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TW202224327A - 電力轉換電路及控制系統 - Google Patents

電力轉換電路及控制系統 Download PDF

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TW202224327A
TW202224327A TW110135503A TW110135503A TW202224327A TW 202224327 A TW202224327 A TW 202224327A TW 110135503 A TW110135503 A TW 110135503A TW 110135503 A TW110135503 A TW 110135503A TW 202224327 A TW202224327 A TW 202224327A
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diode
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voltage
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TW110135503A
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岩城聰明
井川拓人
北角英人
松原佑典
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日商Ｆｌｏｓｆｉａ股份有限公司
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Abstract

[課題] 提供一種減低電路整體的輻射雜訊的電力轉換電路及電力轉換系統。 [解決手段]一種電力轉換電路，至少具備開關元件（例如MOSFET等）以及二極體（例如整流二極體等），且係為單一個式的電力轉換電路，其中，該二極體為氧化鎵系肖特基屏障二極體。另外，該開關元件也可以是通過硬開關方式而被開關控制。

Description

電力轉換電路及控制系統
本發明係關於電力轉換電路及控制系統。
作為可實現高耐壓、低損失及高耐熱的次世代開關元件，使用了能隙大之氧化鎵(Ga 2O 3)的半導體裝置受到矚目，可望將其應用於反向器或轉換器等電力用半導體裝置。而且，因為寬能隙亦可望用作LED及感測器等受發光裝置。若根據非專利文獻1，可分別藉由銦或鋁、或是將其組合以進行混晶來控制該氧化鎵的能隙，作為InAlGaO系半導體，構成了極具魅力的材料系統。此處，InAlGaO系半導體表示In XAl YGa ZO 3(0≤X≤2，0≤Y≤2，0≤Z≤2，X+Y+Z=1.5～2.5)，可將其歸類為內包氧化鎵的同一材料系統。
專利文獻1中，記載了使用包含β-Ga 2O 3系半導體之肖特基二極體，作為包含肖特基二極體與電晶體而構成的開關電路之穩流二極體(free wheel diode)。然而並未充分研究實際上組裝至開關電路時的課題或效果等。又，造成了具有厚度的氧化鎵基板的導熱率低等課題，並無法應用於工業。
又，專利文獻2中記載將寬能隙半導體元件(碳化矽、氮化鎵、氧化鎵或鑽石中的任一種或組合)用於交流-直流轉換裝置的開關部中的二極體或開關元件的一部分或全部。然而，並未分別針對各種半導體材料的課題進行研究，又，針對開關損耗和輻射雜訊成為權衡之關係的課題，也沒有充分滿足前述兩者。又，為了減低開關損耗和輻射雜訊，而具有使電路複雜化的問題。
因此，期望一種抑制電路整體的輻射雜訊的電力轉換電路。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2010-233406號公報 [專利文獻2]日本特開2016-27779號公報 [非專利文獻]
[非專利文獻1]金子健太郎，「剛玉結構氧化鎵系混晶薄膜的成長與物性」，京都大學博士論文，平成25年3月。
[發明所欲解決之課題]
本發明之目的在於提供一種減低電路整體的輻射雜訊的電力轉換電路。
本案發明人為了達成上述目的而詳細研究的結果，得到下述見解：一種電力轉換電路，至少具備開關元件以及二極體，且係為單一個式的電力轉換電路，其中，該二極體為氧化鎵系肖特基屏障二極體。該電力轉換電路能夠貢獻於減低一起被使用的開關元件的損耗。另外也得知了，相較於使用Si系二極體或SiC系二極體作為二極體的電路，利用硬開關（hard switching）方式來控制時，不僅是起因於二極體的雜訊，甚至電路整體的輻射雜訊也被減低，而且，也形成開關損耗和輻射雜訊兩者皆減低的電路。並且，發現這樣的電力轉換電路可一舉解決上述以往的問題。 [解決課題之手段]
亦即，本發明係關於以下的發明。 [1] 一種電力轉換電路，至少具備開關元件以及二極體，且係為單一個式的電力轉換電路，其中，該二極體為氧化鎵系肖特基屏障二極體。 [2] 如前述[1]所述之電力轉換電路，其中該開關元件是通過硬開關方式而被開關控制。 [3] 如前述[1]或[2]所述之電力轉換電路，其更具備電抗器（reactor），其中，該開關元件是通過該電抗器打開和關閉被輸入的電壓。 [4] 如前述[3]所述之電力轉換電路，其中該二極體是整流二極體（rectifier diode），其利用至少包含由該電抗器產生之電動勢（electro-motive force）的一電壓，使在該電動勢之方向上流動的電流導通。 [5] 如前述[3]或[4] 所述之電力轉換電路，其中該電抗器係配置於比該二極體更靠近輸入側。 [6] 如前述[4]或[5] 所述之電力轉換電路，其更具備輸出電容器，而且構成為該電流供給至該輸出電容器。 [7] 如前述[1]至[6]中任一項所述之電力轉換電路，其中前述開關元件包含氧化鎵系MOSFET、氧化鎵系IGBT、氮化鎵系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT。 [8] 如前述[1]至[7]中任一項所述之電力轉換電路，其中前述開關元件與前述二極體分別使用不同的半導體。 [9] 如前述[1]至[8]中任一項所述之電力轉換電路，其中前述氧化鎵系肖特基屏障二極體中所使用之半導體的能隙大於前述開關元件中所使用之半導體的能隙。 [10] 如前述[1]至[9]中任一項所述之電力轉換電路，其中前述氧化鎵系肖特基屏障二極體至少包含n-型半導體層，前述n-型半導體層的載子濃度為2.0×10 17/cm 3以下。 [11] 如請求項10所述之電力轉換電路，其中前述n-型半導體層的厚度為1μm～10μm。 [12] 如前述[1]至[11]中任一項所述之電力轉換電路，其為直流－直流轉換電路。 [13] 如前述[1]至[12]中任一項所述之電力轉換電路，其為升壓轉換器(converter)電路。 [14] 一種控制系統，其包含如前述[1]至[13]中任一項所述之電力轉換電路。 [發明之效果]
依據本發明的電力轉換電路，可減低電路整體的輻射雜訊。
本發明實施型態中的電力轉換電路，至少具備開關元件以及二極體，且係為單一個式的電力轉換電路，其中，該二極體為氧化鎵系肖特基屏障二極體。該電力轉換電路只要是使用一個開關元件的單一個式的電路，就沒有特別的限定。例如，它可以是單一個式反向器電路或單一個式轉換器電路。於本發明實施型態中的電力轉換電路中，由於使用氧化鎵系肖特基屏障二極體作為二極體，而即使是如單一個式般的簡潔的電路構成，也可以減低電路整體的開關損耗和/或輻射雜訊。於本發明實施型態中，較佳地該電力轉換電路更具有電抗器，其中，該開關元件是通過該電抗器打開和關閉被輸入的電壓。此外，二極體可以是反向並聯連接到該開關元件的穩流二極體，或者也可以是整流二極體，但是在本發明的實施型態中，優選地為整流二極體。作為整流二極體，例如舉出一種整流二極體，其在前述開關元件之OFF時，利用至少包含由該電抗器產生之電動勢（electro-motive force）的一電壓，使在該電動勢之方向上流動的電流導通。
本發明之實施態樣中，較佳地該電抗器係配置於比該二極體更靠近輸入側。又，本發明之實施態樣中，較佳地該電力轉換電路更具備電容器，且係具有下述構成：利用至少包含由該電抗器所產生之電動勢的電壓，通過該整流二極體，將在該電動勢之方向上流動的電流供給至電容器。又，該電力轉換電路的種類，只要不阻礙本發明之目的則未特別限定。本發明之實施態樣中，較佳為直流－直流轉換電路，較佳為轉換器電路，更佳為升壓轉換器電路。作為直流－直流轉換電路的電路方式，可舉出例如單端正激（single-ended forward）方法、單端反激（single-ended flyback）方法、降壓截波（chopper）方法、升壓截波方法等。
前述開關元件，只要不阻礙本發明之目的，則未特別限定，可為MOSFET，亦可為IGBT。作為前述開關元件，可列舉例如：氧化鎵系MOSFET、氧化鎵系IGBT、氮化鎵系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT、Si系MOSFET或Si系IGBT等。本發明之實施態樣中，前述開關元件較佳為氧化鎵系MOSFET、氧化鎵系IGBT、氮化鎵系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT。另外，在本發明的實施態樣中，由於使用氧化鎵系肖特基屏障二極體作為二極體，因此可以進一步減少在電路中一起使用的開關元件的損耗。又，本發明之實施態樣中，前述開關元件較佳係具備穩流二極體。前述穩流二極體可內建於開關元件，亦可外接。
前述整流二極體只要不阻礙本發明之目的則未特別限定。作為前述整流二極體，可以舉出一種整流二極體其是利用一電壓，該電壓至少包含因前述開關元件之ON期間中的激勵而在前述開關元件的OFF時從前述電抗器所產生之電動勢，使在前述電動勢之方向上流動的電流導通。本發明之實施態樣中，前述電力轉換電路更具備輸出電容器，其較佳係以使前述電流供給至前述輸出電容器的方式構成。又，本發明之實施態樣中，為了防止蓄積於前述輸出電容器中的電荷逆流而配置有前述整流二極體，其可更良好地進行雜訊對策，因而較佳。前述氧化鎵系肖特基屏障二極體，只要是使用氧化鎵系半導體者，並且不阻礙本發明之目的，則未特別限定。作為前述氧化鎵系半導體，可列舉例如：包含氧化鎵或氧化鎵之混晶的半導體等。又，本發明的實施態樣中，前述氧化鎵系肖特基屏障二極體為接面屏障肖特基二極體(JBS)亦較佳。前述氧化鎵系半導體的結晶結構，只要不阻礙本發明之目的，亦未特別限定。作為前述氧化鎵系半導體的結晶結構，可列舉例如：剛玉結構、β-gallia結構、六方晶結構(例如ε型結構等)、直方晶結構(例如κ型結構等)、立方晶結構或正方晶結構等。本發明之實施態樣中，藉由使前述氧化鎵系半導體的結晶結構為剛玉結構，可得到開關特性更優良的電力轉換電路，因而較佳。
本發明之實施態樣中，前述氧化鎵系肖特基屏障二極體至少包含n-型半導體層，並且前述n-型半導體層的載子濃度為2.0×10 17/cm 3以下，可更良好地發揮減少輻射雜訊的效果，並且進一步減少電路整體的發熱，因而較佳。前述n-型半導體層的載子濃度較佳係在1.0×10 16/cm 3～5.0×10 16/cm 3的範圍內。又，前述n-型半導體層的厚度並未特別限定，較佳為1μm～10μm，更佳為2μm～5μm。藉由使n-型半導體層的載子濃度及厚度在上述較佳範圍內，一方面可確保散熱性，一方面可更提升開關特性。又，本發明之實施態樣中，前述氧化鎵系肖特基屏障二極體進一步具備n+型半導體層亦較佳。前述n+型半導體層的載子濃度並未特別限定，通常在1×10 18/cm 3～1×10 21/cm 3的範圍內。又，前述n+型半導體層的厚度亦未特別限定，本發明之實施態樣中，較佳為0.1μm～30μm，更佳為0.1μm～10μm，最佳為0.1μm～4μm。藉由使前述n+型半導體層的厚度為這種較佳的厚度，可一方面維持開關特性，一方面進一步減少熱電阻。
又，本發明之實施態樣中，較佳係前述開關元件與前述二極體分別使用不同的半導體，更佳係前述氧化鎵系肖特基屏障二極體中所使用之半導體的能隙大於前述開關元件中所使用之半導體的能隙。藉由成為這種較佳構成，即使在將能隙比前述氧化鎵系肖特基屏障二極體更小的半導體用於前述開關元件的情況中，亦可提高前述開關元件的性能。
前述電力轉換電路的開關頻率並未特別限定，該開關頻率通常為50kHz以上等。本發明之實施態樣中，電力轉換電路的開關頻率較佳為100kHz以上，更佳為300kHz以上，更佳為500kHz以上。藉由將前述氧化鎵系肖特基屏障二極體用作二極體，即使開關頻率為這樣的高頻，亦可實現已將輻射雜訊減少的電力轉換電路。又，該開關元件的控制方式可以是硬開關方式，也可以是軟開關方式。在本發明中，較佳地該開關元件是通過硬開關方式而被開關控制，而且更佳地，是僅以硬開關方式被開關控制。本發明之實施態樣中，由於使用氧化鎵系肖特基屏障二極體作為該二極體，即使在利用硬開關方式來控制開關元件的情況，不使電路複雜化，也可以減低電力轉換電路的雜訊。這是本案發明人通過稍後說明的實施例，所獲得的新見解。
以下，一邊參照圖式一邊詳細說明本發明的實施型態之電力轉換電路及電力轉換系統，但本發明不限於此等例子。
圖1係示意顯示包含本發明之第1實施型態的單一個式的電力轉換電路的電力轉換系統。圖1的電力轉換系統為功率因數(power factor)改善系統，其具備：交流電源1、二極體電橋 2、輸入電容器3、電抗器4、開關元件5、穩流二極體6、整流二極體7、輸出電容器8及負載9。另外，電抗器4、開關元件5、穩流二極體6、整流二極體7及輸出電容器8構成電力轉換電路10以作為功率因數改善電路。前述二極體電橋 2與前述輸入電容器3構成全波整流電路，將從交流電源1輸入的電壓進行整流。在開關元件5的ON期間激勵電抗器4，在開關元件5的OFF期間使電抗器4的電流整流至整流二極體7，藉由電抗器4的產生電壓與輸入電壓的總和電壓，使輸出電容器8充電，週期性重複這樣的運作，而生成高於輸入電壓的電壓。藉由使用控制電路來控制前述開關元件5的ON/OFF運作，使交流電壓波形與交流電流波形的相位接近同相，改善功率因數，而將已被改善的電壓供給至負載9。又，較佳係使用圖中未顯示的各種感測器將測得的實測值輸入控制電路，以相關的輸入信號為基準來進行開關控制。另外，電源1只要可供給交流電壓，則未特別限定。作為前述電源1，可列舉例如：商用電源等。又，前述電源1，例如，亦可為使用預期的轉換電路將直流電壓或交流電壓轉換成交流電壓者。另外，圖1的電力轉換電路10，亦可更具有濾波器及變壓器。在本發明的實施態樣中，例如，如圖14所示，可以構成為，將兩個以上的電力轉換電路10分別地並聯連接，而作成交錯（interleave）方法，並且適用於較大電流。在本發明的實施態樣中，如圖14所示，即使將單一個式的電力轉換電路並聯連接時，也可以獲得與圖1所示的電力轉換電路相同的效果。
前述整流二極體7，藉由至少包含因前述開關元件5的ON期間中的激勵而在前述開關元件5的OFF時從前述電抗器4所產生之電動勢的電壓，使在前述電動勢之方向上流動的電流導通，並且防止已充入前述輸出電容器8的電荷發生逆流。本發明之實施態樣中，藉由將氧化鎵系肖特基屏障二極體使用於前述整流二極體7，可減少電力轉換電路整體的輻射雜訊。又，藉由減少雜訊，不僅可減少二極體的發熱，也可以減少電力轉換電路整體的發熱。又，藉由減少電力轉換電路整體的輻射雜訊，例如，可實現未圖示之濾波器及電容器等處理雜訊之零件的小型化。
圖2係示意顯示包含本發明之第2實施型態之單一個式電力轉換電路的電力轉換系統。圖2的電力轉換系統，具備電源(直流電源)1、電抗器4、開關元件5、穩流二極體6、整流二極體7及輸出電容器8。另外，電抗器4、開關元件5、穩流二極體6、整流二極體7、及輸出電容器8構成電力轉換電路10。開關元件5的ON期間激勵電抗器4，開關元件5的OFF期間使電抗器4的電流整流至整流二極體7，藉由電抗器4的產生電壓與輸入電壓的總和電壓使輸出電容器8充電，週期性重複這樣的運作，藉此生成高於輸入電壓的電壓，並將其供給至負載9。又，較佳係使用圖中未顯示的各種感測器將測得的實測值輸入控制電路，以相關的輸入信號為基準來進行開關控制。另外，電源1只要是可供給直流電壓者，則未特別限定。作為前述電源1，可列舉例如：分散電源、蓄電池、發電機等。前述電源1，例如，亦可為使用預期的轉換電路，輸入直流電壓或交流電壓並將其轉換成直流電壓的電源。另外，圖2的電力轉換電路10亦可更具有變壓器。
圖3係示意顯示包含本發明的第3的實施型態之單一個式電力轉換電路的電力轉換系統。圖3的電力轉換系統，具備電源(直流電源)1、電抗器4、開關元件5、穩流二極體6、整流二極體7及輸出電容器8。另外，電抗器4、開關元件5、穩流二極體6、整流二極體7、及輸出電容器8構成電力轉換電路10。開關元件5的ON期間激勵電抗器4，開關元件5的OFF期間使電抗器4的電流整流至整流二極體7，藉由電抗器4的產生電壓使輸出電容器8充電，週期性重複這樣的運作，生成比輸入電壓更低的電壓，並將其供給至負載9。又，較佳係使用圖中未顯示的各種感測器將測得的實測值輸入控制電路，再以相關的輸入信號為基準來進行開關控制。另外，電源1只要是可供給直流電壓者，則未特別限定。作為前述電源1，可列舉例如：分散電源、蓄電池、發電機等。前述電源1，例如，亦可為使用預期的轉換電路將直流電壓或交流電壓轉換成直流電壓並進行輸入的電源。另外，圖3的電力轉換電路10亦可更具有變壓器。
圖12係示意顯示包含本發明的第4的實施型態之單一個式電力轉換電路的電力轉換系統。圖12的電力轉換系統，具備電源(直流電源)1、電抗器4、開關元件5、穩流二極體6、整流二極體7a、7b、輸出電容器8以及變壓器（transformer）11。另外，電抗器4、開關元件5、穩流二極體6、整流二極體7a、7b、輸出電容器8及變壓器11構成電力轉換電路10。在圖12所示的正激（forward）式電力轉換電路中，在連接直流電源1之後，當通過來自控制電路的驅動脈衝來接通和斷開開關元件5時，開關流向變壓器11的一次側線圈（電抗器，reactor）L1的電流，並且於二次側線圈（reactor）L2中電壓被感應出。由該感應電壓產生的電流，通過整流二極體7a和電抗器（扼流線圈）4來整流和平滑，然後通過整流二極體7b提供給負載9。又，較佳係使用圖中未顯示的各種感測器將測得的實測值輸入控制電路，再以相關的輸入信號為基準來進行開關控制。另外，電源1只要是可供給直流電壓者，則未特別限定。作為前述電源1，可列舉例如：分散電源、蓄電池、發電機等。前述電源1，例如，亦可為使用預期的轉換電路將直流電壓或交流電壓轉換成直流電壓並進行輸入的電源。另外，圖12的電力轉換電路10亦可更具有變壓器。
圖13係示意顯示包含本發明的第5的實施型態之單一個式電力轉換電路的電力轉換系統。圖13的電力轉換系統，具備電源(直流電源)1、開關元件5、穩流二極體6、整流二極體7、輸出電容器8以及變壓器（transformer）11。另外，開關元件5、穩流二極體6、整流二極體7、輸出電容器8及變壓器11構成電力轉換電路10。在圖13所示的反激（flyback）式電力轉換電路中，在連接直流電源1之後，當通過來自控制電路的驅動脈衝來接通和斷開開關元件5時，開關流向變壓器11的一次側線圈的電流，並且於二次側線圈中電壓被感應出。由該感應電壓產生的電流，通過整流二極體7和輸出電容器8來整流和平滑，然後提供給負載9。又，較佳係使用圖中未顯示的各種感測器將測得的實測值輸入控制電路，再以相關的輸入信號為基準來進行開關控制。另外，電源1只要是可供給直流電壓者，則未特別限定。作為前述電源1，可列舉例如：分散電源、蓄電池、發電機等。前述電源1，例如，亦可為使用預期的轉換電路，將直流電壓或交流電壓轉換成直流電壓並進行輸入的電源。另外，圖13的電力轉換電路10亦可更具有變壓器。
圖4係顯示本發明之實施態樣的氧化鎵系肖特基屏障二極體(SBD)的一例。圖4的SBD具備n-型半導體層101a、n+型半導體層101b、肖特基電極105a及歐姆電極105b。本發明之實施態樣中，前述n-型半導體層101a的載子濃度在2.0×10 17/cm 3以下，可更良好地發揮減少輻射雜訊的效果，並可進一步減少電路整體的發熱，因而較佳。前述n+型半導體層的載子濃度並未特別限定，通常在1×10 18/cm 3～1×10 21/cm 3的範圍內。又，前述n+型半導體層的厚度並未特別限定，本發明之實施態樣中較佳為0.1μm～50μm，更佳為0.1μm～10μm，最佳為0.1μm～4μm。藉由使前述n+型半導體層的厚度為這種較佳厚度，可一方面維持開關特性，一方面更減少熱電阻。
圖11係顯示本發明之較佳實施態樣之一的肖特基屏障二極體(SBD)的主要部分。圖11的SBD具備歐姆電極202、n-型半導體層201a、n+型半導體層201b、肖特基電極203a及203b、絕緣體膜(場絕緣膜)204。此處，絕緣體膜204具有膜厚朝向半導體裝置內側減少的10°錐角。圖11中顯示絕緣體膜204的錐角為10°的情況，但不限於前述錐角為10°的情況，亦可為大於10°的角度，亦可為小於10°的角度。本發明之實施態樣中，前述絕緣體膜204的錐角較佳為20°以下。又，絕緣體膜204形成於n-型半導體層101a上，具有開口部。圖11的半導體裝置，藉由絕緣體膜204，改善端部的結晶缺陷，更良好地形成耗盡層，且電場緩和亦更加良好，又可更佳地抑制漏電流。圖11的半導體裝置中，作為第1電極層的金屬層203b及/或金屬層203c的外端部，位於比作為第2電極層的金屬層203a之外端部更外側，因此可更良好地抑制漏電流。又再者，金屬層203b及/或金屬層203c之中，比金屬層203a的外端部更往外側突出的部分，具有膜厚朝向半導體裝置的外側減少的錐狀區域，因此成為耐壓性更優良的構成。又，本發明之實施態樣中，前述n-型半導體層具有保護環(圖中未顯示)亦較佳。前述保護環，例如，可藉由以p型摻雜物(例如Mg等)對於前述n-型半導體層進行離子注入而設置。
圖11之各層的形成手段，只要不阻礙本發明之目的，則未特別限定，亦可為習知的手段。可列舉例如：藉由真空蒸鍍法、CVD法、濺鍍法、各種塗布技術成膜後再藉由光微影法進行圖案化的手段、或使用印刷技術等直接進行圖案化的手段等。
製作與圖1所示的電力轉換電路同等的功率因數改善電路(PFC電路)，並進行評價。另外，使用SiC系MOFET作為開關元件。又，作為實施例1，製作在整流二極體中使用了α-Ga 2O 3系肖特基屏障二極體的功率因數改善電路。另外，作為α-Ga 2O 3系肖特基屏障二極體，使用具有圖11所示之構成的SBD。作為比較例1，在整流二極體中使用Si系二極體以製作功率因數改善電路，作為比較例2，在整流二極體中使用SiC系二極體以製作功率因數改善電路。實施例1及比較例1中的PFC運作波形顯示於圖5。另外，SiC系MOSFET是通過硬開關方法而被切換和控制。由圖5明確得知，比較例1的電力轉換電路中，雖在PFC運作波形中觀察到回復電流波形，但實施例1的電力轉換電路中，並未於PFC運作波形中觀察到回復電流波形，作為PFC電路的雜訊減少，而控制性更為優良。又，實施例1、比較例1及比較例2的二極體關閉波形分別顯示於圖6、圖7及圖8。如圖6、圖7及圖8明確得知，相較於比較例1及比較例2的電力轉換電路，實施例1的電力轉換電路大幅減少了輻射雜訊的總能量。亦即得知相較於使用Si系二極體及SiC系二極體作為整流二極體的電力轉換電路，使用氧化鎵系肖特基屏障二極體作為整流二極體的電力轉換電路，其雜訊特性更為優良。另外，實施例1的開關頻率為120kHz左右，確認即使在這樣的高頻運作中，雜訊亦減少。又，實施例1的電力轉換電路，亦因為輻射雜訊的總能量降低而抑制了發熱，因此即使在使用導熱率低之氧化鎵系半導體的情況，亦可良好地運作。
再者，如圖6～圖8明確得知，通過將氧化鎵系肖特基屏障二極體使用於圖1的整流二極體7，在實施例1的電力轉換裝置（以下稱為「控制系統」）中，係為開關元件的SiC MOSFET的開關損失；和係為輻射雜訊之原因的振鈴效應（ringing）兩者皆可減少。又，在氧化鎵系肖特基屏障二極體中，使n-型半導體層的濃度在2.0×10 17/cm 3以下、使n-型半導體層的厚度在1μm～10μm之範圍內的情況，確認可得到特別良好的開關特性。又，使肖特基界面的電極面積在0.8mm 2～1.0mm 2的範圍內，使n-型半導體層的濃度在1.0×10 16/cm 3～5.0×10 16/cm 3的範圍內，使n-型半導體層的厚度在2μm～5μm的範圍內的情況，確認可得到更加良好的開關特性。根據本發明實施態樣的電力轉換電路，如上所述，即使是單一個式的簡潔的電路構成，不單僅是二極體，也可以減低包含開關元件的電路整體的輻射雜訊和開關損耗。因此，可以減小電路整體的發熱，最後可以實現周邊被動元件的小型化。
上述本發明的電力轉換電路，為了發揮上述功能而可應用於包含反向器或轉換器等的電力轉換裝置。圖9係顯示可應用本發明之實施態樣的電力轉換裝電路的控制系統之一例的方塊構成圖。
如圖9所示，控制系統500具有電池(電源)501、升壓轉換器502、降壓轉換器503、反向器504、馬達(驅動對象)505、驅動控制部506，此等搭載於電動車。電池501係由例如鎳氫電池或鋰離子電池等蓄電池所構成，藉由充電站的充電或減速時的再生能量等而儲存電力，可輸出電動車的運行系統及電氣系統的運作所必要的直流電壓。升壓轉換器502，例如搭載了截波電路的電壓轉換裝置，藉由截波電路的開關運作將從電池501供給的例如200V的直流電壓升壓至例如650V，而可輸出至馬達等的運行系統。降壓轉換器503亦相同地為搭載了截波電路的電壓轉換裝置，但將從電池501供給的例如200V的直流電壓降壓至例如12V左右，藉此可輸出至包含電動窗、動力轉向或車載電力設備等電氣系統。
反向器504，藉由開關運作將從升壓轉換器502供給的直流電壓轉換成三相的交流電壓而輸出至馬達505。馬達505構成電動車的運行系統的三相交流馬達，藉由從反向器504輸出的三相交流電壓而進行旋轉驅動，再通過未圖示的傳動裝置(transmission)等，將其旋轉驅動力傳遞至電動車的車輪。
另一方面，使用圖中未顯示的各種感測器，從運行中的電動車量測車輪的旋轉數、扭矩、油門的踩踏量(加速量)等實測值，此等的量測信號輸入驅動控制部506。又同時，反向器504的輸出電壓值亦輸入驅動控制部506。驅動控制部506具有具備中央處理器(CPU，Central Processing Unit)等演算部及記憶體等資料保存部的控制器之功能，使用所輸入之量測信號生成控制信號，作為回饋信號而輸出至反向器504，藉此以開關元件控制開關運作。藉此瞬間修正反向器504給予馬達505的交流電壓，而可正確地執行電動車的運轉控制，實現電動車安全、舒適的運作。另外，藉由將來自驅動控制部506的回饋信號給予升壓轉換器502，亦可控制輸出至反向器504的電壓。
如圖9所示，控制系統500中，升壓轉換器502、降壓轉換器503、反向器504的開關運作中，使用作為二極體或開關元件的閘流體、功率電晶體、IGBT、MOSFET等。藉由在此等的半導體元件中，使用氧化鎵(Ga 2O 3)、尤其是剛玉型氧化鎵(α-Ga 2O 3)作為其材料，可大幅提升開關特性。再者，藉由應用本發明之電力轉換電路等，可期待極佳的開關特性，而可實現控制系統500的更加小型化及成本降低。亦即，升壓轉換器502、降壓轉換器503、反向器504皆可期待本發明之效果，此等任一者或任意二者以上的組合，或是亦包含驅動控制部506之型態的任一者，皆可期待本發明的效果。 另外，上述的控制系統500，不僅可將本發明的半導體裝置應用於電動車的控制系統，亦可應用於將來自直流電源的電力進行升壓/降壓，或是從直流進行電力轉換而成為交流之類的所有用途的控制系統。又，亦可使用太陽能電池等電源作為電池。
圖10系顯示可應用本發明之實施態樣的電力轉換電路的控制系統之其他例的方塊構成圖，其係為一種控制系統其適合搭載於用來自交流電源之電力而運作的基礎設備或家電設備等。
如圖10所示，控制系統600，係輸入由外部的例如三相交流電源(電源)601所供給的電力，其具有AC/DC轉換器602、反向器604、馬達(驅動對象)605、驅動控制部606，此等可搭載於各種設備(後述)。三相交流電源601為例如電力公司的發電設施(火力發電廠、水力發電廠、地熱發電廠、核電廠等)，其輸出透過變電所降壓並且作為交流電壓以進行供給。又，例如以自家發電機等型態設置於大樓內或鄰近設施內而以電纜進行供給。AC/DC轉換器602係將交流電壓轉換成直流電壓的電壓轉換裝置，將由三相交流電源601所供給的100V或200V的交流電壓轉換成既定的直流電壓。具體而言，藉由電壓轉換，轉換成3.3V、5V或是12V之類的一般使用的預期直流電壓。驅動對象為馬達的情況中轉換成12V。另外，亦可採用單相交流電源代替三相交流電源，此情況中，只要使AC/DC轉換器為單相輸入，則可作為相同的系統構成。
反向器604，係藉由開關運作將由AC/DC轉換器602所供給之直流電壓轉換成三相的交流電壓而輸出至馬達605。馬達605，其型態根據控制對象而有所不同，控制對象為電動車的情況係用以驅動車輪的三相交流馬達，工廠設備的情況係用以驅動泵及各種動力源的三相交流馬達，家電設備的情況係用以驅動壓縮機等的三相交流馬達，藉由從反向器604所輸出的三相交流電壓進行旋轉驅動，並將該旋轉驅動力傳遞至圖中未顯示的驅動對象。
另外，例如家電設備中，亦有許多可直接供給從AC/DC轉換器302輸出之直流電壓的驅動對象(例如電腦、LED照明設備、映像設備、音響設備等)，此時控制系統600中不需要反向器604，如圖10所示，從AC/DC轉換器602對於驅動對象供給直流電壓。此情況中，例如對於電腦等供給3.3V的直流電壓，對於LED照明設備等供給5V的直流電壓。
另一方面，使用圖中未顯示的各種感測器，量測驅動對象的旋轉數、扭矩、或是驅動對象周邊環境的溫度、流量等之類的實測值，此等的量測信號被輸入驅動控制部606。又同時，反向器604的輸出電壓值亦輸入驅動控制部606。以此等的測量信號為基準，驅動控制部606給予反向器604回饋信號，控制由開關元件所進行的開關運作。藉此，藉由瞬間修正反向器604給予馬達605的交流電壓，可正確地執行驅動對象的運轉控制，而實現驅動對象的穩定運作。又，如上所述，驅動對象能夠由直流電壓所驅動的情況，亦可對於AC/DC轉換器602進行回饋控制，以代替對於反向器的回饋。
這樣的控制系統600中，與圖9所示之控制系統500相同，亦在AC/DC轉換器602及反向器604的整流運作及開關運作中使用作為二極體或開關元件的閘流體、功率電晶體、IGBT、MOSFET等。藉由在此等半導體元件中，使用氧化鎵(Ga 2O 3)、尤其是剛玉型氧化鎵(α-Ga 2O 3)作為其材料，藉此提升開關特性。再者，藉由應用本發明之電力轉換電路，可期待極佳的開關特性，並且可實現控制系統600進一步的小型化及成本降低。亦即，AC/DC轉換器602、反向器604皆可期待本發明之效果，此等任一者或其組合、或是亦包含驅動控制部606的型態皆可期待本發明的效果。
另外，圖10中雖例示馬達605作為驅動對象，但驅動對象並不限於機械運作者，亦可以需要交流電壓的許多設備作為對象。只要是從交流電源輸入電力以將驅動對象驅動，則可應用控制系統600，可以基礎設備(例如大樓及工廠等的電力設備、通信設備、交通管制設備、淨水處理設備、系統設備、省力設備、列車等)或家電設備(例如，冰箱、洗衣機、電腦、LED照明設備、影像設備、音響設備等)之類的設備為對象，而搭載控制系統600以對該等對象進行驅動控制。
另外，當然可將本發明之多種實施型態組合或是將一部份的構成要件應用於其他實施型態，又可增減一部分構成要件的數量，或是再與其他習知技術組合，只要不阻礙本發明之目的，則可省略一部分等，亦可進行變更而構成，此等皆屬於本發明的實施型態。
本發明之實施樣態的電力轉換電路及控制系統，可以應用於電子零件/電氣設備零件、光學/電子照相相關設備、照明設備、電源設備、車載用電氣設備、產業用電腦、產業用馬達、基礎設備(例如大樓及工廠等的電力設備、通信設備、交通管制設備、淨水處理設備、系統設備、省力設備、列車等)或家電設備(例如，冰箱、洗衣機、電腦、LED照明設備、影像設備、音響設備等)等所有的領域。
1:電源 2:二極體電橋 3:輸入電容器 4:電抗器 5:開關元件 6:穩流二極體 7:整流二極體 7a:整流二極體 7b:整流二極體 8:輸出電容器 9:負載 10:電力轉換電路 11:變壓器 201a:n-型半導體層 201b:n+型半導體層 202:歐姆電極 203:肖特基電極 203a:金屬層 203b:金屬層 203c:金屬層 204:絕緣體膜 500:控制系統 501:電池(電源) 502:升壓轉換器 503:降壓轉換器 504:反向器 505:馬達(驅動對象) 506:驅動控制部 507:演算部 508:儲存部 600:控制系統 601:三相交流電源(電源) 602:AC/DC轉換器 604:反向器 605:馬達(驅動對象) 606:驅動控制部 607:演算部 608:儲存部 L1:一次側線圈（電抗器） L2:二次側線圈（電抗器）
圖1係示意顯示本發明的第1實施態樣之電力轉換系統的電路圖。 圖2係示意顯示本發明的第2實施型態之電力轉換系統的電路圖。 圖3係示意顯示本發明的第3實施型態之電力轉換系統的電路圖。 圖4係示意顯示本發明之實施態樣的肖特基屏障二極體較佳之一例的圖。 圖5係顯示實施例及比較例中的PFC運作波形的圖。 圖6係顯示實施例中的二極體關閉波形的圖。 圖7係顯示比較例中的二極體關閉波形的圖。 圖8係顯示比較例中的二極體關閉波形的圖。 圖9係顯示採用了本發明之實施態樣的半導體裝置的控制系統之一例的方塊構成圖。 圖10係顯示採用了本發明之實施態樣的半導體裝置的控制系統之一例的方塊構成圖。 圖11係示意顯示本發明之實施態樣的肖特基屏障二極體的較佳之一例的圖。 圖12係示意顯示本發明的第4實施態樣之電力轉換系統的電路圖。 圖13係示意顯示本發明的第5實施型態之電力轉換系統的電路圖。 圖14係示意顯示本發明的第6實施型態之電力轉換系統的電路圖。

Claims (14)

  1. 一種電力轉換電路，至少具備開關元件以及二極體，且係為單一個式的電力轉換電路， 其中，該二極體為氧化鎵系肖特基屏障二極體。
  2. 如請求項1所述之電力轉換電路，其中該開關元件是通過硬開關方式而被開關控制。
  3. 如請求項1或2所述之電力轉換電路，更具備電抗器， 其中，該開關元件是通過該電抗器打開和關閉被輸入的電壓。
  4. 如請求項3所述之電力轉換電路，其中該二極體是整流二極體，其利用至少包含由該電抗器產生之電動勢的一電壓，使在該電動勢之方向上流動的電流導通。
  5. 如請求項3或4所述之電力轉換電路，其中該電抗器係配置於比該二極體更靠近輸入側。
  6. 如請求項4或5所述之電力轉換電路，其更具備輸出電容器，而且構成為該電流供給至該輸出電容器。
  7. 如請求項1至6中任一項所述之電力轉換電路，其中該開關元件包含氧化鎵系MOSFET、氧化鎵系IGBT、氮化鎵系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT
  8. 如請求項1至7中任一項所述之電力轉換電路，其中該開關元件與該二極體分別使用不同的半導體。
  9. 如請求項1至8中任一項所述之電力轉換電路，其中該氧化鎵系肖特基屏障二極體中所使用之半導體的能隙大於該開關元件中所使用之半導體的能隙。
  10. 如請求項1至9中任一項所述之電力轉換電路，其中該氧化鎵系肖特基屏障二極體至少包含n－型半導體層，該n－型半導體層的載子濃度為2.0×10 17/cm 3以下。
  11. 如請求項10所述之電力轉換電路，其中該n-型半導體層的厚度為1μm～10μm。
  12. 如請求項1至11中任一項所述之電力轉換電路，其為直流－直流轉換電路。
  13. 如請求項1至12中任一項所述之電力轉換電路，其為升壓轉換器電路。
  14. 一種控制系統，其包含如請求項1至13中任一項所述之電力轉換電路。
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