと第１のドライバとの間の等距離電気接続とは、各ＧａＮＨＥＭＴの端子から第１のドライバ上のそれぞれの接続点までの距離が等しくてもよいことを意味し得る。等しいとは、±１％の許容範囲内であることを意味し得る。

第１の回路基板は、第１のＸ－Ｙ平面内に画定された第１の平面内に延びてもよい。第２の回路基板は、第２のＸ－Ｙ平面内に画定された第２の平面内に延びてもよい。第１および第２の平面は、並列に配置される。さらに、２つの平面は、Ｚ方向に離間されてもよい。Ｚ方向は、第１および第２のＸ－Ｙ平面に対して共通であってもよい。２つの回路基板間の少なくとも２つの基板間電気接続は、２つの回路基板を電気的に接続するために前記Ｚ方向に延びることが可能である。

中性線上のＭＯＳＦＥＴと線間電圧上のＧａＮＨＥＭＴデバイスとの長距離接続は、それらの上部スイッチング速度でＧａＮＨＥＭＴデバイスを駆動することを妨げる可能性がある。これは、本発明による電力変換器デバイスにより軽減され得る。

一実施形態では、２つの回路基板間の基板間電気接続は、回路基板間の機械的支持体（mechanical supports）として提供されてもよい。機械的支持体は、回路基板がそれぞれ延びる平面に実質的に垂直に延びてもよい。機械的支持体は、一方の回路基板が他方の回路基板の上方に配置されるための支持体と、２つの回路基板間の電気接続の両方として機能してもよい。機械的支持体は、それぞれの回路基板の縁部部分に配置されてもよい。機械的支持体は、回路基板の円周に沿って対称的に配置されてもよい。２つの回路基板は、サイズが実質的に等しくてもよい。機械的支持体の長さは、２つの回路基板間の距離を設定することが可能である。機械的支持体の長さは、２つの回路基板が互いにどの程度近くに配置され得るかという物理的制限に応じて、可能な限り短く選択されてもよい。２つの回路基板の各々における機械的支持体は、対のＧａＮＨＥＭＴまたはＭＯＳＦＥＴデバイスへの電気接続が位置する点に配置されてもよく、それによって機械的支持体を介して電気接続を提供する。一実施形態では、２つの回路基板間に配置された２、４、６、８、１０、１２、１４、１６、１８、または２０個の機械的支持体があってもよい。好ましくは、回路基板の円周に沿って対称的に分布される偶数の機械的支持体が提供されてもよい。一実施形態では、２つの回路基板間の電気接続を提供する少なくとも２つの機械的支持体に加えて、２つの支持体間の電気接続を提供せず、２つの回路基板間の物理的支持体としてのみ機能する１つ、２つ、またはそれ以上の機械的支持体があってもよい。すべての提供された機械的支持体のうち、少なくとも２つ、例えば２つ、４つ、または８つの機械的支持体は、回路基板間の電気接続を提供することが可能である。すべての機械的支持体は、回路基板の円周に沿って互いに対称的に分布されてもよい。

一実施形態では、２つの回路基板間の基板間電気接続は、ねじ接続によって提供されてもよい。そのようなねじ接続は、例えば、ねじによって回路基板に取り付けられる上述のような機械的接続であってもよい。

一実施形態では、２つの回路基板間の少なくとも２つの基板間電気接続は、ＧａＮＨＥＭＴデバイスの対とＭＯＳＦＥＴデバイスの対との間に等距離電気接続を提供してもよい。電力変換器デバイスの対称性および性能をさらに改善するために、２つの回路基板間の基板間電気接続は、ＧａＮＨＥＭＴデバイスの２つの対からＭＯＳＦＥＴデバイスの２つの対への電気接続として提供されてもよく、それにより接続の長さは、ＧａＮＨＥＭＴデバイスおよびＭＯＳＦＥＴデバイスの各対について等しい。したがって、ＧａＮＨＥＭＴデバイスの第１の対からＭＯＳＦＥＴデバイスの第１の対までの接続距離は、ＧａＮＨＥＭＴデバイスの第２の対からＭＯＳＦＥＴデバイスの第２の対までの接続距離に等しくてもよい。同じことが、ＧａＮＨＥＭＴデバイスの第１の対からＭＯＳＦＥＴデバイスの第２の対、およびＧａＮＨＥＭＴデバイスの第２の対からＭＯＳＦＥＴデバイスの第１の対にも適用し得る。

一実施形態では、ＧａＮＨＥＭＴデバイスの対のいずれかにおける２つのＧａＮＨＥＭＴデバイスは、直列に配置されてもよい。同じことが、第２の回路基板におけるＭＯＳＦＥＴデバイスの対のＭＯＳＦＥＴデバイスにも適用し得る。回路基板間の基板間電気接続は、それぞれ直列に配置されたＧａＮＨＥＭＴデバイスの対の各端部から、それぞれ直列に配置されたＭＯＳＦＥＴデバイスの対の各端部まで提供されてもよい。そのような実施形態では、２つの回路基板間に少なくとも４つの基板間電気接続があってもよい。一実施形態では、すべてのそのような４つの基板間電気接続は、ＧａＮＨＥＭＴデバイスの対の端部から対応するＭＯＳＦＥＴデバイスの対の端部まで等距離にあってもよい。

一実施形態では、各対のＧａＮＨＥＭＴデバイスは、モノリシック（monolithically）に集積されてもよい。２つのＧａＮＨＥＭＴデバイスのハーフブリッジのモノリシック集積の利点は、寄生インダクタンスおよび寄生静電容量が効率的に低減され得ることであり得る。ハーフブリッジは、パワーエレクトロニクスにおけるトランジスタの共通構成である。したがって、２つのＧａＮＨＥＭＴデバイスは、多数のパワーエレクトロニクス用途に適用されるハーフブリッジとしてモノリシックに集積されることが好ましい場合がある。

一実施形態では、第１の回路基板は、ＧａＮＨＥＭＴデバイス用に構成された１つまたは複数のデカップリングコンデンサを備える。デカップリングコンデンサは、ＧａＮＨＥＭＴデバイスの２つの対と並列に接続されてもよい。一実施形態では、デカップリングコンデンサは、ＧａＮＨＥＭＴデバイスの２つの対の各々と対称的に、並列に配置されてもよい。デカップリングコンデンサの静電容量は、１０～５０ｐＦであってもよい。ＧａＮＨＥＭＴデバイスの第２の対における二次側ＧａＮＨＥＭＴデバイスがスイッチングしているとき、それらは不安定なＤＣ＋電圧を引き起こす可能性があり、これは好ましくない。デカップリングコンデンサは、ＤＣ＋電圧を安定させることが可能であり、したがってより薄い電気接続の使用を可能にし、それらがドライバによってスイッチングされるときにＧａＮＨＥＭＴデバイス間の適切な電流共有を確実にする。厚い電気接続は非実用的であり、またより高価であり得る。

一実施形態では、第１のドライバは、ＧａＮＨＥＭＴデバイスを駆動するように構成されてもよく、第１のドライバは、複数のピン（pin）を有してもよく、各ＧａＮＨＥＭＴデバイスは、前記複数のピンのうちの１つと直接電気的に接続する。ドライバは、Ｉｎｆｉｎｅｏｎ１ＥＤＦ５６７３Ｆなどのシングルチャネルガルバニック絶縁型ゲートドライバ（single-channel galvanically isolated gate driver）ＩＣであってもよい。１つのさらなる実施形態では、各ＧａＮＨＥＭＴデバイスは、複数のピンのうちの１つの上に直接配置される。第１のドライバのピンのうちの１つの上に直接各ＧａＮＨＥＭＴデバイスを配置することによって、電力変換器デバイスの信頼性は、ＧａＮＨＥＭＴデバイスの非同期動作による故障のリスクを最小限に抑えることによってさらに改善され得る。

一実施形態では、ＭＯＳＦＥＴデバイスは、第２のドライバに等距離で電気的に接続されてもよい。したがって、第１の回路基板について上述したように、第２の回路基板のＭＯＳＦＥＴデバイスは、ＧａＮＨＥＭＴデバイスと同じ理由で、第２のドライバに対して等しい距離で配置されてもよい。

一実施形態では、電力変換器デバイスは、ＧａＮＨＥＭＴデバイスの各対の２つのＧａＮＨＥＭＴデバイス間に電気的に接続されたインダクタをさらに備えてもよい。インダクタは、電力をＧａＮＨＥＭＴデバイスの対の両方に直接供給するように構成されてもよい。インダクタは、ＡＣ電源と第１の回路基板との間に配置されてもよい。

一実施形態では、インダクタは、ＧａＮＨＥＭＴデバイスの対に等距離で電気的に接続されてもよい。それによって、インダクタは、ＧａＮＨＥＭＴデバイスの２つの対の各々に対して等しい接続距離で配置され得る。それによって、ＧａＮＨＥＭＴデバイスの２つの対に供給される電力が可能な限り等しく供給され、故障を引き起こす可能性があるＧａＮＨＥＭＴデバイスの動作におけるあらゆる差を防止することが確実にされ得る。

本発明の第２の態様によれば、上記の実施形態のいずれかによる２つの電力変換器デバイスを備えるシステムが提供され、２つの電力変換器デバイスは、並列に電気的に接続される。さらに、２つの電力変換器デバイスの第１および第２のドライバの各々は、同じデジタルクロックに同期されるように構成されてもよい。一実施形態では、システムは、各ドライバに接続されたデジタルクロックを備えてもよい。

一実施形態では、システムは、上記の実施形態のいずれかによる３つまたは６つの電力変換器デバイスを備えてもよい。電力変換器デバイスは、三相主供給源(three-phase main supply)の三相用に配置および構成されてもよい。

本発明の第３の態様によれば、電気自動車を充電するための、上記の実施形態のいずれかによる電力変換器デバイスまたはシステムの使用が提供される。本発明の電力変換器またはシステムの信頼性および機能性は、電気自動車の充電に適し得る。既知の充電器と比較してそのような充電器の性能は、高速動作ＧａＮＨＥＭＴデバイスの信頼性の高い動作のために改善され得る。

本発明は、包含された図面を参照して以下により詳細に説明される。

電力変換器デバイスの回路のブロック図である。電力変換器デバイスの斜視図である。電力変換器デバイスの２つの回路基板の概略上面図である。電力変換器デバイスの２つの回路基板の概略上面図である。システムの回路のブロック図である。三相電力変換のためのシステムの回路のブロック図である。

本発明は、本発明の好ましい実施形態が示されている付随する図面を参照して、以下でより十分に説明される。しかし、本発明は、多くの異なる形態で具体化されてもよく、本明細書に記載の実施形態に制限されると解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全であり、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。図面において、同様の番号は、同様の要素を指す。

図１は、第１の回路基板１００および第２の回路基板２００を備える電力変換器デバイス１のブロック図を示している。電力変換器デバイス１は、ＡＣ電源１０に接続される。第１の回路基板１００は、電源１０の線間電圧出力Ｌに接続され、第２の回路基板２００は、電源１０の中性線出力Ｎに接続される。

第１の回路基板１００は、第１のドライバ１０２と、ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１の第１の対１０３と、ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１の第２の対１０４とを備える。第１の対１０３および第２の対１０４は、並列に接続される。各対１０３、１０４は、２つのＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１を備える。各対１０３、１０４における２つのＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１は、直列に接続される。ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１の各対１０３、１０４は、インダクタ１０５を介して電源１０の線間電圧出力Ｌに結合される。インダクタ１０５は、直列に接続された２つのＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１間のＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１の対１０３、１０４に接続される。

各ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１は、第１のドライバ１０２に接続される。各ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１は、そのゲート端子が第１のドライバ１０２に接続される。４つのＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１は、第１のドライバ１０２に等距離で接続される。ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１の各対１０３、１０４内において、２つのＧａＮＨＥＭＴデバイスの一方のソース端子は、２つのＧａＮＨＥＭＴデバイスの他方のドレイン端子に接続される。それによって、各対１０３、１０４からの出力端子は、一方のソース端子、一方のドレイン端子、および２つのゲート端子である。

第１のドライバ１０２は、ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１を駆動するように構成され、ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１は、第１のドライバ１０２のピンに電気的に接続される。好ましい実施形態では、第１のドライバに等距離で接続されたＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１は、ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１が第１のドライバのピン上に直接配置されるか、または第１のドライバ１０２のピンに実質的に当接するように提供される。これは、第１のドライバ１０２に近いＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１の等しい近接性がＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１の等しい電流共有を確実にするため、有利である。

第２の回路基板２００は、第２のドライバ２０２と、ＭＯＳＦＥＴデバイス２０１の第１の対２０３と、ＭＯＳＦＥＴデバイス２０１の第２の対２０４とを備える。第１の対２０３および第２の対２０４は、並列に接続される。各対２０３、２０４は、２つのＭＯＳＦＥＴデバイス２０１を備える。各対２０３、２０４における２つのＭＯＳＦＥＴデバイス２０１は、直列に接続される。ＭＯＳＦＥＴデバイス２０１の各対２０３、２０４は、電源１０の中性線出力Ｎに結合される。

各ＭＯＳＦＥＴデバイス２０１は、第２のドライバ２０２に接続される。各ＭＯＳＦＥＴデバイス２０１は、そのゲート端子が第２のドライバ２０２に接続される。４つのＭＯＳＦＥＴデバイス２０１は、第２のドライバ２０２に等距離で接続される。ＭＯＳＦＥＴデバイス２０１の各対２０３、２０４内において、２つのＭＯＳＦＥＴデバイスの一方のソース端子は、２つのＭＯＳＦＥＴデバイスの他方のドレイン端子に接続される。それによって、各対２０３、２０４からの出力端子は、一方のソース端子、一方のドレイン端子、および２つのゲート端子である。

ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１は、電源１０からの線間電圧に対して並列な対１０３、１０４で配置され、低速スイッチング（シリコン）ＭＯＳＦＥＴデバイス２０１は、電源１０からの中性線上に配置される。ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１のソースおよびドレインは、それらを第２の回路基板２００上のＭＯＳＦＥＴデバイス２０１のソースおよびドレインに電気的に接続するために、第１および第２の回路基板１００、２００間に交互のＤＣ＋およびＤＣ－接続で配置されることが好ましい。

これは、第１および第２の回路基板１００、２００間の基板間電気接続２０によって提供される。ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１の２つの対１０３、１０４のソース端子出力は、２つの回路基板１００、２００間の基板間電気接続２０を介して第２の回路基板２００上のＭＯＳＦＥＴデバイス２０１の２つの対２０３、２０４のソース端子出力に電気的に接続される。同様に、ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１の２つの対１０３、１０４のドレイン端子出力は、２つの回路基板１００、２００間の基板間電気接続２０を介して第２の回路基板２００上のＭＯＳＦＥＴデバイス２０１の２つの対２０３、２０４のドレイン端子出力に電気的に接続される。

第１の回路基板１００上のＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１の２つの対１０３、１０４と並列に、デカップリングコンデンサ１０６が配置される。第２の回路基板２００上のＭＯＳＦＥＴデバイス１０１の２つの対２０３、２０４と並列に、デカップリングコンデンサ２０６が配置される。

図２は、第２の回路基板２００の上に配置された第１の回路基板１００を概略的に示しており、２つの回路基板１００、２００間の機械的接続としても提供された４つの基板間電気接続２０を有する。第１の回路基板１００は、第１の平面Ｘ１－Ｙ１内に延びる。第２の回路基板２００は、第２の平面Ｘ２－Ｙ２内に延びる。基板間電気接続２０は、少なくとも部分的に、第１の平面Ｘ１－Ｙ１と第２の平面Ｘ２－Ｙ２との間をＺ方向に延びる。Ｚ方向は、両方の平面Ｘ１－Ｙ１、Ｘ２－Ｙ２に垂直である。このような配置により、構成要素間の電気接続に関して、２つの回路基板１００、２００間で対称性が達成され得る。

図３は、本発明の一実施形態による第１および第２の回路基板１００、２００のレイアウト例を示している。第１の回路基板１００上において、ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１は、各ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１のゲート端子と第１のドライバ１０２のピンとの間に第１の内部の第１の基板電気接続（first intra first board electrical connection）１１１を有して配置される。これらの４つの第１の内部の第１の基板電気接続１１１は、等距離にある。したがって、それらは、４つのＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１のゲート端子と第１のドライバ１０２との間に等しい距離を提供する。さらに、各ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１は、２つの回路基板１００、２００間の基板間電気接続２０への第２の内部の第１の基板電気接続（second intra first board electrical connection）１１２を有する。各ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１と基板間電気接続２０との間の第２の内部の第１の基板電気接続１１２は、等距離にある。したがって、第２の内部の第１の基板電気接続１１２は、すべてのＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１に対して、回路基板１００、２００間の基板間電気接続２０まで等しい距離を提供する。

第２の回路基板２００上において、ＭＯＳＦＥＴデバイス２０１は、各ＭＯＳＦＥＴデバイス２０１のゲート端子と第２のドライバ２０２のピンとの間に第１の内部の第２の基板電気接続（first intra second board electrical connection）２１１を有して配置される。これらの４つの第１の内部の第２の基板電気接続２１１は、等距離にある。したがって、それらは、４つのＭＯＳＦＥＴデバイス１０１のゲート端子と第２のドライバ２０２との間に等しい距離を提供する。さらに、各ＭＯＳＦＥＴデバイス２０１は、２つの回路基板１００、２００間の基板間電気接続２０への第２の内部の第２の基板電気接続（second intra second board electrical connection）２１２を有する。各ＭＯＳＦＥＴデバイス２０１と基板間電気接続２０との間の第２の内部の第２の基板電気接続２１２は、等距離にある。したがって、第２の内部の第２の基板電気接続２１２は、すべてのＭＯＳＦＥＴデバイス２０１に対して、回路基板１００、２００間の基板間電気接続２０まで等しい距離を提供する。

図４は、本発明の一実施形態による第１および第２の回路基板１００、２００の別のレイアウト例を示している。第１の回路基板１００において、ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１は、第１のドライバ１０２のピン上に直接配置される。それによって、ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１と第１のドライバ１０２との間の第１の内部の第１の基板電気接続は、効果的に等距離にされると同時に、構成要素間の接続安定性をさらに改善するために短縮される。さらに、各対１０３、１０４の２つのＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１は、一体的に形成される。それらは、モノリシックに集積されてもよい。それによって、対１０３、１０４の２つのＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１は、第１のドライバ１０２のそれぞれのピン上に直接互いに一体的に形成される。各ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１間の第２の内部の第１の基板電気接続１１２および回路基板１００、２００間の基板間電気接続２０は、等距離のままである。

第２の回路基板２００において、ＭＯＳＦＥＴデバイス２０１は、第２のドライバ２０２のピン上に直接配置される。それによって、ＭＯＳＦＥＴデバイス２０１と第２のドライバ２０２との間の第１の内部の第２の基板電気接続は、効果的に等距離にされると同時に、構成要素間の接続安定性をさらに改善するために短縮される。さらに、各対２０３、２０４の２つのＭＯＳＦＥＴデバイス２０１は、一体的に形成される。それらは、モノリシックに集積されてもよい。それによって、対２０３、２０４の２つのＭＯＳＦＥＴデバイス２０１は、第２のドライバ２０２のそれぞれのピン上に直接互いに一体的に形成される。各ＭＯＳＦＥＴデバイス２０１間の第２の内部の第２の基板電気接続２１２および回路基板１００、２００間の基板間電気接続２０は、等距離のままである。

図５は、本発明の一実施形態によるシステム２を示しており、システムは、並列に接続された２つの電力変換器デバイス１ａ、１ｂを備える。システム２は、線間電圧出力Ｌおよび中性線出力Ｎを提供する電源１０を備える。線間電圧出力Ｌは、電力変換器デバイス１ａ、１ｂの各々の第１の回路基板１００ａ、１００ｂに供給される。中性線出力Ｎは、電力変換器デバイス１ａ、１ｂの各々の第２の回路基板２００ａ、２００ｂに供給される。

システム２の各電力変換器デバイス１ａ～ｂは、ＭＯＳＦＥＴデバイス２０１を有する第２の回路基板２００ａ～ｂの上または下にＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１を有する第１の回路基板１００ａ～ｂを有し、かつ各ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１とそれぞれの第１のドライバ１０２との間の等距離電気接続を有するように配置され得る。

図６は、本発明の一実施形態によるシステム３を示しており、システム３は、６つの電力変換器デバイス１ａ～ｆを備える三相ＡＣ－ＤＣ変換器として提供される。システム３は、三相ＡＣ入力を提供する電源１２を有する。第１の相は、並列に配置されている２つの電力変換器デバイス１ａ、１ｂに供給される。第２の相は、並列に配置されている２つの電力変換器デバイス１ｃ、１ｄに供給される。第３の相は、並列に配置された２つの電力変換器デバイス１ｅ、１ｆに供給される。システムは、充電ステーションの高電力高速充電器または電気自動車用の車載充電器のＡＣ－ＤＣ変換器として使用されてもよい。

システム３の各電力変換器デバイス１ａ～ｆは、ＭＯＳＦＥＴデバイス２０１を有する第２の回路基板２００の上または下にＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１を有する第１の回路基板１００を有し、かつ各ＧａＮＨＥＭＴデバイス１０１とそれぞれの第１のドライバ１０２との間の等距離電気接続を有するように配置され得る。

図面および明細書では、本発明の好ましい実施形態および例が開示されており、特定の用語が用いられているが、それらは一般的かつ説明的な意味でのみ使用され、制限の目的では使用されず、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲に記載される。

Claims

電力変換器デバイス（１）であって、
第１のドライバ（１０２）、および
対（１０３、１０４）で配置された少なくとも４つのＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）であって、各対（１０３、１０４）は、ＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）のハーフブリッジ（a half bridge）であり、前記対は、並列に接続される少なくとも４つのＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）
を備える第１の回路基板（１００）と、
第２のドライバ（２０２）、および
対（２０３、２０４）で配置された少なくとも４つのＭＯＳＦＥＴデバイス（２０１）であって、各対（２０３、２０４）は、ＭＯＳＦＥＴデバイス（２０１）のハーフブリッジであり、前記対は、並列に接続される少なくとも４つのＭＯＳＦＥＴデバイス（２０１）
を備える第２の回路基板（２００）と
を備え、
前記電力変換器デバイス（１）は、前記第１の回路基板（１００）と前記第２の回路基板（２００）との間に少なくとも２つの基板間電気接続（２０）を備え、前記第１の回路基板（１００）上の前記ＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）の対（１０３、１０４）のソース端子出力は、前記少なくとも２つの基板間電気接続（２０）を介して前記第２の回路基板（２００）上の前記ＭＯＳＦＥＴデバイス（２０１）の対（２０３、２０４）のソース端子出力に電気的に接続され、前記第１の回路基板（１００）上の前記ＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）の対（１０３、１０４）のドレイン端子出力は、前記少なくとも２つの基板間電気接続（２０）を介して前記第２の回路基板（２００）上の前記ＭＯＳＦＥＴデバイス（２０１）の対（２０３、２０４）のドレイン端子出力に電気的に接続され、
前記第１の回路基板は、第１の平面（Ｘ１－Ｙ１）内に延び、前記第２の回路基板は、第２の平面（Ｘ２－Ｙ２）内に延び、前記第１および第２の回路基板は、前記２つの平面が並列に延び、前記２つの回路基板間の前記基板間電気接続（２０）が前記第１および第２の平面に実質的に垂直な方向（Ｚ）に延びるように上下に配置され、
前記少なくとも４つのＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）は、前記第１のドライバ（１０２）に等距離で電気的に接続される、
電力変換器デバイス（１）。
前記２つの回路基板（１００、２００）間の前記基板間電気接続（２０）は、前記２つの回路基板間の機械的支持体（mechanical supports）として提供される、請求項１に記載の電力変換器デバイス（１）。
前記２つの回路基板（１００、２００）間の前記基板間電気接続（２０）は、ねじ接続によって提供される、請求項１または２に記載の電力変換器デバイス（１）。
前記２つの回路基板（１００、２００）間の前記少なくとも２つの基板間電気接続（２０）は、前記ＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）の対（１０３、１０４）と前記ＭＯＳＦＥＴデバイス（２０１）の対（２０３、２０４）との間に等距離電気接続を提供する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換器デバイス（１）。
前記各対（１０３、１０４）のＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）は、モノリシックに（monolithically）集積される、請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換器デバイス（１）。
前記第１の回路基板（１００）は、前記ＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）用に構成されたデカップリングコンデンサ（１０６）を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の電力変換器デバイス（１）。
前記デカップリングコンデンサ（１０６）は、前記ＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）の対（１０３、１０４）の各々と対称的に並列接続される、請求項６に記載の電力変換器デバイス（１）。
前記第１のドライバ（１０２）は、前記ＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）を駆動するように構成され、前記第１のドライバは、複数のピン（pin）を有し、各ＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）は、前記複数のピンのうちの１つと直接接続する、請求項１から７のいずれか一項に記載の電力変換器デバイス（１）。
各ＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）は、前記複数のピンのうちの１つの上に直接配置される、請求項８に記載の電力変換器デバイス（１）。
前記ＭＯＳＦＥＴデバイス（２０１）は、前記第２のドライバ（２０２）に等距離で電気的に接続される、請求項１から９のいずれか一項に記載の電力変換器デバイス（１）。
前記少なくとも４つのＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）の共通ノードと電源（１０）との間に電気的に接続された少なくとも１つのインダクタ（１０５）をさらに備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電力変換器デバイス（１）。
前記インダクタ（１０５）は、前記ＧａＮＨＥＭＴデバイス（１０１）の対（１０３、１０４）に等距離で電気的に接続される、請求項１１に記載の電力変換器デバイス（１）。
前記２つの電力変換器デバイス（１ａ、１ｂ）は、並列に電気的に接続され、前記第１および前記第２のドライバ（１０２、２０２）の各々は、同じデジタルクロックに同期されるように構成される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の２つの電力変換器デバイス（１）を備える、システム（２）。
請求項１から１２のいずれか一項に記載の３つまたは６つの電力変換器デバイス（１ａ～ｆ）を備え、前記電力変換器デバイスは、三相主供給源(three-phase main supply)（１２）の三相用に構成される、請求項１３に記載のシステム（３）。
電気自動車を充電するための、請求項１から１４のいずれか一項に記載の電力変換器デバイス（１）またはシステム（２、３）の使用。