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TWI568180B - 電力供應電路及電力供應設備 - Google Patents

電力供應電路及電力供應設備 Download PDF

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TWI568180B
TWI568180B TW102128490A TW102128490A TWI568180B TW I568180 B TWI568180 B TW I568180B TW 102128490 A TW102128490 A TW 102128490A TW 102128490 A TW102128490 A TW 102128490A TW I568180 B TWI568180 B TW I568180B
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TW102128490A
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TW201414200A (zh
Inventor
今田忠紘
Original Assignee
富士通股份有限公司
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/22—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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    • H10D30/47—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels having 2D charge carrier gas channels, e.g. nanoribbon FETs or high electron mobility transistors [HEMT]
    • H10D30/471—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT]
    • H10D30/475—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having wider bandgap layer formed on top of lower bandgap active layer, e.g. undoped barrier HEMTs such as i-AlGaN/GaN HEMTs
    • H10D30/4755—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having wider bandgap layer formed on top of lower bandgap active layer, e.g. undoped barrier HEMTs such as i-AlGaN/GaN HEMTs having wide bandgap charge-carrier supplying layers, e.g. modulation doped HEMTs such as n-AlGaAs/GaAs HEMTs
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Description

電力供應電路及電力供應設備 發明領域
於此中所討論的實施例係有關於一種電力供應電路及一種電力供應設備。
發明背景
近年來，一種在它裡面之一GaN層與一AlGaN層是相繼地形成於一由氮化鎵(GaN)或Si形成之基體上且該GaN層是被使用作為一電子轉渡層的電子裝置(化合物半導體裝置)是被積極地研發。
GaN的帶隙是為3.4eV，其是比Si的1.1eV與GaAs的1.4eV大。因此，該化合物半導體裝置被期待以高崩潰電壓執行運作。
如此之化合物半導體裝置中之一者是為一GaN-基高電子移動率電晶體(HEMT)。於此後，該GaN-基高電子移動率電晶體是被稱為GaN-HEMT。該HEMT是為一場效電晶體，在它裡面之由半導體異質接面(heterojunction)所誘發的高移動率二維電子氣(2DEG)是被使用作為一通道。
當該GaN-HEMT被使用作為一電力供應反相器(power supply inverter)的開關時，要減低導通電阻(ON resistance)以及改進電壓電阻(voltage resistance)是有可能的。此外，與一Si-基電晶體比較起來要減少待機耗電量並改進運作頻率也是有可能的。
因此，要減少切換損失，以致於該反相器的耗電量會被降低是有可能的。該GaN-HEMT會比具有與該GaN-HEMT之性能相同之性能的Si-基電晶體小。
當該GaN-HEMT是以高頻與高壓運作時，汲極電流是減少的一種電流崩塌現象(current collapse phenomenon)發生。該電流崩塌現象的其中一個起因是假設自由電子被陷捕在一個位在面向該汲極電極之閘極電極之一側附近之區域的電子陷捕能階(electron trap level)。當該等電子被陷捕在該表面的陷捕能階時，該2DEG的密度降低且該GaN-HEMT的輸出會降低。作為一對抗該電流崩塌現象的對策，是有一種具有一源極場板(source field plate)的GaN-HEMT，在其中，一場板是設置到該源極電極。
然而，有一個問題是當該GaN-HEMT是OFF時該臨界值改變，一高電壓是施加到一個在該源極場板下面的絕緣薄膜，該絕緣薄膜被劣化(deteriorated)，而該GaN-HEMT的壽命被縮短。
下面的是參考文件：{文件1]日本早期公開專利公告第2006-324839號
發明概要
根據本發明之一特徵，一種電力供應電路包括：一個包括一場板的洩降型(depression mode)電晶體；一個增強型電晶體，其被與該洩降型電晶體的一源極電極和一汲極電極耦接；及一固定電流源，其耦接到一個在該洩降型電晶體與該增強型電晶體之間的連接節點。
本發明的目的與優點將會由特別地在申請專利範圍中指出的元件與組合來被實現與達成。
要了解的是，前面的大致描述與後面的詳細描述是為範例與說明而並不是本發明的限制。
1‧‧‧串聯連接電路
10‧‧‧電力供應電路
10A‧‧‧切換裝置
20‧‧‧增強型MOS-FET
30‧‧‧洩降型GaN-HEMT
32‧‧‧GaN-HEMT
34‧‧‧第一裝置
36‧‧‧第二裝置
40‧‧‧源極場板
42‧‧‧閘極場板
50‧‧‧固定電流源
81‧‧‧源極電極
82‧‧‧汲極電極
83‧‧‧閘極電極
85‧‧‧接觸插塞
86‧‧‧接觸插塞
90‧‧‧SiC基體
91‧‧‧AlN層
92‧‧‧未摻雜i-GaN層
93‧‧‧二維電子氣
94‧‧‧n-型n-AlGaN層
95‧‧‧中間層絕緣薄膜
200‧‧‧AC電源供應器
210‧‧‧整流器電路
220‧‧‧PFC電路
240‧‧‧平順電容器
250‧‧‧控制單元
260‧‧‧DC-DC轉換器
270‧‧‧負載電路
圖1是為一串聯連接電路的電路圖；圖2是為一包括一源極場板之GaN-HEMT的結構圖；圖3是為包括一源極場板之GaN-HEMT的等效電路圖；圖4是為一描繪該GaN-HEMT之可靠度測試之結果的圖示；圖5是為一實施例之一種電力供應電路的電路圖；及圖6是為一電力供應設備的圖示，本發明之實施例之電力供應電路是應用到該電力供應設備。
較佳實施例之詳細說明
雖然一種習知矽MOS-FET是為一種當無電壓被施加到閘極時是被關閉的常關型(增強型)電晶體，該GaN-HEMT是為一種當無電壓被施加到閘極時是正常地被打開的常關型(洩降型)電晶體。
因此，要切換該洩降型GaN-HEMT，是有一種被稱為串聯連接(cascode connection)的方法，在其中，該洩降型GaN-HEMT是與一增強型FET結合一起俾可作用如增強型。
圖1描繪一串聯連接電路的範例。該串聯連接電路1是為一個在它裡面有一洩降型GaN-HEMT 30與一增強型MOS-FET 20被串聯連接的電路。該GaN-HEMT 30的源極是連接到該MOS-FET 20的汲極。該GaN-HEMT 30的閘極與該MOS-FET 20的源極是接地。該增強型MOS-FET 20是為，例如，一常用的矽-基n-型MOS-FET。
接著，該串聯連接電路1的運作將會被描述。首先，當該MOS-FET 20被關閉時，該MOS-FET 20的電阻提升而該MOS-FET 20的汲極電壓是與依然打開之GaN-HEMT 30的電阻值平衡地上升。然後，因為該GaN-HEMT 30的閘極電壓是為0V，該GaN-HEMT 30的源極電壓變成比該GaN-HEMT 30的閘極電壓高。在這裡，例如，如果該GaN-HEMT 30被關閉與導通的該臨界值是為-5V的話，該GaN-HEMT 30在該GaN-HEMT 30的源極電壓變成5V時被關閉。
當該串聯連接電路1被視為一個電晶體時，該GaN-HEMT 30的汲極作用如該串聯連接電路1的汲極而該MOS-FET 20的源極作用如該串聯連接電路1的源極。同樣地，該MOS-FET 20的閘極作用如該串聯連接電路1的閘極。
當該GaN-HEMT是以高頻與高電壓運作時，汲極電流降低的一種電流崩塌現象發生。該電流崩塌現象的其中一個起因是假設自由電子被陷捕在一個位在面向該汲極電極之閘 極電極之一側附近之區域的電子陷捕能階。當該等電子被陷捕在該表面的陷捕能階時，該2DEG的密度降低且該GaN-HEMT的輸出會降低。
因此，作為一對抗該電流崩塌現象的對策，是有一種包括一場板的GaN-HEMT。
圖2是為一描繪一包括一場板之GaN-HEMT 32之結構的橫截面圖。一AlN層91、一未摻雜i-GaN層92、一n-型n-AlGaN層94是相繼地形成在一SiC基體90上。此外，一源極電極81、一汲極電極82、與一閘極電極83是形成在該n-AlGaN層94上。在該GaN-HEMT 32中，一形成在該在n-AlGaN層94與i-GaN層92之間之界面的二維電子氣(2DEG)93是被使用作為一載體。該AlN層91作用為一緩衝器層。
此外，一由一諸如聚醯亞胺(polyimide)般之絕緣材料形成的中間層絕緣薄膜95是形成在該n-型n-AlGaN層94、該源極電極81、該汲極電極82、與該閘極電極83上。
在該中間層絕緣薄膜95中，一閘極場板42是被形成，其是電氣連接到該閘極電極83且是在水平方向上延伸。
此外，在該中間層絕緣薄膜95中，一源極場板40是被形成，其是在水平方向上從該源極電極81之上延伸到一個超過該閘極場板42的位置。該源極場板40是藉著一個形成在該中間層絕緣薄膜95內的接觸插塞85來電氣連接到該源極電極81。
此外，一汲極電極墊44是形成在該汲極電極82之位於中間層絕緣薄膜95上的位置而且是藉著一形成在該中間層絕緣薄膜95中的接觸插塞86來電氣連接到該汲極電極82。
當該源極場板40被視為一個其之臨界值是比閘極電極83之臨界值低很多的第二閘極時，具備一場板的GaN-HEMT 32會被視為兩個裝置。
圖3是為具備一場板之GaN-HEMT 32的等效電路圖。一第一裝置34使用該GaN-HEMT 32的源極電極81作為該源極、使用該GaN-HEMT 32的閘極電極83作為該閘極、及使用該二維電子氣93之位在該GaN-HEMT 32之汲極之一端下方的一端作為該汲極。
一第二裝置36使用該二維電子氣93之位在該GaN-HEMT 32之汲極之一端下方的另一端作為該源極、使用該GaN-HEMT 32的源極場板40作為該閘極、及使用該GaN-HEMT 32的汲極電極82作為該汲極。
接著，當該具備一場板之GaN-HEMT 32被關閉時的運作將會被描述。該第一裝置34之閘極的臨界值是被假設為，例如，-5V而該第二裝置36之閘極的臨界值是被假設為，例如，-10V。
當該第一裝置34的閘極電壓被設定為-5V或更低且該第一裝置34被關閉時，在該第一裝置34之閘極下方的電阻提高，因此該第一裝置34的汲極電壓與該依然是導通之第二裝置36的電阻值平衡地上升。當該第一裝置34之汲極的電壓上升時，該第二裝置36之源極的電壓也上升，而當該第二裝置36的源極電壓變成10V時，該第二裝置36被關閉。
當該GaN-HEMT以高頻和高電壓運作時發生之該電流崩塌現象的其中一個起因是被假設自由電子被陷捕在一個 位在面向該汲極電極之閘極電極之一側附近之區域的電子陷捕能階。藉由停止太強的電場被施加到面向汲極電極82之閘極電極83的一側，該源極場板40具有不抑制自由電子之移動的功能。
發明人藉由在該被使用為以上所述之範例之串聯連接電路1中以具備一場板之GaN-HEMT 32替換該GaN-HEMT 30來執行一可靠度測試。
圖4描繪該GaN-HEMT 32之可靠度測試的結果。在圖4中，最左邊的垂直長方形表示當600V被施加到在圖1中所示之串聯連接電路1之電源供應器、一脈衝訊號被輸入至該輸入端、且該串聯連接電路1是被重覆導通與關閉時該GaN-HEMT 32的壽命。該GaN-HEMT 32是在大約1.00x1010秒時損壞的一個結果被得到。
發明人估計該GaN-HEMT 32之損壞的起因如在下面所述。當該GaN-HEMT 32被關閉時，漏電流經由GaN的晶體從源極電極81流到汲極電極82。當漏電流是小時，僅一電洞(正電洞)的陷捕發生正好在該源極場板40下面，而重新組合與去陷捕不發生。藉此，一個位在該源極場板40下方的區域是帶正電荷，該2DEG的密度增加，而該源極場板40的臨界值是從-10V改變成，例如，-50V。然後，如果該第二裝置36的源極電壓不升高到50V的話，該第二裝置36將會被關閉。在這情況中，一個50V的高電壓被施加到位於該場板40下方的中間層絕緣薄膜95，因此該中間層絕緣薄膜95的劣化是進行，而最後該中間層絕緣薄膜95是損壞掉。結果，該GaN-HEMT 32的壽命被縮 短。
因此，發明人假設GaN-HEMT 32之壽命縮短的原因是因源極場板之臨界值的變化而起，並且發明出在下面所述的實施例。
於此後，所揭露之技術的較佳實施例將會配合該等圖式來詳細地作描述。
圖5是為一描繪應用所揭露之技術之實施例之電力供應電路10的圖示。在圖5中，與在圖1中所示之串聯連接電路1中之那些相同的元件是由相同的標號標示而且其之描述將會被省略。
本實施例的電力供應電路10是為一串聯連接電路，在其中，具備一場板的GaN-HEMT 32與該增強型MOS-FET 20是串聯地連接。該GaN-HEMT 32的源極是連接到該MOS-FET 20的汲極。該GaN-HEMT 32的閘極與該MOS-FET 20的源極是接地。該增強型MOS-FET 20是為，例如，一常用矽-基n-型MOS-FET。此外，一固定電流源50是連接到一個連接該GaN-HEMT 32之源極與該MOS-FET 20之汲極的節點。該固定電流源50是由一普通固定電流電路形成而且，例如，一電流鏡電路是被使用。
該固定電流源50具有一個當該GaN-HEMT 32被關閉時使流自該GaN-HEMT 32之源極電極81之若干量之漏電流流過GaN之晶體的功能。
在圖4中，從左邊第二個到左邊第五個垂直長方形表示當600V被施加到在圖5中所示之電力供應電路10、一脈衝訊 號被輸入至該輸入端、且該電力供應電路10被重覆地打開與關閉時該GaN-HEMT 32的壽命。該等垂直長方形表示該GaN-HEMT 32之壽命之比較的結果，其是藉由把供額定電流為100mA之GaN-HEMT 32用之由於該固定電流源50之作用而流動的電流改變成1pA、1nA、1μA、與1mA來被得到。
該壽命的差異在由於固定電流源50之作用而流動之電流是為1pA的一種情況與在無固定電流源的一種情況之間是未被觀察到。了解到當漏電流是僅增加1pA時是沒有什麼影響。
當由於該固定電流源50之作用而流動的電流是為1nA與1μA時，觀察到的是與無固定電流源50的情況比較起來，壽命是被加長了大約6倍。如果當該GaN-HEMT 32被關閉時的漏電流是藉由把該固定電流源50連接到該GaN-HEMT 32來被增加的話，縱使當電洞在GaN-HEMT 32被關閉時被陷捕在該源極場板40下面，該等電洞是輕易地被去陷捕或者是輕易地與電子重新結合。因此，在該源極場板40下方之2DEG的密度不改變，以致於當該源極場板40被視為一第二閘極時的臨界值不改變。
由於該源極場板40的臨界值不改變，高電壓未被施加到在該場板40下方的中間層絕緣薄膜95。因此，是假設該中間層絕緣薄膜95的劣化是不進行而該GaN-HEMT 32的壽命是被加長。
當由於該固定電流源50之作用而流動的電流是為1mA時，在一高電壓被施加在該GaN-HEMT 32的源極與汲極之 間的狀態下一大電流在該GaN-HEMT 32的源極與汲極之間流動，因此一個大負載被局部地施加到該GaN-HEMT 32的一部份。因此，是假設該電壓與電流超過SOA(安全運作區域)的範圍一段長時間，以致於該GaN-HEMT 32的壽命被顯著地縮短。該SOA是為GaN-HEMT 32穩定地運作之電壓與電流的區域。
藉此，已變得很清楚的是，當由於固定電流源50之作用而流動的電流是為1nA與1μA時是有影響。假設當在一個由GaN-HEMT 32之額定電流所決定的範圍內增加漏電流時該源極場板40的臨界值是不改變，因此該GaN-HEMT 32的劣化不進行。
在本實施例中，當該GaN-HEMT 32被關閉時該漏電流是藉由該固定電流源50在一個由GaN-HEMT 32之額定電流所決定的範圍內增加該漏電流來被增加，因此高電壓未被施加到位在該場板40下方的中間層絕緣薄膜95。因此，要中止該中間層絕緣薄膜95劣化並延長該GaN-HEMT 32的壽命是有可能的。
在本實施例中，具備源極場板40的GaN-HEMT 32是被描述，在該GaN-HEMT 32中，該源極電極81具有一場板。然而，相同的效果可以由具備一閘極場板的GaN-HEMT得到，在該GaN-HEMT中，該閘極電極83具有一場板。
縱使當一單純電阻代替該固定電流源50被連接至該連接有GaN-HEMT 32之源極與MOS-FET 20之汲極的節點時，在GaN-HEMT 32被關閉時該漏電流會被增加到某程度，因此該效果可以被期待到某程度。
圖6是為一個使用本實施例之電力供應電路10之電力供應設備的電路圖。該實施例的電力供應電路10是設置在功率因子校正(PFC)俾可改進在電力供應設備中之電力供應的功率因子。在圖6中所示的電力供應設備包括一整流器電路210、一PFC電路220、一控制單元250、及一直流(DC)-DC轉換器260。
該整流器電路210是連接到一AC電源供應器200。該整流器電路210全波整流AC電力並且輸出該AC電力。在這裡，該AC電源供應器200的輸出電壓是為Vin，因此該整流器電路210的輸入電壓是為Vin。該整流器電路210輸出藉由全波整流從該AC電源供應器200輸入之AC電力來得到的電力。例如，從80V到265V之一電壓的AC電力是被輸入到該整流器電路210，因此該整流器電路210的輸出電壓也是Vin。
該PFC電路220包括被連接成T形的一電感器、作用如一切換裝置之該實施例的電力供應電路10、及一二極體，以及一平順電容器(smoothing capacitor)240。該PFC電路220是為一主動濾波器電路，其減少被包括在由整流器電路210所整流之電流內之諧波等等的失真並且改進該功率因子。
該控制單元250輸出一個被施加到該電力供應電路10之閘極的脈衝-形閘極電壓。該控制單元250依據從該整流器電路210輸出之全波整流電力的電壓值、流過該電力供應電路10之電流的電流值、以及該平順電容器240之輸出側的電壓值Vout來決定該閘極電壓的工作比(duty ratio)，並且把該閘極電壓施加到一切換裝置10A的閘極。作為該控制單元250，例如，一個可以依據流過該電力供應電路10之電流的電流值與該等 電壓值Vout和Vin來計算該工作比的乘法器電路是可以被使用。
該平順電容器240使從該PFC電路220輸出的電壓平順並且把該電壓輸入至該DC-DC轉換器260。作為該DC-DC轉換器260，例如，一順向DC-DC轉換器或者一全橋DC-DC轉換器是可以被使用。例如，385V之電壓的AC電力是被輸入至該DC-DC轉換器260。
該DC-DC轉換器260是為一個轉換並輸出該AC電力之電壓值的轉換電路。一負載電路270是連接到該DC-DC轉換器260的輸出側。
在這裡，例如，該DC-DC轉換器260把385V之電壓的AC電力轉換成12V之電壓的DC電力並且把該DC電力輸出到該負載電路270。
根據本實施例，縱使當在該PFC電路220內之電力供應電路10中的GaN-HEMT 32是在高頻與高電壓下使用，電流崩塌現象是難以發生，因此一有效率電力供應設備能夠被提供。此外，該GaN-HEMT 32的劣化是輕微，因此一高品質供應設備能夠被提供。
於此中所述的所有例子和條件語言是傾向於為了幫助讀者了解本發明及由發明人所提供之促進工藝之概念的教育用途，並不是把本發明限制為該等特定例子和條件，且在說明書中之該等例子的組織也不是涉及本發明之優劣的展示。雖然本發明的實施例業已詳細地作描述，應要了解的是，在沒有離開本發明的精神與範疇之下，對於本發明之實施例之各式各 樣的改變、替換、與變化是能夠完成。
10‧‧‧電力供應電路
20‧‧‧增強型MOS-FET
32‧‧‧GaN-HEMT
50‧‧‧固定電流源

Claims (4)

  1. 一種電力供應電路，包含：一個包括一場板的GaN-HEMT；一個MOS-FET，其汲極電極被該GaN-HEMT的一源極電極耦接；及一個固定電流源，其耦接到一個在該GaN-HEMT與該MOS-FET之間的連接節點，其中該GaN-HEMT的閘極電極與該MOS-FET的源極電極是接地，且其中該場板是為一耦接到該GaN-HEMT之該源極電極的源極場板。
  2. 如請求項1之電力供應電路，其中該GaN-HEMT是由一包括氮的化合物半導體裝置所形成。
  3. 如請求項1之電力供應電路，其中該固定電流源流動該GaN-HEMT的一額定電流之1x10-11至1x10-2的一電流。
  4. 一種電力供應設備，包含：一DC-DC轉換器；及一電力供應電路，其被配置來供應電力到該DC-DC轉換器，其中該電力供應電路包括一個包括一場板的GaN-HEMT， 一個MOS-FET，其汲極電極被該GaN-HEMT的一源極電極耦接，及一個固定電流源，其耦接到一個在該GaN-HEMT與該MOS-FET之間的連接節點，其中該GaN-HEMT的閘極電極與該MOS-FET的源極電極是接地，且其中該場板是為一耦接到該GaN-HEMT之該源極電極的源極場板。
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