特表 2024-523600 窒化ガリウム双方向高電子移動度トランジスタ基板電圧管理回路

(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】2024-06-28

(54)【発明の名称】窒化ガリウム双方向高電子移動度トランジスタ基板電圧管理回路

(51)【国際特許分類】

   H02M 1/00 20070101AFI20240621BHJP

   H01L 21/8234 20060101ALI20240621BHJP

   H01L 21/8232 20060101ALI20240621BHJP

【ＦＩ】

H02M1/00 J

H01L27/06 102A

H01L27/06 F

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023579805

(86)(22)【出願日】2022-06-21

(85)【翻訳文提出日】2024-02-22

(86)【国際出願番号】 US2022034208

(87)【国際公開番号】W WO2023278194

(87)【国際公開日】2023-01-05

(31)【優先権主張番号】63/215,722

(32)【優先日】2021-06-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】515186323

【氏名又は名称】エンフェーズ エナジー インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｅｎｐｈａｓｅ Ｅｎｅｒｇｙ， Ｉｎｃ．

【住所又は居所原語表記】１４２０ Ｎｏｒｔｈ ＭｃＤｏｗｅｌｌ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ， Ｐｅｔａｌｕｍａ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ９４９５４， Ｕ．Ｓ．Ａ．

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】マイケル・ジェイ・ハリソン

(72)【発明者】

【氏名】クリスティアーン・ヨハネス・ファン・アントウェルペン

(72)【発明者】

【氏名】パトリック・ライル・チャップマン

【テーマコード（参考）】

5F048

5H740

【Ｆターム（参考）】

5F048AC10

5F048BA15

5H740BA11

5H740BB01

(57)【要約】

基板電圧管理を行うための装置が本明細書で提供されており、第１のソースおよび第２のソースを備える双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの基板に結合されるように構成される能動基板電圧管理回路を備える。能動基板電圧管理回路は、第１のソースに接続される第１の回路および第２のソースに接続される第２の回路を、双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタが動作中であるときに、基板に印加されるバイアス電圧を制御するために第１の回路または第２の回路のうちの一方が、それぞれ、基板に第１のソースをまたは基板に第２のソースをのうちの一方を接続するように、備える。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のソースおよび第２のソースを備える双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの基板に結合されるように構成される能動基板電圧管理回路を備え、
前記能動基板電圧管理回路が、前記第１のソースに接続される第１の回路および前記第２のソースに接続される第２の回路を、前記双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタが動作中であるときに、前記基板に印加されるバイアス電圧を制御するために、前記第１の回路または前記第２の回路のうちの一方が、それぞれ、前記基板に前記第１のソースをまたは前記基板に前記第２のソースを、のうちの一方を接続するように、備える、
基板電圧管理を行うための装置。

【請求項2】

前記双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタがオフにされると、前記第１のソース上の電圧が前記第２のソース上の電圧より大きいとき、前記第２の回路のトランジスタがオンにされて、前記基板を前記第２のソースに接続し、その逆もまた同様であるように、前記双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタが遮断する電圧極性が、前記第１の回路または前記第２の回路の対応するトランジスタのどの１つがオンにされるかを決定する、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタがオンにされると、前記基板が前記第１のソースにも前記第２のソースにも接続されるように、前記第１の回路および前記第２の回路の対応するトランジスタがオンにされる、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタがオンからオフにまたはオフからオンに状態を動的に変化させているとき、前記第１のソースおよび前記第２のソースにわたる変化する電圧（ｄｖ／ｄｔ）が、前記第１の回路および前記第２の回路の対応するトランジスタに対するより高いゲート電流が発生されることを可能にする、請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記第１の回路および前記第２の回路が同一である、請求項１に記載の装置。

【請求項6】

前記第１の回路および前記第２の回路が各々、
４つの抵抗器と、
コンデンサと、
ツェナーダイオードと、
トランジスタとを備える、請求項１に記載の装置。

【請求項7】

前記トランジスタがＮチャネルＭＯＳＦＥＴまたはＮチャネルＪＦＥＴの少なくとも１つである、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。

【請求項8】

少なくとも２つの抵抗器の合計が前記第１のソースまたは前記第２のソースのうちの１つに接続するインピーダンスを決定する、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。

【請求項9】

前記ツェナーダイオードが前記トランジスタのソースに接続されて、前記トランジスタのゲートおよび前記ソースにわたって印加される最大ゲート電圧を制限し、かつ
前記ツェナーダイオードが、ゲート閾値電圧より大きくかつ前記最大ゲート電圧より小さい調整電圧を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。

【請求項10】

前記能動基板電圧管理回路が、ディスクリート部品を使用して形成される、または前記双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのシリコン層もしくは窒化ガリウム層の少なくとも１つへ集積される、の一方である、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。

【請求項11】

第１のソースおよび第２のソースを備える双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタを動作させるステップと、
前記第１のソースに接続される第１の回路および前記第２のソースに接続される第２の回路を備える能動基板電圧管理回路を、前記双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタが動作中であるときに、基板に印加されるバイアス電圧を制御するために、前記第１の回路または前記第２の回路のうちの一方が、それぞれ、前記基板に前記第１のソースをまたは前記基板に前記第２のソースを、のうちの一方を接続するように、動作させるステップと
を含む、基板電圧管理を行う方法。

【請求項12】

前記双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタがオフにされると、前記第１のソース上の電圧が前記第２のソース上の電圧より大きいとき、前記第２の回路のトランジスタをオンにして、前記基板を前記第２のソースに接続するステップを更に含み、その逆もまた同様であるように、前記双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタが遮断する電圧極性が、前記第１の回路または前記第２の回路の対応するトランジスタのどの１つがオンにされるかを決定する、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタがオンにされると、前記基板が前記第１のソースにも前記第２のソースにも接続されるように、前記第１の回路および前記第２の回路の対応するトランジスタをオンにするステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項14】

前記双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタがオンからオフにまたはオフからオンに状態を動的に変化させているとき、前記第１のソースおよび前記第２のソースにわたる変化する電圧（ｄｖ／ｄｔ）が、前記第１の回路および前記第２の回路の対応するトランジスタに対するより高いゲート電流が発生されることを可能にする、請求項１１に記載の方法。

【請求項15】

前記第１の回路および前記第２の回路が同一である、請求項１１に記載の方法。

【請求項16】

前記第１の回路および前記第２の回路が各々、
４つの抵抗器と、
コンデンサと、
ツェナーダイオードと、
トランジスタとを備える、請求項１１に記載の方法。

【請求項17】

ＮチャネルＭＯＳＦＥＴまたはＮチャネルＪＦＥＴの少なくとも１つを使用するステップを更に含む、請求項１１から１６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項18】

少なくとも２つの抵抗器の合計を使用して、前記第１のソースまたは前記第２のソースのうちの１つに接続するインピーダンスを決定するステップを更に含む、請求項１１から１６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項19】

前記トランジスタのソースに接続される、前記ツェナーダイオードを使用して、前記トランジスタのゲートおよび前記ソースにわたって印加される最大ゲート電圧を制限するステップを更に含み、
前記ツェナーダイオードが、ゲート閾値電圧より大きくかつ前記最大ゲート電圧より小さい調整電圧を有する、請求項１１から１６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項20】

前記能動基板電圧管理回路が、ディスクリート部品を使用して形成される、または前記双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタのシリコン層もしくは窒化ガリウム層の少なくとも１つへ集積される、の一方である、請求項１１から１６のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の実施形態は、窒化ガリウム（ＧａＮ）双方向高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に関し、特に、双方向ＧａＮ ＨＥＭＴのための基板電圧管理に関する。

【背景技術】

【0002】

窒化ガリウム（ＧａＮ）高移動度電子トランジスタ（ＨＥＭＴ）スイッチは、４象限スイッチ（４ＱＳ）としても知られている、ネイティブ双方向スイッチ（ＢＤＳ）として構築でき、そのためＧａＮ ＨＥＭＴ ４ＱＳデバイスは、図１に図示されるような同等の「バックツーバック」対の従来の単方向ＧａＮ ＨＥＭＴデバイスより低コストで高性能を有する。

【0003】

従来の単方向ＧａＮ高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、ドレインおよびソース接続間のドリフト領域がＧａＮダイの上面に平行である横型デバイスとして作製される。既存のドレイン構造の代わりに第２のゲート－ソース構造を使用でき、ネイティブ双方向スイッチ（４ＱＳ）を容易にする。このＧａＮ ＨＥＭＴネイティブ４ＱＳは、共通ドリフト領域がいずれの方向（Ｓ１→Ｓ２またはＳ２→Ｓ１）にも使用されるのを許容して、それによって２つの従来のＧａＮ ＨＥＭＴデバイスを共に接続することによって作製される従来の４ＱＳデバイスと比較してＧａＮ面積削減を提供する。図２は、単方向および双方向の両ＧａＮ ＨＥＭＴのための簡略構造を図示する。統合ドレインＧａＮ ＨＥＭＴネイティブ４ＱＳは、共に接続されて４ＱＳデバイスを作る一対の従来の単方向ＧａＮ ＨＥＭＴと比較して４：１のダイ面積優位性を提供する。

【0004】

ＧａＮ ＨＥＭＴネイティブ４ＱＳに対するゲート駆動損失率対伝導損失率（すなわちＱ_Ｇ／Ｒ_{ＳＳ－ＯＮ}）は、２：１のスイッチ当たりのダイ面積差のため２つの従来の単方向ＧａＮ ＨＥＭＴデバイスから構築されるＧａＮ ４ＱＳに対してより２分の１である（いつでも１つのゲートだけが切り替えられる）。

【0005】

いずれのＧａＮ ＨＥＭＴデバイスでも、ＨＥＭＴデバイスが構築されるシリコン基板が適切な電圧基準に接続されて保たれることを保証することが重要である。従来の単方向ＧａＮ ＨＥＭＴデバイスに対して、基板がバイアスされるのに適切な電圧は、ソース端子電圧に近い電圧である。これは、単方向ＧａＮ ＨＥＭＴデバイスの場合、単に基板をソース接続に接続することによって容易に達成される。ＧａＮ ＨＥＭＴ双方向スイッチ（ＢＤＳまたは４ＱＳ）では、基板の基準となるのに適切な電圧は、最低電位を持つソース端子であり、－これは、ＧａＮ ＨＥＭＴ ４ＱＳデバイスにおける基板が電圧を正しいソース電位にバイアスするために何らかの形態の回路網を必要とすることを意味する。

【0006】

ＧａＮ ＨＥＭＴ ４ＱＳ基板を正しい電圧に正しくバイアスしないことの影響は、デバイスの動作に有害であり、非最適スイッチング特性に至り、例えば、基板バイアスは、過渡スイッチング特性にもオン状態特性にも影響する。以前の基板バイアス制御解決策は、受動回路の使用を含む。一例では、ダイオードおよび抵抗器の配置を備える受動回路がＧａＮトランジスタ対にわたって結合される。同回路は、基板バイアス電圧が、ダイオードによって確立される閾値レベルを超えて上昇できないことを保証するが、しかしながら、そのような回路は、基板バイアスが低レベルに降下するまたは負電圧にさえなるのを防止しない。基板バイアスのそのような可変性は、双方向ＧａＮ ＨＥＭＴスイッチの適正な動作に有害である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】米国特許出願第１７／８４２，４５９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

したがって、当該技術において４象限双方向スイッチのための改善された基板バイアス管理回路の必要性がある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示の少なくとも一部の実施形態に従って、基板電圧管理を行うための装置が、第１のソースおよび第２のソースを備える双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの基板に結合されるように構成される能動基板電圧管理回路を備えており、能動基板電圧管理回路は、第１のソースに接続される第１の回路および第２のソースに接続される第２の回路を、双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタが動作中であるときに、基板に印加されるバイアス電圧を制御するために第１の回路または第２の回路のうちの一方が、それぞれ、基板に第１のソースをまたは基板に第２のソースをのうちの一方を接続するように、備える。

【0010】

本開示の少なくとも一部の実施形態に従って、基板電圧管理を行う方法が、第１のソースおよび第２のソースを備える双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタを動作させるステップと、第１のソースに接続される第１の回路および第２のソースに接続される第２の回路を備える能動基板電圧管理回路を、双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタが動作中であるときに、基板に印加されるバイアス電圧を制御するために第１の回路または第２の回路のうちの一方が、それぞれ、基板に第１のソースをまたは基板に第２のソースをのうちの一方を接続するように、動作させるステップとを含む。

【0011】

本開示のこれらおよび他の特徴および利点は、同様の参照数字が全体を通じて同様の部分を指す添付の図に加えて、本開示の以下の詳細な説明の検討から認められ得る。

【0012】

本開示の以上の列挙された特徴を詳細に理解できるように、上に簡潔に要約された本開示のより詳細な説明が、実施形態を参照することによって得られ得るが、その一部が添付の図面に例示される。しかしながら、添付の図面が単に本開示の典型的な実施形態を例示するだけであり、したがって、その範囲を限定しているとみなされるべきではなく、本開示に他の等しく有効な実施形態の余地があり得ることが留意されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】共通ソース構成のおよび４ＱＳ統合ドレイン構成のＧａＮ ＨＥＭＴの概要図である。

【図2】共通ソース構成のおよび４ＱＳ統合ドレイン構成のＧａＮ ＨＥＭＴの横断面および上面図である。

【図3】本開示の１つまたは複数の実施形態に従う基板電圧管理回路の概要図である。

【図4】本開示の１つまたは複数の代替の実施形態に従う基板電圧管理回路の概要図である。

【図5】本開示の１つまたは複数の代替の実施形態に従う基板電圧管理を行う方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本開示の実施形態は、概して双方向ＧａＮ ＨＥＭＴスイッチのための基板電圧管理回路に関する。例えば、基板電圧管理を行うための装置が、第１のソースおよび第２のソースを備える双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの基板に結合されるように構成される能動基板電圧管理回路を備えることができる。例えば、少なくとも一部の実施形態において、能動基板電圧管理回路は、第１のソースに接続される第１の回路および第２のソースに接続される第２の回路を備える。少なくとも一部の実施形態において、双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタがオンからオフまたはオフからオンのうちの一方に状態を変えているときに、基板に印加されるバイアス電圧を制御するために第１の回路または第２の回路のうちの一方が、それぞれ、基板に第１のソースをまたは基板に第２のソースをのうちの一方を接続する。本明細書に記載される装置および方法は、ＧａＮ ＨＥＭＴ双方向スイッチの改善されたスイッチング性能および信頼性を提供する。追加的に、本明細書に記載されるＧａＮ ＨＥＭＴ双方向スイッチは、従来の単方向ＧａＮ ＨＥＭＴデバイスと比較されると４倍のダイ面積優位性を有しており、これにより、次いで、製造業者に４倍のコスト優位性を提供できる。

【0015】

図３は、本開示の１つまたは複数の実施形態に従う基板電圧管理回路３００の概要図である。ＧａＮ ＨＥＭＴ ４ＱＳ（例えば、Ｑ３０デバイス）は、５つの物理的接続を有する：ゲート１（Ｇ１）、ソース１（Ｓ１）、基板（Ｓｕｂ）、ゲート２（Ｇ２）およびソース２（Ｓ２）。２つのゲート駆動バッファ（Ｕ１０およびＵ２０）は、Ｑ３０デバイスのための必要ゲートターンオン電圧（例えば、約５Ｖ）を印加するために構成される外部ゲート駆動バッファである。

【0016】

基板電圧管理回路３００は、１つまたは複数の抵抗器、１つまたは複数のコンデンサ、１つまたは複数のツェナーダイオードおよび１つまたは複数のトランジスタを備える。例えば、少なくとも一部の実施形態において、基板電圧管理回路３００は、８つの抵抗器（Ｒ１０～Ｒ１３およびＲ２０～Ｒ２３）、２つのコンデンサ（Ｃ１０およびＣ２０）、２つのツェナーダイオード（Ｚ１０およびＺ２０）および２つのトランジスタ（Ｑ１０およびＱ２０）を備える。基板電圧管理回路３００は、２つの同一の回路を備える。例えば、少なくとも一部の実施形態において、基板電圧管理回路３００は、第１の回路３０２および第２の回路３０４を備える。第１の回路３０２は、抵抗器Ｒ１０～Ｒ１３、トランジスタＱ１０、コンデンサＣ１０およびツェナーダイオードＺ１０を備え、その全てがＱ３０デバイスのＧ１／Ｓ１側と接続される／関連付けられる。同じく、第２の回路３０４は、抵抗器Ｒ２０～Ｒ２３、トランジスタＱ２０、コンデンサＣ２０およびツェナーダイオードＺ２０を備え、その全てがＱ３０デバイスのＧ２／Ｓ２側と接続される／関連付けられる。

【0017】

能動基板電圧管理回路３００のトランジスタＱ１０およびトランジスタＱ２０は、２つの能動スイッチとして構成され、例えば、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ、ＮチャネルＪＦＥＴまたはＧａＮ ＨＥＭＴデバイスであることができる。少なくとも一部の実施形態において、トランジスタＱ１０およびトランジスタＱ２０は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴであることができる。

【0018】

Ｑ３０デバイスの基板（Ｓｕｂ）は、Ｑ１０のゲート（Ｇ）（またはＱ２０のゲートＧ）をオンにすることによってＳ１に（およびＳ２に）接続されてよい。Ｑ１０（Ｑ２０）は、２つの抵抗器Ｒ１０（Ｒ２０）およびＲ１１（Ｒ２１）を介してＱ３０デバイスの基板（Ｓｕｂ）をＳ１（Ｓ２）に接続する。２つの抵抗器の総インピーダンスＲ１０＋Ｒ１１（Ｒ２０＋Ｒ２１）が、基板（Ｓｕｂ）をＳ１（Ｓ２）に接続するインピーダンスを決定する。抵抗器Ｒ１１（Ｒ２１）は、Ｑ１０（Ｑ２０）を流れるピーク電流が設定されるのを許容できる電流制限機能を容易にしており、これにより、トランジスタＱ１０（Ｑ２０）をシュートスルー条件（例えば、Ｑ３０デバイスが実際には導通していないときにＱ１０およびＱ２０が両方共にオンである場合）に起因し得る過電流状況から保護するように機能できる。電流制限機能を追加することで、Ｑ３０デバイスのための動的状態変化条件（例えば、オンからオフ、またはオフからオン）の間に短時間のシュートスルー条件を引き起こし得るノイズに対して基板電圧管理回路３００をロバストかつ免疫にする。

【0019】

Ｒ１１（Ｒ２１）の抵抗で割られたＱ１０（Ｑ２０）のためのゲート閾値電圧が、Ｑ１０（Ｑ２０）を通る電流制限値を決定する。基板（Ｓｕｂ）からＳ１（Ｓ２）への経路にＲ１１（Ｒ２１）の値を超える付加インピーダンスが必要とされる場合、Ｒ１０（Ｒ２０）のための抵抗値をそれに応じて選ぶことができる。

【0020】

ツェナーダイオードＺ１０（Ｚ２０）は、Ｑ１０のためのゲート－ソース（Ｑ２０のためのゲート－ソース）にわたって印加される最大ゲート電圧を制限するために使用される。少なくとも一部の実施形態において、ツェナーダイオードは、Ｑ１０（Ｑ２０）ゲート閾値電圧より大きくかつ最大許容ゲート電圧より小さい調整電圧を有する。少なくとも一部の実施形態において、例えば、Ｑ１０（Ｑ２０）がＪＦＥＴデバイスである場合、ツェナーダイオードは省略できる。

【0021】

Ｑ１０（Ｑ２０）ゲートは、Ｑ３０デバイスの逆のゲートＧ２（Ｇ１）から２つの抵抗器Ｒ１２およびＲ１３（Ｒ２２およびＲ２３）およびコンデンサＣ１０（Ｃ２０）を備えるゲート駆動ネットワークによって駆動される。抵抗器Ｒ１２（Ｒ２２）の値は、Ｑ１０（Ｑ２０）に対する静的ゲート駆動電流を決定するために選ばれる一方、抵抗器Ｒ１３（Ｒ２３）の値およびコンデンサＣ１０（Ｃ２０）の値は、Ｑ１０（Ｑ２０）に対する動的ゲート駆動電流を決定するために選ばれる。

【0022】

Ｑ３０デバイスがオフにされると、Ｑ３０デバイスが遮断する電圧極性が、トランジスタＱ１０またはＱ２０のどちらがオンにされるかを決定する。例えば、Ｓ１（Ｓ２）上の電圧がＳ２（Ｓ１）上の電圧より大きいとき（ければ）、トランジスタＱ２０（Ｑ１０）がオンにされることになり、基板（Ｓｕｂ）をＳ２（Ｓ１）に接続する。Ｑ３０デバイスがオフである間、Ｑ１０（Ｑ２０）に対するゲート駆動電流は、静的ゲート抵抗器Ｒ１２（Ｒ２２）によって提供され、そしてＱ３０デバイスによって遮断されている電圧が数百ボルトもの高さであり得るので、静的ゲート駆動抵抗器Ｒ１２（Ｒ２２）の値は、ゲート駆動電力散逸を低減させるために高インピーダンス（例えば、数十万オーム）であることができる。

【0023】

同様に、Ｑ３０デバイスがオンにされると、トランジスタＱ１０およびＱ２０の両方ともオンにされる。そのため、基板電圧管理回路３００は、基板（Ｓｕｂ）をＳ１にもＳ２にも接続し、例えば、Ｑ３０デバイスがＳ１をＳ２に接続するので、Ｓ１およびＳ２における電圧は等しい。追加的に、Ｑ３０デバイスがオンである間、Ｑ１０（Ｑ２０）に対するゲート駆動電流は、静的ゲート抵抗器Ｒ１２（Ｒ２２）によって提供される。静的ゲート駆動抵抗器Ｒ１２（Ｒ２２）の抵抗が高インピーダンス（例えば、数十万オーム）であり、かつゲート駆動電圧が典型的に約５Ｖであるので、Ｑ１０およびＱ２０に提供されるゲート電流は非常に低いであろう。

【0024】

同じく、Ｑ３０デバイスが状態を動的に、例えばオンからオフにまたはオフからオンに変化させているとき、Ｑ３０デバイスのＳ１～Ｓ２にわたる変化する電圧（ｄｖ／ｄｔ）は、Ｑ１０（Ｑ２０）に対するより高いゲート電流が発生されることを可能にする。より高いゲート電流は、Ｑ３０デバイスにわたる電圧の変化率（Ｓ１～Ｓ２ ｄｖ／ｄｔ）ならびに動的ゲート駆動抵抗器Ｒ１３（Ｒ２３）および動的ゲート駆動コンデンサＣ１０（Ｃ２０）の値によって決定できる。

【0025】

動作において、基板（Ｓｕｂ）電圧は、動的スイッチング条件の間に、例えば、Ｑ３０デバイスがオンになるかオフになるかのときに基板（Ｓｕｂ）からＳ１（Ｓ２）に流れる容量性変位電流によって駆動される。そのため、動的ゲート駆動回路Ｒ１３およびＣ１０（Ｒ２３およびＣ２０）は、Ｑ１０（Ｑ２０）に対するより多くの（例えば、最多量の）実際に機能するゲート駆動電流を効果的に提供する。静的ゲート駆動抵抗器Ｒ１２（Ｒ２２）は、Ｑ１０（Ｑ２０）に対するより少量の（例えば、最少量の）実際に機能するゲート駆動電流を提供する。

【0026】

少なくとも一部の実施形態において、基板電圧管理回路３００は、ディスクリート部品を使用して実装（形成）できる、または基板電圧管理回路３００は、半導体チップに（例えば、シリコン層かＧａＮ層かに）集積できる。基板電圧管理回路３００がＧａＮ層に集積される場合、基板電圧管理回路３００全体をＱ３０デバイスと同じダイへモノリシックに集積できる。

【0027】

図４は、本開示の１つまたは複数の実施形態に従う基板電圧管理回路４００の代替の実施形態を描く。基板電圧管理回路４００は、基板電圧管理回路３００と実質的に同一である。したがって、基板電圧管理回路４００に特有である特徴だけが本明細書に記載される。基板電圧管理回路４００は、６つの抵抗器（Ｒ１０～Ｒ１２およびＲ２０～Ｒ２２）、２つのコンデンサ（Ｃ１０およびＣ２０）、２つのツェナーダイオード（Ｚ１０およびＺ２０）、２つのダイオード（Ｄ１０およびＤ２０）および２つのトランジスタ（Ｑ１０およびＱ２０）を備えることができる。基板電圧管理回路は、第１の回路４０２および第２の回路４０４（例えば、２つの同一の回路）を備える。

【0028】

Ｑ３０デバイスの基板（Ｓｕｂ）は、Ｑ１０（Ｑ２０）のゲート（Ｇ）をオンにすることによってＳ１（Ｓ２）に接続できる。Ｑ１０（Ｑ２０）は、２つの抵抗器Ｒ１０（Ｒ２０）およびＲ１１（Ｒ２１）を介してＱ３０の基板（Ｓｕｂ）をＳ１（Ｓ２）に接続する。これらの２つの抵抗器の総インピーダンスＲ１０＋Ｒ１１（Ｒ２０＋Ｒ２１）は、基板（Ｓｕｂ）をＳ１（Ｓ２）に接続するインピーダンスを決定する。抵抗器Ｒ１１（Ｒ２１）は、Ｑ１０（Ｑ２０）を流れるピーク電流が設定されるのを許容できる電流制限機能を容易にしており、これは、トランジスタＱ１０（Ｑ２０）をシュートスルー条件（Ｑ３０デバイスが実際には導通していないときにＱ１０およびＱ２０が両方共にオンである場合）に起因し得る過電流状況から保護するために使用できる。電流制限機能を追加することで、Ｑ３０デバイスのための動的状態変化条件（例えば、オンからオフ、またはオフからオン）の間に短時間のシュートスルー条件を引き起こし得るノイズに対して基板電圧管理回路４００をロバストかつ免疫にする。

【0029】

Ｒ１１（Ｒ２１）の抵抗で割られたＱ１０（Ｑ２０）のためのゲート閾値電圧が、Ｑ１０（Ｑ２０）を通る電流制限値を決定する。基板（Ｓｕｂ）からＳ１（Ｓ２）への経路にＲ１１（Ｒ２１）の値を超える付加インピーダンスが必要とされる場合、Ｒ１０（Ｒ２０）のための抵抗値をそれに応じて選ぶことができる。

【0030】

ツェナーダイオードＺ１０（Ｚ２０）は、Ｑ１０のためのゲート－ソース（Ｑ２０のためのゲート－ソース）にわたって印加される最大ゲート電圧を制限するために使用される。少なくとも一部の実施形態において、ツェナーダイオードは、Ｑ１０（Ｑ２０）ゲート閾値電圧より大きくかつ最大許容ゲート電圧より小さい調整電圧を有する。少なくとも一部の実施形態において、例えば、Ｑ１０（Ｑ２０）がＪＦＥＴデバイスである場合、ツェナーダイオードは省略できる。

【0031】

Ｑ１０（Ｑ２０）ゲートは、Ｑ３０デバイスの逆のＳ２（Ｓ１）から抵抗器Ｒ１２（Ｒ２２）、ダイオードＤ１０（Ｄ２０）およびコンデンサＣ１０（Ｃ２０）から成るゲート駆動ネットワークによって駆動される。抵抗器Ｒ１２（Ｒ２２）の値は、Ｑ１０（Ｑ２０）に対する静的ゲート駆動電流を決定するために選ばれる一方、コンデンサＣ１０（Ｃ２０）の値は、一旦Ｑ３０デバイスがオンにされるとＱ１０（Ｑ２０）がオンにされたままであろう時間を決定するために選ばれる。

【0032】

ＧａＮ ＨＥＭＴ Ｑ３０デバイスがオフにされると、Ｑ３０が遮断する電圧極性が、トランジスタＱ１０またはＱ２０のどちらがオンにされるかを決定する。Ｓ１（Ｓ２）上の電圧がＳ２（Ｓ１）上の電圧より大きいとき（ければ）、トランジスタＱ２０（Ｑ１０）がオンにされることになり、基板（Ｓｕｂ）をＳ２（Ｓ１）に接続するであろう。Ｑ３０デバイスがオフである間、Ｑ１０（Ｑ２０）に対するゲート駆動電流は、静的ゲート抵抗器Ｒ１２（Ｒ２２）によって提供され、そしてＱ３０デバイスによって遮断されている電圧が数百ボルトもの高さであり得るので、静的ゲート駆動抵抗器Ｒ１２（Ｒ２２）の値は、ゲート駆動電力散逸を低減させるために高インピーダンス（例えば、数十万オーム）であることができる。

【0033】

同様に、Ｑ３０デバイスがオンになり始めるとき、前にオンにされた（例えば、Ｑ３０オフ状態中）トランジスタＱ１０（またはＱ２０）は、コンデンサＣ１０（またはＣ２０）上の電荷のためオンにされたままであり、これにより、基板電圧管理回路４００が基板（Ｓｕｂ）を正しいソース接続Ｓ１（またはＳ２）に接続することを保証する。Ｑ３０デバイスが完全にオンになると、コンデンサＣ１０（Ｃ２０）上の電荷は、ダイオードＤ１０（Ｄ２０）を通して放電されることになり、－そのような時にＱ１０もＱ２０もオンにされることはなく、基板（Ｓｕｂ）はＳ１にもＳ２にも能動的に固定されることはないが、しかしながら、基板（Ｓｕｂ）の電圧は、Ｑ３０デバイスが最終的にオンになる前に正しいソース電圧にバイアスされることになる。

【0034】

Ｑ３０デバイスがオンにされたままである残りの期間中、基板（Ｓｕｂ）を負値にバイアスしようとする或る容量結合変位電流がある場合、トランジスタＱ１０およびＱ２０にゲート－ソース電圧が確立され、次いで、トランジスタＱ１０およびＱ２０をオンにして基板（Ｓｕｂ）をソースＳ１およびＳ２に接続する。したがって、基板（Ｓｕｂ）電圧は、トランジスタＱ１０およびＱ２０のためのゲート閾値電圧（例えば、約４Ｖ）より小さいいかなる電位にもバイアスすることはできない。

【0035】

図５は、本開示の１つまたは複数の代替の実施形態に従う基板電圧管理を行う方法５００のフローチャートである。方法５００は、基板電圧管理回路３００か基板電圧管理回路４００かを使用して実装できる。例示目的で、方法５００は、基板電圧管理回路３００を使用して本明細書に記載される。

【0036】

例えば、５０２で、方法５００は、第１のソースおよび第２のソースを備える双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタを動作させるステップを含む。例えば、少なくとも一部の実施形態において、Ｓ１およびＳ２を備えるＱ３０デバイスは、スイッチモード電力変換器のＤＣ側に結合される、ＰＶモジュールまたはバッテリなどの、ＤＣ部品、および電力変換システムの動作を制御するコントローラを備える電力変換システムと併せて使用されているときに動作することができる。１つのそのような電力変換システムが、２０２２年６月１６日出願の、所有者共通の米国特許出願第１７／８４２，４５９号に開示されており、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【0037】

次に、５０４で、方法５００は、第１のソースに接続される第１の回路および第２のソースに接続される第２の回路を備える能動基板電圧管理回路を、双方向窒化ガリウム高電子移動度トランジスタが動作中であるときに、基板に印加されるバイアス電圧を制御するために第１の回路または第２の回路のうちの一方が、それぞれ、基板に第１のソースをまたは基板に第２のソースをのうちの一方を接続するように、動作させるステップを含む。

【0038】

例えば、少なくとも一部の実施形態において、上記したように、Ｑ３０デバイスがオフにされると、Ｑ３０デバイスが遮断する電圧極性が、トランジスタＱ１０またはＱ２０のどちらがオンにされるかを決定する。例えば、Ｓ１（Ｓ２）上の電圧がＳ２（Ｓ１）上の電圧より大きいとき（ければ）、トランジスタＱ２０（Ｑ１０）がオンにされることになり、基板（Ｓｕｂ）をＳ２（Ｓ１）に接続する。Ｑ３０デバイスがオフである間、Ｑ１０（Ｑ２０）に対するゲート駆動電流は、静的ゲート抵抗器Ｒ１２（Ｒ２２）によって提供され、そしてＱ３０デバイスによって遮断されている電圧が数百ボルトもの高さであり得るので、静的ゲート駆動抵抗器Ｒ１２（Ｒ２２）の値は、ゲート駆動電力散逸を低減させるために高インピーダンス（例えば、数十万オーム）であることができる。

【0039】

同様に、Ｑ３０デバイスがオンにされると、トランジスタＱ１０およびＱ２０の両方ともオンにされる。そのため、基板電圧管理回路３００は、基板（Ｓｕｂ）をＳ１にもＳ２にも接続し、例えば、Ｑ３０デバイスがＳ１をＳ２に接続するので、Ｓ１およびＳ２における電圧は等しい。追加的に、Ｑ３０デバイスがオンである間、Ｑ１０（Ｑ２０）に対するゲート駆動電流は、静的ゲート抵抗器Ｒ１２（Ｒ２２）によって提供される。静的ゲート駆動抵抗器Ｒ１２（Ｒ２２）の抵抗が高インピーダンス（例えば、数十万オーム）であり、かつゲート駆動電圧が典型的に約５Ｖであるので、Ｑ１０およびＱ２０に提供されるゲート電流は非常に低いであろう。

【0040】

同じく、Ｑ３０デバイスが状態を動的に、例えばオンからオフにまたはオフからオンに変化させているとき、Ｑ３０デバイスのＳ１～Ｓ２にわたる変化する電圧（ｄｖ／ｄｔ）は、Ｑ１０（Ｑ２０）に対するより高いゲート電流が発生されることを可能にする。より高いゲート電流は、Ｑ３０デバイスにわたる電圧の変化率（Ｓ１～Ｓ２ ｄｖ／ｄｔ）ならびに動的ゲート駆動抵抗器Ｒ１３（Ｒ２３）および動的ゲート駆動コンデンサＣ１０（Ｃ２０）の値によって決定できる。更に上記したように、基板（Ｓｕｂ）電圧は、動的スイッチング条件の間に、例えば、Ｑ３０デバイスがオンになるかオフになるかのときに基板（Ｓｕｂ）からＳ１（Ｓ２）に流れる容量性変位電流によって駆動される。そのため、動的ゲート駆動回路Ｒ１３およびＣ１０（Ｒ２３およびＣ２０）は、Ｑ１０（Ｑ２０）に対するより多くの（例えば、最多量の）実際に機能するゲート駆動電流を効果的に提供する。静的ゲート駆動抵抗器Ｒ１２（Ｒ２２）は、Ｑ１０（Ｑ２０）に対するより少量の（例えば、最少量の）実際に機能するゲート駆動電流を提供する。

【0041】

追加的に、５０４で、基板電圧管理回路４００が使用されるとき、Ｑ３０デバイスが完全にオンになると、コンデンサＣ１０（Ｃ２０）上の電荷は、ダイオードＤ１０（Ｄ２０）を通して放電されることになり、－そのような時にＱ１０もＱ２０もオンにされることはなく、基板（Ｓｕｂ）はＳ１にもＳ２にも能動的に固定されることはないが、しかしながら、基板（Ｓｕｂ）の電圧は、Ｑ３０デバイスが最終的にオンになる前に正しいソース電圧にバイアスされることになる。

【0042】

本開示の実施形態の上記の説明は、記載されるような様々な機能を行う幾つかの素子、デバイス、回路および／またはアセンブリを含む。これらの素子、デバイス、回路および／またはアセンブリは、それらのそれぞれ記載される機能を行うための手段の例証的な実装例である。

【0043】

上記が本開示の実施形態に向けられる一方、本開示の他のおよび更なる実施形態が、その基本的な範囲から逸脱することなく考案され得、その範囲は、以下に続く請求項によって定められる。

【符号の説明】

【0044】

３００ 基板電圧管理回路
３０２ 第１の回路
３０４ 第２の回路
４００ 基板電圧管理回路
４０２ 第１の回路
４０４ 第２の回路
Ｃ１０、Ｃ２０ コンデンサ
Ｄ１０、Ｄ２０ ダイオード
Ｑ１０、Ｑ２０ トランジスタ
Ｒ１０～Ｒ１３、Ｒ２０～Ｒ２３ 抵抗器
Ｚ１０、Ｚ２０ ツェナーダイオード

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】