CN106571732A - 电源变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电源变换装置，包含功率元件模块、导体、导磁组合体。功率元件模块包含至少两个电极及功率半导体单元，这些电极间的电压为交流电压。功率半导体单元包含至少一裸芯片，裸芯片包含多个表面，这些表面中占据裸芯片的最大面积的表面为裸芯片平面。导体耦接于功率元件模块，功率元件模块与导体间形成电流环。磁回路形成于导磁组合体。导磁组合体包含腔体，电流环穿过腔体并与磁回路相交以形成电流回路所需的电感量，部分功率元件模块设置于腔体内。裸芯片平面与电流环的轴线的夹角小于等于45度，或电流环70％以上的交流分量流经导体。本发明通过提供一种电源变换装置，借以降低损耗，以进一步提升电源性能。

Description

电源变换装置
技术领域
本发明是关于一种电能转换技术，且特别是关于一种电源变换装置。
背景技术
随着人类对智慧生活要求的提升，社会对数据处理的需求日益旺盛。全球在数据处理上的能耗，平均每年达到数千亿甚至数万亿度，一个大型数据中心的占地面积可以达到数万平方米。因此，高效率和高功率密度，是电力电子产业稳健发展的关键指标。
数据中心的关键单元是服务器，其主机板通常由中央处理器(CPU)、芯片组(Chipsets)、存储器等数据处理芯片与其供电电源及必要周边元件组成。随着单位体积服务器处理能力的提升，意味着这些处理芯片的数量、集成度需要随之提升，导致空间占用和功耗的提升。因此，为这些芯片供电的电源(因为与数据处理芯片同在一块主机板上，又称主机板电源)，需要有更高的效率、更高的功率密度和更小的体积，以使整个服务器乃至整个数据中心得以节能并有效地缩小占地面积。
由于数字芯片的供电通常要求电压低、电流大，因此，为减少输出引线的损耗和阻抗影响，在主机板位置上，要求为其直接供电的电源，尽量靠近数字芯片。因此，这些直接为芯片供电的电源，被称为点电源POL(Point of theLoad)。上述点电源POL的输入由其它电源来提供。目前点电源POL典型的输入电压为12V左右。由于12V为比较低的电压，通常直接使用降压型转换电路(Buck converter)来实现点电源POL，输出0～5V之间的各种电压给相应的数字芯片。
为了提升电源性能，目前业界致力于半导体部分和电感的优化。然而，历经多年的努力，半导体部分和电感已近乎优化到了极致，较难以采用对半导体部分和电感进行优化的方式，来提升电源性能。
由此可见，上述现有的方式，已不能有效提高电源性能。为了有效提升电源性能，相关领域莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来仍未发展出适当的解决方案。
发明内容
发明内容旨在提供本揭示内容的简化摘要，以使阅读者对本揭示内容具备基本的理解。此发明内容并非本揭示内容的完整概述，且其用意并非在指出本发明实施例的重要/关键元件或界定本发明的范围。
本发明内容的目的在于提供一种电源变换装置，借以改善现有技术的问题。
为达上述目的，本发明内容的一方面是关于一种电源变换装置，其包含功率元件模块、导体、导磁组合体。功率元件模块包含至少两个电极及功率半导体单元，这些电极间的电压为交流电压。功率半导体单元包含至少一裸芯片，裸芯片包含多个表面，这些表面中占据裸芯片的最大面积的表面为裸芯片平面。导体耦接于功率元件模块，电流环形成于功率元件模块与导体间。磁回路形成于导磁组合体。导磁组合体包含腔体，电流环穿过腔体并与磁回路相交以形成电流回路所需的电感量，部分功率元件模块设置于腔体内。裸芯片平面与电流环的轴线的夹角小于等于45度，或电流环70％以上的交流分量流经导体。
在一实施例中，导体设置于腔体外部。
在另一实施例中，腔体包含一深度，功率元件模块被设置以进入腔体的深度的至少1/3。
在又一实施例中，功率元件模块包含第一功率元件模块及第二功率元件模块。第一功率元件模块及第二功率元件模块相互串联，以一同对输入进行电能变换以产生输出。第一功率元件模块和第二功率元件模块至少其中之一设置于腔体内。
于再一实施例中，电源变换装置更包含载板，功率半导体单元设置于载板上。导磁组合体包含第一导磁部及第二导磁部。第一导磁部及第二导磁部相互结合以形成腔体。导体设置于导磁组合体的外侧表面，并耦接于载板。
在又一实施例中，导体包含第一部分与第二部分。第一部分的面积大于第二部分的面积，第一部分设置为电源变换装置的第一引脚，第二部分设置为电源变换装置的第二引脚。
在一实施例中，第一引脚串联于电流环。
在另一实施例中，导磁组合体的第一导磁部设置于功率半导体单元上方，导磁组合体的第二导磁部设置于载板下方。第二导磁部与载板的接触面积大于第一导磁部与功率半导体单元的接触面积。
于再一实施例中，第二导磁部的厚度小于第一导磁部的厚度。
在一实施例中，导体设置于导磁组合体的第二导磁部外侧。第二导磁部与导体的面积大于电源变换装置的基座面积(footprint)的50％。
在另一实施例中，导体用以与外部系统耦接，裸芯片平面与外部系统的系统板的平面呈现平行或垂直。
在又一实施例中，功率半导体单元包含第一驱动器金氧半场效应晶体管单元(Driver and Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,Dr.MOS)。第一驱动器金氧半场效应晶体管单元包含至少两个功率半导体器件及至少一个驱动元件以驱动至少两个功率半导体器件，且集成为一个封装元件。
在另一实施例中，功率半导体单元还包含第二驱动器金氧半场效应晶体管单元，第二驱动器金氧半场效应晶体管单元并联于第一驱动器金氧半场效应晶体管单元。第一驱动器金氧半场效应晶体管单元设置于载板的上表面，第二驱动器金氧半场效应晶体管单元设置于载板的下表面。
在又一实施例中，电源变换装置处于重载状况下，第一驱动器金氧半场效应晶体管单元及第二驱动器金氧半场效应晶体管单元皆开启，以一同对输入进行电能变换以产生输出。电源变换装置处于轻载状况下，第一驱动器金氧半场效应晶体管单元或第二驱动器金氧半场效应晶体管单元其中一个被控制而关闭，以由第一驱动器金氧半场效应晶体管单元及第二驱动器金氧半场效应晶体管单元其中另一个对输入进行电能变换以产生输出。
在又一实施例中，至少两个功率半导体器件中的每一个包含两个金氧半场效应晶体管，两个金氧半场效应晶体管之间的耦接点为一电极。电源变换装置还包含输入引脚及接地引脚。输入引脚耦接于两个金氧半场效应晶体管的其中一个。接地引脚耦接于两个金氧半场效应晶体管的另一个。接地引脚、输入引脚及电极依序排列。
在一实施例中，电源变换装置还包含信号板。信号板耦接于两个金氧半场效应晶体管。信号板、接地引脚、输入引脚及电极依序排列。
在另一实施例中，至少两个功率半导体器件中的每一个包含高压侧金氧半场效应晶体管及低压侧金氧半场效应晶体管。至少一个驱动元件、低压侧金氧半场效应晶体管及高压侧金氧半场效应晶体管依序排列。
在又一实施例中，高压侧金氧半场效应晶体管与低压侧金氧半场效应晶体管于腔体内部分重叠排列。
在一实施例中，高压侧金氧半场效应晶体管与低压侧金氧半场效应晶体管之间的耦接点为一电极。电源变换装置还包含输入引脚及接地引脚。输入引脚耦接于高压侧金氧半场效应晶体管。接地引脚耦接于低压侧金氧半场效应晶体管。输入引脚及接地引脚并联排列，电极设置于输入引脚及接地引脚并联排列所形成的结构的一侧。
于再一实施例中，第一驱动器金氧半场效应晶体管单元设置为长方形，至少两个功率半导体器件中的每一个包含两个金氧半场效应晶体管。长方形包含长边及短边。两个金氧半场效应晶体管之间的耦接点为一电极，电极设置邻近于短边。电源变换装置还包含输入引脚及接地引脚。输入引脚设置于第一驱动器金氧半场效应晶体管单元的上表面。接地引脚设置于第一驱动器金氧半场效应晶体管单元的下表面。
在另一实施例中，功率元件模块包含多个功率半导体单元，电源变换装置包含多个导体，导磁组合体包含多个磁视窗。这些导体的每一个耦接于相应的功率半导体单元，多个电流环形成于这些功率半导体单元与这些导体间。这些磁视窗中形成多个磁回路，这些电流环与这些磁回路相交以形成这些电流环所需电感量。这些功率半导体单元并联而提供一路输出或提供多路输出。
于再一实施例中，电流环的平均环壁厚度小于电流环的长度。
为达上述目的，本发明内容的另一方面是关于一种电源变换装置，此电源变换装置由第一电流层、第二电流层、第一磁层及第二磁层组成。第一电流层及第二电流层用以承载一含交流电流分量的电流环，电流环包含功率元件模块及导体，导体耦接于功率元件模块。功率元件模块包含至少两个电极，至少两个电极间的电压为交流电压，至少两个电极的电流交流幅值相等且方向相反。第一磁层及第二磁层用以承载一含交流磁通分量的磁回路。第一磁层及第二磁层分别设置于第一电流层的两侧。第一电流层及第二电流层分别设置于第二磁层的两侧。
在一实施例中，第一电流层、第二电流层、第一磁层及第二磁层两两交错。
在另一实施例中，功率元件模块包含至少一开关，此开关设置于第一电流层。
于再一实施例中，功率元件模块包含载板，至少一开关设置于载板上。电源变换装置还包含第一导磁部及第二导磁部。第一导磁部设置于第一磁层。第二导磁部设置于第二磁层。导体设置于第二导磁部的外侧表面，并耦接于载板。
为达上述目的，本发明内容的另一方面是关于一种电源变换装置，此电源变换装置包含一含交流电流分量的电流环及一含交流磁通分量的磁回路。含交流电流分量的电流环包含功率元件模块及导体，导体耦接于功率元件模块。功率元件模块包含至少两个电极、载板及功率半导体单元。至少两个电极间的电压为交流电压，至少两个电极的电流交流幅值相等且方向相反。载板包含上表面及下表面。功率半导体单元设置于载板的上表面或下表面。含交流磁通分量的磁回路包含磁性元件，此磁性元件包含第一磁性单元及第二磁性单元。第一磁性单元设置于载板的上表面。第二磁性单元设置于载板的下表面。第一磁性单元及第二磁性单元形成闭合磁通路的载体，且第一磁性单元及第二磁性单元间包含腔体。功率元件模块设置于腔体内，导体设置于第一磁性单元的外表面或第二磁性单元的外表面。
在一实施例中，腔体包含一深度，功率元件模块被设置以进入腔体的深度的至少1/3。
在另一实施例中，功率元件模块包含第一功率元件模块及第二功率元件模块。第一功率元件模块及第二功率元件模块相互串联，以一同对输入进行电源变换以产生输出。第一功率元件模块和第二功率元件模块至少其中之一设置于腔体内。
因此，根据本发明的技术内容，通过提供一种电源变换装置，借以降低损耗，以进一步提升电源性能。
在参阅下文实施方式后，本领域技术人员可轻易了解本发明的基本精神及其他发明目的，以及本发明所采用的技术手段与实施例。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式的说明如下：
图1A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图1B是依照本发明另一实施例绘示的一种如图1A所示的电源变换装置的剖面示意图。
图1C是依照本发明再一实施例绘示的一种如图1A所示的电源变换装置的剖面示意图。
图1D是依照本发明又一实施例绘示的一种如第1A图所示的电源变换装置的仰视图。
图1E是依照本发明另一实施例绘示的一种如图1A所示的电源变换装置的爆炸图。
图1F是依照本发明一实施例绘示的一种铁芯及电流环示意图。
图2是依照本发明另一实施例绘示的一种导磁组合体于电源变换装置中的配置示意图。
图3是依照本发明再一实施例绘示的一种导磁组合体于电源变换装置中的配置示意图。
图4是依照本发明又一实施例绘示的一种导磁组合体于电源变换装置中的配置示意图。
图5A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图5B是依照本发明另一实施例绘示的一种如图5A所示的电源变换装置的仰视图。
图5C是依照本发明再一实施例绘示的一种如图5A所示的电源变换装置的剖面示意图。
图6A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图6B是依照本发明另一实施例绘示的一种如图6A所示的电源变换装置的仰视图。
图6C是依照本发明再一实施例绘示的一种如图6A所示的电源变换装置的剖面示意图。
图7A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图7B是依照本发明另一实施例绘示的一种如图7A所示的电源变换装置的仰视图。
图7C是依照本发明再一实施例绘示的一种如图7A所示的电源变换装置的剖面示意图。
图8A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图8B是依照本发明另一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图8C是依照本发明再一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图8D是依照本发明又一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图9是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的应用示意图。
图10是依照本发明另一实施例绘示的一种电源变换装置的应用示意图。
图11A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的应用示意图。
图11B是依照本发明另一实施例绘示的一种电源变换装置的应用示意图。
图11C是依照本发明再一实施例绘示的一种电源变换装置的应用示意图。
图12是依照本发明又一实施例绘示的一种采用驱动器金氧半场效应晶体管的电源变换装置的示意图。
图13A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图13B是依照本发明另一实施例绘示的一种如图13A所示的电源变换装置的仰视图
图13C是依照本发明再一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图13D是依照本发明又一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图14是依照本发明另一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图15A是依照本发明一实施例绘示的一种驱动器金氧半场效应晶体管单元的示意图。
图15B是依照本发明另一实施例绘示的一种驱动器金氧半场效应晶体管单元的示意图。
图16A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图16B是依照本发明另一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图16C是依照本发明再一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图17A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图17B是依照本发明另一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图17C是依照本发明再一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图17D是依照本发明又一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图18是依照本发明另一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。
图19A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的应用示意图。
图19B是依照本发明另一实施例绘示的一种电源变换装置的应用示意图。
图19C是依照本发明再一实施例绘示的一种电源变换装置的应用示意图。
图20A是依照本发明一实施例绘示的一种铁芯示意图。
图20B是依照本发明另一实施例绘示的一种铁芯示意图。
图20C是依照本发明再一实施例绘示的一种铁芯示意图。
图21是依照本发明又一实施例绘示的一种采用变压元件的电源变换装置的示意图。
图22A是依照本发明一实施例绘示的一种采用变压元件的电源变换装置的剖面示意图。
图22B是依照本发明另一实施例绘示的一种采用变压元件的电源变换装置的剖面示意图。
图23是依照本发明又一实施例绘示的一种采用变压元件的电源变换装置的示意图。
其中，附图标记说明如下：
110：第一电流层 Dr.MOS2：驱动器金氧半场效应
120：第二电流层 晶体管单元
130：第一磁层 GND：输出引脚
140：第二磁层 L：电感
Actives：功率半导体单元 Lc：电流环
Cin：输入电容 PCB：载板
Co：输出电容 PAD：信号板
Core：导磁组合体 QH：高压侧金氧半场效应晶体管
Con：导体 QL：低压侧金氧半场效应晶体管
Cu1：电容单元 RL：负载
Cu2：电容单元 Trace：导电线路层
C1：电容 V1：输入/输出
C2：电容 Vo：输出引脚
d：深度 Vin：输入引脚
Driver：驱动元件
Dr.MOS1：驱动器金氧半场效应晶体管单元
根据惯常的作业方式，图中各种特征与元件并未依比例绘制，其绘制方式是为了以最佳的方式呈现与本发明相关的具体特征与元件。此外，在不同图式间，以相同或相似的元件符号来指称相似的元件/部件。
具体实施方式
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的具体实施例进行了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以构建与操作这些具体实施例的方法步骤及其顺序。然而，亦可利用其他具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
除非本说明书另有定义，此处所用的科学与技术词汇的含义与本领域技术人员所理解与惯用的意义相同。此外，在不和上下文冲突的情形下，本说明书所用的单数名词涵盖该名词的复数型；而所用的复数名词亦涵盖该名词的单数型。
另外，关于本文中所使用的「耦接」，可指两个或多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，亦可指两个或多个元件相互操作或动作。
由于导体的损耗与电流的具体分布有关，一般而言，电流分布越均匀，且电流路径越短，则损耗就越低。为使损耗降低，以进一步提升电源性能，本发明提出一种电源变换装置，说明如后。图1A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的纵向剖面示意图。图1B是依照本发明另一实施例绘示的一种如图1A所示的电源变换装置的横向剖面示意图。图1C是依照本发明再一实施例绘示的一种如图1A所示的电源变换装置的横向剖面示意图。图1D是依照本发明又一实施例绘示的一种如图1A所示的电源变换装置的仰视图。图1E是依照本发明另一实施例绘示的一种如图1A所示的电源变换装置的爆炸图。图1F是依照本发明一实施例绘示的一种如图1A所示的铁芯及电流环示意图。如图1A所示，电源变换装置包含功率元件模块(包含至少两个电极、功率半导体单元Actives、输入电容Cin及输出电容Co、载板PCB)，导磁组合体Core及导体Con。于结构上，功率元件模块中的元器件配置于载板PCB上，功率元件模块位于导磁组合体Core内，导体Con配置于导磁组合体Core外侧表面上并与载板PCB耦接。
请一并参阅图1A及图1F，电源变换装置内的电流环Lc形成于功率元件模块与导体Con间。如图1F所示，电流环为桶状环，而能实现均匀而短的电流分布。相较于其它类型的电流环，桶状环因其电流分布均匀且平均路径短而更具效率优势，且尺寸优势亦十分显著。电流环Lc有三个主要尺寸参数，即内径、外径和长度，为使桶状环的意义更加明确，定义桶状环为：「电流环的平均环壁厚度，小于环的长度。」然本发明的电流环Lc并不以桶状环为限，其仅用以示例性说明本发明的实现方式之一，本领域技术人员可选择性地依照实际需求而采用适当类型的电流环。进一步地，电流环为感性电流环，即电流环路的整体阻抗在电路工作频率下呈现感性。
上述功率元件模块的至少两个电极间的电压为交流电压，在一实施例中，上述电压可为直流分量几乎可以忽略(比如占比小于1％)的交流电压。此外，至少两个电极之间的电流交流幅值相等且方向相反，电流环Lc包含交流电流分量，磁回路包含交流磁通分量。在另一实施例中，本发明的电流环Lc不仅是包含铜之类的导体，否则较容易理解上述桶状或者饼状。实际上，在本发明的电流环Lc中，还有诸如电容Cin、Co、功率半导体单元Actives之类的元件。因此，实现本发明时，需特别注意功率半导体单元Actives在桶状电流环中的位置。一般来讲，功率半导体单元Actives内具有至少一裸芯片(Pure Die)。上述裸芯片一般是厚度很薄(比如小于100um)的片状，此裸芯片包含多个表面，这些表面中占据裸芯片的最大面积的表面为裸芯片平面，例如图中功率半导体单元Actives的上表面部分。
为实现最短最均匀的电流走向，无论功率半导体单元Actives采用何种封装，皆须尽量保证，功率半导体单元Actives最大面积的表面(如：裸芯片平面)与电流环Lc的轴线形成的角度小于45度。需说明的是，电流环Lc的轴线为垂直穿入/穿出图1A的轴线。当使用桶状电流环时，裸芯片可贴装在电流环的环壁，以降低接触电阻而实现小电流传递损耗。于再一实施例中，为寻求比较好的性能，电流环应当呈现桶状，且以裸芯片与电流环Lc的轴线相平行为佳。在又一实施例中，电流环Lc的70％以上的交流分量流经导体Con。
于另一实施例中，上述导磁组合体Core可为一内部空心的铁芯，一磁回路形成于导磁组合体Core。此外，导磁组合体Core包含腔体，由图1A可以看出导磁组合体Core分为上半部与下半部，此上半部与下半部分别为第一导磁部与第二导磁部，导磁组合体Core的第一导磁部与第二导磁部相互结合以于其中间部分形成腔体，电流环Lc穿过此腔体，并与磁回路相交以形成电流环Lc所需的电感量。如图所示，部分功率元件模块(包含功率半导体单元Actives)设置于腔体内。为使电流分布均匀且电流路径短，本发明的导磁组合体Core可采用方形外型和方形窗口的铁芯来制作，然本发明并不以此为限，本领域技术人员当可选择性地采用适当形状的铁芯来制作导磁组合体Core。
于再一实施例中，功率元件模块被设置以进入腔体深度d的至少1/3，然本发明不以上述实施例为限，可依照实际需求而配置功率元件模块进入腔体深度。腔体深度d，指导磁组合体Core的第一导磁部与第二导磁部间的空心部分的深度/长度。在又一实施例中，导体Con可设置于导磁组合体Core的腔体外部，举例而言，导体Con可设置于导磁组合体Core的外侧表面，并耦接于载板PCB。
请继续参阅图1A，在另一实施例中，电源变换装置由第一电流层110、第二电流层120、第一磁层130及第二磁层140所组成。第一电流层110及第二电流层120用以承载一含交流电流分量的电流环，电流环包含功率元件模块及导体Con，导体Con耦接于功率元件模块。功率元件模块包含至少两个电极、至少一开关及载板PCB，至少两个电极间的电压为交流电压，至少两个电极的电流交流幅值约相等且方向相反。此外，上述开关可设置于第一电流层110内，并设置于载板PCB上。上述第一磁层130及第二磁层140用以承载一含交流磁通分量的磁回路。第一磁层130及第二磁层140分别设置于第一电流层110的两侧。第一电流层110及第二电流层120分别设置于第二磁层140的两侧。
在又一实施例中，第一电流层110、第二电流层120、第一磁层130及第二磁层140两两交错，以形成电流回路所需的电感量。在另一实施例中，电源变换装置更包含第一导磁部(上方标号Core的部分)及第二导磁部(下方标号Core的部分)。第一导磁部设置于第一磁层130。第二导磁部设置于第二磁层140。此外，导体Con设置于第二导磁部的外侧表面，并耦接于载板PCB。然本发明并不以图1A所示为限，本领域技术人员当可选择性地依照实际需求来配置或调整第一电流层110、第二电流层120、第一磁层130及第二磁层140的位置。
于再一实施例中，电源变换装置包含一含交流电流分量的电流环及一含交流磁通分量的磁回路。进一步地，电流环为感性电流环，即电流环路的整体阻抗在电路工作频率下呈现感性，但本发明不以此为限。含交流电流分量的电流环包含功率元件模块及导体Con，导体Con耦接于功率元件模块。功率元件模块包含至少两个电极、载板PCB及功率半导体单元Actives。至少两个电极间的电压为交流电压，至少两个电极的电流交流幅值相等且方向相反。载板PCB包含上表面及下表面。功率半导体单元Actives设置于载板PCB的上表面或下表面。含交流磁通分量的磁回路包含磁性元件Core，由图1A可以看出磁性元件Core分为上半部与下半部，此上半部与下半部分别为第一磁性单元及第二磁性单元。第一磁性单元设置于载板PCB的上表面。第二磁性单元设置于载板PCB的下表面。第一磁性单元及第二磁性单元形成闭合磁通路的载体，且第一磁性单元及第二磁性单元间包含腔体。功率半导体单元Actives设置于腔体内，导体Con设置于第一磁性单元的外表面或第二磁性单元的外表面。
请参阅图1B，功率半导体单元Actives配置于载板PCB上。输入电容Cin及输出电容Co亦配置于载板PCB上，且分别配置于功率半导体单元Actives的两侧(如：左侧、右侧)。由于功率元件模块(包含功率半导体单元Actives)可被设置以进入导磁组合体Core的腔体，因此，于图1B所示的剖面图中，导磁组合体Core位于功率半导体单元Actives的上下两侧，表示电源变换装置的导磁组合体Core可将功率半导体单元Actives包含于其内。由图1C可更了解电源变换装置的上述配置，如图1C所示，功率元件模块(包含功率半导体单元Actives及载板PCB)可配置于导磁组合体Core的腔体内。举例而言，功率元件模块可被设置以进入腔体深度d的至少1/3，或者功率元件模块可被设置以进入腔体深度d的至少1/2，然本发明不以上述实施例为限，本领域技术人员当可依照实际需求而配置功率元件模块进入腔体深度。
请参阅图1D，导体Con包含第一部分、第二部分与第三部分，分别被蚀刻以作为接地引脚GND、输出引脚Vo及输入引脚Vin。在高功率密度、高效率场合，电源的引脚(Pin)往往占据较大的体积而造成损耗。本发明电源变换装置的配置得以解决上述问题。请参阅图1E，导体Con有较大一部分置于导磁组合体Core的表面，若将这个表面定义为电源变换装置的表面贴装器件(Surface Mounted Devices,SMD)面，则可直接将电流环在该表面的导体Con设置为引脚。因此，电流环不需为了出引脚而额外增加电流路径或者体积，从而实现了几乎为零的引脚体积损失和效率损失。习知电路往往在现有基础上，额外增加引脚来引出电流至用户板。相较之下，本发明仅将电源变换装置所需电流环的必需组件的部分区域定义为引脚，例如定义电源变换装置的导体Con为引脚，如此，相当于没有因为出引脚而有额外的制程来制作上述引脚。
在另一实施例中，电源变换装置的引脚不仅有接地引脚GND或者输出引脚Vo，还需设置输入引脚Vin或者信号引脚等。上述输入引脚Vin或者信号引脚基本上不会被设置于所述电流环中，因此，一般而言较难直接定义电流环的部分为上述引脚。然而，本发明仅需采用相同于接地引脚GND或者输出引脚Vo的方式，利用图1E的载板PCB下方的导磁组合体Core作为引脚载具。此种设置方式几乎不会额外增加电源变换装置的体积，于制作上，也可采用与接地引脚GND或者输出引脚Vo一样的工艺同步实现，因此也不会增加过多材料或者制造成本。在另一实施例中，引脚分为两大类：其一是，与所述电流环串联的引脚，即指定电流环中导体Con的部分区域为引脚而得。因为与所述电流环串联，此类引脚中的电流与所述电流环的电流相当；其二是，不与所述电流环串联的引脚，包含与所述电流环有电连接的输入引脚Vin，也包含没有直接电连接的信号引脚。
图2是依照本发明另一实施例绘示的一种导磁组合体于电源变换装置中的配置示意图。图3是依照本发明再一实施例绘示的一种导磁组合体于电源变换装置中的配置示意图。图4是依照本发明又一实施例绘示的一种导磁组合体于电源变换装置中的配置示意图。需说明的是，本发明进一步优化空间的技术手段，主要是由功率元件模块和磁性元件(如：电感)之间的整合机会出发。电源变换装置中，电感的电感量是由闭合回路中的磁通链实现，亦即由软磁磁性元件的磁特性得以体现，且是基于闭合回路的电流所产生的磁通链的存在而实现。如公式一、二所式，磁场强度为一闭合回路对电流的积分(即回路电流总和)，而磁通链密度则为磁材料对磁场强度的感应。空间磁场强度等于：
……公式一
此外，空间磁通链密度等于：
B＝μH
……公式二
传统电感通常由铁芯和线圈组成。经由上述分析得以理解，传统电感被接入回路，而帮助闭合回路增加一具有相当截面积即AE的高μ值材料(即μ＞μ0)，从而实现更强磁感应强度，即更大电感量。因此，传统电感于电源变换装置内的实际作用，就是实现在所述闭合回路增加一个导磁组合体Core(如：铁芯)。既然如此，该导磁组合体Core可放置在闭合回路任何地方而不需要以独立电感的形式存在。
为说明导磁组合体Core于电源变换装置中的配置关系，请参阅图2至图4，先行介绍电源变换装置内的元件。功率元件模块包含第一功率元件模块及第二功率元件模块，第一功率元件模块及第二功率元件模块相互串联。在一实施例中，第一功率元件模块包含功率半导体单元Actives内的至少一开关QH、QL及输入电容Cin，而第二功率元件模块包含输出电容Co及负载RL，因此，第一功率元件模块及第二功率元件模块可一同对输入Vin进行电能变换以产生输出。
如图2所示，第一功率元件模块的至少一开关QH、QL配置于导磁组合体Core的腔体内，如此，导磁组合体Core于电流环中等效为电感。如图3所示，第一功率元件模块的输入电容Cin配置于导磁组合体Core的腔体内，如此，导磁组合体Core亦可于电流环中等效为电感。如图4所示，第二功率元件模块配置于导磁组合体Core的腔体内，如此，导磁组合体Core亦可于电流环中等效为电感。因此，本领域技术人员可依照实际需求以配置第一功率元件模块及/或第二功率元件模块于导磁组合体Core的腔体内。综上所述，在需要电感的电流回路(如：降压型电路、升压型电路、谐振电路等)，可以将导磁组合体Core放置于电流回路的任何位置，只要保证电流回路穿透导磁组合体Core的窗口，且电流回路将导磁组合体Core的AE面积包含，如此，便不需原先独立存在的电感绕组，从而减少了损耗和体积。此外，由于导磁组合体Core跟电路中的其它元件紧密结合，而得以进一步减少体积。
在另一实施例中，导磁组合体Core的腔体包含深度，第一功率元件模块及/或第二功率元件模块被设置以进入腔体深度的至少1/3，或者第一功率元件模块及/或第二功率元件模块被设置以进入腔体深度的至少1/2，然本发明不以上述实施例为限，本领域技术人员当可依照实际需求而配置第一功率元件模块及/或第二功率元件模块进入腔体深度。
图5A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。图5B是依照本发明另一实施例绘示的一种如图5A所示的电源变换装置的仰视图。图5C是依照本发明再一实施例绘示的一种如图5A所示的电源变换装置的剖面示意图。相较于图1A所示的电源变换装置，图5A～图5C所示的电源变换装置包含电容单元Cu1和电容单元Cu2，电容单元Cu2包含多个电容C2。请参阅图5A，电容单元Cu1设置于载板PCB上，电容单元Cu2设置于电源变换装置的导体Con上。
导体Con包含了第一部份和第二部份，第一部份的面积大于第二部份的面积。第一部份对应设置为电源变换装置的第一引脚，且第二部份对应设置为电源变换装置的第二引脚。如图5B所示，第一引脚为接地引脚GND、第二引脚包含输出引脚Vo与输入引脚Vin等。如图所示，接地引脚GND的面积大于输出引脚Vo的面积。相较于图1A所示的电源变换装置，电容C2可从功率元件模块中移出，而配置于导体Con上，并可以根据引脚排布，视需求而配置多颗电容C2。如此，可以简化功率元件模块，而且电容C2对引脚的寄生电感也有滤波效果，以便客户端得到更加稳定的电压。若使用在降压电路上，电容C2跨接在接地引脚GND和输出引脚Vo之间，使得输出引脚Vo的输出更加稳定。如图5C所示，电源变换装置可包含多个输出引脚Vo，电容单元Cu2的内的每一个电容C2跨接于接地引脚GND与输出引脚Vo之间。
图6A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。图6B是依照本发明另一实施例绘示的一种如图6A所示的电源变换装置的仰视图。图6C是依照本发明再一实施例绘示的一种如图6A所示的电源变换装置的剖面示意图。请参阅图6A，导体Con的第一部分可设置为电源变换装置的输出引脚Vo，第二部分可设置为电源变换装置的接地引脚GND与输入引脚Vin等。也就是说，导体Con中面积较大的第一部分设置为电源变换装置的输出引脚VO，例如使用在Buck电路中。电容C2跨接于电源变换装置的输出引脚Vo与接地引脚GND之间，电容C1设置于载板PCB上。相较于图5A所示的电源变换装置，图6A的电源变换装置的电容C1与电容C2一同设置于功率半导体单元Actives的同一侧。如此配置的优点在于，能够统一处理电容的配置方式。若使用于降压转换电路上，则所述电流环的电良导体Con部分，就由图5B中的接地引脚GND变成图6B所示的输出引脚Vo。因此，可以减小接地引脚GND的长度，使得客户端的接地引脚GND的噪音下降。如图6B所示，在一实施例中，输出引脚Vo的面积大于接地引脚GND的面积，此外输入引脚Vin、接地引脚GND及信号引脚可设置于导磁组合体Core上。再者，电容C2可跨接于接地引脚GND与输出引脚Vo之间，在另一实施例中，电容C2亦可跨接于输入引脚Vin与输出引脚Vo之间，端视需求而定。
图6C是依照本发明再一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。如图所示，功率半导体单元Actives配置于载板PCB上。电容C1亦配置于载板PCB上且位于功率半导体单元Actives的一侧(如：左侧)。输出引脚Vo的一端突出，此突出端位于功率半导体单元Actives的另一侧(如：右侧)。
图7A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。请一并参阅图6A及图7A，在上述图式中，电容C1与电容C2皆是一同设置于功率半导体单元Actives的同一侧(如：左侧)且电容C1设置于载板PCB上。图6A及图7A的不同点在于，图7A所示的电源变换装置是将电容C2设置于载板PCB上。在一实施例中，详细而言，电容C1设置于载板PCB的上表面，电容C2设置于载板PCB的下表面。
图7B是依照本发明另一实施例绘示的一种如图7A所示的电源变换装置的仰视图。如图所示，导体Con的第一部分设置为电源变换装置的输出引脚Vo。此外，导体Con的第二部分被蚀刻以作为电源变换装置的输入引脚Vin及接地引脚GND。图7C是依照本发明再一实施例绘示的一种如图7A所示的电源变换装置的剖面示意图。如图所示，功率半导体单元Actives配置于载板PCB上。电容C1亦配置于载板PCB上且位于功率半导体单元Actives的一侧(如：左侧)。输出引脚Vo的一端突出，此突出端位于功率半导体单元Actives的另一侧(如：右侧)。
图8A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。如图所示，电源变换装置导体Con的第一部份设置为电源变换装置的输出引脚Vo。相较于图7A所示的电源变换装置，图8A所示的电源变换装置的部分电容可设置于导体Con内侧，例如将部分电容C2设置于导体Con与导磁组合体Core之间，采用上述配置的优点在于，提供引脚配置的其它选择，然本发明不以上述实施方式为限，在其余实施例中，亦可配置部分电容C1设置于导体Con与导磁组合体Core之间，视实际需求而定。此外，图8A的电源变换装置的导体Con的第一部份可为输出引脚Vo，此输出引脚Vo设置以耦接于载板PCB的侧面(如：左侧面)，采用上述配置的优点在于，引脚接触点的焊接电阻和热阻都会比表面贴装器件方式有更好的提升。
图8B是依照本发明另一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。如图所示，电源变换装置导体Con的第一部份设置为电源变换装置的输出引脚Vo。相较于图8A所示的电源变换装置，图8B的电源变换装置的载板PCB的两端较为突出，换言之，图8B的载板PCB的宽度较大，输出引脚Vo可设置为穿透载板PCB。
图8C是依照本发明再一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。相较于图8A所示的电源变换装置，图8C的电源变换装置可包含多个电容C1，这些电容中的至少两个设置于导体Con与导磁组合体Core之间，且其中一个电容C1设置于载板PCB的上表面，另一个电容C1则设置于载板PCB的下表面。
图8D是依照本发明又一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。相较于图8B所示的电源变换装置，图8D的电源变换装置可包含多个电容C1，这些电容中的至少两个设置于导体Con与导磁组合体Core之间，且其中一个电容C1设置于载板PCB的上表面，另一个电容C1则设置于载板PCB的下表面。
图9是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的应用示意图。如图所示，电源变换装置则是将靠近客户系统板PCB2的导磁组合体Core面积设计为大于电源变换装置上方的导磁组合体Core。在保证同样的磁密度(即相同导磁截面)的前提下，可以将导磁组合体Core变薄。采用上述配置的优点在于，有助于降低整体电源变换装置的高度。此外，由于下方的导磁组合体Core比较薄，可以使得引脚的长度变短，寄生电感变小，有助于信号噪音下降。
举例而言，导磁组合体Core的第一导磁部(如：导磁组合体Core的上半部)设置于功率半导体单元Actives上方，导磁组合体的第二导磁部(如：导磁组合体Core的下半部)设置于载板PCB下方。上述第二导磁部与载板PCB的接触面积大于第一导磁部与功率半导体单元Actives的接触面积。在一实施例中，第二导磁部的厚度小于第一导磁部的厚度。在另一实施例中，导体Con设置于导磁组合体Core的第二导磁部的外侧表面，此外，第二导磁部与导体Con的接触面积等于电源变换装置的基座面积(footprint)。于又一实施例中，导体Con设置于导磁组合体Core的第二导磁部外侧，此外，第二导磁部与导体Con的接触面积大于电源变换装置的基座面积(footprint)的50％。
于再一实施例中，导体Con用以与外部系统耦接(如：与系统板PCB2)。此外，功率半导体单元Actives内的裸芯片的裸芯片平面与外部系统的系统板PCB2的平面呈现平行，亦即电源变换装置为趴装。或者如图10所示，裸芯片平面与外部系统的系统板PCB2的平面呈现垂直，亦即电源变换装置竖立安装。此外，上述实施例中电流环的电良导体Con的引脚部分安装于功率元件模块最外侧时，可以将电源变换装置竖立安装。采用上述配置的优点在于，可以使电源变换装置有更小的占地面积，此外，将上述配置应用在降压电路时，可以降低接地引脚GND噪音。
图11A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的应用示意图。相较于图9的电源变换装置，图11A的电源变换装置的电容C2配置于导体Con的外侧。在一实施例中，本领域技术人员可自由选择是否额外增加电容C1、C2。
图11B是依照本发明另一实施例绘示的一种电源变换装置的应用示意图。图11C是依照本发明再一实施例绘示的一种电源变换装置的应用示意图。图11B及图11C所示的两个实施例，可将电容C2配置于客户系统板PCB2上，采用上述配置的优点在于，充分利用客户系统的空间，简化电源变换装置的主体结构，并有助于减小接地引脚GND和输出引脚Vo的噪音。上述实施例同时适用于趴装(如图11B)和竖装(如图11C)。
举例而言，相较于图11A的电源变换装置，图11B的电源变换装置的电容C2设置于外部系统的系统板PCB2，并与电源变换装置的导体Con的部分区域(例如设置为接地引脚GND的部分)以及输出引脚Vo相连。相较于图11B，图11C的功率半导体单元Actives内的裸芯片的裸芯片平面与外部系统的系统板PCB2的平面呈现垂直。
图12是依照本发明又一实施例绘示的一种采用驱动器金氧半场效应晶体管的电源变换装置的示意图。图13A是依照本发明一实施例绘示的一种如图12所示的电源变换装置的剖面示意图。图13B是依照本发明另一实施例绘示的一种如图12所示的电源变换装置的仰视图。图13C是依照本发明再一实施例绘示的一种如图12所示的电源变换装置的的另一剖面示意图。图13D是依照本发明又一实施例绘示的一种如图12所示的电源变换装置的的另一剖面示意图。需说明的是，导磁组合体Core窗口的形状，会对导磁组合体Core的体积、损耗造成直接的影响。本发明中，应当使导磁组合体Core窗口的深度适当大，而能在同样的AE下实现更小的铁芯厚度和宽度，从而使得电源变换装置的高度和宽度下降。因此，需要对导磁组合体Core窗口的深度和电源变换装置的高度进行取舍。一般而言，导磁组合体Core窗口的宽度越小越好。越小的宽度意味着导磁组合体Core的总宽度小，亦即电源变换装置的宽度小，并且导磁组合体Core的损耗小，而没有额外的损失。由于要在导磁组合体Core窗口中放置功率元件模块，倘若导磁组合体Core窗口的宽度小，则需相应地设计功率元件模块，以使两者能够相互配合。
因此，功率元件模块可被设置为狭长形的，且长宽尺寸都越小越好。为发挥最佳效果，本发明的功率元件模块可使用高度集成的方式，特别是其中的功率半导体单元Actives，可集成为一个封装元件。在一实施例中，以降压转换电路为例，上述功率半导体单元Actives可集成功率半导体器件QH、QL以及驱动元件Driver，此驱动元件Driver可用以驱动功率半导体器件QH、QL，上述功率半导体器件QH、QL以及驱动元件Driver可集成为驱动器金氧半场效应晶体管单元(Driver and Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,Dr.MOS)。此外，电源变换装置包含三个功率电极，例如电极1、电极2、电极3。上述电极1为功率开关QH、QL串联的节点，电极3为接地引脚GND。需说明的是，图13B的电源变换装置的配置方式类似于图1D的电源变换装置，图13C的电源变换装置的配置方式类似于图1B的电源变换装置，图13D的电源变换装置的配置方式类似于图1C的电源变换装置，为使本发明说明简洁，于此不作赘述。
图14是依照本发明另一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。图15A是依照本发明一实施例绘示的一种驱动器金氧半场效应晶体管单元的示意图。图15B是依照本发明另一实施例绘示的一种驱动器金氧半场效应晶体管单元的示意图。由于每个驱动器金氧半场效应晶体管单元，即Dr.MOS都有其功率限制，因此，如图14所示，为了使功率密度不受驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS的电流容量的限制，可以适当牺牲电源变换器的高度，在载板PCB的上下表面均放置驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS1、Dr.MOS2，在一实施例中，可将驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS1、Dr.MOS2并联使用。这两个驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS1、Dr.MOS2可以将所有引脚(Pin)直接并联使用，包括使用同一个脉冲宽度调变信号引脚G、输入引脚Vin、接地引脚GND以及电极N1。
请参阅图15A，由于有两个独立的驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS并联使用，因此，能够提升轻载效率，说明如后。若两个独立的驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS至少其中之一具备开关功能，举例而言，电源变换装置处于重载状况下，驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS1及驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS2皆开启，以一同对该输入Vin进行电能变换而产生输出，以分担电流。另一方面，电源变换装置处于轻载状况下，驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS1及驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS2其中一个被控制而关闭(如：驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS1被控制而关闭)，以由驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS1及驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS2其中另一个(如：驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS2)对输入Vin进行电能变换而产生输出，以节省驱动等损耗。
如图15B所示，驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS1及驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS2至少其中之一(如：驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS2)的两个金氧半场效应晶体管QH，QL，可分别具备开关功能。如此，即可以针对不同的工作状况，任选两个驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS1、Dr.MOS2中的共四个金氧半场效应晶体管来进行搭配。例如，两个金氧半场效应晶体管QH与两个金氧半场效应晶体管QL一同工作，或者两个金氧半场效应晶体管QH与一个金氧半场效应晶体管QL一同工作，抑或一个金氧半场效应晶体管QH与两个金氧半场效应晶体管QL一同工作等等，以使各种状况都得以达到更好的效率。
图16A是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。如图所示，其示例性地显示适用于本发明的驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS的形状和引脚排布方式。举例来说，驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS配置于载板PCB上，且其形状可为长方形，以配合前述导磁组合体Core窗口的形状。功率半导体器件QH、QL的串联节点，例如电极N1可设置在最外侧，即为驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS一短边侧，以顺应电流走向，而方便使用并减小载板PCB的损耗。此外，输入电容Cin及输出电容Co分别配置于驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS的两侧(如：左侧及右侧)。
图16B是依照本发明另一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。图16C是依照本发明再一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。请参阅图16B，在本实施例中，两个金氧半场效应晶体管QH，QL的间的耦接点为电极N1。此外，电源变换装置更包含输入引脚Vin及接地引脚GND。输入引脚Vin耦接于两个金氧半场效应晶体管QH，QL其中一者，接地引脚GND耦接于两个金氧半场效应晶体管其QH，QL中另一者。由于降压转换电路的三个功率极的电流大小通常为电极N1>接地引脚GND>输入引脚Vin。因此，为方便使用并减小载板PCB的损耗，上述功率极的排布可依序为接地引脚GND、输入引脚Vin及电极N1，如此，可将电流最大的两极设置于驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS长边的两侧，使得大电流板分别在导磁组合体Core窗口的两端，直接将电流通过驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS引出，而无需在导磁组合体Core窗口的内部通过载板PCB引出，如此，所需载板PCB资源最少。
在另一实施例中，由于驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS不可避免有信号板PAD和外围器件，为减少信号板PAD与外围器件之间的互联占用过多资源，可将信号板PAD设置在最外侧。即驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS的引脚排布顺序可为信号板PAD、接地引脚GND、输入引脚Vin及电极N1。请参阅图16C，驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS可包含驱动元件Driver、高压侧金氧半场效应晶体管QH及低压侧金氧半场效应晶体管QL。为使上述引脚排布实现较小的驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS的内部封装电阻，裸芯片内的排布亦可相应地为驱动元件Driver、低压侧金氧半场效应晶体管QL及高压侧金氧半场效应晶体管QH。
图17A～图17D是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。相较于图16A～图16C，图17A～图17D所示的电源变换装置显示了驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS内部元件的另一种配置方式。若驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS内部裸芯片的排布如图17C所示，高压侧金氧半场效应晶体管QH和低压侧金氧半场效应晶体管QL在导磁组合体Core的腔体内重合，例如并行排列或者甚至是堆迭排列，则驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS的输入引脚Vin和接地引脚GND(导体Con的部分区域)亦需如图17B所示相应地并联排列，且分别设置于驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS的两条长边方向。
详细而言，如图17B所示，输入引脚Vin耦接于高压侧金氧半场效应晶体管QH，接地引脚GND耦接于低压侧金氧半场效应晶体管QL，输入引脚Vin及接地引脚GND(导体Con的部分区域)并联排列，电极N1设置于输入引脚Vin及接地引脚GND并联排列所形成的结构的一侧。如图17C所示，低压侧金氧半场效应晶体管QL与高压侧金氧半场效应晶体管QH并联排列，低压侧金氧半场效应晶体管QL配置于上侧，高压侧金氧半场效应晶体管QH配置于下侧。驱动元件Driver设置于低压侧金氧半场效应晶体管QL与高压侧金氧半场效应晶体管QH并联排列所形成的结构的一侧。
由于导磁组合体Core的窗口宽度设计的越窄越好，上述窗口内的载板PCB亦需相应地设计地很窄。如此载板PCB的尺寸较小，较难以在载板PCB上配置所需元件。为扩展其等效面积，可一并利用载板PCB的侧面，以大幅度地增加载板PCB的等效面积。换言之，可将窗口内载板PCB的两个侧面镀铜，以形成导电线路层Trace，其可为面积很大的介层(Via)，得以协助多层载板PCB的各层间的并联而使电阻降低。
图18是依照本发明另一实施例绘示的一种电源变换装置的剖面示意图。如图所示，驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS设置为长方形。上述长方形包含长边及短边，金氧半场效应晶体管QH，QL之间的耦接点为电极N1，此电极N1设置邻近于短边。此外，电源变换装置更包含输入引脚Vin及接地引脚GND。输入引脚Vin设置于驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS的上表面。接地引脚GND设置于驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS的下表面。
图19A～图19C是依照本发明一实施例绘示的一种电源变换装置的应用示意图。于降压转换电路中，为了减小纹波电流，通常采用多路交错并联方式。本发明应用于上述降压转换电路中，可达到一定的效果。请参阅图19A～图19C，本发明可将多路降压转换电路集成在单一载板PCB结构中。上述降压转换电路可并联为一路输出，亦可为多路输出。举例而言，图19A～图19C揭露本发明的实施例之一，其n路降压转换电路并联组成一路大电流输出Vo，驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS+1路组成另一路输出V1。驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS1～n为输出Vo的各路的主动元件，驱动器金氧半场效应晶体管单元Dr.MOS+1为输出V1所有。
由于这些降压转换电路为同一负载供电，因此，得以就近配置。如此，即可将这些降压转换电路的电感进行集成。如本发明实施例，即将其导磁组合体Core进行集成，共用一些条状结构(Bar)来降低体积。然而，每个降压转换电路都拥有专用磁回路通道，与其专用电流环形成其所需电感量。由于这些降压转换电路共用一个输入电压源，因此，可以将它们的输入电容Cin放置在导磁组合体Core的同一侧，以便这些降压转换电路共用电容Cin，而方便布局(Layout)并降低电容Cin的数量。如此，这多路降压转换电路共用一个磁芯组合，但各自拥有专用磁视窗以便各自电流环与其磁回路交合，同时多路降压转换电路共用一个载板PCB，也为实现该结构提供可能性，并且方便制造。
请参阅图19A～图19C，功率元件模块包含多个功率半导体单元Dr.MOS1～n，电源变换装置包含多个导体Con及多个磁视窗。每一个导体Con的耦接于相应的功率半导体单元Dr.MOS1～n，多个电流环形成于该些功率元件模块与该些导体间，且该些磁视窗中形成多个磁回路，该些电流环与该些磁回路相交以形成该些电流环所需电感量。于结构上，输入电容Cin配置在导磁组合体Core的左侧，如此，输出Vo和输出V1的引脚就配置在导磁组合体Core的右侧。各窗口分别面对输入电容Cin和输出Vo、V1，各磁视窗从上往下并列排放。各磁视窗间至少有一磁柱将其隔开，以便各路降压转换电路拥有专用磁通道。换言之，所述磁芯组合呈现以下特征：拥有两个相对较长的上下磁盖板，两盖板间拥有多个磁柱，形成多个磁视窗，临近各磁视窗的磁柱和磁盖板的部分，形成围绕该视窗的磁回路，与穿过该磁视窗的电流回路交合，形成所需电感量。而磁视窗中的大部分深度被功率元件模块占据，从而使得传统线圈几乎不存在，而减少了电流环的路径。因此，本发明具有更高的功率密度，并且因为具备更短的电流路径而拥有更高的效率。于图中，将输出电容Co配置于客户系统板PCB2之上，然其仅为实施例的一种，并非限制本发明。此外，可应用于多路降压转换电路组成的两路输出，但不限制本发明仅可用在多路降压转换电路组成的一路输出或者大于两路输出，换言之，该些功率半导体单元可并联而提供一路输出或者各自独立而提供多路输出。
图20A是依照本发明一实施例绘示的一种磁芯示意图。图20B是依照本发明另一实施例绘示的一种磁芯示意图。图20C是依照本发明再一实施例绘示的一种磁芯示意图。请参阅图20A～图20C，纵观此说明书，导磁组合体Core的窗口定义及窗口深度d定义是关键之处。为避免歧义，图20A～图20C详细对上述参数进行定义，其示意各种磁芯的窗口区定义以及窗口深度d定义。即：窗口为磁芯内部用于放绕组的空间；窗口深度d为窗口内与绕组(本发明中为电流环)等效电流方向相同(角度小于45度)的窗口长度的平均值。此外，为与现有技术区隔，可定义本发明的电感为：实现电路功能的电感。例如降压转换电路中的输出侧整流电感L、升压转换电路中的输入侧储能电感L、含变压器的电路的输出侧整流电感及含变压器的DC/DC电路的输入侧储能/谐振电感等等。
此外，本发明所述的交流电流环则为需要具备上述电感的感量的感性交流电流环，需要具备实现一电路功能的电感量的交流回路，当然，如前所述，该交流回路中的电流可以是交流与直流的迭加，正如降压转换电路的电感电流。本发明与现有技术最大的不同在于，现有技术由一独立存在的电感元件(Choke)实现电流所需的电感量，而本发明则由电路本身的交流电流环与磁芯形成的磁回路交合以形成所需的电感量，而得以去除或者明显减少独立存在的电感的绕组，借以减少体积和损耗。
图21是依照本发明又一实施例绘示的一种采用变压元件的电源变换装置的示意图。图22A是依照本发明一实施例绘示的一种采用变压元件的电源变换装置的剖面示意图。图22B是依照本发明另一实施例绘示的一种采用变压元件的电源变换装置的剖面示意图。图23是依照本发明又一实施例绘示的一种采用变压元件的电源变换装置的示意图。本发明的核心如后所述，使用电流环与导磁组合体Core实现所需回路电感量，以取代传统线圈与磁芯实现所需回路电感量，以使电路设计具备众多有益的变形机会。因此，本发明适用于各种需要电感量的电流回路场合。众所周知，几乎所有的电源变换电路都可以等效为降压转换电路或者升压转换电路，而降压转换电路和升压转换电路实际上仅是输入输出的定义互换而已。因此，本发明也可采用如图21～图23所示的电路系列来具体化实际的电路图，只不过，示意的电感并非传统具体存在的电子元件，而是等效的电感模型而已。
如图21所示，当标号V1为输入且标号V2为输出时，电源变换装置为降压转换电路；当标号V2为输入且标号V1为输出时，电源变换装置为升压转换电路。电容C1和桥臂(QH+QL)组成第一功率元件模块；电容C2组成第二功率元件模块。为方便说明，先行以降压转换电路加以解说，因此，电容C1为输入电容，而电容C2为输出电容。如此配置即可定义，第一功率元件模块至少含有高频工作的功率开关半导体元件，其含输入电容C1与所述功率半导体元件，以减少其电压尖峰，即传统定义的退偶电容，其两电极无需均与所述交流电流环连接；输出电容C2则在等效电路中，与所述等效电感连接，即其两电极均与所述交流电流环连接，即传统定义的滤波电容或者谐振电容，用于处理所述等效电感中的能量。
如图21、图22A及图22B所示，可于电感左侧加入变压或者隔离需要的变压器，并加入搭配变压器的其余必要器件，诸如整流管和电容等，以使电源变换装置变形为传统的脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation,PWM)电路，诸如半桥电路、全桥电路、正激电路等，于变压器输出侧需要电感的变换器电路。当然，也适用于某些需要副边电感的谐振电路。在这些应用中，以变压器输出侧的整流功率管或者输出电容Co，设置于导磁组合体Core窗口之中为佳。此时，电良导体大部分区域设置为接地引脚GND或者输出引脚VO。如此，变压器输出侧线圈、整流功率管、输出电容Co、载板PCB及电良导体Con就组成了所述电流环，与导磁组合体Core共同形成所需要的电感量L。因此，无需传统的线圈来实现电感L，电感L不再是一个独立的电感，而仅仅需要一个导磁组合体Core以等效于上述电感，如此设计，在实现上更加机动、占用体积更小且损耗显著降低。在本实施例中，不仅变压器输出侧线圈、整流功率管及输出电容Co可以被视作所述功率元件模块(PowerDevice Assemble)，甚至连整个变压器和一次侧有源功率器件也可以被视作功率元件模块(Power Device Assemble)的元件之一。因此，可为导磁组合体Core的配置方式提供更多可能性。
如图23所示，在电感右侧加入变压或者隔离需要的变压器，并加入搭配变压器的其余必要器件，诸如整流管和电容等，以使电源变换装置变形为传统的谐振电路，诸如LLC电路之类的变压器输入侧需要电感的变换器电路。当然，也适用于某些需要副边电感的谐振电路。在这些应用中，以变压器输入侧的功率开关管，即晶体管QH、QL组成的半桥，设置于所述导磁组合体Core窗口之中，结合电流回路与磁回路的交合，实现此类电路所需的谐振电感为佳。
由上述本发明实施方式可知，应用本发明具有下列优点之一。本发明涉及的实现各种电感功能的电路不仅限于上述实施例中的具体电路，而能有更广的适用性。诸如，隔离、非隔离电路；DC/DC、AC/DC、DC/AC等所有需要电感的场合。综上，通过本发明所揭露的电源装置的解决方法，可以获得与现有技术相比，更佳的电性能、更高的功率密度。本发明可充分利用电路和磁材料的特性，且使用方便，非常有利于提高变换器功率密度或者效率。此外，本发明提供了具体结构、应用等的实施方法，十分具备可行性。因此，本发明非常适合用以提升电源变换制造整体性能和性价比。
虽然上文实施方式中揭露了本发明的具体实施例，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不悖离本发明的原理与精神的情形下，当可对其进行各种更动与修饰，因此本发明的保护范围当以附随权利要求所界定范围为准。

Claims (29)

1.一种电源变换装置，包含：
一功率元件模块，包含：
至少两个电极，其中该至少两个电极间的电压为交流电压；以及
一功率半导体单元，包含：
至少一裸芯片，包含多个表面，其中该多个表面中占据该至少一裸芯片中的最大面积的表面为一裸芯片平面；
一导体，耦接于该功率元件模块，其中一电流环形成于该功率元件模块与该导体间；
一导磁组合体，其中一磁回路形成于该导磁组合体，其中该导磁组合体包含：
一腔体，其中该电流环穿过该腔体，并与该磁回路相交以形成该电流环所需的电感量，其中部分该功率元件模块设置于该腔体内；
其中该裸芯片平面与该电流环的轴线的夹角小于等于45度，或者该电流环的70％以上的交流分量流经该导体。
2.如权利要求1所述的电源变换装置，其中该导体设置于该腔体外部。
3.如权利要求1所述的电源变换装置，其中该腔体包含一深度，该功率元件模块被设置以进入该深度的至少1/3。
4.如权利要求1所述的电源变换装置，其中该功率元件模块包含：
一第一功率元件模块；以及
一第二功率元件模块，其中该第一功率元件模块及该第二功率元件模块相互串联，以一同对一输入进行电能变换以产生一输出，其中该第一功率元件模块和该第二功率元件模块至少其中之一设置于该腔体内。
5.如权利要求1所述的电源变换装置，还包含：
一载板，其中该功率半导体单元设置于该载板上；
该导磁组合体包含一第一导磁部及一第二导磁部，其中该第一导磁部及该第二导磁部相互结合以形成该腔体；
该导体设置于该导磁组合体的外侧表面，并耦接于该载板。
6.如权利要求5所述的电源变换装置，其中
该导体包含一第一部分与一第二部分，且该第一部分的面积大于该第二部分的面积，
该第一部分设置为该电源变换装置的一第一引脚，该第二部分设置为该电源变换装置的一第二引脚。
7.如权利要求6所述的电源变换装置，该第一引脚串联于该电流环。
8.如权利要求5所述的电源变换装置，其中该导磁组合体的该第一导磁部设置于该功率半导体单元上方，该导磁组合体的该第二导磁部设置于该载板下方，其中该第二导磁部与该载板的接触面积大于该第一导磁部与该功率半导体单元的接触面积。
9.如权利要求8所述的电源变换装置，其中该第二导磁部的厚度小于该第一导磁部的厚度。
10.如权利要求9所述的电源变换装置，其中该导体设置于该导磁组合体的该第二导磁部外侧，该第二导磁部与该导体的面积大于该电源变换装置的基座面积的50％。
11.如权利要求1～10中任一项所述的电源变换装置，其中该导体用以与外部系统耦接，其中该裸芯片平面与该外部系统的系统板的平面呈现平行或垂直。
12.如权利要求5所述的电源变换装置，其中该功率半导体单元包含一第一驱动器金氧半场效应晶体管单元，该第一驱动器金氧半场效应晶体管单元包含至少两个功率半导体器件及至少一个驱动元件以驱动该至少两个功率半导体器件，且集成为一个封装元件。
13.如权利要求12所述的电源变换装置，其中该功率半导体单元还包含：
一第二驱动器金氧半场效应晶体管单元，并联于该第一驱动器金氧半场效应晶体管单元，其中该第一驱动器金氧半场效应晶体管单元设置于该载板的上表面，该第二驱动器金氧半场效应晶体管单元设置于该载板的下表面。
14.如权利要求13所述的电源变换装置，其中
该电源变换装置处于重载状况下，该第一驱动器金氧半场效应晶体管单元及该第二驱动器金氧半场效应晶体管单元皆开启，以一同对一输入进行电能变换以产生一输出；
该电源变换装置处于轻载状况下，该第一驱动器金氧半场效应晶体管单元或该第二驱动器金氧半场效应晶体管单元开启以对该输入进行电能变换以产生该输出。
15.如权利要求12所述的电源变换装置，其中该至少两个功率半导体器件中的每一个包含两个金氧半场效应晶体管，该两个金氧半场效应晶体管之间的耦接点为一电极，其中该电源变换装置还包含：
一输入引脚，耦接于该两个金氧半场效应晶体管的其中一个；以及
一接地引脚，耦接于该两个金氧半场效应晶体管中的另一个；
其中该接地引脚、该输入引脚及该电极依序排列。
16.如权利要求15所述的电源变换装置，还包含：
一信号板，耦接于该两个金氧半场效应晶体管；
其中该信号板、该接地引脚、该输入引脚及该电极依序排列。
17.如权利要求12所述的电源变换装置，其中该至少两个功率半导体器件中的每一个包含一高压侧金氧半场效应晶体管及一低压侧金氧半场效应晶体管；
该至少一个驱动元件、该低压侧金氧半场效应晶体管及该高压侧金氧半场效应晶体管依序排列。
18.如权利要求17所述的电源变换装置，其中该高压侧金氧半场效应晶体管与该低压侧金氧半场效应晶体管于该腔体内部分重叠排列。
19.如权利要求17所述的电源变换装置，其中该高压侧金氧半场效应晶体管与该低压侧金氧半场效应晶体管之间的耦接点为一电极，其中该电源变换装置还包含：
一输入引脚，耦接于该高压侧金氧半场效应晶体管；以及
一接地引脚，耦接于该低压侧金氧半场效应晶体管；
其中该输入引脚及该接地引脚并联排列，该电极设置于该输入引脚及该接地引脚并联排列所形成的结构的一侧。
20.如权利要求12所述的电源变换装置，其中该第一驱动器金氧半场效应晶体管单元设置为长方形，该至少两个功率半导体器件中的每一个包含两个金氧半场效应晶体管，其中该长方形包含长边及短边，该两个金氧半场效应晶体管之间的耦接点为一电极，该电极设置邻近于该短边；
其中该电源变换装置还包含：一输入引脚，设置于该第一驱动器金氧半场效应晶体管单元的上表面；以及一接地引脚，设置于该第一驱动器金氧半场效应晶体管单元的下表面。
21.如权利要求1所述的电源变换装置，其中该功率元件模块包含多个功率半导体单元，该电源变换装置包含多个导体，该导磁组合体包含多个磁视窗，其中该多个导体的每一个耦接于相应的功率半导体单元，多个电流环形成于该多个功率半导体单元与该多个导体间，其中该多个磁视窗中形成多个磁回路，该多个电流环与该多个磁回路相交以形成该多个电流环所需电感量，其中该多个功率半导体单元并联而提供一路输出或提供多路输出。
22.如权利要求1所述的电源变换装置，其中该电流环的平均环壁厚度小于该电流环的长度。
23.一种电源变换装置，由一第一电流层、一第二电流层、一第一磁层及一第二磁层组成，其中该第一电流层及该第二电流层用以承载一含交流电流分量的电流环，该电流环包含：
一功率元件模块，包含：
至少两个电极，其中该至少两个电极间的电压为交流电压，其中该至少两个电极的电流交流幅值相等且方向相反；以及
一导体，耦接于该功率元件模块；
其中该第一磁层及该第二磁层用以承载一含交流磁通分量的磁回路；
其中该第一磁层及该第二磁层分别设置于该第一电流层的两侧；
其中该第一电流层及该第二电流层分别设置于该第二磁层的两侧。
24.如权利要求23所述的电源变换装置，其中该第一电流层、该第二电流层、该第一磁层及该第二磁层两两交错。
25.如权利要求23所述的电源变换装置，其中该功率元件模块包含：
至少一开关，设置于该第一电流层。
26.如权利要求25所述的电源变换装置，其中该功率元件模块包含一载板，其中该至少一开关设置于该载板上；
其中该电源变换装置，还包含：
一第一导磁部，设置于该第一磁层；及
一第二导磁部，设置于该第二磁层；
其中该导体设置于该第二导磁部的外侧表面，并耦接于该载板。
27.一种电源变换装置，包含：
一含交流电流分量的电流环，包含：
一功率元件模块，包含：
至少两个电极，其中该至少两个电极间的电压为交流电压，该至少两个电极的电流交流幅值相等且方向相反；
一载板，包含一上表面及一下表面；以及
一功率半导体单元，设置于该载板的该上表面或该下表面；以及
一导体，耦接于该功率元件模块；
一含交流磁通分量的磁回路，包含：
一磁性元件，包含：
一第一磁性单元，设置于该载板的该上表面；以及
一第二磁性单元，设置于该载板的该下表面；
其中该第一磁性单元及该第二磁性单元形成一闭合磁通路的载体，且该第一磁性单元及该第二磁性单元间包含一腔体，其中该功率元件模块设置于该腔体内，其中该导体设置于该第一磁性单元的外表面或该第二磁性单元的外表面。
28.如权利要求27所述的电源变换装置，其中该腔体包含一深度，其中该功率元件模块被设置以进入该腔体的该深度的至少1/3。
29.如权利要求27所述的电源变换装置，其中该功率元件模块包含：
一第一功率元件模块；以及
一第二功率元件模块，其中该第一功率元件模块及该第二功率元件模块相互串联，以一同对一输入进行电源变换以产生一输出，其中该第一功率元件模块和该第二功率元件模块至少其中之一设置于该腔体内。
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