多相功率转换器的制作方法

本文涉及功率转换器。具体地，本文涉及包括用于提供高输出电流的多个相的多相功率转换器。

背景技术：

1、针对功率模块，可以看到明显的集成的趋势。在这方面，功率模块已经从集成式单相功率转换器通过集成式双相功率转换器发展到集成式多相功率转换器。随着效率和集成水平的提高，电流发生了变化。针对集成式多相功率转换器，期望电流主要是竖直的。换言之，多相功率转换器的多个相位于负载平面(诸如例如超级计算机的计算平面)下方，并且供应的电流基本上竖直向上通过相应功率级和电感器朝向计算平面流动。尤其是功率级的空间限制导致了非常密集的构造，并且当针对整个功率模块的给定大小需要增加相数时，功率级的大小成为限制因素。

2、本文解决了上述技术问题。具体地，本文解决了在多相功率转换器内提供具有改进的功率级布置的功率模块的技术问题。

技术实现思路

1、根据一个方面，提出了一种多相功率转换器电路。多相功率转换器可以包括具有第一功率级和第一电感器的第一相、具有第二功率级和第二电感器的第二相。多相功率转换器可以包括沿着第一衬底平面延伸的第一衬底。第一功率级、第一电感器和第二电感器可以被布置在第一衬底上方。第二功率级可以被布置在第一衬底下方。如将在以下描述中解释的，两个功率级可以或者可以不被直接附接至第一衬底。

2、所描述的多相功率转换器可以是两级功率转换的一部分。第一级可以从大约50v转换到大约10v。第二级(即，本文内提出的多相功率转换器)可以从10v转换到大约1v或者转换到在0.5至1.5v范围内的不同电压。

3、第一衬底可以包括例如印刷电路板(pcb)。在不损失一般性的情况下，第一衬底平面也可以被表示为第一水平平面，并且垂直于第一衬底平面的方向可以被视为竖直方向。通过布置在第一衬底的不同侧竖直偏移的两个功率级，可以节省水平平面中的空间，从而减少多相功率转换器的给定相数所需的水平空间。换言之，所提出的布置能够以增加多相功率转换器的竖直厚度为代价来减少水平面积。这对于具有多个相(诸如例如25个或更多个)和高达1000a或更多的高输出电流的功率转换器来说可能尤其有益。

4、第一功率级和第二功率级在竖直方向上可以至少部分地重叠，其中竖直方向基本上垂直于第一衬底平面。因此，与两个功率级在第一衬底的同一侧的同一平面中彼此相邻布置而没有任何重叠的场景相比，所需的水平空间减小。重叠越大，节省的水平空间就越大。

5、第一衬底的至少一部分可以被布置在第一功率级和第二功率级之间。例如，如果多相功率转换器仅包括第一衬底而不包括又一(例如第二)衬底，则第一衬底的至少一部分可以被夹在第一功率级和第二功率级之间。换言之，第一功率级可以被附接至第一衬底的顶表面，第二功率级可以被附接至第一衬底的底表面，并且第一衬底的至少一部分可以被夹在第一功率级和第二功率级之间。

6、第一功率级可以具有长方体的(cuboid)形状，并且更具体地可以具有(平坦的)矩形(rectangular)长方体的形状，其中该矩形长方体的两个最大面中的一个面可以被附接至第一衬底的顶表面。后一个面也可以被表示为第一功率级的占用面积。类似地，第二功率级也可以具有长方体的形状，并且更具体地可以具有(平坦的)矩形长方体的形状，其中该矩形长方体的两个最大面中的一个面可以被附接至第一衬底的底表面。后一个面也可以被表示为第二功率级的占用面积。因此，显而易见的是，第一功率级的占用面积和第二功率级的占用面积可以在第一衬底的两侧在竖直方向上重叠。

7、多相功率转换器还可以包括被附接至第一衬底的底表面的至少一个电容元件。电容元件可以是例如电容器或能够在电场中存储电能的另一器件。电容元件可以是被电耦合至第一功率级或第二功率级的输入电容器。替代地，电容元件可以是被电耦合至第一电感器或第二电感器的输出电容器。

8、多相功率转换器还可以包括沿着第二衬底平面延伸的第二衬底。第二衬底可以包括例如印刷电路板(pcb)。第一功率级可以被附接至第一衬底的顶表面，第二功率级可以被附接至第二衬底的顶表面，并且第一衬底的至少一部分可以被布置在第一功率级和第二功率级之间。再次，在第一功率级具有(平坦的)矩形长方体的形状的情况下，该矩形长方体的两个最大面(即，占用面积)中的一个面可以被附接至第一衬底的顶表面。而且，在第二功率级具有(平坦的)矩形长方体的形状的情况下，该矩形长方体的两个最大面(即，占用面积)中的一个面可以被附接至第二衬底的顶表面。第二衬底可以被布置为使得第二衬底平面基本上平行于第一衬底平面。通常，甚至更高的密度可以通过使用平行于第一衬底平面的三个或多个衬底层来实现。

9、多相功率转换器可以包括被附接至第一衬底的顶表面的至少一个电容元件。替代地或附加地，多相功率转换器可以包括被附接至第二衬底的顶表面的至少一个电容元件。

10、而且，多相功率转换器可以包括沿着第三衬底平面延伸的第三衬底，其中所述第三衬底平面基本上垂直于第一衬底平面。第三衬底可以包括例如印刷电路板(pcb)。第三衬底平面可以基本上垂直于第二衬底平面。例如，第三衬底平面可以包括无源电路元件和/或控制电路装置(circuitry)。

11、第一电感器可以被布置在第一功率级上方，并且可以被电连接至第一功率级的开关节点。第二电感器可以被布置在第二功率级上方，并且可以被电连接至第二功率级的开关节点。负载平面(或计算平面)可以被布置在第一电感器和第二电感器上方。负载平面可以基本上平行于第一衬底平面。如果第二衬底被实施，则所述负载平面也可以基本上平行于第二衬底平面。

12、第一衬底可以包括用于在第二功率级和第二电感器之间建立电连接的通孔。更具体地，第一衬底可以包括用于使第二电感器的圆柱形导电路径通过的通孔。

13、第一电感器可以包括第一无绕组导电路径，并且第二电感器可以包括第二无绕组导电路径。第一无绕组导电路径的轴线和第二无绕组导电路径的轴线可以基本上平行。应该提及的是，两个轴线都是用于定义不同的组件之间的几何关系的虚拟轴线。与本文内提及的所有轴线一样，在本发明的实施例中，所述轴线可以不被实施为物理轴线。

14、例如，第一无绕组导电路径可以是圆柱形导体，并且第一无绕组导电路径的轴线可以是该圆柱形导体的对称轴线。

15、同样地，第二无绕组导电路径可以是圆柱形导体，并且第二无绕组导电路径的轴线可以是该圆柱形导体的对称轴线。

16、第一电感器可以包括围绕(surround)第一无绕组导电路径的磁性材料。第二电感器可以包括围绕第二无绕组导电路径的磁性材料。两种磁性材料都可以彼此分开，并且两者都可以具有管状结构。替代地，两种磁性材料都可以形成包围(enclose)两个导电路径的单个磁性结构的一部分。磁性材料可以包括通常的材料，如铁氧体或铁磁性材料，主要是fe、ni、(co)或fe、al和si的合金。许多其他材料是可能的。

17、第一无绕组导电路径的轴线可以基本上垂直于第一衬底平面。类似地，第二无绕组导电路径的轴线可以基本上垂直于第一衬底平面。

18、第一功率级可以沿着第一平面延伸，并且第二功率级可以沿着第二平面延伸。第一平面、第二平面和第一衬底平面可以基本上平行。

19、通常，第一功率级可以包括半桥和驱动器电路装置。半桥可以包括高侧开关元件和低侧开关元件，并且驱动器电路装置可以被配置为分别驱动高侧开关元件的控制端子处的电压和低侧开关元件的控制端子处的电压。开关元件以及驱动器电路装置可以使用芯片嵌入(chip embedding，ce)技术来集成。第一功率级和第二功率级可以是相同的。

20、高侧开关元件和低侧开关元件可以用任何合适的器件来实施，诸如例如金属氧化物半导体场效应晶体管mosfet、绝缘栅双极晶体管igbt、mos栅控晶闸管或任何其他合适的功率器件。例如，开关元件可以使用诸如例如gan-hemt等iii-v半导体来实施。每个开关元件可以具有栅极，相应的驱动电压或控制信号可以被施加到该栅极以使开关元件导通(即，闭合开关元件)或使开关元件关断(即，断开开关元件)。

21、多相功率转换器的每个相可以实施降压功率转换器，并且每个相可以根据激活方案来导通/关断。每个降压功率转换器可以被配置为：基于被施加到第一功率级的高侧开关元件和被施加到第二功率级的高侧开关元件的输入电压/电流，调节提供给负载平面的输出电压/电流。在这方面，每个降压功率转换器的输出电压可以低于输入电压。在每个功率级内，高侧开关元件可以被耦合在所述输入电压和相应的开关节点之间，并且低侧开关元件可以被耦合在所述相应的开关节点和参考电位之间。功率级的开关节点可以位于功率级的顶部，用于将功率级连接至它们相应的电感器。

22、在本文中，术语“参考电位”的含义尽可能广泛。具体地，参考电位不限于接地，即，参考电位具有到地的直接物理连接或0v的电压。相反，术语“参考电位”可以指电流可能流到和流出的任何参考点或者可以测量电压的任何参考点。而且，应该提及的是，本文中提及的参考电位(特别是不同相的参考电位)可能不一定指相同的物理接触。相反，本文中提及的参考电位可能与不同的物理接触相关，尽管为了便于呈现，引用了“该”参考电位。

23、根据另一方面，描述了一种制造多相功率转换器的方法。该方法可以包括与本文中描述的多相功率转换器的特征相对应的步骤。更具体地，本文公开了一种用于多相功率转换器的方法，该多相功率转换器包括具有第一功率级和第一电感器的第一相、具有第二功率级和第二电感器的第二相以及沿着第一衬底平面延伸的第一衬底。该方法可以包括将第一功率级、第一电感器和第二电感器布置在第一衬底上方。该方法可以包括将第二功率级布置在第一衬底下方。

24、该方法可以包括将第一功率级和第二功率级布置为使得第一功率级和第二功率级在竖直方向上至少部分地重叠，其中竖直方向基本上垂直于第一衬底平面。该方法可以包括将第一衬底的至少一部分布置在第一功率级和第二功率级之间。具体地，该方法可以包括将第一衬底的至少一部分布置在第一功率级和第二功率级之间。

25、该方法可以包括提供穿过第一衬底的通孔，以在第二功率级和第二电感器之间建立电连接。更具体地说，该方法可以包括将第二电感器的圆柱形导电路径布置在第一衬底的通孔中，以建立所述电连接。

26、应该注意的是，包括本文中概括的优选实施例的方法和系统可以被单独使用，或者可以与本文中公开的其他方法和系统组合使用。另外，在系统的上下文中概括的特征也适用于对应的方法。此外，本文中概括的方法和系统的所有方面都可以被任意组合。具体地，权利要求的特征可以以任意方式彼此组合。

27、在本文中，术语“耦合”或“被耦合”是指彼此电通信的元件，无论是直接连接(例如经由电线)还是以某种其他方式连接。