JP2011030396A - Parallel connection dc-dc converter - Google Patents

Parallel connection dc-dc converter Download PDF

Info

Publication number
JP2011030396A
JP2011030396A JP2009176239A JP2009176239A JP2011030396A JP 2011030396 A JP2011030396 A JP 2011030396A JP 2009176239 A JP2009176239 A JP 2009176239A JP 2009176239 A JP2009176239 A JP 2009176239A JP 2011030396 A JP2011030396 A JP 2011030396A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
converter
gan
parallel
electron mobility
high electron
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2009176239A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yuji Nishibe
祐司 西部
Takashi Kojima
崇 小島
Toru Kachi
徹 加地
Tsutomu Uesugi
勉 上杉
Tetsuo Narita
哲生 成田
Daigo Kikuta
大悟 菊田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP2009176239A priority Critical patent/JP2011030396A/en
Publication of JP2011030396A publication Critical patent/JP2011030396A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology of effectively suppressing surge voltages and noises, while utilizing superior characteristics of a lateral GaN MOS high electron mobility transistor. <P>SOLUTION: A parallel connection DC-DC converter 100a is provided which is used for a moving-body mounting type power supply system to supply an electric power to a device to drive a moving body, and has a boosting ratio of 4 or more. The parallel connection DC-DC converter 100a includes three DC-DC converter units 111, 112, 113 connected in parallel with one another. Each DC-DC converter unit includes switching elements 511, 512, 513 including a lateral type high electron mobility transistor using GaN as a material and reactors 121, 122, 123 connected in series to the switching elements thereof. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、車両その他の移動体を駆動する装置に電力を供給する電力供給システムに使用されるDC−DCコンバータに関する。特に、移動体に搭載されている電力供給システムに使用されるDC−DCコンバータに関する。移動体には、駆動装置に内燃機関とモーターとを利用するハイブリッドシステムと、駆動装置にモータを用いる電気自動車と、燃料電池と蓄電池とから供給される電力でモーターを駆動する燃料電池車両等が含まれる。   The present invention relates to a DC-DC converter used in a power supply system that supplies power to a device that drives a vehicle or other moving body. In particular, the present invention relates to a DC-DC converter used in a power supply system mounted on a moving body. The mobile body includes a hybrid system that uses an internal combustion engine and a motor as a drive device, an electric vehicle that uses a motor as a drive device, a fuel cell vehicle that drives a motor with electric power supplied from a fuel cell and a storage battery, and the like. included.

特許文献1には、移動体の電力供給源として、直流電源の電圧をDC−DCコンバータで昇圧してモーターに高電圧小電流の電力を供給することによって効率的な駆動を実現する電力供給システムが提案されている。高電圧小電流での電力供給で効率的な駆動が実現されるのは、モーターや配線系統での銅損等を低減させることができるからである(たとえば段落0029)。一方、特許文献2には、マイクロプロセッサの電力供給源として、複数のDC−DCコンバータを並列に接続するとともに位相をシフトさせることによって低電圧大電流での効率的な駆動を実現する電力供給システムが提案されている。低電圧大電流での電力供給で効率的な駆動が実現されるのは、マイクロプロセッサの論理回路を駆動するための大電流を供給しつつ電圧の低下によって供給電力を低減させることができるからである。低電圧大電流の電力供給システムは、複数のDC−DCコンバータを並列に接続することによって出力インピーダンスを低減させた電力供給システムとして把握することもできる。   In Patent Document 1, as a power supply source for a mobile body, a power supply system that realizes efficient driving by boosting the voltage of a direct current power source with a DC-DC converter and supplying high-voltage and small-current power to a motor. Has been proposed. The reason why efficient driving is realized by power supply with high voltage and small current is that copper loss or the like in the motor or wiring system can be reduced (for example, paragraph 0029). On the other hand, in Patent Document 2, as a power supply source for a microprocessor, a power supply system that realizes efficient driving at a low voltage and a large current by connecting a plurality of DC-DC converters in parallel and shifting the phase. Has been proposed. The reason why efficient driving is realized by power supply with low voltage and large current is that the supply power can be reduced by decreasing the voltage while supplying a large current to drive the logic circuit of the microprocessor. is there. The low-voltage, high-current power supply system can be grasped as a power supply system in which the output impedance is reduced by connecting a plurality of DC-DC converters in parallel.

図1は、ハイブリッドシステムや燃料電池車両といった移動体(図示省略)に搭載される従来技術の電力駆動システムの一例を示す説明図である。従来技術の電力駆動システムは、蓄電池400と、蓄電池400から供給されている直流電力を昇圧するDC−DCコンバータ100と、昇圧された直流電力を平滑化するキャパシタ700と、平滑化された直流電力を三相交流に変換するインバータ200と、その三相交流で駆動される三相モーター300とを備えている。ハイブリッドシステムは、一般に、三相モーター300の出力軸に対して内燃機関(図示省略)が遊星歯車等で機械的に接続されることによって構成される。燃料電池車両は、一般に、燃料電池(図示省略)が他のDC−DCコンバータ等を介してインバータ200に電気的に接続されることによって構成される。   FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of a conventional power drive system mounted on a moving body (not shown) such as a hybrid system or a fuel cell vehicle. A conventional power drive system includes a storage battery 400, a DC-DC converter 100 that boosts DC power supplied from the storage battery 400, a capacitor 700 that smoothes the boosted DC power, and a smoothed DC power. Is converted to three-phase alternating current, and a three-phase motor 300 driven by the three-phase alternating current is provided. The hybrid system is generally configured by mechanically connecting an internal combustion engine (not shown) to the output shaft of the three-phase motor 300 with a planetary gear or the like. The fuel cell vehicle is generally configured by electrically connecting a fuel cell (not shown) to the inverter 200 via another DC-DC converter or the like.

従来技術のDC−DCコンバータ100は、インダクタンスLのリアクトル120と、2個の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)131、141と、2個のダイオード132、142とを備えている。リアクトル120の一方の電極は、蓄電池400の正極に接続されている。リアクトル120の他方の電極は、IGBT131のコレクタ電極と、IGBT141のエミッタ電極とに接続されている。IGBT141のコレクタ電極は、インバータ200の正極およびキャパシタ700の一方の電極に接続されている。インバータ200の負極およびキャパシタ700の他方の電極は、IGBT131のエミッタ電極および蓄電池400の負極に接続されている。ダイオード132のアノードは、IGBT131のエミッタ電極に接続されている。ダイオード132のカソードは、IGBT131のコレクタ電極に接続されている。ダイオード142のアノードは、IGBT141のエミッタ電極に接続されている。ダイオード142のカソードは、IGBT141のコレクタ電極に接続されている。   The conventional DC-DC converter 100 includes a reactor 120 having an inductance L, two insulated gate bipolar transistors (IGBT) 131 and 141, and two diodes 132 and 142. One electrode of the reactor 120 is connected to the positive electrode of the storage battery 400. The other electrode of reactor 120 is connected to the collector electrode of IGBT 131 and the emitter electrode of IGBT 141. The collector electrode of IGBT 141 is connected to the positive electrode of inverter 200 and one electrode of capacitor 700. The negative electrode of inverter 200 and the other electrode of capacitor 700 are connected to the emitter electrode of IGBT 131 and the negative electrode of storage battery 400. The anode of the diode 132 is connected to the emitter electrode of the IGBT 131. The cathode of the diode 132 is connected to the collector electrode of the IGBT 131. The anode of the diode 142 is connected to the emitter electrode of the IGBT 141. The cathode of the diode 142 is connected to the collector electrode of the IGBT 141.

図2は、従来技術のDC−DCコンバータ100の作動状態を示す説明図である。図2(a)は、昇圧動作中のDC−DCコンバータ100の作動状態を示している。図2(a)では、説明を分かりやすくするために昇圧動作に関与しない素子の図示が省略されている。DC−DCコンバータ100は、IGBT131を所定のデューティ比でオンオフさせることによって蓄電池400から供給されている直流電力の電圧を昇圧させることができる。具体的には、IGBT131をオンしてリアクトル120に電流Iを流すことによってリアクトル120に電流エネルギを蓄えた後にIGBT131をオフする。すると、その電流エネルギでリアクトル120がリアクトル120に流れる電流値を維持しようとして電圧を発生させる。一方、リアクトル120の一方の電極には、蓄電池400の正極が接続されているので、リアクトル120の他方の電極には、蓄電池400の電圧とリアクトル120が発生させた電圧を加算した電圧が発生する。このように、キャパシタ700の電極間には、蓄電池400の電源電圧よりも大きな電圧が印加されることになる。 FIG. 2 is an explanatory diagram showing the operating state of the DC-DC converter 100 of the prior art. FIG. 2A shows the operating state of the DC-DC converter 100 during the step-up operation. In FIG. 2A, illustration of elements that are not involved in the boosting operation is omitted for easy understanding. The DC-DC converter 100 can boost the voltage of the DC power supplied from the storage battery 400 by turning on and off the IGBT 131 with a predetermined duty ratio. Specifically, the IGBT 131 is turned off after the current energy is stored in the reactor 120 by turning on the IGBT 131 and causing the current I 1 to flow through the reactor 120. Then, the reactor 120 generates a voltage so as to maintain the current value flowing through the reactor 120 with the current energy. On the other hand, since the positive electrode of the storage battery 400 is connected to one electrode of the reactor 120, a voltage obtained by adding the voltage of the storage battery 400 and the voltage generated by the reactor 120 is generated at the other electrode of the reactor 120. . Thus, a voltage higher than the power supply voltage of the storage battery 400 is applied between the electrodes of the capacitor 700.

リアクトル120は、図2(a)に示されるように、電流の時間微分値とリアクトル120のインダクタンスLの積(=L×di/dt)に等しい電圧を発生させる。これにより、電流Iがダイオード142を介してキャパシタ700の一方の電極に流れ込むので、キャパシタ700に電力が蓄えられてインバータ200の正極に安定した電圧(平滑化)で電力を供給することができる。 As shown in FIG. 2A, the reactor 120 generates a voltage equal to the product of the time differential value of the current and the inductance L of the reactor 120 (= L × di / dt). As a result, the current I 2 flows into one electrode of the capacitor 700 via the diode 142, so that electric power is stored in the capacitor 700 and can be supplied to the positive electrode of the inverter 200 with a stable voltage (smoothing). .

図2(b)は、回生動作中のDC−DCコンバータ100の作動状態を示している。図2(b)では、説明を分かりやすくするために回生動作に関与しない素子の図示が省略されている。回生動作とは、たとえば移動体(図示省略)の減速中において、三相モーター300で発生した電力に応じて電流Iを蓄電池400に還流させて充電する作動モードである。DC−DCコンバータ100は、IGBT141をオンさせることによってインバータ200を介して三相モーター300で発生した電力を蓄電池400に回生(還流)させることができる。ダイオード132は、IGBT141がオフされたときにIGBT131のコレクタエミッタ間に過大な高電圧が発生しないようにするために装備されている。 FIG. 2B shows the operating state of the DC-DC converter 100 during the regenerative operation. In FIG. 2B, illustration of elements not involved in the regenerative operation is omitted for easy understanding. The regenerative operation is an operation mode in which, for example, the current I 3 is returned to the storage battery 400 and charged in accordance with the electric power generated by the three-phase motor 300 during the deceleration of the moving body (not shown). The DC-DC converter 100 can regenerate (reflux) the electric power generated by the three-phase motor 300 via the inverter 200 by turning on the IGBT 141. The diode 132 is equipped to prevent an excessively high voltage from being generated between the collector and emitter of the IGBT 131 when the IGBT 141 is turned off.

特開2008−125257号公報JP 2008-125257 A 特開2009−5467号公報JP 2009-5467 A

本願発明者らは、DC−DCコンバータのスイッチング素子として、IGBTよりも低スイッチング損失と低オン抵抗という特徴を有するワイドギャップ半導体である窒化ガリウム(GaN)の横型の高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor:HEMT)を使用することを検討した。高電子移動度トランジスタとは、半導体ヘテロ接合(後述)に誘起された2次元電子ガス(2DEG)をチャネルとする電界効果トランジスタである。   As a switching element of a DC-DC converter, the inventors of the present application employ a lateral type high electron mobility transistor (High Electron) of gallium nitride (GaN), which is a wide gap semiconductor having characteristics of lower switching loss and lower on-resistance than IGBT. The use of Mobility Transistor (HEMT) was examined. The high electron mobility transistor is a field effect transistor having a two-dimensional electron gas (2DEG) induced in a semiconductor heterojunction (described later) as a channel.

図3は、発明者らが使用を試みたGaN横型MOS高電子移動度トランジスタ(絶縁ゲート型横型HEMT)の構造の一例を示す説明図である。GaN横型MOS高電子移動度トランジスタ500は、サファイア基板510と、サファイア基板510の上に設けられているアンドープのGaN層であるi-GaN層520と、アンドープGaN520の上に設けられているアンドープのi-AlGaN層540と、を備えている。i-AlGaN層540とi-GaN層520の接合面は、異種の半導体をつなぐことにより新たな効果を生み出させるヘテロ接合を構成している。ヘテロ接合は、i-AlGaN層540とi-GaN層520とでは禁制帯幅(バンドギャップ)や電子親和力が相違する故に、伝導体エネルギの不連続が生じて一種の量子井戸が形成され、これにより電子を有効に閉じ込めることができる。このようにして閉じ込められた電子は、効率的なチャネルとして機能する2次元電子ガス(2DEG)530を形成する。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of the structure of a GaN lateral MOS high electron mobility transistor (insulated gate lateral HEMT) which the inventors have attempted to use. The GaN lateral MOS high electron mobility transistor 500 includes a sapphire substrate 510, an i-GaN layer 520 that is an undoped GaN layer provided on the sapphire substrate 510, and an undoped GaN 520 provided on the undoped GaN 520. i-AlGaN layer 540. The junction surface between the i-AlGaN layer 540 and the i-GaN layer 520 constitutes a heterojunction that creates a new effect by connecting different kinds of semiconductors. In the heterojunction, the i-AlGaN layer 540 and the i-GaN layer 520 are different in forbidden band width (band gap) and electron affinity, so that discontinuity of the conductor energy occurs and a kind of quantum well is formed. Can effectively confine electrons. The electrons thus confined form a two-dimensional electron gas (2DEG) 530 that functions as an efficient channel.

GaN横型MOS高電子移動度トランジスタ500では、2次元電子ガス(2DEG)530の両端に2つのコンタクト層551、552が設けられている。コンタクト層551には、チタン層561を介してエミッタ電極571が設けられている。コンタクト層552には、チタン層563を介してコレクタ電極573が設けられている。一方、i-AlGaN層540には、酸化シリコンの絶縁層562を介してゲート電極572が設けられている。2次元電子ガス(2DEG)530は、電子移動の障害となる不純物が少ないアンドープのi-GaN層520にi-AlGaN層540から供給されたキャリアを多く含む部分なので、円滑な電子移動と豊富なキャリアとを実現して低オン抵抗を実現している。GaN横型MOS高電子移動度トランジスタ500は、さらにキャパシタンスが小さいので高速動作時の損失が低いという利点をも有している。   In the GaN lateral MOS high electron mobility transistor 500, two contact layers 551 and 552 are provided at both ends of a two-dimensional electron gas (2DEG) 530. The contact layer 551 is provided with an emitter electrode 571 with a titanium layer 561 interposed therebetween. The contact layer 552 is provided with a collector electrode 573 through a titanium layer 563. On the other hand, the i-AlGaN layer 540 is provided with a gate electrode 572 with a silicon oxide insulating layer 562 interposed therebetween. Since the two-dimensional electron gas (2DEG) 530 includes a large amount of carriers supplied from the i-AlGaN layer 540 to the undoped i-GaN layer 520 with few impurities that hinder electron transfer, smooth electron transfer and abundant A low on-resistance is realized by realizing a carrier. The GaN lateral MOS high electron mobility transistor 500 has an advantage that the loss during high-speed operation is low because the capacitance is further small.

ところが、本願発明者らがGaN横型MOS高電子移動度トランジスタ500を使用してDC−DCコンバータを構成し、その駆動実験を実施したところ、図4に示されるように、コレクタエミッタ間に過度なサージ電圧やノイズが発生してしまい、実用性に欠けることが見出された。このような現象は、トランジスタをオンオフするサイクルを高周波にすると顕著になる。この原因は、本願発明者らの解析によれば、駆動周波数の上昇に起因して電流値の変動速度(電流値の時間微分)が大きくなっただけでなく、DC−DCコンバータのモジュール化に伴うプリントパターンや実装配線等の寄生インダクタンスLp(図1参照)に起因する電圧の発生が顕在化したものであることがわかった。すなわち、GaNの横型高電子移動度トランジスタ500の優れたスイッチング特性によって、図5に示されるように、ターンオフ時の電流値Iの低下速度が極度に大きい故に、プリントパターン等の寄生インダクタンスLpによってコレクタエミッタ間電圧Vdsに大きなピークとノイズが発生することが分かった。 However, when the present inventors configured a DC-DC converter using the GaN lateral MOS high electron mobility transistor 500 and conducted a driving experiment thereof, as shown in FIG. It has been found that surge voltage and noise are generated, which is not practical. Such a phenomenon becomes prominent when the cycle for turning on and off the transistor is set to a high frequency. According to the analysis of the inventors of the present application, the cause of this is not only that the fluctuation speed of the current value (temporal differentiation of the current value) is increased due to the increase of the driving frequency, but also the modularization of the DC-DC converter. It has been found that the generation of voltage due to the parasitic inductance Lp (see FIG. 1) such as the printed pattern and the mounting wiring accompanying this becomes obvious. That is, the superior switching characteristics of the lateral high-electron mobility transistor 500 of GaN, as shown in FIG. 5, because the rate of decrease in the current value I d at turn-off is extremely large, the parasitic inductance Lp of such printed pattern It has been found that a large peak and noise occur in the collector-emitter voltage Vds .

本発明は、本願発明者らによって見出された上述の新たな課題を解決するために創作されたものであり、GaN横型MOS高電子移動度トランジスタの優れた特性を活かしつつサージ電圧やノイズを有効に抑制する技術を提供する。   The present invention was created to solve the above-mentioned new problem found by the inventors of the present invention, and suppresses surge voltage and noise while utilizing the excellent characteristics of the GaN lateral MOS high electron mobility transistor. Provide technology for effective suppression.

本発明は、以下の構成や態様として例示される技術を提供することができる。
第1構成例は、移動体を駆動する装置に電力を供給する移動体搭載式の電力供給システムに使用されるとともに昇圧比が4以上の並列接続型DC−DCコンバータを提供する。この並列接続型DC−DCコンバータは、相互に並列接続された3個のDC−DCコンバータユニットを備えている。各々のDC−DCコンバータユニットは、GaNを材料とする横型の高電子移動度トランジスタであるスイッチング素子と、そのスイッチング素子に直列に接続されているリアクトルとを有する。
The present invention can provide techniques exemplified as the following configurations and modes.
The first configuration example provides a parallel-connected DC-DC converter that is used in a mobile unit-mounted power supply system that supplies power to a device that drives the mobile unit and has a step-up ratio of 4 or more. This parallel connection type DC-DC converter includes three DC-DC converter units connected in parallel to each other. Each DC-DC converter unit has a switching element which is a lateral high electron mobility transistor made of GaN, and a reactor connected in series to the switching element.

第1構成例の並列接続型DC−DCコンバータは、相互に並列接続されている3個のDC−DCコンバータユニットを備えるので、並列接続型DC−DCコンバータに流れる電流を3個のDC−DCコンバータユニットに分散させることができる。これにより、各DC−DCコンバータユニットに流れる電流を低減させ、結果として電流値の時間微分(変動)を抑制することによってサージ電圧を低減させることができる。   Since the parallel connection type DC-DC converter of the first configuration example includes three DC-DC converter units connected in parallel to each other, the current flowing through the parallel connection type DC-DC converter is supplied to the three DC-DC converters. It can be distributed in the converter unit. Thereby, the current which flows into each DC-DC converter unit can be reduced, and as a result, the surge voltage can be reduced by suppressing the time differentiation (fluctuation) of the current value.

サージ電圧の発生要因と低減のメカニズムは本発明者らの解析によれば以下のとおりである。サージ電圧は、並列接続型DC−DCコンバータのモジュール化(プリントパターン)や実装配線等に伴う寄生インダクタンスLp(図1参照)によって発生する。この寄生インダクタンスは、スイッチング素子のオンオフに起因して発生する電流値の変動を抑制するような電圧を発生させるので、スイッチング素子の応答特性が優れていてターンオフ時の電流値の降下速度(電流値の時間微分)が速いほど大きな電圧が発生することになる。本構成は、3個のDC−DCコンバータユニットに電流を分散させて、各々のDC−DCコンバータユニットに流れる電流値を小さくすることによって電流値の時間微分を低減させているのである。   According to the analysis by the present inventors, the generation factor of the surge voltage and the mechanism of reduction are as follows. The surge voltage is generated by the parallel inductance type DC-DC converter being modularized (print pattern), the parasitic inductance Lp (see FIG. 1) accompanying the mounting wiring and the like. This parasitic inductance generates a voltage that suppresses fluctuations in the current value caused by turning on and off the switching element, so that the switching element has excellent response characteristics and the current value drop rate at turn-off (current value) As the time derivative of () is faster, a larger voltage is generated. In this configuration, the time differentiation of the current value is reduced by distributing the current to the three DC-DC converter units and reducing the current value flowing through each DC-DC converter unit.

並列接続型DC−DCコンバータは、出願時の当業者の技術常識によれば、複数のDC−DCコンバータユニットを並列接続することによって出力インピーダンスを低下させ、これにより低電圧大電流での効率的な駆動を実現する構成として利用されている。これに対して、移動体用電源は、高電圧化して銅損の原因となる大電流を抑制するという技術の方向性を有している。さらに、複数のDC−DCコンバータユニットの並列接続は、並列接続させるDC−DCコンバータユニットの数の増大に起因してリアクトルや半導体素子の数が増え、DC−DCコンバータの総重量やコストが増えるという問題を生じさせることになる。特に、論理回路等への電力供給とは異なって大型のリアクトルを使用する移動体用電源では大きな問題となる。   According to the common general knowledge of those skilled in the art at the time of filing, the parallel connection type DC-DC converter reduces the output impedance by connecting a plurality of DC-DC converter units in parallel, which makes it efficient at a low voltage and a large current. It is used as a configuration that realizes simple driving. On the other hand, the power source for moving bodies has a technology direction of suppressing a large current that causes a high voltage and causes copper loss. Furthermore, the parallel connection of a plurality of DC-DC converter units increases the number of reactors and semiconductor elements due to the increase in the number of DC-DC converter units to be connected in parallel, thereby increasing the total weight and cost of the DC-DC converter. Will cause the problem. In particular, unlike a power supply to a logic circuit or the like, a power source for a mobile body using a large reactor becomes a big problem.

本発明者らは、降圧して大電流化するために開発された複数個のDC−DCコンバータユニットを並列に接続する構成が、昇圧して低電流化する必要がある移動体用電源にも有利であることを見出した。昇圧して低電流化するDC−DCコンバータの場合、本来であれば複数ユニットに分割して並列に接続する必要がない。そのようなことをすれば、大型のリアクトルを複数個使用する必要が生じ、かえって不利である。本発明は、この常識に反する発想から生まれたものである。   The present inventors have proposed that a configuration in which a plurality of DC-DC converter units developed in order to increase the current by stepping down are connected in parallel to a power source for a mobile body that needs to be stepped up and reduced in current. We found it advantageous. In the case of a DC-DC converter that boosts and reduces current, it is not necessary to divide into multiple units and connect them in parallel. If such a thing is done, it will be necessary to use several large-sized reactors, and it is disadvantageous. The present invention was born from an idea contrary to this common sense.

本願発明者らは、並列接続するDC−DCコンバータユニットの数を最適化させれば、高速度のスイッチング特性を有するGaNを材料とする横型の高電子移動度トランジスタを用いてもサージ電圧が過大とならず、しかも高速度のスイッチング特性を利用して高い昇圧比を実現できる可能性に着目した。この検討は、予測可能性が低いが故に、以下をパラメータにして試行錯誤的に行われた。
(1)特定デバイスを使用するDC−DCコンバータユニットの駆動周波数と損失
(2)移動体が有する蓄電池やリアクトルの実装コスト、重量、およびサイズ
(3)特定デバイスを使用するDC−DCコンバータユニットの実装コスト
具体的には、GaNを材料とする横型の高電子移動度トランジスタは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)と比較すると、損失が過度に増加しない範囲(実用領域)において駆動周波数を2倍にできることが確認された。駆動周波数を2倍にできれば、必要に応じてリアクトルのインダクタンスとデューティ比とを調整しつつ、IGBTを使用した場合の2倍である4以上の昇圧比を実現することも確認された。さらに、3個のDC−DCコンバータユニットに分割して並列接続するのが最適な構成であることが確認された。
By optimizing the number of DC-DC converter units connected in parallel, the inventors of the present application have an excessive surge voltage even when using a lateral high electron mobility transistor made of GaN having high-speed switching characteristics. In addition, we focused on the possibility of realizing a high step-up ratio using high-speed switching characteristics. This study was performed on a trial and error basis with the following as parameters because of its low predictability.
(1) Driving frequency and loss of a DC-DC converter unit using a specific device (2) Mounting cost, weight, and size of a storage battery or a reactor included in a mobile object (3) DC-DC converter unit using a specific device Mounting Cost Specifically, the lateral high electron mobility transistor made of GaN has doubled the driving frequency in the range where the loss does not increase excessively (practical area) compared to the insulated gate bipolar transistor (IGBT). It was confirmed that it was possible. It has also been confirmed that if the drive frequency can be doubled, a step-up ratio of 4 or more, which is twice that when an IGBT is used, is realized while adjusting the inductance and duty ratio of the reactor as necessary. Furthermore, it was confirmed that the optimal configuration is to divide and connect in parallel to three DC-DC converter units.

このような試行錯誤の結果、本発明者らは、昇圧比の上昇に応じて蓄電池の出力電圧を半分にできる故に、蓄電池のセルの積層数を半減化することが可能であることを見出した。さらに、本発明者らは、駆動周波数の上昇に起因するリアクトルの小型化によってリアクトル数の増加に起因する総重量の増大も抑制できることを見出した。これにより、仮にDC−DCコンバータの重量が増大しても電力供給システム全体としては顕著に重量やコストを低減させる領域が存在することが見出されたのである。   As a result of such trial and error, the present inventors have found that since the output voltage of the storage battery can be halved in accordance with the increase in the step-up ratio, the number of stacked cells of the storage battery can be halved. . Furthermore, the present inventors have found that an increase in the total weight due to an increase in the number of reactors can be suppressed by downsizing the reactor due to an increase in driving frequency. As a result, even if the weight of the DC-DC converter increases, it has been found that there is a region where the weight and cost are remarkably reduced in the entire power supply system.

本発明者らは、以下のような検討に基づいてDC−DCコンバータユニットの3個の並列接続が最適な構成であることを見出した。すなわち、蓄電池の出力電圧を半分にするということは、DC−DCコンバータの入力電圧が半分になるということを意味し、蓄電池からの入力電力を維持するためにはDC−DCコンバータの入力電流が2倍となることを意味する。よって、DC−DCコンバータユニットの電流値を増加させないようにするためには2個のDC−DCコンバータユニットを並列に接続させることが必要となることが分かった。一方、駆動周波数の増大は、たとえばモジュール化に伴うプリントパターンや実装配線が有する寄生インダクタンスを顕在化させてサージ電圧を上昇させることが見出された。本発明者らは、さらに3個目のDC−DCコンバータユニットを並列に接続することによって、このような寄生インダクタンスに起因するサージ電圧の上昇を十分に吸収することができることを見出した。このような実験と解析とに基づいて、本発明者らは、GaNを材料とする横型の高電子移動度トランジスタの性能を十分に発揮させるためには、DC−DCコンバータを3個のユニットに分割して並列に接続することが最適な構成であることを見出したのである。   The present inventors have found that three parallel connections of DC-DC converter units are the optimum configuration based on the following study. That is, halving the output voltage of the storage battery means that the input voltage of the DC-DC converter is halved. In order to maintain the input power from the storage battery, the input current of the DC-DC converter is It means to double. Therefore, it has been found that in order not to increase the current value of the DC-DC converter unit, it is necessary to connect two DC-DC converter units in parallel. On the other hand, it has been found that an increase in driving frequency causes a surge voltage to increase by, for example, manifesting a parasitic inductance of a printed pattern and mounting wiring accompanying modularization. The inventors have found that a surge voltage increase caused by such parasitic inductance can be sufficiently absorbed by connecting a third DC-DC converter unit in parallel. Based on such experiments and analysis, the present inventors have made the DC-DC converter into three units in order to fully demonstrate the performance of a lateral high electron mobility transistor made of GaN. It was found that the optimal configuration is to divide and connect in parallel.

第1の構成に関わるDC−DCコンバータは、3個に分割されたDC−DCコンバータユニットを並列接続するとともに、GaNを材料とする横型の高電子移動度トランジスタを使用するので、下記の結果を実現することができる。
(1)GaNを材料とする高電子移動度トランジスタのスイッチング速度が高速度であることから、4以上の高い昇圧比を実現することができる。
(2)この結果、蓄電池の出力電圧を低く抑えることができ、直列に接続するセル数を少なくすることができる。
(3)DC−DCコンバータ自体は、複数個に分割するので、重量・サイズ・コスト等において不利となる。
(4)しかしながら、前記(3)の不利は、前記(2)の有利性によって十分に補償される。特に、3個のDC−DCコンバータユニットに分割して並列接続すると、(3)の不利益を(2)の有利性が上回る効果が顕著となる。
The DC-DC converter related to the first configuration uses a lateral high electron mobility transistor made of GaN as the DC-DC converter unit divided into three parts in parallel and uses the following results. Can be realized.
(1) Since the switching speed of the high electron mobility transistor made of GaN is high, a high step-up ratio of 4 or more can be realized.
(2) As a result, the output voltage of the storage battery can be kept low, and the number of cells connected in series can be reduced.
(3) The DC-DC converter itself is divided into a plurality of parts, which is disadvantageous in terms of weight, size, cost, and the like.
(4) However, the disadvantage of (3) is fully compensated by the advantage of (2). In particular, when divided into three DC-DC converter units and connected in parallel, the effect of (2) surpassing the disadvantage of (3) becomes significant.

第2構成例は、第1構成例において、さらに、スイッチング素子のゲート電極とエミッタ電極との間に接続されたコンデンサを備える。こうすれば、ゲート電極の遅延時間を操作するとともに、エミッタ電極の電位の過度な変動を抑制することによって設計用途に応じたサージ電圧の低減や調整を簡易に実現させることができる。   The second configuration example further includes a capacitor connected between the gate electrode and the emitter electrode of the switching element in the first configuration example. In this way, it is possible to easily reduce or adjust the surge voltage according to the design application by manipulating the delay time of the gate electrode and suppressing excessive fluctuation of the potential of the emitter electrode.

第3構成例は、第1または第2構成例において、さらに、GaNを材料とし、スイッチング素子に並列に接続されているショットキーバリアダイオードを備える。ショットキーバリアダイオードは、高速動作に優れるとともに順方向の電圧降下が低いので、GaNを材料とする横型の高電子移動度トランジスタとともに高い効率で高速駆動を実現すことができる。この結果、GaNを材料とする横型の高電子移動度トランジスタの性能を十分に活かす実装を可能とすることができる。   The third configuration example further includes a Schottky barrier diode made of GaN and connected in parallel to the switching element in the first or second configuration example. Since the Schottky barrier diode is excellent in high-speed operation and has a low forward voltage drop, high-speed driving can be realized with high efficiency together with a lateral high electron mobility transistor made of GaN. As a result, it is possible to realize mounting that fully utilizes the performance of a lateral high electron mobility transistor made of GaN.

第1の構成の並列接続型DC−DCコンバータは、GaNを材料とする横型の高電子移動度トランジスタの優れた特性を活かした高効率の電力供給システムを実現することができるとともに、蓄電池の出力電圧を顕著に低減(たとえば半分)にすることができるので、電力供給システムの実装コスト、重量、およびサイズを顕著に低減させることができる。第2の構成の並列接続型DC−DCコンバータは、設計用途に応じたサージ電圧の低減や調整を簡易に実現させることができる。第3の構成の並列接続型DC−DCコンバータは、GaNを材料とする横型の高電子移動度トランジスタの性能を十分に活かす実装を可能とすることができる。   The parallel-connected DC-DC converter of the first configuration can realize a high-efficiency power supply system that takes advantage of the excellent characteristics of a lateral high electron mobility transistor made of GaN, and the output of the storage battery. Since the voltage can be significantly reduced (for example, half), the mounting cost, weight, and size of the power supply system can be significantly reduced. The parallel-connected DC-DC converter having the second configuration can easily realize the reduction and adjustment of the surge voltage according to the design application. The parallel-connected DC-DC converter having the third configuration can be mounted so as to sufficiently utilize the performance of a lateral high electron mobility transistor made of GaN.

ハイブリッドシステムや燃料電池車両といった移動体に搭載される従来技術の電力駆動システムの一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the prior art electric power drive system mounted in moving bodies, such as a hybrid system and a fuel cell vehicle. (a)と(b)は、従来技術のDC−DCコンバータ100の作動状態を示す説明図。(A) And (b) is explanatory drawing which shows the operation state of the DC-DC converter 100 of a prior art. GaN横型MOS高電子移動度トランジスタの構造の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the structure of a GaN lateral type | mold MOS high electron mobility transistor. DC−DCコンバータ100においてコレクタエミッタ間に発生する過度なサージ電圧を示す説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram showing an excessive surge voltage generated between the collector and emitter in the DC-DC converter 100. スイッチング素子のターンオフ時の電流値Iとコレクタエミッタ間電圧Vdsの様子を示す説明図。Illustration depicting the current value I d and the collector-emitter voltage V ds at the turn-off of the switching element. 本発明の実施例に係る並列接続型DC−DCコンバータ100aの構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the structure of the parallel connection type DC-DC converter 100a which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るショットキーバリアダイオード600の構造を示す説明図。Explanatory drawing which shows the structure of the Schottky barrier diode 600 which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る制御部900が昇圧モードにおいて3個のDC−DCコンバータユニット101、102、103を制御する様子を示す説明図。Explanatory drawing which shows a mode that the control part 900 which concerns on the Example of this invention controls three DC-DC converter units 101,102,103 in a pressure | voltage rise mode. 本発明の実施例に係る並列接続型DC−DCコンバータ100aにおいて発生するサージ電圧の様子を示す説明図。Explanatory drawing which shows the mode of the surge voltage which generate | occur | produces in the parallel connection type DC-DC converter 100a which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るDC−DCコンバータユニット101の損失を他の種類のスイッチングデバイスを使用した場合との比較を示す説明図。Explanatory drawing which shows the comparison with the case where the switching device of another kind is used for the loss of the DC-DC converter unit 101 which concerns on the Example of this invention. 本発明の変形例に係る並列接続型DC−DCコンバータ100bの構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the structure of the parallel connection type DC-DC converter 100b which concerns on the modification of this invention. 変形例のダイオードであるショットキーゲート型横型の高電子移動度トランジスタを示す説明図。Explanatory drawing which shows the Schottky gate type | mold lateral high electron mobility transistor which is a diode of a modification. 変形例のスイッチング素子である横型のショットキーバリアダイオードを示す説明図。Explanatory drawing which shows the horizontal type Schottky barrier diode which is a switching element of a modification.

本発明は、たとえば以下の特徴を単独あるいは組み合わせて備えることによって、好ましい形態を実現することもできる。
(特徴1) 並列接続型DC−DCコンバータは、20kHz以上の駆動周波数で駆動する作動モードを有している。20kHz以上の駆動周波数は、人間の可聴帯域から外れるので、たとえばリアクトルの振動に起因する不快な音の発生を抑制することができるという利点を有していることになる。
(特徴2) 並列接続型DC−DCコンバータは、昇圧用のショットキーバリアダイオードと並列に接続されているGaN横型高電子移動度トランジスタを回生用スイッチング素子として備えている。これにより、回生される電力を効率的に蓄電池に還流させることができる。
This invention can also implement | achieve a preferable form, for example by providing the following characteristics individually or in combination.
(Feature 1) The parallel-connected DC-DC converter has an operation mode in which it is driven at a drive frequency of 20 kHz or more. Since the drive frequency of 20 kHz or more is out of the human audible band, it has an advantage that generation of unpleasant sound caused by, for example, reactor vibration can be suppressed.
(Feature 2) The parallel connection type DC-DC converter includes a GaN lateral high electron mobility transistor connected in parallel with a boosting Schottky barrier diode as a switching element for regeneration. Thereby, the electric power regenerated can be efficiently recirculated to the storage battery.

以下では、上述の特徴を踏まえて本発明の作用や効果を明確に説明するために、本発明の実施例を、次のような順序に従って説明する。
A.本発明の実施例に係る並列接続型DC−DCコンバータの構成:
B.変形例:
In the following, embodiments of the present invention will be described in the following order in order to clearly describe the operation and effects of the present invention based on the above-described features.
A. Configuration of a parallel-connected DC-DC converter according to an embodiment of the present invention:
B. Variation:

A.本発明の実施例に係る並列接続型DC−DCコンバータの構成:
図6は、本発明の実施例に係る並列接続型DC−DCコンバータ100aの構成を示す説明図である。並列接続型DC−DCコンバータ100aは、一対の入力端子Tinと、一対の出力端子Toutと、一対の入力端子Tinと一対の出力端子Toutとの間で並列に接続されている3個のDC−DCコンバータユニット101、102、103と、3個のDC−DCコンバータユニット101、102、103を制御する制御部900と、を備えている。一対の入力端子Tinの間には、蓄電池400aが接続されている。一対の出力端子Toutの間には、キャパシタ700が接続されている。なお、蓄電池400aは、蓄電池400の半分の出力電圧を供給するように構成されているので、小型軽量化や低コスト化が実現されている。
A. Configuration of a parallel-connected DC-DC converter according to an embodiment of the present invention:
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the configuration of the parallel connection type DC-DC converter 100a according to the embodiment of the present invention. The parallel connection type DC-DC converter 100a includes a pair of input terminals Tin, a pair of output terminals Tout, and three DC- connected in parallel between the pair of input terminals Tin and the pair of output terminals Tout. DC converter units 101, 102, and 103, and a control unit 900 that controls the three DC-DC converter units 101, 102, and 103 are provided. A storage battery 400a is connected between the pair of input terminals Tin. A capacitor 700 is connected between the pair of output terminals Tout. Since the storage battery 400a is configured to supply half the output voltage of the storage battery 400, a reduction in size and weight and a reduction in cost are realized.

並列接続型DC−DCコンバータ100aは、以下のような寄生インダクタンスを有するゆえにサージ電圧の要因となっている。図6では、プリントパターン等に起因する寄生インダクタンスLp1、Lp2、Lp3が、3個のDC−DCコンバータユニット101、102、103と蓄電池400aの負極との間に例示されているが、他の配線部分にも寄生インダクタンスが存在する。寄生インダクタンスLp1、Lp2、Lp3は、それぞれGaN横型高電子移動度トランジスタ511、512、513のターンオフ時にエミッタ電極の電位を低下させることによってコレクタエミッタ間電圧を上昇させてサージ電圧を発生させる要因となる。一方、GaN横型高電子移動度トランジスタ511、512、513とリアクトル121、122、123との間の配線の寄生インダクタンスは、同様にコレクタ電極の電位を上昇させてサージ電圧を発生させる要因となる。   Since the parallel-connected DC-DC converter 100a has the following parasitic inductance, it causes a surge voltage. In FIG. 6, parasitic inductances Lp1, Lp2, and Lp3 resulting from the printed pattern and the like are illustrated between the three DC-DC converter units 101, 102, and 103 and the negative electrode of the storage battery 400a. There is also a parasitic inductance in the part. Parasitic inductances Lp1, Lp2, and Lp3 cause a surge voltage by increasing the collector-emitter voltage by lowering the potential of the emitter electrode when the GaN lateral high electron mobility transistors 511, 512, and 513 are turned off. . On the other hand, the parasitic inductance of the wiring between the GaN lateral high electron mobility transistors 511, 512, 513 and the reactors 121, 122, 123 similarly increases the potential of the collector electrode and generates a surge voltage.

3個のDC−DCコンバータユニット101、102、103は、いずれも同一の構成を有している。DC−DCコンバータユニット101は、2個のGaN横型高電子移動度トランジスタ511、521と、リアクトル121と、2個のショットキーバリアダイオード611、621と、を備えている。DC−DCコンバータユニット102は、2個のGaN横型高電子移動度トランジスタ512、522と、リアクトル122と、2個のショットキーバリアダイオード612、622と、を備えている。DC−DCコンバータユニット103は、2個のGaN横型高電子移動度トランジスタ513、523と、リアクトル123と、2個のショットキーバリアダイオード613、623と、を備えている。   The three DC-DC converter units 101, 102, and 103 all have the same configuration. The DC-DC converter unit 101 includes two GaN lateral high electron mobility transistors 511 and 521, a reactor 121, and two Schottky barrier diodes 611 and 621. The DC-DC converter unit 102 includes two GaN lateral high electron mobility transistors 512 and 522, a reactor 122, and two Schottky barrier diodes 612 and 622. The DC-DC converter unit 103 includes two GaN lateral type high electron mobility transistors 513 and 523, a reactor 123, and two Schottky barrier diodes 613 and 623.

DC−DCコンバータユニット101の各構成要素は、従来技術のDC−DCコンバータ100と同様に以下のように接続されている。すなわち、リアクトル121の一方の電極は、蓄電池400の正極に接続されている。リアクトル121の他方の電極は、GaN横型高電子移動度トランジスタ511のコレクタ電極と、GaN横型高電子移動度トランジスタ521のエミッタ電極とに接続されている。GaN横型高電子移動度トランジスタ521のコレクタ電極は、一方の出力端子Toutとキャパシタ700の一方の電極に接続されている。他方の出力端子Toutとキャパシタ700の他方の電極は、GaN横型高電子移動度トランジスタ511のエミッタ電極と蓄電池400の負極とに接続されている。ショットキーバリアダイオード611のアノードは、GaN横型高電子移動度トランジスタ511のエミッタ電極に接続されている。ショットキーバリアダイオード611のカソードは、GaN横型高電子移動度トランジスタ511のコレクタ電極に接続されている。ショットキーバリアダイオード621のアノードは、GaN横型高電子移動度トランジスタ521のエミッタ電極に接続されている。ショットキーバリアダイオード621のカソードは、GaN横型高電子移動度トランジスタ521のコレクタ電極に接続されている。   Each component of the DC-DC converter unit 101 is connected as follows in the same manner as the DC-DC converter 100 of the prior art. That is, one electrode of the reactor 121 is connected to the positive electrode of the storage battery 400. The other electrode of the reactor 121 is connected to the collector electrode of the GaN lateral high electron mobility transistor 511 and the emitter electrode of the GaN lateral high electron mobility transistor 521. The collector electrode of the GaN lateral high electron mobility transistor 521 is connected to one output terminal Tout and one electrode of the capacitor 700. The other output terminal Tout and the other electrode of the capacitor 700 are connected to the emitter electrode of the GaN lateral high electron mobility transistor 511 and the negative electrode of the storage battery 400. The anode of the Schottky barrier diode 611 is connected to the emitter electrode of the GaN lateral high electron mobility transistor 511. The cathode of the Schottky barrier diode 611 is connected to the collector electrode of the GaN lateral high electron mobility transistor 511. The anode of the Schottky barrier diode 621 is connected to the emitter electrode of the GaN lateral high electron mobility transistor 521. The cathode of the Schottky barrier diode 621 is connected to the collector electrode of the GaN lateral high electron mobility transistor 521.

図7は、本発明の実施例に係るショットキーバリアダイオード600の構造を示す説明図である。ショットキーバリアダイオード600は、上述の6個のショットキーバリアダイオード611、621、612、622、613、623として使用されている。ショットキーバリアダイオード600は、カソードとしてのTi/Al電極(図示省略)を有する窒化ガリウム(GaN)基板610と、GaN基板610上に設けられているn型のGaN層620と、GaN層620上に設けられているアノードとしてのニッケル(Ni)電極630と、絶縁膜631、632とを備えている。   FIG. 7 is an explanatory diagram showing the structure of a Schottky barrier diode 600 according to an embodiment of the present invention. The Schottky barrier diode 600 is used as the six Schottky barrier diodes 611, 621, 612, 622, 613, and 623 described above. The Schottky barrier diode 600 includes a gallium nitride (GaN) substrate 610 having a Ti / Al electrode (not shown) as a cathode, an n-type GaN layer 620 provided on the GaN substrate 610, and a GaN layer 620. A nickel (Ni) electrode 630 serving as an anode, and insulating films 631 and 632.

ショットキーバリアダイオード600は、Ni電極630とGaN層620との間のショットキー接合で形成される整流作用を有するショットキー障壁を利用したダイオードである。ショットキー接合は、PN接合と比較して多数キャリアで電流の輸送が行われるため高速動作に優れるとともに、順方向の電圧降下が低いという利点を有している。   The Schottky barrier diode 600 is a diode using a Schottky barrier having a rectifying action formed by a Schottky junction between the Ni electrode 630 and the GaN layer 620. The Schottky junction is advantageous in that it is superior in high-speed operation and has a low forward voltage drop because current transport is performed by majority carriers as compared with the PN junction.

図8は、本発明の実施例に係る制御部900が昇圧モードにおいて3個のDC−DCコンバータユニット101、102、103を制御する様子を示す説明図である。制御部900は、回生モードと昇圧モードの2つの作動モードを有している。昇圧モードでは、制御部900は、3つのGaN横型高電子移動度トランジスタ511、512、513のオンオフ操作を行って一対の出力端子Toutに発生させる出力電圧を制御することができる。回生モードでは、制御部900は、3つのGaN横型高電子移動度トランジスタ621、622、623をオンさせて一対の出力端子Toutから還流している電力を一対の入力端子Tinに戻すことができる。   FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating a state in which the control unit 900 according to the embodiment of the present invention controls the three DC-DC converter units 101, 102, and 103 in the boost mode. The controller 900 has two operation modes, a regeneration mode and a boost mode. In the step-up mode, the controller 900 can control the output voltage generated at the pair of output terminals Tout by performing on / off operations of the three GaN lateral high electron mobility transistors 511, 512, and 513. In the regeneration mode, the control unit 900 can turn on the three GaN lateral type high electron mobility transistors 621, 622, and 623 to return the power returned from the pair of output terminals Tout to the pair of input terminals Tin.

制御部900は、3個のDC−DCコンバータユニット101、102、103の位相を順に120°だけシフトさせて操作している。具体的には、制御部900は、位相0°では、DC−DCコンバータユニット101が有するGaN横型高電子移動度トランジスタ511をターンオフToffし、所定時間経過後にターンオンTonする。これにより、リアクトル121に蓄積された電流エネルギによって、GaN横型高電子移動度トランジスタ511のコレクタエミッタ間に電圧Vds1が発生することになる。 The controller 900 operates by sequentially shifting the phases of the three DC-DC converter units 101, 102, and 103 by 120 °. Specifically, the control unit 900, the phase 0 °, the GaN lateral high electron mobility transistor 511 included in the DC-DC converter unit 101 turns off T off, turned T on after a predetermined time has elapsed. As a result, the voltage V ds1 is generated between the collector and emitter of the GaN lateral high electron mobility transistor 511 by the current energy accumulated in the reactor 121.

この電圧Vds1がキャパシタ700の両端電圧を超過すると、電流I(図6参照)がショットキーバリアダイオード621を通過し、出力端子Toutとキャパシタ700とに分かれて流れ込むことになる。キャパシタ700に流れ込む電流Iは、キャパシタ700の両端電圧を上昇させることになる。出力端子Toutに流れ込む電流Iは、出力電流として外部に供給される。電流Iと電流Iの和は、ショットキーバリアダイオード621を通過する電流Iに等しい。このような動作は、3個のDC−DCコンバータユニット111、112、113について、120°の位相差で順に実行され、それぞれ電圧Vds2と電圧Vds3とが発生し、電流Iが発生することになる。これにより、周期毎に電流Iがキャパシタ700に3回ずつ流れ込むことになる。 When the voltage V ds1 exceeds the voltage across the capacitor 700, the current I d (see FIG. 6) passes through the Schottky barrier diode 621 and flows into the output terminal Tout and the capacitor 700 separately. Current I c flowing into the capacitor 700 would raise the voltage across the capacitor 700. Current I t flowing to the output terminal Tout is supplied to the outside as an output current. The sum of the current I c and the current I t is equal to the current I d which passes through the Schottky barrier diode 621. Such an operation, for three of the DC-DC converter units 111 to 113 are executed in sequence with a phase difference of 120 °, and the voltage V ds2 and the voltage V ds3 generated respectively, current I c is generated It will be. Thus, the current I c is the flow three times in the capacitor 700 in each cycle.

制御部900は、このような操作を繰り返しつつ、キャパシタ700の両端電圧が基準電圧Vrefに近づくように3個のDC−DCコンバータユニット101、102、103のデューティ比を操作して出力電圧を制御する。   The controller 900 controls the output voltage by operating the duty ratios of the three DC-DC converter units 101, 102, and 103 so that the voltage across the capacitor 700 approaches the reference voltage Vref while repeating such operations. To do.

図9は、本発明の実施例に係る並列接続型DC−DCコンバータ100aにおいて発生するサージ電圧の様子を示す説明図である。実線は、本実施例の並列接続型DC−DCコンバータ100aで発生するサージ電圧を正規化して示している。点線は、従来技術のDC−DCコンバータ100で発生するサージ電圧を正規化して示している。本図から分かるように、実施例の並列接続型DC−DCコンバータ100aでは、サージ電圧のピークが顕著に低減されていることが分かる。サージ電圧のピークの低減は、並列接続型DC−DCコンバータ100aの出力電流が3個のDC−DCコンバータユニット101、102、103に分散されることによって、ひいては電流の時間微分値も低減されるからである。   FIG. 9 is an explanatory diagram showing a state of a surge voltage generated in the parallel connection type DC-DC converter 100a according to the embodiment of the present invention. The solid line shows a normalized surge voltage generated in the parallel connection type DC-DC converter 100a of the present embodiment. The dotted line shows a normalized surge voltage generated in the conventional DC-DC converter 100. As can be seen from the figure, in the parallel-connected DC-DC converter 100a of the example, the peak of the surge voltage is remarkably reduced. The peak of the surge voltage is reduced by distributing the output current of the parallel-connected DC-DC converter 100a to the three DC-DC converter units 101, 102, and 103, thereby reducing the time differential value of the current. Because.

図10は、本発明の実施例に係るDC−DCコンバータユニット101の損失を他の種類のスイッチングデバイスを使用した場合との比較を示す説明図である。この図は、シリコン(Si)、炭化ケイ素(SiC)、縦型窒化ガリウム(GaN)、横型窒化ガリウム(GaN)のスイッチング素子をDC−DCコンバータユニット101に使用したときの損失の比較を正規化して示している。この図は、DC−DCコンバータユニット101を10kHzの駆動周波数で駆動させたときの損失と、20kHzの駆動周波数で駆動させたときの損失と、を示している。   FIG. 10 is an explanatory diagram showing a comparison between the loss of the DC-DC converter unit 101 according to the embodiment of the present invention and the case where another type of switching device is used. This figure normalizes the comparison of losses when switching elements of silicon (Si), silicon carbide (SiC), vertical gallium nitride (GaN), and lateral gallium nitride (GaN) are used in the DC-DC converter unit 101. It shows. This figure shows a loss when the DC-DC converter unit 101 is driven at a driving frequency of 10 kHz and a loss when the DC-DC converter unit 101 is driven at a driving frequency of 20 kHz.

この図から分かるように、GaN横型高電子移動度トランジスタは、他の種類のデバイスと比較して損失が小さく、駆動周波数が20kHzに上昇しても損失が過度に上昇しないことが分かる。このように高い周波数でも損失が小さいのは、GaN横型高電子移動度トランジスタがコレクタゲート間容量Cdg、エミッタゲート間容量Csg、およびコレクタエミッタ間容量Cdsのいずれもが極めて小さいという性質を有しているからである。これにより、実施例の並列接続型DC−DCコンバータ100aは、駆動周波数が人間の可聴帯域から外れる20kHzにおいて低損失で駆動することができることになる。この結果、実施例の並列接続型DC−DCコンバータ100aは、たとえばリアクトルの振動に起因する不快な音の発生を抑制することができるという利点をも有していることになる。   As can be seen from this figure, the GaN lateral high electron mobility transistor has a smaller loss than other types of devices, and the loss does not increase excessively even when the drive frequency is increased to 20 kHz. The reason why the loss is small even at such a high frequency is that the GaN lateral high electron mobility transistor has the property that all of the collector-gate capacitance Cdg, the emitter-gate capacitance Csg, and the collector-emitter capacitance Cds are extremely small. Because. As a result, the parallel-connected DC-DC converter 100a of the embodiment can be driven with low loss at 20 kHz where the driving frequency is out of the human audible band. As a result, the parallel-connected DC-DC converter 100a according to the embodiment also has an advantage that it is possible to suppress generation of unpleasant sound due to, for example, reactor vibration.

このように、実施例に係る並列接続型DC−DCコンバータ100aは、GaNを材料とする横型の高電子移動度トランジスタの優れた特性を活かした高効率の電力供給システムを実現することができるとともに、蓄電池の出力電圧を半分にすることができるので、電力供給システムの実装コスト、重量、およびサイズを顕著に低減させることができる。さらに、人間の可聴帯域内の不快な騒音を抑制しつつ駆動することも可能である。   As described above, the parallel-connected DC-DC converter 100a according to the embodiment can realize a high-efficiency power supply system utilizing the excellent characteristics of the lateral high electron mobility transistor made of GaN. Since the output voltage of the storage battery can be halved, the mounting cost, weight, and size of the power supply system can be significantly reduced. Furthermore, it is possible to drive while suppressing unpleasant noise within the human audible band.

図11は、本発明の変形例に係る並列接続型DC−DCコンバータ100bの構成を示す説明図である。変形例の並列接続型DC−DCコンバータ100bは、3個のDC−DCコンバータユニット101a、102a、103aが有するGaN横型高電子移動度トランジスタ511、512、513のそれぞれのゲートエミッタ間に調整用コンデンサ521、522、523を備えている点で実施例の並列接続型DC−DCコンバータ100aと相違する。調整用コンデンサ521、522、523は、GaN横型高電子移動度トランジスタ511、512、513のゲート電極の遅延時間を操作(過度に早い応答特性を意図的に遅くする)するとともに、エミッタ電極の電位の過度な変動を抑制することによって設計用途に応じたサージ電圧の低減や調整を簡易に実現させることができる。   FIG. 11 is an explanatory diagram showing a configuration of a parallel connection type DC-DC converter 100b according to a modification of the present invention. The parallel-connected DC-DC converter 100b of the modification is an adjustment capacitor between the gate emitters of the GaN lateral high electron mobility transistors 511, 512, and 513 included in the three DC-DC converter units 101a, 102a, and 103a. It differs from the parallel connection type DC-DC converter 100a of an Example by the point provided with 521,522,523. The adjusting capacitors 521, 522, and 523 manipulate the delay time of the gate electrodes of the GaN lateral type high electron mobility transistors 511, 512, and 513 (deliberately slow down an excessively fast response characteristic) and also adjust the potential of the emitter electrode. By suppressing the excessive fluctuation of the surge voltage, the surge voltage can be easily reduced or adjusted according to the design application.

B.変形例:
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。具体的には、たとえば以下のような変形例も実施可能である。
B. Variation:
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. In addition, the technical elements described in the present specification or drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in the present specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects. Specifically, for example, the following modifications can be implemented.

B−1:上述の実施例や変形例では、スイッチング素子として絶縁ゲート型横型の高電子移動度トランジスタ(HEMT)が使用されているが、たとえば図12に示されるようなショットキーゲート型横型の高電子移動度トランジスタ(HEMT)を使用するようにしても良い。ショットキーゲート型横型の高電子移動度トランジスタは、Ni/Auのゲート電極572aがAlGaN層540に対してショットキー接合されているトランジスタである。このように、本発明で使用可能なスイッチング素子は、一般にGaNを材料とする横型の高電子移動度トランジスタであればよい。 B-1: In the above-described embodiments and modifications, an insulating gate type lateral high electron mobility transistor (HEMT) is used as a switching element. For example, a Schottky gate type lateral type as shown in FIG. A high electron mobility transistor (HEMT) may be used. The Schottky gate type lateral high electron mobility transistor is a transistor in which a Ni / Au gate electrode 572a is Schottky-bonded to the AlGaN layer 540. Thus, the switching element that can be used in the present invention may be a lateral high electron mobility transistor generally made of GaN.

B−2:上述の実施例や変形例では、ダイオードとして窒化ガリウムを材料とする縦型のショットキーバリアダイオードを使用しているが、たとえばたとえば図13に示されるような横型のショットキーバリアダイオードを使用するようにしても良い。横型のショットキーバリアダイオードは、シリコン基板610aの上にバッファ層615が設けられ、その上にN型の窒化ガリウム層620aが設けられ、N型の窒化ガリウム層620aにカソードとしてのTi/Al電極661、662と、アノードとしてのニッケル電極640aと、これらの電極間を絶縁する絶縁膜671、672と、を備えている。このように、本発明で好ましい形態として使用可能なダイオードは、一般にGaNを材料とするショットキーバリアダイオードであればよい。 B-2: In the above-described embodiments and modifications, a vertical Schottky barrier diode made of gallium nitride is used as the diode. For example, a horizontal Schottky barrier diode as shown in FIG. 13 is used. May be used. In the lateral Schottky barrier diode, a buffer layer 615 is provided on a silicon substrate 610a, an N-type gallium nitride layer 620a is provided thereon, and a Ti / Al electrode as a cathode is provided on the N-type gallium nitride layer 620a. 661, 662, a nickel electrode 640a as an anode, and insulating films 671, 672 that insulate the electrodes from each other. As described above, the diode that can be used as a preferable embodiment in the present invention may be a Schottky barrier diode generally made of GaN.

B−3:上述の実施例や変形例では、DC−DCコンバータユニットが非絶縁型の昇圧コンバータとして構成されているが、たとえばSEPICやZeta、Cukといった非絶縁型の昇降圧動作が可能なコンバータとして構成してもよいし、さらに、たとえばトランスを使用した絶縁型昇圧コンバータとして構成しても良い。絶縁型昇圧コンバータには、たとえばフライバックコンバータとフォワードコンバータとが含まれる。本発明で利用可能なDC−DCコンバータユニットの回路構成は、昇圧のための電流エネルギを蓄積するリアクトルと、そのリアクトルに直列に接続されているスイッチング素子とを有する回路を含むDC−DCコンバータとして構成されていればよい。 B-3: In the above-described embodiments and modifications, the DC-DC converter unit is configured as a non-insulated boost converter. For example, a converter capable of a non-insulating step-up / step-down operation such as SEPIC, Zeta, or Cuk. Further, it may be configured as an isolated boost converter using a transformer, for example. The isolated boost converter includes, for example, a flyback converter and a forward converter. The circuit configuration of the DC-DC converter unit that can be used in the present invention is a DC-DC converter including a circuit having a reactor that stores current energy for boosting and a switching element connected in series to the reactor. It only has to be configured.

120〜123…リアクトル
132、142…ダイオード
200…インバータ
300…三相モーター
400、400a…蓄電池
510…サファイア基板
521、522、523…調整用コンデンサ
551、552…コンタクト層
561、563…チタン層
562…絶縁層
571…エミッタ電極
572、572a…ゲート電極
573…コレクタ電極
600…ショットキーバリアダイオード
610…GaN基板
610a…シリコン基板
611、612、613、621…ショットキーバリアダイオード
615…バッファ層
620a…窒化ガリウム層
630、640a…Ni電極
631、671…絶縁膜
700…キャパシタ
900…制御部
100a、100b…並列接続型DC−DCコンバータ
120-123 ... Reactors 132, 142 ... Diode 200 ... Inverter 300 ... Three-phase motor 400, 400a ... Storage battery 510 ... Sapphire substrate 521, 522, 523 ... Adjustment capacitor 551, 552 ... Contact layer 561, 563 ... Titanium layer 562 ... Insulating layer 571 ... Emitter electrode 572, 572a ... Gate electrode 573 ... Collector electrode 600 ... Schottky barrier diode 610 ... GaN substrate 610a ... Silicon substrate 611, 612, 613, 621 ... Schottky barrier diode 615 ... Buffer layer 620a ... Gallium nitride Layers 630, 640a ... Ni electrodes 631, 671 ... Insulating film 700 ... Capacitor 900 ... Control unit 100a, 100b ... Parallel connection type DC-DC converter

Claims (3)

移動体を駆動する装置に電力を供給する移動体搭載式電力供給システムに使用されるとともに昇圧比が4以上の並列接続型DC−DCコンバータであって、
相互に並列接続された3個のDC−DCコンバータユニットを備え、
各々のDC−DCコンバータユニットが、GaNを材料とする横型の高電子移動度トランジスタであるスイッチング素子と、そのスイッチング素子に直列に接続されているリアクトルとを有するDC−DCコンバータ。
A parallel-connected DC-DC converter that is used in a mobile unit-mounted power supply system that supplies power to a device that drives a mobile unit and has a step-up ratio of 4 or more,
Comprising three DC-DC converter units connected in parallel to each other;
A DC-DC converter in which each DC-DC converter unit includes a switching element that is a lateral high electron mobility transistor made of GaN, and a reactor connected in series to the switching element.
請求項1に記載の並列接続型DC−DCコンバータであって、さらに、
スイッチング素子のゲート電極とエミッタ電極との間に接続されたコンデンサを備えるDC−DCコンバータ。
The parallel-connected DC-DC converter according to claim 1, further comprising:
A DC-DC converter comprising a capacitor connected between a gate electrode and an emitter electrode of a switching element.
請求項1又は2に記載の並列接続型DC−DCコンバータであって、さらに、
GaNを材料とし、スイッチング素子に並列に接続されているショットキーバリアダイオードを備えるDC−DCコンバータ。
The parallel connection type DC-DC converter according to claim 1, further comprising:
A DC-DC converter including a Schottky barrier diode made of GaN and connected in parallel to a switching element.
JP2009176239A 2009-07-29 2009-07-29 Parallel connection dc-dc converter Pending JP2011030396A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009176239A JP2011030396A (en) 2009-07-29 2009-07-29 Parallel connection dc-dc converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009176239A JP2011030396A (en) 2009-07-29 2009-07-29 Parallel connection dc-dc converter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011030396A true JP2011030396A (en) 2011-02-10

Family

ID=43638469

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009176239A Pending JP2011030396A (en) 2009-07-29 2009-07-29 Parallel connection dc-dc converter

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2011030396A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012186910A (en) * 2011-03-04 2012-09-27 Toyota Central R&D Labs Inc Power conversion module
WO2013108064A1 (en) * 2012-01-20 2013-07-25 Freescale Semiconductor, Inc. Over-current protection device
US9240472B2 (en) 2012-03-19 2016-01-19 Fujitsu Limited Semiconductor device, PFC circuit, power supply device, and amplifier

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02285960A (en) * 1989-04-26 1990-11-26 Tohoku Ricoh Co Ltd Dc-dc converter
JP2001223341A (en) * 2000-02-08 2001-08-17 Furukawa Electric Co Ltd:The Power supply
JP2008306200A (en) * 2001-11-27 2008-12-18 Furukawa Electric Co Ltd:The POWER CONVERSION DEVICE AND GaN-BASED SEMICONDUCTOR DEVICE USED THEREFOR
JP2009163948A (en) * 2007-12-28 2009-07-23 Toyota Motor Corp Fuel cell system, and step-up converter

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02285960A (en) * 1989-04-26 1990-11-26 Tohoku Ricoh Co Ltd Dc-dc converter
JP2001223341A (en) * 2000-02-08 2001-08-17 Furukawa Electric Co Ltd:The Power supply
JP2008306200A (en) * 2001-11-27 2008-12-18 Furukawa Electric Co Ltd:The POWER CONVERSION DEVICE AND GaN-BASED SEMICONDUCTOR DEVICE USED THEREFOR
JP2009163948A (en) * 2007-12-28 2009-07-23 Toyota Motor Corp Fuel cell system, and step-up converter

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012186910A (en) * 2011-03-04 2012-09-27 Toyota Central R&D Labs Inc Power conversion module
WO2013108064A1 (en) * 2012-01-20 2013-07-25 Freescale Semiconductor, Inc. Over-current protection device
US9787079B2 (en) 2012-01-20 2017-10-10 Nxp Usa, Inc. Over-current protection device
US9240472B2 (en) 2012-03-19 2016-01-19 Fujitsu Limited Semiconductor device, PFC circuit, power supply device, and amplifier

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5262101B2 (en) Power conversion circuit
JP5044065B2 (en) converter
Moo et al. Twin-buck converter with zero-voltage transition
Mishima et al. A practical ZCS-PWM boost DC-DC converter with clamping diode-assisted active edge-resonant cell and its extended topologies
WO2006098376A1 (en) Chopper circuit
US9735683B2 (en) DC/DC converter which ensures damping of voltage overshoots of a semiconductor switch
JP2009159184A (en) Circuit device having freewheel diode, circuit device using diode, and electric power converter using the circuit device
Matsumori et al. Isolated DC-DC converter utilizing GaN power device for automotive application
JPWO2012056720A1 (en) Inverter
Kolar et al. Application of WBG Power Devices in Future 3-Φ Variable Speed Drive Inverter Systems" How to Handle a Double-Edged Sword"
Lee et al. Minimizing switching losses in high switching frequency GaN-based synchronous buck converter with zero-voltage resonant-transition switching
JP2009011013A (en) Power conversion equipment
Stillwell et al. Design of a 1 kV bidirectional DC-DC converter with 650 V GaN transistors
JP2005261059A (en) Current bidirectional converter
JP2011030396A (en) Parallel connection dc-dc converter
JP6452226B2 (en) DC-DC converter auxiliary circuit and bidirectional buck-boost DC-DC converter using the auxiliary circuit
Umeda et al. Highly efficient low-voltage DC-DC converter at 2-5 MHz with high operating current using GaN gate injection transistors
JP2011004243A (en) Switch circuit
Moradisizkoohi et al. A quasi-resonant bi-directional buck-boost converter for Electric Vehicle applications
JP4806325B2 (en) DC-DC converter
JP4806324B2 (en) DC-DC converter
Mazumder et al. GaN FET and hybrid modulation based differential-mode inverter
Musumeci et al. Experimental Evaluation of a Monolithic Gallium Nitride Devices Solution for Flyback Converter Devoted to Auxiliary Power Supply
JP4806323B2 (en) DC-DC converter
JP7456095B2 (en) power converter

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120523

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130814

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130820

A521 Written amendment

Effective date: 20131018

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

A02 Decision of refusal

Effective date: 20140212

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02