交流二线式开关制造技术

提供一种能够抑制在内部所具有的双向开关元件的散热的交流二线式开关。交流二线式开关(100a)连接于交流电源(101)与负载(102)之间而被使用，包括：双向开关元件(103)，由III氮化物半导体构成，除具有使电流双向流动的构成以外，还使该电流的流动导通或断开，并且与交流电源及负载串联连接，且与交流电源及负载构成闭合电路；全波整流器(104)，对交流电源的电源进行全波整流；电源电路(105)，将全波整流后的电压平滑化后，提供直流电源；第一栅极驱动电路(107)及第二栅极驱动电路(108)，将控制信号输出到双向开关元件；以及控制电路(106)，对第一栅极驱动电路及第二栅极驱动电路进行控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及交流二线式开关，并且涉及具有由III族氮化物半导体构成的双向开关元件的交流二线式开关。
技术介绍
以往，在住宅用的照明灯或换气扇的控制中，作为交流二线式开关大多采用机械开关。近些年，使电流双向流动，并且对于正负这两个极性的电压都具有耐压性的双向交流开关成为了一种需要，因此，采用了三极管交流开关这种半导体、并具有调光功能、遥控器功能、以及人传感器功能的高功能的开关被商品化(例如参照专利文献1)。图12是示出使用了以三极管交流开关为主开关的以往的交流二线式开关151的概略电路图。如图12所示，以往的交流二线式开关151由三极管交流开关150和用于驱动该三极管交流开关150的驱动电路149等构成，所述三极管交流开关150与商用交流电源 101以及负载102串联连接而形成闭合电路，并且，以往的交流二线式开关151所形成的系统是，通过驱动电路149使三极管交流开关150接通或断开，从而使从商用交流电源101向负载102的电力供给导通或断开。(以往技术文献)(专利文献)专利文献1日本特公昭58-56477号公报专利文献2美国专利申请公开第2005/0189561号说明书但是，在采用以硅(Si)为材料的半导体元件来形成双向开关元件的情况下，由于硅的材料界限，出现的困难是，不能使双向开关元件的导通电阻降得更低。也就是说，从图 13所示的三极管交流开关的导通特性图可知，作为双向开关而被使用的三极管交流开关 150在导通时，为了进行与硅二极管的导通工作相同的工作以及与双极部件的导通工作相同的工作，而在低电流区的导通电阻变大，在采用了三极管交流开关的交流二线式开关中， 由于导通电阻而使导通损失变大。为此，以往的交流二线式开关存在的课题是，例如难于用于200W以上的负载，因此需要对能够使用的负载的耗电量加以限制后使用。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述的课题，目的在于提供一种交流二线式开关，该交流二线式开关通过抑制内部所具有的双向开关元件本身的放热，从而能够对商用交流电源与比以往更大的负载之间的连接进行导通或断开。近些年，为了打破材料界限降低导通损失，从而考虑了导入采用了以氮化镓(GaN) 为代表的III族氮化物半导体或碳化硅(SiC)等宽禁带半导体的半导体元件(例如参照专利文献2、。宽禁带半导体的击穿场强大约是Si的10倍。在氮化铝镓(AWaN)和氮化镓 (GaN)的异质结界面，由于自发极化以及压电极化而产生电荷。据此，即使在不掺杂时也能够形成薄膜电子面密度在IXlO13Cnr2以上和1000cm2V/sec以上的高迁移率的二维电子气(2DEG)层。为此，则期待AlGaN/GaN异质结场效应晶体管(AWaN/GaN-HFET)能够成为可以实现低导通电阻以及高耐压的功率开关晶体管。通过形成利用了 MGaN/GaN的异质结的具有两个栅极电极的结构，从而能够以一个半导体元件来形成双向开关元件。具有这种结构的双向开关元件在电路功能上与彼此为逆方向串联连接的两个晶体管是等价的，如图3所示的导通特性的比较图，与以往的三极管交流开关相比更能够降低导通电阻，并且能够控制从第一欧姆电极侧向第二欧姆电极侧流动的电流以及从第二欧姆电极侧向第一欧姆电极侧流动的电流。因此，由III族氮化物半导体构成的具有两个栅极电极的双向开关元件，比以往的由三极管交流开关单体、功率 MOS场效应晶体管(金属氧化膜场效应晶体管)、或IGBT (绝缘栅双极晶体管)等多个功率晶体管组成的双向开关更小型化，并且作为能够节省电力的元件受到了重视。因此，本专利技术的专利技术人实现了活用了由III族氮化物半导体构成的开关元件的优良特性的交流二线式开关。具体而言，为了达到上述的目的，作为本专利技术的交流二线式开关的一个实施例，交流二线式开关，被连接并被利用于交流电源与负载之间，该交流二线式开关具有双向开关元件，该双向开关元件除具有使电流双向流动的构成以外，还使该电流的流动导通或断开，并且，该双向开关元件与所述交流电源以及所述负载串联连接，且与所述交流电源以及所述负载构成闭合电路，所述双向开关元件包括衬底；半导体层叠体，被形成在所述衬底，并且由III族氮化物半导体构成；第一欧姆电极以及第二欧姆电极，所述第一欧姆电极被形成在所述半导体层叠体，并且与所述交流电源以及所述负载中的一方电连接，所述第二欧姆电极被形成在所述半导体层叠体，并且与所述交流电源以及所述负载中的另一方电连接；以及第一栅极电极以及第二栅极电极，被形成在位于所述半导体层叠体上的所述第一欧姆电极与所述第二欧姆电极之间，并且是从所述第一欧姆电极一侧开始按顺序而被形成的；所述交流二线式开关还包括全波整流器，被连接在所述第一欧姆电极与所述第二欧姆电极之间，对所述交流电源进行全波整流；电源电路，将从所述全波整流器输出的被全波整流后的电压平滑化后，提供直流电源；驱动电路，在接受从所述电源电路提供的直流电源的同时，还向所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极输出控制信号；以及控制电路，在接受从所述电源电路提供的直流电源的同时，在由所述交流电源将电力提供到所述负载的情况下，控制所述驱动电路，以使所述驱动电路通过向所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极，输出具有比所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极的阈值电压高的电压的控制信号，从而使所述双向开关元件成为导通状态。据此，由于对交流电源的供给进行导通与断开的双向开关元件以III族氮化物半导体构成，因此具有这种双向开关元件的交流二线式开关能够降低导通电阻、抑制散热，从而能够与比以往的负载大的负载连接而被使用。在此，所述驱动电路也可以通过电阻，将所述控制信号传输给所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极。这样，通过在驱动电路与第一栅极电极之间以及驱动电路与第二栅极电极之间插入电阻，从而使从驱动电路向第一栅极电极以及第二栅极电极的控制信号的电流以及电压得到限制，这样，控制信号的变动被抑制，导通或断开工作被稳定化，并且回避了因浪涌电压的侵入而导致的双向开关元件的损坏。并且，所述驱动电路的构成也可以是，将电流或恒定电流的所述控制信号输出到所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极。这样，由于电流或恒定电流的控制信号从驱动电路被输入到第一栅极电极以及第二栅极电极，因此即使是过负载状态的向负载过度地提供了电力的状态，针对第一栅极电极以及第二栅极电极，被限制了电流的控制信号也能够被输入，因此能够使导通或断开工作稳定化。并且，也可以是，所述控制电路，控制所述驱动电路，通过针对所述双向开关元件， 首先将比所述阈值电压高的电压作为所述控制信号，施加到离在所述第一欧姆电极以及所述第二欧姆电极之中电位高的一方近的第一栅极电极或第二栅极电极之后，再将比所述阈值电压高的电压作为所述控制信号施加到第一栅极电极或第二栅极电极的另一方，从而使所述双向开关元件成为导通状态。这样，能够以将信号传送到能够以更低的电位将双向开关元件导通的第一栅极电极或第二栅极电极的定时，来使双向开关元件导通，因此与同时将控制信号传送到第一栅极电极以及第二栅极电极的方式相比，能够以更准确的定时来使双向开关元件导通。并且，所述衬底也可以接地，或者所述衬底也可以被固定为某一电位。这样，能够使双向开关元件的衬底电位稳定，即使在双向开关元件被安装有散热装置的情况下，本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种交流二线式开关，被连接并被利用于交流电源与负载之间，该交流二线式开关具有双向开关元件，该双向开关元件除具有使电流双向流动的构成以外，还使该电流的流动导通或断开，并且，该双向开关元件与所述交流电源以及所述负载串联连接，且与所述交流电源以及所述负载构成闭合电路，所述双向开关元件包括：衬底；半导体层叠体，被形成在所述衬底，并且由ＩＩＩ族氮化物半导体构成；第一欧姆电极以及第二欧姆电极，所述第一欧姆电极被形成在所述半导体层叠体，并且与所述交流电源以及所述负载中的一方电连接，所述第二欧姆电极被形成在所述半导体层叠体，并且与所述交流电源以及所述负载中的另一方电连接；以及第一栅极电极以及第二栅极电极，被形成在位于所述半导体层叠体上的所述第一欧姆电极与所述第二欧姆电极之间，并且是从所述第一欧姆电极一侧开始按顺序而被形成的；所述交流二线式开关还包括：全波整流器，被连接在所述第一欧姆电极与所述第二欧姆电极之间，对所述交流电源进行全波整流；电源电路，将从所述全波整流器输出的被全波整流后的电压平滑化后，提供直流电源；驱动电路，在接受从所述电源电路提供的直流电源的同时，还向所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极输出控制信号；以及控制电路，在接受从所述电源电路提供的直流电源的同时，在由所述交流电源将电力提供到所述负载的情况下，控制所述驱动电路，以使所述驱动电路通过向所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极，输出具有比所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极的阈值电压高的电压的控制信号，从而使所述双向开关元件成为导通状态。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：桥诘真吾，井腰文智，山际优人，上本康裕，柳原学，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP