TW201414164A - 用於電力轉換電路之裝置與部件 - Google Patents

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Abstract

一種包含切換裝置與電感元件的電路，切換裝置包含控制端點及第一與第二電力端點，且電感元件具有電性連接至切換裝置第二電力端點的第一端點。電子電路經配置而使得在第一操作模式中，切換裝置的控制端點被偏壓為關閉，電流流動通過電感元件，且切換裝置阻擋第一電壓。在第二操作模式中，切換裝置的控制端點被偏壓為關閉，且切換裝置所阻擋的電壓從第一電壓下降至第二電壓。在第三操作模式中，切換裝置的控制端點被偏壓為開啟，且流動通過電感元件之電流流動通過切換裝置。

Description

用於電力轉換電路之裝置與部件
本發明相關於電力轉換電路，諸如升壓模式電力轉換與電力因數校正電路。
諸如升壓模式電力轉換、電力因數校正、以及橋接電路的電力轉換電路，被常見地使用在各種應用中。在這些應用中作為開關的電晶體裝置，在被偏壓於關閉(OFF)狀態時，需要能夠阻擋至少如電路高電壓(HV)一般大的電壓。換言之，在電晶體之任意者的閘極對源極電壓VGS小於電晶體臨限電壓Vth時，在汲極對源極電壓VDS(亦即汲極相對於源極的電壓)位於0V與HV之間時，實質上沒有電流流動通過電晶體。在偏壓於開啟(ON)狀態中時(亦即VGS大於電晶體臨限電壓)，電晶體傳導負載電流，且因此需要能夠對使用電路的應用傳導足夠高的電流。
在本文中使用的用詞「阻擋電壓」，代表電晶體、裝置、或部件位於在電晶體、裝置、或部件上施加電壓時，防止顯著的電流(諸如大於在正規開啟狀態導通期間之平均操作電流的0.001倍的電流)流動通過電晶體、裝置、或部件 的狀態。換言之，在電晶體、裝置、或部件正阻擋施加於電晶體、裝置、或部件上的電壓的同時，傳輸通過電晶體、裝置、或部件的總和電流將不會大於在正規開啟狀態導通期間之平均操作電流的0.001倍。
在具有超過90%之效率的電力轉換電路為相當常見的同時，需要改良電晶體裝置、電路拓樸、及/或電力電路作業方法，以進一步提昇這些電路的效率。
在第一態樣中說明了電子電路。電路包含切換裝置以及電感元件，該切換裝置包含控制端點以及第一與第二電力端點，該電感元件具有第一端點，該第一端點電性連接至該切換裝置的該第二電力端點。該電子電路經配置而使得在第一操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為關閉，電流流動通過該電感元件，且該切換裝置阻擋第一電壓。在第二操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為關閉，且該切換裝置所阻擋的電壓從該第一電壓下降至第二電壓。在第三操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為開啟，且流動通過該電感元件之該電流流動通過該切換裝置。此外，該切換裝置經配置而使得，該切換裝置在該第一電力端點與該第二電力端點處的電壓實質上相同時的輸出電容值，小於該切換裝置在該裝置阻擋至少600伏特(V)時的該輸出電容值的100倍。
在第二態樣中說明了另一種電子電路。電路包含切換裝置以及電感元件，該切換裝置包含控制端點以及第一與 第二電力端點，該電感元件具有第一端點，該第一端點電性連接至該切換裝置的該第二電力端點。該電子電路經配置而使得在第一操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為關閉，電流流動通過該電感元件，且該切換裝置阻擋第一電壓。在第二操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為關閉，且該切換裝置所阻擋的電壓從該第一電壓下降至第二電壓。在第三操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為開啟，且流動通過該電感元件之該電流流動通過該切換裝置。再者，該切換裝置包含電晶體，該電晶體包含傳導通道且缺少任何在該傳導通道的路徑中的內部p-n接面。
在第三態樣中又說明另一種電子電路。電路包含切換裝置以及電感元件，該切換裝置包含控制端點以及第一與第二電力端點，該電感元件具有第一端點，該第一端點電性連接至該切換裝置的該第二電力端點。該電子電路經配置而使得在第一操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為關閉，電流流動通過該電感元件，且該切換裝置阻擋第一電壓。在第二操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為關閉，且該切換裝置所阻擋的電壓從該第一電壓下降至第二電壓。在第三操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為開啟，且流動通過該電感元件之該電流流動通過該切換裝置。再者，該切換裝置包含電晶體，該電晶體具有半導體材料層、源極、閘極與汲極，其中該源極、該閘極與該汲極之每一者皆位於該半導體材料層的第一側上。
在第四態樣中說明一種升壓模式電力轉換電路。電 路包含切換裝置以及電感元件，該切換裝置包含控制端點以及第一與第二電力端點，該電感元件具有第一端點，該第一端點電性連接至該切換裝置的該第二電力端點。該電力轉換電路經配置而使得在操作中，該切換裝置的該控制端點的電壓係由脈衝寬度調變(PWM)電壓供應來控制，該脈衝寬度調變電壓操作在一頻率處。在該電力轉換電路的第一操作模式期間內，該切換裝置的該控制端點被偏壓為關閉，且該切換裝置阻擋第一電壓，該第一電壓大於電路輸入電壓。在該電力轉換電路的第二操作模式期間內，該切換裝置的該控制端點被偏壓為開啟，且流動通過該電感元件之該電流流動通過該切換裝置。此外，該電路輸入電壓為230V或更少，且該電路的輸出電壓至少為400V，該脈衝寬度調變電壓供應的該頻率為大於500kHz，且該電力轉換電路的效率至少為99%。
在第五態樣中說明一種操作電子電路的方法。該電子電路包含切換裝置與電感元件，該切換裝置包含控制端點以及第一與第二電力端點，且該電感元件具有第一端點，該第一端點電性連接至該切換裝置的該第二電力端點。該方法包含以下步驟。在第一時間期間內，將該切換裝置的該控制端點偏壓為關閉，使該切換裝置阻擋第一電壓，該第一電壓至少為300V，其中在該第一時間期間內電流流動通過該電感元件。在第二時間期間內，將該切換裝置的該控制端點偏壓為關閉，同時該切換裝置所阻擋的電壓從該第一電壓下降至第二電壓，該第二電壓為小於200V。在跨該切換裝置的電壓等於該第二電壓時，將該切換裝置的該控制端點切換為開 啟，使流動通過該電感元件的該電流亦流動通過該切換裝置。再者，該切換裝置經配置而使得在該切換裝置阻擋75V時，該切換裝置的輸出電容中的儲存能量乘上該切換裝置在25℃之溫度下的導通電阻係小於0.18微焦耳*歐姆。
本文所說明的電路與方法，可包含下列特徵之一或更多者。該切換裝置可包含三族氮化物(III-Nitride)電晶體。該三族氮化物電晶體可為空乏模式電晶體，且該切換裝置進一步包含增強模式電晶體，該增強模式電晶體具有較該三族氮化物電晶體為低的崩潰電壓，且該三族氮化物電晶體的源極電極電性連接至該增強模式電晶體的汲極電極。該切換裝置可包含電晶體，該電晶體包含傳導通道且缺少任何在該傳導通道的路徑中的內部p-n接面。該電晶體可不具有p型半導體材料。該切換裝置可經配置而使得在該切換裝置阻擋75V時，該切換裝置的儲存輸出電容能量乘上該切換裝置在25℃之溫度下的導通電阻係小於0.18微焦耳*歐姆。該第一電壓可為實質上固定。該第一電壓可為400V或更大，且該第二電壓可小於100V。該電路可為電力轉換電路。該切換裝置可經配置為具有至少600V的崩潰電壓。該電路可經配置而使得在操作中時，在控制端點被偏壓為關閉時跨該切換裝置的電壓小於200V。該半導體材料層可包含三族氮化物通道層與三族氮化物阻隔層，其中該三族氮化物通道層與該三族氮化物阻隔層之間的成分差異使得傳導通道被引發於該三族氮化物通道層中。
說明了高效率的電力電路以及操作此種電路的方 法。下文的附加圖式與說明揭示了本發明之一或更多種實施例的細節。本發明的其他特徵與優點在閱讀說明與圖式以及申請專利範圍之後將為顯然。
11‧‧‧整流裝置
12‧‧‧切換裝置
13‧‧‧電感元件
14‧‧‧電容元件
15‧‧‧輸入電流
21‧‧‧輸入節點
22‧‧‧輸出端點
23‧‧‧節點
24‧‧‧電力端點
25‧‧‧電力端點
26‧‧‧切換裝置
27‧‧‧地
40‧‧‧基板
41‧‧‧III-N通道層
42‧‧‧III-N阻隔層
43‧‧‧閘極絕緣層
44‧‧‧蝕刻停止層
45‧‧‧電極定義層
46‧‧‧傳導通道
51‧‧‧源極歐姆接觸
52‧‧‧汲極歐姆接觸
53‧‧‧電晶體閘極
54‧‧‧場極板
55‧‧‧側壁
56‧‧‧非正交角度
57‧‧‧半導體材料結構
58‧‧‧絕緣材料結構
59‧‧‧電極
61‧‧‧源極側存取區域
62‧‧‧汲極側存取區域
63‧‧‧閘極區域
71‧‧‧對於包含III-N電晶體電路之曲線
72‧‧‧對於包含CoolMOS電晶體電路之曲線
73‧‧‧PWM頻率
第1圖圖示說明升壓模式電力轉換電路的電路圖。
第2A圖至第2B圖圖示說明操作第1圖電路的方法。
第3A圖至第3C圖圖示說明操作第1圖電路的另一種方法。
第4圖圖示說明在第3A圖至第3C圖圖示說明之操作方法內，切換裝置的節點處的電壓。
第5圖為電子部件的電路圖，該電子部件經配置以作為第1圖電路中的切換裝置。
第6圖為半導體電晶體的截面圖。
第7圖為電力轉換電路之效率與PWM頻率對輸出功率的示圖。
第8A圖至第8B圖分別為半導體裝置的輸出電容值與儲存能量的示圖(為對電壓之函數)。
第9A圖至第9B圖分別為另一半導體裝置的輸出電容值與儲存能量的示圖(為對電壓之函數)。
在各種圖式中，類似的元件符號代表類似的元件。
本文說明具有提昇的效能以及極度高的效率的電子電路(例如電力轉換電路)，與操作電子電路的方法。電路利用高壓電晶體，高壓電晶體具有降低的低電壓輸出電容 值，相較於習知高電壓切換裝置。再者，電路被操作於軟式切換(soft-switching)模式中，軟式切換模式使電晶體被在接近零電壓或低電壓狀態下被切換關閉，此減少了電路中的電磁干擾(EMI)。因此，在電晶體被切換關閉時，被切換的等效電容值為低電壓輸出電容值。利用具有較低的低電壓輸出電容值的電晶體，降低了切換損耗且得到較高的效率。
第1圖為示例性升壓模式電力轉換器(亦即升壓轉換器)電路的電路圖，升壓模式電力轉換器在輸入處(節點21)取得電壓Vin(例如固定的直流電壓)，並在輸出處(節點22)輸出電壓Vout(例如固定的直流電壓)，其中Vout大於Vin。電路包含電感元件13(例如電感器)、切換裝置12、整流裝置11(例如二極體)、以及電容元件14(例如電容器)。電感元件13的一個端點電性連接至輸入節點12，且電感元件13的相對端點電性連接至節點23。整流裝置11的一個端點(例如陽極)電性連接至節點23，且整流裝置11的相對端點(例如陰極)電性連接至輸出節點22。電容元件14的一個端點電性連接至輸出節點22，且電容元件14的相對端點電性連接至地27。切換裝置14的一個端點25電性連接至節點23，且切換裝置14的相對端點24電性連接至地27。
如本文所使用的，兩個或更多個接點或其他物件(諸如傳導層或部件)在被材料連接時(材料的傳導性足以確保不論偏壓狀態，接點或其他物件之每一者處的電位實質上相同或約為相同)，被稱為被「電性連接」。
切換裝置12包含電力端點24與25、以及控制端點 26。在一些實施例中，切換裝置12為單一電晶體，諸如三族氮化物(III-Nitride)高電子移動率電晶體(HEMT)，同時在其他實施例中切換裝置12為以疊接(cascode)配置結合高電壓空乏模式電晶體與低電壓增強模式電晶體的電子部件(實質上操作如同單一高電壓增強模式電晶體)，如下詳述。 在切換裝置12被實施為單一電晶體時，控制端點26為閘極端點，且端點24與25分別為源極端點與汲極端點。雖然切換裝置26可為空乏模式裝置(常開，臨限電壓Vth<0)，但裝置通常為增強模式裝置(常閉，臨限電壓Vth>0)，以防止意外的開啟(此可造成對裝置或其他電路部件的傷害)。控制端點26處的電壓(通常由脈衝寬度調變(PWM)電壓控制源來控制或提供)，決定輸入電流流動通過整流裝置11至輸出端點22或被重導向通過切換裝置12。
第2A圖與第2B圖圖示說明操作第1圖電路的第一種方法。參考第2A圖，在第一作業模式期間，切換裝置12的控制端點26被相對於端點24偏壓在小於裝置臨限電壓的電壓處(亦即，切換裝置12的控制端點26被偏壓為關閉)，且流動通過電感元件13的輸入電流15流動通過整流裝置11並對電容元件14充電。在此作業模式中，節點23處的電壓稍微高於(通常約高於1V)節點22處的輸出電壓Vout，且因此切換裝置12阻擋稍微高於Vout的電壓。在此模式期間，輸入電流15通常約以線性速率下降。參考第2B圖，在另一作業模式期間，切換裝置12的控制端點26被相對於端點24偏壓在大於裝置臨限電壓的電壓處(亦即，切換裝置12的控制 端點26被偏壓為開啟)，且流動通過電感元件13的輸入電流15流動通過切換裝置12。在此作業模式中，節點23處的電壓接近地(通常僅高於DC地數伏特)，且整流裝置11阻擋接近Vout的電壓。在此模式期間，輸入電流15通常約以線性速率提昇。
在第2A圖與第2B圖圖示說明的作業方法中，在裝置於第一作業模式中時切換裝置12被從關閉切換至開啟(亦即在裝置12正阻擋電壓的同時，切換裝置12被切換為開啟)，且在裝置於第二作業模式中時切換裝置被從開啟切換至關閉(亦即在裝置12正傳導相當高的電流的同時，切換裝置12被切換為關閉)。此作業方法常見地被稱為「硬式切換」，且在這些情況下被切換的切換裝置被稱為「被硬式切換」。
使用額外被動式及/或主動式部件的替代性電路配置，或操作第1圖電路的替代性方法，允許電晶體被「軟式切換」。在軟式切換電路配置中，切換電晶體經配置為在零電流(或低電流)狀態期間內切換為開啟，及/或在零電壓(或低電壓)狀態期間內切換為關閉。軟式切換方法與配置已被發展為處理在硬式切換電路中觀察到的高水平電磁干擾(EMI)與相關聯的振鈴效應(ringing)(特別是在高電流及/或高電壓應用中)。在一些情況中，軟式切換可允許以高出許多的頻率切換電路(相較於硬式切換電路)，而不引發無法接收的高水平EMI，此可產生較低的切換損耗且因此得到較高的效率。
第3A圖至第3C圖圖示說明利用軟式切換技術操作 第1圖電路的第二方法。在此第二方法中，電路操作於第3A圖圖示說明的模式中，接續第3B圖圖示說明的模式，接續第3C圖圖示說明的模式，且隨後切換回第3A圖圖示說明的模式，且方法自此開始重複進行。第3A圖圖示說明的操作模式相同於第2A圖圖示說明的操作模式，其中切換裝置12的控制端點26偏壓為關閉，且輸入電流15隨時間下降。然而，不像第2圖的方法，在高電流15流動通過感應元件13的同時，切換裝置12的控制端點26未被切換為開啟。相反的，切換裝置12的控制端點26保持為關閉，直到輸入電流15降至接近零，在此時電路開始操作於第3B圖圖示說明的操作模式中。
參照第3B圖，一旦電流15降至接近零，整流裝置11轉變為關閉，且節點23處的電壓開始下降。在此時，切換裝置12的輸出電容與電感元件13形成L-C電路配置，且輸入電流15以及節點23處的電壓開始約如弦波般震盪(具有由電路中的電阻所產生的衰減中的振幅)。例如，在Vout約為400V的情況中，隨著切換裝置12的輸出電容充電(或放電)，節點23處的電壓開始下降，且電流15亦約如弦波般震盪。在此操作模式期間內，最大電流水平大大地少於在第3A圖操作模式期間內的平均(或峰值)電流。例如，在第3A圖圖示說明的操作模式期間內，平均(或峰值)輸入電流可為位於約1A與5A之間，儘管在第3B圖圖示說明的操作模式期間內最大電流可約為100mA或更少。
在節點23處的電壓到達最小值時(最小值理想上將 約為零伏特，但通常會較大(例如在Vout約為400V時，節點23處的電壓的最小值在這些震盪期間內可為位於50V與100V之間))，切換裝置12的控制端點26被切換為開啟，且電路切換入第3C圖圖示說明的操作模式中，第3C圖圖示說明的操作模式與第2B圖說明的操作模式相同。因此，切換裝置12被在低電壓條件下切換為開啟，此產生要低得多的EMI，相較於在整體輸出電壓Vout被切換裝置12阻擋的同時切換裝置12為開啟。
第4圖圖示節點23處的電壓(縱軸)對時間(橫軸)的測量圖，對於如參照第3A圖至第3C圖所說明般操作之第1圖的電路，其中在第3A、3B、3C圖的模式之每一者中的操作被指示於圖示中。如所見，Vout約為400V，且因此在第3A圖模式操作期間內，節點23處的電壓約為400V。一旦電流下降至接近零，隨著電路操作於第3B圖模式，節點23處的電壓開始下降。於在節點23處的電壓下降至50V與100V之間時(通常約75V)，切換裝置12被切換為開啟，且在節點23處的電壓下降至接近零。在切換裝置12被保持在開啟狀態中的全體期間內，節點23處的電壓被維持在接近0V的一值，且一旦切換裝置12被再次切換為關閉則提昇回約400V。
如第5圖電路示意圖所圖示說明，可利用混合增強模式裝置35以作為第1圖電路中的切換裝置12。混合裝置35包含以疊接配置連接的低電壓增強模式電晶體31(例如以矽為基礎的場效電晶體(FET))與高電壓空乏模式電晶體33(例如三族氮化物高電子移動率電晶體(亦即III-N HEMT))。如第5圖圖示說明，高電壓空乏模式電晶體33的源極被電性連接至低電壓增強模式電晶體31的汲極，且高電壓空乏模式電晶體33的閘極被電性連接至低電壓增強模式電晶體31的源極。低電壓增強模式電晶體31的源極形成混合裝置35的端點24。低電壓增強模式電晶體31的閘極電極作用如同混合裝置35的控制端點26。高電壓空乏模式電晶體33的汲極電極作用如同混合裝置35的端點25。在此配置中，混合裝置35操作如同單一高電壓增強模式電晶體，且在許多情況中得到與單一高電壓增強模式電晶體相同或類似的輸出特性。混合裝置35經配置以在位於關閉狀態中時阻擋上至600V的電壓。
本文所使用的用詞「混合增強模式電子裝置或部件」(或「混合裝置或部件」)，為由空乏模式電晶體與增強模式電晶體形成的電子裝置或部件，其中空乏模式電晶體能夠具有較高的操作電壓及/或崩潰電壓，相較於增強模式電晶體，且混合裝置或部件經配置以操作為類似於具有如空乏模式電晶體般高的崩潰電壓及/或操作電壓的單一增強模式電晶體。換言之，混合增強模式裝置或部件包含至少三個具有下列性質的節點。在第一節點(源極節點)與第二節點(閘極節點)被保持在相同電壓時，混合增強模式裝置或部件可阻擋施加於第三節點(汲極節點)，相對於源極節點的正值高電壓(亦即大於增強模式電晶體能夠阻擋之最大電壓的電壓)。在閘極節點相對於源極節點被保持在足夠的正值電壓時(亦即大於增強模式電晶體的臨限電壓)時，電流從源極 節點傳輸到汲極節點(或從汲極節點傳輸到源極節點，在對汲極節點相對於源極節點施加足夠的正值電壓時)。在增強模式電晶體為低電壓裝置，且空乏模式電晶體為高電壓裝置時，混合部件可類似於單一高電壓增強模式電晶體來操作。空乏模式電晶體可具有至少為增強模式電晶體的兩倍、三倍、五倍、十倍、或二十倍的崩潰電壓及/或最大操作電壓。
本文所使用的用詞三族氮化物或III-N材料、層、裝置、結構等等，代表由根據化學計量方程式AlxInyGazN(其中x+y+z約為1)的複合半導體材料所組成的材料、層、裝置、或結構。三族氮化物材料亦可包含III族元素硼(B)。在三族氮化物或III-N裝置(諸如電晶體或HEMT)中，傳導通道係可部分或整體被包含於III-N材料層內。
本文所使用的用詞「高電壓切換裝置」(諸如高電壓電晶體)，為對高電壓切換應用最佳化的電子裝置。換言之，在電晶體關閉時，電晶體能夠阻擋高電壓(諸如約300V或更高、約600V或更高、約1200V或更高、或約1700V或更高)，且在電晶體開啟時，電晶體對於使用電晶體的應用而言具有足夠低的導通電阻值(RON)，亦即，在大量電流傳輸通過裝置時電晶體經歷足夠低的傳導損耗。高電壓裝置可至少能夠阻擋的電壓，等於使用高電壓裝置之電路中的高電壓供應或最大電壓。高電壓裝置可能夠阻擋300V、600V、1200V、1700V、或應用所需要的其他適合的阻擋電壓。換言之，高電壓裝置可阻擋位於0V與至少Vmax之間的任何電壓，其中Vmax為電路或電力供應所能供應的最大電壓。在一些實 施例中，高電壓裝置可阻擋位於0V與至少2*Vmax之間的任何電壓。本文所使用的用詞「低電壓裝置」(諸如低電壓電晶體)，為能夠阻擋低電壓(諸如位於0V與Vlow之間(其中Vlow小於Vmax))，但無法阻擋高於Vlow之電壓的電子裝置。在一些實施例中，Vlow約等於|Vth|、大於|Vth|、約2*|Vth|、約3*|Vth|、或位於約|Vth|與3*|Vth|之間，其中|Vth|為如第5圖圖示說明之混合部件所包含的高電壓電晶體(諸如高電壓空乏模式電晶體)之臨限電壓的絕對值。在其他實施例中，Vlow約為10V、約為20V、約為30V、約為40V、或約位於5V與50V之間，諸如約位於10V與40V之間。在其他實施例中，Vlow小於約0.5*Vmax、小於約0.3*Vmax、小於約0.1*Vmax、小於約0.05*Vmax、或小於約0.02*Vmax。
第6圖圖示說明可被利用於第5圖中的高電壓空乏模式電晶體33的範例三族氮化物HEMT的截面積示意圖。如圖示，HEMT包含半導體材料結構57，半導體材料結構57包含III-N通道層41與III-N阻隔層42，阻隔層42具有較通道層41寬的能帶隙(bandgap)，而使傳導通道(亦即二維電子氣體或2DEG)46被引發於鄰接阻隔層42的通道層41中。三族氮化物通道層與阻隔層被可選地形成於基板40上，基板40可為矽(Si)、藍寶石、碳化矽(SiC)、GaN、AlN、或任何其他適合用於三族氮化物半導體材料磊晶生長的基板。源極與汲極歐姆接觸51與52分別歐姆接觸2DEG 46。包含閘極絕緣層43、蝕刻停止層44、與電極定義層45的絕緣材料結構58，被形成在半導體材料結構57上。HEMT結構 包含透過電極定義層45的凹槽，且電極59被一致地形成於凹槽中。電極59的形狀至少部分由凹槽的輪廓決定。電極59位於半導體材料結構閘極區域63上的部分為電晶體閘極53，且位於汲極側存取區域62上的部分為場極板54。
在第6圖的裝置中，場極板54被實施為斜面場極板。換言之，部分定義場極板形狀的側壁55，相對於半導體材料結構57的最上表面成非正交角度56。場極板54電性連接至閘極53。場極板減少在操作期間裝置中的峰值電場，從而允許裝置的較高電壓操作。例如，場極板可使裝置能夠在操作期間阻擋如600V或1200V般高的電壓。再者，第6圖的III-N HEMT為橫向裝置。換言之，源極、閘極、與汲極電極51-53分別位於半導體材料結構57的最上側上，使得在操作中所有的大量電流流動通過鄰接於半導體材料結構57的最上側的通道。
如先前所說明的一般，如第1圖圖示般設計的兩個升壓轉換器電路，係根據第3A圖至第3C圖圖示說明的軟式切換方法來形成與操作。第一電路對於切換裝置12利用傳統以矽為基礎的CoolMOS增強模式電晶體，同時第二電路對於切換裝置12利用第5圖中的混合裝置35。混合裝置的高電壓空乏模式電晶體33為第6圖圖示的III-N HEMT，且低電壓增強模式電晶體31為以矽為基礎的FET。輸入電壓Vin為230V，且輸出電壓Vout為400V。驅動切換裝置12之控制電極的PWM頻率，對於小於600W的輸出功率係大於200kHz，且對於小於200W的輸出功率係大於500kHz。對於每一輸出 功率調整PWM頻率，以確保切換裝置12被以最小的跨電力端點電壓來開啟為開啟。混合裝置與CoolMOS電晶體兩者皆額定為操作於上至600V，且兩裝置的導通電阻值約為相同(兩裝置的典型導通電阻值為0.15歐姆)。因此，期望兩電路中的電性損耗(以及電性效率)將約為相同。然而，使用III-N高電壓電晶體之電路中的損耗，將大大低於利用以矽為基礎之CoolMOS電晶體之電路中的損耗。
第7圖圖示為對於包含III-N電晶體(曲線71)之電路與包含CoolMOS電晶體(曲線72)之電路的函數的電性效率繪圖。亦圖示為對於輸出功率(曲線73)的函數的PWM頻率。如所見，使用III-N高電壓電晶體的電路的效率，大大地高於使用以矽為基礎之CoolMOS電晶體的電路的效率。例如，於200W輸出功率與500kHz PWM頻率時，使用CoolMOS電晶體之電路的效率約為98.7%(對應於約2.6W的功率損耗)，同時使用III-N電晶體之電路的效率約為99.2%(對應於約1.6W的功率損耗)。因此，在200W輸出功率時，包含III-N電晶體之電路中的損耗減少了超過35%，相較於包含CoolMOS電晶體之電路中的損耗。
在續後的調查之後，包含混合裝置之電路相較於包含CoolMOS之電路的損耗減少，發現為混合裝置的低電壓輸出電容減少(相較於CoolMOS電晶體的低電壓輸出電容)的結果。第8A圖與第8B圖(對於CoolMOS電晶體)，以及第9A圖與第9B圖(對於混合裝置)，分別圖示為對於汲極對源極電壓之函數的輸出電容Coss與電容性儲存能量的示圖。 儘管CoolMOS電晶體的高電壓輸出電容(亦即對於600V汲極對源極電壓的輸出電容)僅約為混合裝置的高電壓輸出電容的兩倍高，CoolMOS電晶體對於0V源極對汲極電壓的電容約為混合裝置的十倍高。因此，儘管在將切換裝置12硬式切換的應用中電路損耗可為可比較的(諸如在參照第2A圖至第2B圖所說明的方法中)，在將切換裝置12軟式切換的應用中(諸如在參照第3A圖至第3C圖所說明的方法中)，利用混合裝置的電路中的損耗係大大地低於利用CoolMOS電晶體的電路中的損耗。
混合部件中低電壓輸出電容的減少(相較於CoolMOS電晶體的低電壓輸出電容)，係由利用於混合裝置中的CoolMOS電晶體與三族氮化物高電壓電晶體間的結構差異所導致。如先前所說明，三族氮化物電晶體為橫向裝置，且三族氮化物電晶體的源極與汲極電極位於半導體材料結構的相同側上。相對的，CoolMOS電晶體像是其他典型的高電壓電晶體，為縱向裝置，且CoolMOS電晶體的源極與汲極位於半導體材料的相對側上。因此，CoolMOS電晶體傾向於具有較高的輸出電容，相較於三族氮化物電晶體。再者，為已知為超接面矽裝置之類型的CoolMOS電晶體，在汲極飄移區域(亦即閘極與汲極之間的半導體材料區域)中的裝置通道路徑中利用大的等效p-n接面面積，此可得到高的摻雜密度，且因此得到較高的載子密度，而同時允許裝置得到所需的高電壓關閉狀態操作。這些p-n接面在高電壓操作條件下極度空乏，且因此不在高電壓時大量提昇裝置輸出電容。然而，在 較低電壓時(此時p-n接面中的空乏區域較窄)，由於內含這些p-n接面，產生了大量的額外輸出電容。使用於混合裝置中的III-N電晶體不包含p-n接面於閘極與汲極之間的通道路徑中，且在第6圖圖示的實施例中不包含任何p型材料(且因此不包含任何p-n二極體)於半導體材料中。
下文說明對於第1圖之電路操作之軟式切換方法，混合裝置相較於CoolMOS電晶體的數個優點。如第9A圖圖示，在混合裝置的第一與第二電力端點位於實質上相同的電壓處時，混合裝置的輸出電容值(例如低電壓電容值)約為1155微微法拉，此係比混合裝置阻擋至少600V時的輸出電容值22微微法拉的一百倍大還要小。對於CoolMOS電晶體，如第8A圖圖示，在第一與第二電力端點位於實質上相同的電壓處時，輸出電容值(例如低電壓電容值)接近10000微微法拉，此為混合裝置的低電壓電容值的五倍以上，且約比裝置阻擋至少600V時的輸出電容值(約為30微微法拉)大三百倍。可從第9B圖計算出，在裝置正阻擋75V(亦即在裝置被切換為開啟時所阻擋的大約電壓)時之混合裝置所儲存的輸出電容能源，乘上切換裝置於25℃溫度時的導通電阻值，為小於0.18微焦耳*歐姆(輸出電容值通常與導通電阻值成反比)。對於CoolMOS電晶體，此兩因數的乘積約為0.24微焦耳*歐姆。如第7圖所示，使用混合裝置的電路可具有230V或更少的輸入電壓、400V或更大的輸出電壓、且可以至少500V的PWM頻率以及高於99%的效率來操作。對於使用CoolMOS電晶體的電路，在此種條件下的最高效率約為 98.8%。此外，使用混合裝置的電路中的功率損耗可為少於2W，對於大於200W的輸出功率以及大於400kHz的PWM頻率，對於230V或更少的輸入電壓以及400V或更大的輸出電壓。對於使用CoolMOS電晶體的電路，在此種條件下的最小功率損耗約為2.5W，此係比使用混合裝置的電路高出25%。
已說明了數種實施例。但是，將了解到可進行各種修改，而不脫離本文所說明之技術與裝置的精神與範圍。例如，可使用可被形成為橫向裝置的高電壓增強模式三族氮化物電晶體，來代替混合裝置，以用於切換裝置12。因為高電壓增強模式三族氮化物電晶體可被形成為橫向裝置，且亦缺少沿著電流路徑的任何p-n接面，將期望提供與所說明之混合裝置相同或類似的優點。因此，其他實施例位於下列申請專利範圍的範圍內。
11‧‧‧整流裝置
12‧‧‧切換裝置
13‧‧‧電感元件
14‧‧‧電容元件
21‧‧‧輸入節點
22‧‧‧輸出端點
23‧‧‧節點
24‧‧‧電力端點
25‧‧‧電力端點
26‧‧‧切換裝置
27‧‧‧地

Claims (19)

  1. 一種電子電路，包含：一切換裝置，該切換裝置包含一控制端點以及第一與第二電力端點；以及一電感元件，該電感元件具有一第一端點，該第一端點電性連接至該切換裝置的該第二電力端點；其中該電子電路經配置而使得：在一第一操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為關閉，一電流流動通過該電感元件，且該切換裝置阻擋一第一電壓；在一第二操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為關閉，且該切換裝置所阻擋的電壓從該第一電壓下降至一第二電壓；以及在一第三操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為開啟，且流動通過該電感元件之該電流流動通過該切換裝置；以及該切換裝置經配置而使得，該切換裝置在該第一電力端點與該第二電力端點處的電壓實質上相同時的一輸出電容值，小於該切換裝置在該裝置阻擋至少600伏特(V)時的該輸出電容值的100倍。
  2. 如請求項第1項所述之電子電路，其中該切換裝置包含一三族氮化物(III-Nitride)電晶體。
  3. 如請求項第2項所述之電子電路，其中該三族氮化物電晶體為一空乏模式電晶體，該切換裝置進一步包含一增強模式電晶體，該增強模式電晶體具有較該三族氮化物電晶體為 低的一崩潰電壓，且該三族氮化物電晶體的一源極電極電性連接至該增強模式電晶體的一汲極電極。
  4. 如請求項第1項所述之電子電路，其中該切換裝置包含一電晶體，該電晶體包含一傳導通道且缺少任何在該傳導通道的一路徑中的內部p-n接面。
  5. 如請求項第4項所述之電子電路，其中該電晶體不具有p型半導體材料。
  6. 如請求項第1項所述之電子電路，其中該切換裝置經配置而使得在該切換裝置阻擋75V時，該切換裝置的一儲存輸出電容能量乘上該切換裝置在25℃之一溫度下的一導通電阻係小於0.18微焦耳*歐姆。
  7. 如請求項第1項所述之電子電路，其中該第一電壓為實質上固定。
  8. 如請求項第1項所述之電子電路，其中該第一電壓為400V或更大，且該第二電壓小於100V。
  9. 一種電子電路，包含：一切換裝置，該切換裝置包含一控制端點以及第一與第二電力端點；以及 一電感元件，該電感元件具有一第一端點，該第一端點電性連接至該切換裝置的該第二電力端點；其中該電子電路經配置而使得：在一第一操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為關閉，一電流流動通過該電感元件，且該切換裝置阻擋一第一電壓；在一第二操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為關閉，且該切換裝置所阻擋的電壓從該第一電壓下降至一第二電壓；以及在一第三操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為開啟，且流動通過該電感元件之該電流流動通過該切換裝置；以及該切換裝置包含一電晶體，該電晶體包含一傳導通道且缺少任何在該傳導通道的一路徑中的內部p-n接面。
  10. 如請求項第9項所述之電子電路，其中該電晶體為一三族氮化物(III-Nitride)電晶體。
  11. 如請求項第9項所述之電子電路，其中該電路為一電力轉換電路。
  12. 如請求項第9項所述之電子電路，其中該切換裝置經配置為具有至少600V的一崩潰電壓。
  13. 一種操作一電子電路的方法，該電子電路包含一切換裝置與一電感元件，該切換裝置包含一控制端點以及第一與第二電力端點，且該電感元件具有一第一端點，該第一端點電 性連接至該切換裝置的該第二電力端點，該方法包含以下步驟：在一第一時間期間內，將該切換裝置的該控制端點偏壓為關閉，使該切換裝置阻擋一第一電壓，該第一電壓至少為300V，其中在該第一時間期間內一電流流動通過該電感元件；在一第二時間期間內，將該切換裝置的該控制端點偏壓為關閉，同時該切換裝置所阻擋的電壓從該第一電壓下降至一第二電壓，該第二電壓為小於200V；以及在跨該切換裝置的電壓等於該第二電壓時，將該切換裝置的該控制端點切換為開啟，使流動通過該電感元件的該電流亦流動通過該切換裝置；其中該切換裝置經配置而使得在該切換裝置阻擋75V時，該切換裝置的一輸出電容中的一儲存能量乘上該切換裝置在25℃之一溫度下的一導通電阻係小於0.18微焦耳*歐姆。
  14. 如請求項第13項所述之方法，其中該切換裝置包含一三族氮化物電晶體。
  15. 一種升壓模式電力轉換電路，包含：一切換裝置，該切換裝置包含一控制端點以及第一與第二電力端點；一電感元件，該電感元件具有一第一端點，該第一端點電性連接至該切換裝置的該第二電力端點；其中 該電力轉換電路經配置而使得在操作中，該切換裝置的該控制端點的一電壓係由一脈衝寬度調變(PWM)電壓供應來控制，該脈衝寬度調變電壓操作在一頻率處；在該電力轉換電路的一第一操作模式期間內，該切換裝置的該控制端點被偏壓為關閉，且該切換裝置阻擋一第一電壓，該第一電壓大於一電路輸入電壓；在該電力轉換電路的一第二操作模式期間內，該切換裝置的該控制端點被偏壓為開啟，且流動通過該電感元件之該電流流動通過該切換裝置；該電路輸入電壓為230V或更少，且該電路的一輸出電壓至少為400V；該脈衝寬度調變電壓供應的該頻率為大於500kHz；以及該電力轉換電路的一效率至少為99%。
  16. 如請求項第15項所述之電力轉換電路，其中該電力轉換電路經配置而使得在操作中時，在控制端點被偏壓為關閉時跨該切換裝置的一電壓小於200V。
  17. 如請求項第15項所述之電力轉換電路，其中該切換裝置包含一三族氮化物電晶體。
  18. 一種電子電路，包含：一切換裝置，該切換裝置包含一控制端點以及第一與第二電力端點；以及 一電感元件，該電感元件具有一第一端點，該第一端點電性連接至該切換裝置的該第二電力端點；其中該電子電路經配置而使得：在一第一操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為關閉，一電流流動通過該電感元件，且該切換裝置阻擋一第一電壓；在一第二操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為關閉，且該切換裝置所阻擋的電壓從該第一電壓下降至一第二電壓；以及在一第三操作模式中，該切換裝置的該控制端點被偏壓為開啟，且流動通過該電感元件之該電流流動通過該切換裝置；以及該切換裝置包含一電晶體，該電晶體具有一半導體材料層、一源極、一閘極與一汲極，其中該源極、該閘極與該汲極之每一者皆位於該半導體材料層的一第一側上。
  19. 如請求項第18項所述之電子電路，該半導體材料層包含一三族氮化物通道層與一三族氮化物阻隔層，其中該三族氮化物通道層與該三族氮化物阻隔層之間的一成分差異使得一傳導通道被引發於該三族氮化物通道層中。
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