ホーム > 特許ランキング > ＥＰＩＮＯＶＡＴＥＣＨ ＡＢ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-12-26
(54)【発明の名称】ＡＣ－ＤＣコンバータ回路
(51)【国際特許分類】
H02M 3/155 20060101AFI20221219BHJP
H01L 21/8234 20060101ALI20221219BHJP
H01L 21/338 20060101ALI20221219BHJP
【ＦＩ】
H02M3/155 H
H01L27/06 102A
H01L29/80 H
H01L29/80 E
【審査請求】未請求
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2022519971
(86)(22)【出願日】2020-10-22
(85)【翻訳文提出日】2022-03-29
(86)【国際出願番号】 EP2020079756
(87)【国際公開番号】W WO2021078863
(87)【国際公開日】2021-04-29
(31)【優先権主張番号】19205265.2
(32)【優先日】2019-10-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】520404964
【氏名又は名称】エピノバテック、アクチボラグ
【氏名又は名称原語表記】ＥＰＩＮＯＶＡＴＥＣＨ ＡＢ
(74)【代理人】
【識別番号】100091487
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 行孝
(74)【代理人】
【識別番号】100120031
【弁理士】
【氏名又は名称】宮嶋 学
(74)【代理人】
【識別番号】100107582
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 毅
(74)【代理人】
【識別番号】100118843
【弁理士】
【氏名又は名称】赤岡 明
(74)【代理人】
【識別番号】100137523
【弁理士】
【氏名又は名称】出口 智也
(72)【発明者】
【氏名】マルティン、アンドレアス、オルソン
【テーマコード（参考）】
5F048
5F102
5H730
【Ｆターム（参考）】
5F048AC01
5F048AC03
5F048AC10
5F048BA02
5F048BA14
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5F048BF02
5F048BF07
5F048BG13
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5F102GA02
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5F102GV08
5H730AA14
5H730AA15
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5H730BB14
5H730BB57
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5H730DD04
5H730DD12
5H730EE59
5H730FD01
5H730FG05
5H730ZZ15
(57)【要約】
電池の高電力充電用のAC-DCコンバータ回路（100）が提供される。この回路は、第１のノードおよび第２のノードを含む入力整流器を含む。入力整流器（１１０）は、第１のノード（１１２）でＡＣ電圧を受け取り、第２のノード（１１４）で整流された電圧を提供するように構成される。この回路は、第１のゲートノード（１２２）、第１のソースノード（１２４）、および第１のドレインノード（１２６）を含む第１のトランジスタ（１２０）をさらに含む。第１のドレインノードは、入力整流器の第２のノードに接続される。第１のゲートノードは、接地ノード（１７０）に接続されている。この回路は、第２のゲートノード（１３２）、第２のソースノード（３４４）、および第２のドレインノード（１３６）を含む第２のトランジスタ（１３０）をさらに含む。第２のドレインノードは第１のソースノードに接続されている。第２のトランジスタは、物質的に第１のトランジスタに対応する。この回路は、第２のトランジスタにスイッチング波形を提供するために第２のゲートノードに接続されたデューティサイクル制御ユニット（１４０）をさらに備える。この回路は、第２のソースノードまたは第１のソースノードに接続された出力整流器（１５０）をさらに含む。この回路は、出力整流器の第２のソースノードまたは出力ノード（１５１）に接続された出力電子フィルタ（１６０）をさらに含む。AC-DCコンバータ装置、電池の充電方法、回生ブレーキシステムも提供される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電池のハイパワー充電用のＡＣ－ＤＣコンバータ回路（100）であって、第１のノード（１１２）および第２のノード（１１４）を含む入力整流器（１１０）であって、前記第１のノードでＡＣ電圧を受け取り、前記第２のノードで整流された電圧を供給するように構成された入力整流器（１１０）と、
第１のトランジスタ（１２０）であって、前記第１のトランジスタ（１２０）は空乏型トランジスタであり、第１のゲートノード（１２２）、第１のソースノード（１２４）、および第１のドレインノード（１２６）を含み、前記第１のドレインノードは前記入力整流器の前記第２のノードに接続されており、前記第１のゲートノードは接地ノード（１７０）に接続されている、第１のトランジスタ（１２０）と、
第２のトランジスタ（１３０）であって、第２のゲートノード（１３２）、第２のソースノード（３４４）、および第２のドレインノード（１３６）を含み、前記第２のドレインノードが第１のソースノードに接続され、物質的に前記第１のトランジスタに対応する、第２のトランジスタ（１３０）と、
前記第２のトランジスタにスイッチング波形を供給するために前記第２のゲートノードに接続されたデューティサイクル制御ユニット（１４０）と、
前記第２のソースノードまたは前記第１のソースノードに接続された出力整流器（１５０）と、
前記第２のソースノードまたは前記出力整流器の出力ノード（１５１）に接続された出力電子フィルタ（１６０）と、
を備える、ＡＣ－ＤＣコンバータ回路（100）。
【請求項2】
前記第１のトランジスタは、高電子移動度トランジスタＨＥＭＴであり、前記第２のトランジスタは、ＨＥＭＴである、請求項１に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項3】
前記第１のトランジスタが窒化ガリウムトランジスタであり、前記第２のトランジスタが窒化ガリウムトランジスタである、請求項１または２のいずれかに記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項4】
前記入力整流器は、少なくとも１つのダイオードを含む半波整流器である、請求項１～３のいずれか一項に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項5】
前記入力整流器は、少なくとも２つのダイオードを含む全波整流器であり、前記入力整流器は、さらに第３のノード（１１６）を含み、前記入力整流器は、第１のノードと第３のノードとの間でＡＣ電圧を受け取るように構成される、請求項４に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項6】
前記出力電圧レベルを監視するための制御回路（１８０）をさらに備え、前記制御回路は、監視された前記出力電圧レベルに基づいて前記デューティサイクル制御ユニットにフィードバックを提供するように構成される、請求項１～５のいずれかに記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項7】
前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタは、同じ基板層構造（２９０）上にモノリシックに集積されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項8】
前記基板層構造がシリコン基板層を含む、請求項７に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項9】
前記 出力整流器は、窒化ガリウムダイオードであり、前記入力整流器の任意のダイオードが存在する場合は窒化ガリウムダイオードである、請求項１～８のいずれか一項に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項10】
前記第１のトランジスタは、基板層構造（２９０）の上の第１のキャリア層構造（２２４）と、
第１のキャリア層構造の上にある第１のバリア層構造（２２６）と、を含み、
前記第１のゲートノードおよび前記第１のドレインノードは、前記第１のバリア層構造の上に配置され、前記ノードは、スペーサー構造（２５０）によって物理的に分離され、
前記第２のトランジスタは、
基板層構造の上の第２のキャリア層構造（２３４）と、
前記第２のキャリア層構造の上にある第２のバリア層構造（２３６）と、を含み、
前記第２のゲートノードおよび前記第２のソースノードは、前記第２のバリア層構造の上に配置され、前記ノードは、スペーサー構造（２５０）によって物理的に分離され、
前記第１および第２のキャリア層構造は、第１の半導体材料を含み、
前記第１および第２のバリア層構造は、第２の半導体材料を含む、
請求項１～９のいずれか一項に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項11】
前記第１のキャリア層構造は、前記スペーサー構造（２５０）によって前記第２のキャリア層構造から物理的に分離されており、前記第１のバリア層構造は、同じスペーサー構造（２５０）によって前記第２のバリア層構造から物理的に分離されている、
請求項１０に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項12】
前記第１のキャリア層構造が前記第２のキャリア層構造に接続されており、前記第１のバリア層構造は、前記第２のバリア層構造に接続されている、請求項１０に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項13】
ＡＣ－ＤＣコンバータデバイス（３００）であって、請求項１～１２のいずれか１項に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路（１００）を備え、
前記デバイスは、さらに、
ＡＣ電圧源（３１０）からＡＣ電圧（３１１）を受けるためのインターフェースと、
ＤＣ電圧（３１２）を電池（３２０）に提供するためのインターフェースであって、前記電池は、電子車両の電池または移動式電子機器の電池である、インターフェースと、
を含む、ＡＣ－ＤＣコンバータデバイス（３００）。
【請求項14】
電池に加えて、トラクションモータおよび請求項１～１３のいずれか一項に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路を備えた電気自動車の電池を充電するための方法であって、前記方法は前記電気自動車の動きを減速すること（１００１）と、
前記電気自動車の運動の減速により、前記トラクションモータからＡＣ型電流を生成すること（１００２）と、
生成されたＡＣ型電流をＡＣ－ＤＣコンバータ回路によりＤＣ型電流に変換すること（１００３） と、
前記DC型電流で電池を充電すること（1004）と、
を備える、方法。
【請求項15】
電気自動車（2000）の回生ブレーキシステム（2100）であって、前記回生ブレーキシステムは、電池（320）と、
AC型電流を生成するように適合されたトラクションモータ（2300）と、
前記電気自動車を減速するために適合されたブレーキシステム（２４００）と、
トラクションモータからのＡＣ型電流をＤＣ型電流に変換し、前記電池を充電するように構成された、請求項１～１３に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路（１００） と、
前記電池からのDC型電流をAC型電流に変換して前記トラクションモータに電力を供給するように構成されたDC-ACコンバータ回路（3000）と、を備える、回生ブレーキシステム（2100）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、交流（ＡＣ）を直流（ＤＣ）に変換するための回路および装置に関する。 特に、電気自動車やスマートフォンの急速充電用のＡＣ－ＤＣコンバータ回路に関連する。
【背景技術】
【0002】
電子および電気機器、工具、および車両は、電力網に直接接続されていない場合でも使用できるように、電荷を蓄積するために電池を必要とすることがよくある。 電池は直流でのみ充電できるが、送電網は交流を供給する。
電気自動車には、電気自動車の内部に車載充電器が装備されており、車載充電器と電気自動車（EV）電池をグリッドまたは主電源に接続することにより、通常6.6または22kWの電力で充電できる。 EV電池の電荷を電力網からの電力で補充するには、最初に電流（または電圧）をACからDCに変換する必要がある。 この変換は、車載充電器のＡＣ－ＤＣコンバータ回路を使用して実行できる。車載充電器のサイズはＡＣ－ＤＣコンバータ回路は車内に収まるように制限されているため、電気自動車の充電時間は最大8時間で、低電力充電に制限される。これは、ガソリン車に燃料を補給する通常の時間よりもはるかに長くなる。代わりに、DC急速充電は、電気自動車の外部でAC-DC電力変換を行う低電力の車載充電器をはるかに高い電力（約50～350 kW）でバイパスする。
電気自動車には、電気自動車の内部に車載充電器が装備されており、車載充電器と電気自動車（EV）電池をグリッドまたは主電源に接続することにより、通常6.6または22kWの電力で充電できる。 EV電池の電荷を電力網からの電力で補充するには、最初に電流（または電圧）をACからDCに変換する必要がある。 この変換は、車載充電器のＡＣ－ＤＣコンバータ回路を使用して実行できる。車載充電器のサイズはＡＣ－ＤＣコンバータ回路は車内に収まるように制限されているため、電気自動車の充電時間は最大8時間で、低電力充電に制限される。これは、ガソリン車に燃料を補給する通常の時間よりもはるかに長くなる。代わりに、DC急速充電は、電気自動車の外部でAC-DC電力変換を行う低電力の車載充電器をはるかに高い電力（約50～350 kW）でバイパスする。
【0003】
ＡＣ－ＤＣコンバータ回路は、例えば、電流を整流する整流部と、整流電流をほぼ一定のレベルに安定させる昇降圧コンバータ部を備えている。昇降圧コンバータは、一般に、スイッチングトランジスタを含むスイッチング部分と、コンデンサおよびインダクタンスの過渡的挙動を使用して電流を本質的に平均化することができるフライホイール回路部分とを備える。スイッチングトランジスタは一般にそのゲートで方形波を受信し、その結果、トランジスタは整流電流の周期的なスイッチとして動作する。より静的な出力電流を実現するには、高速スイッチングが望ましい。ただし、スイッチングトランジスタの寄生容量により、スイッチング速度が低下し、静電流を実現するためにフライホイール回路を変更する必要がある。寄生容量はまた、スイッチングサイクルあたりの熱損失を増加させ、したがって変換効率を低下させる。さらに、標準的に一般的に使用されているシリコン（Si）ベースの金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）は、効率的な電力変換のためのスケーリングとスイッチング速度の点で限界に達しつつある。したがって、ハイパワー用のパワーエレクトロニクスの小型化は、大きくてかさばる、高価な、手作りの受動部品を必要とする低速スイッチング速度での典型的なシリコンMOSFETによって制限される。このようなパッシブコンポーネントは、EVだけでなく車載充電器にもかなりの重量を追加するものである。同じことが例えばスマートフォンやラップトップ用の壁の充電器についても言える。ただし、さまざまな材料で作られたさまざまなタイプのトランジスタを組み込むと、集積の課題が生じる可能性がある。さらに、電池の発熱、ガスの形成、特定の電池の化学的性質に固有の寄生的な不可逆的な化学反応など、まだ十分に修正されていない、より高い電力での電池の充電に関連する問題がある。したがって、電池のハイパワー充電用の効率的で小型化された電力コンバータを提供するための技術分野には改善の余地がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
したがって、上記を考慮して、本発明の目的は、ＡＣ－ＤＣ変換に関連する上記および他の問題のいくつかを少なくとも軽減することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の第１の態様によれば、電池のハイパワー充電用のＡＣ－ＤＣコンバータ回路が提供される。この回路は、第１のノードおよび第２のノードを含む入力整流器を含む。入力整流器は、第１のノードでAC電圧を受け取り、第２のノードで整流された電圧を提供するように構成されている。この回路はさらに第１のトランジスタを含み、第１のトランジスタは空乏型トランジスタであり、第１のゲートノード、第１のソースノード、および第１のドレインノードを含む。第１のドレインノードは、入力整流器の第２のノードに接続されている。第１のゲートノードはグラウンドノードに接続されている。この回路は、第２のゲートノード、第２のソースノード、および第２のドレインノードを含む第２のトランジスタをさらに含む。 第２のドレインノードは第１のソースノードに接続されている。第２のトランジスタは、物質的に第１のトランジスタに対応する。この回路は、第２のトランジスタにスイッチング波形を提供するために第２のゲートノードに接続されたデューティサイクル制御ユニットをさらに備える。この回路は、第２のソースノードまたは第１のソースノードに接続された出力整流器をさらに含む。この回路は、出力整流器の第２のソースノードまたは出力ノードに接続された出力電子フィルタをさらに含む。
【0006】
発明者は、常にオン（トランジスタチャネルが開いている）であるグランドゲート（第１）トランジスタを使用すると、第２のドレインノード（第１のソースノードに接続される）の寄生容量が減少する可能性があることに気付いた。第１のトランジスタは、本質的に、第１のドレインノードと第１のソースノードとの間の伝導のための特定の抵抗を有する抵抗器として機能する。これは、有効なノードサイズの削減に起因する可能性がある。したがって、例えば、第２のドレインノードと第２のゲートノードとの間の寄生容量に寄与する領域もある。寄生容量を減らすと、第２のトランジスタのスイッチング速度が上がる可能性がある。これは、スイッチングが完了する前に、減少した寄生容量を充電する必要があるためである。また、容量が小さいほど、同じ電圧で充電するのにかかる時間が短くなるためである。これにより、熱損失が減少し、スイッチング効率が向上する可能性もある。改善されたスイッチング効率はまた、改善されたＡＣ－ＤＣ変換効率、そして最終的には、例えば、電池のより速い充電速度につながる可能性がある。さらに、スイッチモード電源を使用したハイパワー変換では、使用するトランジスタを使用した高スイッチング周波数での効率的な電力変換のために、低い寄生容量が必要である。発明者はまた、電気自動車内に効率的に適合するために、ＡＣ－ＤＣオンボード電力コンバータの小型化によってハイパワー変換を提供できることに気付いた。スイッチング周波数を上げると、パッシブコンポーネント（インダクタ、DCリンクコンデンサ）のサイズを小さくすることで、スイッチングモード電源のサイズを小さくすることができる。電気自動車の範囲は重量に敏感であり、電池はすでにこの重量の大きな原因となっている。したがって、その重量を減らすためのあらゆる源が望ましい。さらに、本発明者は、同様の材料およびデバイス設計を使用して２つのトランジスタを形成することにより、集積が簡素化され、デバイスのダウンスケーリングおよびＡＣ－ＤＣ電力コンバータの小型化の見通しが改善される可能性があることも認識している。例えば、同じ材料を使用するデバイスは、同じ処理ステップで同時に製造することができる。異なる材料のデバイスを組み込むために他の方法で必要とされる遷移、バッファ、および／またはスペーサー構造が回避され得るので、デバイスはまた、互いに近接して作成され得る。グラウンドゲートトランジスタは、マイクロエレクトロニクススケールで効率的に実現および集積するのが難しい可能性がある従来の抵抗器と比較した場合に特に利点を提供する。
【0007】
電流と電圧という用語は、回路内の同じノード間の電気信号を指す場合がある。 このような場合、オームの法則を適用することにより、それらは相互に関連していると理解する必要がある。 交流（AC）電圧という用語は、ピーク振幅電圧（絶対または非絶対）、ピークツーピーク電圧、二乗平均平方根（RMS）電圧、または振動電圧を指す他の方法を指す場合がある。したがって、直流（ＤＣ）電圧という用語は、実質的に静的な電圧レベル、または少なくとも実質的な周期的振動のない電圧レベルを指す場合がある。 整流電圧という用語は、周期性またはある種の過渡動作をまだ持っているが、極性を切り替えない電圧レベルを指す場合がある。 AC-DC変換とは、任意のAC電圧が任意のDC電圧に変換されることを意味する。つまり、電圧レベルが変化する可能性がある。
【0008】
整流器という用語は、一方向にのみ電流を伝送する任意のデバイスまたは回路を指す場合がある。ダイオードは整流装置の簡単な例である。トランジスタという用語は、ゲートノードでの電気信号（電圧など）に基づいてソースノードとドレインノードの間で導通する電気スイッチを指すものである。すでに述べたMOSFET、バイポーラ接合トランジスタ（BJT）、ヘテロ接合電界効果トランジスタ（HFET）とも呼ばれる高電子移動度トランジスタ（HEMT）など、さまざまなタイプのトランジスタが存在する。動作と要件のバリエーションは、トランジスタの種類によって異なる。一般に、トランジスタは、条件付き導電性を実現するために不純物がドープされた結晶性半導体材料によって形成される。トランジスタは一般に半導体基板に基づいており、高度な電子デジタルおよびアナログ回路を形成するためにまとめて集積されている。MOSFETやHEMTなどの多くのトランジスタタイプは、ドレイン-ソース対称性を備えている場合がある。これは、ドレインおよびソースと呼ばれるものが単に慣例に従うことを意味する。たとえば、ソースとドレインの接続を反転する。回路内の通常のMOSFETは、回路の動作に影響を与えない場合がある。トランジスタが互いに物質的に対応するという言い回しは、同じ材料を含むか、または少なくとも同様の材料システムに基づくトランジスタとして理解され得る。
【0009】
デューティサイクル制御ユニットという用語は、方形波などの周期的な波形を出力するデバイスを指す場合がある。波形の高い部分と低い部分の持続時間の比率を使用して、出力DCレベルを制御できる。デューティサイクル制御ユニットは、回路によって出力された測定されたＤＣ電圧に基づいて波形を変更するように適合させることができる。デューティサイクル制御ユニットを使用して第２のトランジスタを切り替えると、DC出力を制御して例えば定電流または定電圧の機能を実現できるため、有利な場合がある。電子フィルタという用語は、周波数などのパラメータに基づいて電気信号をフィルタ処理する方法として機能する、回路の単一のコンポーネントまたは小さな部分を指す場合がある。例えば。インダクタとコンデンサは、電子フィルタで使用できる。インダクタとコンデンサの充電動作は一時的なものであるため、これらを含む回路は周波数信号の変化に対して異なる応答をする。これは、たとえばローパス、ハイパス、およびバンドパスフィルタを作成するために使用できる。
【0010】
ノードという用語は、電荷、電圧値、またはそれを流れる電流を特徴とする回路内の電気ノードを指すと理解する必要がある。 最も一般的には、ノードは回路内のデバイスとコンポーネント間の金属相互接続ノードを指すが、ノードは他の方法でも理解できる。 例えば、半導体材料の一部または塊は、いくつかの実施形態においてノードとして機能し得る。
【0011】
いくつかの実施形態によれば、第１および第２のトランジスタは両方ともＨＥＭＴである。あるいは、第１または第２のトランジスタのいずれかがＨＥＭＴであり得る。しかしながら、両方のトランジスタがＨＥＭＴである実施形態は、２つが同時にそして隣接して集積されることを可能にする。HEMTは一般に、その名前が示すように、より優れた電子輸送を提供し、したがって、同じ体積の半導体材料に対してより高い電流を可能にする。これは、キャリア層とバリア層の間の界面でいわゆる二次元電子ガス（2DEG）を利用するHEMTに起因する可能性がある。バリア層に最も近い層に酸化物を使用するMOSFETと比較すると、HEMTのバリア層は、キャリア層よりもバンドギャップの大きい半導体であることがよくある。2DEGは、本質的に2次元の平面が電荷キャリア、例えばトランジスタのソース領域とドレイン領域の間の電子、の平均自由行程（MFP）を増加させるため、電子輸送を改善する。
【0012】
いくつかの実施形態によれば、第１および第２のトランジスタは窒化ガリウムトランジスタである。あるいは、第１または第２のトランジスタのいずれかが窒化ガリウムトランジスタであり得る。窒化ガリウムトランジスタという用語は、さまざまなタイプのトランジスタ、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）またはIII族窒化物（III-N）材料システムの材料を特徴とする、またはそれらに基づくMOSFETまたはHEMT、を指す場合がある。この用語はさらに、ＧａＮを含むトランジスタのキャリアまたはチャネル層を指す場合がある。両方のトランジスタが窒化ガリウムトランジスタである実施形態は、２つが同時にそして隣接して集積されることを可能にする。窒化ガリウムトランジスタは、ＧａＮの固有の材料特性のために有利な場合がある。ＧａＮは、シリコンと比較して優れた電子移動度を持ち、より低い熱損失でより効率的な伝導を提供する。トランジスタなどのＧａＮデバイスは、Siの対応するデバイスよりも小さくすることができるが、それでもパフォーマンスは維持される。したがって、ＧａＮデバイスは製造コストが低くなる可能性がある。ＧａＮデバイスは一般にSiデバイスよりも高い絶縁破壊電圧を示すため、電気自動車の電池を約400Vで充電するなどの高電圧アプリケーションに適している。ＧａＮデバイスは、Siデバイスよりも高いスイッチング周波数を可能にする場合がある。 ＧａＮトランジスタは、Siデバイスよりも効率的なスイッチングを提供する場合もある。 ＧａＮトランジスタは、ハイパワー変換アプリケーションに有利な場合がある。
【0013】
ハイパワー変換は、熱の観点からシリコントランジスタの高周波で大きなスイッチング損失を引き起こすものである。シリコントランジスタとのスイッチング中のより高い電力は、より大きくてかさばる容量性および誘導性コンポーネントを必要とする。高速スイッチングを実現するには、寄生容量を減らす必要がある。そうしないと、スイッチング時間に遅延が生じる。
いくつかの実施形態によれば、入力整流器は、少なくとも１つのダイオードを含む半波整流器である。 半波整流器は、AC電圧の半分、つまり負極性または正極性の電圧を伝送する整流器である。 そのような整流器は、非常に小さく、複雑さを低くすることができる。
いくつかの実施形態によれば、入力整流器は、少なくとも１つのダイオードを含む半波整流器である。 半波整流器は、AC電圧の半分、つまり負極性または正極性の電圧を伝送する整流器である。 そのような整流器は、非常に小さく、複雑さを低くすることができる。
【0014】
いくつかの実施形態によれば、入力整流器は、少なくとも２つのダイオードを含む全波整流器である。入力整流器はさらに第３のノードを含む。入力整流器は、第1のノードと第3のノードの間でAC電圧を受けるように構成されている。全波整流器は、AC電圧の半分をそのまま伝送し、残りの半分を同じ極性に変換し、変換された半分も伝送する整流器である。あるいは、全波整流器は、時間の経過に伴う入力AC電圧の絶対値を出力していると見なすことができる。したがって、全波整流器は通常、より多くの初期AC電圧を整流する。したがって、より多くの電気エネルギーも変換される。一般に半波整流器よりも大きい全波整流器は、依然として比較的小さく（たとえば、2つまたは4つのダイオードを使用して）、複雑さを低くすることができる。フルブリッジとダイオードブリッジは、ブリッジ回路に配置された4つ以上のダイオードを使用する全波整流器に関連する別の命名法である。
【0015】
いくつかの実施形態によれば、ＡＣ－ＤＣコンバータ回路は、出力電圧レベルを監視するための制御回路をさらに含む。 制御回路は、監視された出力電圧レベルに基づいてデューティサイクル制御ユニットにフィードバックを提供するように構成されている。 制御回路フィードバックを使用して、ＡＣ－ＤＣコンバータ回路の出力ＤＣ電圧レベルを所望の固定電圧レベルに設定および安定化することができる。
【0016】
いくつかの実施形態によれば、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタは、同じ基板層構造上にモノリシックに集積される。モノリシックとは、この点に関して、形成されているトランジスタが同じ半導体基板（例えば、ウェーハ）上に集積されていることを指す。そのため、回路のサイズとコストを削減できる。 さらに、２つのトランジスタのモノリシック集積は、中間ノード（第１のソースノード／第２のドレインノード）のサイズの縮小を可能にし、したがって、関連する寄生容量をさらに低減することができる。
【0017】
いくつかの実施形態によれば、基板層構造は、シリコン基板層を含む。 シリコン（Si）基板、例： ウェーハは、一般的に安価で製造が簡単である。 Siは電子産業のベースラインであるため、他の回路や電子機器とより緊密に集積するために、このような基板にＡＣ－ＤＣコンバータ回路を組み込むことが有利である。 これは、Siに基づかないデバイスにも当てはまる。 ＧａＮベースのデバイス、 特に、従来のＧａＮデバイスは、サファイア(α-Al2O3)や炭化ケイ素（SiC）などの高価で複雑な基板材料を必要とする。
いくつかの実施形態によれば、出力整流器は窒化ガリウムダイオードである。 入力整流器のダイオードは、存在する場合、窒化ガリウムダイオードです。 これは、特に、ダイオードとしてＧａＮトランジスタが使用され、トランジスタがより緊密に集積される場合に有利である可能性がある。 例えば、ダイオードおよびトランジスタは、このようにして、同じ半導体材料上に並列に形成され得る。
いくつかの実施形態によれば、出力整流器は窒化ガリウムダイオードである。 入力整流器のダイオードは、存在する場合、窒化ガリウムダイオードです。 これは、特に、ダイオードとしてＧａＮトランジスタが使用され、トランジスタがより緊密に集積される場合に有利である可能性がある。 例えば、ダイオードおよびトランジスタは、このようにして、同じ半導体材料上に並列に形成され得る。
【0018】
いくつかの実施形態によれば、第１のトランジスタは、基板層構造の上の第１のキャリア層構造と、第１のキャリア層構造の上の第１のバリア層構造とを含む。 第１のゲートノードおよび第１のドレインノードは、第１のバリア層構造の上に配置されている。 ノードはスペーサー構造によって物理的に分離されている。 同様に、第２のトランジスタは、基板層構造の上の第２のキャリア層構造と、第２のキャリア層構造の上の第２のバリア層構造とを含む。 第２のゲートノードおよび第２のソースノードは、第２のバリア層構造の上に位置している。 ノードはスペーサー構造によって物理的に分離されている。 第１および第２のキャリア層構造は、第１の半導体材料を含む。 第１および第２のバリア層構造は、第２の半導体材料を含む。
【0019】
キャリアおよびバリア層の構造は、異なる半導体材料を含むものとして理解されるべきである。 スペーサー構造という用語は、誘電体などの実質的に非導電性の物理的構造として理解されるべきである。 それに応じて層構造、ノード、およびスペーサーを配置することにより、HEMTまたはHFETデバイスの形成が可能になる。
【0020】
いくつかの実施形態によれば、第１のキャリア層構造は、スペーサー構造によって第２のキャリア層構造から物理的に分離されている。 第１のバリア層構造は、同じスペーサー構造によって第２のバリア層構造から物理的に分離されている。 そのようなものとして、２つのデバイス間の干渉および／または漏れを最小限に抑えることができる。
【0021】
いくつかの実施形態によれば、第１のキャリア層構造は、第２のキャリア層構造に接続されている。 同様に、第１のバリア層構造は、第２のバリア層構造に接続されている。 そのようなデバイスの複雑さは軽減され得、製造の複雑さは例えば以下のように軽減され得る。 半導体のエッチングやトレンチの形成を避けることができるからである。 これは、ＧａＮベースのデバイスに特に有利である。
【0022】
本発明の第２の態様によれば、第１の態様によるＡＣ－ＤＣコンバータ回路を含むＡＣ－ＤＣコンバータデバイスが提供される。 この装置は、ＡＣ電圧源からＡＣ電圧を受け取るためのインターフェースと、電池にＤＣ電圧を提供するためのインターフェースとをさらに備える。 電池は、電子車両の電池または移動式電子機器の電池であり得る。
【0023】
そのような装置は、電池の充電に有利に適している。 さらに、コンバータ回路のAC-DC変換効率に関する上記のすべての改善は、AC-DCコンバータデバイスに継承される。 二相充電、すなわち、最初に定電流充電の期間、続いて定電圧充電の期間は、電池に過度のストレスをかけることなく高速電池充電を提供するので、有利である可能性がある。 そのような二相充電は、提案されたＡＣ－ＤＣコンバータデバイスによって採用され得る。 デバイス（およびコンバータ回路）は、二相（定電流、定電圧）充電用に構成することができる。 AC入力とDC出力のインターフェースは、最も単純な形式では電気端子ノードとして理解できる。 入力インターフェースは、例えば、 送電網からAC電圧を受け取るのに適したものにする。
【0024】
ＡＣ－ＤＣコンバータデバイスは、電気自動車の電池にＤＣ電圧を提供するように構成され得る。ACからDCへの効率的な変換は、電気自動車（EV）の電池を充電するのに有利である。改良されたＧａＮデバイスは、より高出力のデバイスでより高速な充電を提供する可能性がある。ＧａＮデバイスは、小型化できるため、EVの車載充電回路が改善され、既存の電力網インフラストラクチャを使用してより高速で効率的な充電が可能になるため、さらに有利である。
【0025】
ＡＣ－ＤＣコンバータデバイスは、移動式電子デバイスの電池にＤＣ電圧を提供するように構成される。モバイル電子デバイスという用語は、例えば 携帯電話、ラップトップコンピュータ、タブレット、リモコン、電卓などを指す場合がある。当業者は、上記のリストが網羅的ではなく、電池を備えた同様のデバイス、例えば、 データ処理能力が考慮される場合がある。 EVと同様のメリットが期待できる。 特に、より小型および/またはより効率的なデバイスの見通しは有利である可能性がある。
【0026】
本発明の第３の態様によれば、電気自動車の電池を充電するための方法が提供され、電気自動車は、電池に加えて、トラクションモータ、および第１の態様のＡＣ－ＤＣコンバータ回路を含む。この方法は、
電気自動車の動きを減速させることと、
電気自動車の運動の減速により、前記トラクションモータから交流型電流を発生させることと、
発生した交流型電流をＡＣ－ＤＣコンバータ回路により直流型電流に変換すること と、
DC型電流で電池を充電することと、を含む。
電気自動車の動きを減速させることと、
電気自動車の運動の減速により、前記トラクションモータから交流型電流を発生させることと、
発生した交流型電流をＡＣ－ＤＣコンバータ回路により直流型電流に変換すること と、
DC型電流で電池を充電することと、を含む。
【0027】
本発明の第２の態様によれば、電気自動車の回生ブレーキシステムが提供され、回生ブレーキシステムは、
電池と、
AC型電流を生成するように適合されたトラクションモータと、
電気自動車を減速するために適合されたブレーキシステムと、
トラクションモータからのＡＣ型電流をＤＣ型電流に変換し、電池を充電するように構成された第１の態様のＡＣ－ＤＣコンバータ回路 と、
電池からのDC型電流をAC型電流に変換してトラクションモータに電力を供給するように構成されたDC-ACコンバータ回路と、を含む。
電池と、
AC型電流を生成するように適合されたトラクションモータと、
電気自動車を減速するために適合されたブレーキシステムと、
トラクションモータからのＡＣ型電流をＤＣ型電流に変換し、電池を充電するように構成された第１の態様のＡＣ－ＤＣコンバータ回路 と、
電池からのDC型電流をAC型電流に変換してトラクションモータに電力を供給するように構成されたDC-ACコンバータ回路と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【0028】
上記、ならびに本発明の追加の目的、特徴および利点は、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態の以下の例示的かつ非限定的な詳細な説明を通じてよりよく理解される。 同様の要素には数字が使用される。
【発明を実施するための形態】
【0029】
本発明は、本発明の実施形態が示されている添付の図面を参照して、以下により完全に説明される。 本明細書に開示されるシステムおよびデバイスは、動作中に説明される。
【0030】
【0031】
回路１００は、ＡＣ電圧（または電流）を、安定した実質的に静的なＤＣ電圧（または電流）に変換することができる。 AC電圧は、45～65Hzで振動する正弦波電圧の形をとることができる。 好ましくは、振動は実質的に５０または６０Ｈｚのいずれかである。 電圧レベルは、0 Vまたは別の固定（DC）電圧オフセット付近で振動する可能性がある。ＡＣ電圧は、１００から５００Ｖの間のＲＭＳ値を有し得る。好ましくは、ＡＣ電圧は、実質的に、または約１１０Ｖ、１１５Ｖ、２２０Ｖ、２３０Ｖ、３８０Ｖ、または４００Ｖで平均化されたＲＭＳ値を有する。 明確にし、トートロジーを回避するために、DC型電流は直流を参照するために使用され、AC型電流は、交流を参照するために使用されることができる。
【0032】
回路１００は、第１のノード１１２で受信されたＡＣ電圧を整流するように構成される入力整流器１１０を備える。第１のノード１１２は、入力整流器１１０の入力ノードとして機能することができる。入力整流器は、動作する第３のノード１１６に接続される。 ＡＣ電圧は、第１のノード１１２のみで、あるいは第１のノード１１２と第３のノード１１６との間で受け取ることができる。入力整流器１１０は、入力整流器１１０の出力ノードとして機能するノード１１４において、第２の整流器電圧（または電流）を提供する。
入力整流器１１０は、１つ以上のダイオード、より好ましくは２つ以上のダイオード、そして最も好ましくは４つ以上のダイオードを含み得る。 入力整流器１１０は、半波または全波整流器であり得る。入力整流器１１０は、ダイオードブリッジ、すなわち、直列に接続された４つのダイオードを備え得る。ダイオードは、２つの並列経路を形成するように配置することができ、両方とも、接地ノード１７０から第２のノード１１４まで導通し、第１のノード１１２および第３のノード１１６は、いずれかの経路のダイオード間を接続する。このような入力整流器は図2に例示されている。
入力整流器１１０は、１つ以上のダイオード、より好ましくは２つ以上のダイオード、そして最も好ましくは４つ以上のダイオードを含み得る。 入力整流器１１０は、半波または全波整流器であり得る。入力整流器１１０は、ダイオードブリッジ、すなわち、直列に接続された４つのダイオードを備え得る。ダイオードは、２つの並列経路を形成するように配置することができ、両方とも、接地ノード１７０から第２のノード１１４まで導通し、第１のノード１１２および第３のノード１１６は、いずれかの経路のダイオード間を接続する。このような入力整流器は図2に例示されている。
【0033】
図２に示すように、ＤＣ成分のないＡＣ電圧が第１のノード１１２と第３のノード１１６との間に接続される場合、ＡＣ波周期の前半は、振動電流の絶対値が、入力整流器１１０の上部または下部の経路のいずれかを介して伝達されることになる。ＡＣ波周期の後半では、発振電流の絶対値が入力整流器１１０のもう一方の経路を介して伝達される。したがって、電圧は、第２のノード１１４で入力整流器を出ると、同じ極性を有するように整流され得る。
【0034】
入力整流器１１０のさらなる代替案は、例えば 2つのダイオードを含むセンタータップ整流器、または1つまたは2つのダイオードを含む電圧ダブラ回路を含み得る。
【0035】
入力整流器１１０のダイオードは、窒化ガリウム(ＧａＮ)ダイオードであり得る。ダイオードは、半導体のpn接合に基づいている場合がある。 pn接合は、本質的に、異なる原子不純物がドープされた2つの半導体材料間の遷移である。ドーパント不純物は、半導体材料に電荷キャリア（電子と正孔）を導入するために使用される。シリコン（Ｓｉ）ダイオードの場合、ｐ型ドーパントは、例えば、以下を含み得る。ホウ素（B）およびn型ドーパントには、窒素（N）またはリン（P）が含まれる場合がある。ＧａＮダイオードの場合、p型ドーパントにはマグネシウム（Mg）が含まれ、n型ドーパントには炭素（C）またはSiが含まれる場合がある。入力整流器１１０について本明細書で参照されるダイオードは、好ましくはショットキーダイオードであり得る。あるいは、ショットキーダイオードは、ショットキーバリアダイオードまたはホットキャリアダイオードと呼ばれることもある。ショットキーダイオードは、金属との半導体接合として形成されることにより、通常のpn接合ダイオードとは異なる。ショットキーダイオードは、低い順方向電圧降下と非常に高速なスイッチング動作を特長としている。この低い順方向電圧要件により、より高いスイッチング速度とより優れたシステム効率が可能になる。
【0036】
いくつかの実施形態では、ダイオードは、ＧａＮ-on-Silicon基板上に形成することができる。 ショットキーダイオードの場合、基板は金属を含むAlＧａＮ / ＧａＮ/Siヘテロ構造で構成される。AlＧａＮ /ＧａＮ /Siの上部に、Pd/Auのショットキーダイオードコンタクトメタル構造を設けることができる。 ＡｌＣｕがアルミニウム銅合金である場合、Ｔｉ／ＡｌＣｕ／Ｎｉ／Ａｕのオーミック接触も提供され得る。pn接合の場合、基板はp-ＧａＮ/n-ＧａＮホモ接合を含む。
【0037】
いくつかの実施形態では、４つのショットキーダイオードまたはp-ＧａＮ/n-ＧａＮホモ接合が同じＧａＮ-on-Silicon基板上に統合されて、基板上にダイオードブリッジを形成することが好ましい。
【0038】
回路１００は、第１のトランジスタ１２０をさらに含む。第１のトランジスタは、第１のゲートノード１２２、第１のソースノード１２４、および第１のドレインノード１２６を含む。回路１００は、第２のトランジスタ１３０をさらに含む。第２のトランジスタは、第２のゲートノード１３２、第２のソースノード 134、および第２のドレインノード１３６を備える。第１のトランジスタ１２０および第２のトランジスタ１３０は、まとめてトランジスタ１２０、１３０と呼ばれることがある。トランジスタ１２０、１３０は、空乏（depletion）モード（通常はオン）またはエンハンスメント（enhancement）モード（通常はオフ）であり得る。トランジスタ１２０、１３０は、Ｓｉベースのトランジスタ、ＧａＮベースのトランジスタ、ＳｉＣベースのトランジスタ、または上記の任意の組み合わせであり得る。
【0039】
トランジスタ１２０、１３０は、MOSFETであり得る。MOSFETは、例えば 酸化ケイ素（SiOx）および/または酸化ハフニウム（HfOx）および/または酸化アルミニウム（AlOx）を含むゲート酸化物を特徴とする場合がある。MOSFETはドープされた半導体領域を特徴とする場合がある。MOSFETは、正チャネル（PMOS）または負チャネル（NMOS）デバイスのいずれかである。
トランジスタ１２０、１３０はまた、ＨＥＭＴ／ＨＦＥＴ、またはＨＥＭＴとMOSFETの任意の組み合わせであり得る。ＨＥＭＴは、キャリア層と、キャリア層の上のバリア層とを含み得る。 図３、図４、および図５はすべて、（第１及び第２）キャリア層構造２２４、２３４および（第１及び第２）キャリア層構造２２４、２３４の上のバリア層構造２２６、２３６を含むＨＥＭＴ ／ ＨＦＥＴタイプのデバイスであるトランジスタの概略断面図を示している。２ＤＥＧは、キャリア層構造２２４、２３４とバリア層構造２２６、２３６との間の界面のキャリア層構造側に形成され得る。各図の左上隅にある（テキストの方向に基づく）真っ直ぐな太い矢印は、下から上への方向、つまり、下の基板から始まるデバイス製造の方向を示している。 MOSFETの場合と同様に、HEMTもゲート酸化物を備えている場合があります。 ＨＥＭＴのゲート酸化物は、ゲートノード１２２、１３２およびバリア層構造２２６、２３６の中間であり得る。
トランジスタ１２０、１３０はまた、ＨＥＭＴ／ＨＦＥＴ、またはＨＥＭＴとMOSFETの任意の組み合わせであり得る。ＨＥＭＴは、キャリア層と、キャリア層の上のバリア層とを含み得る。 図３、図４、および図５はすべて、（第１及び第２）キャリア層構造２２４、２３４および（第１及び第２）キャリア層構造２２４、２３４の上のバリア層構造２２６、２３６を含むＨＥＭＴ ／ ＨＦＥＴタイプのデバイスであるトランジスタの概略断面図を示している。２ＤＥＧは、キャリア層構造２２４、２３４とバリア層構造２２６、２３６との間の界面のキャリア層構造側に形成され得る。各図の左上隅にある（テキストの方向に基づく）真っ直ぐな太い矢印は、下から上への方向、つまり、下の基板から始まるデバイス製造の方向を示している。 MOSFETの場合と同様に、HEMTもゲート酸化物を備えている場合があります。 ＨＥＭＴのゲート酸化物は、ゲートノード１２２、１３２およびバリア層構造２２６、２３６の中間であり得る。
【0040】
図３は、基板層構造２９０の上に配置された第１のキャリア層構造２２４と、第１のキャリア層構造２２４の上に配置された第１のバリア層構造２２６とを備える第１のトランジスタ１２０を示している。第１のゲートノード１２２、第１のソースノード１２４、および第１のドレインノード１２６は、第１のバリア層構造２２６の上に配置されて示されている。第１のゲートノード１２２は、第１のソースノード１２４と第１のドレインノード１２６との間に位置して示されている。ノードは、スペーサー構造２５０によって物理的および空間的に分離されていることが示されている。スペーサー構造２５０によって課される物理的間隔は、例えば、1 nm～1 μmの範囲である必要がある。
【0041】
図３はさらに、基板層構造２９０の上に配置された第２のキャリア層構造２３４と、第２のキャリア層構造２３４の上に配置された第２のバリア層構造２３６とを備える第２のトランジスタ１３０を示している。第２のゲートノード１３２、第２のソースノード 134、および第２のドレインノード１３６は、第２のバリア層構造２３６の上に配置されて示されている。第２のゲートノード１３２は、第２のソースノード 134と第２のドレインノード１３６との間に位置して示されている。ノードは、スペーサー構造２５０によって物理的および空間的に分離されていることが示されている。物理的間隔は、第１のトランジスタ１２０と同様に、例えば、1 nm～1 μmの範囲である必要があります。
【0042】
基板層構造２９０は、シリコン（Ｓｉ）基板層を含み得る。 Ｓｉ基板層は、実質的に単結晶であり得る。 基板層構造２９０は、１インチから２０インチの間の直径を有するウェーハであり得る。 トランジスタ１２０、１３０は、同じ基板層構造２９０上にモノリシックに統合され得る。基板層構造２９０は、バッファ層、遷移層、およびキャッピング層などのいくつかのサブ層を含み得る。基板層構造２９０は、熱膨張係数などの材料パラメータに一致し、基板層構造２９０とキャリア層構造２２４、２３４との間の界面と格子不整合になるように構成された層を特徴とし得る。そのような層の１つは、ナノワイヤ（nanowire）アレイで強化された遷移層を含み得る。 ナノワイヤは、ＧａＮナノワイヤであり得、遷移層は、上記のキャリア層構造２２４、２３４に対して、改善されたＧａＮ結晶品質およびデバイス性能を可能にし得る。
【0043】
キャリア層構造２２４、２３４は、第１の半導体材料を含み得る。 キャリア層構造２２４、２３４は、第１の半導体材料を少なくとも部分的に含むか、または実質的に含むことができる。 バリア層構造２２６、２３６は、第２の半導体材料を含み得る。 バリア層構造２２６、２３６は、第２の半導体材料を少なくとも部分的に含むか、または実質的に含むことができる。
【0044】
【0045】
図３は、第１および第２のキャリア層構造２２４、２３４が、スペーサー構造２５０によって互いに物理的に分離されていることを示している。この図はさらに、同じスペーサー構造２５０によって互いに物理的に分離されている第１および第２のバリア層構造２２６、２３６を示している。２つのトランジスタ間のスペーサー構造２５０は、例えば 第１および第２の半導体材料にトレンチをエッチングし、スペーサー材料を堆積させることによって形成することができる。スペーサー構造２５０によって課される物理的間隔は、例えば、1 nm～1 μmの範囲である必要がある。
【0046】
本明細書で論じられるスペーサー構造２５０は、一般に、物理的スペーサー、不動態化、および隔離構造として機能する非導電性（絶縁）材料の層を指すことができる。使用できる材料の例には、誘電体材料、およびSiOx（例えば、SiO2）または窒化ケイ素Si3N4などの酸化物が含まれる。κ値が低い誘電体材料、すなわち比誘電率または誘電率が低い材料が望ましい。例えば、低κ材料のスペーサー構造は、スペーサー構造をより高いκ値の材料で作製する場合と比較して、スペーサー構造上の寄生容量を低減する可能性がある。スペーサー構造２５０は、可能な限り低いκ値、すなわち１に近づくためのエアギャップまたは真空ギャップであり得るため、スペーサー構造２５０上の寄生容量を低減する。寄生容量は、ゲートノード132とソースノード134（Cgs）の間、および/またはゲートノード132とドレインノード136（Cgd）の間、および/またはゲートノード132と半導体バルク（Cgb）。半導体バルクは、例えば、バリア層構造２２６、２３６および／またはキャリア層構造２２４、２３４および／または基板２９０を参照されたい。
【0047】
トランジスタ１２０、１３０のゲート、ソースおよびドレインノードは、金属材料または縮退ドープされた半導体材料などの導電性材料によって形成され得る。 ノード材料の例には、銅（Cu）、アルミニウム（Al）、チタン（Ti）、ニッケル（Ni）、金（Au）、銀（Ag）、ウォルフラムまたはタングステン（W）、および上記すべての合金が含まれます。 さらなる例には、多結晶Siおよび窒化チタン（TiN）が含まれる。
【0048】
図４は、第１および第２のキャリアおよびバリア層構造の間にスペーサー構造を持たない代替の実施形態を示している。 したがって、第１のキャリア層構造２２４および第２のキャリア層構造２３４は、共通のキャリア層構造２２４、２３４を形成する。同様に、第１のバリア層構造２２６および第２のバリア層構造２３６は、共通のバリア層構造２２６、２３６を形成する。
【0049】
図５は、単一のデュアルゲートデバイスを形成するために共配置されている２つのトランジスタの概略断面図を示している。 この図では、中間ノード１２４、１３６は、組み合わされたキャリア層構造２２４、２３４内に配置されている。そのようなデバイスは、中間ノード１２４、１３６が効果としてより低い寄生容量で小型化され得るので、有益な挙動を提供し得る。
【0050】
第１のトランジスタ１２０は、第１のゲートノード１２２と接地ノード１７０、または別の接地ノードに結合されている。回路は、同じ接地ノード１７０を共有する必要はないが、多くの実施形態および図において共有する。第１のゲートノード１２２が接地接続されると、第１のトランジスタ１２０は本質的にパッシブデバイスになる。そのため、トランジスタは、トランジスタの動作に応じて常にオンまたはオフになる。したがって、第１のトランジスタ１２０は、好ましくは、空乏モード（通常はオン）のトランジスタであり得る。次に、第１のトランジスタ１２０は、オン状態抵抗（Ｒｏｎ）の値を特徴とし得る。オン状態抵抗は、第１のソースノード１２４と第１のドレインノード１２６との間の電気抵抗を指す場合がある。したがって、第１のトランジスタ１２０は、チップ上で他の受動的および能動的マイクロエレクトロニクス構成要素と統合するために小型化され得る抵抗器として機能し得る。接地ノード１７０は、０Ｖ ＤＣに設定することができる。あるいは、静的ＤＣ電圧オフセットを第１のゲート１２２に接続して、少なくともエンハンスメントモードの第１のトランジスタ１２０を使用することをより実行可能にすることができる。
【0051】
回路１００において、第１のドレインノード１２６は、第２のノード１１４、すなわち、入力整流器１１０の出力ノードに接続される。第１のソースノード１２４は、第２のドレインノード１３６に接続される。 トランジスタ１２０、１３０は、直列に接続されていると理解することができる。
【0052】
回路１００は、デューティサイクル制御ユニット１４０をさらに備える。デューティサイクル制御ユニット１４０は、第２のゲートノード１３２に接続される。デューティサイクル制御ユニット１４０は、第２のトランジスタ１３０にスイッチング波形を提供するように構成される。 スイッチング波形は、方形波の過渡電圧またはAC電圧の形式にすることができる。 正弦波形などの他の波形を使用することもできる。方形波は、実質的に方形、つまり非常に高い周波数のエッジを持つものとして理解する必要がある。方形波は、立ち上がり時間と立ち下がり時間が非常に短いと説明することもできる。
波形は、高レベルと低レベルの持続時間の間のさまざまな比率を特徴とする場合がある。これは、降圧変換によって出力DC電圧レベルを制御するために使用できる。 例えば、波形の高レベルと低レベルの持続時間の比率が1：1の場合、電圧が入力電圧の半分に降圧される可能性がある。 グリッドの直接の電圧レベルは、電池の効率的および/または安全および/または実用的な充電には大きすぎる可能性があるため、これは望ましいことである。 デューティサイクル制御ユニット１４０を介して、ＤＣ電圧降圧は、充電プロセス全体を通して変更され得る。 入力電圧と出力電圧の比は、降圧比と呼ばれることがある。
第２のトランジスタ１３０は、グランドゲートされた第１のトランジスタ１２０の一般的な動作とは逆にスイッチングを実行するので、スイッチングトランジスタ１３０と呼ばれることもある。 トランジスタ１２０、１３０の一方または両方は、ラップゲートノード１２２、１３２を備えたナノワイヤトランジスタであり得る。
波形は、高レベルと低レベルの持続時間の間のさまざまな比率を特徴とする場合がある。これは、降圧変換によって出力DC電圧レベルを制御するために使用できる。 例えば、波形の高レベルと低レベルの持続時間の比率が1：1の場合、電圧が入力電圧の半分に降圧される可能性がある。 グリッドの直接の電圧レベルは、電池の効率的および/または安全および/または実用的な充電には大きすぎる可能性があるため、これは望ましいことである。 デューティサイクル制御ユニット１４０を介して、ＤＣ電圧降圧は、充電プロセス全体を通して変更され得る。 入力電圧と出力電圧の比は、降圧比と呼ばれることがある。
第２のトランジスタ１３０は、グランドゲートされた第１のトランジスタ１２０の一般的な動作とは逆にスイッチングを実行するので、スイッチングトランジスタ１３０と呼ばれることもある。 トランジスタ１２０、１３０の一方または両方は、ラップゲートノード１２２、１３２を備えたナノワイヤトランジスタであり得る。
【0053】
回路１００は、第２のソースノード１３４（バック構成、図１～２を参照）または第１のソースノード１２４（ブースト構成、図９－１０を参照）に接続された出力整流器１５０をさらに含む。出力整流器１５０は、少なくとも１つのダイオードを含む。 出力整流器１５０は、より具体的には、ＧａＮダイオードであり得る。出力整流器１５０は、ショットキーダイオードであり得る。ショットキーダイオードは、一般に、通常のpn接合ダイオードと比較して低い順方向電圧降下を特徴とし、これは、出力整流器１５０および／またはＡＣ－ＤＣコンバータ回路１００のより速い回復時間および増加した効率につながる可能性がある。ショットキーダイオードが入力整流器１１０に使用される場合、同じ利点が適用され得る。
出力整流器１５０は、接地ノード１７０から第２のソースノード134に導通するように接続することができる。本明細書で電気伝導方向を参照する場合、それらは電流の方向、すなわち電子の流れと反対の方向として理解されるべきであることに留意されたい。出力整流器１５０は、接地ノード１７０から第２のソースノード１３４への伝導経路を提供することによって、スイッチングトランジスタ１３０がオフに切り替えられたときに、潜在的に破壊的な電荷が第２のソースノード134に蓄積するのを防ぐ。
出力整流器１５０は、接地ノード１７０から第２のソースノード134に導通するように接続することができる。本明細書で電気伝導方向を参照する場合、それらは電流の方向、すなわち電子の流れと反対の方向として理解されるべきであることに留意されたい。出力整流器１５０は、接地ノード１７０から第２のソースノード１３４への伝導経路を提供することによって、スイッチングトランジスタ１３０がオフに切り替えられたときに、潜在的に破壊的な電荷が第２のソースノード134に蓄積するのを防ぐ。
【0054】
回路１００は、第２のソースノード１３４（バック構成、図１～２を参照）または出力整流器１５０の出力ノード１５１（ブースト構成、図９－１０を参照）に接続された出力電子フィルタ１６０をさらに備える。出力電子フィルタ１６０は、図２に示されるように、インダクタおよびコンデンサを備え得る。インダクタとコンデンサは直列に接続できる。出力電子フィルタ１８０は、抵抗器または抵抗器として配置されたトランジスタをさらに備えてもよい。インダクタとコンデンサは、従来のマイクロエレクトロニクス製造方法で、例えば バックエンドオブライン処理中（BEOL）に、形成できる。
【0055】
出力電子フィルタ１６０および出力整流器１５０は、一緒にフライホイール回路と呼ばれることがある。これは、エネルギーが断続的にのみ追加されるサイクルの運動量を維持する機械式フライホイールの機能と類似しているためである。インダクタとコンデンサの過渡動作により、スイッチングトランジスタがオンになると充電され、スイッチングトランジスタがオフになると電荷が解放される。したがって、本質的に静的な出力DC電圧が達成される。
【0056】
回路１００の出力ＤＣ電圧は、インダクタとコンデンサとの間のノードから抽出することができる。あるいは、回路の出力DC電圧は、コンデンサの電圧として理解され、コンデンサの両側の端子ノードで抽出される。
【0057】
回路１００は、図２に示されるように、入力電子フィルタをさらに備え得る。この図では、入力電子フィルタは、第２のノード１１４と接地ノード１７０との間のコンデンサとして実現されている。入力電子フィルタは、第２のノード１１４での整流された電圧を比較的静的なレベルに平滑化するように機能するリザーバコンデンサとして機能することができる。入力電子フィルタは、インダクタおよび／または抵抗器をさらに備え得る。抵抗器は、抵抗器として配置されたトランジスタとして実現することができる。
【0058】
回路１００は、出力電圧レベルを監視するための制御回路１８０をさらに備え得る。 制御回路１８０は、監視された出力電圧レベルに基づいてデューティサイクル制御ユニット１４０にフィードバックを供給するように構成され得る。 制御回路１８０は、例えば、 デューティサイクル制御ユニット１４０に、必要なＤＣ電圧降圧に関連するフィードバックまたは指示を供給する。
【0059】
図２では、制御回路１８０は、回路１００のＤＣ出力端子およびデューティサイクル制御ユニット１４０に接続するように示されている。制御回路１８０は、負帰還回路などのフィードバック回路であり得る。制御回路１８０は、少なくとも１つの演算増幅器（ＯＰ増幅器）を備え得る。制御回路１８０は、比例積分微分コントローラ（ＰＩＤコントローラ）をさらに含むことができる。あるいは、制御回路１８０は、ＰＩＤコントローラの一部、例えば P、I、D、PI、ID、またはPDコントローラ、だけを含むことができる。制御回路１８０は、単純な電子回路またはデジタルコンピューティングおよび／またはデータ処理能力を備えた集積回路であり得る。
【0060】
ＡＣ－ＤＣコンバータ回路１００は、降圧コンバータ回路として説明することができる。あるいは、ＡＣ－ＤＣコンバータ回路１００は、ブーストコンバータ回路であり得る。ＡＣ－ＤＣコンバータ回路１００はまた、両方の組み合わせ、すなわち、降圧ブーストコンバータ回路であり得る。
【0061】
一般に、ブーストコンバータとバックコンバータは、それぞれステップアップ機能とステップダウン機能を備えた電圧制御を備えたDC-DCコンバータ回路を指している。ＡＣ－ＤＣコンバータ回路１００は、例えば 4つのＧａＮダイオードで構成されたダイオードブリッジなどの入力整流器１１０を備えたＤＣ－ＤＣバックコンバータとして理解することができる。
【0062】
スマートフォンの電池の充電には、降圧コンバータ回路が好ましい場合があります。 このようなコンバータは、好ましくは、２３０Ｖ ＡＣの入力電圧を約９Ｖ ＤＣの出力電圧に降圧および変換するように構成され得る。
【0063】
電気自動車の電池の充電には、ブーストコンバータ回路が好ましい場合がある。このようなコンバータは、好ましくは、２３０Ｖ ＡＣの入力電圧を約３００～４００Ｖ ＤＣの出力電圧に昇圧および変換するように構成され得る。
【0064】
前述のように、図1と図2に降圧型AC-DCコンバータ回路を示している。図９および図１０は、出力整流器１５０が２つのトランジスタ１２０、１３０の中間のノード１２４、１３６に接続されることを特徴とするブースト型コンバータ回路を示している。出力フィルタ１６０は、そのような実施形態では、出力整流器の出力ノード１５１に接続されている。第２のソースノード 134は、そのような実施形態では、接地ノード１７０に接続することができる。
【0065】
図６は、ＡＣ－ＤＣコンバータデバイス３００内に含まれる回路１００を示している。デバイス３００はさらに、ＡＣ電圧源３１０からＡＣ電圧３１１を受けるためのインターフェースと、電池３２０にＤＣ電圧３１２を供給するためのインターフェースとを備える。
【0066】
ＡＣ電圧源３１０は、例えば電気壁コンセントのような送電網からＡＣ電圧を分配するための分配点として理解され得る。ＡＣ電圧３１１を受けるためのインターフェースは、少なくとも１つ、好ましくは少なくとも２つの導電性コネクタを含むソケットプラグ接続として理解され得る。ＤＣ電圧３１１を供給するためのインターフェースは、少なくとも１つの導電性コネクタとして理解され得る。
【0067】
電池３２０は、任意の二次電池、すなわち再充電可能な電池として理解することができる。電池３２０は、電気エネルギーを化学形態の例えば 鉛蓄電池、リチウムイオン電池、またはニッケル水素電池（NiMH）に貯蔵するための任意の電気化学的デバイスまたはセルとしてさらに理解することができる。
【0068】
電気化学セルは、3つの部分、アノード、電解質、及びカソードで構成されます。リチウムイオン電池用の電気化学セルの例は、次のように説明することができる。
[LiC//ポリマーゲル//CoO2+ポリマー]
アノードとカソードに2つの半電池反応があります。
アノード：LixC6（s）= xLi + 6C + xe-
カソード：xLi + + CoO2（s）+ xe- = LixCoO2（s）
[LiC//ポリマーゲル//CoO2+ポリマー]
アノードとカソードに2つの半電池反応があります。
アノード：LixC6（s）= xLi + 6C + xe-
カソード：xLi + + CoO2（s）+ xe- = LixCoO2（s）
【0069】
上記では、xは、例えば整数の変数に対応し、Liはリチウム元素に対応し、Cは炭素元素に対応し、Oは酸素元素に対応し、Coはコバルト元素に対応し、e-は電子に対応し、（s）は化合物が固体であることを示している。
【0070】
電池の充電を支配する化学反応は、ギブズの自由エネルギーΔGによって表される。電池の場合、ギブズの自由エネルギーは、ネルンストの式で与えられる化学反応の推進力である。
ここで、ΔGは過剰な化学ポテンシャル、Fは華氏定数、nは電池セルの半反応で転送される電子の数である。 この量ΔGは、エンタルピー（ΔH）およびエントロピー（ΔS）のように分解できる。
ここで、Tは温度である。 電池に電気エネルギーを加えると、エンタルピーΔHが増加しする。 電池を充電するためのより高い温度は、結果的に発熱を増加させる。 急速充電に対する電池の効率ηは、次のように書くことができます。
【数1】
【数2】
【数3】
【0071】
ターフェル式による電池半セル反応（battery half-cell reaction）の電流密度iは、次のように書くことができる。
ここで、nは上記と同じ、kは半セル反応（half-cell reaction）の速度定数、Rは単元ガス定数、Fはファラデー定数、Cはアノードまたはカソード表面の反応種濃度である。
【数4】
【0072】
以下では、本発明による電池の急速充電のための発熱の低減について説明する。電池で発生する熱は、主に電池の容量性によるものである。電池のノートン等価回路充電インピーダンスモデルには、次のように記述できるインピーダンスがあります。
ここで、R1はAC / DCコンバータ回路の等価抵抗、R2とC2は電池の関連する抵抗と静電容量、jは虚数単位、ωは電池320へのDC出力波形の周波数である。したがって、電荷を受け取るための電池３２０の電圧は、ＡＣ ／ ＤＣコンバータ１００によって電池がどのように充電されているかに依存する。電池に周波数ωの高周波ＤＣパルスを供給することによって、電池の静電容量が減少する。 ＤＣ波形は、電池に対して１～１０ミリ秒の範囲、好ましくは約１～５ミリ秒のパルスを有し得る。さらに、電池を冷却して、電池内の発熱を減らすことができる。
【数5】
【0073】
電池の充電速度は、内部抵抗を考慮して電池を充電および放電する時間を表すC定格から決定できる。1C定格および4C定格の電池の充電時間は、それぞれ1時間および7.5分である。本発明によれば、この充電時間は、電池を充電するためのＤＣ波形を制御することによってさらに短縮することができる。
【0074】
AC電圧は、45～65Hzで振動する正弦波電圧の形をとることができる。 好ましくは、振動は実質的に５０または６０Ｈｚのいずれかである。電圧レベルは、0 Vまたは別の固定（DC）電圧オフセット付近で振動する可能性がある。AC電圧のRMS値は100Vと500Vとの間である。好ましくは、ＡＣ電圧は、実質的にまたは平均して約１１０Ｖ、１１５Ｖ、２２０Ｖ、２３０Ｖ、３８０Ｖ、または４００ＶのＲＭＳ値を有する。
【0075】
ＤＣ電圧は、好ましくは０～５００Ｖの範囲の静的電圧であり得る。ＤＣ電圧は、より好ましくは１～１００Ｖの範囲であり得る。ＤＣ電圧は、最も好ましくは、実質的に、例えば 1.5、3、3.7、4、5、6、12、24、48、または96V、または、その周辺の値を有し得る。ただし、アプリケーションの場合、例えば 電化鉄道アプリケーションのために最大30kVRMSまたは5kVDCのAC電圧など、大幅に高い電圧が考慮される場合がある。DC電圧は過渡電圧として理解する必要があり、充電を最適化するためにさまざまな降圧比で変更できる。
DC電圧はパルス化される場合がある。パルスDC電圧（または電流）は、立ち上がり時間と立ち下がり時間が非常に短いため、AC電圧（または電流）と区別できる。時間の経過に伴うパルスDC信号は、例えば、ほぼ離散的なヘヴィサイドの階段関数（near discrete Heaviside step function）によって理想的に例示される。
DC電圧はパルス化される場合がある。パルスDC電圧（または電流）は、立ち上がり時間と立ち下がり時間が非常に短いため、AC電圧（または電流）と区別できる。時間の経過に伴うパルスDC信号は、例えば、ほぼ離散的なヘヴィサイドの階段関数（near discrete Heaviside step function）によって理想的に例示される。
【0076】
デバイス３００は、電気自動車（ＥＶ）または移動式電子デバイスの電池３２０にＤＣ電圧を供給するように構成され得る。EVは、たとえば 自動車、バイク、スクーター、原付、自転車、または同様の車両などの個人用輸送車両である。あるいは、EVは例えば トラック、配達用車両、または同様の車両などの商用車である。あるいは、EVは例えば 移動機械、産業機器、建設車両、トラクターまたは同様の車両などの産業キャラクタである。あるいは、EVは、船舶や航空機、又は、鉄道車両（例えば、電車）などの代替輸送形態として理解することもできる。
ＥＶを充電するために、制御回路１８０は、定電流動作（すなわち、電流レベルが一定であり、電圧レベルが過渡的である）または定電圧動作（つまり、電圧レベルが一定で、電流レベルが過渡的である）のために出力電流を調整するように構成され得る。これらの２つの動作タイプは、本明細書の他の場所でさらに説明される、電池の二相充電に利用することができる。ＡＣ－ＤＣコンバータ回路１００の出力電流は、ＥＶの電池３２０を充電するとき、３００～５００Ａの範囲にあるように構成され得る。回路１００はさらに、単相ＡＣ入力ならびに二相（二相と混同されるべきではない）および／または三相ＡＣ入力などの多相ＡＣ入力のために構成され得る。EV充電には三相AC入力が推奨される。
ＥＶを充電するために、制御回路１８０は、定電流動作（すなわち、電流レベルが一定であり、電圧レベルが過渡的である）または定電圧動作（つまり、電圧レベルが一定で、電流レベルが過渡的である）のために出力電流を調整するように構成され得る。これらの２つの動作タイプは、本明細書の他の場所でさらに説明される、電池の二相充電に利用することができる。ＡＣ－ＤＣコンバータ回路１００の出力電流は、ＥＶの電池３２０を充電するとき、３００～５００Ａの範囲にあるように構成され得る。回路１００はさらに、単相ＡＣ入力ならびに二相（二相と混同されるべきではない）および／または三相ＡＣ入力などの多相ＡＣ入力のために構成され得る。EV充電には三相AC入力が推奨される。
【0077】
モバイル電子デバイスは、電池320および例えば デジタルコンピューティングおよび/またはデータ処理能力を備えた、例えば、 携帯電話、スマートフォン、ラップトップコンピュータ、タブレット、リモコン、電卓、または同様のデバイスである。モバイル電子デバイスの充電の場合、制御回路１８０は、モバイル電子デバイスの最大１００Ｗの充電をサポートするＵＶ－Ｃ電力供給（ＵＳＢ－ＣＰＤ）の仕様に従って出力電流を調整するように構成され得る。ＡＣ－ＤＣコンバータ回路１００の出力電流は、移動式電子機器の電池３２０を充電するときに３～１０Ａの範囲にあるように構成することができる。モバイル電子デバイスの充電には、単相AC入力充電が推奨される。
【0078】
あるいは、ＡＣ－ＤＣコンバータ回路１００は、例えば AC電圧をDC電圧に変換してHVDC送電線を介して送電する高電圧DC（HVDC）コンバータまたは変圧器ステーションなどの固定装置または設備で利用することができる。
【0079】
図７は、電気自動車の電池を充電するための方法を示しており、電気自動車は、当該電池に加えて、トラクションモータおよびＡＣ－ＤＣコンバータ回路１００を含む。この方法は：
電気自動車の動きを減速すること1001と、
電気自動車の運動の減速により、前記主電動機からＡＣ型電流を生成すること１００２と、
発生したＡＣ型電流をＡＣ－ＤＣコンバータ回路１００によりＤＣ型電流に変換すること１００３と、
DC型電流で電池を充電すること1004と、を含む。
電気自動車の動きを減速すること1001と、
電気自動車の運動の減速により、前記主電動機からＡＣ型電流を生成すること１００２と、
発生したＡＣ型電流をＡＣ－ＤＣコンバータ回路１００によりＤＣ型電流に変換すること１００３と、
DC型電流で電池を充電すること1004と、を含む。
【0080】
ＤＣ型電流は、パルスＤＣ型電流であり得る。 これは、インピーダンスが減少し、充電損失が最小限に抑えられるため、有利な場合がある。 パルスＤＣ型電流は、好ましくは１～１０ミリ秒の範囲のパルスを有し得、より好ましくは１～５ミリ秒の範囲のパルスを有し得る。
【0081】
この方法は、電池を冷却することをさらに含み得る。したがって、電池の発熱に対処することができる。
【0082】
図８は、電気自動車２０００の回生ブレーキシステム２１００を示している。回生ブレーキシステム２１００は、
電池320と、
ＡＣ型電流を生成するように適合されたトラクションモータ２３００と、
電気自動車２０００を減速するように適合されたブレーキシステム２４００と、
主電動機２３００からのＡＣ型電流をＤＣ型電流に変換し、電池３２０を充電するように構成されたＡＣ－ＤＣコンバータ回路１００と、
電池３２０からのＤＣ型電流をＡＣ型電流に変換して、トラクションモータ２３００に電力を供給するように構成されたＤＣ－ＡＣコンバータ３０００と、を備える。
電池320と、
ＡＣ型電流を生成するように適合されたトラクションモータ２３００と、
電気自動車２０００を減速するように適合されたブレーキシステム２４００と、
主電動機２３００からのＡＣ型電流をＤＣ型電流に変換し、電池３２０を充電するように構成されたＡＣ－ＤＣコンバータ回路１００と、
電池３２０からのＤＣ型電流をＡＣ型電流に変換して、トラクションモータ２３００に電力を供給するように構成されたＤＣ－ＡＣコンバータ３０００と、を備える。
【0083】
トラクションモータ２３００は、回転子および固定子を含む誘導ベースの電動機であり得る。トラクションモータ２３００は、電気自動車２０００を加速および減速するために、電気自動車２０００のホイールにトルクを提供するように構成され得る。ブレーキシステム２４００は、トラクションモータ２３００と一体的に形成され得る。ブレーキシステム２４００はまた、誘導によって作動することができる。
【0084】
好ましい実施形態
本発明の好ましい実施形態は、電池の急速充電用の車載充電器であって、第１のノード１１２および第２のノード１１４を含む入力整流器１１０であって、第１のノードでＡＣ電圧を受け取り、第２のノードで整流された電圧を提供するように構成される、入力整流器と、第１のゲートノード１２２、第１のソースノード１２４、および第１のドレインノード１２６を含む第１のトランジスタ１２０であって、第１のドレインノードは、入力整流器の第２のノードに接続され、第１のゲートノードは、接地ノード１７０に接続されている、第１のトランジスタと、第２のゲートノード１３２、第２のソースノード 134、および第２のドレインノード１３６を含む第２のトランジスタ１３０であって、第２のドレインノードは第１のソースノードに接続され、物質的に第１のトランジスタに対応する、第２のトランジスタと、第２のトランジスタにスイッチング波形を供給するために第２のゲートノードに接続されたデューティサイクル制御ユニット１４０と、第２のソースノードに接続された出力整流器１５０と、第２のソースノードに接続された出力電子フィルタ１６０と、を備える。第１のトランジスタは、高電子移動度トランジスタ、ＨＥＭＴであり得、第２のトランジスタは、ＨＥＭＴであり得る。第１のトランジスタは窒化ガリウムトランジスタであり得、第２のトランジスタは窒化ガリウムトランジスタであり得る。入力整流器は、少なくとも１つのダイオードを含む半波整流器であり得る。入力整流器は、少なくとも２つのダイオードを含む全波整流器であり得、入力整流器は、第３のノード１１６をさらに含み、入力整流器は、第１のノードと第３のノードとの間でＡＣ電圧を受け取るように構成される。すべてのダイオードがＧａＮショットキーダイオードであることが好ましい。ＡＣ－ＤＣコンバータ回路は、出力電圧レベルを監視するための制御回路１８０を備えることができ、制御回路は、監視された出力電圧レベルに基づいてデューティサイクル制御ユニットにフィードバックを提供するように構成される。第１のトランジスタおよび第２のトランジスタは、同じ基板層構造２９０上にモノリシックに集積され得る。基板層構造は、シリコン基板層を含み得る。 出力整流器は窒化ガリウムダイオードであり得、入力整流器の任意のダイオードは、存在する場合、窒化ガリウムダイオードであり得る。第１のトランジスタは、基板層構造２９０の上の第１のキャリア層構造２２４と、第１のキャリア層構造の上の第１のバリア層構造２２６とを、備え、第１のゲートノードおよび第１のドレインノードは、第１のバリア層構造の上に配置され、ノードは、スペーサー構造２５０によって物理的に分離され、第２のトランジスタは、基板層構造の上の第２のキャリア層構造２３４と、第２のキャリア層構造の上の第２のバリア層構造２３６と、を備え、第２のゲートノードおよび第２のソースノードは、第２のバリア層構造の上に配置され、ノードは、スペーサー構造２５０によって物理的に分離され、第１および第２のキャリア層構造は、第１の半導体材料を含み、第１および第２のバリア層構造は、第２の半導体材料を含む。第１のキャリア層構造は、スペーサー構造２５０によって第２のキャリア層構造から物理的に分離され得、第１のバリア層構造は、同じスペーサー構造２５０によって第２のバリア層構造から物理的に分離され得る。第１のキャリア層構造は、第２のキャリア層構造に接続することができ、第１のバリア層構造は、第２のバリア層構造に接続することができる。
本発明の好ましい実施形態は、電池の急速充電用の車載充電器であって、第１のノード１１２および第２のノード１１４を含む入力整流器１１０であって、第１のノードでＡＣ電圧を受け取り、第２のノードで整流された電圧を提供するように構成される、入力整流器と、第１のゲートノード１２２、第１のソースノード１２４、および第１のドレインノード１２６を含む第１のトランジスタ１２０であって、第１のドレインノードは、入力整流器の第２のノードに接続され、第１のゲートノードは、接地ノード１７０に接続されている、第１のトランジスタと、第２のゲートノード１３２、第２のソースノード 134、および第２のドレインノード１３６を含む第２のトランジスタ１３０であって、第２のドレインノードは第１のソースノードに接続され、物質的に第１のトランジスタに対応する、第２のトランジスタと、第２のトランジスタにスイッチング波形を供給するために第２のゲートノードに接続されたデューティサイクル制御ユニット１４０と、第２のソースノードに接続された出力整流器１５０と、第２のソースノードに接続された出力電子フィルタ１６０と、を備える。第１のトランジスタは、高電子移動度トランジスタ、ＨＥＭＴであり得、第２のトランジスタは、ＨＥＭＴであり得る。第１のトランジスタは窒化ガリウムトランジスタであり得、第２のトランジスタは窒化ガリウムトランジスタであり得る。入力整流器は、少なくとも１つのダイオードを含む半波整流器であり得る。入力整流器は、少なくとも２つのダイオードを含む全波整流器であり得、入力整流器は、第３のノード１１６をさらに含み、入力整流器は、第１のノードと第３のノードとの間でＡＣ電圧を受け取るように構成される。すべてのダイオードがＧａＮショットキーダイオードであることが好ましい。ＡＣ－ＤＣコンバータ回路は、出力電圧レベルを監視するための制御回路１８０を備えることができ、制御回路は、監視された出力電圧レベルに基づいてデューティサイクル制御ユニットにフィードバックを提供するように構成される。第１のトランジスタおよび第２のトランジスタは、同じ基板層構造２９０上にモノリシックに集積され得る。基板層構造は、シリコン基板層を含み得る。 出力整流器は窒化ガリウムダイオードであり得、入力整流器の任意のダイオードは、存在する場合、窒化ガリウムダイオードであり得る。第１のトランジスタは、基板層構造２９０の上の第１のキャリア層構造２２４と、第１のキャリア層構造の上の第１のバリア層構造２２６とを、備え、第１のゲートノードおよび第１のドレインノードは、第１のバリア層構造の上に配置され、ノードは、スペーサー構造２５０によって物理的に分離され、第２のトランジスタは、基板層構造の上の第２のキャリア層構造２３４と、第２のキャリア層構造の上の第２のバリア層構造２３６と、を備え、第２のゲートノードおよび第２のソースノードは、第２のバリア層構造の上に配置され、ノードは、スペーサー構造２５０によって物理的に分離され、第１および第２のキャリア層構造は、第１の半導体材料を含み、第１および第２のバリア層構造は、第２の半導体材料を含む。第１のキャリア層構造は、スペーサー構造２５０によって第２のキャリア層構造から物理的に分離され得、第１のバリア層構造は、同じスペーサー構造２５０によって第２のバリア層構造から物理的に分離され得る。第１のキャリア層構造は、第２のキャリア層構造に接続することができ、第１のバリア層構造は、第２のバリア層構造に接続することができる。
【0085】
本発明の好ましい実施形態は、電池の急速充電のためのスマートフォン壁充電器であって、スマートフォン壁充電器は、第１のノード１１２および第２のノード１１４を含む入力整流器１１０であって、第１のノードでＡＣ電圧を受け取り、第２のノードで整流された電圧を提供するように構成される入力整流器と、第１のゲートノード１２２、第１のソースノード１２４、および第１のドレインノード１２６を含む第１のトランジスタ１２０であって、第１のドレインノードは、入力整流器の第２のノードに接続され、第１のゲートノードは、接地ノード１７０に接続されている第１のトランジスタと、第２のゲートノード１３２、第２のソースノード 134、および第２のドレインノード１３６を含む第２のトランジスタであって、第２のドレインノードが第１のソースノードに接続され、実質的に第１のトランジスタに対応する第２のトランジスタ１３０と、第２のトランジスタにスイッチング波形を供給するために第２のゲートノードに接続されたデューティサイクル制御ユニット１４０と、第２のソースノードに接続された出力整流器１５０と、第２のソースノードに接続された出力電子フィルタ１６０と、を備える。 第１のトランジスタは、高電子移動度トランジスタ、ＨＥＭＴであり得、第２のトランジスタは、ＨＥＭＴであり得る。第１のトランジスタは窒化ガリウムトランジスタであり得、第２のトランジスタは窒化ガリウムトランジスタであり得る。 入力整流器は、少なくとも１つのダイオードを含む半波整流器であり得る。 入力整流器は、少なくとも２つのダイオードを含む全波整流器であり得、入力整流器は、第３のノード１１６をさらに含み、入力整流器は、第１のノードと第３のノードとの間でＡＣ電圧を受け取るように構成される。 すべてのダイオードがＧａＮショットキーダイオードであることが好ましい。ＡＣ－ＤＣコンバータ回路は、出力電圧レベルを監視するための制御回路１８０を備えることができ、制御回路は、監視された出力電圧レベルに基づいてデューティサイクル制御ユニットにフィードバックを供給するように構成される。 第１のトランジスタおよび第２のトランジスタは、同じ基板層構造２９０上にモノリシックに集積され得る。基板層構造は、シリコン基板層を含み得る。 出力整流器は窒化ガリウムダイオードであり得、入力整流器の任意のダイオードは、存在する場合、窒化ガリウムダイオードであり得る。 第１のトランジスタは、基板層構造２９０の上の第１のキャリア層構造２２４と、 第１のキャリア層構造の上の第１のバリア層構造２２６と、を含み、第１のゲートノードおよび第１のドレインノードは、第１のバリア層構造の上に配置され、ノードは、スペーサー構造２５０によって物理的に分離され、第２のトランジスタは、基板層構造の上の第２のキャリア層構造２３４と、 第２のキャリア層構造の上にある第２のバリア層構造２３６とを含み、第２のゲートノードおよび第２のソースノードは、第２のバリア層構造の上に配置され、ノードは、スペーサー構造２５０によって物理的に分離され、第１および第２のキャリア層構造は、第１の半導体材料を含み、第１および第２のバリア層構造は、第２の半導体材料を含む。第１のキャリア層構造は、スペーサー構造２５０によって第２のキャリア層構造から物理的に分離され得、第１のバリア層構造は、同じスペーサー構造２５０によって第２のバリア層構造から物理的に分離され得る。第１のキャリア層構造は、第２のキャリア層構造に接続することができ、第１のバリア層構造は、第２のバリア層構造に接続することができる。
【0086】
本発明の別の好ましい実施形態は、請求項１～１２のいずれかに記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路１００を含むＡＣ－ＤＣコンバータデバイス３００であって、デバイスは、さらに、ＡＣ電圧源３１０からＡＣ電圧３１１を受けるためのインターフェース と、ＤＣ電圧３１２を電池３２０に供給するためのインターフェースと、を備え、電池は、電子車両の電池または移動式電子機器の電池である。
【0087】
本発明による好ましい方法は、電気自動車の電池を充電するための方法であって、電気自動車は、電池に加えて、トラクションモータおよびＡＣ－ＤＣコンバータ回路を備え、方法は：電気自動車の動きを減速すること１００１と、電気自動車の運動の減速により、前記トラクションモータからＡＣ型電流を生成すること１００２と、発生したＡＣ型電流をＡＣ－ＤＣコンバータ回路によりＤＣ型電流に変換すること１００３と、DC型電流で電池を充電すること１００４と、を備え、ＤＣ型電流は、１～１０ミリ秒の範囲のパルスを有するＤＣ波形をさらに含み、好ましくは、前記パルスは、１～５ミリ秒である。電池を冷却して、電池の発熱を減らすこともできる。
【0088】
本発明の別の好ましい実施形態は、電気自動車２０００の回生ブレーキシステム２１００であり、回生ブレーキシステムは：電池320と、 ＡＣ型電流を生成するように適合されたトラクションモータ２３００と、電気自動車を減速するように適合されたブレーキシステム２４００と、トラクションモータからのＡＣ型電流をＤＣ型電流に変換し、電池を充電するように構成された、請求項１～１３に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路１００ と、電池からのＤＣ型電流をＡＣ型電流に変換して、主電動機に電力を供給するように構成されているＤＣ－ＡＣコンバータ回路３０００と、を備える。
【0089】
開示された実施形態および利点は、単なる例示であり、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。ＡＣ－ＤＣコンバータ回路の現在の教示は、充電のためのインピーダンスを低減することによって、他の種類のより速い充電に容易に適用することができる。この説明は、例示を目的としたものであり、特許請求の範囲を限定するものではない。多くの代替、修正、および変形は、当業者には明らかであろう。本明細書に記載の例示的な実施形態の特徴、構造、方法、および他の特性を様々な方法で組み合わせて、追加のおよび／または代替の例示的な実施形態を得ることができる。本特徴は、その特徴から逸脱することなくいくつかの形態で具体化することができるので、上記の実施形態は、別段の指定がない限り、前述の説明の詳細のいずれにも限定されず、むしろ解釈されるべきであることも理解されたい。 添付の特許請求の範囲に広く定義されている範囲内。 修正および変更が当業者によって提案され得るとしても、本発明の範囲は、最新技術への貢献の範囲内に合理的に含まれるすべての変更および修正を含むことが発明者の意図である。 異なる実施形態の特徴は、必要な変更を加えて本明細書に記載されている他の実施形態と組み合わせることができる。 本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【手続補正書】
【提出日】2022-04-26
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電池のハイパワー充電用のＡＣ－ＤＣコンバータ回路（100）であって、第１のノード（１１２）および第２のノード（１１４）を含む入力整流器（１１０）であって、前記第１のノードでＡＣ電圧を受け取り、前記第２のノードで整流された電圧を供給するように構成された入力整流器（１１０）と、
第１のトランジスタ（１２０）であって、前記第１のトランジスタ（１２０）は空乏型トランジスタであり、第１のゲートノード（１２２）、第１のソースノード（１２４）、および第１のドレインノード（１２６）を含み、前記第１のドレインノードは前記入力整流器の前記第２のノードに接続されており、前記第１のゲートノードは接地ノード（１７０）に接続されている、第１のトランジスタ（１２０）と、
第２のトランジスタ（１３０）であって、第２のゲートノード（１３２）、第２のソースノード（３４４）、および第２のドレインノード（１３６）を含み、前記第２のドレインノードが第１のソースノードに接続され、物質的に前記第１のトランジスタに対応する、第２のトランジスタ（１３０）と、
前記第２のトランジスタにスイッチング波形を供給するために前記第２のゲートノードに接続されたデューティサイクル制御ユニット（１４０）と、
前記第２のソースノードに接続された出力整流器（１５０）と、
前記第２のソースノードに接続された出力電子フィルタ（１６０）と、
を備え、
前記第１のトランジスタは、
基板層構造（２９０）の上の第１のキャリア層構造（２２４）と、
第１のキャリア層構造の上にある第１のバリア層構造（２２６）と、を含み、
前記第１のゲートノードおよび前記第１のドレインノードは、前記第１のバリア層構造の上に配置され、前記ノードは、スペーサー構造（２５０）によって物理的に分離され、
前記第２のトランジスタは、
基板層構造の上の第２のキャリア層構造（２３４）と、
前記第２のキャリア層構造の上にある第２のバリア層構造（２３６）と、を含み、
前記第２のゲートノードおよび前記第２のソースノードは、前記第２のバリア層構造の上に配置され、前記ノードは、スペーサー構造（２５０）によって物理的に分離され、
前記第１および第２のキャリア層構造は、第１の半導体材料を含み、
前記第１および第２のバリア層構造は、第２の半導体材料を含み、
スペーサー構造（２５０）は、前記第１のキャリア層構造を前記第２のキャリア層構造から物理的に分離するだけでなく、前記第１のバリア層構造を前記第２のバリア層構造から物理的に分離する、
ＡＣ－ＤＣコンバータ回路（100）。
【請求項2】
電池のハイパワー充電用のＡＣ－ＤＣコンバータ回路（100）であって、第１のノード（１１２）および第２のノード（１１４）を含む入力整流器（１１０）であって、前記第１のノードでＡＣ電圧を受け取り、前記第２のノードで整流された電圧を供給するように構成された入力整流器（１１０）と、
第１のトランジスタ（１２０）であって、前記第１のトランジスタ（１２０）は空乏型トランジスタであり、第１のゲートノード（１２２）、第１のソースノード（１２４）、および第１のドレインノード（１２６）を含み、前記第１のドレインノードは前記入力整流器の前記第２のノードに接続されており、前記第１のゲートノードは接地ノード（１７０）に接続されている、第１のトランジスタ（１２０）と、
第２のトランジスタ（１３０）であって、第２のゲートノード（１３２）、第２のソースノード（３４４）、および第２のドレインノード（１３６）を含み、前記第２のドレインノードが第１のソースノードに接続され、物質的に前記第１のトランジスタに対応する、第２のトランジスタ（１３０）と、
前記第２のトランジスタにスイッチング波形を供給するために前記第２のゲートノードに接続されたデューティサイクル制御ユニット（１４０）と、
前記第１のソースノードに接続された出力整流器（１５０）と、
前記出力整流器の出力ノード（１５１）に接続された出力電子フィルタ（１６０）と、
を備え、
前記第１のトランジスタは、
基板層構造（２９０）の上の第１のキャリア層構造（２２４）と、
第１のキャリア層構造の上にある第１のバリア層構造（２２６）と、を含み、
前記第１のゲートノードおよび前記第１のドレインノードは、前記第１のバリア層構造の上に配置され、前記ノードは、スペーサー構造（２５０）によって物理的に分離され、
前記第２のトランジスタは、
基板層構造の上の第２のキャリア層構造（２３４）と、
前記第２のキャリア層構造の上にある第２のバリア層構造（２３６）と、を含み、
前記第２のゲートノードおよび前記第２のソースノードは、前記第２のバリア層構造の上に配置され、前記ノードは、スペーサー構造（２５０）によって物理的に分離され、
前記第１および第２のキャリア層構造は、第１の半導体材料を含み、
前記第１および第２のバリア層構造は、第２の半導体材料を含み、
スペーサー構造（２５０）は、前記第１のキャリア層構造を前記第２のキャリア層構造から物理的に分離するだけでなく、前記第１のバリア層構造を前記第２のバリア層構造から物理的に分離する、
ＡＣ－ＤＣコンバータ回路（100）。
【請求項3】
前記第１のトランジスタは、高電子移動度トランジスタＨＥＭＴであり、前記第２のトランジスタは、ＨＥＭＴである、請求項１又は２に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項4】
前記第１のトランジスタが窒化ガリウムトランジスタであり、前記第２のトランジスタが窒化ガリウムトランジスタである、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項5】
前記入力整流器は、少なくとも１つのダイオードを含む半波整流器である、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項6】
前記入力整流器は、少なくとも２つのダイオードを含む全波整流器であり、前記入力整流器は、さらに第３のノード（１１６）を含み、前記入力整流器は、第１のノードと第３のノードとの間でＡＣ電圧を受け取るように構成される、請求項５に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項7】
前記出力電圧レベルを監視するための制御回路（１８０）をさらに備え、前記制御回路は、監視された前記出力電圧レベルに基づいて前記デューティサイクル制御ユニットにフィードバックを提供するように構成される、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項8】
前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタは、同じ基板層構造（２９０）上にモノリシックに集積されている、請求項１ないし７のいずれか一項に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項9】
前記基板層構造がシリコン基板層を含む、請求項８に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項10】
前記 出力整流器は、窒化ガリウムダイオードであり、前記入力整流器の任意のダイオードが存在する場合は窒化ガリウムダイオードである、請求項１ないし９のいずれか一項に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項11】
前記第１のキャリア層構造が前記第２のキャリア層構造に接続されており、前記第１のバリア層構造は、前記第２のバリア層構造に接続されている、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路。
【請求項12】
ＡＣ－ＤＣコンバータデバイス（３００）であって、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路（１００）を備え、
前記デバイスは、さらに、
ＡＣ電圧源（３１０）からＡＣ電圧（３１１）を受けるためのインターフェースと、
ＤＣ電圧（３１２）を電池（３２０）に提供するためのインターフェースであって、前記電池は、電子車両の電池または移動式電子機器の電池である、インターフェースと、
を含む、ＡＣ－ＤＣコンバータデバイス（３００）。
【請求項13】
電池に加えて、トラクションモータおよび請求項１ないし１２のいずれか一項に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路を備えた電気自動車の電池を充電するための方法であって、前記方法は前記電気自動車の動きを減速すること（１００１）と、
前記電気自動車の運動の減速により、前記トラクションモータからＡＣ型電流を生成すること（１００２）と、
生成されたＡＣ型電流をＡＣ－ＤＣコンバータ回路によりＤＣ型電流に変換すること（１００３） と、
前記DC型電流で電池を充電すること（1004）と、
を備える、方法。
【請求項14】
電気自動車（2000）の回生ブレーキシステム（2100）であって、前記回生ブレーキシステムは、電池（320）と、
AC型電流を生成するように適合されたトラクションモータ（2300）と、
前記電気自動車を減速するために適合されたブレーキシステム（２４００）と、
トラクションモータからのＡＣ型電流をＤＣ型電流に変換し、前記電池を充電するように構成された、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載のＡＣ－ＤＣコンバータ回路（１００） と、
前記電池からのDC型電流をAC型電流に変換して前記トラクションモータに電力を供給するように構成されたDC-ACコンバータ回路（3000）と、を備える、回生ブレーキシステム（2100）。
【国際調査報告】