用于控制由开关组成的电源模块的操作的器件和方法与流程

本发明总体上涉及用于控制多芯片(multi-die)电源模块的操作的器件。

背景技术：

多芯片电源模块传统上由并联连接的多个功率芯片(powerdie)组成，并且用于相比于单个功率芯片而增大电流能力。

例如，三相转换器由每个开关四个并联功率芯片组成，这给出总共二十四个功率芯片。

新兴的器件技术(诸如sic(碳化硅)和gan(氮化镓)晶体管)由于晶片基板的产率和成本的限制，通常实现为高电流密度、小功率芯片。

为了实现较高功率的sic基模块，需要多个并联连接的sic芯片。与并联连接的模块不同，并联连接的芯片构成理想地整流相同负载电流的单个开关。

技术实现要素：

技术问题

然而，与所使用的芯片的类型无关，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)，芯片内存在静态和动态地限制负载电流的平衡共享的特性。各个并联芯片的逐步添加不能得到芯片的充分利用，由此为了实现给定额定电流需要并联更多的芯片，从而增加可电源模块的整体成本和物理表面面积。

除了芯片的电气特性外，芯片在电源模块内的物理布置还限制芯片的可靠性和利用。一个这种示例是因来自相邻芯片的加热而引起的、模块内的不均等的热分布。除非模块的设计允许芯片之间充足间隔，从而增大电源模块的物理尺寸，与靠近电源模块的外周的芯片相比，靠近电源模块中心的芯片受到更高温度。

另一个几何考虑是并联芯片的动态性能。由于基板上芯片的互连的布线和放置不可避免地不同，所以并联芯片会在不同时间开始切换，这导致会影响各个芯片的最大能力的振荡行为。该现象对于切换时间与硅基器件相比明显短的、新兴宽带间隙器件是尤其成问题的。

而且，例如，作为该组芯片的过应力的结果，由于芯片的热接口的局部劣化，局部温度上升会在一组芯片上出现。

问题的解决方案

本发明的目的在于通过使因模块内的热失配而引起的芯片定额值降低最小化，提高多芯片开关的切换速度并提高多芯片电源模块的最大能力。

为此，本发明关于一种用于控制由开关组成的电源模块的操作的器件，各个开关由并联连接的多个功率芯片组成，所述器件的特征在于，对于所述电源模块的各个功率芯片，所述器件包括：

-温度传感器，其用于感测所述功率芯片的温度，

-控制器，如果所感测的所述功率芯片的温度高于至少一个开关的所述功率芯片的平均芯片温度，则该控制器减少芯片的导通时间。

本发明还关于一种用于控制由开关组成的电源模块的操作的方法，各个开关由并联连接的多个功率芯片组成，所述方法的特征在于，所述方法包括对于所述电源模块的各个功率芯片执行的步骤：

-感测所述功率芯片的所述温度，

-如果所感测的所述功率芯片的温度高于至少一个开关的所述功率芯片的平均芯片温度，则减少芯片的导通时间。

由此，提高了多芯片电源模块的最大能力。

通过单独控制多芯片电源模块的各个芯片，可以克服与芯片的互连的布线和放置不同、多芯片电源模块内不均等热分布以及芯片参数的自然分散有关的问题。

根据特定特征，器件还包括：

-电流传感器，以感测通过所述功率芯片的所述电流，

-选通中断电路，如果所述感测电流大于预定电流阈值，则该选通中断电路选通提供给所述功率芯片的所述信号。

根据特定特征，通过修改提供给所述功率芯片的所述信号的占空比来减少所述功率芯片的所述导通时间。

由此，功率芯片中的损耗减小，这降低了局部芯片温度。

根据特定特征，所述信号是选通信号。

由此，器件用于对于主控制器透明，调制芯片的活动。

根据特定特征，器件还包括模数转换器，其用于转换所感测的温度；和调整器件，其用于调整所感测的温度。

根据特定特征，提供给各个功率芯片的所述信号由相应放大器提供。

由此，通过针对各个芯片设置放大器，选通控制器寄生回路减少，并且允许提高切换速度或减少不希望的振荡。

本发明的特性阅读示例性实施方式的以下描述将更清晰地显现，所述描述参照附图来进行。

附图说明

[图1]图1表示根据本发明的用于控制多芯片电源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芯片电源模块的操作的系统的控制器的架构的示例。

[图3]图3表示根据本发明的用于控制功率芯片的操作的器件的架构的示例。

[图4]图4表示根据本发明的用于控制功率芯片的操作的器件的信号调节模块的架构的示例。

[图5]图5表示信号调节模块的选通中断电路的架构的示例。

[图6]图6表示用于控制多芯片电源模块的操作的系统的控制器所执行的算法。

[图7]图7表示器件所生成的用于根据电流和温度感测装置的输出来控制功率芯片的操作的选通电压变化。

具体实施方式

图1表示根据本发明的用于控制多芯片电源模块的操作的系统的示例。

用于控制多芯片电源模块150的操作的系统使用如热信息或接通状态电压或各个芯片电压/电流轨迹的功率芯片反馈机制，以针对多芯片电源模块150中的各个芯片调制控制电极命令。

用于控制多芯片电源模块150的操作的系统对于各个芯片获得热信息或接通状态电压或芯片电压/电流轨迹，并且根据所获得的信息来控制各个芯片。

用于控制多芯片电源模块150的操作的系统包括用于控制功率芯片305的操作的多个器件102，每个芯片一个器件102。

在图1的示例中，用于控制多芯片电源模块150的操作的系统包括五个器件102a至102e，分别用于控制五个功率芯片305a至305e的操作。

用于控制功率芯片102的操作的各个器件使用芯片信息，并且控制所述芯片，以提高多芯片电源模块150的性能，这进而提高了各个芯片的利用率。用于控制功率芯片102的操作的器件的架构在图2中公开。

用于控制功率芯片102的操作的各个器件包括低成本电路以确定各种健康状态(stateofhealth)特性，例如，选通阈值电压或其他可测量的温度依赖参数以确定结面温度，因此用于提供芯片的最佳控制。用于控制功率芯片102的操作的各个器件使用从芯片获得的信息，以将所获得的信息转变为有用的健康状态测定值，诸如结面温度，以使得控制器104能够平衡该组并联芯片内的温度。控制器104和用于控制功率芯片102的操作的各个器件响应于轻负载来调制芯片活动，以提高操作效率。

用于控制功率芯片102的操作的各个器件还可以在故障的情况下从操作去除(钝化)，从而提高整个电源模块150的故障容差。

响应于用于控制功率芯片102的操作的器件的不均等接口劣化，可以改变各个芯片的负载，以减少受影响芯片的热应变，进而提高电源模块150的整体可靠性。

这里应注意的是，用于控制功率芯片的操作的各个器件不要求单独的电源。

控制器参照图2更详细地公开。

图2表示根据本发明的用于控制多芯片电源模块的操作的系统的控制器的架构的示例。

控制器104具有例如基于由总线201连接在一起的组件和如图6中公开的程序控制的处理器200的架构。

总线201将处理器200链接到只读存储器rom202、随机存取存储器ram203和输入/输出接口i/o205。

存储器203包括用于接收与如图6公开的算法有关的程序的变量和指令的寄存器。

处理器200接收信息，并借助输入/输出接口i/o205向用于控制功率芯片102的操作的器件传送信息。输入输出接口i/o205可以分成两个接口，一个对于主控制器，另一个对于用于控制功率芯片102的操作的器件。

借助输入/输出接口205，控制器104从主控制器接收启动或加载命令。控制器104说明该启动命令，并且在多个芯片上提供同步控制。

控制器104向用于控制功率芯片102的操作的各个器件提供例如占空比这样的信息。

只读存储器202包括与如图6中公开的算法有关的程序的指令，指令在控制器104被开启时向随机存取存储器203传送。

之后相对于图6描述的算法的任一和所有步骤可以通过由可编程计算机器执行一组指令或程序在软件中实施，诸如pc(个人计算机)、dsp(数字信号处理器)或微控制器；或由机器或专用组件在硬件中实施，诸如fpga(场可编程门阵列)或asic(特定用途集成电路)。

换言之，控制器104包括使控制器104执行之后参照图6描述的算法的步骤的电路、或包括电路的器件。

控制器104可以例如由预编程cpld(复杂可编程逻辑器件)实现。

根据本发明，根据同步控制模式和所感测的温度值，控制器104生成占空比，如果所感测的温度高于预定温度阈值，则该占空比不同于与同步控制模式对应的占空比。

例如，如果寄生电感器306生成影响芯片305的温度的振荡行为，则由温度感测器件303感测、被adc310转换且被电压和/或温度调整器件401调整的温度高于预定温度阈值，控制器104减小驱动功率芯片的周期信号的占空比，以减少功率芯片305的导通时间。

图3表示根据本发明的用于控制功率芯片的操作的器件的架构的示例。

用于控制功率芯片102的操作的各个器件包括：温度感测装置303，其用于感测功率芯片305的结面温度；和/或电流感测装置304，其用于感测通过功率芯片305的电流。

温度感测装置303可以是热电偶，或可以通过监测阈值电压或其他可测量的温度依赖参数以确定结面温度来实现。

电流感测装置304可以是芯片功能的一部分，例如，作为漏电流的调整电流镜，或与传感器分开，例如作为电流变换器，或使用已知的接通状态电压对电流的依赖性的估计器。

电流感测装置304连接到信号调节模块312。电流放大器308和信号调节模块312在电流高于预定电流阈值时，例如，在短路事件期间，中断对功率芯片305的电压控制。当电流低于预定电流阈值时，电流放大器308和信号调节模块312根据由控制器104提供的电压控制信号，放大要提供给功率芯片305的电流。

电感器306表示功率芯片305与电流放大器308之间互连的布线的寄生电感，或任何耦合芯片间寄生。

温度感测器件303连接到模数转换器310，其向信号调节模块312提供数字信号。

信号调节模块312参照图4更详细地公开。

图4表示根据本发明的用于控制功率芯片的操作的器件的信号调节模块的架构的示例。

信号调节模块312包括电压和/或温度调整装置401和选通中断电路400。电压和/或温度调整装置401将经adc转换的温度感测装置303的反馈信号转变为用于控制器104的经调整的值。

图5表示信号调节模块的选通中断电路的架构的示例。

在从电流感测装置304感测到过电流事件的情况下，选通中断模块400中断由控制器104向电流放大器308提供的电压控制信号。

一旦通过信号调节模块312的选通中断电路400，电流放大器308就从控制器104接收同步控制模式，如周期信号的占空比。

选通中断电路400由将来自电流感测装置304的所感测的电流与极限值比较的装置502组成，其调制通栅信号电路403。作为示例，用于比较的装置502可以借助比较器来实现，其调制通栅信号503的切换，允许选通信号被阻挡或不被阻挡，将该电源器件从操作中去除。

图6表示用于控制多芯片电源模块的操作的系统的控制器所执行的算法。

在步骤s600，控制器104从主机借助输入/输出接口205接收启动命令。启动命令可以是占空比或要由多芯片电源模块150提供的电流。

在步骤s602，控制器104对于各个芯片，从各个模块312获得表示芯片的温度的信息。在该步骤，控制器104计算温度的平均值。

在步骤s603，控制器104确定与加载命令对应的占空比，并且使各个操作芯片的选通信号同步。

在步骤s604，控制器104对于各个芯片，将芯片的温度和在步骤602确定的平均值进行比较。如果芯片的温度大于平均值，则控制器104减小用于芯片的占空比。

在步骤s605，控制器向用于控制功率芯片102的操作的各个器件传送表示占空比的信息。

在步骤s606，控制器104还可以向主控制器通知用于各个器件的状态监视目的的参数信息或各个器件的健康状态。

图7表示用于根据电流和温度感测装置的输出，用于控制功率芯片的操作的器件所生成的选通电压变化。

700表示的曲线对应于由电流放大器和控制器308提供的、要向功率芯片305发送的周期电压，其占空比与由控制器104提供的同步控制模式对应。时刻t1和t2对应于电流切换。

701表示的曲线对应于由电流放大器308提供的周期电压控制信号，由控制器104减小了占空比。曲线701对应于其中所感测的温度高于为了芯片之间的温度平衡的目的而确定的目标温度的操作模式。时刻t1’和t2’对应于根据已修改的占空比的电流切换。

702表示的曲线直到时刻t3为止对应于由电流放大器308提供的周期电压控制信号，类似于曲线701，由控制器104减小了其占空比。702表示的曲线在时刻t3之后，对应于当电流高于预定电流或温度阈值时，电流放大器308和信号调节模块312中断向功率芯片305提供电流的操作模式。

自然地，在不偏离本发明的范围的情况下，可以对上述发明的实施方式进行许多修改。

工业可应用性

本发明的器件和方法可在许多领域中应用于控制多芯片电源模块的操作。