電源電路和功率因數(shù)校正電路的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本文討論的實施方式涉及電源電路和功率因數(shù)校正電路。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，其中氮化鎵(GaN)層用作電子渡越層的高電子迀移率晶體管(HEMT)取得了進步。
[0003]GaN具有約3.4eV的帶隙，其帶隙比硅(Si)的帶隙(1.1eV)或砷化鎵(GaAs)的帶隙(1.4eV)更寬。因此，基于GaN的HEMT(GaN-HEMT)的擊穿電壓高于基于Si或基于GaAs的器件的擊穿電壓，GaN-HEMT被認為有希望作為高擊穿電壓功率器件。
[0004]另一方面，如果出現(xiàn)浪涌，則在GaN-HEMT中可能出現(xiàn)故障等。因此，需要有效抑制浪涌的措施。
[0005]過去，提出了一種用于抑制浪涌電壓的技術(shù):通過執(zhí)行控制以在連接到執(zhí)行逆變器裝置的高頻開關(guān)的開關(guān)元件的緩沖電路中給電源返回充電電荷。此外，提出了一種用于通過將光接收元件產(chǎn)生的光電動勢施加到晶體管而將漏源狀態(tài)從導通狀態(tài)改變到斷開狀態(tài)的技術(shù)。
[0006]國際公開號TO2011/067838
[0007]日本專利公開號2002-353798
[0008]過去，其中組合了電感器和電容器的電路被用作防浪涌措施。例如，下面的技術(shù)是可能的。與開關(guān)元件相對應的再生電路中的反應器(電感器)與緩沖電路中的緩沖電容器共振。因此，緩沖電容器的充電電荷被返回到電源以抑制浪涌電壓。
[0009]然而，在無源元件中電感器的尺寸是大的，并且電感器的安裝區(qū)域也大。因此，其中使用電感器的電路規(guī)模較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]根據(jù)一個方面，提供了一種包括開關(guān)元件和控制部的電源電路，該控制部將開關(guān)元件操作時產(chǎn)生的反電動勢轉(zhuǎn)換成光能并且基于通過轉(zhuǎn)換光能獲得的電信號來驅(qū)動開關(guān)元件。
【附圖說明】
[0011]圖1示出了根據(jù)第一實施方式的電源電路的示例；
[0012]圖2示出了根據(jù)第二實施方式的電源電路的示例；
[0013]圖3示出了 GaN-HEMT的結(jié)構(gòu)的示例；
[0014]圖4示出了功率因數(shù)校正電路的示例；
[0015]圖5示出了控制部的示例；
[0016]圖6示出了其中產(chǎn)生負電壓的狀態(tài)的示例；
[0017]圖7示出了控制部的變型例；
[0018]圖8示出了其中產(chǎn)生浪涌電壓的狀態(tài)的示例；
[0019]圖9示出了其中抑制浪涌電壓的狀態(tài)的示例；以及
[0020]圖10示出了負電壓的產(chǎn)生的示例。
【具體實施方式】
[0021]現(xiàn)在將參照附圖描述實施方式，其中在全文中相同的附圖標記表示相似的元件。
[0022](第一實施方式)
[0023]圖1示出了根據(jù)第一實施方式的電源電路的示例。
[0024]電源電路I包括開關(guān)元件2和控制部3。電源電路I重新產(chǎn)生開關(guān)元件2操作時產(chǎn)生的反電動勢，并且使用該反電動勢用于驅(qū)動開關(guān)元件2。在下面的描述中，反電動勢將被稱為浪涌。然而，反電動勢(其可以稱為噪聲)可以比浪涌更小。
[0025]開關(guān)元件2例如是場效應晶體管(FET)并且基于控制信號被接通或關(guān)斷。
[0026]控制部3將開關(guān)元件2操作時出現(xiàn)的浪涌轉(zhuǎn)換成光能。此外，控制部3將光能轉(zhuǎn)換成電信號并且基于該電信號驅(qū)動開關(guān)元件2。
[0027]具有以上結(jié)構(gòu)的電源電路I將浪涌轉(zhuǎn)換成光能并且基于通過轉(zhuǎn)換光能獲得的電信號來驅(qū)動開關(guān)元件2。因此，不需要使用諧振元件諸如電感器作為防浪涌措施。因此，減小了電路規(guī)模。另外，浪涌被轉(zhuǎn)換成光能，從而抑制了浪涌。
[0028](第二實施方式)
[0029]圖2示出了根據(jù)第二實施方式的電源電路的示例。
[0030]電源電路Ia包括晶體管(場效應晶體管)20和控制部30?？刂撇?0包括發(fā)送器31、光電耦合器(轉(zhuǎn)換器)32和信號發(fā)生器33。晶體管20對應于圖1中所示的開關(guān)元件2，控制部30具有圖1中所示的控制部3的功能。
[0031]晶體管20執(zhí)行開關(guān)以使信號da或不使信號da流向負載側(cè)。當晶體管20斷開時，信號da流向負載側(cè)。當晶體管20接通時，信號da流向晶體管20側(cè)。
[0032]發(fā)送器31向光電耦合器32發(fā)送晶體管20中穩(wěn)定狀態(tài)之外瞬時出現(xiàn)的浪涌。光電耦合器32包括光發(fā)射元件32a和光接收元件32b。光發(fā)射元件32a將晶體管20驅(qū)動期間出現(xiàn)的浪涌轉(zhuǎn)換成光能。光接收元件32b將光能轉(zhuǎn)換成電信號。
[0033]信號發(fā)生器33根據(jù)從光電親合器32輸出的電信號產(chǎn)生要被供應到晶體管20的柵極的柵極信號。例如，當浪涌出現(xiàn)時，信號發(fā)生器33產(chǎn)生作為柵極信號的關(guān)斷電壓信號，通過該關(guān)斷電壓信號，晶體管20被關(guān)斷。此外，信號發(fā)生器33以確定的開關(guān)斷開定時產(chǎn)生關(guān)斷電壓信號，通過該關(guān)斷電壓信號，晶體管20被關(guān)斷。
[0034]此外，當浪涌電壓尚未產(chǎn)生時，信號發(fā)生器33以確定的開關(guān)接通定時產(chǎn)生接通電壓信號，通過該接通電壓信號，晶體管20被接通。
[0035]現(xiàn)在將描述晶體管20的示例。例如，GaN-HEMT被用作晶體管20。
[0036]圖3示出了 GaN-HEMT的結(jié)構(gòu)的示例。
[0037]在襯底層(導電襯底)21上形成有GaN-HEMT 20a、緩沖層22、有意未摻雜的氮化鎵(1-GaN)層23和η型氮化鎵鋁(n-AlGaN)層24。
[0038]此外，柵電極26形成在n-AlGaN層24上，源電極25和漏電極27在它們之間形成有柵電極26。
[0039]n-AlGaN層24是電子供給層，i_GaN層23是電子渡越層。此外，在i_GaN層23和n-AlGaN層24的界面附近產(chǎn)生二維電子氣(2DEG)28。例如，因為諸如2DEG28的高載流子濃度和高電子飽和速度的特性，實現(xiàn)了具有低通態(tài)電阻和高擊穿電壓的高速半導體器件。
[0040]現(xiàn)在將描述應用上述電源電路Ia的功率因數(shù)校正(PFC)電路。
[0041]圖4示出了功率因數(shù)校正電路的示例。功率因數(shù)校正電路4產(chǎn)生與輸入電壓類似的電流波形(電流與輸入電壓同相并且電流的波形具有正弦波的形狀)以提高功率因數(shù)。
[0042]功率因數(shù)校正電路4包括輸入電壓部Vin、電容器CO和Cl、電阻器R0、電感器L1、Lpl和Lp2、晶體管Tr以及二極管Dl。在下面的描述中，常導通狀態(tài)GaN-HEMT被用作晶體管Tr。然而，結(jié)型FET (JFET)可以被用作晶體管Tr。
[0043]以如下方式連接每個元件。輸入電壓部Vin的正極端子(+)連接到電容器Cl的正極端子(+)和電感器LI的一端。電感器LI的另一端連接到二極管Dl的陽極、電感器Lpl的一端以及控制部30的輸入端。
[0044]電感器Lpl的另一端連接到晶體管Tr的漏極。晶體管Tr的柵極連接到控制部30的輸出端，晶體管Tr的源極連接到電感器Lp2的一端。
[0045]二極管Dl的陰極連接到電容器CO的一端、電阻器RO的一端以及輸出端子OUT。
[0046]輸入電壓部Vin的負極端子㈠連接到電容器Cl的負極端子㈠、電感器Lp2的另一端、電容器CO的另一端、電阻器RO的另一端以及GND。
[0047]輸入電壓部Vin產(chǎn)生輸入電壓。電容器Cl對輸入電壓進行平滑。電感器LI是升壓電感器并且將經(jīng)平滑的電壓提高到確定的值。此外，流過電感器LI的信號流向二極管Dl或控制部30。二極管Dl對從電感器LI輸出的信號進行整流。
[0048]另一方面，晶體管Tr被用作開關(guān)元件。電感器Lpl和Lp2是寄生電感器，其在晶體管Tr安裝在板上時作為寄生元件出現(xiàn)?？刂撇?0控制晶體管Tr的開關(guān)(稍后將在圖5中描述控制部30的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示例)。
[0049]當晶體管Tr斷開時，從電感器LI輸出的信號流過二極管Dl并且對電容器CO (平滑電容器)充電。當晶體管Tr接通時，從電感器LI輸出的信號流過控制部30。此外，控制部30抑制由晶體管Tr附近的寄生電感器Lpl和Lp2產(chǎn)生的浪涌電壓。
[0050]假設晶體管Tr是常導通GaN-HEMT。為了接通晶體管Tr，控制部30將OV作為接通電壓信號施加到晶體管Tr的柵極。此外，為了關(guān)斷晶體管Tr，控制部30將負電壓作為關(guān)斷電壓信號施加到晶體管Tr的柵極。
[0051]作為功率因數(shù)校正電路4的應用的示例，如果功率因數(shù)校正電路4包括在開關(guān)電源裝置中，則輸入電壓由二極管橋等全波整流，并且全波整流之后的輸出信號被包括在功率因數(shù)校正電路4中的電容器Cl進行平滑。此外，直流(DC)-DC轉(zhuǎn)換器位于功率因數(shù)校正電路的輸出級處以將從輸出端子OUT輸出的信號轉(zhuǎn)換成確定的DC電壓。
[0052]現(xiàn)在將描述控制部30的電路的示例。
[0053]圖5示出了控制部的示例。
[0054]控制部30包括發(fā)送器31、光電耦合器32和信號發(fā)生器33。
[0055]發(fā)送器31包括二極管D2、電阻器Rl和電容器C2。光電親合器32包括作為光發(fā)射元件的發(fā)光二極管Dll以及作為光接收元件的光電二極管D12和D13。信號發(fā)生器33包括電容器C3、電阻器R2和脈沖發(fā)生器33a。
[0056]以如下方式連接每個元件。二極管D2的陽極連接到電阻