CN106208634A - 用于电流/功率平衡的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

公开了用于电流/功率平衡的方法和装置。本公开内容的各方面提供了包括并联的第一开关模块和第二开关模块的电源电路。第一开关模块具有第一栅极端子、第一漏极端子和第一源极端子，第二开关模块具有第二栅极端子、第二漏极端子和第二源极端子。耦合到第一漏极端子的漏极互连模块和耦合到第二栅极端子的栅极互连模块被感应耦合以平衡流经第一开关模块和第二开关模块的电流。

Description

用于电流/功率平衡的方法和装置
背景技术
本文提供的背景描述是为了一般性地给出本公开内容的上下文。当前题名的发明人的工作，就该工作在这个背景技术部分中被描述的程度而言，以及在提交时还没有以别的方式被限定为现有技术的本说明书的各方面，既没有明确地也没有隐含地被承认作为反对本公开内容的现有技术。
电源模块可以使用并联的电源组件来增大电源容量。对于并联的电源组件，在电源组件之间均衡电流/功率提供各种好处，诸如提高组件的利用率、节省成本、提高系统的可靠性。在一例子中，为了在并联的电源组件之间均衡电流/功率，美国专利申请公开2012/0235663公开了一种提供相应的栅极驱动信号来驱动并联的电源组件的驱动器电路。
发明内容
本公开内容的各方面提供了包括第一开关模块和第二开关模块的电源电路。第一开关模块具有第一栅极端子、第一漏极端子和第一源极端子。第一漏极端子经由第一漏极互连模块耦合到第一节点，第一源极端子经由第一源极互连模块耦合到第二节点，并且第一栅极端子经由第一栅极互连模块耦合到第一控制节点以便接收第一控制信号。第二开关模块具有第二栅极端子、第二漏极端子和第二源极端子。第二漏极端子经由第二漏极互连模块耦合到所述第一节点，第二源极端子经由第二源极互连模块耦合到所述第二节点，并且第二控制端子经由第二栅极互连模块耦合到第二控制节点以便接收第二控制信号。第一漏极互连模块和第二栅极互连模块被感应耦合(inductively couple)并且第二漏极互连模块和第一栅极互连模块被感应耦合，以平衡流经第一开关模块和第二开关模块的电流。在一例子中，第一漏极互连模块和第二栅极互连模块被部署成具有负互耦系数并且第二漏极互连模块和第一栅极互连模块被部署成具有负互耦系数。
根据本公开内容的一方面，第一漏极互连模块和第二栅极互连模块被感应耦合并且第二漏极互连模块和第一栅极互连模块被感应耦合，以平衡当第一和第二开关模块被接通/关断时流经第一开关模块和第二开关模块的瞬态电流。
在一实施例中，第一开关模块包括第一SiC金属氧化物半导体场效应晶体管并且第二开关模块包括第二SiC金属氧化物半导体场效应晶体管。在一例子中，第一开关模块在第一管芯(die)上并且第二开关模块在第二管芯上，并且第一管芯和第二管芯被面对面地组装在封装中。
本公开内容的各方面提供了平衡电流/功率的方法。该方法包括部署具有第一栅极端子、第一漏极端子和第一源极端子的第一开关模块，与第一开关模块并联地部署具有第二栅极端子、第二漏极端子和第二源极端子的第二开关模块，以及将耦合到第一漏极端子的第一漏极互连模块和耦合到第二栅极端子的第二栅极互连模块部署成具有感应耦合以便平衡流经第一开关模块和第二开关模块的电流。另外，该方法包括将耦合到第二漏极端子的第二漏极互连模块和耦合到第一栅极端子的第一栅极互连模块部署成具有感应耦合。
本公开内容的各方面提供了具有电源模块的装置。电源模块包括第一开关模块和第二开关模块。第一开关模块具有第一栅极端子、第一漏极端子和第一源极端子。第一漏极端子经由第一漏极互连模块耦合到第一节点，第一源极端子经由第一源极互连模块耦合到第二节点，并且第一栅极端子经由第一栅极互连模块耦合到第一控制节点以便接收第一控制信号。第二开关模块具有第二栅极端子、第二漏极端子和第二源极端子。第二漏极端子经由第二漏极互连模块耦合到所述第一节点，第二源极端子经由第二源极互连模块耦合到所述第二节点，并且第二控制端子经由第二栅极互连模块耦合到第二控制节点以便接收第二控制信号。第一漏极互连模块和第二栅极互连模块被感应耦合并且第二漏极互连模块和第一栅极互连模块被感应耦合，以平衡流经第一开关模块和第二开关模块的电流。
附图说明
将参照附图详细地描述作为例子被提出的本公开内容的各种实施例，其中相同的标号指相同的元件，并且其中：
图1示出了根据本公开内容的实施例的系统100的图；
图2示出了根据本公开内容的实施例的电源模块210的分解图；
图3示出了概述根据本公开内容的实施例的处理例子的流程图；及
图4和图5示出了根据本公开内容的实施例的仿真结果的曲线图。
具体实施方式
图1示出了根据本公开内容的实施例的系统100的图。系统100包括使用互感耦合(mutual inductance coupling)来平衡并联组件中的电流和/或功率的电源模块110。
系统100可以是需要相对大功率的任何合适的系统，诸如混合动力车辆、电动车辆、风能系统、打印系统等等。在操作过程中，在一例子中，电源模块110需要提供相对大的电流，诸如安培量级等等。在一实施例中，电源模块110被配置为使用并联组件来分担相对大的电流负载。
在一实施例中，电源模块110包括电源转换器电路，诸如DC到AC逆变器、AC到DC整流器等等，并且利用半导体开关器件来实现。半导体开关器件形成多个可开关的电流路径来分担电流负载。根据本公开内容的一方面，由于制造工艺，半导体开关器件可能具有宽的参数变化，诸如阈值电压(Vth)变化、导通电阻Rds(on)变化等等。参数变化会在多个可开关的电流路径上引起不平衡的电流/功率。根据本公开内容的一方面，互感耦合被用来提高多个可开关的电流路径之间的电流/功率平衡。
在图1的例子中，电源模块110具有一个或多个控制节点NODE_C1–NODE_C2，第一电源节点NODE_P和第二电源节点NODE_G。另外，电源模块110包括多个开关模块，诸如第一开关模块120、第二开关模块130等等。通过利用互连组件，诸如配线(wire)、汇流排(busbar)等，开关模块并联耦合到控制节点和电源节点。开关模块被配置为基于在控制节点NODE_C1–NODE_C2接收到的控制信号来接通/关断第一电源节点NODE_P与第二电源节点NODE_G之间的电流路径。在一例子中，控制节点NODE_C1–NODE_C2被耦合在一起以接收相同的控制信号。在另一个例子中，控制节点NODE_C1–NODE_C2是单独的节点以接收不同的控制信号。
每个开关模块可以包括一个或多个晶体管。当多个晶体管在开关模块中被使用时，这多个晶体管可以以各种拓扑被布置来充当开关。
具体而言，在图1的例子中，第一开关模块120包括第一晶体管Q1，第二开关模块130包括第二晶体管Q2。第一晶体管Q1和第二晶体管Q2可以是任何合适的晶体管，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等。在一例子中，第一晶体管Q1和第二晶体管Q2是可以由于制造工艺而具有相对宽参数变化的SiC MOSFET晶体管。
另外，在图1的例子中，第一晶体管Q1具有栅极端子G1、源极端子S1和漏极端子D1。栅极端子Gl经由互连组件121耦合到第一控制节点NODE_C1，漏极端子D1经由互连组件123耦合到第一电源节点NODE_P，并且源极端子S1经由互连组件122耦合到第二电源节点NODE_G。类似地，第二晶体管Q2具有栅极端子G2、源极端子S2和漏极端子D2。栅极端子G2经由互连组件131耦合到第一控制节点NODE_C2，漏极端子D2经由互连组件133耦合到第一电源节点NODE_P，并且源极端子S2经由互连组件132耦合到第二电源节点NODE_G。
根据本公开内容的一方面，互连组件引入了影响电源模块110的开关操作的寄生电感。例如，互连组件121引入了电感Lgs1，互连组件122引入了电感Lss1，互连组件123引入了电感Lds1，互连组件131引入了电感Lgs2，互连组件132引入了电感Lss2，并且互连组件133引入了电感Lds2。
此外，根据本公开内容的一方面，互连组件被有意地互耦以引入互耦寄生电感，从而平衡电源模块110中开关模块之间的电流/功率。具体而言，在图1的例子中，互连组件121和互连组件133被有意地互耦以引入具有互耦系数M1的互耦寄生电感；并且互连组件123和互连组件131被有意地互耦以引入具有互耦系数M2的互耦寄生电感。
根据本公开内容的一方面，互耦被适当地设计，使得互耦寄生电感提高开关模块之间的电流/功率平衡。在图1的例子中，当互耦系数M1和M2是负值时，互耦寄生电感能提高电源模块110中开关组件之间的电流/功率平衡。在一例子中，在接通第一晶体管Q1和第二晶体管Q2时，流经第一晶体管Q1(也流经互连模块123)的第一电流比流经第二晶体管Q2的第二电流增大快并且比第二电流大。于是，互连组件123与互连组件131之间的互耦电感引起在第二晶体管Q2的栅极端子G2处的电压增大，因此更多地接通第二晶体管Q2，并增大流经第二晶体管Q2的第二电流。当流经第二晶体管Q2(也流经互连模块133)的第二电流比流经第一晶体管Q1的第一电流增大快并且比第一电流大时，互连组件133与互连组件121之间的互耦电感引起在栅极端子G1处的电压增大，因此更多地接通第一晶体管Q1，并增大流经第一晶体管Q1的第一电流。
类似地，在关断第一晶体管Q1和第二晶体管Q2时，流经第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的瞬态电流由于互感耦合而被平衡。
根据本公开内容的一方面，当第一晶体管Q1和第二晶体管Q2是SiC MOSFET晶体管时，SiC MOSFET晶体管的导通电阻Rds(on)具有负温度系数，并且因此SiC MOSFET晶体管本质上具有负反馈。导通电阻Rds(on)的变化会引起稳态电流的不平衡，并且导通电阻Rds(on)的负反馈自我平衡在第一晶体管Q1和第二晶体管Q2中的稳态电流。
另外，阈值电压Vth的变化会引起瞬态电流的不平衡。阈值电压Vth具有正温度系数，并且因此会引起正反馈和瞬态电流的不平衡。互感耦合技术可被用来平衡在接通/关断时的瞬态电流。
应当指出，电源模块110可以通过各种技术来实现。在一例子中，开关模块，诸如第一开关模块120、第二开关模块130等等，被实现为裸管芯，并且互连模块被实现为配线和/或汇流排。开关模块、互连模块和其它合适的组件被组装在封装中以形成电源模块110。在另一个例子中，开关模块是在单独的封装中被组装的分立器件，并且开关模块通过配线和汇流排互连。在另一个例子中，开关模块被集成在集成电路IC芯片上，并且互连模块利用IC制造技术被实现为IC芯片上的配线。
图2示出了根据本公开内容的实施例的电源模块210的分解图的图。在一实施例中，图1中的电源模块110被实现为图2中的电源模块210。电源模块210包括利用裸管芯实现的开关模块，诸如第一开关模块220、第二开关模块230等等。另外，电源模块210包括利用汇流排实现的互连模块，诸如互连模块221、223、231、233等等。在一例子中，电源模块210以封装的形式实现。
例如，第一开关模块220是具有利用SiC MOSFET技术实现的第一晶体管的第一裸管芯。因此，第一晶体管的漏极端子D1在第一裸管芯的基板上形成，例如作为接合焊盘，并且第一晶体管的栅极端子G1和源极端子S1在第一裸管芯的正面侧(基板的相反侧)上形成，例如作为接合焊盘。
类似地，第二开关模块230是具有利用SiC MOSFET技术实现的第二晶体管实现的第二裸管芯。因此，第二晶体管的漏极端子D2在第二裸管芯的基板上形成，例如作为接合焊盘，并且第二晶体管的栅极端子G2和源极端子S2在第二裸管芯的正面侧(基板的相反侧)上形成，例如作为接合焊盘。
在一实施例中，第一裸管芯和第二裸管芯被部署成面对面。互连模块221被连接到第一晶体管的栅极端子G1，互连模块231被连接到第二晶体管的栅极端子G2，互连模块223被连接到第一晶体管的漏极端子D1，并且互连模块233被连接到第二晶体管的漏极端子D2。
另外，在该实施例中，互连模块221和互连模块233被部署成具有互耦系数为M1的互耦寄生电感。例如，互连模块221和互连模块233被靠近地部署，使得一个互连模块中的电流变化会在另一个互连模块上感应出电压。此外，互连模块231和互连模块223被部署成具有互耦系数为M2的互耦寄生电感。例如，互连模块223和互连模块231被靠近地部署，使得一个互连模块中的电流变化会在另一个互连模块上感应出电压。在一例子中，互耦寄生电感被适当地设计，以提高在第一和第二晶体管接通/关断时的瞬态电流/功率平衡。
应当指出，为了方便和简化，电源模块210包括未在图2中示出的其它合适的组件。例如，源极端子S1和S2由未示出的合适的互连模块(诸如接合配线等)连接。还应当指出，图2中管芯和汇流排的构造可以适当地修改。例如，两个管芯可以在一例子中以背靠背的方式被部署，或者可以在一例子中被并排部署。
图3示出了概述根据本公开内容的实施例的处理300的流程图。在一例子中，处理300被执行以实现电源模块210。该处理开始于S301，并且前进到S310。
在S310，第一晶体管被部署。例如，第一晶体管利用SiCMOSFET技术在第一裸管芯上实现。
在S320，第二晶体管被部署。例如，第二晶体管利用SiCMOSFET技术在第二裸管芯上实现。
在S330，互连被部署成将第一晶体管的漏极端子感应耦合到第二晶体管的栅极端子。在图2的例子中，互连模块223与第一晶体管的漏极端子连接，并且互连模块231与第二晶体管的栅极端子连接。互连模块223和互连模块231被例如靠近地部署以便感应耦合。
在S340，互连被部署成将第二晶体管的漏极端子感应耦合到第一晶体管的栅极端子。在图2的例子中，互连模块233与第二晶体管的漏极端子连接，并且互连模块221与第一晶体管的栅极端子连接。互连模块233和互连模块221被例如靠近地部署以便感应耦合。然后，该处理前进到S399并终止。
应当指出，处理300可以包括实现电源模块的其它合适的步骤。另外，处理300中的步骤可以同时或以不同的次序被执行。
图4示出了根据本公开内容的实施例的仿真结果的曲线图400。例如，曲线图400示出了当具有并联晶体管的电源模块被接通时有或没有互耦寄生电感的电压和电流的变化。X轴示出时间，而Y轴示出电压和电流值。
曲线图400包括五个波形410-450。波形410(以中等虚线)示出了没有互耦寄生电感的第一晶体管的漏极电流，波形420(以长-短虚线)示出了没有互耦寄生电感的第二晶体管的漏极电流，波形430(以实线)示出了具有互耦寄生电感的第一晶体管的漏极电流，波形440(以短虚线)示出了具有互耦寄生电感的第二晶体管的漏极电流，波形450(以长虚线)示出了漏极-源极电压Vds。
如图4中所示，在时间ton，第一晶体管和第二晶体管接通。如果没有互耦寄生电感，则第一晶体管中的瞬态电流与第二晶体管中的瞬态电流有相对大的差异。如果有互耦寄生电感，则第一晶体管与第二晶体管中的瞬态电流差减小。
图5示出了根据本公开内容的实施例的仿真结果的曲线图500。例如，曲线图500示出了当具有并联晶体管的电源模块被关断时有或没有互耦寄生电感的电压和电流的变化。X轴示出时间，而Y轴示出电压和电流值。
曲线图500包括五个波形510-550。波形510(以中等虚线)示出了没有互耦寄生电感的第一晶体管的漏极电流，波形520(以长-短虚线)示出了没有互耦寄生电感的第二晶体管的漏极电流，波形530(以实线)示出了具有互耦寄生电感的第一晶体管的漏极电流，波形540(以短虚线)示出了具有互耦寄生电感的第二晶体管的漏极电流，波形550(以长虚线)示出了漏极-源极电压Vds。
如图5中所示，在时间toff，第一晶体管和第二晶体管被关断。如果没有互耦寄生电感，则第一晶体管中的瞬态电流与第二晶体管中的瞬态电流如由波形510和520所示的那样具有相对大的差异。如果有互耦寄生电感，则第一晶体管与第二晶体管中的瞬态电流差如由波形530和540所示的那样被减小。
虽然本公开内容的各方面已经结合作为例子被提出的其具体实施例进行了描述，但是可以进行对这些例子的替代、修改和变化。相应地，如本文阐述的实施例意在是说明性而不是限制性的。在不背离以下阐述的权利要求书的范围的情况下，存在可以进行的改变。

Claims (20)

1.一种电源电路，包括：
第一开关模块，具有第一栅极端子、第一漏极端子和第一源极端子，第一漏极端子经由第一漏极互连模块耦合到第一节点，第一源极端子经由第一源极互连模块耦合到第二节点，并且第一栅极端子经由第一栅极互连模块耦合到第一控制节点以便接收第一控制信号；及
第二开关模块，具有第二栅极端子、第二漏极端子和第二源极端子，第二漏极端子经由第二漏极互连模块耦合到所述第一节点，第二源极端子经由第二源极互连模块耦合到所述第二节点，并且第二控制端子经由第二栅极互连模块耦合到第二控制节点以便接收第二控制信号，第一漏极互连模块和第二栅极互连模块被感应耦合以便平衡流经第一开关模块和第二开关模块的电流。
2.如权利要求1所述的电源电路，其中第二漏极互连模块和第一栅极互连模块被感应耦合。
3.如权利要求1所述的电源电路，其中第一漏极互连模块和第二栅极互连模块被部署成具有负互耦系数。
4.如权利要求1所述的电源电路，其中第一漏极互连模块和第二栅极互连模块被感应耦合以便平衡当第一和第二开关模块被接通/关断时流经第一开关模块和第二开关模块的瞬态电流。
5.如权利要求1所述的电源电路，其中第一开关模块包括第一SiC金属氧化物半导体场效应晶体管并且第二开关模块包括第二SiC金属氧化物半导体场效应晶体管。
6.如权利要求1所述的电源电路，其中第一开关模块在第一管芯上并且第二开关模块在第二管芯上。
7.如权利要求6所述的电源电路，其中第一管芯和第二管芯被面对面地组装在封装中。
8.一种用于电流平衡的方法，包括：
部署具有第一栅极端子、第一漏极端子和第一源极端子的第一开关模块；
与第一开关模块并联地部署具有第二栅极端子、第二漏极端子和第二源极端子的第二开关模块；及
将耦合到第一漏极端子的第一漏极互连模块和耦合到第二栅极端子的第二栅极互连模块部署成具有感应耦合以便平衡流经第一开关模块和第二开关模块的电流。
9.如权利要求8所述的方法，还包括：
将耦合到第二漏极端子的第二漏极互连模块和耦合到第一栅极端子的第一栅极互连模块部署成具有感应耦合。
10.如权利要求8所述的方法，其中将第一漏极互连模块和第二栅极互连模块部署成具有感应耦合以便平衡流经第一开关模块和第二开关模块的电流还包括：
将第一漏极互连模块和第二栅极互连模块部署成具有负互耦系数。
11.如权利要求8所述的方法，其中将第一漏极互连模块和第二栅极互连模块部署成具有感应耦合以便平衡流经第一开关模块和第二开关模块的电流还包括：
将第一漏极互连模块和第二栅极互连模块部署成具有感应耦合以便平衡当第一和第二开关模块被接通/关断时流经第一开关模块和第二开关模块的瞬态电流。
12.如权利要求8所述的方法，其中
部署包括第一SiC金属氧化物半导体场效应晶体管的第一开关模块；及
部署包括第二SiC金属氧化物半导体场效应晶体管的第二开关模块。
13.如权利要求8所述的方法，其中
在第一管芯上部署第一开关模块；及
在第二管芯上部署第二开关模块。
14.如权利要求13所述的方法，其中
将第一管芯和第二管芯面对面地组装在封装中。
15.一种装置，包括：
电源模块，包括：
第一开关模块，具有第一栅极端子、第一漏极端子和第一源极端子，第一漏极端子经由第一漏极互连模块耦合到第一节点，第一源极端子经由第一源极互连模块耦合到第二节点，并且第一栅极端子经由第一栅极互连模块耦合到第一控制节点以便接收第一控制信号；及
第二开关模块，具有第二栅极端子、第二漏极端子和第二源极端子，第二漏极端子经由第二漏极互连模块耦合到所述第一节点，第二源极端子经由第二源极互连模块耦合到所述第二节点，并且第二控制端子经由第二栅极互连模块耦合到第二控制节点以便接收第二控制信号，第一漏极互连模块和第二栅极互连模块被感应耦合以便平衡流经第一开关模块和第二开关模块的电流。
16.如权利要求15所述的装置，其中第二漏极互连模块和第一栅极互连模块被感应耦合。
17.如权利要求15所述的装置，其中第一漏极互连模块和第二栅极互连模块被部署成具有负互耦系数。
18.如权利要求15所述的装置，其中第一漏极互连模块和第二栅极互连模块被感应耦合以平衡当第一和第二开关模块被接通/关断时流经第一开关模块和第二开关模块的瞬态电流。
19.如权利要求15所述的装置，其中第一开关模块包括第一SiC金属氧化物半导体场效应晶体管并且第二开关模块包括第二SiC金属氧化物半导体场效应晶体管。
20.如权利要求15所述的装置，其中第一开关模块在第一管芯上并且第二开关模块在第二管芯上。
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