功率变换器电路

申请号 CN201410096309.5 申请日 2014-03-14 公开(公告)号 CN104052249B 公开(公告)日 2017-12-29
申请人 英飞凌科技奥地利有限公司; 发明人 G·德伯伊; K·克里斯常; R·威斯;
摘要 一种功率变换器 电路 ,包括输入和输出。供应电路被配置用于从所述输入接收输入 信号 并且根据所述 输入信号 生成多个供应信号。提供多个变换器单元。所述多个变换器单元中的每个变换器单元被配置用于接收所述多个供应信号中的一个供应信号并且将 输出信号 输出至所述输出。
权利要求

1.一种功率变换器电路,包括:
输入和输出;
供应电路,被配置用于从所述输入接收输入信号并且根据所述输入信号生成多个供应信号;以及
多个变换器单元,其中所述多个变换器单元中的每个变换器单元包括导电连接至所述功率变换器电路的输出的变换器单元输出端口,并且所述多个变换器单元中的每个变换器单元被配置用于接收所述多个供应信号中的一个供应信号并且将输出信号经由所述变换器单元输出端口输出至所述功率变换器电路的输出,其中
所述供应电路包括串联连接的多个供应单元,其中所述多个供应单元中的每个供应单元被配置成输出所述供应信号之一,
所述多个供应单元中的每个供应单元与所述多个变换器单元之一相关联,所述多个变换器单元包括n个变换器单元,其中n是大于2的整数;所述n个变换器单元中的至少n-1个变换器单元包括耦合开关元件,所述耦合开关元件被配置成将与所述多个变换器单元中的变换器单元相关联的所述供应单元耦合至参考电势节点,其中所述参考电势节点导电连接至所述功率变换器电路的输出。
2.根据权利要求1所述的功率变换器电路,其中所述功率变换器电路的输出包括第一输出节点和第二输出节点,
所述多个变换器单元中的每个变换器单元的变换器单元输出端口包括第一变换器单元输出节点和第二变换器单元输出节点,以及
所述多个变换器单元中的每个变换器单元的第一变换器单元输出节点连接至所述功率变换器电路的输出的第一输出节点,并且所述多个变换器单元中的每个变换器单元的第二变换器单元输出节点连接至所述功率变换器电路的输出的第二输出节点。
3.根据权利要求1所述的功率变换器电路,其中所述供应电路还包括与所述多个供应单元串联连接的电感器。
4.根据权利要求1所述的功率变换器电路,其中所述多个供应单元中的每个供应单元包括:
第一电容存储元件;以及
第一开关元件,与所述第一电容存储元件串联连接。
5.根据权利要求4所述的功率变换器电路,其中所述第一开关元件包括晶体管。
6.根据权利要求1所述的功率变换器电路,其中所述供应电路还包括串联连接的多个第二电容存储元件,其中所述多个第二电容存储元件中的每个第二电容存储元件与所述多个供应单元中的至少一个供应单元并联连接。
7.根据权利要求6所述的功率变换器电路,其中所述功率变换器电路还包括多个电感器,其中所述多个电感器中的每个电感器与所述多个供应单元中的至少一个供应单元串联连接。
8.根据权利要求6所述的功率变换器电路,其中所述供应电路包括串联连接的多个第二电容存储元件,其中每个所述第二电容存储元件与一个所述供应单元并联连接。
9.根据权利要求6所述的功率变换器电路,其中所述功率变换器电路还包括多个电感器,其中所述多个电感器中的每个电感器与所述多个供应单元中的一个供应单元串联连接。
10.根据权利要求1所述的功率变换器电路,
其中所述供应电路被配置成在充电模式中同时操作所述多个供应单元,其中在所述充电模式中,所述多个供应单元接收来自所述输入的能量
11.根据权利要求1所述的功率变换器电路,其中在所述n-1个变换器单元中的至少一个变换器单元中的所述耦合开关元件包括串联连接的第一晶体管和至少一个第二晶体管。
12.根据权利要求1所述的功率变换器电路,还包括控制电路,所述控制电路被配置用于控制所述供应电路和所述多个变换器单元。
13.根据权利要求12所述的功率变换器电路,其中所述控制电路被集成在第一半导体本体中,并且其中所述供应电路和所述多个变换器单元被集成在第二半导体本体中。
14.根据权利要求1所述的功率变换器电路,其中所述功率变换器电路的输出包括第一输出节点和第二输出节点,所述功率变换器电路还包括被连接在形成所述功率变换器电路的输出的所述第一输出节点和所述第二输出节点之间的电容器。
15.一种用于操作功率变换器电路的方法,包括:
由供应电路从输入接收输入信号并且根据所述输入信号生成多个供应信号;以及由多个变换器单元中的每个变换器单元接收所述多个供应信号中的一个供应信号并且将输出信号输出至输出,其中所述多个变换器单元中的每个变换器单元包括导电连接至所述输出的变换器单元输出端口,其中
所述多个供应信号中的每个供应信号由串联连接的多个供应单元之一输出,所述多个供应单元中的每个供应单元与所述多个变换器单元之一相关联,所述多个变换器单元包括n个变换器单元,其中n是大于2的整数;
所述n个变换器单元中的至少n-1个变换器单元包括耦合开关元件,所述耦合开关元件被配置成将与所述多个变换器单元中的至少一个变换器单元相关联的所述供应单元耦合至参考电势节点,其中所述参考电势节点导电连接至所述功率变换器电路的输出。
16.根据权利要求15所述的方法,还包括在充电模式中同时操作所述多个供应单元;
其中在所述充电模式中,所述多个供应单元接收来自所述输入的能量。
17.根据权利要求15所述的方法,其中将电感器与所述多个供应单元串联连接。
18.根据权利要求15所述的方法,其中所述多个供应单元中的每个供应单元包括:
第一电容存储元件;以及
第一开关元件,与所述第一电容存储元件串联连接。
19.根据权利要求18所述的方法,其中所述第一开关元件包括晶体管。
20.根据权利要求15所述的方法,其中所述供应电路还包括串联连接的多个第二电容存储元件,其中所述多个第二电容存储元件中的每个第二电容存储元件与所述多个供应单元中的至少一个供应单元并联连接。
21.根据权利要求20所述的方法,其中所述多个变换器单元中的每个变换器单元还包括多个电感器,其中所述多个电感器中的每个电感器与所述多个供应单元中的至少一个供应单元串联连接。
22.根据权利要求20所述的方法,其中所述供应电路包括串联连接的多个第二电容存储元件,其中所述多个第二电容存储元件中的每个第二电容存储元件与所述多个供应单元中的一个供应单元并联连接。
23.根据权利要求20所述的方法,其中所述多个变换器单元中的每个变换器单元还包括多个电感器,其中所述多个电感器中的每个电感器与所述多个供应单元中的一个供应单元串联连接。

说明书全文

功率变换器电路

技术领域

[0001] 本发明实施例涉及功率变换器电路,具体涉及具有多个变换器级的开关式功率变换器电路。

背景技术

[0002] 开关式功率变换器广泛用于汽车、工业、消费电子或信息技术(IT)应用中,以用于将输入电压变换成由负载接收的输出电压。在许多应用中,诸如CPU(中央处理单元)供电应用中,要求从高输入电压生成具有相对低电平的输出电压。例如,现代CPU要求具有仅为3V、1.8V或1.2V的电压电平的供应电压。在这一类型的应用中,第一功率变换器可以将电网电压(具有22VRMS或110VRMSAC)变换成具有例如12V的电平的第一DC供应电压,并且第二功率变换器将第一供应电压变换成CPU所需的低DC供应电压。
[0003] 多相变换器包括并联连接的多个变换器单元,并且每个变换器单元提供负载的功耗的一部分。每个变换器单元包括至少一个半导体开关,半导体开关以脉冲宽度调制(PWM)方式进行操作。至少一个半导体开关的PWM操作涉及损失,其中在变换器单元的给定的输出功率处,这些损失随着半导体开关的电压阻挡能的增加而增加。在常规的多相变换器中,每个变换器单元中至少一个开关的电压阻挡能力至少为多相变换器的输入电压与输出电压之间的差值。

发明内容

[0004] 根据一个方面,本公开描述了一种功率变换器电路。该功率变换器电路包括:输入和输出;供应电路,被配置用于从所述输入接收输入信号并且根据所述输入信号生成多个供应信号;以及多个变换器单元,其中所述多个变换器单元中的每个变换器单元被配置用于接收所述多个供应信号中的一个供应信号并且将输出信号输出至所述输出。
[0005] 根据另一方面,本公开描述了一种方法。该方法包括:由供应电路从输入接收输入信号并且根据所述输入信号生成多个供应信号;以及由多个变换器单元中的每个变换器单元接收所述多个供应信号中的一个供应信号并且将输出信号输出至输出。
[0006] 根据又一方面,本公开描述了一种功率变换器电路,该功率变换器电路包括被集成在半导体本体中的多个半导体器件。所述半导体本体包括至少一个环形结构,所述至少一个环形结构具有环状的第一半导体区域和由所述第一半导体区域包围的第二半导体区域,所述第一半导体区域位于第一环状导电线与第二环状导电线之间。第一半导体器件被集成在所述环状的第一半导体区域中,并且被连接在所述第一环状导电线与所述第二环状导电线之间。第二半导体器件被集成在所述第二半导体区域中,并且被连接在所述第二环状导电线与所述第二半导体区域中的接触焊盘之间。附图说明
[0007] 现在将参考附图对示例进行阐释。附图用来图示基本原理,从而仅示出理解基本原理所必需的方面。附图未必按比例。在附图中,相同的附图标记表示相同特征。
[0008] 图1图示功率变换器电路的一个实施例,其包括功率供应电路、被耦合至功率供应电路的多个变换器单元以及控制电路;
[0009] 图2图示功率供应电路的一个实施例;
[0010] 图3图示利用MOSFET开关实施的功率供应单元的一个实施例;
[0011] 图4图示功率供应电路的另一实施例;
[0012] 图5图示在操作中的图4的功率供应电路的一个示例;
[0013] 图6更具体图示图1的变换器单元的一个实施例;
[0014] 图7示出如下时序图,该时序图图示在操作中的图6的变换器单元的一个示例;
[0015] 图8更具体图示图1的变换器单元的另一实施例;
[0016] 图9示出如下时序图,该时序图图示在操作中的图8的变换器单元;
[0017] 图10更具体图示图1的一个变换器单元的另一实施例;
[0018] 图11示出如下时序图,该时序图图示在操作中的图8的变换器单元;
[0019] 图12示出如下时序图,该时序图图示在操作中的包括图2或图4的供应电路的功率变换器电路的一个实施例;
[0020] 图13示出如下时序图,该时序图图示在操作中的包括图2或图4的供应电路的功率变换器电路的另一实施例;
[0021] 图14示出如下时序图,该时序图图示在操作中的包括图2或图4的供应电路的功率变换器电路的另一实施例;
[0022] 图15图示控制电路的一个实施例;
[0023] 图16示出如下时序图,该时序图图示在操作中的图15的控制电路的实施例;
[0024] 图17图示根据另一实施例的包括供应电路的功率变换器电路;
[0025] 图18示出如下时序图,该时序图图示在操作中的图17的功率变换器电路;
[0026] 图19图示根据另一实施例的包括供应电路的功率变换器电路;
[0027] 图20示出如下时序图,该时序图图示在操作中的图19的功率变换器电路;
[0028] 图21图示一个变换器单元的第一开关的一个实施例;
[0029] 图22示出利用如图6和图8中所示的功率变换器单元来实施的图3中所示的功率变换器电路的电路图;
[0030] 图23示意性地图示半导体本体的顶视图的一个实施例,在其中集成了如图22中所示的功率变换器电路的开关;并且
[0031] 图24示意性地图示如图23中所示的半导体本体的一部分的竖直截面图。

具体实施方式

[0032] 在以下具体描述中,对附图进行参考。附图形成本说明书的一部分,并且借由图示来示出其中可以实践本发明的具体实施例。应当理解,在本文中描述的各种实施例的特征可以相互结合,除非另外具体指定
[0033] 图1图示功率变换器电路1的一个实施例。功率变换器电路1包括用于接收输入电压Vin和输入电流Iin的输入11、12,以及用于输出输出电压Vout和输出电流Iout的输出17、18。根据一个实施例,输入电压Vin是直流电压(DC电压)。这一输入电压Vin可以由常规电源VS(图1中虚线所示)提供,诸如开关式电源、电池等。输入电压Vin的电压电平例如在5V和
50V之间,特别是在10V和30V之间。
[0034] 输出电压Vout和输出电流Iout可以被供应至负载Z(图1中虚线所示)。根据一个实施例,输出电压Vout低于输入电压Vin。例如,输出电压Vout约为1.2V、1.8V或者3V。负载Z可以例如为计算机的CPU(中央处理单元)。
[0035] 根据一个实施例,功率变换器电路1被配置用于控制输出电压Vout基本恒定。在这种情况下,输出电流Iout可以根据负载Z的功耗而改变。例如,当输入电压Vin基本恒定时,则输入电流Iin也可以根据负载Z的功耗而改变。
[0036] 输出17、18在本实施例中包括第一输出节点17和第二输出节点18。可选地,输出电容器19被耦合在第一和第二输出节点17、18之间。输出电压Vout是输出节点17、18之间的电压。等效地,输入11、12包括第一输入节点11和第二输入节点12,其中输入电压Vin是第一和第二输入节点11、12之间的电压。
[0037] 根据一个实施例,输入电压Vin和输出电压Vout被参考至相同的参考电势,诸如接地。在这种情况下,第二输入节点12和第二输出节点18二者被连接至功率变换器电路的其中参考电势可用的节点。
[0038] 参照图1,功率变换器电路1包括耦合至输入11、12的功率供应电路2。功率供应电路2被配置用于接收输入电压Vin和输入电流Iin并且根据输入电压Vin输出多个供应电压V1、V2、Vn。此外,功率变换器电路1包括多个变换器单元31、32、3n,其中这些变换器单元31-3n中的每个变换器单元接收多个供应电压V1-Vn中的一个供应电压,并且被配置用于向输出17、18供应输出电流I1-In。功率变换器电路1的输出电流Iout等于各个变换器单元31-3n的输出电流I1-In的和。各个变换器单元31-3n控制它们的输出电流I1-In,使得输出电压Vout具有预定义的设定值。在下文中将更具体阐释各个变换器单元31-3n的操作原理的一种方式。
在图1中描绘的功率变换器电路1中,功率供应电路2输出n=3个供应电压V1-Vn,并且n=3个变换器单元31-3n被耦合至功率供应电路2。然而,这仅为示例,在功率变换器电路1中实施的变换器单元的数目n是任意的并且不限于n=3。
[0039] 在图1中,附图标记131-13n表示各个变换器单元31-3n的第一输入节点,并且附图标记141-14n表示各个变换器单元31-3n的第二输入节点。每个变换器单元31-3n接收在其第一输入端子和第二输入节点之间的供应电压V1-Vn中的一个供应电压。各个变换器单元31-3n的第一输出节点151-15n彼此耦合以形成功率变换器电路1的输出节点17。并且第二输出节点161-16n被耦合至功率变换器电路1的第二输出节点18。
[0040] 参照图1,控制电路4控制供应电路2和各个变换器单元31-3n的操作。在图1中,仅示意性地图示由供应电路2和各个变换器单元31-3n分别接收的控制信号S2、S31-S3n。根据供应电路2和各个变换器单元31-3n的具体实施方式,这些电路中的每个电路可以接收两个或更多控制信号,使得图1中所示的控制信号S2、S31-S3n可以各自表示一个控制信号或者两个或更多控制信号。
[0041] 图2图示功率供应电路2的第一实施例。这一功率供应电路2包括串联连接在第一和第二输入节点11、12之间的多个功率供应单元(供应单元)21-2n。这些供应单元21-2n中的每个供应单元被配置用于输出供应电压V1-Vn中的一个供应电压。供应单元21-2n中的每个供应单元包括具有第一开关211-21n和第一电容存储元件(电容器)221-22n的串联电路,其中供应电压V1-Vn跨供应单元21-2n的第一电容器221-22n是可用的。
[0042] 在图2的供应电路2中以及在下文中公开的供应电路2的其它实施例中,各个供应单元21-2n的相同特征具有可以通过下标索引“1”、“2”、“n”相互区分的附图标记。在下文中,其中阐释等效地应用于各个供应电路21-2n和它们各自的部件,将使用没有索引的附图标记。等效地,变换器单元31-3n的和它们的部件具有可以通过下标索引“1”、“2”、“n”相互区分的附图标记。在下文中,其中阐释等效地应用于各个变换器单元31-3n和它们各自的部件,将使用没有索引的附图标记。
[0043] 各个供应单元2输出供应电压V1-Vn中的一个供应电压,并且因此供应与其连接的变换器单元(图1中的31-3n)。
[0044] 图2中也图示各个变换器单元3,在下文中将更具体阐释它们的一种操作方式。每个供应单元2从输入节点11、12接收其向相关联的变换器单元3供应的能量。每个供应单元2可以操作于充电模式以及供应模式。在充电模式中,供应单元2从输入节点11、12接收能量,使得供应单元2的第一电容器22被充电。在供应模式中,供应单元2准备向与其连接的变换器单元3提供能量,也即,供应单元2准备使电容器22放电。在供应模式中,供应单元2是否实际向相关联的变换器单元3提供能量取决于变换器单元的操作模式。在下文中将更具体阐释这点。
[0045] 在图2中描绘的供应电路2实施例中,各个供应单元21-2n同时操作于充电模式。在充电模式中,控制电路4(图2中未示出)接通各个供应单元21-2n的第一开关211-21n。当第一开关211-21n被接通时,各个供应单元21-2n的电容器221-22n串联连接在第一和第二输入节点11、12之间。各个电容器221-22n随后被充电至取决于输入电压Vin和各个电容器221-22n的电容的供应电压V1-Vn。根据一个实施例,各个电容器221-22n具有基本上相同的电容。在这种情况下,各个电容器221-22n在充电阶段结束时被充电至相同的电压电平,也即
[0046]
[0047] 其中n是供应电路2的供应单元21-2n的数目。
[0048] 各个第一电容器221-22n是否完全充电(在之前阐释的实施例中至电压Vin/n)或者各个第一电容器221-22n是否仅部分充电(至低于Vin/n的电压)取决于充电阶段的持续时间。根据一个实施例,充电阶段的持续时间被选择为使得第一电容器221-22n在充电阶段期间被完全充电。在充电阶段结束时,控制电路4断开第一开关211-21n,并且各个电容器221-22n准备由各个变换器单元31-3n放电。在这一实施例中,可以同时接通和关断第一开关211-
21n,使得从控制电路4接收的控制信号S2可以用来控制各个第一开关211-21n。
[0049] 第一开关211-21n可以被实施为常规电子开关。根据一个实施例,第一开关211-21n是晶体管。在另一实施例中,第一开关211-21n是继电器。图3图示包括被实施为晶体管的第一开关21的一个供应单元2的一个实施例。在这一具体实施例中,晶体管是MOSFET。这一MOSFET可以被实施为n型MOSFET或p型MOSFET,并且可以被实施为增强型(常断)晶体管或者耗尽型(常通)晶体管,诸如耗尽型MOS或JFET(结型场效应晶体管)。可以使用常规半导体材料(诸如(Si)、化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等)来实施晶体管。MOSFET具有用于接收控制信号S2的控制端子(栅极端子)并且具有与电容器22串联连接的负载路径(漏极-源极路径)。控制电路4被配置用于根据MOSFET的具体类型生成控制信号S2的信号电平,使得MOSFET当供应单元2处于充电模式时被接通并且使得MOSFET当供应单元2处于供应模式时被关断。MOSFET21可以包括也在图3中示出的内部体二极管(internal body diode)。这一体二极管的极性可以被选择为使得供应单元2的电容器22无法经由体二极管充电。为此,在图3的实施例中体二极管的阳极连接至电容器22。将开关21实施为n型MOSFET仅为示例。也可以使用任何其它类型的电子开关,诸如另一类型的MOSFET或另一类型的晶体管,诸如BJT(双极结型晶体管)、JFET(结型场效应晶体管)或GaN-HEMT(氮化镓高电子迁移率晶体管)。优选实施例将要在支持横向功率晶体管的功率IC技术内实施开关。
[0050] 图4图示供应电路2的另一实施例。在图4的实施例中,供应电路2包括与供应单元21-2n串联连接的电感器23。在图2的供应电路中,输入电流Iin可以在充电阶段(充电模式)开始时具有相对高的电流平。这一电流水平取决于之前已经将电容器221-22n放电多少。
在图4的供应电路2中,电感器23帮助限制输入电流Iin的电流水平。此外,电感器23使得有可能在经过电感器23的电流并且因此经过开关211-21n的电流基本为零时接通或关断供应单元21-2n的开关211-21n。参照图4,可选的续流元件(诸如二极管)26与电感器23并联连接。
当开关211-21n在电感器23已经被完全去磁之前关断时,续流元件26经过电感器23取走电流。
[0051] 参考图5阐释图4的供应电路的一种操作方式,在图5中图示供应电路2的操作模式和输入电流Iin的时序图。操作模式由控制信号S2表示。出于阐释的目的,假设当供应电路2处于充电模式时控制信号S2具有高电平(其接通各个第一开关211-21n)。出于阐释的目的,进一步假设在充电模式开始时各个电容器221-22n未完全被充电,也即各个供应电压V1-Vn的和低于输入电压Vin:
[0052]
[0053] 在这种情况下,输入电流Iin在充电模式开始时增加,其中充电模式的开始由图5中的时间t1表示。参照图5,输入电流Iin增加到最大输入电流Iinmax并且随后减小到零。最大输入电流IinMAX取决于输入电压Vin的电压电平与在充电阶段开始时跨具有电容器221-22n的串联电路的电压电平之间的差值,其中最大输入电流IinMAX随着电压差值增加而增加。充电时段T(其为在时间t1处充电阶段的开始与当输入电流Iin减小到零时的时间t2之间的时间段)独立于电压差值并且仅取决于电感器23的电感以及电容器串联电路的总电容。根据一个实施例,供应电路2操作于充电模式的时间段对应于充电时段T或者甚至更短。
[0054] 在图4的实施例中,跨电容器串联电路的总电压在充电时段结束时可以比输入电压Vin更高,也即:
[0055]
[0056] 总电压是否高于输入电压Vin取决于当开关211-21n被关断时的时间点。根据一个实施例,当输入电流Iin基本上具有最大值(其在图5中在时间t1和时间t2之间)时开关211-21n关断。在这种情况下,总电压对应于输入电压。然而,当开关211-21n稍后关断时,已经在第一时间t1与当输入电流Iin到达最大值时的时间之间被(磁性地)存储在电感器23中的能量被转移至电容器221-22n并且使得总电压增加到输入电压Vin以上。为了防止电容器221-
22n放电,在输入电流Iin变为零时或者之前应当关断开关221-22n。
[0057] 在充电模式中,由各个供应单元21-2n输出的供应电压V1-Vn被参考至不同的电势。被直接连接至第二输入节点12的供应单元2n的供应电压Vn被参考至在第二输入节点12处的电势。在第二输入节点12处的这一电势在下文中将被称为参考电势(接地)。被直接连接至第二输入节点12的供应单元2n在下文中将被称作最低供应单元,并且被耦合至最低供应单元2n的变换器单元3n在下文中将被称作最低变换器单元。
[0058] 与最低供应单元2n相邻的供应单元22的供应电压V2被参考至P12+Vn,其中P12表示参考电势并且Vn表示最低供应单元2n的供应电压。等效地供应单元21的供应电压V1被参考至P12+Vn+V2。总体而言,在充电模式中,一个供应单元2(i 其中2i表示供应单元21-2n中的任意一个)的供应电压被参考至
[0059]
[0060] 当供应单元21-2n处于供应模式时,各个供应电压V1-Vn被参考至相同的参考电势,即在第二输出节点18处的电势。出于这一目的,每个变换器单元31-3n包括连接在对应的供应单元21-2n的电容器221-22n与第二输出节点18之间的第二开关311-31n。在图2和图4的变换器单元31-3n中示意性地图示这些第二开关。当对应的供应单元21-2n处于充电模式时,控制电路4控制这些第二开关311-31n被关断(被断开)。在最低变换器单元3n中,第二开关31n是可选的。
[0061] 除了供应单元2的充电模式和供应模式外,还可以存在备用模式,在备用模式中电容器22已经被充电并且第一开关21和第二开关31断开。在这一操作模式中,由供应单元2提供的供应电压V浮动。
[0062] 可选地,另一开关24被连接在具有供应单元21-2n的串联电路与第二输入节点12之间。这个另一开关24与第一开关211-21n同时接通和关断。在这一实施例中,最低变换器单元3n也包括第二开关31n。在这一实施例中,输入电压Vin和输出电压Vout可以被参考至不同的参考电势。也即,输入电压Vin可以被参考至第一参考电势(即在第二输入节点12处的电势),并且输出电压Vout可以被参考至第二参考电势(即在第二输出节点18处的电势)。
[0063] 根据另一实施例,变换器单元31-3n中的并非最低变换器单元3n的变换器单元的第二开关被省略,而最低变换器单元3n包括第二开关31n。出于阐释的目的,假设第二变换器单元32的第二开关312被省略。在这种情况下,输出电压Vout被参考至在对应的供应单元22的电容器222的一个端子处的电势。
[0064] 用于实现变换器单元31-3n的不同的拓扑结构是可能的。在下文中参考图6和图8阐释两种可能的实现方式。
[0065] 图6示出变换器单元3i(其中3i表示变换器单元31-3n中的任意一个)的一个实施例。这一变换器单元3i利用降压变换器拓扑结构来实施并且包括具有连接在第一输入节点13i和第一输出节点15i之间的第三开关32i和电感器33i的串联电路,其中第一输出节点15i被连接至功率变换器电路1的第一输出节点17。续流元件34i被连接在第二输出节点16i与由第三开关32和电感器33i共用的电路节点之间。第二输出节点16i是被连接至功率变换器电路1的第二输出节点18的输出节点。续流元件34i可以被实施为常规续流元件,诸如二极管或同步整流器(SR)MOSFET。第三开关32i在下文中将被称作控制开关。
[0066] 参考图7阐释图6的变换器单元3i的一种操作方式,图7示出控制第二开关31i的控制信号S31i、控制控制开关开关32i的控制信号S32i、以及变换器单元3i的输出电流Ii的时序图。控制第二开关31i的控制信号S31i在下文中将被称作供应模式控制信号,并且控制控制开关开关32i的控制信号S32i在下文中将被称作电流控制信号,因为这一控制信号帮助控制输出电流Ii。以下将更具体阐释这一点。
[0067] 根据一个实施例,控制信号S32i是脉冲宽度调制(PWM)信号,其以脉冲宽度调制(PWM)方式驱动控制开关32i。也即,存在多个后续驱动时段,其中在每个驱动时段中控制信号S32i接通控制开关32i持续导通时段TON,并且关断控制开关32i持续关断时段TOFF。根据一个实施例,各个驱动周期的时段TPWM相同,其中占空比(其为导通时段TON与驱动周期TPWM的持续时间的比)可以改变。出于阐释的目的,假设图7的驱动信号S32i的高电平表示控制开关32i的导通状态,而驱动信号S32i的低电平表示控制开关32i的关断状态。
[0068] 参照图7,输出电流Ii在导通时段TON期间增加并且在关断时段TOFF期间减小。图7示出变换器单元3i的处于稳态并且处于连续电流模式(CCM)的输出电流Ii的时序图。CCM是如下操作模式,其中输出电流Ii在关断时段TOFF期间不减小到零。平均输出电流Ii可以通过改变控制信号S32i的占空比而改变。平均输出电流可以通过暂时增加占空比而增加,并且平均输出电流可以通过暂时减小占空比而减小。控制控制开关32i的控制信号S32i在下文中将被称作电流控制信号。在稳态中,占空比基本恒定,诸如约为0.25(如果例如n=4并且Vout约为1V)。
[0069] 也有可能以断续电流模式(DCM)操作变换器单元3i,在断续电流模式中输出电流Ii在关断时段TOFF期间减小到零。
[0070] 在导通时段TON期间,能量被磁性地存储在电感器33i中。在关断时间期间,存储在电感器33i中的能量使得输出电流Ii继续流动,其中续流元件34i提供续流路径,该续流路径允许输出电流Ii继续流动。
[0071] 在图6的变换器单元3i中,第二开关31i被连接在第二输入节点14i与具有整流器元件34i和电感器33i的续流电流路径之间,使得续流电流可以在第二开关31i已经被关断时流动。参照之前的阐释,变换器单元3i在第二开关31i被接通时处于供应模式。根据一个实施例(图7中实线所示),第二开关31i和控制开关32i由它们的对应的控制信号S31、S32i同时接通和关断。在这种情况下,第二开关31i和控制开关32i可以由共用控制信号S3i控制,并且耦合至变换器单元3i的供应单元(图6中未示出)仅在控制开关32i被接通时处于供应模式。可以在控制开关31i的后续导通时段之间对供应单元进行再充电。
[0072] 根据另一实施例,第一开关31i在控制开关32i接通之前被接通,使得在接通第一开关31i与控制开关32i之间存在延迟时间。
[0073] 根据另一实施例,在对对应的供应单元再充电之前存在控制开关31i的两个或更多驱动周期。在这种情况下,第二开关31i被保持于导通状态持续若干驱动周期。在图7中虚线和点划线图示这一点。
[0074] 根据另一实施例,第二开关31i被操作为控制开关并且控制开关32i用来匹配电势。也即,在这一实施例中,如在上文中根据控制开关32i所阐释的那样以PWM方式驱动第一开关31i,并且可以如同在上文中阐释的第二开关31i那样操作控制开关32i。这在续流元件34和第一开关311被实施为晶体管(特别是MOSFET)时是有利的。在这种情况下,可以使用被参考至相同参考电势(即在第二开关311和续流元件34i共用的电路节点处的电势)的驱动电压来驱动这些晶体管,使得这些驱动电压可以由共用的驱动器产生。
[0075] 当利用用作续流元件的开关替换图6的二极管34i时,变换器单元3i可以操作于零电压开关(ZVS)模式。零电压开关模式在控制开关32i是具有输出电容的开关时尤其有用,该输出电容在控制开关32i关断时充电。图8示出变换器单元3i的一个实施例,其包括作为续流元件的开关34i并且其包括具有作为控制开关32i的输出电容COSS的MOSFET。参考图9阐释这一变换器单元3i在零电压开关模式中的一种操作方式,图9示出输出电流Iin、控制开关32i的控制信号S32i以及续流开关34i的控制信号S34i的时序图。
[0076] 在零电压开关模式中,续流开关34i在控制开关32i关断时接通,并且续流元件34i保持处于导通状态,直至输出电流Iin改变电流流动方向(变负)。这一负电流(轻微)磁化电感器33i。当控制开关32i处于关断状态时,跨控制开关32i的输出电容器COSS的电压基本上对应于输入电压Vi与输出电压Vout之间的差值。当续流开关34i关断时,由磁化的电感器33i感应的电流使控制开关32i的输出电容器COSS放电,使得可以在跨控制开关32i的电压基本为零时接通控制开关32i。者帮助减小开关损失。
[0077] 尤其当变换器单元3i操作于DCM或ZVS模式时,电感器可以被实施为具有比在CCM模式中更低的电感。以PWM方式驱动的开关(其为控制开关32i或第一开关31i)的开关频率例如为若干MHz,诸如10MHz或甚至更多。
[0078] 在图6的变换器单元中,输出电压Vout的最大电压电平低于供应电压Vi的电压电平。图10示出变换器单元3i的实施例,其可以生成具有比供应电压Vi更高的电压电平的输出电压Vout。这一变换器单元3i具有升压变换器拓扑结构。在这一实施例中,具有电感器33i和控制开关32i的串联电路被连接在输入节点13i、14i之间。此外,整流器单元34i被连接在电感器33i和控制开关32i共用的电路节点与第一输出节点15i之间。如同图6中的实施例,以PWM方式驱动控制开关32i,其中每次接通开关32i时,能量被磁性地存储在电感器33i中。当关断控制开关32i时,存储在电感器33i中的能量至少部分被转移至输出节点15i、16i。控制开关32i和第二开关31i可以同时被接通和关断。其中,当第二开关31i已经被关断时,另一整流器元件35i允许输出电流Ii流动。
[0079] 图11中图示控制开关32i的控制信号S32i和输出电流Ii的时序图。在这一实施例中,输出电流Ii仅在关断时段期间流动。如同在图6的实施例中,可以通过调节控制信号S32i的占空比来控制输出电流Ii的平均。
[0080] 之前阐释的每个变换器电源3i可以操作于连续电流模式(CCM)、断续电流模式(DCM)或者ZVS模式。此外,也可以利用除了升压变换器拓扑结构(参见图6和8)和降压变换器拓扑结构(参见图10)之外的拓扑结构来实施变换器单元3i。另一可能的变换器单元拓扑结构例如为降压-升压变换器拓扑结构或升压-降压变换器拓扑结构。
[0081] 图12示出如下时序图,该时序图图示利用图2和图4之一的供应电路2来实施并且利用根据图6和图8的实施例之一的多个变换器单元3i-3n来实施的图1的功率变换器电路1的一种操作方式。图12示出每个变换器单元31-3n的控制开关32i的控制信号S321-S32n的时序图。可以如之前阐释的那样控制第二开关31i,也即可以同时控制每个变换器单元3i的第二开关31i和控制开关32i,或者在控制开关接通之前已经接通第二开关31i。图12示出PWM控制信号S31、S32、S3n的时序图,其中这些控制信号中的每个控制信号控制变换器单元31-3n中的一个变换器单元的控制开关(图6和8中的32i)和第二开关(图6和8中的31i)。图12还示出供应电路控制信号S2的时序图,控制信号S2控制各个供应单元21-2n的充电模式。在这一实施例中,各个供应单元21-2n同时操作于充电模式。
[0082] 参照图12,每个控制信号S31-S3n可以呈现导通电平和关断电平。出于阐释的目的,假设由变换器单元31-3n接收的控制信号S31-S3n的高电平对应于导通电平,并且接通变换器单元31-3n的控制开关(图6和图8中的32i)和第二开关,而低电平对应于关断电平并且关断控制开关和第二开关。等效地,供应电路控制信号S2的高电平表示供应单元21-2n的充电模式。
[0083] 在图12中所示的操作情形下,控制电路4操作各个变换器单元31-3n,使得一次仅一个变换器单元的控制开关被接通。也即,各个变换器单元31-3n的控制开关的导通时段TON1、TON2、TONn在时间上不重叠。参照上述阐释,各个变换器单元可以操作于DCM模式、ZVS模式和CCM模式之一,其中ZVS模式示出最低开关损失。在图12中,控制信号S3n是耦合至最低供应单元2n的最低变换器单元3n的控制信号。当输入电压Vin和输出电压Vout被参考至相同参考电势时,最低供应单元2n可以同时操作于充电模式和供应模式。也即,变换器单元3n的控制开关可以被接通以从最低供应单元2n接收功率,而电容器22n被耦合至输入11、12。因此,在图12的实施例中,变换器单元3n的控制开关的导通时段TONn和供应单元2n的充电模式时段可以重叠。“充电模式时段”是当供应单元处于充电模式时的时间段。
[0084] 图13图示用于操作功率供应电路1的另一实施例。在这一实施例中,各个变换器单元31-3n中的控制开关基本上同时接通和关断。在这一实施例中,最低变换器单元3n的充电模式时段和导通时段TONn并不重叠。供应电路2在导通时段TON1、TON2、TONn之后操作于充电模式。这一模式使得能够极快增加输出电流,并且例如可以在短时间段内暂时使用这一模式以跟随负载的快速改变。
[0085] 根据图14中示出的另一实施例,各个变换器单元以交错方式操作,使得各个变换器单元31-3n中的控制开关(以及第二开关)的导通时段TON1、TON2、TONn重叠。在输入电压Vin和输出电压Vout被参考至相同参考电势的情况下,充电模式时段和最低变换器单元3n中的控制开关的导通时段TONn可以重叠。然而,充电模式时段可以仅与导通时段TONn的其中不接通其它控制开关的部分重叠。也即,充电模式时段不应与其它导通时段TON1、TON2之一重叠。
[0086] 尽管图12至图14图示具有n=3个变换器单元的功率变换器电路的一种操作方式,但是参考这些图12至图14阐释的操作可以等效地应用于包括仅两个(n=2)或者包括多余三个(n>3)变换器单元的功率变换器电路。
[0087] 在参考图12至图14阐释的每个实施例中,控制电路4可以控制各个变换器单元31-3n的输出电流,使得输出电压Vout的(平均)电平对应于预定义的参考电压,或者可以控制各个变换器单元31-3n的输出电流,使得输出电流Iout的(平均)水平对应于预定义的参考电流。具体而言,在其中变换器单元31-3n控制输出电流Iout的操作模式中,可选的输出电容器(如图1中虚线所示)可以省略。
[0088] 控制电路4可以控制各个变换器单元31-3n,使得控制信号S321-S32n在一个驱动周期TPWM中具有相同的占空比。
[0089] 根据另一实施例,控制电路4控制一个变换器单元(诸如变换器单元31)作为主变换器单元,使得对应的控制信号S31的占空比取决于输出电压Vout(或者取决于输出电流Iout),并且控制其它变换器单元(诸如变换器单元32-3n)作为从变换器单元,使得这些其它变换器单元的输出电流I2-In基本上对应于变换器单元31的输出电流I1。从变换器单元的输出电流可以通过调节控制信号S311-S32n的占空比来控制。在这一实施例中,各个变换器单元31-3n的输出电流I1-In基本上平衡。在这一实施例中,变换器单元31用作主变换器单元并且其它变换器单元32-3n用作从变换器单元。
[0090] 根据另一实施例,相互独立地控制各个变换器单元31-3n,使得每个变换器单元31-3n向输出17、18供应预定义的输出电流,其中各个变换器单元31-3n的输出电流I1-In可以相互不同。
[0091] 根据又一实施例,相互独立地控制各个变换器单元31-3n,以在输出17、18处生成相同的预定义的输出电压电平。
[0092] 图15图示控制电路4的一个实施例,控制电路4被配置用于根据图12中所示的操作情形操作功率变换器电路1并且使得各个控制信号S31-S3n具有相同的占空比。参照图15,控制电路4包括PWM生成器41,其被配置用于接收表示输出电压Vout和输出电流Iout之一的输出信号SOUT,并且接收参考信号SREF。PWM生成器41被配置用于根据输出信号SOUT和参考信号SREF输出PWM信号S3。在图15的实施例中,PWM生成器41包括控制器411,控制器411被配置用于根据输出信号SOUT和参考信号SREF之间的关系来输出调节信号S411。比较器412接收调节信号S411以及来自锯齿波生成器413的锯齿波信号S413。每次锯齿波信号S413的下降沿出现时设置触发器414,并且每次锯齿波信号到达调节信号S411时复位触发器414。PWM信号S3在触发器414的输出处可用。由PWM生成器41生成的PWM信号S32用作变换器单元31中的控制信号S31。此外,使用第一和第二延迟元件来421、422来生成这一PWM信号S3的时间延迟版本,其中第一延迟元件421延迟第一控制信号S31并且输出用于变换器单元32的控制信号S32,并且第二延迟元件422延迟第二控制信号S32并且向最低变换器单元3n输出控制信号S3n。在这一实施例中,供应电路控制信号S2对应于最低变换器单元3n的控制信号S3n。
[0093] 图16中图示控制电路4的一种操作方式,图16中图示锯齿波信号S413、调节信号S411和控制信号S31-S3n的时序图。一个变换器单元的一个驱动周期的时段由锯齿波信号的频率限定,其中TPWM=1/fSW,其中fSW是锯齿波信号的频率。由每个延迟元件421、422引入的延迟时间在具有n=3个变换器单元的功率变换器电路中是TPWM/3。总体而言,n-1个延迟元件被要求针对n个不同变换器单元生成n个控制信号,其中由每个延迟元件引入的延迟时间是TPWM/n。各个控制信号的占空比相同并且取决于输出信号SOUT和参考信号SREF之间的关系。控制器411提供调节信号S411。控制器可以是常规的P控制器、I控制器、PI控制器或PID控制器。
[0094] 可选地,控制信号S31-S3n的占空比被限制到预定义的最大SMAX。占空比限制电路43包括对应于PWM生成器的比较器412的比较器432以及对应于PWM生成器41的触发器414的触发器434。限制电路43的比较器432接收最大占空比信号DCMAX替代调节信号。由限制电路43输出的PWM信号S3MAX表示具有最大占空比的PWM信号。可选的逻辑44接收最大PWM信号S3MAX和由PWM生成器32输出的PWM信号S3。在这一实施例中的第一控制信号S321为由PWM生成器41输出的PWM信号S3或者最大PWM信号S43,无论哪个具有较低占空比。根据一个实施例,逻辑门44是AND门。
[0095] 在图2的供应电路中,各个供应单元21-2n同时操作于充电模式。图17图示供应电路2的一个实施例,其中各个供应单元21-2n可以独立地操作于充电模式。在这一实施例中,供应电路2包括串联连接在输入节点11、12之间的多个第二电容存储元件(电容器)251-25n。这些第二电容器251-25n中的每个第二电容器与供应单元21-2n中的一个供应单元并联连接,其中各个供应单元21-2n串联连接在输入节点11、12之间。如同在图2的实施例中那样,每个供应单元21-2n包括电容器221-22n和与电容器221-22n串联连接的第一开关211-21n。此外,每个供应单元21-2n包括与电容器221-22n和第一开关211-21n串联连接的电感器231-23n。此外,除了最低供应单元2n之外,每个供应单元21-2n包括与电容器221-22n、第一开关211-21n和电感器231-23n串联连接的另一开关241-24n。一个供应单元21-2n的具有电容器、第一开关、电感器和另一开关的串联电路与耦合至对应的供应单元21-2n的第二电容器251-25n并联连接。
[0096] 最低供应单元2n的另一开关24n是可选的。在包括第一开关211-21n和另一开关241-24n的供应单元21-2n中的每个供应单元中,电容器221-22n被连接在这些开关之间。由各个供应单元21-2n提供的供应电压V1-Vn是跨各个供应单元21-2n的电容器221-22n的电压。
[0097] 在图17的供应电路2中,第二电容器251-25n中的每个第二电容器向一个供应单元21-2n供应输入电压Vin1-Vinn。各个输入电压Vin1-Vinn的电压电平取决于输入节点11、12之间的总输入电压Vin并且取决于各个第二电容器251-25n的电容。根据一个实施例,各个第二电容器251-25n的电容基本上相等。在这种情况下,各个输入电压Vin1-Vinn等于或对应于Vin/n。
[0098] 各个供应单元21-2n中的电感器231-23n是可选的。如同在参考图4阐释的实施例中那样,这些电感器帮助防止高侵入电流进入到各个供应单元21-2n的第一电容器221-22n中。也有可能利用电感器来实施供应单元21-2n中的一些供应单元,而不利用电感器来实施供应单元21-2n中的其它供应单元。
[0099] 各个供应单元21-2n的操作时相同的。在下文中阐释一个供应单元2(其中附图标记2表示供应单元21-2n中的一个供应单元)的一种操作方式。供应单元2在第一开关21和第二开关24被接通时操作于充电模式。在这种情况下,第一电容器22与第二电容器25并联连接,使得第一电容器22被充电至由第二电容器25提供的供应电压(或者凭借电感器被充电至高于这一供应电压的电压)。在充电模式结束时,第一开关21和另一开关24被关断。在充电阶段之后,第一电容器22可以操作于供应模式。出于这一目的,第二电容器22经由耦合至供应单元2的变换器单元3的第二开关31被耦合至第二输出节点18。
[0100] 当供应单元21-2n操作于供应模式时,供应单元21-2n的另一开关241-24n保护第二电容器251-25n免于放电。如果第二输入节点12和第二输出节点18被参考至相同的参考电势,则最低供应单元2n可以同时操作于充电模式和供应模式。在第二输入节点12和第二输出节点18被参考至不同参考电势的情况下,最低供应单元21包括另一开关24n,并且被耦合至最低供应单元2n的变换器单元3n包括第二开关31n。
[0101] 以下参考图18阐释包括图17的供应电路2的功率变换器电路的一种操作方式。出于阐释的目的,假设供应电路2包括n=6个供应单元,其中这些供应电路中的每个供应电路供应n=6个变换器单元中的一个变换器单元。图18示出控制信号S321-S32n的时序图,其中这些控制信号中的每个控制信号控制一个变换器单元中的控制开关。此外,图示供应电路控制信号S21-S2n的时序图。这些供应电路控制信号S21-S2n中的每个控制信号控制供应单元21-2n中的一个供应单元的操作,其中供应电路控制信号S21控制被耦合至接收控制信号S31的变换器单元31的供应单元21的操作,供应电路控制信号S22控制被耦合至接收控制信号S32的变换器单元32的供应单元22的操作,等等。
[0102] 在图18的实施例中,一个供应电路控制信号S21-S2n的高电平表示对应的供应单元21-2n的充电模式,并且变换器控制信号S31-S3n的高电平表示其中变换器单元31-3n从对应的供应单元21-2n接收能量的时间段。也即,一个变换器控制信号S31-S3n的高电平表示对应的供应单元21-2n的供应模式。
[0103] 在图18的实施例中,各个变换器单元以交错方式操作,其中在已经关断对应的驱动单元的控制开关之后对每个供应单元再充电。也即,供应电路控制信号S21-S2n呈现信号电平(在本实施例中高电平),在被耦合至供应单元的变换器单元31-3n的控制信号S321-S32n呈现关断电平之后,该信号电平在充电模式中操作对应的供应单元21-2n。充电周期的长度可以到达最大持续时间,其中对应的变换器单元3i的控制开关32i处于关断状态。
[0104] 图19图示供应电路的另一实施例。这一供应电路是参考图2和图7阐释的供应电路的组合。在图19的实施例中,m个第二电容器251、25m被连接在输入节点11、12之间,其中这些电容器251、25m中的每个电容器与包括多个供应单元21-2n中的一些供应单元的串联电路并联连接。在图19的实施例中,存在被连接在输入节点11、12之间的两个第二电容器251-25m,并且具有三个供应单元的串联电路与每个第二电容器251、25m并联连接。每个供应单元包括第一电容器251-25n和第一开关211,21n。可选地,电感器231、23n与每个供应单元串联单路串联连接。与一个第二电容器251、25m并联连接的供应单元串联电路中的每个供应单元串联电路具有最低供应单元,最低供应单元是与第二电容器251并联连接的串联电路中的供应单元23,最低供应单元是与第二电容器25m并联连接的串联电路中的供应单元2n。供应单元2n是全部串联电路的最低供应单元。另一开关241、24m被连接在并联连接的每个串联电路的最低供应单元23、2n与一个第二电阻器251-25m之间,其中被连接至全部供应单元串联电路21-2n的最低供应单元2n的另一开关24m是可选的。
[0105] 在图19的供应电路2中,被耦合至一个第二电容器251、25m的供应单元同时操作于充电模式并且可以独立地操作于供应模式。图20示出如下时序图,该时序图图示图19的功率变换器电路18的一种操作方式。在图20中,S21表示控制第一串联电路的供应单元21-23的充电模式的供应电路控制信号,并且S2m表示控制第一串联电路的供应单元23-2n的充电模式的供应电路控制信号,并且S2m表示控制第二串联电路的供应单元23-2n的充电模式的供应电路控制信号。S31-S3n表示被连接至供应单元的各个变换器单元的变换器控制信号。参照图20,各个变换器单元以交错方式操作。在本实施例中占空比基本上为D=0.5。在其中已经激活被耦合至第一串联电路的供应单元21-23的每个变换器单元31-3n的激活序列(activation sequence)之后,对第一串联电路的供应单元21-2n再充电,并且在其中已经激活被连接至第二串联电路的供应单元24-2n的每个变换器单元34-3n的激活序列之后,对第二串联电路的供应单元24-2n再充电。
[0106] 根据一个实施例,功率变换器电路1包括m=2个第二电容器251-25m以及具有与每个第二电容器251-25m并联连接的三个供应单元的串联电路,从而导致供应单元总数为6(=m x3)。然而,这仅为示例。第二电容器251-25m的数目并不限于m=2。也可以使用多于m=2个第二电容器251-25m,并且具有两个或更多供应单元的串联电路可以与每个第二电容器251-25m并联连接。
[0107] 在之前阐释的实施例中,每个供应单元3i在两个连续的充电周期之间至少一次操作于供应模式。然而,这仅为示例。也有可能例如当负载Z的功耗非常低(轻负载操作)时在两个充电周期之间去激活一个或多个变换器单元。进行“去激活”意味着在两个连续的充电周期之间的时间内对应的变换器单元3i不操作于供应模式,尽管已经充电对应的电容器22i。被去激活的至少一个变换器单元3i可以循环地从充电周期到充电周期改变。
[0108] 可以利用具有不同的电压阻挡能力的电子开关来实施之前阐释的功率变换器电路。被连接至最上供应单元21的变换器单元31的第二开关311需要最高电压阻挡能力,在图1的实施例中其为V2+Vn。总体而言,第二开关31i的电压阻挡能力V31MAXi至少为:
[0109]
[0110] 在供应模式中,跨一个变换器单元的控制开关32i的最大电压基本上为变换器单元3i的输入电压Vi与输出电压Vout之间的差值。然而,在充电模式中,跨控制开关32i的最大电压更高并且取决于在其中实施控制开关32i的变换器单元3i。例如,跨第一变换器单元3i的控制开关321的最大电压V32MAX1为(V1+V2+Vn)-Vout=Vin-Vout。总体而言,跨一个控制开关32i的最大(静态)电压V32MAXi基本上为
[0111]
[0112] 跨续流元件34i的最大电压对应于输出电压Vout。
[0113] 根据一个实施例,供应电路2、各个变换器单元31-3n、以及可选地电感器33I被集成在第一半导体芯片中,并且控制电路4被集成在第二半导体芯片中。根据一个实施例,以CMOS技术实施控制电路4。
[0114] 根据一个实施例,使用具有较低电压阻挡能力的若干开关(晶体管)来实施各个变换器单元31-3n的第一开关311-31n。图21示出第二开关32i的一个实施例。这一第二开关32i包括第一晶体管32i1和至少一个第二晶体管32i2、32i3,即在这一实施例中为两个第二晶体管32i2、32i3。第一晶体管32i1和至少一个第二晶体管32i2、32i3串联连接。第一晶体管32i1接收控制信号S3i并且根据控制信号S3i而接通和关断。第二晶体管32i2、32i3被连接为使得这些晶体管中的每个晶体管接收第一晶体管32i1的负载路径电压或者另一第二晶体管的负载路径电压作为驱动电压。在本实施例中,第一和第二晶体管中的一个晶体管的负载路径电压是晶体管的漏极-源极电压V32i1、V32i2、V32i3,并且驱动电压是栅极-源极电压(栅极端子和源极端子之间的电压)。在本实施例中,第二晶体管中的第一个第二晶体管32i2接收第一晶体管的负载路径电压V32i1作为驱动电压,并且第二晶体管中的第二个第二晶体管32i3接收第二晶体管32i2的负载路径电压V32i2作为驱动电压。
[0115] 第一晶体管32i1的操作状态管控第一开关32i的操作状态。也即,当第一晶体管32i1被接通时,第一开关32i被接通,并且当第一晶体管32i1被关断时,第一开关32i被关断。第二晶体管被配置为使得晶体管32i2在第一晶体管32i1关断时关断并且第一晶体管32i1的负载路径电压增加。当晶体管32i2关断时,这一晶体管的负载路径电压增加,使得晶体管32i3被关断。根据一个实施例,第一晶体管32i1被实施为增强型(常通)MOSFET并且第二晶体管32i2、32i3被实施为耗尽型(常通)MOSFET或结型FET(JFET)。
[0116] 图21中所示的第二开关32i的总电压阻挡能力取决于串联连接的各个晶体管32i1-32i3的电压阻挡能力以及与第一晶体管32i1串联连接的第二晶体管32i2-32i3的数目,其中电压阻挡能力随着串联连接的晶体管32i2-32i3的数目增加而增大。因此,通过简单改变与第一晶体管32i1串联连接的第二晶体管32i1-32i3的数目,可以实现具有不同电压阻挡能力的第一开关32i。
[0117] 图22示出当利用具有如图6和图8中所示的降压变换器拓扑结构的功率变换器单元来实施时,图4中所示的功率变换器电路的等效电路图,其中最低功率变换器单元3n的第二开关31n被省略。在图22中所示的功率变换器单元中,供应单元(图4中的21-2n)的第一开关211-21n、功率变换器单元(图4中的31-3n)的第二开关311-31n、以及整流器元件341-34(n 图6和图8中的34i)被绘制为MOSFET,具体为图22中包括体二极管的n型MOSFET。然而,这些MOSFET也可以被实施为其它类型的晶体管。具体而言,图22中所示的晶体管可以被实施为如图21中所示的那样,并且包括一个增强型MOSFET和与该增强型MOSFET串联连接的至少一个JFET或耗尽型MOSFET。
[0118] 图23示意性地示出半导体本体100的顶视图,图22中所示的功率变换器电路的开关被集成在半导体本体100中。参照图23,图23的半导体本体包括多个导电线211-252(如图23中的粗线所示)。这些导电线中的每个导电线形成功率变换器电路的一个电路节点并且使至少一个开关与其连接。
[0119] 导电线限定多个半导体区域。至少一个开关被集成在半导体区域中。在图23中,各个线利用附图标记211-252进行标记,并且半导体区域利用附图标记111-152进行标记。由各个传导线表示的电路节点的附图标记在图23中在括号中给出。等效地,被集成在各个半导体区域中的开关的附图标记在图23中在括号中给出。例如,存在由传导线212和213限定的半导体区域112。结合图4来参照图22,传导线212限定第一供应单元21的第一输出节点131,并且传导线213限定其中第一功率变换器单元31的电感器331与其连接的电路节点。第一功率变换器单元31的第二开关321被集成在半导体区域112中。
[0120] 导电线211-252可以包括常规导电材料,诸如金属或者高掺杂多晶半导体材料。合适的材料例如是(Al)、(Cu)、金(Au)、(Ag)、铂(Pt)、(Ti)。根据一个实施例,线211-252中的一个或者多个线是包括两种或更多不同导电材料的复合线。
[0121] 导电线211-252可以被布置在半导体本体100的表面上方和/或可以被布置在半导体本体100的表面101中的沟槽中。出于阐释的目的,图24示出半导体本体100的一部分的竖直截面图,其中线212和213以及由这些线212和213限定的半导体区域112被定位。其它的成对传导线与由这些成对传导线限定的半导体区域之间的关系是类似的。
[0122] 在图24中所示的实施例中,导电线位于半导体本体100的表面101上方。由这些线212、213限定的半导体区域112是半导体100中的在线212、213下方并且在半导体本体100的横向方向(横向方向为与表面101平行的方向)上在这些线之间延伸的半导体区域。这一区域112在图24中以虚线示出。在半导体区域112中集成了晶体管的有源区域。这一晶体管在本实施例中是第一功率变换器单元31的控制开关321。这一晶体管321在图24中由电路图表示。这一晶体管321可以被实施为如同常规晶体管,具体为如同常规横向晶体管,从而在这点上无需进一步阐释。晶体管的“有源区域”是掺杂的半导体区域,诸如源极区域、体区域、漂移区域和漏极区域中的一个或者多个。晶体管321的负载路径(在本实施例中的漏极-源极路径)被连接在导电线212、213之间。参照图21,替代仅一个晶体管,具有至少两个晶体管(诸如增强型MOSFET和至少一个耗尽型MOSFET或JFET)的串联电路可以被连接在传导线
212、213之间。
[0123] 参照图23,传导线211-252中的一些传导线形成闭合环路(为环状),使得存在至少一个包围另一环状半导体区域的环状半导体区域。在图23的实施例中,存在由第二输入端子和第二输出端子12、18表示的第一传导线211,第一传导线211包括5个闭合环路。在这一实施例中两个相邻环路相互邻接。然而,它们也可以间隔开。这些环路110-150中的每个环路包围一个半导体区域110-150,其中每个半导体区域被细分成至少两个半导体区域,各自包括至少一个开关。
[0124] 例如,第一半导体区域110包括第一环状半导体区域111,第一环状半导体区域111包括第一功率变换器单元的整流器元件341并且由(如上所述的)第一线211和第二环状线212限定。第一半导体区域110也包括第二环状半导体区域112,第二环状半导体区域112包括第一功率变换器单元的控制开关321并且由第二线212和第三线213限定。第二环状区域
112包围第三区域113,第三区域113由第三线213和接触焊盘214限定。这一接触焊盘214在本实施例中是伸长的接触焊盘,但是也可以具有任何其它几何形状。接触焊盘214被连接至在电感器23(在图22中未示出续流元件)和第一开关211之间的电路节点11’。限定半导体区域110-150的第一线可以被称作各个环形结构的最外传导线。
[0125] 在区域111-113中的每个区域中,至少一个开关被集成并且被连接在由对应的半导体区域限定的两个线之间。
[0126] 参照图23,第二半导体区域120包括第四环状半导体区域121,第四环状半导体区域121包括第一功率变换器的第一开关311并且由第一线211的第二环路与表示第一供应单元的第二输出141的另一环状线222的第二环路限定。第四区域121包括第一功率变换器单元的第一开关311。另一环状区域121包围第五区域122,第五区域122由另一线222和另一接触焊盘223限定,并且第五区域122包括第二功率变换器单元的第二开关212。虽然第一半导体区域110包括三个开关211、321、341,但是第二区域仅包括两个开关212、311。类似地,在由第一线211的第三、第四和第五环路限定的第三、第四和第五半导体区域130、140、150中集成两个开关。
[0127] 参照图23,一个接触焊盘(即第一半导体区域23中的接触焊盘214)被连接至输入端子11,或者经由导体23耦合至输入端子11的电路节点11’。其它半导体区域120-150内部的其它接触焊盘223、233、243、253被连接至供应电路2的输出。包围所有这些半导体区域的第一线211被连接至输入端子和/或输出端子。
[0128] 在图23的实施例中,半导体本体100包括5个环形结构,其中每个环形结构包括至少一个包围另一环状半导体区域的环状半导体区域。然而,环形结构的数目并不限于5。根据供应单元和变换器单元的数目,可以实施多于或少于5个环形结构。
[0129] 之前参照图23和图24阐释的内容并不限于将电子开关实施为晶体管。其它类型的半导体器件也可以被集成在环状半导体区域中,并且被连接至限定各个半导体区域的传导线。
[0130] 根据一个实施例,电感器331-33n中的至少一个电感器被集成在半导体本体中。也即,由线圈在半导体本体100中或者在半导体本体100的表面101顶上形成至少一个电感。
[0131] 根据另一实施例,一个半导体本体100包括多个环状区域110至150,其为物理连接的环状区域110至150的多于一种的布置。这一实施例对于缩放电路的输出功率有利。
[0132] 根据另一实施例,各自包括环状区域110至150的至少一个布置的若干半导体本体100被安装在相同封装中。环状区域的每个布置具有相同的输入电压和输出电压。
[0133] 根据又一实施例,若干封装各自包括至少一个半导体本体,每个半导体本体包括至少一个环状区域。环状区域的每个布置共享相同的输入电压和输出电压。
[0134] 在之前的描述中,诸如“顶部”、“底部”、“前部”、“后部”、“之前”、“之后”等的方向性术语随着对于所描述附图的方位的参考而使用。由于实施例的部件能够以多种不同方位定位,所以该方向术语是用于说明的目的而并非进行限制。所要理解的是,可以在不背离本发明范围的情况下利用其它实施例并且可以进行结构或逻辑的改变。因此,以下的详细描述并非以限制的含义加以理解,并且本发明的范围由所附权利要求所限定。
[0135] 虽然已经公开了本发明的各个示例性实施例,但是对于本领域技术人员明白的是,可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行实现本发明的一些优势的各种改变和修改。对于本领域技术人员而言显而易见的是,可以适当地替代以执行相同功能的其它部件。应当提到的是,即使在那些并未明确提及的情况下,参考具体附图所解释的特征也可以与其它附图的特征相结合。另外,本发明的方法可以使用适当处理器指令以全软件的实施方式来实现,或者以利用硬件逻辑和软件逻辑的组合来实现相同结果的混合实施方式来实现。对于本发明概念的一些修改意在被所附权利要求所覆盖
[0136] 诸如“之下”、“下方”、“较低”、“上方”、“较高”等的空间相关术语被用于描述以便对一个元件关于第二元件的定位进行解释。这些术语意在包含与图中所描绘的那些方位之外的不同设备方位。另外,诸如“第一”、“第二”等的术语也被用来描述各种要素、分区、分段等而同样并非意在进行限制。同样的术语贯穿该描述而指代同样的要素。
[0137] 如这里所使用的,术语“具有”、“包括”、“包含”等是开放端点的术语,其指示存在所提到的元件或特征,但是并不排除另外的元件或特征。除非上下文明确地另外指出,否则冠词“一个”、“一”和“该”意在包括复数以及单数。
[0138] 考虑到以上改变形式和应用的范围,应当理解的是,本发明并不被以上描述所限制,也并不被附图所限制。相反,本发明仅被所附权利要求及其法律等同形式所限制。
[0139] 所要理解的是,除非另外特别指出,否则本文所描述的各个实施例的特征可以互相结合。
[0140] 虽然已经参考说明性实施例对本发明进行描述,但是这一描述并不旨在以限制性意义进行解释。通过参考该描述,各种修改和说明性实施例的组合以及本发明的其它实施例对于本领域技术人员而言将是明显的。因此其旨在所附权利要求涵盖任何这样的修改或实施例。
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