功率变换器电路的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】功率变换器电路
【技术领域】
[0001] 本发明的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力的增加而增加。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。
【专利附图】
【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M0SFET开关实施的功率供应单元的一个实施例；
[0011 ] 图4图不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图不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图不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坚直截面图。
【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I in的输入11、12,以及用于输出输出电压Vout和输出电流lout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lout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lout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VI、V2、Vn。此外，功率变换器电路1包括多个变换器单元、3 2、3n，其中这些变换器单 元中的每个变换器单元接收多个供应电压中的一个供应电压，并且被配置用于 向输出17、18供应输出电流Ii-I n。功率变换器电路1的输出电流lout等于各个变换器单 元3i_3n的输出电流Ii-I n的和。各个变换器单元3i_3n控制它们的输出电流Ii-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3i-3 n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Vi-V n，并且n=3个变换器单元3i-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η是任意的并且不限于n=3。
[0039] 在图1中，附图标记13i_13n表示各个变换器单元3^3^^第一输入节点，并且附图 标记14-11表示各个变换器单元3i-3 n的第二输入节点。每个变换器单元3i-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Vi-V n中的一个供应电压。各个变换器单元 的第一输出节点15r15n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3i-3 n分别接收的控制信号S2、S3i-S3n。根 据供应电路2和各个变换器单元的【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32、53 14311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）2i_2 n。这些供应单元2i_2n 中的每个供应单元被配置用于输出供应电压'-Vn中的一个供应电压。供应单元中 的每个供应单元包括具有第一开关21i-21 n和第一电容存储元件（电容器)221-22"的串联电 路，其中供应电压Vi-Vn跨供应单元2i-2n的第一电容器22i-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2i-2 n的相同特征具有可以通过下标索引"1"、"2"、"11"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2i-2 n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3r3n的和它们的部件具有可以通过下标索引"1"、"2"、"11"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3i-3 n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Vi_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3^32。
[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。
【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。
2. 根据权利要求1所述的功率变换器电路，其中所述供应电路包括串联连接的多个供 应单元，其中每个供应单元被配置用于输出一个所述供应信号。
3. 根据权利要求2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2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2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，其中每个所述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，其中每个所述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2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与所述多个变换器单元中的一个变换器单 元相关联；并且 其中所述多个变换器单元中的至少一个变换器单元包括第二开关元件，所述第二开关 元件被配置用于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 元奉禹合至参考电势。
11. 根据权利要求10所述的功率变换器电路，包括η个变换器单元，其中n-1个变换器 单元包括第二开关元件。
12. 根据权利要求11所述的功率变换器电路，其中至少一个所述第二开关元件包括串 联连接的第一晶体管和至少一个第二晶体管。
13. 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。
14. 根据权利要求13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。
15. 根据权利要求1所述的功率变换器电路，其中所述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输出的第一输出节点和第二输出 节点之间的电容器。
16. -种方法，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。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中所述多个供应信号中的每个供应信号由串联连 接的多个供应单元中的一个供应单元输出。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中将电感器与所述多个供应单元串联连接。
19. 根据权利要求17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。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中所述第一开关元件包括晶体管。
21. 根据权利要求17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，其中每个所述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。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中每个变换器电路还包括多个电感器，其中每个 所述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。
23. 根据权利要求21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。
24. 根据权利要求21所述的方法，其中每个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。
25. 根据权利要求17所述的方法， 其中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中的一个变换器单 元相关联；并且 其中所述多个变换器单元中的至少一个变换器单元包括第二开关元件，所述第二开关 元件被配置用于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 元奉禹合至参考电势。
26. 根据权利要求25所述的方法，其中n-1个变换器单元包括第二开关元件。
27. 根据权利要求26所述的方法，其中至少一个所述第二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。
28. 根据权利要求16所述的方法，还包括由控制电路控制所述供应电路和所述多个变 换器单元。
29. -种功率变换器电路，包括： 第一半导体器件和第二半导体器件，被集成在半导体本体中； 其中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包括环状的第一 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； 其中所述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；并且 其中所述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。
30. 根据权利要求29所述的功率变换器电路，其中所述至少一个环形结构包括环状的 第三半导体区域，所述第三半导体区域包围所述第一环状半导体区域，并且其中第三半导 体器件被集成在所述第三半导体区域中并且被连接在所述第一环状导电线与包围所述第 三环状半导体区域的第三环状导电线之间。
31. 根据权利要求29所述的功率变换器电路，其中所述第一半导体器件和所述第二半 导体器件中的至少一个半导体器件是晶体管。
32. 根据权利要求29所述的功率变换器电路，其中所述第一半导体器件和所述第二半 导体器件中的至少一个半导体器件包括具有至少两个晶体管的串联电路。
33. 根据权利要求32所述的功率变换器电路， 其中所述晶体管之一是增强型MOSFET，并且 其中所述晶体管中的另一个选自JFET和耗尽型MOSFET。
34. 根据权利要求29所述的功率变换器电路，还包括被集成在所述半导体本体中的电 感器。
35. 根据权利要求29所述的功率变换器电路，其中所述功率变换器电路包括输入节点 和输出节点，并且其中输入节点和输出节点之一被连接到所述至少一个环形结构的所述接 触焊盘。
36. 根据权利要求35所述的功率变换器电路，其中所述功率变换器电路包括供应电 路，所述供应电路包括多个输出节点，以及被耦合至所述输出的多个变换器单元，并且其中 所述半导体本体包括多个环形结构，并且其中所述多个环形结构的所述接触焊盘中的至少 一个接触焊盘被连接到所述供应电路的一个所述输出节点。
37. 根据权利要求29所述的功率变换器电路，其中所述半导体本体包括多个环形结 构，每个所述环形结构包括最外环状传导线，其中所述功率变换器电路的输出节点和输入 节点之一被连接到所述最外环状传导线。
【文档编号】H02M1/088GK104052249SQ201410096309
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】G·德伯伊, K·克里斯常, R·威斯 申请人:英飞凌科技奥地利有限公司