包括多晶片功率模块的系统和控制多晶片功率模块的开关的方法与流程

本发明总体涉及用于控制多晶片(multi-die)功率模块的操作的装置。

背景技术：

多晶片功率模块传统上由多个并连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连的功率晶片组成，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，大量并连连接sic晶片是必要的。和并连连接的模块不同，并连连接的晶片构成理想地对同一负载电流整流的单个开关。

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。各并连晶片的逐渐增多不导致晶片的充分利用，由此，需要较多的晶片并连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。

由于制造时功率装置的电气特性的变化，电流在晶片之间不相等地共享，特别是在开关过渡期间。

用于开关过渡的一个关键电特性是阈值电压。对于常开晶片，在跨晶片的源极和栅极的电压在晶片的阈值电压下方时，晶片处于关断(off)状态，即，不导通。在阈值电压上方，晶片处于接通(on)状态，即，开始在晶片的源极与漏极之间导通电流。在受同一栅源电压控制的并连晶片上阈值电压不完全一致时，电流在过渡期间在晶片之间不相等地共享。因此，开关损耗在并连晶片之间显著不同，这导致晶片之间不期望的温度不平衡，并且最终导致压力最大的晶片的提前老化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提高多晶片开关的开关速度，并且在不需要实施高动态控制的情况下通过使并连连接的晶片的开关过渡期间的电流平衡来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输入模式，该系统的特征在于：控制器包括用于根据输入模式生成施加于晶片的栅源信号的单元，并且对于各晶片，栅源电压根据给定电压值移位(shift)。

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开关的方法，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输入模式；以及

-根据输入模式生成用于施加于晶片的栅源信号，并且对于各晶片，栅源电压根据给定电压值移位。

由此，即使晶片具有不同的阈值电压电平，晶片被也独立控制。可以平衡失配晶片的开关时间，这导致开关期间晶片之间的更佳的电流平衡。因此，开关损耗晶片之间更佳地散布，老化压力在所有晶片之间分布，并且提高了模块的寿命。

根据特定特征，系统还包括温度感测装置，并且电压移位依赖于所感测的温度。

由此，在晶片的阈值电压随着温度演变时晶片之间的开关时间可以平衡。

根据特定特征，各给定电压值根据对于各晶片获得的阈值电压来确定。

由此，阈值电压之间的失配可以使用所提出的电压移位来完全补偿，所有晶片同时开关，获得优异的电流共享。

根据特定特征，各给定电压值等于对于各晶片获得的阈值电压加上对于各晶片相同的预定恒定电压。

由此，容易确定给定电压值。晶片之间的阈值电压的失配可以使用所提出的电压移位来完全补偿，所有晶片同时开关。所有晶片同时进入“接通”状态。

根据特定特征，各电压移位通过提供低电平电压和高电平电压来获得，各栅源信号电压在输入模式指示启用功率模块的晶片时等于高电平电压，并且在输入模式指示停用功率模块的晶片时等于低电平电压。

由此，因为低电平和高电平电压源晶片之间引用到同一基准，所以容易实现电压移位。

根据特定特征，低电平电压与高电平电压之间的差对于所有晶片是相同的。

由此，在开关过渡期间，内部栅源结电压的详细演变在所有晶片之间是相同的。漏源电流的时间演变在所有晶片之间是相同的。在开关过渡期间实现了优异的电流共享。开关损耗在晶片之间相同。

根据特定特征，预定恒定电压对于低电平电压和高电平电压不同。

由此，可以一起控制晶片之间的最高高电压电平和晶片之间的最低低电压电平。可以对于开通和断开单独调整开关速度。

根据特定特征，低电平电压和高电平电压依赖于晶片的最大栅源电压和最小栅源电压。

由此，可以在保持所有并连晶片的安全操作的同时，使开通和断开这两者时的开关速度最大化。

根据特定特征，各电压移位通过由脉宽调制控制至少一个电压源来获得。

由此，控制器通过简单决定脉宽调制的占空比，根据所估计的阈值电压容易地调整独立电压移位。该调整可以在制造时进行，在此时阈值电压已经对于每个晶片独立测量；或者在根据所测量的温度估计阈值电压的演变时，该调整可以在线进行。

根据特定特征，在接收到用于启动功率模块的晶片的输入模式随后的预定时间段之后，晶片的各栅源电压被设置为晶片的最大栅源电压。

由此，使导通阶段期间所有功率晶片的导通损耗最小化。因为晶片的各栅源电压的设置在完成到接通状态的开关之后来设置，所以在不影响根据本发明获得的相同开关损耗的情况下，实现了导通损耗的最小化。

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表示根据现有技术的多芯片控制器的架构；

[图3]

图3表示根据本发明的多芯片控制器的架构的第一示例；

[图4]

图4表示根据本发明的多芯片控制器的架构的第二示例；

[图5]

图5表示根据本发明的多芯片控制器的架构的第三示例；

[图6]

图6(a)至(d)表示穿过根据本发明的多晶片功率模块的电压和电流；

[图7]

图7表示栅驱动器的电路的示例；

[图8]

图8表示根据本发明的电压移位器的示例；以及

[图9]

图9表示根据温度调节栅源电压的算法的示例。

具体实施方式

图1表示用于控制多晶片功率模块的操作的系统的示例。

用于控制多晶片功率模块的操作的系统包括多晶片功率模块10和多芯片控制器150。

多晶片功率模块10包括并连连接到源极电压110和漏极电压105的、被标记为1001至100n的n个晶片。

多芯片控制器150从外部主控制器接收用于启动多晶片功率模块10的输入信号140。使用用于启动多晶片功率模块10的信号，多芯片控制器150为各晶片1001至100n提供栅源电压1201至120n。为此，多芯片控制器150接地连接到源极电压110。

在本发明的变型例中，多晶片功率模块10还包括至少一个用于感测至少一个晶片的温度水平的单元，并且晶片1001至100n的温度水平1301至130n被提供给多芯片控制器150。多芯片控制器150可以为了平衡晶片1001至100n的温度水平1301至130n而确定栅源电压1201至120n。

参照图2更详细地公开多芯片控制器150。

图2表示根据现有技术的多芯片控制器的架构。

多芯片控制器150包括控制器260，该控制器根据输入信号140且根据所感测的温度水平1301至130n确定各晶片1001至100n的独立启动模式2411至241n。

对于各晶片，独立启动模式2411至241n被供给给对应的驱动器2901至290n。所有驱动器290借助电压总线281由提供高电压电平vplus和低电压电平vminus的单个电源280来供电。在独立启动模式241指示启动晶片时，驱动器290输出等于高电压电平vplus的栅源电压120。否则，驱动器290输出等于低电压电平vminus的栅源电压120。

在现有技术中，所有信号1201至120n共享同一高电压电平和低电压电平。

在栅源电压120i(i＝1至n)从第一值δvgsi-vgsi切换至第二值vgsi时，在开关期间第i个晶片中电流的过渡方程在di/dt时段由以下方程给出：

其中，t是自进入晶片的线性区域以来的经过时间，ri是驱动器490i与晶片100i的栅极之间的栅电阻，cgsi是晶片100i的栅源内部电容，vgsi是施加于晶片100i的栅源电压120i，vgsi是步长，ii(t)是在电流开关过渡期间流过第i个晶片的电流，gmi是第i个晶片的跨导，vthi是晶片100的阈值电压。

因为各晶片具有不同的特性，例如跨导gm和阈值电压vth，所以流过多晶片功率模块的各晶片的电流的过渡方程可能不同。

通过根据相对于其他晶片的温度的晶片温度调整各晶片的启动模式，多芯片控制器150保持晶片温度在晶片之间平衡。作为示例，具有最低温度的晶片具有与由输入信号140指示的相同启动模式，而具有最高温度的晶片具有比由输入信号140指示的短的持续时间的启动模式。

在存在具有失配阈值电压vthi的晶片时，并且由于栅源电压1201至120n的固有开/关行为，所以在开关过渡期间电流ii(t)无法在晶片之间平衡。尽管具有良好的平均温度平衡能力，但这可能在至少一个晶片上引起严重的过流，并且可能导致所述至少一个晶片的提前损坏。

图3表示根据本发明的多芯片控制器的架构的第一示例。

多芯片控制器150包括单个驱动器390，该单个驱动器与如图2所述的驱动器2901至290n类似地操作；电源380，该电源与如图2所述的电源280类似地操作；以及稳定电压源3101至310n，这些稳定电压源串联在驱动器390的输出与晶片1001至100n的栅极之间。

各稳定电压源3101至310n根据本发明提供电压v1至vn。为了将不同的阈值电压vth1至vthn考虑在内，调节各电压v1至vn。

因此，栅源电压1201至120n具有与输入信号140相同的启动模式，但栅源电压1201至120n的高低电平不同。

vhigh，i＝vplus+vi

vlow，i＝vminus+vi

稳定电压源3101至310n的输出电压电平v1至vn作为示例在制造时在感测晶片1001至100n的独立阈值电压vth1至vthn之后确定。对于各晶片100i，输出电压vi等于所感测的阈值电压tthi加上对于所有晶片相同的预定恒定电压电平vc。作为示例，预定恒定电压电平vc被确定为将栅源电压1201至120n限制在由晶片的数据表给出的最大栅源电压下方。

作为示例，稳定电压源3101至310n被实施为由电源380供电的电荷泵转换器。

因此，在开关过渡的di/dt时段期间，穿过晶片1001至100n的电流根据下式来匹配：

ii(t)＝gmivdrive(t)

其中，t为自进入晶片的线性区域以来的经过时间，

vdrive在信号140指示启动时等于并且

vdrive在信号指示停用时等于

其中，r是驱动器4901至490n与晶片1001至100n之间的栅电阻，cgs是晶片的栅源内部电容。

根据本发明，如在以下展开中证明的，vdrive在所有晶片之间是相同的：在信号140指示启动时，vgsi＝vhigh,i并且δvgsi＝vhigh,i–vlow,i，由此，

在信号140指示停用时，vgsi＝vlow,i并且δvgsi＝vlow,i–vhigh,i，由此，

因此，晶片同时开关，并且在各晶片中的电流的过渡时段期间共享相同的开关损耗。压力然后在晶片之间合适地分布，并且温度水平变得平衡。

图4表示根据本发明的多芯片控制器的架构的第二示例。

多芯片控制器150包括电源480，该电源与如图2所述的电源280类似地操作，借助电压总线481向电压移位器4701至470n供给低电压电平和高电压电平。

对于各晶片100i(i＝1至n)，对应的电压移位器470i借助独立的电压总线482i向驱动器490i供给独立的低和高电压电平。驱动器4901至490n与如图2所述的驱动器2901至290n类似地操作，并且受同一输入信号140控制。

对于各晶片100i，由电压移位器470i供给给驱动器490i的低电压电平vlow,i和高电压电平vhigh,i被确定为

vhigh，i＝vplus+vi

vlow，i＝kminus+vi

作为示例，各电压移位器470i由与如图3所述的稳定电压源3101至310n类似地操作的两个稳定电压源组成。

第一稳定电压源根据输入低电压vminus和与如图3所述的稳定电压源3101至310n的输出电压vi类似地确定的预定补偿电压vi生成输出低电压信号vlow,i。

第二稳定电压源从输入高电压vplus和与如图3所述的稳定电压源3101至310n的输出电压vi类似地确定的预定补偿电压vi生成输出高电压信号vhigh,i。

应注意，同一补偿电压vi用于给定晶片的高电压电平和地电压电平这两者。

因此，如图3所描绘，穿过晶片1001至100n的电流根据下式来匹配

ii(t)＝gmivdrive(t)

在变型例中，对于各晶片100i，由电压移位器470i供给给驱动器490i的独立低电压电平vlow,i和高电压电平vhigh,i被确定为

mhigh，i＝vmax-max({vthj})+vthi

vlow，i＝vmin-min({vthj})+vthi

其中，vmax和vmin分别是根据由晶片100的数据表给出的最大值和最小值确定的最大栅源电压和最小栅源电压。因此，补偿了阈值电压失配，在使所有晶片100的开关速度最大化的同时，对于所有晶片100遵守栅源电压的范围。

根据变型例，vc对于高电压电平和低电压电平不同。然而，对于到接通或关短状态的给定过渡，vdrive(t)电平在晶片之间仍然相同。因此，晶片100的开关同时触发，并且晶片100共享相同的开关损耗。压力然后在晶片之间100合适地分布，并且温度水平变平衡。

图5表示根据本发明的多芯片控制器的架构的第三示例。

多芯片控制器150例如具有以下架构：该架构基于由总线501连接在一起的部件和为了根据所感测温度调节电压vi而受程序控制的处理器500。

总线501将处理器500连结到只读存储器rom502、随机存取存储器ram503、温度接口505以及电压控制接口506。

存储器503包含寄存器，这些寄存器旨在接收与根据所感测温度调节电压vhigh,i和vlow,i的、图9所公开的程序有关的程序的变量和指令。

处理器500从温度接口505接收至少一个晶片1001至100n的所感测温度水平，并且将要施加的电压传递到向电压控制接口506。

只读存储器502包含如图9所公开的、根据所感测的温度调节电压vhigh,i和vlow,i的程序的指令和参数，该程序在多芯片控制器150通电时转移到随机存取存储器503。

在第一变型例中，只读存储器还包含在基准温度下测量的各晶片的阈值电压和温度系数。

在第二变型例中，只读存储器还包含查找表，该查找表使由图4所描述的电压移位器470生成的高vhigh,i电压电平和低电压电平vlow,i关联到所感测的温度。

在第三变型例中，只读存储器还包含查找表，该查找表使图8所公开的pwm发生器的占空比关联到所感测的温度。

多芯片控制器150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，多芯片控制器150包括使得控制器104执行根据所感测温度调节电压vi的程序的电路或包括电路的装置。

处理器500根据如参照图4公开的公式确定电压vhigh,i和vlow,i。多芯片控制器150例如可以由预编程cpld(复杂可编程逻辑装置)来实现。

图6表示穿过根据本发明的多晶片功率模块的电压和电流。

图6a表示被提供给晶片1001至100n的移位栅源电压1201至120n。高电平和低电平针对每个晶片独立设置。高电平与低电平之间的差对于所有晶片相同。触发时间对于所有晶片相同。在晶片之间的高电平之间的差等于在晶片之间的阈值电压之间的差。

图6b表示根据本发明的vdrive(t)的过渡期间的变化。因为vdrive(t)在晶片之间是相同的，所以流过晶片100的电流是相同的。

图6c表示开关期间流过晶片100的漏源电流ii(t)。因为根据本发明通过使栅源电压移位补偿了阈值电压之间的失配，所以所有晶片同时一起开关，并且在开关过渡期间共享相同电流波形。

图6d表示根据本发明的变型例的被提供给晶片1001至100n的移位栅源电压1201至120n。

在时间t1之前，输入信号140不指示启动功率模块的晶片，并且各栅源电压被设置为独立电压vlow,i。

在时间t1，输入信号140指示启动功率模块的晶片，并且栅驱动器490i将其输出切换至vhigh,i。

在时间t2，在时间t1的输入信号随后，处理器500指示各电压移位器490i将其高电压电平vhigh,i切换至最大栅源电压电平vmax。在开关之后使栅源电压电平最大化的效果是功率晶片1001至100n中的导通损耗的减少。因为在开关之后实现高电平栅源电压的最大化，所以开关过渡不受影响，并且不修改开关损耗。

在时间t3，输入信号140指示停用功率模块的晶片，并且处理器500指示各电压移位器490i切换至其高电压电平vhigh,i。

在某一预定延迟之后，在时间t4，栅驱动器490i将其输出切换至低电压电平vlow,i。根据图9所公开的算法，预定延迟被设置为每个晶片独立具有高电平栅源电压的有效设置。因此，功率晶片根据本发明准备好在时间t4后同时开关。

在功率模块的导通阶段期间，在时间t2与t3之间，对于所有功率晶片使栅源电压最大化。这减小了所有mosfet晶片的等效串联电阻和igbt晶片的集电极发射极电压。因此，使导通损耗最小化。

在时间t2随后的时间t3，处理器500将独立电压vhigh,i调节至最大栅源电压电平。时间t3与t2之间的差被预定为超过功率模块的开关时间。

高电平和低电平针对每个晶片独立设置。高电平与低电平之间的差对于所有晶片相同。触发时间对于所有晶片相同。在晶片之间的高电平之间的差等于在晶片之间的阈值电压之间的差。

图7表示栅驱动器的电路的示例。

栅驱动器包括两个快速低功率开关701和702。开关702受输入信号740控制，并且开关702受信号740的补偿控制。信号740的补偿由装置703来获得。在输入信号740具有高值时，开关701导通，而开关702被阻断，由此，输出720传送由信号781传送的高电压。在输入信号740具有低值时，开关702导通，而开关701被阻断，由此，输出信号720是由信号782传送的低电压。

图8表示根据本发明的电压电平移位器的实施方案。

电压移位器包括两个pwm发生器801和802、电阻802、805、806、852、855、856、电容器803、807、808、853、857、858、运算放大器804和854。

输入连接器810传送高电压源，输入连接器820传送低电压源，输入连接器830传送基准电压源。

输出连接器809传送稳定高电压源，其电压等于电容器808的电压，并且电压源电流从输入810流过电容器807。电容器808的电压受由运算放大器804以及电阻805和806组成的放大器电路控制。放大器电路以由电阻805和806确定的固定比率放大电容器803的电压。

运算放大器804由输入810和830供电。电容器803的电压通过借助由电阻802和电容器803组成的滤波器电路对由pwm信号801传送的pwm信号滤波来稳定。

根据本发明，为了将输出电压809控制到预定值vhigh,i，pwm信号801的占空比被设置为预定值。

输出信号859传送稳定高电压源，其电压等于电容器858的电压，并且电压源电流从输入820流过电容器857。

电容器858的电压受由运算放大器854以及电阻855和856组成的放大器电路控制。

放大器电路以由电阻855和856确定的固定比率放大电容器853的电压。运算放大器854由信号810和830供电。电容器853的电压通过借助由电阻852和电容器853组成的滤波器电路对pwm信号851滤波来稳定。

根据本发明，为了将输出电压859控制到预定值vlow,i，pwm信号851的占空比被设置为预定值。

图9表示用于根据温度调节栅源电压的算法的示例。

更精确的说，本算法由栅源电压移位模块150的处理器500来执行。

在步骤s900处，处理器从温度接口505接收至少一个晶片1001至100n的所感测的温度水平。

在下一步骤s901处，处理器500读取温度系数和在基准温度下测量的晶片的阈值电压。

在下一步骤s902处，处理器500确定所感测的温度水平处的晶片的阈值电压。对于各晶片，所确定的阈值电压等于在基准温度下测量的晶片的阈值电压加上温度系数乘以所感测的温度与基准温度之间的差。

在下一步骤s903处，处理器500对于各晶片使用图4所公开的方程确定对应电压移位器的低电压电平vlow,i和高电压电平vhigh,i。

在下一步骤s904处，处理器500施加对应电压移位器的所确定的低电压电平和高电压电平。作为示例，处理器500计算与所确定的低电压电平vlow,i和高电压电平vhigh,i对应的、图8所描述的pwm发生器801和802的占空比，并且借助电压控制接口506来命令pwm发生器801和802操作所计算的占空比。