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公開番号2024042611
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-03-28
出願番号2022147447
出願日2022-09-15
発明の名称電力変換回路および制御システム
出願人株式会社FLOSFIA,株式会社デンソー,株式会社ミライズテクノロジーズ
代理人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20240321BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】酸化ガリウム系半導体の特性劣化を抑制しつつ動作させる電力変換回路を提供する。
【解決手段】スイッチング素子509と、スイッチング素子509の短絡状態を検出し、検出結果に基づいてスイッチング素子509のオフ動作を行う制御部506を少なくとも有する昇圧コンバータ502及び降圧コンバータ504を含む制御システムであって、制御部506は、短絡発生からオフ動作までの時間が1.4μsec未満となるようにスイッチング素子506のオフ動作を制御する。スイッチング素子509は、酸化ガリウム系半導体を含む。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
スイッチング素子と、前記スイッチング素子の短絡状態を検出し、検出結果に基づいて前記スイッチング素子のオフ動作を行う制御部を少なくとも有する電力変換回路であって、前記スイッチング素子が、酸化ガリウム系半導体を含み、前記制御部が、前記短絡発生からオフ動作までの時間が１．４μｓｅｃ未満となるように前記スイッチング素子のオフ動作を制御することを特徴とする電力変換回路。
続きを表示（約 870 文字）【請求項２】
スイッチング素子と、前記スイッチング素子の異常状態を検出し、検出結果に基づいて前記スイッチング素子のオフ動作を行う制御部を少なくとも有する電力変換回路であって、前記スイッチング素子が、酸化ガリウム系半導体を含み、前記制御部が、酸化ガリウム系半導体が相転移しないように前記スイッチング素子のオフ動作を制御することを特徴とする電力変換回路。
【請求項３】
スイッチング素子と、前記スイッチング素子の異常状態を検出し、検出結果に基づいて前記スイッチング素子のオフ動作を行う制御部を少なくとも有する電力変換回路であって、前記スイッチング素子が、酸化ガリウム系半導体を含み、前記制御部が、酸化ガリウム系半導体の温度が６００℃を超えないように前記スイッチング素子のオフ動作を制御することを特徴とする電力変換回路。
【請求項４】
前記酸化ガリウム系半導体が、コランダム構造酸化ガリウム系半導体である請求項１～３のいずれかに記載の電力変換回路。
【請求項５】
前記コランダム構造酸化ガリウム系半導体が、α－Ｇａ
２
Ｏ
３
またはその混晶を含む請求項４記載の電力変換回路。
【請求項６】
前記コランダム構造酸化ガリウム系半導体が、α－Ｇａ
２
Ｏ
３
である請求項４記載の電力変換回路。
【請求項７】
前記制御部は、短絡発生から前記オフ動作までの時間が０．４μｓｅｃ以下となるように前記オフ動作を制御する請求項１記載の電力変換回路。
【請求項８】
前記制御部が、短絡検出回路を含む請求項１～３のいずれかに記載の電力変換回路。
【請求項９】
前記スイッチング素子が、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である請求項１～３のいずれかに記載の電力変換回路。
【請求項１０】
請求項１～３のいずれかに記載の電力変換回路を備える制御システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換回路および制御システムに関する。
続きを表示（約 3,000 文字）【背景技術】
【０００２】
高耐圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、バンドギャップの大きな酸化ガリウム（Ｇａ
２
Ｏ
３
）を用いた半導体装置が注目されており、インバータやコンバータなどの電力用半導体装置への適用が期待されている。しかも、広いバンドギャップからＬＥＤやセンサー等の受発光装置としての応用も期待されている。当該酸化ガリウムは非特許文献１によると、インジウムやアルミニウムをそれぞれ、あるいは組み合わせて混晶することによりバンドギャップ制御することが可能であり、ＩｎＡｌＧａＯ系半導体として極めて魅力的な材料系統を構成している。ここでＩｎＡｌＧａＯ系半導体とはＩｎ
Ｘ
Ａｌ
Ｙ
Ｇａ
Ｚ
Ｏ
３
（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、０≦Ｚ≦２、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１．５～２．５）を示し、酸化ガリウムを内包する同一材料系統として俯瞰することができる。
【０００３】
また、特許文献１には、交流―直流変換装置のスイッチング部におけるダイオードまたはスイッチング素子の一部または全部に、ワイドバンドギャップ半導体素子（炭化珪素、窒化ガリウム、酸化ガリウムまたはダイアモンドをのうち何れか一種類もしくは組み合わせ）を用いることが記載されている。しかしながら、それぞれの半導体材料ごとの課題については検討されていなかった。また、非特許文献２には、α－Ｇａ
２
Ｏ
３
は６００℃を超える温度でアニールすると最安定相であるβ－Ｇａ
２
Ｏ
３
に相転移することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０１６－２７７７９号公報
【非特許文献】
【０００５】
金子健太郎、「コランダム構造酸化ガリウム系混晶薄膜の成長と物性」、京都大学博士論文、平成２５年３月
LEE, Sam‐Dong; AKAIWA, Kazuaki; FUJITA, Shizuo. Thermal stability of single crystalline alpha gallium oxide films on sapphire substrates. physica status solidi (c), 2013, 10.11: 1592-1595.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、酸化ガリウム系半導体の特性を生かしつつ動作させることができる電力変換回路を提供することを課題とする。
【０００７】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、スイッチング素子と、前記スイッチング素子の短絡状態を検出し、検出結果に基づいて前記スイッチング素子のオフ動作を行う制御部を少なくとも有する電力変換回路であって、前記スイッチング素子が、酸化ガリウム系半導体を含み、前記制御部が、短絡発生からオフ動作を行うまでの時間が１．４μｓｅｃ未満となるように前記スイッチング素子のオフ動作を制御する電力変換回路が、スイッチング素子に含まれる酸化ガリウム系半導体の特性劣化を抑制しつつ電力変換回路を動作させることができることを知見し、上記した従来の問題を解決できるものであることを見出した。
【０００８】
すなわち、本発明は、以下の発明に関する。
［１］スイッチング素子と、前記スイッチング素子の短絡状態を検出し、検出結果に基づいて前記スイッチング素子のオフ動作を行う制御部を少なくとも有する電力変換回路であって、前記スイッチング素子が、酸化ガリウム系半導体を含み、前記制御部が、前記短絡発生からオフ動作までの時間が１．４μｓｅｃ未満となるように前記スイッチング素子のオフ動作を制御することを特徴とする電力変換回路。
［２］スイッチング素子と、前記スイッチング素子の異常状態を検出し、検出結果に基づいて前記スイッチング素子のオフ動作を行う制御部を少なくとも有する電力変換回路であって、前記スイッチング素子が、酸化ガリウム系半導体を含み、前記制御部が、酸化ガリウム系半導体が相転移しないように前記スイッチング素子のオフ動作を制御することを特徴とする電力変換回路。
［３］スイッチング素子と、前記スイッチング素子の異常状態を検出し、検出結果に基づいて前記スイッチング素子のオフ動作を行う制御部を少なくとも有する電力変換回路であって、前記スイッチング素子が、酸化ガリウム系半導体を含み、前記制御部が、酸化ガリウム系半導体の温度が６００℃を超えないように前記スイッチング素子のオフ動作を制御することを特徴とする電力変換回路。
［４］前記酸化ガリウム系半導体が、コランダム構造酸化ガリウム系半導体である前記［１］～［３］のいずれかに記載の電力変換回路。
［５］前記コランダム構造酸化ガリウム系半導体が、α－Ｇａ
２
Ｏ
３
またはその混晶を含む前記［４］記載の電力変換回路。
［６］前記コランダム構造酸化ガリウム系半導体が、α－Ｇａ
２
Ｏ
３
である前記［４］記載の電力変換回路。
［７］前記制御部は、短絡発生から前記オフ動作までの時間が０．４μｓｅｃ以下となるように前記オフ動作を制御する前記［１］記載の電力変換回路。
［８］前記制御部が、短絡検出回路を含む前記［１］～［３］のいずれかに記載の電力変換回路。
［９］前記スイッチング素子が、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である前記［１］～［３］のいずれかに記載の電力変換回路。
［１０］前記［１］～［３］のいずれかに記載の電力変換回路を備える制御システム。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電力変換回路によれば、酸化ガリウム系半導体の特性を生かしつつ回路を動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明の実施態様にかかる制御システムの一例を示すブロック構成図である。
本発明の実施態様にかかる制御システムの一例を示す回路図である。
本発明の実施態様にかかるインバータ駆動装置の一例を示す図である。
本発明の実施態様において用いられるＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）の一例を示す模式的断面図である。
本発明の実施態様におけるシミュレーション回路を示す図である。
シミュレーションにおけるゲート電圧制御のゲート電圧の時間変化を示す図である。
試験例において行ったシミュレーション結果を示す図である。
本発明の実施態様にかかるインバータ駆動装置の短絡動作時のシーケンスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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