特表 2024-525211 スイッチモード電力変換器用途の窒化ガリウム双方向高電子移動度トランジスタ

(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】2024-07-10

(54)【発明の名称】スイッチモード電力変換器用途の窒化ガリウム双方向高電子移動度トランジスタ

(51)【国際特許分類】

   H02M 5/257 20060101AFI20240703BHJP

【ＦＩ】

H02M5/257 B

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023579322

(86)(22)【出願日】2022-06-21

(85)【翻訳文提出日】2024-02-21

(86)【国際出願番号】 US2022034222

(87)【国際公開番号】W WO2022271618

(87)【国際公開日】2022-12-29

(31)【優先権主張番号】63/214,260

(32)【優先日】2021-06-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．Ｌｉｎｕｘ

(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

【テーマコード（参考）】

5H750

【Ｆターム（参考）】

5H750BA06

5H750CC01

5H750DD13

5H750DD17

5H750DD18

5H750FF02

5H750FF05

(57)【要約】

スイッチモード電力変換器が本明細書で提供され、複数のスイッチを備えるサイクロコンバータを備え、複数のスイッチのうちの各スイッチは、第１のソース端子から第２のソース端子への第１の方向、および第２のソース端子から第１の方向への第２の方向の電流の流れを可能にするように構成される共通ドリフト領域を有するネイティブ４象限双方向スイッチである。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のスイッチを備えるサイクロコンバータを備え、前記複数のスイッチのうちの各スイッチが、第１のソース端子から第２のソース端子への第１の方向、および前記第２のソース端子から前記第１の方向への第２の方向の電流の流れを可能にするように構成された共通ドリフト領域を有するネイティブ４象限双方向スイッチである、スイッチモード電力変換器。

【請求項2】

前記ネイティブ４象限双方向スイッチが窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である、請求項１に記載のスイッチモード電力変換器。

【請求項3】

前記複数のスイッチのうちの各スイッチが２つのゲート－ソース構造を含む、請求項１に記載のスイッチモード電力変換器。

【請求項4】

前記２つのゲート－ソース構造の各々が、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層と遷移層との間に挟まれる窒化ガリウム（ＧａＮ）層の上に配設される前記窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層に結合されている、請求項３に記載のスイッチモード電力変換器。

【請求項5】

窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の上にあり不純物が各スイッチの中にしみ込むのを防ぐ不活性パッシベーション層をさらに含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のスイッチモード電力変換器。

【請求項6】

前記複数のスイッチのうちの各スイッチが２：１のダイ面積を含む、請求項１に記載のスイッチモード電力変換器。

【請求項7】

前記複数のスイッチのうちの各スイッチが単相ＡＣ出力または３相ＡＣ出力のうちの１つを生成する、請求項１から４または６のいずれか一項に記載のスイッチモード電力変換器。

【請求項8】

変圧器の１次巻線に結合されるＤＣ構成要素と、
前記変圧器の２次巻線に結合され、複数のスイッチを備えるサイクロコンバータを備えるスイッチモード電力変換器と
を備え、
前記複数のスイッチのうちの各スイッチが、第１のソース端子から第２のソース端子への第１の方向、および前記第２のソース端子から前記第１の方向への第２の方向の電流の流れを可能にするように構成された共通ドリフト領域を有するネイティブ４象限双方向スイッチである、電力変換システム。

【請求項9】

前記ネイティブ４象限双方向スイッチが窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である、請求項８に記載の電力変換システム。

【請求項10】

前記複数のスイッチのうちの各スイッチが２つのゲート－ソース構造を備える、請求項８に記載の電力変換システム。

【請求項11】

前記２つのゲート－ソース構造の各々が、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層と遷移層との間に挟まれる窒化ガリウム（ＧａＮ）層の上に配設される前記窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層に結合されている、請求項１０に記載の電力変換システム。

【請求項12】

窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の上にあり不純物が各スイッチの中にしみ込むのを防ぐ不活性パッシベーション層をさらに含む、請求項８から１１のいずれか一項に記載の電力変換システム。

【請求項13】

前記複数のスイッチのうちの各スイッチが２：１のダイ面積を含む、請求項８に記載の電力変換システム。

【請求項14】

前記複数のスイッチのうちの各スイッチが単相ＡＣ出力または３相ＡＣ出力のうちの１つを生成する、請求項８から１１または１３のいずれか一項に記載の電力変換システム。

【請求項15】

複数のスイッチを備えるサイクロコンバータを備え、前記複数のスイッチのうちの各スイッチが、第１の方向および前記第１の方向と異なる第２の方向の電流の流れを可能にするように構成された共通ドリフト領域を有するネイティブ４象限双方向スイッチである、スイッチモード電力変換器。

【請求項16】

前記ネイティブ４象限双方向スイッチが窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である、請求項１５に記載のスイッチモード電力変換器。

【請求項17】

前記複数のスイッチのうちの各スイッチが２つのゲート－ソース構造を含む、請求項１５に記載のスイッチモード電力変換器。

【請求項18】

前記２つのゲート－ソース構造の各々が、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層と遷移層との間に挟まれる窒化ガリウム（ＧａＮ）層の上に配設される前記窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層に結合される、請求項１７に記載のスイッチモード電力変換器。

【請求項19】

窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の上にあり不純物が各スイッチの中にしみ込むのを防ぐ不活性パッシベーション層をさらに含む、請求項１５から１８のいずれか一項に記載のスイッチモード電力変換器。

【請求項20】

前記複数のスイッチのうちの各スイッチが２：１のダイ面積を含む、請求項１５から１８のいずれか一項に記載のスイッチモード電力変換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の実施形態は、スイッチモード電力変換器に関し、詳細には、双方向スイッチを備えるスイッチモード電力変換器に関する。

【背景技術】

【0002】

スイッチモード電力変換器は、光起電力（ＰＶ）システムなどといった再生可能エネルギーシステムで使用されることが多い。スイッチモード電力変換器の１つのタイプは、サイクロコンバータ（または、マトリックスコンバータ）として知られており、少なくとも１つの双方向スイッチ（トランジスタ）を使用することが必要であり、これは、４象限スイッチ（４ＱＳ）とも呼ぶことができる。サイクロコンバータは、ＡＣ－ＤＣ、ＤＣ－ＡＣ、および、ＡＣ－ＡＣ用途において、単極性電力半導体デバイスに基づいた従来型スイッチモード電力変換器設計と比較して、費用および性能上の利点を有する。

【0003】

サイクロコンバータで利用される双方向スイッチは、逆直列接続中の、シリコンスーパージャンクション金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などといった、単方向（極性感度がある）トランジスタの対から形成される。しかし、電力半導体デバイスの逆直列接続した対に基づいた４ＱＳ解決策を設計する複雑さによって、サイクロコンバータベースのスイッチモード変換器設計の採用が妨げられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許第９，１３０，５７０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

したがって、当技術分野では、スイッチモード電力変換器で使用するための、４象限双方向スイッチを改善する必要がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の少なくともいくつかの態様によれば、スイッチモード電力変換器は、複数のスイッチを備えるサイクロコンバータを備え、複数のスイッチのうちの各スイッチは、第１のソース端子から第２のソース端子への第１の方向、および第２のソース端子から第１の方向への第２の方向の電流の流れを可能にするように構成される共通ドリフト領域を有するネイティブ４象限双方向スイッチである。

【0007】

本開示の少なくともいくつかの態様によれば、電力変換システムは、変圧器の１次巻線に結合されるＤＣ構成要素と、変圧器の２次巻線に結合され、複数のスイッチを備えるサイクロコンバータを備えるスイッチモード電力変換器とを備え、複数のスイッチのうちの各スイッチは、第１のソース端子から第２のソース端子への第１の方向、および第２のソース端子から第１の方向への第２の方向の電流の流れを可能にするように構成される共通ドリフト領域を有するネイティブ４象限双方向スイッチである。

【0008】

本開示の少なくともいくつかの態様によれば、スイッチモード電力変換器は、複数のスイッチを備えるサイクロコンバータを備え、複数のスイッチのうちの各スイッチは、第１の方向および第１の方向と異なる第２の方向の電流の流れを可能にするように構成される共通ドリフト領域を有するネイティブ４象限双方向スイッチである。

【0009】

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して同様の部分のことを呼ぶ添付図面とともに、本開示の以下の詳細な記載を検討することによって理解することができる。

【0010】

したがって、本開示の上記で言及した特徴が詳細に理解することができる方式、上記で簡単に概説した本開示のより具体的な記載は実施形態への参照によって有することができ、実施形態の一部は添付図面に図示される。しかし、添付図面は本開示の典型的な実施形態だけを図示しており、したがって、本開示が他の等しく効果的な実施形態を許容する場合があるために、その範囲を限定すると考えるべきでないことに留意されたい。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本開示の実施形態にしたがったスイッチモード電力変換器を備える電力変換システムの概略図である。

【図2】本開示の実施形態にしたがったスイッチモード電力変換器を備える電力変換システムの概略図である。

【図3】本開示の１つまたは複数の実施形態にしたがったスイッチＱの構造を描く断面図である。

【図4】本開示の実施形態にしたがったスイッチＱの平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本開示の実施形態は、一般的に、ネイティブ双方向スイッチを備えるスイッチモード電力変換器に関する。いくつかの実施形態では、スイッチモード電力変換器は、単相ＡＣ接続で働くように設計された、双方向（ＤＣ－ＡＣおよびＡＣ－ＤＣ）直列共振サイクロコンバータトポロジーである。他の実施形態では、スイッチモード電力変換器は、３相直列共振サイクロコンバータトポロジーである。さらに別の実施形態では、スイッチモード電力変換器は、高効率高信頼性インバータコンセプト（ＨＥＲＩＣ）インバータ、３レベルＴ型変換器、ＡＣリンクインバータ（「部分共振コンバータ」としても知られる）などといった、完全双方向スイッチを利用する任意のタイプのＡＣ－ＤＣ、ＤＣ－ＡＣ、またはＡＣ－ＡＣ電力変換器であってよい。

【0013】

本明細書に記載されるネイティブ双方向スイッチは、ネイティブ４ＱＳデバイスとして構築される、たとえば、窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）スイッチといった、４象限双方向スイッチである（４ＱＳとも呼ばれる）。そのようなＧａＮ ＨＥＭＴ ４ＱＳデバイスは、単方向ＧａＮ ＨＥＭＴデバイスなどの、従来型単方向トランジスタの「バックツーバック」対からなる４ＱＳデバイスより低い費用でより高い性能を有する。

【0014】

様々な実施形態では、本明細書に記載されるスイッチモード電力変換器は、光起電力（ＰＶ）インバータ用途などの再生可能エネルギーシステムで使用されるが、スイッチモード電力変換器は、任意の好適な用途で使用することができる。

【0015】

図１は、本開示の実施形態にしたがったスイッチモード電力変換器１０２を備える電力変換システム１００の概略図である。この図は、無数の可能なシステム構成のうちの１つの変形形態だけを表現する。本開示は、種々の電力発生環境およびシステムで機能することができる。

【0016】

電力変換システム１００は、（本明細書では「変換器１０２」と呼ばれる）スイッチモード電力変換器１０２のＤＣ側に結合されるＰＶモジュールまたは電池などのＤＣ構成要素１２０を備える。他の実施形態では、ＤＣ構成要素１２０は、別のタイプの再生可能エネルギー源（たとえば、風力発電、水力発電システムなど）、他のタイプのエネルギー貯蔵構成要素などといった、任意の好適なタイプのＤＣ構成要素であってよい。

【0017】

変換器１０２は、ＤＣ構成要素１２０の両端間、ならびに、スイッチＳ－１、Ｓ－２、Ｓ－３、およびＳ－４から形成されるＨブリッジ１０４の両端間に結合されるコンデンサ１２２を備える。スイッチＳ－１とＳ－２は直列に結合されてＨブリッジ１０４の左区間を形成し、スイッチＳ－３とＳ－４は直列に結合されてＨブリッジ１０４の右区間を形成する。

【0018】

Ｈブリッジ１０４の出力は、共振タンクを形成するコンデンサＣｒおよびインダクタＬ、ならびに変圧器１０８の１次巻線の直列連結にわたって結合される。他の実施形態では、共振タンクは、コンデンサＣｒおよびインダクタＬｒの異なる構成（たとえば、コンデンサＣｒおよびインダクタＬが並列に結合される場合がある）によって形成することができ、いくつかの実施形態では、Ｌｒは、物理的インダクタではなくむしろ変圧器１０８からのリークインダクタンスを表す場合がある。

【0019】

変圧器１０８の２次巻線とインダクタＬの直列連結は、３相ＡＣ出力を生成するサイクロコンバータ１１０にわたって結合されるが、他の実施形態では、サイクロコンバータ１１０は、その出力で１つまたは２つの位相のＡＣを生成する場合がある。サイクロコンバータ１１０は、互いに並列に結合される第１の区間、第２の区間、および第３の区間にそれぞれ３つの４Ｑ双方向スイッチＱ－１、Ｑ－２、およびＱ－３を備える（これらは、集合的にスイッチＱと呼ぶ場合がある）。本開示の実施形態によれば、スイッチＱ－１、Ｑ－２、およびＱ－３の各々は、図３を参照して下記でさらに詳細に記載される、ネイティブ４象限双方向スイッチである。

【0020】

第１のサイクロコンバータ区間はコンデンサＣ１に結合される４ＱスイッチＱ－１を備え、第２のサイクロコンバータ区間はコンデンサＣ２に結合される４ＱスイッチＱ－２を備え、第３のサイクロコンバータ区間はコンデンサＣ３に結合される４ＱスイッチＱ－３を備える。第１のＡＣ出力位相線はスイッチＱ－１とコンデンサＣ１との間に結合され、第２のＡＣ出力位相線はスイッチＱ－２とコンデンサＣ２との間に結合され、第３のＡＣ出力位相線はスイッチＱ－３とコンデンサＣ３との間に結合される。変換器１０２は、電力変換、データ報告などのためにデータを取得するための電圧および／または電流モニタなどといった、図示されない追加回路を含むこともできる。

【0021】

変換器１０２は、所望の出力電力を生成するためにスイッチを動作可能に制御するため、Ｈブリッジスイッチ（Ｓ－１、Ｓ－２、Ｓ－３、およびＳ－４）およびサイクロコンバータスイッチ（Ｑ－１、Ｑ－２、およびＱ－３）に結合されるコントローラ１０６を追加で備える。いくつかの実施形態では、変換器１０２は、双方向変換器として機能することができる。

【0022】

コントローラ１０６は、サポート回路１８３およびメモリ１８６の各々に結合されるＣＰＵ１８４を備える。ＣＰＵ１８４は、１つまたは複数の従来入手可能なマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを備えることができ、追加または代替で、ＣＰＵ１８４は、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含む場合がある。サポート回路１８３は、ＣＰＵ１８４の機能性を促進するため使用されるよく知られている回路である。そのような回路としては、限定しないが、キャッシュ、電源、クロック回路、バス、入出力（Ｉ／Ｏ）回路などが挙げられる。コントローラ１０６は、特定のソフトウェアを実行すると、本開示の様々な実施形態を実施するための専用コンピュータになる汎用コンピュータを使用して実装することができる。

【0023】

メモリ１８６は、ランダムアクセスメモリ、読取り専用メモリ、取外し可能ディスクメモリ、フラッシュメモリ、およびこれらのタイプのメモリの様々な組合せなどといった非一時的コンピュータ可読媒体である。メモリ１８６は、メインメモリと呼ばれることがあり、部分的に、キャッシュメモリまたはバッファメモリとして使用することができる。メモリ１８６は、一般的に、必要な場合には、ＣＰＵの能力によってサポートすることができるコントローラ１０６のオペレーティングシステム（ＯＳ）１８７を記憶する。いくつかの実施形態では、ＯＳ１８７は、限定しないが、ＬＩＮＵＸ、リアルタイムオペレーティングシステム（ＲＴＯＳ）などといった、いくつかの市販オペレーティングシステムの１つであってよい。

【0024】

メモリ１８６は、たとえば、最大電力点追跡（ＭＰＰＴ）、スイッチングなどの、変換器１０２による電力変換を制御するための変換制御モジュール１８９などといった、様々な形のアプリケーションソフトウェアを記憶することができる。メモリ１８６は、様々なデータを記憶するためのデータベース１９９をさらに記憶することができる。コントローラ１０６は、外部通信１９４（すなわち、ゲートウェイ）およびグリッドインターフェース１８８との入出力をさらに処理する。

【0025】

図２は、本開示の実施形態にしたがったスイッチモード電力変換器２０２を備える電力変換システム２００の概略図である。

【0026】

電力変換システム２００は、（本明細書では「変換器２０２」と呼ばれる）スイッチモード電力変換器２０２のＤＣ側に結合されるＤＣ構成要素１２０を備える。変換器２０２は、変換器１０２に関して上記で記載されたように、ＤＣ構成要素１２０およびＨブリッジ１０４の両端間に結合されるコンデンサ１２２を備える。変換器１０２に関して上記で記載されたように、Ｈブリッジ１０４の出力は、共振タンクを形成するコンデンサＣｒおよびインダクタＬｒ、ならびに変圧器１０８の１次巻線の直列連結にわたって結合される。他の実施形態では、共振タンクは、コンデンサＣｒおよびインダクタＬｒの異なる構成（たとえば、コンデンサＣｒおよびインダクタＬが並列に結合される場合がある）によって形成することができ、いくつかの実施形態では、Ｌｒは、物理的インダクタではなくむしろ変圧器１０８のリークインダクタンスを表す場合がある。

【0027】

変圧器１０８の２次巻線とインダクタＬの直列連結は、単相ＡＣ出力を生成するサイクロコンバータ２１０にわたって結合される。サイクロコンバータ２１０は、互いに並列に結合される、第１の区間および第２の区間に、それぞれ２つの双方向スイッチＱ－１およびＱ－２を備える（これらは、集合的にスイッチＱと呼ぶ場合がある）。本開示の実施形態によれば、スイッチＱ－１およびＱ－２の各々は、図３を参照して下記でさらに詳細に記載される、ネイティブ４象限双方向スイッチである。

【0028】

第１のサイクロコンバータ区間はコンデンサＣ１に結合される４ＱスイッチＱ－１を備え、第２のサイクロコンバータ区間はコンデンサＣ２に結合される４ＱスイッチＱ－２を備える。第１のＡＣ出力位相線はスイッチＱ－１とコンデンサＣ１との間に結合され、第２のＡＣ出力位相線はスイッチＱ－２とコンデンサＣ２との間に結合される。変換器２０２は、電力変換、データ報告などのためにデータを取得するための電圧および／または電流モニタなどといった、図示されない追加回路を含むこともできる。

【0029】

変換器２０２は、所望の出力電力を生成するためにスイッチを動作可能に制御するため、Ｈブリッジスイッチ（Ｓ－１、Ｓ－２、Ｓ－３、およびＳ－４）およびサイクロコンバータスイッチ（Ｑ－１およびＱ－２）に結合されるコントローラ２０６を追加で備える。いくつかの実施形態では、変換器２０２は、双方向変換器として機能することができる。

【0030】

コントローラ２０６は、サポート回路２８３およびメモリ２８６の各々に結合されるＣＰＵ２８４を備える。ＣＰＵ２８４は、１つまたは複数の従来入手可能なマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを備えることができ、追加または代替で、ＣＰＵ２８４は、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含む場合がある。サポート回路２８３は、ＣＰＵ２８４の機能性を促進するため使用されるよく知られている回路である。そのような回路としては、限定しないが、キャッシュ、電源、クロック回路、バス、入出力（Ｉ／Ｏ）回路などが挙げられる。コントローラ２０６は、特定のソフトウェアを実行すると、本開示の様々な実施形態を実施するための専用コンピュータになる汎用コンピュータを使用して実装することができる。

【0031】

メモリ２８６は、ランダムアクセスメモリ、読取り専用メモリ、取外し可能ディスクメモリ、フラッシュメモリ、およびこれらのタイプのメモリの様々な組合せなどといった非一時的コンピュータ可読媒体である。メモリ２８６は、メインメモリと呼ばれることがあり、部分的に、キャッシュメモリまたはバッファメモリとして使用することができる。メモリ２８６は、一般的に、必要な場合には、ＣＰＵの能力によってサポートすることができるコントローラ２０６のオペレーティングシステム（ＯＳ）２８７を記憶する。いくつかの実施形態では、ＯＳ２８７は、限定しないが、ＬＩＮＵＸ、リアルタイムオペレーティングシステム（ＲＴＯＳ）などといった、いくつかの市販オペレーティングシステムの１つであってよい。

【0032】

メモリ２８６は、たとえば、最大電力点追跡（ＭＰＰＴ）、スイッチングなどの、変換器２０２による電力変換を制御するための変換制御モジュール２８９などといった、様々な形のアプリケーションソフトウェアを記憶することができる。メモリ２８６は、様々なデータを記憶するためのデータベース２９９をさらに記憶することができる。コントローラ２０６は、外部通信１９４（すなわち、ゲートウェイ）およびグリッドインターフェース１８８との入出力をさらに処理する。

【0033】

図３は、本開示の１つまたは複数の実施形態にしたがったスイッチＱの構造を描く断面図である。スイッチＱは、層３０２、３０４、３０６、３０８、および３１２を備える窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造であり、ソース端子３１０－Ｓ－１／３１０－Ｓ－２およびゲート端子３１０－Ｇ１／３１０－Ｇ２が層３０８と結合する。ドレイン接続とソース接続との間のドリフト領域がＧａＮダイの上面に対して平行な横方向デバイスとして製造される従来型単方向ＧａＮ ＨＥＭＴスイッチとは対照的に、スイッチＱは、ネイティブ４象限双方向スイッチＱを容易にするため、２つのゲート－ソース構造を備える（そのうちの１つが、従来型単方向ＧａＮ ＨＥＭＴスイッチのドレイン構造の代わりに使用される）。そのため、スイッチＱは、共通ドリフト領域が両方の方向で（すなわち、ソース端子３１０－Ｓ－１からソース端子３１０－Ｓ－２の方向に流れる電流のため、またはソース端子３１０－Ｓ－２からソース端子３１０－Ｓ－１の方向に流れる電流のため）使用されるのを可能にし、正電圧または負電圧のいずれかをブロックし、それによって、２つの従来型ＧａＮ ＨＥＭＴデバイスを一緒に接続することにより製造された従来型４Ｑデバイスと比較して、ＧａＮ面積の縮小を実現する。様々な実施形態では、スイッチＱは、従来型単方向ＧａＮ ＨＥＭＴのダイ面積の半分であるダイ面積を有することができ、したがって、４Ｑデバイスを形成するために一緒に接続される従来型単方向ＧａＮ ＨＥＭＴの対と比較して４：１のダイ面積の利点が実現される。さらに、スイッチＱについてのゲート駆動損失対導電損失比（すなわち、Ｑ_Ｇ／Ｒ_{ＳＳ－ＯＮ}）は、スイッチ毎の２：１のダイ面積の差異に起因して２つの従来型単方向ＧａＮ ＨＥＭＴデバイスから構築されるＧａＮ ４Ｑスイッチより１／２低い（ゲート３１０－Ｇ１、３１０－Ｇ２のうちの唯１つが任意の所与の時間にスイッチ動作する）。

【0034】

図３に描かれるように、ベース層３０２は典型的には０．７ｍｍ厚の程度のシリコン（Ｓｉ）基板である。層３０２と３０６との間に挟まれる層３０４は、典型的には数ナノメートル厚の程度の遷移層である（いくつかの実施形態では、これは２つ以上の異なる元素を含むことができる）。層３０４と３０８との間に挟まれる層３０６は、典型的には数マイクロメートル厚の程度の窒化ガリウム（ＧａＮ）層である。層３０６の上記の層３０８は、典型的には数マイクロメートル厚の程度の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層である。層３０８の上にある層３１２は、環境からの不純物がスイッチＱの構造の中にしみ込むのを防ぐために使用される不活性パッシベーション層（たとえば、ガラス状堆積層）である。

【0035】

ソース端子３１０－Ｓ－１／３１０－Ｓ－２は、典型的には、層３０８へのオーム性接触をするため当技術分野で知られている組成を有する薄い金属層であり、ゲート端子３１０－Ｇ１／３１０－Ｇ２は、典型的には、層３０８へのショットキー接触を行う当技術分野で知られている組成を有する薄い金属層である。

【0036】

いくつかの代替実施形態では、他のタイプの材料および／または構造を、スイッチＱのために使用する場合がある。たとえば、炭化ケイ素などのＧａＮ以外のワイドバンドギャップ材料を利用することができ、および／または、金属－酸化物－半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）構造などのＨＥＭＴ構造以外の構造を使用することができる。

【0037】

スイッチＱの例は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる、「Ｆｏｕｒ Ｑｕａｄｒａｎｔ Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｓｗｉｔｃｈ」という題名の、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第９，１３０，５７０号に見いだすことができる。

【0038】

図４は、本開示の実施形態にしたがったスイッチＱの平面図である。スイッチＱの平面図は、スイッチＱの頂部の一端で互いの近くに配置されるソース端子３１０－Ｓ－１およびゲート端子３１０－Ｇ１、ならびに、スイッチＱの頂部の反対の端で互いの近くに配置されるソース端子３１０－Ｓ－２およびゲート端子３１０－Ｇ２を描く。

【0039】

本開示の実施形態の上記の記載は、記載されたような様々な機能を行ういくつかの要素、デバイス、回路、および／または組立体を備える。これらの要素、デバイス、回路、および／または組立体は、それらがそれぞれ記載された機能を実施するための手段の例示的な実装形態である。

【0040】

上記は、本開示の実施形態を対象とするが、本開示の他の実施形態およびさらなる実施形態を、その基本的範囲から逸脱することなく考案することができ、その範囲は、以下の請求項によって決定される。

【符号の説明】

【0041】

１００ 電力変換システム
１０２ スイッチモード電力変換器
１０４ Ｈブリッジ
１０６ コントローラ
１０８ 変圧器
１１０ サイクロコンバータ
１２０ ＤＣ構成要素
１２２ コンデンサ
１８３ サポート回路
１８４ ＣＰＵ
１８６ メモリ
１８７ オペレーティングシステム、ＯＳ
１８８ グリッドインターフェース
１８９ 変換制御モジュール
１９４ 外部通信
１９９ データベース
２００ 電力変換システム
２０２ スイッチモード電力変換器
２０６ コントローラ
２１０ サイクロコンバータ
２８３ サポート回路
２８４ ＣＰＵ
２８６ メモリ
２８７ オペレーティングシステム、ＯＳ
２８９ 変換制御モジュール
２９９ データベース
３０２ Ｓｉ基板、層、ベース層
３０４ 層、遷移層
３０６ 層
３０８ 層
３１０－Ｇ１ ゲート端子
３１０－Ｇ２ ゲート端子
３１０－Ｓ－１ ソース端子
３１０－Ｓ－２ ソース端子
３１２ 層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】