包括多晶片功率模块的系统、用于控制多晶片功率模块的操作的方法、用于控制多晶片功率模块的操作的装置与流程

本发明总体涉及用于控制多晶片功率模块的操作的系统和方法。

背景技术：

多晶片功率模块传统上由多个并联连接的功率晶片组成，并且用于将电流能力提高为超过单个功率晶片的电流能力。

例如，三相换流器由每个开关四个并联的功率晶片组成，这总共给出二十四个功率晶片。

新兴的装置技术，诸如sic(碳化硅)和gan(氮化镓)晶体管，通常由于晶圆基板的产率和成本的限制而在高电流密度、小功率晶片中实现。

为了实现较高功率的基于sic的模块，大量并联连接sic晶片是必要的。和并联连接的模块不同，并联连接的晶片构成理想地对同一负载电流整流的单个开关。

技术实现要素：

技术问题

然而，不管所用晶片的类型，即，二极管或电压驱动开关，例如，mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)，在晶片内都存在静态地且动态地限制负载电流的平衡共享的特性。

此外，多晶片功率模块内的各晶片的温度受其在基板上的几何位置影响。这种温差导致晶片的不充分利用，由此，需要更多的晶片并联来实现给定的额定电流，从而增加功率模块的总成本和物理表面积。

使晶片的温度平衡可以由反馈控制来解决。

对于电流反馈控制环路，必须使用高速且高精度的传感器和处理器。

对于温度反馈控制，额外的部件对功率模块的成本、重量、体积以及功耗有影响。

这种反馈控制的示例参照图1来给出。

图1表示根据现有技术的用于控制多晶片功率模块的操作的系统的示例。

多晶片功率模块10例如由被标记为1001至1003的三个晶片组成。

用于控制多晶片功率模块10的操作的系统包括控制器150，该控制器150从主控制器接收要施加于多晶片功率模块10的控制信号，并且在用经修改的信号控制晶片之前根据所感测的电流和/或所感测的温度每个晶片地独立修改控制信号。

对于每个晶片独立修改的控制信号被独立馈送到晶片1001至1003的被标记为1101至1103的独立栅极连接器。

技术方案

本发明的目的在于增强晶片温度的平衡，然后在不需要实施高度动态控制的情况下提高多晶片功率模块的最大能力。

为此，本发明涉及一种系统，该系统包括：由晶片组成的多晶片功率模块；和控制器，该控制器接收用于启动多晶片功率模块的晶片的多个连续输入模式，该系统的特征在于：晶片被分组成晶片的多个群集，以及特征在于：控制器包括用于对于晶片的各群集输出一个栅源信号的单元，各输出栅源信号与其他栅源信号不同，并且至少一个第一输出栅源信号在多个输入模式中的至少一个输入模式期间减少晶片的启动。

由此，可以在群集之间改变晶片的电损耗。因为群集包含至少一个晶片，所以相对于晶片的数量，限制了用于输出一个栅源信号的单元的数量。

根据特定特征，在多个输入模式中的至少一个输入模式期间减少晶片的启动通过在至少一个输入模式期间禁止晶片的启动来进行。

由此，至少一个第一群集中的晶片的导通和开关损耗在至少一个输入模式期间为空。在不同群集的晶片之间的损耗可以转向为任意损耗曲线。

根据特定特征，晶片根据晶片在多晶片功率模块内的位置被分组为群集。

由此，容易聚集例如由于到冷热源的距离或周围热源的存在而共享类似冷却能力的晶片。在经历相同损耗时，群集的晶片也将经历相同的结(junction)温度。

根据特定特征，晶片根据晶片在多晶片功率模块内的相邻晶片的数量被分组为群集。

由此，容易聚集例如由于到冷热源的距离或周围热源的存在而共享类似冷却能力的晶片。在经历相同损耗时，群集的晶片也将经历相同的结温度。

由此，晶片的电损耗可以根据晶片的冷却能力在群集之间变化。可以在群集之间调整晶片损耗曲线，以在群集之间补偿不同的晶片冷却能力。因此，晶片温度可以在整个多芯片模块上变平衡以达到相同的结温度。因为热应力在晶片之间变得相同，所以晶片的老化也变平衡。多晶片功率模块可以变得针对平均结温度而不是对于峰值晶片温度决定尺寸，这使得功率模块能够在较高电流下操作和/或得到较长的寿命。

根据特定特征，至少一个第二输出栅源信号与多个输入模式相同。

由此，可以从不停用具有最佳冷却能力的晶片。因此，为了实现能够达到良好平衡温度的损耗曲线，较少需要停用具有较差冷却能力的其他晶片。因此，电流在晶片之间较好地共享，并且较高数量的晶片同时贡献于电流的共享。

根据特定特征，控制器包括存储单元，该存储单元用于存储与在多个输入模式中的至少一个输入模式期间减少晶片的启动有关的信息。

由此，群集的停用可以在不需要感测、估计、获取或处理晶片或群集上的独立结温度的情况下以开环方式实现。因为预先计算了与启动的减少有关的信息，所以多晶片功率模块的控制的实施简单。

根据特定特征，控制器还包括：

-用于根据所接收的连续输入模式对与晶片的启动的减少有关的信息进行排列的单元；和

-用于根据已排列的信息且根据连续输入模式建立各群集的输出栅源信号的单元。

由此，群集的停用可以在不需要感测或估计晶片或群集上的独立结温度的情况下以开环方式实现。因为预先计算了与启动的减少有关的信息，所以多晶片功率模块的控制的实施简单。

根据特定特征，用于建立各群集的输出栅源信号的单元在与晶片的启动的减少有关的信息指示输入模式的停用时，跳过输入模式的启动脉冲，或者在与晶片的启动的减少有关的信息不指示输入模式的停用时，再复制输入模式。

由此，所输出栅源信号的建立从输入模式简单。在群集跳过启动脉冲时，晶片在输入模式期间将不贡献于多晶片功率模块的导通和开关损耗。

根据特定特征，用于建立各群集的输出栅源信号的单元在与启动的减少有关的信息指示输入模式的停用时，缩短输入模式的启动脉冲，或者在与启动的减少有关的信息不指示输入模式的停用时，再复制输入模式。

由此，在对于群集缩短了启动脉冲时，晶片在输入模式期间将不贡献于多晶片功率模块的开关损耗，但将贡献于导通损耗。因为各晶片中的动态损耗相对于整流电流通常为线性的，所以提高多晶片功率模块朝向平衡温度的可控性。

本发明还涉及一种用于控制由晶片组成的多晶片功率模块的操作的方法，该方法的特征在于：方法包括由控制器执行的以下步骤：

-接收用于启动多晶片功率模块的晶片的多个连续输入模式；

-对于晶片的各群集输出一个栅源信号，各输出栅源信号与其他栅源信号不同，并且至少一个第一输出栅源信号在多个输入模式中的至少一个输入模式期间减少晶片的启动。

由此，可以在群集之间改变晶片的电损耗。因为群集包含超过一个晶片，所以相对于晶片的数量，限制了用于输出一个栅源信号的单元的数量。

本发明还涉及一种用于控制由晶片的群集组成的多晶片功率模块的操作的装置，该装置的特征在于：装置包括：

-用于接收用于启动多晶片功率模块的晶片的多个连续输入模式的单元；和

-用于对于晶片的各群集输出一个栅源信号的单元，各输出栅源信号与其他栅源信号不同，并且至少一个第一输出栅源信号在多个输入模式中的至少一个输入模式期间减少晶片的启动。

由此，可以在群集之间改变晶片的电损耗。因为群集包含至少一个晶片，所以相对于晶片的数量，限制了用于输出一个栅源信号的单元的数量。

本发明的特性将从示例实施方式的以下描述的阅读更清楚地显现，所述描述参照附图来产生，附图中：

附图说明

[图1]

图1表示根据现有技术的用于控制多晶片功率模块的操作的系统的示例。

[图2]

图2表示根据本发明的用于控制多晶片功率模块的操作的系统的示例。

[图3]

图3表示多晶片功率模块中处于热稳定状态的晶片的简化等效热回路。

[图4a]

图4a表示根据本发明的用于控制多晶片功率模块的操作的控制器的架构的第一示例。

[图4b]

图4b表示根据本发明的用于控制多晶片功率模块的操作的控制器的架构的第二示例。

[图5]

图5表示根据本发明的用于确定用于控制多晶片功率模块的操作的功率模式的算法。

[图6a]

图6a表示根据本发明的由用于控制多晶片功率模块的操作的控制器使用的功率模式的示例。

[图6b]

图6b表示根据本发明的由用于控制多晶片功率模块的操作的控制器使用的功率模式的示例。

[图6c]

图6c表示根据本发明的由用于控制多晶片功率模块的操作的控制器使用的功率模式的示例。

[图6d]

图6d表示根据本发明的由用于控制多晶片功率模块的操作的控制器使用的功率模式的示例。

[图6e]

图6e表示根据本发明的由用于控制多晶片功率模块的操作的控制器使用的功率模式的示例。

[图7a]

图7a表示在未实施本发明时每个晶片的功率损耗和温度。

[图7b]

图7b表示在未实施本发明时每个晶片的功率损耗和温度。

[图8a]

图8a表示根据本发明的每个晶片的功率损耗和温度。

[图8b]

图8b表示根据本发明的每个晶片的功率损耗和温度。

具体实施方式

图2表示根据本发明的用于控制多晶片功率模块的操作的系统的示例。

多晶片功率模块20例如由被标记为2101至2103的三个晶片组成。

用于控制多晶片功率模块20的操作的系统包括控制器250，该控制器250从主控制器接收要施加于多晶片功率模块20的输入控制信号，并且根据在控制器250的存储器中存储且包含针对各群集的启用模式的表修改该输入控制信号。

作为示例，通过跳过至少一个启动时段来修改输入信号，使得由经修改的信号控制的晶片不经历导通损耗，或者通过缩短启动时段来修改信号，使得由经修改的信号控制的晶片经历较少的开关损耗。

根据本发明，晶片的群集被确定，并且控制器250对于晶片的各群集根据启动模式和输入控制信号提供驱动群集的晶片的栅源信号。

用于群集的启动模式彼此不同。

例如，多晶片功率模块20被分成三个群集2001、2002以及2003。

第一群集2001包括被标记为2101的晶片。

第二群集2002包括被标记为2102的晶片。

第三群集2003包括被标记为2003的晶片。

群集例如根据在多晶片功率模块20内的晶片的对称轴和位置来限定。

在变型例中，第一群集和第三群集为了形成单个群集而被分组。

在图2的示例中，具有两个相邻晶片的晶片属于第二群集。具有一个相邻晶片的晶片属于第二群集或第三群集。具有四个相邻晶片的晶片属于第三群集。

晶片的冷却能力依赖周围晶片的数量。周围晶片的数量越多，在晶片中可以耗散的热量越少，并且如果在各晶片中耗散相同的损耗，则晶片温度越高。

群集例如在制造多晶片功率模块20时确定。

参照图3更详细地描述这种行为。

图3表示多晶片功率模块中处于热稳定状态的晶片的简化等效热回路。

图3表示用于三个相邻晶片的简化热回路，在该热回路中，主要热路是从晶片到晶片和从晶片到壳体。热沉使得功率损耗热传递到经历热沉温度tsink的多晶片功率模块封装的外部。

通过与电路类比，因由功率晶片经历的导通或开关损耗而产生的热源q1至q3可以被视为电流源，热沉温度以上的温升δt1至δt3可以被视为电压，材料rl1至rl4、rl1至rl5表现为热阻，热导率与电阻和作为电容的热容量相关。

rl2至rl3表示三个相邻晶片之间的热路。rl2至rl3表示功率晶片与热沉之间的热路。rl1和rl4表示位于功率模块和/或热沉的边缘处的另外热路。

尽管在并联晶片之间损耗平衡(q1＝q2＝q3)，但晶片的温升(δt1、δt2、δt3)由于晶片的不均匀拥挤而不平衡。该温度不平衡是晶片之间的热应力差的原因，由此是晶片之间的老化差异的原因。因此，多晶片功率模块20的寿命由受最多应力的晶片的寿命来确定，而不管受更少应力的晶片的寿命如何。

图4a表示根据本发明的用于控制多晶片功率模块的操作的控制器的架构的第一示例。

控制器250例如具有基于由总线401连接在一起的部件和由程序控制以调节要提供给不同群集的栅源信号cl而的处理器400的架构。

总线401将处理器400联系到只读存储器rom402、随机存取存储器ram403以及电力接口406。

存储器403包含旨在接收变量和不同群集的启动模式的寄存器。

如果启动模式是实时的确定，则存储器403包含与调节要为不同群集提供的栅源信号cl的算法有关的程序的指令。

处理器400接收要施加于多晶片功率模块的输入选通信号模式，并且对于输入选通信号模式的各启动周期且对于各群集根据启动模式确定群集的晶片的启动。

电力接口406使用第一群集的启动模式建立栅源信号cl1。电力接口406使用第二群集的启动模式建立栅源信号cl2。电力接口406使用第三群集的启动模式建立栅源信号cl3。

对于各群集，在处理器400根据启动模式确定群集的晶片的启动时，栅源信号是输入选通信号的再复制。

在处理器400尚未根据启动模式确定群集的晶片的启动时，栅源信号跳过输入选通信号的启动。

在变型例中，在处理器400尚未根据启动模式确定群集的晶片的启动时，栅源信号缩短输入选通信号的启动。

只读存储器02包含与在图5中公开的算法有关的程序的指令，这些指令在控制器250通电时被转移到随机存取存储器403。

控制器250可以通过由可编程计算机(诸如pc(个人计算机)、dsp(数字信号处理器)或微控制器)执行一组指令或程序在软件中实施，或者由机器或专用部件(诸如fpga(现场可编程门阵列)或asic(专用集成电路))在硬件中实施。

换言之，控制器250包括使得控制器250执行图5所公开的算法的电路或包括电路的装置。

控制器250例如可以由预编程cpld(复杂可编程逻辑器件)来实现。

图4b表示根据本发明的用于控制多晶片功率模块的操作的控制器的架构的第二示例。

控制器250例如具有基于例如计数器这样的定序器420、只读存储器rom422以及电力接口426的架构。

只读存储器rom422存储要提供给不同群集的功率模式。

定序器420接收要施加于多晶片功率模块的输入选通信号模式，并且命令rom422以为各群集提供要施加于群集的晶片的功率模式而。栅源信号cl1被馈送到第一群集的晶片。栅源信号cl2被馈送到第二群集的晶片。栅源信号cl3被馈送到第三群集的晶片。

图5表示根据本发明的用于确定用于控制多晶片功率模块的操作的功率模式的算法。

本算法可以由控制器250的处理器400执行，或者可以在多晶片功率模块20的设计期间执行。

基本地，本算法创建适合于适当分布的不平衡功率损耗，其补偿了热不平衡。因此，平衡了多晶片功率模块20的晶片200的温度。

在步骤s50处，处理器400确定在多晶片功率模块20内的晶片的对称轴和位置。

例如，多晶片功率模块20被分成三个群集。

第一群集2001包括被标记为2101的晶片。

第二群集2002包括被标记为2102的晶片。

第三群集2003包括被标记为2003的晶片。

在下一步骤s51处，处理器400获得矩阵mt。。该矩阵mt为诸如t＝mtq。

在稳态下，存在联系热损耗与温度的线性关系，该线性关系可以被表达为mtq＝t，其中，t表示稳态下的多晶片功率模块20或多晶片功率模块20的群集的温度的向量，且q表示多晶片功率模块20的损耗的向量。矩阵t和q借助多晶片功率模块20的设计期间的测量和/或仿真来确定。mt是线性矩阵。

矩阵mt大致产生于功率模块的几何结构设计，并且作为示例，一旦已经制造多晶片功率模块20的第一样本，就可以测量。

作为另一示例，可以从多晶片功率模块20的设计(几何结构和材料)来估计热网络，例如使用3dcad系统。一旦知道热网络参数，例如，如参照图3公开的rl和rl，则损耗与温度之间的关系是线性的并且可以使用例如戴维宁-诺顿定理或使用环路和节点方程来在形式上识别。然后，使用所识别的线性关系容易确定实现平衡温度所需的损耗分布。

在下一步骤s52处，处理器400确定使温度在跨晶之间平衡所需的损耗曲线q。q＝mt^-1(1...1)。

在下一步骤s53处，处理器400建立矩阵mt。矩阵mt的列指示当根据本发明修改了用于驱动给定群集的晶片的模式时在群集之间的每个晶片曲线的预期损耗。根据第一示例，系数mti,j(其中，i和j表示矩阵的行)如下确定：

并且mti，j＝n/(n-ndi)，其中，n是多晶片功率模块20的功率晶片的数量，并且ndi是第i个群集的功率晶片的数量。

根据第二示例，矩阵mt的第一列指示在为用于驱动所有群集的晶片的模式不被修改时在群集之间的损耗曲线。系数m^ti,j(其中，i和j表示矩阵mt的行)如下确定：

在下一步骤s54处，处理器400确定实现所期望的损耗曲线q所需的加权向量t,诸如t＝mt^-1q。

当在群集之间在停用周期与开关周期的总数的比与加权向量t的系数tk成比例时，通过总数个开关周期实现的损耗曲线与所确定的向量q匹配，并且温度曲线与唯一性向量(unicityvector)匹配。在下一步骤s55处，处理器400对于各群集确定整数nsk。

例如，nsk＝round(tk*ns)，其中，ns是模式的总数。整数nsk和ns被确定为使到所确定的加权向量t的距离最小化。

在下一步骤s56处，处理器400根据所确定的数nsk确定群集的启动模式。

图6中给出模式的示例。

图6表示根据本发明的由用于控制多晶片功率模块的操作的控制器使用的功率模式的示例。

图6a和图6b表示多晶片功率模块的群集的启动模式的示例。

在图6a图6b以及图6e的示例中，多晶片功率模块被分解成两个群集。第一群集包括两个晶片，并且第二群集包括位于第一群集的晶片之间的单个晶片。

然后，根据第一示例，图5的算法例如提供以下结果：

被标记为600的模式是输入选通信号。

被标记为601的模式是第一群集的第一晶片的启动模式，被标记为602的模式是第二群集的晶片的启动模式，并且被标记为603的模式是第一群集的第二晶片的启动模式。

601、602以及603的阴影区域表示非活动开关，并且空白区域表示活动开关。在变型例中，601、602以及603的阴影区域表示修改栅源信号以实现较少的开关损耗的开关周期，并且空白区域表示栅源信号未被修改且等于输入选通信号的开关周期。因此，第一群集的栅源信号被标记为604，并且包括5个连续的非活动开关时段。第二群集的栅源信号被标记为605，并且包括9个连续的活动开关时段。应注意的是，在一个群集非活动时，其他群集活动。

被标记为620的模式是输入选通信号。

被标记为621的模式是第一群集的晶片的启动模式，被标记为622的模式是第二群集的晶片的启动模式，并且被标记为623的模式是施加于第一群集的第二晶片的启动模式。

621、622以及623的阴影区域表示非活动开关，并且空白区域表示活动开关。

因此，第一群集的栅源信号被标记为624，并且包括5个非活动开关时段，而第二群集的栅源信号被标记为625，并且包括9个非活动开关时段。在群集之间的停用时段交织，以在总数个开关周期期间散布热应力。

图6c和图6d表示施加于多晶片功率模块的群集的功率模式的示例。

在图6c和图6d的示例中，多晶片功率模块被分解成三个群集。

然后，图5的算法例如提供以下结果：

被标记为630的模式是第一群集的晶片的启动模式，被标记为631的模式是第二群集的晶片的启动模式，并且被标记为632的模式是第三群集的晶片的启动模式。

被标记为640的模式是第一群集的晶片的启动模式，被标记为641的模式是第二群集的晶片的启动模式，并且被标记为642的模式是第三群集的晶片的启动模式。

630、631、632、640、641以及642的阴影区域表示非活动开关，并且空白区域表示活动开关。

图6e表示根据第二示例的施加于多晶片功率模块的群集的功率模式的示例。

然后，图5的算法例如提供以下结果：

被标记为650的模式是第一群集的晶片的启动模式，被标记为651的模式是第二群集的晶片的启动模式，并且被标记为652的模式是第三群集的晶片的启动模式。

650、651、652的阴影区域表示非活动开关，并且空白区域表示活动开关。

根据第二示例，总是停用第一群集的晶片。第二群集的晶片仅在二十九个连续输入模式中的两个输入模式期间停用。

图7表示在未实施本发明时每个晶片的功率损耗和温度。

图7a示出了晶片的群集上的每个晶片曲线的功率损耗。横轴表示晶片，纵轴示出对应晶片的功率损耗。功率损耗在所有晶片之间平衡。

图7b示出了结温度晶片。横轴表示晶片，纵轴示出对应晶片的结温度。位于多晶片功率模块的边缘处的晶片经历较好的冷却，并且它们的温度比位于多晶片功率模块的中心处的晶片的温度低。

图8表示根据本发明的每个晶片的功率损耗和温度。

图8a示出了晶片的群集上的每个晶片曲线的功率损耗。横轴表示晶片，纵轴示出对应晶片的功率损耗。功率损耗根据本发明在晶片之间不平衡。位于多晶片功率模块的边缘处的晶片被构造为经历比位于多晶片功率模块的中心处的晶片高程度的损耗。

图8b示出了结温度晶片。横轴表示晶片，纵轴示出对应晶片的结温度。位于多晶片功率模块的边缘处的晶片的较好的冷却能力由对功率损耗的较高贡献来补偿。因此，温度在晶片之间平衡。

当然，可以在不偏离本发明的范围的情况下对以上所描述的本发明的实施方式进行许多修改。