本發(fā)明總體上涉及用于控制多芯片(multi-die)電源模塊的操作的器件。

背景技術：

多芯片電源模塊傳統(tǒng)上由并聯(lián)連接的多個功率芯片(powerdie)組成，并且用于相比于單個功率芯片而增大電流能力。

例如，三相轉換器由每個開關四個并聯(lián)功率芯片組成，這給出總共二十四個功率芯片。

新興的器件技術(諸如sic(碳化硅)和gan(氮化鎵)晶體管)由于晶片基板的產(chǎn)率和成本的限制，通常實現(xiàn)為高電流密度、小功率芯片。

為了實現(xiàn)較高功率的sic基模塊，需要多個并聯(lián)連接的sic芯片。與并聯(lián)連接的模塊不同，并聯(lián)連接的芯片構成理想地整流相同負載電流的單個開關。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題

然而，與所使用的芯片的類型無關，即，二極管或電壓驅(qū)動開關，例如，mosfet(金屬氧化物半導體場效應晶體管)，芯片內(nèi)存在靜態(tài)和動態(tài)地限制負載電流的平衡共享的特性。各個并聯(lián)芯片的逐步添加不能得到芯片的充分利用，由此為了實現(xiàn)給定額定電流需要并聯(lián)更多的芯片，從而增加可電源模塊的整體成本和物理表面面積。

除了芯片的電氣特性外，芯片在電源模塊內(nèi)的物理布置還限制芯片的可靠性和利用。一個這種示例是因來自相鄰芯片的加熱而引起的、模塊內(nèi)的不均等的熱分布。除非模塊的設計允許芯片之間充足間隔，從而增大電源模塊的物理尺寸，與靠近電源模塊的外周的芯片相比，靠近電源模塊中心的芯片受到更高溫度。

另一個幾何考慮是并聯(lián)芯片的動態(tài)性能。由于基板上芯片的互連的布線和放置不可避免地不同，所以并聯(lián)芯片會在不同時間開始切換，這導致會影響各個芯片的最大能力的振蕩行為。該現(xiàn)象對于切換時間與硅基器件相比明顯短的、新興寬帶間隙器件是尤其成問題的。

而且，例如，作為該組芯片的過應力的結果，由于芯片的熱接口的局部劣化，局部溫度上升會在一組芯片上出現(xiàn)。

問題的解決方案

本發(fā)明的目的在于通過使因模塊內(nèi)的熱失配而引起的芯片定額值降低最小化，提高多芯片開關的切換速度并提高多芯片電源模塊的最大能力。

為此，本發(fā)明關于一種用于控制由開關組成的電源模塊的操作的器件，各個開關由并聯(lián)連接的多個功率芯片組成，所述器件的特征在于，對于所述電源模塊的各個功率芯片，所述器件包括：

-溫度傳感器，其用于感測所述功率芯片的溫度，

-控制器，如果所感測的所述功率芯片的溫度高于至少一個開關的所述功率芯片的平均芯片溫度，則該控制器減少芯片的導通時間。

本發(fā)明還關于一種用于控制由開關組成的電源模塊的操作的方法，各個開關由并聯(lián)連接的多個功率芯片組成，所述方法的特征在于，所述方法包括對于所述電源模塊的各個功率芯片執(zhí)行的步驟：

-感測所述功率芯片的所述溫度，

-如果所感測的所述功率芯片的溫度高于至少一個開關的所述功率芯片的平均芯片溫度，則減少芯片的導通時間。

由此，提高了多芯片電源模塊的最大能力。

通過單獨控制多芯片電源模塊的各個芯片，可以克服與芯片的互連的布線和放置不同、多芯片電源模塊內(nèi)不均等熱分布以及芯片參數(shù)的自然分散有關的問題。

根據(jù)特定特征，器件還包括：

-電流傳感器，以感測通過所述功率芯片的所述電流，

-選通中斷電路，如果所述感測電流大于預定電流閾值，則該選通中斷電路選通提供給所述功率芯片的所述信號。

根據(jù)特定特征，通過修改提供給所述功率芯片的所述信號的占空比來減少所述功率芯片的所述導通時間。

由此，功率芯片中的損耗減小，這降低了局部芯片溫度。

根據(jù)特定特征，所述信號是選通信號。

由此，器件用于對于主控制器透明，調(diào)制芯片的活動。

根據(jù)特定特征，器件還包括模數(shù)轉換器，其用于轉換所感測的溫度；和調(diào)整器件，其用于調(diào)整所感測的溫度。

根據(jù)特定特征，提供給各個功率芯片的所述信號由相應放大器提供。

由此，通過針對各個芯片設置放大器，選通控制器寄生回路減少，并且允許提高切換速度或減少不希望的振蕩。

本發(fā)明的特性閱讀示例性實施方式的以下描述將更清晰地顯現(xiàn)，所述描述參照附圖來進行。

附圖說明

[圖1]圖1表示根據(jù)本發(fā)明的用于控制多芯片電源模塊的操作的系統(tǒng)的示例。

[圖2]圖2表示根據(jù)本發(fā)明的用于控制多芯片電源模塊的操作的系統(tǒng)的控制器的架構的示例。

[圖3]圖3表示根據(jù)本發(fā)明的用于控制功率芯片的操作的器件的架構的示例。

[圖4]圖4表示根據(jù)本發(fā)明的用于控制功率芯片的操作的器件的信號調(diào)節(jié)模塊的架構的示例。

[圖5]圖5表示信號調(diào)節(jié)模塊的選通中斷電路的架構的示例。

[圖6]圖6表示用于控制多芯片電源模塊的操作的系統(tǒng)的控制器所執(zhí)行的算法。

[圖7]圖7表示器件所生成的用于根據(jù)電流和溫度感測裝置的輸出來控制功率芯片的操作的選通電壓變化。

具體實施方式

圖1表示根據(jù)本發(fā)明的用于控制多芯片電源模塊的操作的系統(tǒng)的示例。

用于控制多芯片電源模塊150的操作的系統(tǒng)使用如熱信息或接通狀態(tài)電壓或各個芯片電壓/電流軌跡的功率芯片反饋機制，以針對多芯片電源模塊150中的各個芯片調(diào)制控制電極命令。

用于控制多芯片電源模塊150的操作的系統(tǒng)對于各個芯片獲得熱信息或接通狀態(tài)電壓或芯片電壓/電流軌跡，并且根據(jù)所獲得的信息來控制各個芯片。

用于控制多芯片電源模塊150的操作的系統(tǒng)包括用于控制功率芯片305的操作的多個器件102，每個芯片一個器件102。

在圖1的示例中，用于控制多芯片電源模塊150的操作的系統(tǒng)包括五個器件102a至102e，分別用于控制五個功率芯片305a至305e的操作。

用于控制功率芯片102的操作的各個器件使用芯片信息，并且控制所述芯片，以提高多芯片電源模塊150的性能，這進而提高了各個芯片的利用率。用于控制功率芯片102的操作的器件的架構在圖2中公開。

用于控制功率芯片102的操作的各個器件包括低成本電路以確定各種健康狀態(tài)(stateofhealth)特性，例如，選通閾值電壓或其他可測量的溫度依賴參數(shù)以確定結面溫度，因此用于提供芯片的最佳控制。用于控制功率芯片102的操作的各個器件使用從芯片獲得的信息，以將所獲得的信息轉變?yōu)橛杏玫慕】禒顟B(tài)測定值，諸如結面溫度，以使得控制器104能夠平衡該組并聯(lián)芯片內(nèi)的溫度?？刂破?04和用于控制功率芯片102的操作的各個器件響應于輕負載來調(diào)制芯片活動，以提高操作效率。

用于控制功率芯片102的操作的各個器件還可以在故障的情況下從操作去除(鈍化)，從而提高整個電源模塊150的故障容差。

響應于用于控制功率芯片102的操作的器件的不均等接口劣化，可以改變各個芯片的負載，以減少受影響芯片的熱應變，進而提高電源模塊150的整體可靠性。

這里應注意的是，用于控制功率芯片的操作的各個器件不要求單獨的電源。

控制器參照圖2更詳細地公開。

圖2表示根據(jù)本發(fā)明的用于控制多芯片電源模塊的操作的系統(tǒng)的控制器的架構的示例。

控制器104具有例如基于由總線201連接在一起的組件和如圖6中公開的程序控制的處理器200的架構。

總線201將處理器200鏈接到只讀存儲器rom202、隨機存取存儲器ram203和輸入/輸出接口i/o205。

存儲器203包括用于接收與如圖6公開的算法有關的程序的變量和指令的寄存器。

處理器200接收信息，并借助輸入/輸出接口i/o205向用于控制功率芯片102的操作的器件傳送信息。輸入輸出接口i/o205可以分成兩個接口，一個對于主控制器，另一個對于用于控制功率芯片102的操作的器件。

借助輸入/輸出接口205，控制器104從主控制器接收啟動或加載命令。控制器104說明該啟動命令，并且在多個芯片上提供同步控制。

控制器104向用于控制功率芯片102的操作的各個器件提供例如占空比這樣的信息。

只讀存儲器202包括與如圖6中公開的算法有關的程序的指令，指令在控制器104被開啟時向隨機存取存儲器203傳送。

之后相對于圖6描述的算法的任一和所有步驟可以通過由可編程計算機器執(zhí)行一組指令或程序在軟件中實施，諸如pc(個人計算機)、dsp(數(shù)字信號處理器)或微控制器；或由機器或?qū)Ｓ媒M件在硬件中實施，諸如fpga(場可編程門陣列)或asic(特定用途集成電路)。

換言之，控制器104包括使控制器104執(zhí)行之后參照圖6描述的算法的步驟的電路、或包括電路的器件。

控制器104可以例如由預編程cpld(復雜可編程邏輯器件)實現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)同步控制模式和所感測的溫度值，控制器104生成占空比，如果所感測的溫度高于預定溫度閾值，則該占空比不同于與同步控制模式對應的占空比。

例如，如果寄生電感器306生成影響芯片305的溫度的振蕩行為，則由溫度感測器件303感測、被adc310轉換且被電壓和/或溫度調(diào)整器件401調(diào)整的溫度高于預定溫度閾值，控制器104減小驅(qū)動功率芯片的周期信號的占空比，以減少功率芯片305的導通時間。

圖3表示根據(jù)本發(fā)明的用于控制功率芯片的操作的器件的架構的示例。

用于控制功率芯片102的操作的各個器件包括：溫度感測裝置303，其用于感測功率芯片305的結面溫度；和/或電流感測裝置304，其用于感測通過功率芯片305的電流。

溫度感測裝置303可以是熱電偶，或可以通過監(jiān)測閾值電壓或其他可測量的溫度依賴參數(shù)以確定結面溫度來實現(xiàn)。

電流感測裝置304可以是芯片功能的一部分，例如，作為漏電流的調(diào)整電流鏡，或與傳感器分開，例如作為電流變換器，或使用已知的接通狀態(tài)電壓對電流的依賴性的估計器。

電流感測裝置304連接到信號調(diào)節(jié)模塊312。電流放大器308和信號調(diào)節(jié)模塊312在電流高于預定電流閾值時，例如，在短路事件期間，中斷對功率芯片305的電壓控制。當電流低于預定電流閾值時，電流放大器308和信號調(diào)節(jié)模塊312根據(jù)由控制器104提供的電壓控制信號，放大要提供給功率芯片305的電流。

電感器306表示功率芯片305與電流放大器308之間互連的布線的寄生電感，或任何耦合芯片間寄生。

溫度感測器件303連接到模數(shù)轉換器310，其向信號調(diào)節(jié)模塊312提供數(shù)字信號。

信號調(diào)節(jié)模塊312參照圖4更詳細地公開。

圖4表示根據(jù)本發(fā)明的用于控制功率芯片的操作的器件的信號調(diào)節(jié)模塊的架構的示例。

信號調(diào)節(jié)模塊312包括電壓和/或溫度調(diào)整裝置401和選通中斷電路400。電壓和/或溫度調(diào)整裝置401將經(jīng)adc轉換的溫度感測裝置303的反饋信號轉變?yōu)橛糜诳刂破?04的經(jīng)調(diào)整的值。

圖5表示信號調(diào)節(jié)模塊的選通中斷電路的架構的示例。

在從電流感測裝置304感測到過電流事件的情況下，選通中斷模塊400中斷由控制器104向電流放大器308提供的電壓控制信號。

一旦通過信號調(diào)節(jié)模塊312的選通中斷電路400，電流放大器308就從控制器104接收同步控制模式，如周期信號的占空比。

選通中斷電路400由將來自電流感測裝置304的所感測的電流與極限值比較的裝置502組成，其調(diào)制通柵信號電路403。作為示例，用于比較的裝置502可以借助比較器來實現(xiàn)，其調(diào)制通柵信號503的切換，允許選通信號被阻擋或不被阻擋，將該電源器件從操作中去除。

圖6表示用于控制多芯片電源模塊的操作的系統(tǒng)的控制器所執(zhí)行的算法。

在步驟s600，控制器104從主機借助輸入/輸出接口205接收啟動命令。啟動命令可以是占空比或要由多芯片電源模塊150提供的電流。

在步驟s602，控制器104對于各個芯片，從各個模塊312獲得表示芯片的溫度的信息。在該步驟，控制器104計算溫度的平均值。

在步驟s603，控制器104確定與加載命令對應的占空比，并且使各個操作芯片的選通信號同步。

在步驟s604，控制器104對于各個芯片，將芯片的溫度和在步驟602確定的平均值進行比較。如果芯片的溫度大于平均值，則控制器104減小用于芯片的占空比。

在步驟s605，控制器向用于控制功率芯片102的操作的各個器件傳送表示占空比的信息。

在步驟s606，控制器104還可以向主控制器通知用于各個器件的狀態(tài)監(jiān)視目的的參數(shù)信息或各個器件的健康狀態(tài)。

圖7表示用于根據(jù)電流和溫度感測裝置的輸出，用于控制功率芯片的操作的器件所生成的選通電壓變化。

700表示的曲線對應于由電流放大器和控制器308提供的、要向功率芯片305發(fā)送的周期電壓，其占空比與由控制器104提供的同步控制模式對應。時刻t1和t2對應于電流切換。

701表示的曲線對應于由電流放大器308提供的周期電壓控制信號，由控制器104減小了占空比。曲線701對應于其中所感測的溫度高于為了芯片之間的溫度平衡的目的而確定的目標溫度的操作模式。時刻t1’和t2’對應于根據(jù)已修改的占空比的電流切換。

702表示的曲線直到時刻t3為止對應于由電流放大器308提供的周期電壓控制信號，類似于曲線701，由控制器104減小了其占空比。702表示的曲線在時刻t3之后，對應于當電流高于預定電流或溫度閾值時，電流放大器308和信號調(diào)節(jié)模塊312中斷向功率芯片305提供電流的操作模式。

自然地，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對上述發(fā)明的實施方式進行許多修改。

工業(yè)可應用性

本發(fā)明的器件和方法可在許多領域中應用于控制多芯片電源模塊的操作。