CN101453166A - 超小型电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超小型电力变换装置，其是半导体开关的数量不大于2个、且不会导致半导体芯片的大型化、效率低下的升降压型的超小型电力变换装置。超小型电力变换装置(300)包括：由导体贯通板状的磁芯并卷绕的结构的(平面变压器)构成的小型变压器(100)、以及包括半导体开关S1、S2和控制它们的控制电路的半导体芯片(200)。这样，通过使用由平面变压器构成的小型变压器(100)构成反激转换器，能够提供半导体开关的数量为两个且整体的大小与现有的超小型电力变换装置相同的升降压型的超小型电力变换装置。

Description

超小型电力变换装置
技术领域
本发明涉及集成小型磁性元件和半导体芯片并小型化的超小型电力变换装置，特别涉及升降压型的超小型电力变换装置。
背景技术
在作为DC-DC转换器的代表例的电力变换装置(开关电源装置)中，超小型电力变换装置，一般通过集成小型磁性元件和半导体芯片并进行小型化而构成。图8是表示用于超小型电力变换装置的小型感应器的结构例的图。如图8(a)～(c)所示，该感应器为导体2贯通板状的磁芯1并卷绕的结构，形成螺线管线圈(solenoid coil)。其中，图8(a)为小型感应器10的平面图，相对于磁芯1设置有导体2、端子3，此外图8(b)为沿着(a)的a-a’的小型感应器的截面图，表示了相对于磁芯1的导体2的配置和位于磁芯1的两面的导体2的连接，此外图8(c)为沿着(a)的b-b’的小型感应器的截面图，表示了相对于磁芯1的端子3的配置和位于磁芯1的两面的端子3的连接。
图9和图10是表示使用图8所示的小型感应器10的超小型电力变换装置的结构例的图。在图9中，端子3通过接合部(凸部：bump)4与设置在半导体芯片的表面21上的垫5连接，由此结合小型感应器10和半导体芯片20。另一方面，在图10中，端子3通过导线6与设置在半导体芯片的表面21上的垫5连接，由此结合小型感应器10和半导体芯片20。图9和图10中，根据半导体芯片20的背面22相对于小型感应器10是向外(图9)还是向内(图10)，结构有所不同。
在下述的专利文献1中，公开了与图9所示的超小型电力变换装置同类的超小型电力变换装置的基本结构。此外，在下述专利文献2中，公开了与图10所示的超小型电力变换装置类似的超小型电力变换装置的基本结构。此外在下述专利文献3中还公开了使用通孔而构成的平面变压器。现有的超小型电力变换装置，通过以图9、图10所示的结构集成小型感应器10和半导体芯片20而被小型化。
图11、图12和图13表示了实现超小型电力变换装置的具体电路例。即，图11的电路例为实现降压型转换器的情况，图12的电路例为实现升压型转换器的情况，图13的电路例为实现反转型转换器的情况，任一个均是由搭载有半导体开关S1、S2中的两个或者一个的半导体芯片20和小型感应器10构成超小型电力变换装置30。在图11、图12和图13所示的电路例中，不包括升降压转换器的例子。
使用上述现有的小型感应器10和半导体芯片20实现升降压转换器时，设想为图14所示的电路结构。但是在该电路结构中，由于以下的理由，很难实现超小型电力变换装置。即在图14所示的电路结构中：
(1)需要4个半导体开关S1～S4。
(2)在降压动作的情况下，开关的导通电阻为串联的两个开关S1和S4的合计或者S2和S4的合计；在升压动作的情况下，开关的导通电阻为串联的两个开关S1和S3的合计或者S1和S4的合计，因此，效率劣化。
(3)为了改善效率的低下，必须增大半导体开关S1～S4。
(4)为了驱动四个大型开关S1～S4，增加半导体芯片20’的电耗。
(5)由于上述原因，半导体芯片20’变大。
于是，在下述专利文献4中公开了将反激转换器(flyback converter)用于升降压单元的例子。并在图15中表示了实现反激转换器时的一般的电路例。在图15中以二极管置换开关S2，也同样能够实现。
专利文献1：日本特开2004-72815号公报(图23、24、25)
专利文献2：日本特开2007-81146号公报(图1)
专利文献3：日本特开2000-243630号公报(图5)
专利文献4：日本特开平7-177740号公报
发明内容
上述专利文献4公开的用于反激转换器的变压器为通常的变压器。通常的变压器与转换器的其他部件相比更大，当然比用于图14所示的升降压转换器的小型感应器10大。即变压器的大小是决定电源装置大小的第一要素。因此，根据专利文献4和本领域的技术人员现有的常识，完全不存在为了将图14的升降压转换器小型化，即实现升降压型的超小型电力变换装置，而使用反激转换器的想法。或者说，如果使用反激转换器则电力变换装置的尺寸会增大反而是设计者的常识。另外，在现有技术中，即使如上所述半导体开关的数量增多、以及根据为了提高效率必须增大半导体开关的设计常识而使半导体芯片增大，因为感应器、变压器比半导体芯片大得多，所以半导体芯片自身的大小对于电源装置整体的影响非常轻微，不构成问题。
根据上述情况，在希望在超小型电力变换装置中实现升降压转换器的情况下，只预想到使半导体开关的数量保持为4个，通过半导体芯片的布局、半导体制造工艺的改进使半导体芯片变小，这种方法是存在极限的，因此至今仍无法实现目的。
对此，本发明的目的在于提供一种相比于图11～13所示的超小型电力变换装置不会增加半导体开关的数量、而且不会导致半导体芯片的大型化、效率的低下的升降压型的超小型电力变换装置。
本发明的超小型电力变换装置构成为集成有小型变压器、和搭载有两个半导体开关的半导体芯片的结构，该小型变压器为导体贯通板状的磁芯并卷绕的结构。即，本发明提出下述方案：如果相对于现有的图9、图10的超小型电力变换装置的结构，使用上述专利文献3中公开了基本结构的平面变压器，即使构成反激转换器也能够使整体的大小与现有的图9、图10所示的超小型电力变换装置的大小相同，从而能够实现超小型电力变换装置。
根据本发明，能够实现不会因增加半导体开关的数量而导致半导体芯片的大型化、效率的低下的升降压型的超小型电力变换装置。
附图说明
图1是表示用于实现本发明的实施方式的超小型电力变换装置的电路结构的图。
图2是表示用于图1的超小型电力变换装置的小型变压器的第一线圈样式的图。
图3是表示用于图1的超小型电力变换装置的小型变压器的第二线圈样式的图。
图4是表示用于图1的超小型电力变换装置的半导体芯片中的开关S1和开关S2的第一配置例的图。
图5是表示用于图1的超小型电力变换装置的半导体芯片中的开关S1和开关S2的第二配置例的图。
图6是表示图1中的开关S1的端子s1、s1’、开关S2的端子s2、s2’与图4和图5中的开关S1的端子A、C；E、G、开关S2的端子B、D；F、G的对应的对应表。
图7是表示图1中的变压器端子t1、t1’、t2、t2’与图2和图3中的变压器端子a、b、c、d的对应的对应表。
图8是表示用于超小型电力变换装置的现有的小型感应器的结构例的图。
图9是表示使用图8所示的小型感应器的超小型电力变换装置的第一结构例的图。
图10是表示使用图8所示的小型感应器的超小型电力变换装置的第二结构例的图。
图11是表示实现超小型电力变换装置的现有的第一具体电路例的图。
图12是表示实现超小型电力变换装置的现有的第二具体电路例的图。
图13是表示实现超小型电力变换装置的现有的第三具体电路例的图。
图14是表示用于实现升降压型超小型电力变换装置的设想的电路例的图。
图15是表示实现反激转换器的现有的电路例的图。
符号说明
1 磁芯
2 导体
3 端子
4 接合部(凸部)
5 垫
6 导线
10 小型感应器
20、20’半导体芯片
21 半导体芯片的表面
22 半导体芯片的背面
30 超小型电力变换装置
100 小型变压器
200 半导体芯片
300 超小型电力变换装置
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
本发明基于如果相对于现有的图9、图10的超小型电力变换装置的结构使用上述专利文献3中公开了基本结构的平面变压器，则即使构成反激转换器也能够使整体的大小与现有的图9、图10所示的超小型电力变换装置的大小相同的设想，能够实现升降压型的超小型电力变换装置。
上述反激转换器，其电路例如图15所示，利用两个半导体开关S1、S2和变压器实现升降压动作。对此进行说明，一般来说反激转换器的电压变换效率M(＝输出电压/输入电压)表示为：
M＝D/(n(1-D))  ...(1)
(其中，D为开关S1的导通时比率，n为变压器的一次绕组和二次绕组的卷绕数比)。
在上述(1)式中使开关S1的导通时比率D＝0→1变化时，反激转换器的电压变换效率M＝0→∞变化，能够通过开关S1的导通时比率D的调整实现升降压动作。
在本发明的实施方式的超小型电力变换装置中，使用图1所示的电路结构。即，图1中本发明的实施方式的超小型电力变换装置300由通过上述平面变压器组成的小型变压器100、以及包括半导体开关S1、S2和控制它们的控制电路的半导体芯片200构成。上述结构的超小型电力变换装置，能够实现升降压型的超小型电力变换装置，其不需要图14所示的升降压转换器电路例中的四个开关，而通过两个半导体开关构成反激转换器，从而解决图14所示的电路例的各种问题。
在此，通过使半导体开关S1、S2以接地基准(接地电位基准)动作，使半导体开关S1、S2更容易驱动，能够简化半导体芯片200的结构。此外，能够利用相比于P型的半导体开关能够高速开关动作的以N沟道MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)为代表的N型的半导体开关、NPN晶体管等构成两个半导体开关S1、S2，因此能够高速地进行开关动作，装置容易实现小型化。
此外，如果不在意效率低下，则图1所示的半导体开关S2可以使用二极管替换，但在本发明的实施方式中，考虑因使用二极管造成的效率低下的问题，使用晶体管(N型半导体开关(MOSFET、双极晶体管或者IGBT(insulated gate bipolar transistor：绝缘栅双极型晶体管)))实现电路。如果消除了使用二极管导致的效率低下，则不管半导体开关S2是二极管还是半导体开关，动作相同，施加使开关S1和开关S2互补地导通断开(一个导通则另一个断开)的控制即能够实现。但是，在避免感应器电流成为负极性的状况的情况下，还加上开关S1和开关S2双者均断开的状态的控制。
图2和图3是表示用于图1的超小型电力变换装置300的小型变压器100的线圈样式的图。图2是使图1的小型变压器100的一次侧线圈(t1-t1’)和图1的小型变压器100的二次侧线圈(t2-t2’)每隔一圈地交替卷绕的线圈样式。在此，也可以每隔多圈地交替卷绕。图2(a)所示的变压器例1为线圈的端子(a、b、c、d)配置在磁芯的一边的情况。
此外，图2(b)所示的变压器例2的端子a和d配置在图中的上边，但也可以将其配置在图中的左右边。端子b和c也同样。
图3为分开卷绕有图1的小型变压器100的一次侧线圈(t1-t1’)和图1的小型变压器100的二次侧线圈(t2-t2’)的线圈样式。图3(a)所示的变压器例3为将线圈的端子(a、b、c、d)配置在磁芯的一边的情况。此外图3(b)所示的变压器例4的端子a和d配置在图中的上边，但也可以将其配置在图中的左右边。图3(c)所示的变压器例5的端子a和d也同样可以配置在图中的左右边。
图4和图5是表示用于图1的超小型电力变换装置300的半导体芯片200中的开关S1和开关S2的配置例的图。在图4和图5中将开关S1和开关S2的端子以字母A、C、B、D、E、F、G表示。另外，图5中，因为假定开关S1和开关S2的低电位侧的端子连接于共用的地(接地电位)，共用端子G，所以比图4所示的端子数量少。在图4和图5的开关配置例中，将左侧的开关定为S1，但是在必须根据图6、图7所示的内容获得匹配的情况下也可以替换开关S1和开关S2的配置。
图6是表示图1中的开关S1的端子s1、s1’、开关S2的端子s2、s2’与图4和图5中的开关S1的端子A、C；E、G、开关S2的端子B、D；F、G的三种端子对应(对应1～对应3)的对应表。
图7是表示图1中的一次侧线圈(t1-t1’)的变压器端子t1、t1’、二次侧线圈(t2-t2’)的变压器端子t2、t2’与图2和图3中的变压器端子a、b、c、d的对应的对应表。
根据图6和图7所示的对应，通过将图1中的小型变压器100和半导体芯片200的端子间，以使用上述图9所示的接合部(凸部)4和垫5的结构进行连接、或者以使用图10所示的导线6和垫5的结构进行连接，能够实现进一步的小型化的结构。另外图2、图3所示的变压器的配置例，以采用使用图10所示的导线6和垫5的结构为前提而决定配置，在采用使用图9所示的接合部4和垫5的结构的情况下，通过采用使图2、图3所示的变压器或者图4、图5所示的半导体芯片中任一方左右反转的结构而实现。
在此，对于图6和图7所示的对应表进行补充，图7的“开关的端子对应2”的“变压器例3”的上侧的配置和图6的“开关端子对应2”的开关端子S1和S2的配置为，将小型变压器100(变压器例3)的外侧的a、d端子与半导体芯片200的内侧的C、D端子连接，小型变压器100的内侧的c、b端子从图3(a)的背面(在背面也设置有端子)开始连接。

Claims (7)

1.一种超小型电力变换装置，其特征在于：
包括小型变压器、和搭载有两个半导体开关的半导体芯片，该小型变压器中导体贯通板状的磁芯并卷绕。
2.如权利要求1所述的超小型电力变换装置，其特征在于：
所述两个半导体开关为以接地基准动作的开关。
3.如权利要求1或2所述的超小型电力变换装置，其特征在于：
所述两个半导体开关由N型半导体开关构成。
4.如权利要求3所述的超小型电力变换装置，其特征在于：
以所述两个N型半导体开关的源极或者发射极在半导体芯片上排列配置的方式构成。
5.如权利要求1所述的超小型电力变换装置，其特征在于：
所述超小型电力变换装置为升降压型的电力变换装置。
6.如权利要求1所述的超小型电力变换装置，其特征在于：
所述小型变压器的一次侧线圈和二次侧线圈交替地每隔一圈或者每隔多圈地进行配置。
7.如权利要求1所述的超小型电力变换装置，其特征在于：
分开卷绕配置有所述小型变压器的一次侧线圈和二次侧线圈。
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