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公開番号2021182857
公報種別公開特許公報(A)
公開日20211125
出願番号2021083268
出願日20210517
発明の名称双方向ダブルベースバイポーラ接合トランジスタを用いたスイッチアセンブリ、及びそれを動作させる方法
出願人アイディール パワー インコーポレイテッド
代理人個人,個人,個人
主分類H02M 1/08 20060101AFI20211029BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】 双方向ダブルベースバイポーラ接合トランジスタを用いたスイッチアセンブリ、及びそれを動作させる方法を提供する。
【解決手段】 一例は、トランジスタの上部ベースに第1のレートで電荷キャリアを注入し、該第1のレートで注入することは、上部コレクタ-エミッタから下部コレクタ-エミッタへとトランジスタを流れる電流を生じさせ、該電流は、上部コレクタ-エミッタと下部コレクタ-エミッタとの間で測定して第1の電圧降下を生じさせ、次いで、トランジスタの第1の導通期間の終了前の所定の期間内、上部ベースに第1のレートよりも低い第2のレートで電荷キャリアを注入し、該第2のレートで注入することは、上部コレクタ-エミッタと下部コレクタ-エミッタとの間で測定して第2の電圧降下を生じさせ、第2の電圧降下は、第1の電圧降下よりも高く、次いで、第1の導通期間の終了時にトランジスタを非導通にする、ことを有する方法である。
【選択図】 図11

特許請求の範囲【請求項1】
双方向ダブルベースバイポーラ接合トランジスタを動作させる方法であって、
前記トランジスタの上部ベースに第1のレートで電荷キャリアを注入し、該第1のレートで注入することは、上部コレクタ−エミッタから下部コレクタ−エミッタへと前記トランジスタを流れる電流を生じさせ、該電流は、前記上部コレクタ−エミッタと前記下部コレクタ−エミッタとの間で測定して第1の電圧降下を生じさせ、次いで、
前記トランジスタの第1の導通期間の終了前の所定の期間内、前記上部ベースに前記第1のレートよりも低い第2のレートで電荷キャリアを注入し、該第2のレートで注入することは、前記上部コレクタ−エミッタと前記下部コレクタ−エミッタとの間で測定して第2の電圧降下を生じさせ、該第2の電圧降下は、前記第1の電圧降下よりも高く、次いで、
前記第1の導通期間の終了時に前記トランジスタを非導通にする、
ことを有する方法。
続きを表示(約 2,600 文字)【請求項2】
前記トランジスタを非導通にすることは更に、前記トランジスタの下部ベースを前記トランジスタの下部コレクタ−エミッタに直接結合し、前記上部ベースから電荷キャリアを引き抜くことを有する、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
当該方法は更に、前記第1のレートで電荷キャリアを注入することに先立って、前記上部ベースに前記第1のレートよりも高い第3のレートで電荷キャリアを注入することを有し、前記第3のレートで電荷キャリアを注入することは、前記トランジスタの非導通状態から導通状態へのスイッチング時間を短縮するためである、請求項1に記載の方法。
【請求項4】
前記上部ベースに前記第1のレートで電荷キャリアを注入することは更に、前記上部コレクタ−エミッタと前記上部ベースとの間に第1の電圧源を結合すること及び前記上部コレクタ−エミッタと前記上部ベースとの間に第1の電流源を結合することからなる群から選択された少なくとも一方を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項5】
前記第1の電圧降下は0.2ボルト以下であり、前記第2の電圧降下は0.4ボルトより高い、請求項1に記載の方法。
【請求項6】
上部ベース、上部コレクタ−エミッタ、下部ベース、及び下部コレクタ−エミッタを画成するバイポーラ接合トランジスタと、
前記上部ベースに結合された上部ベース端子、前記上部コレクタ−エミッタに結合された上部導通端子、前記下部ベースに結合された下部ベース端子、及び前記下部コレクタ−エミッタに結合された下部導通端子を画成するドライバであり、
前記上部ベースに第1のレートで電荷キャリアを注入し、該第1のレートで電荷キャリアを注入することは、前記上部コレクタ−エミッタから前記下部コレクタ−エミッタへの前記トランジスタの第1の導電率をもたらし、
第1の導通期間の終了を予測し、
前記第1の導通期間の終了前の所定の期間内、前記上部ベースに前記第1のレートよりも低い第2のレートで電荷キャリアを注入し、該第2のレートで電荷キャリアを注入することは、前記上部コレクタ−エミッタから前記下部コレクタ−エミッタへの前記トランジスタの第2の導電率をもたらし、該第2の導電率は、前記第1の導電率よりも低く、次いで、
前記第1の導通期間の終了時に前記トランジスタを非導通にする、
ように構成されたドライバと、
を有するスイッチアセンブリ。
【請求項7】
前記ドライバは更に、
コントローラと、
第1の出力を画成する第1の電荷キャリア源と、
前記第1の出力に結合された第1の接続、前記上部ベースに結合された第2の接続、及び前記コントローラに結合された第1の制御入力を画成する第1の電気制御式スイッチと、
を有し、
前記ドライバが前記上部ベースに前記第1のレートで電荷キャリアを注入するとき、前記コントローラは、前記第1の制御入力をアサートすることによって、前記第1の電気制御式スイッチを導通させるように構成される、
請求項6に記載のスイッチアセンブリ。
【請求項8】
第2の出力を画成する第2の電荷キャリア源であり、前記第1の電荷キャリア源とは別個の第2の電荷キャリア源と、
前記第2の出力に結合された第1の接続、前記上部ベースに結合された第2の接続、及び前記コントローラに結合された第2の制御入力を画成する第2の電気制御式スイッチと、
を更に有し、
前記ドライバが前記上部ベースに前記第2のレートで電荷キャリアを注入するとき、前記コントローラは、前記第2の制御入力をアサートすることによって、前記第2の電気制御式スイッチを導通させるように構成される、
請求項7に記載のスイッチアセンブリ。
【請求項9】
前記第1の電荷キャリア源によって画成されるセットポイント入力であり、前記コントローラに結合されたセットポイント入力、
を更に有し、
前記ドライバが前記上部ベースに前記第2のレートで電荷キャリアを注入するとき、前記コントローラは、前記第1の電荷キャリア源によって供給される電荷キャリアのレートを低下させるように構成される、
請求項7に記載のスイッチアセンブリ。
【請求項10】
前記第1の電荷キャリア源は、電圧源及び電流源からなる群から選択された少なくとも一方である、請求項7に記載のスイッチアセンブリ。
【請求項11】
コントローラと、
電荷キャリアを発生させる手段と、
電荷キャリアを発生させる前記手段に結合された第1の接続、前記上部ベースに結合された第2の接続、及び前記コントローラに結合された第1の制御入力を画成する第1の電気制御式スイッチと、
前記下部コレクタ−エミッタに結合された第1の接続、前記下部ベースに結合された第2の接続、及び前記コントローラに結合された第2の制御入力を画成する第2の電気制御式スイッチと、
を更に有し、
前記ドライバが前記トランジスタを非導通にするとき、前記コントローラは、
前記第1の制御入力をアサートすることによって前記第1の電気制御式スイッチを導通させ、前記上部ベースを通じて電荷キャリアを引き抜き、次いで、
前記第1の制御入力をデアサートすることによって前記第1の電気制御式スイッチを非導通にし、且つ
前記第2の制御入力をアサートすることによって前記第2の電気制御式スイッチを導通させる、
ように構成される、
請求項6に記載のスイッチアセンブリ。
【請求項12】
前記ドライバは更に、前記第1のレートで電荷キャリアを注入することに先立って、前記上部ベースに前記第1のレートよりも高い第3のレートで電荷キャリアを注入するように構成され、前記第3のレートで電荷キャリアを注入することは、前記トランジスタのオフモードから導通状態へのスイッチング時間を短縮するためである、
請求項6に記載のスイッチアセンブリ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
この出願は、双方向ダブルベースバイポーラ接合トランジスタに関し、特に、双方向ダブルベースバイポーラ接合トランジスタを用いたスイッチアセンブリに関する。
続きを表示(約 7,400 文字)【背景技術】
【0002】
双方向ダブルベースバイポーラ接合トランジスタ(以下、B−TRAN)は、バルク領域の第1の側のベース及びコレクタ−エミッタと、第1の側とは反対側のバルク領域の第2の側の別個の隔てられたベース及びコレクタ−エミッタと、を備えて構築される接合トランジスタである。外部ドライバによって適切に設定されるとき、電流が選択的にいずれかの方向にB−TRANを通って流れることができ、故に、B−TRANデバイスは双方向デバイスとみなされる。双方向性に基づき、コレクタ−エミッタがコレクタ(例えば、電流がB−TRANに流れ込む)とみなされるのか、それともエミッタ(例えば、電流がB−TRANから流れ出る)とみなされるのかは、印加される外部電圧、及び故に、B−TRANを通る電流の方向に依存する。特定のコレクタ−エミッタがコレクタとして作用するとき、バルク領域の同じ側のベースをコレクタ側ベース又はc−ベースと称し得る。関連して、特定のコレクタ−エミッタがエミッタとして作用するとき、バルク領域の同じ側のベースをエミッタ側ベース又はe−ベースと称し得る。例えば上部コレクタ−エミッタから下部コレクタ−エミッタへとする特定の方向の、B−TRANデバイスを通る電流を考える。そのような状況において、上部コレクタ−エミッタがコレクタとして作用し、下部コレクタ−エミッタがエミッタとして作用する。
【0003】
B−TRANは、複数の異なる導通モード及び対応する順方向電圧降下を持ち得る。例えば、ダイオードオンモードにおいて、上部ベース又はc−ベースは上部コレクタ−エミッタに直接的に結合されることができ、下部ベース又はe−ベースは電気的にフローティングにされ得る。このダイオードオンモードの例では、B−TRANを横切る順方向電圧降下は、シリコン系ダイオードの順方向電圧降下(例えば、約1.0V)ほどになり得る。しかしながら、トランジスタオンモードにおける上部コレクタ−エミッタから下部コレクタ−エミッタへの電流の状況例では、上部コレクタ−エミッタに対する上部ベースの電圧を増加させることによって、順方向電圧降下が低減され得る(例えば、両端を含めて約0.2Vと0.3Vとの間まで)。トランジスタオンモードは、より低い順方向電圧降下の点での利点を持つものの、B−TRANを非導通にするためのターンオフ時間も増加する。
【発明の概要】
【0004】
一例は、双方向ダブルベースバイポーラ接合トランジスタを動作させる方法であり、当該方法は、トランジスタの上部ベースに第1のレートで電荷キャリアを注入し、該第1のレートで注入することは、上部コレクタ−エミッタから下部コレクタ−エミッタへとトランジスタを流れる電流を生じさせ、該電流は、上部コレクタ−エミッタと下部コレクタ−エミッタとの間で測定して第1の電圧降下を生じさせ、次いで、トランジスタの第1の導通期間の終了前の所定の期間内、上部ベースに第1のレートよりも低い第2のレートで電荷キャリアを注入し、該第2のレートで注入することは、上部コレクタ−エミッタと下部コレクタ−エミッタとの間で測定して第2の電圧降下を生じさせ、該第2の電圧降下は、第1の電圧降下よりも高く、次いで、第1の導通期間の終了時にトランジスタを非導通にすることを有する。
【0005】
当該方法例において、トランジスタを非導通にすることは更に、トランジスタの下部ベースをトランジスタの下部コレクタ−エミッタに直接結合し、上部ベースから電荷キャリアを引き抜くことを有し得る。上部ベースから電荷キャリアを引き抜いた後、当該方法例は、上部ベースを電気的にフローティングにすることを有し得る。
【0006】
当該方法例は更に、第1のレートで電荷キャリアを注入することに先立って、上部ベースに第1のレートよりも高い第3のレートで電荷キャリアを注入することを有することができ、第3のレートで電荷キャリアを注入することは、トランジスタのオフモードから導通状態へのスイッチング時間を短縮するためである。
【0007】
当該方法例において、トランジスタを非導通にすることは更に、上部ベースに電荷キャリアを注入することを止め、上部ベースを電気的にフローティングにし、且つトランジスタの下部ベースをトランジスタの下部コレクタ−エミッタに直接結合することを有し得る。
【0008】
当該方法例において、上部ベースに第1のレートで電荷キャリアを注入することは更に、上部コレクタ−エミッタと上部ベースとの間に第1の電圧源を結合することを有し得る。上部ベースに第2のレートで電荷キャリアを注入することは更に、上部コレクタ−エミッタと上部ベースとの間に第2の電圧源を結合することを有することができ、第2の電圧源は第1の電圧源とは別個である。上部ベースに第2のレートで電荷キャリアを注入することは更に、第1の電圧源の出力電圧を低下させることを有してもよい。
【0009】
当該方法例において、上部ベースに第1のレートで電荷キャリアを注入することは更に、上部コレクタ−エミッタと上部ベースとの間に第1の電流源を結合することを有し得る。上部ベースに第2のレートで電荷キャリアを注入することは更に、上部コレクタ−エミッタと上部ベースとの間に第2の電流源を結合することを有し得る。上部ベースに第2のレートで電荷キャリアを注入することは更に、第1の電流源の電流出力を低下させることを有してもよい。
【0010】
当該方法例は更に、第1のレートで電荷キャリアを注入することに先立って、上部コレクタ−エミッタを上部ベースに直接結合することによってトランジスタを導通させることを有し得る。
【0011】
当該方法例において、第1の電圧降下は0.2ボルト以下とすることができ、第2の電圧降下は0.4ボルトより高いとすることができる。
【0012】
当該方法例は更に、トランジスタを非導通にした後に、トランジスタの下部ベースに第3のレートで電荷キャリアを注入し、該第3のレートで注入することは、下部コレクタ−エミッタから上部コレクタ−エミッタへとトランジスタを流れる電流を生じさせ、該電流は、下部コレクタ−エミッタと上部コレクタ−エミッタとの間に第3の電圧降下を生じさせ、次いで、第2の導通期間の終了の所定の期間内、下部ベースに第3のレートよりも低い第4のレートで電荷キャリアを注入し、該第4のレートで注入することは、下部コレクタ−エミッタと上部コレクタ−エミッタとの間で測定して第4の電圧降下を生じさせ、該第4の電圧降下は、第3の電圧降下よりも高く、次いで、第2の導通期間の終了時にトランジスタを非導通にすることを有し得る。
【0013】
他の一例は、スイッチアセンブリであり、当該スイッチアセンブリは、上部ベース、上部コレクタ−エミッタ、下部ベース、及び下部コレクタ−エミッタを画成するバイポーラ接合トランジスタと、上部ベースに結合された上部ベース端子、上部コレクタ−エミッタに結合された上部導通端子、下部ベースに結合された下部ベース端子、及び下部コレクタ−エミッタに結合された下部導通端子を画成するドライバとを有する。ドライバは、上部ベースに第1のレートで電荷キャリアを注入し、該第1のレートで電荷キャリアを注入することは、上部コレクタ−エミッタから下部コレクタ−エミッタへのトランジスタの第1の導電率をもたらし、第1の導通期間の終了を予測し、第1の導通期間の終了前の所定の期間内、上部ベースに第1のレートよりも低い第2のレートで電荷キャリアを注入し、該第2のレートで電荷キャリアを注入することは、上部コレクタ−エミッタから下部コレクタ−エミッタへのトランジスタの第2の導電率をもたらし、該第2の導電率は、第1の導電率よりも低く、次いで、第1の導通期間の終了時にトランジスタを非導通にする、ように構成され得る。
【0014】
当該スイッチアセンブリ例において、ドライバは更に、コントローラと、第1の電圧出力を画成する第1の電圧源と、第1の電圧出力に結合された第1の接続、上部ベースに結合された第2の接続、及びコントローラに結合された第1の制御入力を画成する第1の電気制御式スイッチとを有し得る。ドライバが上部ベースに第1のレートで電荷キャリアを注入するとき、コントローラは、第1の制御入力をアサートすることによって、第1の電気制御式スイッチを導通させるように構成され得る。
【0015】
当該スイッチアセンブリ例は更に、第2の電圧出力を画成する第2の電圧源であり、第1の電圧源とは別個の第2の電圧源と、第2の電圧出力に結合された第1の接続、上部ベースに結合された第2の接続、及びコントローラに結合された第2の制御入力を画成する第2の電気制御式スイッチとを有し得る。ドライバが上部ベースに第2のレートで電荷キャリアを注入するとき、コントローラは、第2の制御入力をアサートすることによって、第2の電気制御式スイッチを導通させるように構成され得る。
【0016】
当該スイッチアセンブリ例は更に、第1の電圧源によって画成されるセットポイント入力であり、コントローラに結合されたセットポイント入力を有し得る。ドライバが上部ベースに第2のレートで電荷キャリアを注入するとき、コントローラは、第1の電圧出力に与えられる電圧を低下させるように構成され得る。
【0017】
当該スイッチアセンブリ例において、ドライバは更に、コントローラと、第1の電流出力を画成する第1の電流源と、第1の電流出力に結合された第1の接続、上部ベースに結合された第2の接続、及びコントローラに結合された第1の制御入力を画成する第1の電気制御式スイッチとを有し得る。ドライバが上部ベースに第1のレートで電荷キャリアを注入するとき、コントローラは、第1の制御入力をアサートすることによって、第1の電気制御式スイッチを導通させるように構成され得る。
【0018】
当該スイッチアセンブリ例は更に、第2の電流出力を画成する第2の電流源であり、第1の電流源とは別個の第2の電流源と、第2の電流出力に結合された第1の接続、上部ベースに結合された第2の接続、及びコントローラに結合された第2の制御入力を画成する第2の電気制御式スイッチとを有し得る。ドライバが上部ベースに第2のレートで電荷キャリアを注入するとき、コントローラは、第2の制御入力をアサートすることによって、第2の電気制御式スイッチを導通させるように構成され得る。
【0019】
当該スイッチアセンブリ例は更に、第1の電流源によって画成されるセットポイント入力であり、コントローラに結合されたセットポイント入力を有し得る。ドライバが上部ベースに第2のレートで電荷キャリアを注入するとき、コントローラは、第1の電流出力に与えられる電流を低下させるように構成され得る。
【0020】
当該スイッチアセンブリ例は更に、コントローラと、電荷キャリアを発生させる手段と、電荷キャリアを発生させる手段に結合された第1の接続、上部ベースに結合された第2の接続、及びコントローラに結合された第1の制御入力を画成する第1の電気制御式スイッチと、下部コレクタ−エミッタに結合された第1の接続、下部ベースに結合された第2の接続、及びコントローラに結合された第2の制御入力を画成する第2の電気制御式スイッチとを有し得る。ドライバがトランジスタを非導通にするとき、コントローラは、第1の制御入力をアサートすることによって第1の電気制御式スイッチを導通させ、上部ベースを通じて電荷キャリアを引き抜き、次いで、第1の制御入力をデアサートすることによって第1の電気制御式スイッチを非導通にし、且つ第2の制御入力をアサートすることによって第2の電気制御式スイッチを導通させる、ように構成され得る。
【0021】
当該スイッチアセンブリ例において、ドライバがトランジスタを非導通にするとき、ドライバは、トランジスタの下部ベースをトランジスタの下部コレクタ−エミッタに直接結合し、上部ベースから電荷キャリアを引き抜くように構成され得る。ドライバがトランジスタを非導通にするとき、ドライバは更に、上部ベースからの電荷キャリアの引き抜き後に、上部ベースを電気的にフローティングにするように構成され得る。
【0022】
当該スイッチアセンブリ例において、ドライバは更に、第1のレートで電荷キャリアを注入することに先立って、上部ベースに第1のレートよりも高い第3のレートで電荷キャリアを注入するように構成されることができ、第3のレートで電荷キャリアを注入することは、トランジスタのオフモードから導通状態へのスイッチング時間を短縮するためである。
【図面の簡単な説明】
【0023】
実施形態例の詳細な説明のため、以下、添付の図面を参照する。
少なくとも一部の実施形態に従ったB−TRANの立断面図を示している。
少なくとも一部の実施形態に従った、B−TRANの一モデル例をドライバ回路と共に示す電気回路図を示している。
実施形態例に従った、B−TRANが非導通であるモデル例及びドライバ回路を示している。
少なくとも一部の実施形態に従った、ダイオード導通に構成されたモデル例及びドライバ回路を示している。
少なくとも一部の実施形態に従った、導通に構成されたモデル例及びドライバ回路を示している。
少なくとも一部の実施形態に従った、プレターンオフに構成されたモデル例及びドライバ回路を示している。
時間の関数としてのB−TRANデバイスの電圧降下のプロットを示している。
少なくとも一部の実施形態に従った、時間の関数としてのB−TRANデバイスの電圧降下のプロットを示している。
少なくとも一部の実施形態に従ったスイッチアセンブリの、部分的に電気回路図である、部分ブロック図を示している。
少なくとも一部の実施形態に従ったスイッチアセンブリの、部分的に電気回路図である、部分ブロック図を示している。
少なくとも一部の実施形態に従った、時間の関数としてのB−TRANデバイスの電圧降下のプロットを示している。
少なくとも一部の実施形態に従ったスイッチアセンブリの部分電気回路図を示している。
少なくとも一部の実施形態に従ったスイッチアセンブリの部分電気回路図を示している。
少なくとも一部の実施形態に従った方法を示している。
【発明を実施するための形態】
【0024】
定義
特定のシステムコンポーネントを参照するために様々な用語が使用されている。異なる会社は異なる名前でコンポーネントを参照することあり、この文書は、名前は異なるが機能は異ならないコンポーネントを区別することを意図していない。以下の説明及び請求項において、用語“含む”及び“有する”は、オープンエンド的に使用され、従って、“含むが、それに限られない”を意味すると解釈されるべきである。また、用語“結合する”は、間接的な接続又は直接的な接続のどちらも意味することを意図している。従って、第1のデバイスが第2のデバイスに結合する場合、その接続は、直接接続によってでもよいし、又は他のデバイス及び接続を介した間接接続によってでもよい。
【0025】
記載パラメータを参照しての“約”は、記載パラメータ、プラス/マイナス、記載パラメータの10%(+/−10%)を意味する。
【0026】
“アサートする”は、ブール(Boolean)信号の状態を変更することを意味する。ブール信号は、回路設計者の裁量にて、ハイにて、すなわち、高い方の電圧でアサートされてもよいし、ローにて、すなわち、低い方の電圧でアサートされてもよい。同様に、“デアサートする”は、ブール信号の状態を、アサートされた状態とは逆の電圧レベルに変更することを意味する。
【0027】
“双方向ダブルベースバイポーラ接合トランジスタ”は、バルク領域の第1の面又は第1の側にベース及びコレクタ−エミッタを持つとともに、バルク領域の第2の面又は第2の側にベース及びコレクタ−エミッタを持つ接合トランジスタを意味する。第1の側のベース及びコレクタ−エミッタは、第2の側のベース及びコレクタ−エミッタとは別個である。第1の側に垂直な外向きポインティングベクトルは、第2の側に垂直な外向きポインティングベクトルとは反対の方向を指す。
【0028】
“上部ベース”は、トランジスタのバルク領域の第1の側の、双方向ダブルベースバイポーラ接合トランジスタのベースを意味し、重力に対する当該ベースの位置を意味するように読まれてはならない。
【0029】
“下部ベース”は、第1の側とは反対側のトランジスタのバルク領域の第2の側の、双方向ダブルベースバイポーラ接合トランジスタのベースを意味し、重力に対する当該ベースの位置を意味するように読まれてはならない。
【0030】
“上部コレクタ−エミッタ”は、トランジスタのバルク領域の第1の側の、双方向ダブルベースバイポーラ接合トランジスタのコレクタ−エミッタを意味し、重力に対する当該コレクタ−エミッタの位置を意味するように読まれてはならない。
(【0031】以降は省略されています)

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