專利名稱：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)三相電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻控制的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。
背景技術(shù)：
在對(duì)三相無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻控制的情況下，驅(qū)動(dòng)三相變 頻電路中的各個(gè)上臂側(cè)開關(guān)元件和各個(gè)下臂側(cè)開關(guān)元件開、關(guān)，將 直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電。 已知變頻器的通電控制方式有使各個(gè)開關(guān)元件的導(dǎo)通期間為 電動(dòng)機(jī)角度2;r /3的120度通電方式、使各個(gè)開關(guān)元件的導(dǎo)通期間 為電動(dòng)機(jī)角度7T的180度通電方式。為控制三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)矩，就要對(duì)三相變頻電路的開關(guān)元件進(jìn)行PWM (脈寬調(diào)制Pulse Width Modulation)控制。 在所述三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制方法下，因?yàn)槿酂o刷直流 電動(dòng)機(jī)具有很大的電感，所以在為進(jìn)行PWM控制而切斷某一規(guī)定相 的上臂側(cè)開關(guān)元件(或者下臂側(cè)開關(guān)元件)時(shí)，切斷時(shí)已累積在三 相無刷直流電動(dòng)機(jī)的電感中的磁能會(huì)繼慣性動(dòng)。 為克服上述缺點(diǎn)釆取了以下做法，將各個(gè)開關(guān)元件與回流二極 管(慣性二極管)并列逆連接，經(jīng)由該慣性二極管削弱累積在所述 電感中的磁 食b 。
在P麗控制下，在正向電流剛剛流入慣性二極管不久，進(jìn)行施
加逆向高壓的工作。此時(shí)，慣性二極管中會(huì)瞬間流過朝逆向流動(dòng)的
電流，該朝逆向流動(dòng)的電流被稱作恢復(fù)電流。該恢復(fù)電流產(chǎn)生對(duì)驅(qū)
動(dòng)電動(dòng)機(jī)無用的功率，在變頻電路中作為熱消耗掉，成為導(dǎo)致變頻 器的功率轉(zhuǎn)換效率降低的一個(gè)原因。
在用MOS (金屬一絕緣膜一半導(dǎo)體)晶體管作開關(guān)元件的情況下，是用M0S晶體管的寄生二極管作慣性二極管。但是，恢復(fù)電流
在M0S晶體管的寄生二極管中流動(dòng)的時(shí)間很長(zhǎng)。結(jié)果是，恢復(fù)電流 引起的功耗增大，而容易發(fā)熱。
在用IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)作開關(guān)元件的情況下，因?yàn)?沒有寄生二極管，所以需要外裝慣性二極管。用恢復(fù)電流小的FRD (快速恢復(fù)二極管)作外裝的慣性二極管，就能夠使開關(guān)損耗減小 (參考例如專利文獻(xiàn)1)。
專利文獻(xiàn)1:日本公開特許公報(bào)特開平7 — 222459號(hào)公報(bào) —發(fā)明要解決的技術(shù)問題一
然而存在的問題是現(xiàn)在的變頻電路需要外裝FRD，這樣變頻 電路的部件個(gè)數(shù)會(huì)增多，阻礙小型化和低成本化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明對(duì)上述問題加以解決，不外裝二極管就能夠構(gòu)成變頻器， 實(shí)現(xiàn)了 一個(gè)結(jié)構(gòu)更加筒單的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。 一用以解決技術(shù)問題的技術(shù)方案一
件，該開關(guān)元件由半導(dǎo)體元件構(gòu)成，該半導(dǎo)體元件中沒有寄生二極 管，該半導(dǎo)體元件能夠作為二極管工作。
具體而言，所列舉的電動(dòng)^l驅(qū)動(dòng)電路以驅(qū)動(dòng)三相電動(dòng)才幾的電動(dòng) 才幾驅(qū)動(dòng)電路為對(duì)象，包括具有三個(gè)分別驅(qū)動(dòng)三相電動(dòng)機(jī)的各相的上 臂的上臂側(cè)開關(guān)元件和三個(gè)分別驅(qū)動(dòng)各相的下臂的下臂側(cè)開關(guān)元件 的三相變頻電路。下臂側(cè)開關(guān)元件和上臂側(cè)開關(guān)元件中至少 一種開 關(guān)元件是半導(dǎo)體元件，包括半導(dǎo)體層疊層體，由形成在襯底上的 氮化物半導(dǎo)體制成；第一歐姆電極及第二歐姆電極，形成在半導(dǎo)體 層疊層體上，第一歐姆電極及第二歐姆電極間留有間隙；以及第一 柵電極，形成在第一歐姆電極和第二歐姆電極之間。半導(dǎo)體元件作 為二極管工作，將以第一歐姆電極的電位為基準(zhǔn)第一柵電極的閾值 電壓以下的電壓施加在第一柵電極上，由此使從第一歐姆電極流向 第二歐姆電極的電流流動(dòng)，切斷眾第二歐姆電極流向第 一 歐姆電極 的電流。
例示的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，開關(guān)元件中的至少一個(gè)開關(guān)元件是
作為二極管工作的半導(dǎo)體元件，即，將以第一歐姆電極的電位為基 準(zhǔn)第一柵電極的閾值電壓以下的電壓施加在第一柵電極上，由此使 從第 一 歐姆電極流向第二歐姆電極的電流流動(dòng)，切斷從第二歐姆電 極流向第一歐姆電極的電流。因此，不將慣性二極管連接在變頻元 件上，就能夠防止上下臂間短路。在該情況下，恢復(fù)電流非常小， 因而能夠使起因于慣性二極管的恢復(fù)電流的開關(guān)損耗降低。而且，
半導(dǎo)體元件包括由形成在襯底上的氮化物半導(dǎo)體制成的半導(dǎo)體層 疊層體、形成在所述半導(dǎo)體層疊層體上的二者間留有間隙的第 一 歐 姆電極及第二歐姆電極以及形成在所述第 一 歐姆電極和第二歐姆電 極之間的第一柵電極，沒有寄生二極管。結(jié)果是，能夠使由于寄生 二極管引起的較大的恢復(fù)損耗降低。 一發(fā)明的效果一 根據(jù)本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，不外裝二極管就能夠構(gòu)成變頻 器，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。


[圖l]是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式所涉及的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的 電路圖。是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式所涉及的雙向開關(guān)與雙向開 關(guān)的柵極電路的圖。是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式所涉及的雙向開關(guān)的等效電 路的圖。是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式所涉及的雙向開關(guān)的電流-電壓特性的曲線圖。是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式所涉及的柵極驅(qū)動(dòng)電路的圖。是本發(fā)明第一實(shí)施方式所涉及的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的工 作時(shí)序圖。表示本發(fā)明第一實(shí)施方式所涉及的電動(dòng) 機(jī)驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)的電流流動(dòng)情況，圖7 (a)是表示上臂側(cè)開關(guān)元件在脈寬期間的工作情況的圖，圖7 (b)是表示上臂側(cè)開關(guān)元件在 脈沖間隔期間的工作情況的圖。是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式第一變形例所涉及的電動(dòng)機(jī)
驅(qū)動(dòng)電路的電路圖。是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式第一變形例所涉及的電動(dòng) 機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的工作時(shí)序的圖。是表示本發(fā)明第二實(shí)施方式所涉及的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 的電路圖。是本發(fā)明第二實(shí)施方式所涉及的雙向 開關(guān)。圖11 (a)是雙向開關(guān)的俯視圖，圖11 (b)是圖11 (a)中 的XIb-XIb線的剖視圖。是表示以本發(fā)明第二實(shí)施方式所涉及的雙向開關(guān)作二 極管用時(shí)的恢復(fù)特性的曲線圖。是本發(fā)明第二實(shí)施方式所涉及的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的工 作時(shí)序圖。表示本發(fā)明第二實(shí)施方式所涉及的 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)的電流流動(dòng)情況，圖15 (a)是表示上臂側(cè) 開關(guān)元件的脈寬期間的工作情況的圖，圖15 (b)是表示上臂側(cè)開 關(guān)元件的脈沖間隔期間的工作情況的圖。
—符號(hào)說明一
1 直流電源
2 電動(dòng)4幾驅(qū)動(dòng)電路
3 三相無刷直流電動(dòng)機(jī)
4 平滑電容器
5 三相變頻電路
7 三相變頻電路
8 三相變頻電路
9 柵極控制器10半導(dǎo)體元件
10A第一晶體管
10B第二晶體管
11村底
12緩沖層
13半導(dǎo)體層疊層體
14第一半導(dǎo)體層
15第二半導(dǎo)體層
16A第一歐姆電極
16B第二歐姆電極
17保護(hù)膜
18A第一柵電極
18B第二柵電極
19A第二控制層
l犯第二控制層
20控制部
21第一電源
22第二電源
23柵極驅(qū)動(dòng)電路
24控制信號(hào)源
30半導(dǎo)體元件
31襯底
32緩沖層
33半導(dǎo)體層疊層體
34第一半導(dǎo)體層
35第二半導(dǎo)體層
36A第一歐姆電極
36B第二歐姆電極
37保護(hù)膜
38柵電極39控制層
51a開關(guān)元件
51b開關(guān)元件
51c開關(guān)元件
51d開關(guān)元件
51e開關(guān)元件
51f開關(guān)元件
52a柵極電路
52b柵極電路
52c柵極電路
52d柵極電路
52e柵極電路
52f柵極電路
533二極管
53b二極管
53c二極管
54a開關(guān)元件
54b開關(guān)元件
54c開關(guān)元件
54d開關(guān)元件
54e開關(guān)元件
54f開關(guān)元件
55a柵極電路
55b柵極電路
55c柵極電路
55d柵極電路
55e柵極電路
55f柵極電路
56a開關(guān)元件
56b開關(guān)元件56c開關(guān)元件
56d開關(guān)元件
56e開關(guān)元件
56f開關(guān)元件
57s柵極電路
57b柵極電路
57c柵極電路
57d柵極電路
57e柵極電路
57f柵極電路
61第一歐姆電極布線
62第二歐姆電極布線
63柵電極布線
65活性區(qū)域
66非活性區(qū)域
67第一歐姆電極墊
68第二歐姆電極墊
69柵電極墊
具體實(shí)施方式
(第一實(shí)施方式)
下面，參考附圖對(duì)本發(fā)明第一實(shí)施方式進(jìn)行說明。
(1)變頻電路的構(gòu)成
參考附圖對(duì)本實(shí)施方式所涉及的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行說明。圖1示出了三相無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電路構(gòu)成。如圖1所示，自直流電源l將直流電供給第一實(shí)施方式中的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2驅(qū)動(dòng)由永久磁鐵型同步機(jī)構(gòu)成的三相無刷直流電動(dòng)機(jī)。
電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2包括平滑電容器4、三相變頻電路5以及柵極控制器9。
三相無刷直流電動(dòng)機(jī)3，由U相線圈、V相線圈、W相線圈星形連接(或者三角形連接)而成，轉(zhuǎn)子上裝有規(guī)定對(duì)數(shù)的勵(lì)磁磁鐵。
三相變頻電路5是一個(gè)直交流轉(zhuǎn)換電路，將自直流電源l施加
來的直流電壓轉(zhuǎn)換為三相交流電壓，并將該三相交流電壓輸出給三
相無刷直流電動(dòng)機(jī)3。三相變頻電路5具有開關(guān)元件51a — 51f。開 關(guān)元件51a-51c是上臂側(cè)開關(guān)元件，由MOS晶體管構(gòu)成；開關(guān)元件 51d-51f是下臂側(cè)開關(guān)元件，由雙向開關(guān)元件構(gòu)成。此外，分別連 接在上臂側(cè)開關(guān)元件51a-51c上的二極管53a-53c是M0S晶體管的 寄生二極管。這里所定義的雙向開關(guān)元件是具有將至少一個(gè)方向的 電流切斷的第 一 工作模式和讓電流雙向流動(dòng)的第二工作模式的開 關(guān)。本實(shí)施方式中所用的雙向開關(guān)元件具有Sl端子、S2端子、Gl 端子、G2端子，利用施加在Gl和G2之間的電壓控制在Sl和S2之 間流動(dòng)的電流。 開關(guān)元件51a是U相的上臂側(cè)開關(guān)元件，開關(guān)元件51b是V相 的上臂側(cè)開關(guān)元件，開關(guān)元件51c是W相的上臂側(cè)開關(guān)元件。同樣， 開關(guān)元件51d是U相的下臂側(cè)開關(guān)元件，開關(guān)元件51e是V相的下 臂側(cè)開關(guān)元件，開關(guān)元件51f是W相的下臂側(cè)開關(guān)元件。 開關(guān)元件51a、 51b、 51c即M0S晶體管的漏極分別與直流電源 1的正極相連接，開關(guān)元件51a即MOS晶體管的源極與U相和開關(guān) 元件51d即雙向開關(guān)的S2相連接；開關(guān)元件51b即MOS晶體管的源 極與V相和開關(guān)元件51e即雙向開關(guān)的S2相連接，開關(guān)元件51c 即MOS晶體管的源極與W相和開關(guān)元件51f即雙向開關(guān)的S2相連接。 開關(guān)元件51d、 51e、 51f即雙向開關(guān)的Sl與直流電源1的負(fù)極相連 接。
由MOS晶體管構(gòu)成的開關(guān)元件51a、 51b、 51c上分別連接有柵
極電路52a、 52b、 52c，此情況乃眾所周知。
由雙向開關(guān)構(gòu)成的開關(guān)元件51d、 51e、 51f上分別連接有雙向
開關(guān)用柵極電路52d、 52e、 52f。
柵極控制器9經(jīng)由柵極電路52a-52f控制開關(guān)元件51a-51f的
導(dǎo)通狀態(tài)和斷開狀態(tài)，且柵極控制器9是一用以對(duì)三相無刷直流電
動(dòng)機(jī)3進(jìn)行120度通電型PWM控制的控制電路。這是眾所周知的柵極控制器，說明省略不提。 此外，柵極控制器9根據(jù)三相無刷直流電動(dòng)機(jī)3的旋轉(zhuǎn)角度對(duì) 各相的開關(guān)元件51a-51f的導(dǎo)通狀態(tài)和斷開狀態(tài)進(jìn)行切換。因此， 柵極控制器9根據(jù)由三相變頻電路5輸出的三相交流電壓或者電流 邊推測(cè)三相無刷直流電動(dòng)機(jī)3的旋轉(zhuǎn)角度，邊進(jìn)行通電相位切換控 制。而且，還可以在三相無刷直流電動(dòng)機(jī)3中設(shè)置同步分解器 (resolver)等旋轉(zhuǎn)角度傳感器，根據(jù)該旋轉(zhuǎn)角度傳感器的輸出信 號(hào)進(jìn)行通電相位切換控制。 優(yōu)選柵極控制器9根據(jù)從外部輸入的轉(zhuǎn)矩指令等進(jìn)行使三相無 刷直流電動(dòng)機(jī)3所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與從外部輸入的轉(zhuǎn)矩一致的轉(zhuǎn)矩控 制。為實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)矩控制例如可以這樣做，檢測(cè)由三相變頻電路5輸 出的三相交流電流，在每 一 個(gè)電動(dòng)機(jī)角度2兀/ 3對(duì)上臂側(cè)開關(guān)元件 51a — 51c進(jìn)行一次PWM控制，使該檢測(cè)出的電流與相當(dāng)于轉(zhuǎn)矩指令 的目標(biāo)電流一致。(2)雙向開關(guān)元件的結(jié)構(gòu)和工作情況
參考附圖對(duì)本發(fā)明第一實(shí)施方式所用的雙向開關(guān)進(jìn)行說明。圖 2示出了第一實(shí)施方式所涉及的雙向開關(guān)的構(gòu)成。如圖2所示，第 一實(shí)施方式中的雙向開關(guān)元是雙柵極半導(dǎo)體元件10,由控制部20 控制。 半導(dǎo)體元件10,在由硅(Si)制成的村底11上形成有半導(dǎo)體 層疊層體13,襯底11與半導(dǎo)體層疊層體13之間夾有緩沖層12，緩 沖層12的厚度為1//m，由厚度IO皿的氮化鋁(AIN)層和厚度10nm 的氮化鎵(GaN)層交替疊層而成。半導(dǎo)體層疊層體13中的第一半 導(dǎo)體層14和第二半導(dǎo)體層15自襯底一側(cè)依次疊層，第二半導(dǎo)體層 15的帶隙比第一半導(dǎo)體層14的大。在本實(shí)施方式中，第一半導(dǎo)體 層14是厚度2/zm的非摻雜氮化鎵(GaN)層，第二半導(dǎo)體層15是 厚度20nm的n型氮化鋁鎵(AlGaN)層。 在第一半導(dǎo)體層14和第二半導(dǎo)體層15的異質(zhì)界面附近由自發(fā) 極化與壓電極化產(chǎn)生電荷。這樣便生成載流子面密度在ixi013cm-2 以上且遷移率在1000cm2V/s以上的二維電子氣體(2DEG)層即溝道區(qū)域。 在半導(dǎo)體層疊層體13上形成有第一歐姆電極16A和第二歐姆電 極16B,第 一歐姆電極16A和第二歐姆電極16B 二者間留有間隙。 第一歐姆電極16A和第二歐姆電極16B由鈦(Ti)與鋁(Al)疊層 而成，與溝道區(qū)域形成歐姆結(jié)。圖2中示出的例子是這樣的，為使 接觸電阻減小，去掉第二半導(dǎo)體層15的一部分，且將第一半導(dǎo)體層 14下挖40nm左右，形成了與第二半導(dǎo)體層15和第一半導(dǎo)體層14 的界面接觸的第一歐姆電極16A及第二歐姆電極16B。此外，第一 歐姆電極16A及第二歐姆電極16B也可以形成在第二半導(dǎo)體層15 上。 選摔n型第二半導(dǎo)體層15上的第一歐姆電極16A和第二歐姆電 極16B之間的區(qū)域且在該區(qū)域形成是p型半導(dǎo)體層的第一控制層 19A及第二控制層19B,第一控制層19A及第二控制層19B二者間留 有間隙。在第一控制層19A上形成有第一柵電極18A,在第二控制 層19B上形成有第二柵電極18B。第一柵電極18A與第二柵電極18 分別由鈀(Pd)和金(Au)疊層而成，且分別與第一控制層19A及 第二控制層l犯歐姆接觸。形成有由氮化硅(SiN)形成的保護(hù)膜 17，該保護(hù)膜17將第二半導(dǎo)體層15、第一控制層19A及第二控制 層l犯覆蓋起來。形成保護(hù)膜17，由此就能夠消除將成為所謂的電 流崩塌之原因的缺陷，從而能夠改善電流崩塌。 第一控制層19A及第二控制層l犯的厚度都是300nm，且由摻 雜有鎂(Mg)的p型氮化鎵形成。第一控制層19A及第二控制層l犯 分別與第二半導(dǎo)體層15形成pn結(jié)。因此，在第一歐姆電極16A和 第一柵電極18A間的電壓為例如0V的情況下，因?yàn)楹谋M層從第一控 制層19A開始擴(kuò)大到溝道區(qū)域中，所以能夠?qū)⒃跍系乐辛鲃?dòng)的電流 切斷。同樣，在第二歐姆電極16B和第二柵電極18B間的電壓小于 等于例如OV的情況下，因?yàn)楹谋M層從第二控制層19起擴(kuò)大到溝道 區(qū)域中，所以能夠?qū)⒃跍系乐辛鲃?dòng)的電流切斷。因此，就能夠?qū)崿F(xiàn) 所謂的常關(guān)型半導(dǎo)體元件。
設(shè)第一歐姆電極16A的電位是VI，設(shè)第一柵電極18A的電位是V2，設(shè)第二柵電極18B的電位是V3,設(shè)第二歐姆電極16B的電位是 V4。在該情況下，因?yàn)槿鬡2比V1高1.5伏特以上，從第一控制層 19A開始在溝道區(qū)域中擴(kuò)大的耗盡層就會(huì)縮小，所以能夠使電流在 溝道區(qū)域流動(dòng)。同樣，若V3比V4高1. 5伏特以上，則從第二控制 層l犯在溝道區(qū)域中擴(kuò)大的耗盡層縮小，而能夠使電流在溝道區(qū)域 流動(dòng)。也就是說，第一柵電極18A的所謂閾值電壓和第二柵電極18B 的所謂閾值電壓都是1. 5V。在下面的說明中，設(shè)在第一柵電極18A 下側(cè)在溝道區(qū)域中擴(kuò)大的耗盡層縮小，而能夠使電流在溝道區(qū)域流 動(dòng)的第一柵電極的閾值電壓為第一閾值電壓；設(shè)在第二柵電極18B 下側(cè)在溝道區(qū)域中擴(kuò)大的耗盡層縮小，而能夠使電流在溝道區(qū)域流 動(dòng)的第二柵電極的閾值電壓為第二閾值電壓。 設(shè)計(jì)第一控制層19A與第二控制層19B之間的距離，保證第一 控制層19A與第二控制層l犯能夠抵抗住施加在第一歐姆電極16A 和第二歐姆電極16B上的最大電壓。 控制部20相當(dāng)于圖1中的柵極電路52d-52f，且具有連接在第 一歐姆電極16A和第一柵電極18A之間的第一電源21、連接在第二 歐姆電極16B和第二柵電極18B之間的第二電源22。 下面，對(duì)第一實(shí)施方式所涉及的半導(dǎo)體元件10的工作情況進(jìn)行 說明。為便于說明，設(shè)第一歐姆電極的電位為0V、第一電源21的 輸出電壓為Vgl、第二電源22的輸出電壓為Vg2、第二歐姆電極16B 和第一歐姆電極16A之間的電壓為Vs2sl、在第二歐姆電極16B與 第一歐姆電極16A之間流動(dòng)的電流為Is2sl。 在V4比V1高的情況下，例如，V4是+100伏、V1是0伏的情況 下，第一電源21及第二電源22的輸出電壓Vgl與Vg2分別是第一 閾值電壓及第二閾值電壓以下的電壓，設(shè)為例如0伏。于是，因?yàn)?自第一控制層19A開始擴(kuò)大的耗盡層在溝道區(qū)域中朝著第二 p型氮 化鎵層的方向擴(kuò)大，所以能夠?qū)⒘魅霚系赖碾娏髑袛唷Ｒ虼?，即?V4是正的高電壓，也能夠?qū)崿F(xiàn)將從第二歐姆電極16B朝著第一歐姆 電極16A流動(dòng)的電流切斷的斷開狀態(tài)。
另一方面，在V4比VI低的情況下，例如V4是一IOO伏、VI是0V的情況下，也是自第二控制層l犯開始擴(kuò)大的耗盡層在溝道區(qū) 域中朝著第一控制層19A的方向擴(kuò)大，而能夠?qū)⒘魅霚系赖碾娏髑?br> 斷。因此，在將負(fù)的高電壓施加在第二歐姆電極16B上的情況下，
也能夠?qū)牡谝粴W姆電極朝著第二歐姆電極流動(dòng)的電流切斷。也就 是說，能夠?qū)㈦p向的電流都切斷。 在以上的結(jié)構(gòu)和工作情況下，由第一柵電極與第二柵電極共有 用以確保擊穿電壓的溝道區(qū)域。在本實(shí)施方式中，能夠用一個(gè)元件 的溝道區(qū)域面積實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)元件。因此，與用兩個(gè)二極管和兩個(gè) 常關(guān)型AlGaN/GaN—異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)構(gòu)成的雙向開關(guān) 在芯片中所占的面積相比，本實(shí)施方式中的雙向開關(guān)元件在芯.片中 所占有的面積要小，芯片大小也就小了。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向開關(guān) 的低成本化及小型化。 在第一電源21及第二電源22的輸出電壓Vgl及Vg2分別是比 第一閾值電壓及第二閾值電壓高的電壓，例如5伏的情況下，施加 在第一柵電極18A及第二柵電極18B上的電壓都變得比閾值電壓高。 這樣一來，耗盡層就不會(huì)從第一控制層19A及第二控制層19B開始 在溝道區(qū)域中擴(kuò)大，所以，無論溝道區(qū)域在第一柵電極18A的下側(cè)， 還是在第二柵電極18B的下側(cè)，溝道區(qū)域都不會(huì)被夾斷。結(jié)果是， 能夠?qū)崿F(xiàn)電流在第一歐姆電極16A與第二歐姆電極16B之間雙向流 動(dòng)的導(dǎo)通狀態(tài)。 接下來，對(duì)設(shè)Vgl為高于第一閾值電壓的電壓、設(shè)Vg2為第二 閾值電壓以下時(shí)的工作情況進(jìn)行說明。若用等效電路表示本實(shí)施方 式中的雙柵極半導(dǎo)體元件10,則如圖3 (a)所示，能夠?qū)⒃摪雽?dǎo)體 元件10看成是將第一晶體管10A與第二晶體管10B串聯(lián)起來的電 路。在該情況下，第一晶體管10A的源極(S)與第一歐姆電極16A 相對(duì)應(yīng)，第一晶體管10A的柵極(G)與第一歐姆電極18A相對(duì)應(yīng)， 第二晶體管IOB的源極(S)與第二歐姆電極16B相對(duì)應(yīng)，第二晶體 管10B的柵極(G)與第二柵電極18B相對(duì)應(yīng)。 在這樣的電路中，在例如設(shè)Vgl為5V，Vg2為0V的情況下，Vg2 為OV就等于第二晶體管IOB的柵極與源極被短路的狀態(tài)，因此能夠?qū)雽?dǎo)體元件IO看成是圖3 (b)所示的電路。
下面，以圖3 (b)所示的第二晶體管的源極(S)為A端子、 漏極(D)為B端子、柵極(G)為C端子進(jìn)行說明。 在B端子的電位比A端子的電位高的情況下，能夠?qū)⒃摰诙?體管看成A端子是源極、B端子是漏極的晶體管。此時(shí)，C端予(柵 極)與A端子(源極)之間的電壓是OV，在閾值電壓以下，所以電 流不會(huì)從B端子(漏極)流向A端子(源極)。 另一方面，在A端子的電位比B端子的電位高的情況下，能夠 將該第二晶體管看成B端子是源極、A端子是漏極的晶體管。此時(shí)， C端子(柵極)與A端子(漏極)的電位相等，所以當(dāng)A端子的電 位在以B端子為基準(zhǔn)的閾值電壓以下時(shí)，電流就不會(huì)從A端子(漏 極)流向B端子(源極)；而當(dāng)A端子的電位達(dá)到以B端子為基準(zhǔn)的 閾值電壓以上時(shí)，以B端子(源極)為基準(zhǔn)閾值電壓以上的電壓就 施加在柵極上，而能夠使電流從A端子(漏極)流向B端子(源極)。 也就是說，在使晶體管的柵極與源極短路的情況下，晶體管起 的就是以漏極作陰極、源極作陽極的二極管的作用，正向上升電壓 便成為晶體管的閾值電壓。 于是，能夠?qū)D3 (a)所示的第二晶體管IOB部分看作是二極 管，成為圖3 (c)所示那樣的等效電路。在圖3 (c)所示的等效電 路中，若在雙向開關(guān)的漏極的電位比源極的電位高的狀態(tài)下，將5V 的電壓施加在第一晶體管IOA的柵極上，第一晶體管IOA就成為導(dǎo) 通狀態(tài)，而能夠使電流從S2流向Sl。不過，會(huì)由二極管的正向上 升電壓產(chǎn)生通態(tài)電壓。在雙向開關(guān)的Sl的電位比S2的電位高的情 況下，由第二晶體管IOB構(gòu)成的二極管承擔(dān)該電壓，阻止電流從雙 向開關(guān)元件的Sl流向S2。也就是說，閾值電壓以上的電壓施加在 第一柵極上，閾值電壓以下的電壓施加在第二柵極上，由此能夠?qū)?現(xiàn)所謂的能夠作為二極管工作的開關(guān)。
圖4示出了半導(dǎo)體元件10的Vs2sl與電流Is2sl的關(guān)系。圖4 (a)示出了讓Vgl和Vg2同時(shí)變化的情況；圖4 (b)示出了將Vg2 設(shè)定為第二閾值電壓以下的0V、讓Vgl變化的情況；圖4 (c)示出了將Vgl設(shè)定為第一閾值電壓以下的0V、讓Vg2變化的情況。另外， 圖4中，橫軸即S2 —Sl間電壓(Vs2sl)是以第一歐姆電極16A為 基準(zhǔn)的電壓，縱軸即S2 — S1間電流(Is2sl)以從第二電極16B流 向第一歐姆電極16A的電流為正。 如圖4 (a)所示，在Vgl及Vg2是0伏和Vgl及Vg2是1伏的 情況下，無論Vs2sl正還是負(fù)，Is2sl都不流動(dòng)，半導(dǎo)體元件10成 為斷開狀態(tài)。而且，若Vgl和Vg2都比閾值電壓高，則成為Is2sl 根據(jù)Vs2s 1在雙向上流動(dòng)的導(dǎo)通狀態(tài)。 另一方面，如圖4 (b)所示，在假定Vg2是第二閾值電壓以下 的0伏電壓、Vgl是第一閾值電壓以下的0伏電壓的情況下，Is2sl 在雙方向上被切斷。但是，在設(shè)Vgl為第一閾值電壓以上的2伏一5 伏的電壓的情況下，當(dāng)Vs2sl未滿1. 5V時(shí)，Is2sl不流動(dòng)；若Vs2sl 成為1.5V以上，Is2sl就流動(dòng)。也就是說，成為電流僅從第二電極 16B流向第一歐姆電極16A、電流不從第一歐姆電極16A流向第二電 極16B的逆向阻止?fàn)顟B(tài)。在設(shè)Vgl為OV、讓Vg2變化的情況下，則 如圖4(c)所示，成為電流僅從第一歐姆電極16A流向第二電極16B、 電流不從第二電極16B流向第一歐姆電極16A的逆向阻止?fàn)顟B(tài)。 如上所述，半導(dǎo)體元件IO，根據(jù)它的柵極偏壓條件的不同，能 夠作為卩夸電流雙向切斷、使電流雙向流動(dòng)的雙向開關(guān)用，也能夠作 二極管用，而且作二極管用時(shí)能夠?qū)υ摱O管的電流的流動(dòng)方向進(jìn) 行切換。 第一實(shí)施方式中的雙向開關(guān)中，第一柵電極18A形成在具有p 型導(dǎo)電性的第一控制層19A上，第二柵電極18B形成在具有p型導(dǎo) 電性的第二控制層l犯上。因此，從第一柵電極18A及第二柵電極 18B給生成在第一半導(dǎo)體層14與第二半導(dǎo)體層15的界面區(qū)域的溝 道區(qū)域施加正向偏壓，便能夠?qū)⒖昭ㄗ⑷氲綔系绤^(qū)域內(nèi)。因?yàn)樵诘?化物半導(dǎo)體中，空穴的遷移率比電子的遷移率低很多，所以注入到 溝道區(qū)域的空穴對(duì)電流的流動(dòng)幾乎不起作用。于是，因?yàn)橐褟牡谝?柵電極18A及第二柵電極18B注入的空穴會(huì)導(dǎo)致在溝道區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生 數(shù)量相同的電子，所以使電子產(chǎn)生在溝道區(qū)域內(nèi)的效果提高，已從第一柵電極18A及第二柵電極18B注入的空穴就能夠發(fā)揮出施主離 子一樣的作用。也就是說，因?yàn)槟軌蛟跍系绤^(qū)域內(nèi)對(duì)載流子濃度進(jìn) 行調(diào)制，所以能夠?qū)崿F(xiàn)工作電流大的常關(guān)型氮化物半導(dǎo)體層雙向開關(guān)。 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)類似于結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)，但從有意地進(jìn)行 載流子注入這 一 點(diǎn)來看，本發(fā)明的工作原理和利用柵極電場(chǎng)對(duì)溝道 區(qū)域內(nèi)的載流子進(jìn)行調(diào)制的結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管完全不同。具體而言， 在柵極電壓達(dá)到3V以前，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)起結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的作用， 但在施加了超過pn結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)的3V以上的柵極電壓的情況下， 空穴便被注入柵極中，電流在上述才幾理下增加。因此根據(jù)本發(fā)明的 結(jié)構(gòu)，能夠使流動(dòng)的電流增大，且通態(tài)電阻也小。該雙向開關(guān)能夠 從第一柵電極及第二柵電極這兩個(gè)電極注入空穴。因此，與單柵極 場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)能夠使電流進(jìn) 一 步增加，且使通態(tài) 電阻進(jìn)一步減小。 此外，該雙向開關(guān)，其半導(dǎo)體層用的是絕緣破壞電場(chǎng)比硅高的 氮化鎵，所以能夠?qū)崿F(xiàn)比硅元件的性能好的低通態(tài)電阻及高擊穿電 壓兩立的雙向開關(guān)。在該雙向開關(guān)中，將決定擊穿電壓的第一控制 層19A及第二控制層19B之間的距離設(shè)定為7. 5//m。就這樣，由于 在溝道區(qū)域很短的情況下也使用絕緣破壞電場(chǎng)比硅高的氮化鎵，因 此能得到比使用硅時(shí)的擊穿電壓要高的擊穿電壓。而且，因?yàn)槟軌?縮短溝道區(qū)域，所以能夠使通態(tài)電阻減小。
(3)雙向開關(guān)用柵扭-電踏-
圖5示出了本實(shí)施方式所示的雙向開關(guān)用柵極電路即控制部20 的電路結(jié)構(gòu)之一例。雙向開關(guān)用控制部20具有第一電源21、第 二電源22以及內(nèi)置有光耦合器的柵極驅(qū)動(dòng)電路23。 第一電源21和第二電源22是絕緣型電源，輸出閾值電壓以上 的電壓例如5V。內(nèi)置有光耦合器的柵極驅(qū)動(dòng)電路23具有由發(fā)光二 極管(LED)和光敏二極管構(gòu)成的光耦合器，能夠根據(jù)來自外部的控 制信號(hào)對(duì)導(dǎo)通狀態(tài)和斷開狀態(tài)進(jìn)切換，且能夠電分離控制信號(hào)和開 關(guān)輸出。在圖5中，示出的是內(nèi)置有柵極驅(qū)動(dòng)電路的集成電路之例。這樣的集成電路只要使用市場(chǎng)上廣泛出售的即可，例如使用日本東
芝公司制造的光耦合器TLP251等即可。而且，不是這樣的內(nèi)置有柵 極驅(qū)動(dòng)電路的集成電路亦可，只要是能夠?qū)⒖刂菩盘?hào)和開關(guān)輸出電 氣分離開的開關(guān)，什么樣的都可以。 第二電源22輸出5V的電壓，第二電源22連接在雙向開關(guān)的 S2和G2之間。第一電源21經(jīng)由柵極驅(qū)動(dòng)電路23連接在Gl和Sl 之間。而且，圖1中的柵極控制器9的控制信號(hào)源24連接在內(nèi)置有 光耦合器的柵極驅(qū)動(dòng)電路23的發(fā)光二極管上。 使雙向開關(guān)成為這樣的結(jié)構(gòu)而將控制信號(hào)電氣絕緣，并進(jìn)一步 使第一電源21及第二電源22為絕緣型電源。這樣一來，本實(shí)施方 式中的雙向開關(guān)就既能夠作上手臂側(cè)開關(guān)元件用，又能作下臂側(cè)開 關(guān)元件用。而且，S2 — G2之間一直施加5V的電壓，G2是導(dǎo)通狀態(tài)。 因此，在控制信號(hào)源24輸出切斷信號(hào)的情況下，內(nèi)置有光耦合器的 柵極驅(qū)動(dòng)電路23將Gl和Sl電氣短路，OV電壓施加在S1 — G1之間， 所以G1成為斷開狀態(tài)。如上所述，在該狀態(tài)下，雙向開關(guān)的S2成 為陰極，Sl成為陽極，雙向開關(guān)作為正向上升電壓與第一柵極的閾 值電壓相等的二極管用。 控制信號(hào)源24輸出導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，內(nèi)置有光耦合器的柵極驅(qū)動(dòng)電 路23將5V的電壓施加在Gl與Sl之間，Gl成為導(dǎo)通狀態(tài)。如上所 述，在該狀態(tài)下，雙向開關(guān)能夠以在S2和Sl之間不產(chǎn)生偏置電壓 的小通態(tài)電阻it電流雙向流動(dòng)。 如上所述，當(dāng)Gl處于斷開狀態(tài)時(shí)，本實(shí)施方式中的雙向開關(guān)作 為S2是陰極、Sl是陽極的二極管工作；當(dāng)G1處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，本 實(shí)施方式中的雙向開關(guān)作為讓電流在雙向上流動(dòng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管工 作。 在以下說明中，雙向開關(guān)處于斷開狀態(tài)意味著該雙向開關(guān)作 為S2是陰極、Sl是陽極的二極管進(jìn)行讓電流僅在一個(gè)方向上流動(dòng) 的第一動(dòng)作；雙向開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)意味著雙向開關(guān)進(jìn)行以在S2 和Sl之間不產(chǎn)生偏置電壓的小通態(tài)電阻讓電流在雙向上都流動(dòng)的 第二動(dòng)作。
需提一下，在將雙向開關(guān)用在下臂側(cè)且使直流電源的GND與柵 極控制器的GND共為一個(gè)GND的情況下，可以不經(jīng)由內(nèi)置有光耦合 器的柵極驅(qū)動(dòng)電路，自柵極控制器的控制信號(hào)源將柵極偏壓直接施 加在G1 — S1之間。而且，因?yàn)樵趯㈦p向開關(guān)用在下臂側(cè)的情況下是 柵極偏壓，所以電源也可以是非絕緣型電源。 需提一下，只要用使用了變壓器的DC / CD轉(zhuǎn)換器作絕緣型電源 即可。也可以由電容器、電阻以及二極管構(gòu)成自舉電路，以電容器 作假想的絕緣電源用。(4)變頻電路的工作情況
以下，參考圖6所示的時(shí)序圖對(duì)圖1中的柵極控制器9所進(jìn)行 的120度通電方式的PWM控制工作進(jìn)行說明。 電動(dòng)機(jī)角度2兀/3的PWM控制期間依次賦予給上臂側(cè)開關(guān)元件 51a — 51c。 PWM控制期間被分割為脈沖期間即規(guī)定的載體頻率的倒 數(shù)，使上臂側(cè)開關(guān)元件在各個(gè)脈沖期間所設(shè)定的規(guī)定脈寬期間為導(dǎo) 通狀態(tài)，使上臂側(cè)開關(guān)元件在各個(gè)脈沖間隔期間為斷開狀態(tài)，調(diào)節(jié)該 脈寬期間，這樣來進(jìn)行PWM控制。 在時(shí)刻t0 — t2，上臂側(cè)開關(guān)元件51a被PmU空制，在下一個(gè)時(shí) 刻t2 — t4，上臂側(cè)開關(guān)元件51b被PWM控制，在下一個(gè)時(shí)刻t4一t6， 上臂側(cè)開關(guān)元件51c被PWM控制。也就是說，tO — t2是開關(guān)元件51a 的PWM控制期間，t2 — t4是開關(guān)元件51b的PWM控制期間，t4一t6 是開關(guān)元件51c的P麗控制期間。在時(shí)刻t5—tl，下臂側(cè)開關(guān)元件 51e中一直通電，在下一個(gè)時(shí)刻tl一t3，下臂側(cè)開關(guān)元件51f中一 直通電，在下一個(gè)時(shí)刻t3 —t5,下臂側(cè)開關(guān)元件51d中一直通電。 也就是說，t5 — tl是開關(guān)元件51e的連續(xù)通電期間，tl一t3是開關(guān) 元件51f的連續(xù)通電期間，t3 — t5是開關(guān)元件51d的連續(xù)通電期間。 在P麗控制期間內(nèi)，使下臂側(cè)開關(guān)元件51d-51f在與它們屬于 同一相的上臂側(cè)開關(guān)元件51a — 51c的斷開期間，即，脈沖間隔期間 為導(dǎo)通狀態(tài)；使下臂側(cè)開關(guān)元件51d-51f在與它們屬于同一相的上 臂側(cè)開關(guān)元件51a — 51c的導(dǎo)通期間，即，脈寬期間為斷開狀態(tài)。也 就是說，在本實(shí)施方式中，同一相的上臂側(cè)開關(guān)元件和下臂側(cè)開關(guān)元件在PWM控制期間進(jìn)行互補(bǔ)動(dòng)作。
下面參考圖7 (a)及圖7 (b)對(duì)電流的流動(dòng)情況進(jìn)行說明。圖 7 (a)示出的是在圖6的^v時(shí)刻t0到時(shí)刻tl這段時(shí)間內(nèi)上臂側(cè)開 關(guān)元件51a處于導(dǎo)通狀態(tài)的情況。已從開關(guān)元件51a流入三相無刷 直流電動(dòng)沖幾3的電流通過開關(guān)元件51e回流到直流電源中。此時(shí)， 磁能累積在三相無刷直流電動(dòng)機(jī)3的定子線圈中。 圖7 (b)示出的是在圖6的從時(shí)刻tO到時(shí)刻tl這段時(shí)間內(nèi)上 臂側(cè)開關(guān)元件51 a處于斷開狀態(tài)的情況。慣性電流在累積在三相無 刷直流電動(dòng)機(jī)3的定子線圈中的磁能的作用下經(jīng)由開關(guān)元件51d和 三相無刷直流電動(dòng)機(jī)3及開關(guān)元件5le回流。 開關(guān)元件51d是雙向開關(guān)。如上所述，當(dāng)開關(guān)元件51d處于斷 開狀態(tài)時(shí)，開關(guān)元件51d則成為S2是陰極、Sl是陽極、正向上升 電壓與第二柵極的閾值電壓相等的二極管的狀態(tài)。因此，當(dāng)開關(guān)元
件51d斷開時(shí)，慣性電流便從Sl流向S2。結(jié)果是，由于高正向上 升電壓(1.5V)而產(chǎn)生很大的損耗。另一方面，當(dāng)雙向開關(guān)處于導(dǎo) 通狀態(tài)時(shí)，開關(guān)元件51d能夠作具有無偏置電壓的電流一電壓特性 的場(chǎng)效應(yīng)晶體管用。在圖6所示的從時(shí)刻t0到時(shí)刻tl這段時(shí)間內(nèi)， 當(dāng)開關(guān)元件51a處于斷開狀態(tài)時(shí)，開關(guān)元件51d就處于導(dǎo)通狀態(tài)， 所以開關(guān)元件51d作場(chǎng)效應(yīng)晶體管用，通態(tài)電壓就低。結(jié)果是，慣 性電流流動(dòng)時(shí)的功耗減少。而且，能夠大幅度地減少起因于二極管 的發(fā)熱，從而能夠簡(jiǎn)化冷卻機(jī)構(gòu)，并能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器的高效率化。 當(dāng)然是這樣設(shè)定雙向開關(guān)作場(chǎng)效應(yīng)晶體管用時(shí)的通態(tài)電阻的，即， 所設(shè)定的該通態(tài)電阻要能夠使雙向開關(guān)作場(chǎng)效應(yīng)晶體管用而使慣性 電流流動(dòng)時(shí)的通態(tài)電壓比雙向開關(guān)作二極管用時(shí)的通態(tài)電壓低。 在上述說明中，僅對(duì)U相的P麗控制期間進(jìn)行了說明，但剩下 的兩相也一樣，說明省略不提。 在圖6中，優(yōu)選，同一相的開關(guān)元件51a和51d在自己的P麗 控制期間等對(duì)方完全處于斷開狀態(tài)或者幾乎處于斷開狀態(tài)以后再成 為導(dǎo)通狀態(tài)。優(yōu)選，在該切換期間內(nèi)設(shè)定一開關(guān)元件51a和51d都 斷開的滯后時(shí)間(dead Ume)。設(shè)置這樣的滯后時(shí)間，就能夠防止兩個(gè)開關(guān)元件同時(shí)成為導(dǎo)通狀態(tài)而引起電源短路、產(chǎn)生很大的功耗
等。此外，在滯后時(shí)間由雙向開關(guān)構(gòu)成的開關(guān)元件51d也成為作二 極管用的斷開狀態(tài)。因此，能夠使慣性電流從Sl流向S2，也就不 會(huì)急劇地切斷流入電感的電流。結(jié)果是，能夠防止開關(guān)元件51d損 壞。此外，對(duì)U相的開關(guān)元件的工作情況進(jìn)行了說明，V相及W相 的開關(guān)元件的工作情況也一樣。此外，圖6中，PWM-U、 PWM-V、PWM-W 分別表示各相的P麗控制期間。
需提一下，開關(guān)元件51d、 51e、 51f中沒有寄生二極管，慣性 電流在開關(guān)元件自身中流動(dòng)。因此，在讓開關(guān)元件作為二極管工作 的情況下，開關(guān)元件表示出比FRD更優(yōu)良的恢復(fù)特性。結(jié)果是，能 夠使起因于恢復(fù)電流的開關(guān)損耗減少，從而能夠使變頻器的損耗減 少。 此外，因?yàn)橥ǔＧ闆r下沒有電流在開關(guān)元件51a的寄生二極管 中流動(dòng)，所以沒有發(fā)熱。也就是說，能夠用M0S晶體管等普通晶體 管作開關(guān)元件51a。因此，只控制一個(gè)柵極即可，柵極電路的構(gòu)成 就會(huì)很簡(jiǎn)單了。 圖1中示出的是用M0S晶體管作上臂側(cè)開關(guān)元件時(shí)的例子。以 下幾種情況都是可以的用將慣性二極管逆連接在IGBT上構(gòu)成的元 件作上臂側(cè)開關(guān)元件；用將慣性二極管逆連接在雙極型晶體管上構(gòu) 成的元件作上臂側(cè)開關(guān)元件；用將慣性二極管逆向并列連接在使用 了氮化物半導(dǎo)體的常關(guān)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管上構(gòu)成的元件作上臂側(cè)開關(guān) 元件。在使用了氮化物半導(dǎo)體的常關(guān)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的情況下，可 以象在第二實(shí)施方式中所說明的那樣不連接慣性二極管。
需提一下，由于下臂側(cè)開關(guān)元件即雙向開關(guān)能夠作二極管用， 所以不需要在外部逆向并列連接用以使慣性電流流動(dòng)的二極管。結(jié) 果有利之處就是能夠以更低的成本構(gòu)成變頻電路。 需提一下，本實(shí)施方式示出的例子的情況如下利用開關(guān)元件 51d、 51e及51f進(jìn)行互補(bǔ)動(dòng)作，由此從作為二極管工作的狀態(tài)變化 到作為晶體管工作的狀態(tài)。但亦可不進(jìn)行亙補(bǔ)動(dòng)作。具體而言，在 PWM-U期間，開關(guān)元件51d僅作為二極管工作即可；在PWM-V期間，開關(guān)元件51e僅作為二極管工作即可；在PWM-W期間，開關(guān)元件51f 僅作為二極管工作即可。(第一實(shí)施方式的第1變形例)
第一實(shí)施方式中敘述的是使上臂側(cè)開關(guān)元件為MOS晶體管， 使下臂側(cè)開關(guān)元件為雙向開關(guān)，對(duì)上臂側(cè)開關(guān)元件進(jìn)行P麗控制的 情況。在本變形例中，對(duì)使上臂側(cè)開關(guān)元件為雙向開關(guān)，使下臂側(cè) 開關(guān)元件為MOS晶體管，對(duì)下臂側(cè)開關(guān)元件進(jìn)行PWM控制的情況進(jìn) 行說明。該情況下的電路圖如圖8所示，時(shí)序圖如圖9所示。 三相變頻電路7是一將所施加的直流電壓轉(zhuǎn)換為三相交流電 壓，并將三相交流電壓輸出給三相無刷直流電動(dòng)機(jī)3的直交流轉(zhuǎn)換 電路。三相變頻電路7具有由雙向開關(guān)元件構(gòu)成的開關(guān)元件54a — 54c和由MOS晶體管構(gòu)成的開關(guān)元件54d-54f。 開關(guān)元件54a是U相的上臂側(cè)開關(guān)元件，開關(guān)元件54b是V相 的上臂側(cè)開關(guān)元件，開關(guān)元件54c是W相的上臂側(cè)開關(guān)元件。同樣， 開關(guān)元件54d是U相的下臂側(cè)開關(guān)元件，開關(guān)元件54e是V相的下 臂側(cè)開關(guān)元件，開關(guān)元件54f是W相的下臂側(cè)開關(guān)元件。 開關(guān)元件54a、 54b、 54c即雙向開關(guān)的S2與直流電源1的正極 相連接，開關(guān)元件54a即雙向開關(guān)的Sl與U相和開關(guān)元件54d即 MOS晶體管的漏極相連接；開關(guān)元件54b即雙向開關(guān)的Sl與V相和 開關(guān)元件54e即MOS晶體管的漏極相連接；開關(guān)元件54c即雙向開 關(guān)的Sl與W相和開關(guān)元件54f即MOS晶體管的漏極相連接。開關(guān)元 件54d、 54e、 54f即雙向開關(guān)的Sl與直流電源1的負(fù)極相連接。 是開關(guān)元件54a、 54b、 54c的雙向開關(guān)上連接有雙向開關(guān)用柵 極電路55a、 55b、 55c，該柵極電路與第一實(shí)施方式中所說明的柵 極電路可以是同一種電路。 是開關(guān)元件54d、 54e、 54f的MOS晶體管上分別連接有柵極電 路55d、 55e、 55f,此情況乃眾所周知。 參考圖8，對(duì)在這樣的三相變頻電路7中由柵極控制器9進(jìn)行 的120度通電方式的PWM控制工作進(jìn)行說明。
按順序每隔120度的電動(dòng)機(jī)角度便對(duì)下臂側(cè)開關(guān)元件54d-54f進(jìn)行一次PWM控制，在每個(gè)120度的電動(dòng)機(jī)角度內(nèi)讓上臂側(cè)開關(guān)元 件54a-54c中連續(xù)有電流流動(dòng)。這樣做，就能夠與第一實(shí)施方式中 的變頻電路一樣，抑制在二極管產(chǎn)生的損耗，從而抑制發(fā)熱。其結(jié) 果，能夠使變頻電路高效率化且能夠使冷卻機(jī)構(gòu)更小。 (第二實(shí)施方式)
下面，參考附圖對(duì)本發(fā)明第二實(shí)施方式進(jìn)行說明。(1)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)成
下面，參考圖10對(duì)本實(shí)施方式所涉及的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行說 明。圖IO是表示驅(qū)動(dòng)三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的圖。 如圖IO所示，自直流電源1將直流電供給第二實(shí)施方式中的電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路2，電動(dòng)才幾驅(qū)動(dòng)電路2驅(qū)動(dòng)由永久磁4夾型同步機(jī)構(gòu)成的三 相無刷直流電動(dòng)一幾。 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2包括平滑電容器4、三相變頻電路8以及 柵極控制器9。 三相無刷直流電動(dòng)機(jī)3 ，由U相線圏、V相線圈、W相線圈星形 連接(或者三角形連接)而成，轉(zhuǎn)子上裝有規(guī)定對(duì)數(shù)的勵(lì)磁磁鐵。 三相變頻電路8是一個(gè)直交流轉(zhuǎn)換電路，將自直流電源l施加 來的直流電壓轉(zhuǎn)換為三相交流電壓，并將該三相交流電壓輸出給三 相無刷直流電動(dòng)機(jī)3。三相變頻電路8具有是雙向開關(guān)的開關(guān)元件 56a — 56f。這里所定義的雙向開關(guān)是具有將至少一個(gè)方向的電流切 斷的第 一 工作模式和讓電流雙向流動(dòng)的第二工作糢式的開關(guān)。 本發(fā)明中所用的雙向開關(guān)具有是第一歐姆電極的漏極(D)、是 第二歐姆電極的源極(S)以及柵極(G)。利用施加在柵極上的電壓 和電流控制在漏極和源極之間流動(dòng)的電流。 開關(guān)元件56a是U相的上臂側(cè)開關(guān)元件，開關(guān)元件56b是V相 的上臂側(cè)開關(guān)元件，開關(guān)元件56c是W相的上臂側(cè)開關(guān)元件。同樣， 開關(guān)元件56d是U相的下臂側(cè)開關(guān)元件，開關(guān)元件56e是V相的下 臂側(cè)開關(guān)元件，開關(guān)元件56f是W相的下臂側(cè)開關(guān)元件。 開關(guān)元件56a、 56b、 56c的漏極分別與直流電源1的正極相連 接。開關(guān)元件56a的源極與U相和開關(guān)元件56d的漏極相連接；開關(guān)元件56b的源極與V相和開關(guān)元件56e的漏極相連接；開關(guān)元件 56c的源極與W相和開關(guān)元件56f的漏極相連接。開關(guān)元件56d、56e、 56f的源極與直流電源1的負(fù)極相連接。 開關(guān)元件56a、 56b、 56c上分別連接有上臂側(cè)的柵極電路57a、 57b、 57c。上臂側(cè)的柵極電路包括電平位移電路、浮置柵極驅(qū)動(dòng)電 路以及柵極偏壓用絕緣電源。其中的所述電平位移電路，能夠與輸 入信號(hào)的基準(zhǔn)電位電絕緣，將信號(hào)傳達(dá)給電位不同的電路。自柵極 控命〗器輸入的控制信號(hào)經(jīng)由電平位移電路輸入到柵極電路中，從絕 緣電源供來的電壓和電流施加在開關(guān)元件的柵極和源極之間，柵極 電路由此對(duì)開關(guān)元件56a、 56b、 56c進(jìn)行控制。使用眾所周知的電 路作這些柵極電路即可。 開關(guān)元件56d、 56e、 56f上分別連接有下臂側(cè)的柵極電路57d、 57e、 57f。下臂側(cè)的柵極電路具有柵極驅(qū)動(dòng)電路和柵極偏壓用電源。 從柵極控制器輸入的控制信號(hào)輸入到柵極電路中，從電源供來的電 壓和電流施加在開關(guān)元件的柵極和源4及之間，柵極電路由此對(duì)開關(guān) 元件56d、 56e、 56f進(jìn)行控制。使用眾所周知的電路作這些柵極電 路即可。 柵極控制器9是用以對(duì)三相無刷直流電動(dòng)機(jī)3進(jìn)行120度通電 型PWM控制的控制電路，具體而言，柵極控制器9經(jīng)由柵極電路 57a-57f控制開關(guān)元件56a-56f的導(dǎo)通狀態(tài)和斷開狀態(tài)。柵極控制 器9是眾所周知的柵極控制器，說明省略不提。 此外，柵極控制器9根據(jù)三相無刷直流電動(dòng)機(jī)3的旋轉(zhuǎn)角度對(duì) 各相的開關(guān)元件56a-56f的導(dǎo)通狀態(tài)和斷開狀態(tài)進(jìn)行切換。因此， 柵極控制器9根據(jù)由三相變頻電路8輸出的三相交流電壓或者電流 邊推測(cè)三相無刷直流電動(dòng)機(jī)3的旋轉(zhuǎn)角度，邊進(jìn)行通電相位切換控 制。還可以在三相無刷直流電動(dòng)機(jī)3中設(shè)置同步分解器等旋轉(zhuǎn)角度 傳感器，根據(jù)該旋轉(zhuǎn)角度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行通電相位切換控制。 優(yōu)選柵極控制器9根據(jù)從外部輸入的轉(zhuǎn)矩指令等進(jìn)行使三相無 刷直流電動(dòng)機(jī)3所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與從外部輸入的轉(zhuǎn)矩一致的轉(zhuǎn)矩控 制。為實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)矩控制這樣做即可例如檢測(cè)由三相變頻電路8輸出的三相交流電流，在每一個(gè)電動(dòng)機(jī)角度2TT / 3對(duì)上臂側(cè)開關(guān)元件
56a — 56c進(jìn)行一次PWM控制，使該已檢測(cè)出的電流與相當(dāng)于上述轉(zhuǎn) 矩指令的目標(biāo)電流一致。(2)開關(guān)元件的結(jié)構(gòu)和工作情況
參考附圖對(duì)本發(fā)明第二實(shí)施方式所用的雙向開關(guān)即開關(guān)元件進(jìn) 行說明。圖11 (a)及圖11 (b)示出了本實(shí)施方式所涉及的開關(guān)元 件的構(gòu)造。圖11 (a)示出了開關(guān)元件俯視時(shí)的構(gòu)造，圖11 (b)示 出了沿圖ll (a)中的XIb — XIb線剖開的開關(guān)元件的剖面結(jié)構(gòu)。 如圖11所示，第二實(shí)施方式中的開關(guān)元件是使用了氮化物半導(dǎo) 體的常關(guān)型異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。是異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體 元件30，在由硅(Si)制成的村底31上形成有半導(dǎo)體層疊層體33， 襯底31與半導(dǎo)體層疊層體33之間夾有緩沖層32,緩沖層32的厚 度為2//m，由厚度lOrnn的氮化鋁(A1N)層和厚度10nm的氮化鎵 (GaN)層交替疊層而成。第一半導(dǎo)體層34和第二半導(dǎo)體層35按照 先第一半導(dǎo)體層34、后第二半導(dǎo)體層35的順序自襯底一側(cè)疊層， 構(gòu)成半導(dǎo)體層疊層體33。其中第二半導(dǎo)體層35的帶隙比第一半導(dǎo) 體層34的大。在本實(shí)施方式中，第一半導(dǎo)體層34是厚度2#in的非 摻雜氮化鎵(GaN)層，第二半導(dǎo)體層35是厚度20nm的n型氮化鋁 鎵(AlGaN)層。
在第一半導(dǎo)體層34的與第二半導(dǎo)體層35的異質(zhì)界面附近由自 發(fā)極化與壓電極化產(chǎn)生電荷。這樣便生成載流子面密度在IX 1013_2以上且遷移率在1000cm2V/s以上的二維電子氣體(2DEG) 層即溝道區(qū)域。 在半導(dǎo)體層疊層體33上形成有會(huì)成為源極的第一歐姆電極36A 和會(huì)成為漏極的第二歐姆電極36B，第一歐姆電極36A及第二歐姆 電極36B 二者間留有間隙。第一歐姆電極36A及第二歐姆電極36B 由鈦(Ti)與鋁(Al)疊層而成，與溝道區(qū)域形成歐姆結(jié)。圖11 中示出的例子是這樣的為使接觸電阻減小，去掉第二半導(dǎo)體層35 的一部分，且將第一半導(dǎo)體層34下挖40nm左右，形成了與第二半 導(dǎo)體層35和第一半導(dǎo)體層34的界面接觸的第一歐姆電極36A及第二歐姆電極36B。此外，第一歐姆電極36A及第二歐姆電極36B也 可以形成在第二半導(dǎo)體層35上。
在第一歐姆電極36A上形成有由金(Au)和鈦(Ti)制成的第 一歐姆電極布線61,該第一歐姆電極布線61與第一歐姆電極36A 電連接；在第二歐姆電極36B上形成有由金(Au)和鈦(Ti)制成 的第二歐姆電極布線62，該第二歐姆電極布線62與第二歐姆電極 36B電連接。 選擇n型第二半導(dǎo)體層35上的第一歐姆電極36A和第二歐姆電 極36B之間的區(qū)域并在該區(qū)域形成是p型半導(dǎo)體層的控制層39。在 控制層39上形成有柵電極38，柵電極38分別由鈀(Pd)和金(Au) 疊層而成，柵電極38與控制層39歐姆接觸。 形成有由氮化硅(SiN)制成的保護(hù)膜37，該保護(hù)膜37覆蓋第 二半導(dǎo)體層35及控制層39。形成保護(hù)膜37，就能夠消除將成為所 謂的電流崩塌之原因的缺陷，從而能夠改善電流崩塌。 控制層39的厚度為300nm，由摻雜有鎂(Mg)的p型氮化鎵形 成?？刂茖?9與第二半導(dǎo)體層35形成pn結(jié)。因此，在是源極的第 一歐姆電極36A和柵電極38之間的電壓為例如0V的情況下，因?yàn)?耗盡層從由p型氮化鎵制成的控制層39開始擴(kuò)大到溝道區(qū)域中，所 以能夠?qū)⒃跍系乐辛鲃?dòng)的電流切斷。結(jié)果是，能夠?qū)崿F(xiàn)所謂的常關(guān) 型半導(dǎo)體元件。使各個(gè)半導(dǎo)體層的厚度為上述例子中所述的厚度以 后，閾值電壓便成為1.5V。 如圖11所示，本實(shí)施方式中的半導(dǎo)體元件30是多指型場(chǎng)效應(yīng) 晶體管。能夠?qū)雽?dǎo)體元件30看成是具有多個(gè)由第一歐姆電極36A、 柵電極38以及第二歐姆電極36B構(gòu)成的單元的半導(dǎo)體元件，相鄰兩 個(gè)單元中的一個(gè)單元的柵電極38和第二歐姆電極36B與另一個(gè)單元 的柵電極38和第二歐姆電極36B以第一歐姆電極36A為中心對(duì)稱排 歹'J，且柵電極38與第一歐姆電極36A靠得近，第二歐姆電極36B 與第一歐姆電極36A離得遠(yuǎn)。 半導(dǎo)體元件30中形成有活性區(qū)域65和非活性區(qū)域66?；钚詤^(qū) 域65中形成有元件；非活性區(qū)域66中形成有墊電極及布線結(jié)構(gòu)。非活性區(qū)域66是注入硼等的離子，逸摔半導(dǎo)體疊層體33并將該半 導(dǎo)體疊層體33高電阻化了的區(qū)域。 非活性區(qū)域66上形成有由金(Au)制成的第一歐姆電極墊67、 第二歐姆電極墊68以及柵電極墊69，非活性區(qū)域66和第一歐姆電 極墊67、第二歐姆電極墊68以及柵電極墊69之間夾有由氮化硅制 成的絕緣膜(未示)。第一歐姆電極布線61與第一歐姆電極墊67 電連接，第二歐姆電極布線62與第二歐姆電極墊68電連接。與柵 電極38電連接的第一柵電極布線63與柵電極18的材料相同，經(jīng)由 形成在絕緣膜上的開口部與柵電極墊69電連接。將半導(dǎo)體元件30 做成這樣的結(jié)構(gòu)，就能夠使場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極寬度非常大，因此 能夠構(gòu)成能夠承受很大電流的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 半導(dǎo)體元件30中，柵電極38形成在具有p型導(dǎo)電性的控制層 39上。因此，從柵電極38向生成在第一半導(dǎo)體層34與第二半導(dǎo)體 層35的界面區(qū)域的溝道區(qū)域施加正向偏壓，便能夠?qū)⒖昭ㄗ⑷氲綔?道區(qū)i或內(nèi)。 在氮化物半導(dǎo)體中空穴的遷移率比電子的遷移率低很多，所以 注入到溝道區(qū)域的空穴幾乎不會(huì)對(duì)電流的流動(dòng)起作用。于是，因?yàn)?已注入的空穴會(huì)導(dǎo)致在溝道區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生數(shù)量相同的電子，所以使電 子產(chǎn)生在溝道區(qū)域內(nèi)的效果提高。結(jié)果是，已注入的空穴能夠發(fā)揮 出施主離子一樣的作用。也就是說，因?yàn)槟軌蛟跍系绤^(qū)域內(nèi)對(duì)載流
子濃度進(jìn)行調(diào)制，所以能夠?qū)崿F(xiàn)工作電流大、電阻低的常關(guān)型氮化 物半導(dǎo)體開關(guān)元件。 在施加了超過pn結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)的3V以上的柵極電壓的情況下， 空穴被注入半導(dǎo)體元件30的柵極中，電流在上述機(jī)理下增加。因此， 半導(dǎo)體元件30能夠承受很大的電流且通態(tài)電阻小。 圖12是表示半導(dǎo)體元件30的電流一電壓特性的圖。圖12中， 橫軸表示第一歐姆電極36A和第二歐姆電極36B之間的電壓 (Vs2sl)，縱軸表示在每單位柵極寬度(lmm)的第二歐姆電極36B 與第一歐姆電極36A之間流動(dòng)的電流(Is2sl)， Vgsl是柵電極38 和第一歐姆電極36A之間的電壓。這里，Vs2sl的正負(fù)是這樣決定的當(dāng)?shù)诙W姆電極36B的電位比第一歐姆電極36A的電位高時(shí)，設(shè)Vs2sl為正；當(dāng)?shù)谝粴W姆電極36A的電位比第二歐姆電極36B的電位高時(shí)，則設(shè)Vs2sl為負(fù)。Is2sl的正負(fù)是這樣決定的設(shè)從第二歐姆電極36B流向第一歐姆電極36A的電流為正；設(shè)從第一歐姆電極36A流向第二歐姆電極36B的電流為負(fù)。
在Vgsl是閾值電壓以下的0伏電壓的情況下，半導(dǎo)體元件30能夠?qū)崿F(xiàn)第一動(dòng)作，即，將從第二歐姆電極36B流向第一歐姆電極36A的電流切斷，讓從第一歐姆電極36A流向第二歐姆電極36B的電流流動(dòng)。能夠?qū)崿F(xiàn)第一動(dòng)作的理由如下在Vs2sl為正的區(qū)域，耗盡層從起柵極作用的p型控制層39擴(kuò)大到半導(dǎo)體疊層體33中，將從是漏極的第二歐姆電極36B流向是源極的第一歐姆電極36A的電流切斷了 。 在Vs2sl為負(fù)的區(qū)域，因?yàn)榈谝粴W姆電極36A的電位比第二歐姆電極36B的電位高，所以能夠?qū)雽?dǎo)體元件30看作第一歐姆電極36A為漏極、第二歐姆電極36B為源極的晶體管。例如在Vs2sl為-3V的情況下，是漏極的第一歐姆電極36A和柵電極38的電位相同，與是源極的第二歐姆電極36B之間的電壓成為3V。因此，閾值電壓以上的電壓3V便施加在柵極和源極之間，能夠?qū)雽?dǎo)體元件30看作3V的電壓施加在漏極和源極之間的晶體管。因此，能夠使電流從是漏極的第 一 歐姆電極3 6A流向是源極的第二歐姆電極3 6B 。在電流從第一歐姆電極36A流向第二歐姆電極36B之際產(chǎn)生偏置電壓，該偏置電壓對(duì)應(yīng)于柵極的閾值電壓，為1.5V。 另一方面，在Vgsl是閾值電壓以上的電壓5V的情況下，半導(dǎo)體元件30能夠進(jìn)行在沒有偏置電壓的電流一電壓特性下讓電流在第一歐姆電極36A和第二歐姆電極36B之間雙向流動(dòng)的第二動(dòng)作。能夠?qū)崿F(xiàn)第二動(dòng)作的理由如下因?yàn)楹谋M層未從起柵極的作用的p型控制層39擴(kuò)大到半導(dǎo)體層疊層體33中，所以能夠讓電流在溝道區(qū)域中雙向流動(dòng)。
需提一下，半導(dǎo)體元件30的閾值電壓隨溝道區(qū)域的載流子濃度的變化而變化。因此，例如增加是AlGaN層的第二半導(dǎo)體層35的厚度或者增大鋁的組成比，溝道區(qū)域中的載流子濃度就會(huì)提高，也就能夠?qū)㈤撝惦妷簻p小到例如0. 5V。這樣做以后，起因于閾值電壓的偏置電壓就會(huì)下降，因此在Vgsl在閾值電壓以下的情況下，能夠使
電流從第一歐姆電極36A流向第二歐姆電極36B之際的通態(tài)電阻減 需提一下，在閾值電壓以下的電壓例如0V的電壓施加在柵極上的情況下，即使在Vs2sl為正的區(qū)域且Vs2sl成為例如300V的高電壓，半導(dǎo)體元件30也能夠以1x10—6A / mm以下的小切斷電流維持?jǐn)嚅_狀態(tài)。 如上所述，在閾值電壓以下的電壓施加在柵電極38上的情況下，半導(dǎo)體元件30的工作情況就與被看作是以第二歐姆電極36B為陰極、以第一歐姆電極36A為陽極的二極管的工作情況一樣。 半導(dǎo)體元件30作為二極管工作之際的恢復(fù)特性如圖13所示。在圖13中，縱軸表示為陰極的漏極和為陽極的源極之間的電流(Ids),橫軸表示時(shí)間。而且，Ids的正負(fù)與上述的正負(fù)方向相同。測(cè)量之際，是4安培的電流流過后，再施加高電壓的。很明顯，如圖13所示，讓半導(dǎo)體元件30作為二極管工作之際的恢復(fù)電流比通常的FRD的恢復(fù)電流小。也就是說，在將半導(dǎo)體元件30用在變頻電路中的情況下，因?yàn)榘雽?dǎo)體元件30本身作為慣性二極管工作，所以不需要外裝的慣性二極管。在半導(dǎo)體元件30作為慣性二極管工作之際，能夠使恢復(fù)電流比現(xiàn)有的FRD小很多。結(jié)果是，與現(xiàn)有的外裝了 FRD的IGBT相比，能夠使開關(guān)損耗減小。 因?yàn)榘雽?dǎo)體元件30是使用了氮化物半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所以半導(dǎo)體元件30能夠作為這樣的恢復(fù)電流非常小的二極管工作。通常的用硅制成的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)上一定存在主體二極管(body diode)。因?yàn)榇嬖谥黧w二極管，所以在用MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管作開關(guān)元件用的情況下，無需外裝慣性二極管。但是，主體二極管是pn結(jié)二極管，它的恢復(fù)電流比FRD的大很多。結(jié)果是，由于恢復(fù)電流弓1起的功耗增大，發(fā)熱也就不能夠減少。(4)變頻電路的工作情況
31以下，參考圖14所示的時(shí)序圖對(duì)圖10中的柵極控制器9所進(jìn)行的120度通電方式的PWU空制工作進(jìn)行說明。 電動(dòng)機(jī)角度2 7T /3的P麗控制期間依次賦予給上臂側(cè)開關(guān)元件56a — 56c。 PWM控制期間被分割為脈沖期間即規(guī)定的載體頻率的倒數(shù)，使上臂側(cè)開關(guān)元件在各個(gè)脈沖期間所設(shè)定的規(guī)定脈寬期間為導(dǎo)通狀態(tài)，使上臂側(cè)開關(guān)元件在各個(gè)脈沖間隔期間為斷開狀態(tài)，調(diào)節(jié)該脈寬期間，這樣來進(jìn)行PWM控制。 在時(shí)刻t0 — t2，上臂側(cè)開關(guān)元件56a被P麗控制，在下一個(gè)時(shí)刻t2—t4,上臂側(cè)開關(guān)元件56b被PMH空制，在下一個(gè)時(shí)刻t4一t6，上臂側(cè)開關(guān)元件56c被P麗控制。也就是說，tO — t2是開關(guān)元件56a的PWM控制期間，t2 — t4是開關(guān)元件56b的P麗控制期間，t4一t6是開關(guān)元件56c的P麗控制期間。在時(shí)刻t5 — tl，下臂側(cè)開關(guān)元件56e中一直通電，在下一個(gè)時(shí)刻tl一t3，下臂側(cè)開關(guān)元件56f中一直通電，在下一個(gè)時(shí)刻t3 — t5，下臂側(cè)開關(guān)元件56d中一直通電。也就是說，t5 — tl是開關(guān)元件56e的連續(xù)通電期間，tl一t3是開關(guān)元件56f的連續(xù)通電期間，13 — 15是開關(guān)元件56d的連續(xù)通電期間。 在PWM控制期間內(nèi)，使下臂側(cè)開關(guān)元件56d-56f在與它們屬于同一相的上臂側(cè)開關(guān)元件56a — 56c的斷開期間，即脈沖間隔期間為導(dǎo)通狀態(tài)；使下臂側(cè)開關(guān)元件56d-56f在與它們屬于同 一相的上臂側(cè)開關(guān)元件56a — 56c的導(dǎo)通期間，即脈寬期間為斷開狀態(tài)。也就是說，在本實(shí)施方式中，同一相的上臂側(cè)開關(guān)元件和下臂側(cè)開關(guān)元件在P麗控制期間進(jìn)行互補(bǔ)動(dòng)作。 下面參考圖15 (a)及圖15 (b)對(duì)電流的流動(dòng)情況進(jìn)行說明。圖15 (a)示出的是在圖IO的從時(shí)刻tO到時(shí)刻tl這段時(shí)間內(nèi)上臂側(cè)開關(guān)元件56a處于導(dǎo)通狀態(tài)的情況。已從開關(guān)元件56a流入三相無刷直流電動(dòng)機(jī)3的電流通過開關(guān)元件56e回流到直流電源中。此時(shí)，磁能累積在三相無刷直流電動(dòng)機(jī)3的定子線圈中。 圖15 (b)示出的是在圖10的從時(shí)刻t0到時(shí)刻tl這段時(shí)間內(nèi)上臂側(cè)開關(guān)元件56a處于斷開狀態(tài)的情況。慣性電流在累積在三相無刷直流電動(dòng)機(jī)3的定子線圈中的磁能的作用下經(jīng)由開關(guān)元件56d和三相無刷直流電動(dòng)才幾3及開關(guān)元件56e回流。 開關(guān)元件56d是雙向開關(guān)。如上所述，在斷開時(shí)(Vgs=0V)，能夠?qū)㈤_關(guān)元件56d看作漏極為陰極、源極為陽極的二極管。因此，當(dāng)開關(guān)元件56d斷開時(shí)，慣性電流便從源極流向漏極。結(jié)果是，雖然在現(xiàn)有的變頻電路中是慣性電流在外裝的慣性二極管中流動(dòng)，但本發(fā)明卻因?yàn)槟軌驅(qū)﹂_關(guān)元件56d通電，所以本發(fā)明中不設(shè)置外裝的慣性二極管亦可。 在慣性電流從開關(guān)元件56d的源極流向漏極的情況下，若Vgs成為0V，就會(huì)由于偏置電壓(1. 5V)而產(chǎn)生通電損耗。此時(shí)，若使開關(guān)元件56d成為導(dǎo)通狀態(tài)(Vgs=5V),開關(guān)元件56d能夠在無偏置電壓的電流一電壓特性下讓慣性電流流動(dòng)。結(jié)果是，通態(tài)電壓小，能夠使慣性電流流動(dòng)，從而能夠使變頻電路的功耗減少。而且，能夠大幅度地減少在現(xiàn)有的變頻電路中所產(chǎn)生的起因于慣性二極管的發(fā)熱，因而能夠簡(jiǎn)化冷卻機(jī)構(gòu)且能夠?qū)崿F(xiàn)變頻電路的高效率化和小
動(dòng)時(shí)的通態(tài)電壓比雙向開關(guān)作為二極管工作時(shí)的通態(tài)電壓低。
在上述說明中，僅對(duì)U相的P而控制期間進(jìn)行了說明，但剩下
的兩相也一樣，說明省略不提。
在圖14中，優(yōu)選，同一相的開關(guān)元件56a和56d在自己的PWM
為導(dǎo)通狀態(tài)。優(yōu)選，在該切換期間內(nèi)設(shè)定一開關(guān)元件56a和56d都斷開的滯后時(shí)間。設(shè)置這樣的滯后時(shí)間，就能夠防止兩個(gè)開關(guān)元件同時(shí)成為導(dǎo)通狀態(tài)而引起電源短路、產(chǎn)生很大的功耗等。此外，在滯后時(shí)間由雙向開關(guān)構(gòu)成的開關(guān)元件56d也成為作為二極管工作的斷開狀態(tài)。結(jié)果是，能夠使慣性電流從源極流向漏極，不會(huì)急劇地切斷流入電感的電流，能夠防止開關(guān)元件56d損壞。此外，對(duì)U相的開關(guān)元件的工作情況進(jìn)行了說明，V相及W相的開關(guān)元件的工作情況也一樣。此外，圖14中,PWM-U、 PWM-V、 P麗-W分別表示各相的PWM控制期間。
需提一下，圖14:中，開關(guān)元件56d-56f與開關(guān)元件56a-56c進(jìn)行互補(bǔ)動(dòng)作，但不進(jìn)行互補(bǔ)動(dòng)作亦可。具體而言，在PWM-U期間，可以是開關(guān)元件56d僅作為二極管工作；在PWM-V期間，可以是開關(guān)元件56e儀作為二極管工作；在PWM-W期間，可以是開關(guān)元件56f僅作為二極管工作。 在本實(shí)施方式中說明的是120度通電方式的PWM控制。除此以夕卜，在180度通電方式下進(jìn)行同樣的互補(bǔ)動(dòng)作，也能夠收到同樣的效果。而且，在180度通電方式下，電動(dòng)4幾可以是三相感應(yīng)電動(dòng)才幾。 需提一下，可以在圖IO所示的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的各個(gè)開關(guān)元件中并列連接上非線性電阻或者齊納二極管等浪涌吸收元件。做成這樣的結(jié)構(gòu)后，則在由于打雷或者電源異常等超過了開關(guān)元件的擊穿電壓的高電壓從外部瞬間地施加在開關(guān)元件上的情況下，能夠吸收浪涌。此時(shí)，優(yōu)選浪涌吸收元件的鉗位電壓比所連接的開關(guān)元件的擊穿電壓高。 上臂側(cè)開關(guān)元件56a-56c可以使用MOS晶體管、并列連接FRD構(gòu)成的IGBT等。在該情況下，也會(huì)因?yàn)橄卤蹅?cè)開關(guān)元件56d-56f不需要慣性二極管，而能夠使部件的數(shù)量減少。 需提一下，可以用自舉電路作上臂側(cè)開關(guān)元件56a-56c的柵極偏壓用電源。 在第二實(shí)施方式中，也可以象在第一實(shí)施方式的第1變形例所示的那樣對(duì)下臂側(cè)開關(guān)元件進(jìn)行PWM控制。 需提一下，在各個(gè)實(shí)施方式及變形例中，說明的是120度通電方式的PWM控制。除此以外，在180度通電方式下進(jìn)行同樣的互補(bǔ)動(dòng)作，也能夠收到同樣的效果。 需提一下，本發(fā)明中所用的雙向開關(guān)是用p型半導(dǎo)體制成的常關(guān)型開關(guān)元件，但本發(fā)明中所用的雙向開關(guān)也可以是具有用鎳等形成的肖特基結(jié)柵電極的常開型雙向開關(guān)。在該情況下，柵極電路使用負(fù)偏壓電路，當(dāng)雙向開關(guān)處于斷開狀態(tài)時(shí)，將負(fù)偏壓施加在柵電極上。還可以在柵電極和半導(dǎo)體疊層體之間形成二氧化硅絕緣膜或者氮化鋁絕緣膜等，制成MIS結(jié)構(gòu)。一產(chǎn)業(yè)實(shí)用性一 本發(fā)明所涉及的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，能夠降低因恢復(fù)電流引起的
開關(guān)損耗及開關(guān)元件的通電損耗，作為三相電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電 路等用處很大。
權(quán)利要求
1.一種電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，是一個(gè)驅(qū)動(dòng)三相電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，包括具有驅(qū)動(dòng)所述三相電動(dòng)機(jī)的各相的上臂的三個(gè)上臂側(cè)開關(guān)元件和驅(qū)動(dòng)各相的下臂的三個(gè)下臂側(cè)開關(guān)元件的三相變頻電路，其特征在于所述下臂側(cè)開關(guān)元件和所述上臂側(cè)開關(guān)元件中至少一種開關(guān)元件是半導(dǎo)體元件，包括半導(dǎo)體層疊層體，由形成在襯底上的氮化物半導(dǎo)體制成，第一歐姆電極及第二歐姆電極，形成在所述半導(dǎo)體層疊層體上，第一歐姆電極及第二歐姆電極間留有間隙，以及第一柵電極，形成在所述第一歐姆電極和所述第二歐姆電極之間，所述半導(dǎo)體元件作為二極管工作，將以所述第一歐姆電極的電位為基準(zhǔn)所述第一柵電極的閾值電壓以下的電壓施加在所述第一柵電極上，由此使從所述第一歐姆電極流向第二歐姆電極的電流流動(dòng)，使從所述第二歐姆電極流向所述第一歐姆電極的電流流動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述半導(dǎo)體元件作為雙向場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作，將以所述第 一 歐姆電極 的電位為基準(zhǔn)比所述第一柵電極的閾值電壓高的電壓施加在所述第一柵電 極上，由此使從所迷第一歐姆電極流向第二歐姆電極的電流流動(dòng)，切斷從 所述第二歐姆電極流向所述第 一 歐姆電極的電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于 所述半導(dǎo)體元件的所述第一柵電極的閱值電壓在0V以上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于 在所述半導(dǎo)體層疊層體和所述第一柵電極之間具有第一 p型半導(dǎo)體層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于 所述半導(dǎo)體元件具有將由所述第一 p型半導(dǎo)體層和所述半導(dǎo)體層疊層體形成的pn結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)以上的電壓施加在所述第一柵電極和所迷第 一歐姆電極之間的工作模式。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所迷的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于相互不同的規(guī)定脈寬調(diào)制控制相位期間依次施加給各個(gè)所述上臂側(cè)開 關(guān)元件，各個(gè)所述上臂側(cè)開關(guān)元件便在相應(yīng)的所述脈寬調(diào)制控制相位期間 的各個(gè)脈寬期間成為導(dǎo)通狀態(tài)，各個(gè)所述下臂側(cè)開關(guān)元件在各個(gè)脈沖間隔期間成為導(dǎo)通狀態(tài)，所述各 個(gè)脈沖間隔期間是所對(duì)應(yīng)的相的所述上臂側(cè)開關(guān)元件的所述脈寬調(diào)制控制 相位期間中的所述各個(gè)脈沖周期內(nèi)的所述脈寬期間以外的期間，調(diào)制所述各個(gè)脈寬期間對(duì)所述三相電動(dòng)機(jī)進(jìn)行脈沖調(diào)制控制。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于 所述半導(dǎo)體元件在所述第一柵電極和所述半導(dǎo)體層疊層體之間具有第一絕緣膜。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于 所述半導(dǎo)體元件具有形成在第一柵電極和第二歐姆電極之間的第二柵電極，將以所述第二歐姆電極的電位為基準(zhǔn)所述第二柵電極的閾值電壓以上 的電壓施加在所述第二柵電極上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于 所述半導(dǎo)體元件具有形成在所述第一柵電極和所迷半導(dǎo)體層疊層體之間的第一絕緣膜和形成在所述第二柵電極和所述半導(dǎo)體層疊層體之間的第 二絕緣膜。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于 所述半導(dǎo)體元件的所述第一柵電極及所迷第二柵電極的閾值電壓在0V以上。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于 具有形成在所述半導(dǎo)體層疊層體和所述第一柵電極之間的第一 p型半導(dǎo)體層和形成在所述半導(dǎo)體層疊層體和所述第二柵電極之間的第二 p型半 導(dǎo)體層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于 所述半導(dǎo)體元件具有將由所述第一 p型半導(dǎo)體層和所述半導(dǎo)體層疊層體形成的pn結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)以上的電壓施加在所述第一柵電極和所述第一歐姆電極之間的工作模式，和將由所述第二p型半導(dǎo)體層和所述半導(dǎo)體層疊層體形成的pn結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)以上的電壓施加在所述第二柵電極和所述第二歐姆電極之間的工作模式。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于 相互不同的規(guī)定脈寬調(diào)制控制相位期間依次施加給各個(gè)所述上臂側(cè)開關(guān)元件，各個(gè)所述上臂側(cè)開關(guān)元件便在相應(yīng)的所述脈寬調(diào)制控制相位期間 的各個(gè)脈寬期間成為導(dǎo)通狀態(tài)，各個(gè)所述下臂側(cè)開關(guān)元件在各個(gè)脈沖間隔期間成為導(dǎo)通狀態(tài)，各個(gè)脈 沖間隔期間是所對(duì)應(yīng)的相的所述上臂側(cè)開關(guān)元件的所述脈寬調(diào)制控制相位 期間中的所述各個(gè)脈沖周期內(nèi)的所述脈寬期間以外的期間，調(diào)制所述各個(gè)脈寬期間對(duì)所述三相電動(dòng)機(jī)進(jìn)行脈沖調(diào)制控制。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于 所述半導(dǎo)體層疊層體具有從所述襯底側(cè)依次疊層的第一半導(dǎo)體層及第二半導(dǎo)體層，所述第二半導(dǎo)體層的帶隙比所迷第一半導(dǎo)體層的帶隙大。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。該電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括三相變頻電路(8)。該三相變頻電路(8)中包括驅(qū)動(dòng)三相電動(dòng)機(jī)(3)的各相的上臂的三個(gè)上臂側(cè)開關(guān)元件(56a-56c)和驅(qū)動(dòng)各相的下臂的三個(gè)下臂側(cè)開關(guān)元件(56d-56f)。上臂側(cè)開關(guān)元件(56a-56c)及下臂側(cè)開關(guān)元件(56d-56f)中至少一種開關(guān)元件是作為二極管工作的半導(dǎo)體元件。作為二極管工作就是將以第一歐姆電極S的電位為基準(zhǔn)柵電極G的閾值電壓以下的電壓施加在柵電極G上，使從第一歐姆電極S流向第二歐姆電極D的電流流動(dòng)，將從第二歐姆電極D流向第一歐姆電極S的電流切斷。
文檔編號(hào)H02P6/08GK101689821SQ200880012659
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者上本康裕, 森本篤史, 森田竜夫, 田中毅, 白石松夫, 石川晃一 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社