CN110784114B - 一种用于非隔离式ac-dc电压变换系统的电压变换电路及变换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于非隔离式AC‑DC电压变换系统的电压变换电路及变换方法，电压变换电路包括：第一电压变换电路模块和第二电压变换电路模块，其中第一电压变换电路模块的输入端用于接收母线电压，第一电压变换电路模块的输出端用于耦接第一电容并提供中间电压，其中第一电压变换电路模块用于在母线电压处于谷底位置时导通第一电压变换电路模块的主晶体管，第二电压变换电路模块的输入端耦接第一电压变换电路模块的输出端用于接收中间电压，第二电压变换电路模块的输出端用于耦接电感的第一端，其中电感的第二端用于耦接输出电容并提供直流输出电压。该非隔离式AC‑DC电压变换电路既能准确控制输出端的直流低压，又具有较高的效率。

Description

一种用于非隔离式AC-DC电压变换系统的电压变换电路及变 换方法
技术领域
本发明涉及电子领域，具体但不限于涉及一种用于非隔离式AC-DC电压变换系统的电压变换电路及变换方法。
背景技术
在交流-直流(AC/DC)电压变换器领域，由于其高压输入，隔离型电压变换器被广泛采用。然而隔离型电压变换器由于变压器的应用，成本较高，且控制复杂。因此有必要开发非隔离式AC/DC电压变换器。但由于交流市电电源为高电压输入，非隔离式AC/DC电压变换器电源效率不高，且在半导体高低压隔离和信号处理方面也对半导体工艺提出了挑战。
发明内容
为了解决上述至少部分问题，本发明提出了一种用于非隔离式AC-DC电压变换系统的电压变换电路和变换方法。
根据本发明的一个方面，一种用于非隔离式AC-DC电压变换系统的电压变换电路，包括：第一电压变换电路模块，其输入端用于接收母线电压，其输出端用于耦接第一电容并提供中间电压，第一电压变换电路模块用于在母线电压处于谷底位置时导通第一电压变换电路模块的主晶体管；以及第二电压变换电路模块，其输入端耦接第一电压变换电路模块的输出端用于接收中间电压，第二电压变换电路模块的输出端用于耦接电感的第一端，其中电感的第二端用于耦接输出电容并提供直流输出电压。
在一个实施例中，第一电压变换电路模块包括谷底斩波电路的一部分，第二电压变换电路模块包括DC-DC电压变换电路的一部分。
在一个实施例中，第一电压变换电路模块包括第一半导体模块，第一半导体模块制作在第一半导体基底上，第二电压变换电路模块制作在第二半导体基底上形成第二半导体模块，其中第一半导体模块和第二电压半导体模块之间建立控制信号的通信，控制信号用于控制主晶体管或第二电压变换电路模块中的开关管。
在一个实施例中，第二半导体模块输出控制信号，第一半导体模块接收控制信号，第一半导体模块包括驱动级电路，驱动级电路的输入端接收控制信号，驱动级电路的输出端耦接主晶体管的控制端。
在一个实施例中，第一电压变换电路模块进一步包括晶体管半导体模块，制作在第三半导体基底上，晶体管半导体模块包括主晶体管，主晶体管的第一端用于接收母线电压，主晶体管的控制端耦接第一半导体模块，主晶体管的第二端用于提供中间电压。
在一个实施例中，第二电压变换电路模块包括DC-DC电压变换电路的开关管和控制电路，控制电路用于控制开关管和主晶体管。
在一个实施例中，第一电压变换电路模块进一步包括如下电路中的一个或多个：输入电压采样电路，用于采样母线电压；自供电电路，用于在第一电压变换电路模块正常工作前为控制电路提供供电电压；主动泄放电路，用于为母线电压提供泄放通路。
在一个实施例中，根据上述任一实施例所述的电压变换电路，第二电压变换电路模块用于形成buckboost电路。
在一个实施例中，根据上述任一实施例所述的电压变换电路，第一电压变换电路模块和第二电压变换电路模块位于电子封装体内，电子封装体具有五个管脚，其中第一管脚用于接收母线电压，第二管脚用于提供中间电压，第三管脚用于耦接电感，第四管脚用于耦接参考地，第五管脚用于采样电压变换电路的输出电压。
在一个实施例中，电压变换电路，进一步包括：整流电路，具有接收交流电源的输入端、第一输出端和第二输出端，其中第一输出端耦接第一管脚；第一电容，其第一端耦接第二管脚，其第二端耦接整流电路的第二输出端；电感，其第一端耦接第三管脚；以及输出电容，其第一端耦接电感的第二端和第五管脚，输出电容的第二端耦接第四管脚，输出电容用于提供AC/DC电压变换电路的输出电压。
在一个实施例中，电压变换电路兼容以下两种连接方式：第一电容的第二端耦接输出电容的第二端，第二电压变换电路模块用于形成buck电路；或者第一电容的第二端耦接输出电容的的第一端，第二电压变换电路模块用于形成buckboost电路。
在一个实施例中，第一管脚包括多个电耦接的子管脚，多个子管脚位于电子封装体的第一边，第二管脚、第三管脚、第四管脚和第五管脚位于电子封装体的第二边。
在一个实施例中，第一管脚进一步包括散热面，位于电子封装体的第一边和第二边之间的平面上。
在一个实施例中，根据上述任一实施例所述的电压变换电路，第一电压变换电路模块和第二电压变换电路模块位于电子封装体内，通过将电子封装体的管脚与外部分立器件的选择性连接，既能实现正压输出功能，又能实现负压输出功能。
在一个实施例中，根据上述任一实施例所述的电压变换电路进一步包括电子封装体，其中电子封装体包括第一芯片、第二芯片和第三芯片，其中第一电压变换电路模块包括第一芯片和第三芯片，第二电压变换电路模块包括第二芯片，其中：第一芯片包括用于驱动主晶体管的驱动级电路，第一芯片承受第一电压差；第二芯片承受第二电压差；第三芯片包括主晶体管，用于提供中间电压；其中第一电压差为第二电压差的2倍以上。
在一个实施例中，电子封装体包括引线框架，引线框架包括第一引线框架，第一引线框架用于放置第三芯片，第一引线框架和引线框架的其余部分电隔离，第三芯片具有第一面和与第一面相背对的第二面，第一面具有主晶体管的栅极和源极，第二面具有主晶体管的漏极用于接收母线电压，第二面设置在第一引线框架上以在主晶体管漏极和第一引线框架之间建立电连接并由第一引线框架提供散热通道。
在一个实施例中，第一引线框架包括基部和管脚部，基部用于放置第三芯片，管脚部向电子封装体的第一侧伸展并用于和外部电路连接，引线框架的其余用于与外部电路连接的结构向电子封装体的第二侧伸展，第二侧与第一侧相对。
根据本发明的另一个方面，一种进行非隔离式AC-DC电压变换的方法包括：采用第一电压变换电路将母线电压转换成中间电压，第一电压变换电路在母线电压处于谷底位置时导通第一电压变换电路的主晶体管；以及采用DC-DC电压变换电路将中间电压转换成直流输出电压。
在一个实施例中，方法进一步包括将第一电压变换电路的驱动级电路与控制电路设置在不同的半导体基底上。
在一个实施例中，方法进一步包括将第一电压变换电路的输出端与第一电容的第一端耦接，通过将第一电容的第二端选择性地耦接DC-DC电压变换电路的输出电容的第一端和第二端，使得DC-DC电压变换电路能兼容形成buck电路和buckboost电路。
本发明提供的用于非隔离式AC-DC电压变换系统的电压变换电路，通过第一电压变换电路的有效降压和第二电压变换电路的电压变换，既能准确控制输出端的直流低压，又具有较高的效率。并且通过将第一电压变换电路和其控制电路设置在不同的半导体基底上，将高压电路和低压电路进行物理隔离，降低了半导体工艺难度。且通过与外部分立器件的选择性连接，兼容正压输出和负压输出。本发明的其余优点将在具体实施方式中体现。
附图说明
图1示出了根据本发明一实施例的非隔离式AC-DC电压变换系统的框图示意图；
图2示出了根据本发明另一实施例的非隔离式AC-DC电压变换系统的框图示意图；
图3示出了根据本发明一实施例的非隔离式AC-DC电压变换电路系统的电路示意图；
图4示出了根据本发明一实施例的电子封装体与外部分立器件的第一种连接方式；
图5示出了根据本发明一实施例的电子封装体与外部分立器件的第二种连接方式；
图6示出了根据本发明一实施例的用于非隔离式AC-DC电压变换电路的电子封装体的结构示意图；
图7示出了根据本发明一实施例的晶体管Q1的谷底导通示意图；
图8示出了根据本发明一实施例的实现非隔离AC-DC电压变换的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
说明书中的“耦接”或“连接”既包含直接连接，也包含间接连接，如通过电传导媒介如金属的连接或通过公知的一些能实现相同功能的有源器件、无源器件的连接。“多个”或“多”表示大于等于2。
图1示出了根据本发明一实施例的非隔离式AC-DC电压变换系统的框图示意图。电压变换电路10包括第一电压变换电路模块11和第二电压变换电路模块12，第一电压变换电路模块11的输入端耦接AC-DC电压变换电路的输入端用于接收母线电压Vbus，第一电压变换电路模块11的输出端用于耦接第一电容C1并提供中间电压VDD。第一电压变换电路模块11用于在母线电压Vbus处于谷底位置时导通第一电压变换电路模块的主晶体管，将母线电压Vbus转换成中间电压VDD。母线电压Vbus的谷底位置参见图7阴影区域对应的位置，谷底位置为母线电压Vbus在较小值的位置，如小于母线电压Vbus幅值三分之二的区域或小于母线电压Vbus幅值二分之一的区域，或其区域的一部分。第二电压变换电路模块12的输入端耦接第一电压变换电路模块11的输出端用于接收中间电压VDD，第二电压变换电路模块12的输出端用于耦接电感L的第一端，电感L的第二端用于耦接输出电容Co并在输出电容Co的两端提供直流输出电压Vout，第二电压变换电路模块12用于将中间电压VDD转换成直流输出电压Vout。
从拓扑上说，非隔离式AC-DC电压变换系统包括第一电压变换电路和第二电压变换电路，其中第一电压变换电路可包含第一电压变换电路模块11和第一电容C1，第二电压变换电路可包含第二电压变换电路模块12中的一部分以及电感L和输出电容Co。
优选地，第一电压变换电路为谷底斩波电路(Valley-Chopping)。第二电压变换电路为直流-直流(DC-DC)电压变换电路。其中谷底斩波电路用于在母线电压Vbus处于谷底位置时导通谷底斩波电路的主晶体管，将母线电压Vbus转换成中间电压VDD，谷底斩波电路中的主晶体管可主要工作在开关状态。通过仅在谷底导通，系统功耗大为降低。在一个实施例中，母线电压Vbus为市电交流电的经整流后的直流电压，电压幅值约为220伏特，形状为馒头波形状，谷底斩波电路用于将高压的母线电压转换成较低的中间电压，如20-40伏特。DC-DC电压变换电路用于将中间电压VDD转换成准确控制的直流输出电压Vout，用于为负载供电。
在一个实施例中，第一电压变换电路模块11可包括谷底斩波电路的主晶体管以及主晶体管的驱动级电路，而不包括用于提供控制主晶体管的控制信号的晶体管控制电路。其中驱动级电路用于把较低电压的控制信号放大，用于提供适于驱动主晶体管的较高电压的驱动信号。在一个实施例中，第二电压变换电路模块12包括DC-DC电压变换电路的开关管和控制开关管的开关管控制电路，而不包括DC-DC电压变换电路的电感L和输出电容Co。优选地，第二电压变换电路模块12可进一步包括控制谷底斩波电路的主晶体管的晶体管控制电路。在另一个实施例中，第二电压变换电路模块12包括DC-DC电压变换电路的开关管和整流管，而不包括开关管控制电路、电感和输出电容，其中开关管控制电路可包含在第一电压变换电路模块中。在又一个实施例中，第二电压变换电路模块12可不包括DC-DC电压变换电路的整流管。
在一个实施例中，第一电压变换电路模块11包括制作在第一半导体基底上的第一半导体模块，第二电压变换电路模块12制作在第二半导体基底上形成第二半导体模块，其中第一半导体模块可包括主晶体管和驱动主晶体管的驱动级电路。在另一个实施例中，第一电压变换电路模块11可包括制作在第一半导体基底上的第一半导体模块和制作在第三半导体基底上的晶体管半导体模块，其中第一半导体模块上制作用于驱动主晶体管的驱动级电路，晶体管半导体模块上制作第一电压变换电路的主晶体管。在一个实施例中，第一半导体模块承受第一电压差，即第一半导体模块的最高电压值与最低电压值的差值，第二半导体模块承受第二电压差，其中，第一电压差为第二电压差的2倍以上。
如图1所示，第一电压变换电路模块11和第二电压变换电路模块12之间建立控制信号通信，该通信包括一控制信号Gate，用于耦接主晶体管或开关管的控制端。具体地，该控制信号Gate可用于控制谷底斩波电路的主晶体管或DC-DC电压变换电路的开关管。优选地，第二半导体模块12包括用于控制谷底斩波电路中主晶体管的晶体管控制电路和控制DC-DC电压变换器中开关管的开关管控制电路，第二半导体模块12输出控制信号Gate，第一半导体模块接收控制信号Gate，第一半导体模块包括驱动级电路，驱动级电路的输入端接收该控制信号Gate，驱动级电路的输出端耦接第一电压变换电路模块11的主晶体管的控制端。
第一电压变换电路模块可进一步包括如下电路中的一个或多个：输入电压采样电路，用于采样母线电压；自供电电路，用于在第一电压变换电路模块正常工作前为控制电路提供供电电压；主动泄放电路，用于为母线电压提供泄放通路。这些电路均可仅由无源器件组成。
通过将第一电压变换电路如谷底斩波电路的驱动电路和其控制电路设置在不同的半导体基底上，可使得第一半导体模块内部不包含有源器件，使得高压电路和低压电路分布在两个半导体基底上，利于降低控制电路中信号处理的难度和半导体工艺难度。
在一个实施例中，电压变换电路10为电子封装体，其内部包含第一电压变换电路模块11和第二电压变换电路模块12。
如图1所示，电压变换系统进一步包括整流电路13、电感L和输出电容Co，其中整流电路13的输入端接收交流电源Vac，整流电路13的输出端耦接第一电压变换电路模块11的输入端用于提供母线电压Vbus。整流电路13的输出端也可耦接一输入电容。第二电压变换电路模块12的输出端耦接电感L的第一端，电感L的第二端耦接输出电容Co，其中输出电容Co两端的压差为AC-DC电压变换电路100的直流输出电压Vout。其中DC-DC电压变换电路可包括第二电压变换电路模块12中的开关管及其控制电路、电感L和输出电容Co。在一个实施例中，DC-DC电压变换电路包括buckboost电路。在一个实施例中，通过将电子封装体10的管脚与外部分立器件的选择性连接，既能实现DC-DC电压变换电路的buck电路功能，又能实现buckboost电路功能，具体实现方式将在下面阐述。
图2示出了根据本发明另一实施例的非隔离式AC-DC电压变换系统的框图示意图。非隔离式AC-DC电压变换系统的电压变换电路20包括第一电压变换电路模块和第二电压变换电路模块22，其中第一电压变换电路模块包括电路模块21和晶体管模块24。晶体管模块24可包括第一电压变换电路的主晶体管Q1。优选地，电路模块21制作在第一半导体基底上形成第一半导体模块21，第二电压变换电路模块22制作在第二半导体基底上形成第二半导体模块22，主晶体管Q1制作在第三半导体基底上形成晶体管半导体模块24。在一个实施例中，电路模块21包括驱动谷底斩波电路主晶体管的驱动级电路，晶体管半导体模块24包括谷底斩波电路的主晶体管Q1，第二半导体模块22包括DC-DC电压变换电路的开关管和控制电路，其中控制电路控制DC-DC电压变换电路的开关管和主晶体管Q1。主晶体管Q1的第一端耦接第一半导体模块21用于接收母线电压Vbus，主晶体管Q1的第二端耦接第二半导体模块22用于提供中间电压VDD，主晶体管Q1的控制端耦接第一半导体模块21的输出端并受第一半导体模块21驱动。
在一个实施例中，电压变换电路20包括电子封装体，电子封装体包括第一芯片21、第二芯片22和第三芯片24。第一芯片承受第一电压差，第二芯片22承受第二电压差，第一电压差为第二电压差的2倍以上。
在一个实施例中通过将主晶体管Q1的控制电路设置在第二芯片22中，第一芯片21可仅包含无源器件。
图3示出了根据本发明一实施例的用于AC-DC电压变换电路系统300的电路示意图。AC-DC电压变换电路系统300包括整流电路33、电压变换电路30、第一电容C1、电感L和输出电容Co。当然，AC-DC电压变换电路系统300也可称为电压变换电路。电压变换电路30可表现为电子封装体。电压变换电路30包括第一电压变换电路模块和第二电压变换电路模块32，其中第一电压变换电路模块包括电路模块31和主晶体管Q1。优选地，电压变换电路30包括第一半导体模块31或称第一芯片，第二半导体模块32或称第二芯片，以及晶体管半导体模块或称第三芯片34。电路模块31在端口DRAIN耦接AC-DC电压变换电路的输入端用于接收母线电压Vbus。电路模块31包括驱动级电路311，驱动级电路311接收从第二电压变换电路模块32输出的控制信号Gate，将信号Gate放大并通过将驱动级电路311的输出端耦接第一变换电路的主晶体管Q1的控制端来驱动主晶体管Q1。如图3所示，电路模块31还可进一步包括输入电压采样电路(R1、R2)，自供电电路312和主动泄放电路313。其中输入电压采样电路用于采样母线电压Vbus。在一个实施例中，电阻R1远大于R2，例如R1＝19＊R2，使得输入电压采样信号Vins为远低于母线电压Vbus的电压信号。自供电电路312用于在谷底斩波电路正常工作前为第二电压变换电路模块32中的控制电路提供供电电压。主动泄放电路313接收第二电压变换电路模块32提供的泄放控制信号用于为母线电压Vbus在谷底时刻提供泄放通路。电路模块31可包括输入电压采样电路，自供电电路312和主动泄放电路313中的一个或多个。驱动级电路311、输入电压采样电路、自供电电路312和主动泄放电路313可采用任何适合的或现有的电路形式。驱动级电路311、输入电压采样电路、自供电电路312和主动泄放电路313均可通过无源器件实现，因此电路模块31可不包含有供电电路且仅包含无源器件，有利于降低电路模块31的工艺复杂度。电路模块31上可制作耐压器件，采用耐压半导体工艺。由于母线电压Vbus在第一级(谷底斩波电路级)被转换成较低电压的中间电压VDD，可将前级的控制电路整合在包括第二级(DC-DC级)功率管的后级芯片中，实现高压电路和低压电路的有效分离，有利于降低非隔离式AC-DC电压变换系统的复杂度和成本。
第二电压变换电路模块32包括DC-DC电压变换电路的开关管Q7和控制电路，其中控制电路包括用于控制谷底斩波电路的主晶体管Q1的晶体管控制电路321以及控制开关管Q7的开关管控制电路322。在一个实施例中，晶体管控制电路321基于母线电压Vbus选择性地将主晶体管Q1在母线电压的谷底位置导通，并将中间电压控制在预设的参考值。
图7示出了根据本发明一实施例的晶体管谷底导通示意图。其中第一电压变换电路模块控制其主晶体管Q1在母线电压Vbus处于谷底位置时导通，图中阴影区域示意为主晶体管Q1导通的时刻。母线电压的谷底位置可指母线电压的峰值的二分之一以下的位置。其中左右导通位置可不对称。主晶体管Q1甚至可在母线电压峰值的三分之一以下或更低的位置才被导通，使得中间电压VDD远低于母线电压Vbus的幅值。通过该控制，可使中间电压VDD远低于母线电压Vbus幅值，同时又降低了在主晶体管Q1上的功率损耗，提高了系统的效率。应当知道，第一电压变换电路模块在母线电压处于谷底位置时导通其主晶体管的控制也不排除为了特定功能，使第一电压变换电路模块的主晶体管Q1少量地在母线电压的顶端位置导通，但是主要还是在母线电压Vbus的谷底位置导通。
开关管控制电路322用于根据输出电压Vout，控制开关管Q7的导通占空比，将输出电压Vout控制在预设的参考输出值上。第二电压变换电路模块32可进一步包括同步整流管Q8，与开关管Q7串联连接，其中开关管Q7的高位端耦接主晶体管Q1的第二端用于接收中间电压VDD，同步整流管Q8的另一端耦接参考地GND。第二电压变换电路模块32还可进一步包括输出电压采样电路(R3和R4)，用于采样输出电压Vout并用于对输出电压Vout进行稳压控制。
在一个实施例中，第一芯片31承受的第一电压差为母线电压Vbus峰值到地GND的电压。第二芯片32承受的第二电压差为中间电压VDD到地GND的电压。在一个实施例中，中间电压VDD远小于母线电压Vbus的幅值，例如Vbus为约300伏特，VDD为约30伏特。这样，第一电压差远大于第二电压差，因此第一芯片31的耐压要求较高，第二芯片32的耐压要求较低。通过将控制电路321和322设置在第二电压变换电路模块32即第二芯片32中，则利于实现低压信号控制。在优选的实施例中，因此第一芯片31无需采用供电电路，半导体工艺得到简化。
继续图3的说明，第一电压变换电路模块31和第二电压变换电路模块32位于电路模块30内。优选地，电路模块30为电子封装体。电子封装体30具有五个管脚，分别为DRAIN，VDD，SW，GND和VO，其中第一管脚DRAIN外部耦接电源输入端即整流电路33的输出端，用于接收母线电压Vbus，第一管脚DRAIN内部耦接谷底斩波电路的主晶体管Q1的第一端。优选地，主晶体管Q1为场效应管，第一管脚DRAIN内部耦接主晶体管Q1的漏极。第二管脚VDD提供中间电压，中间电压为谷底斩波电路将母线电压Vbus经过第一级变换的电压。优选地，中间电压VDD由谷底斩波电路主晶体管Q1的源极端提供。第三管脚SW提供开关波形的信号，在开关管Q7和整流管Q8的共同耦接点处提供，第三管脚SW外部耦接电感L。第四管脚GND用于耦接参考地，对内耦接第一控制电路321、第二控制电路322的控制地。第五管脚VO用于采样电压变换电路的输出电压Vout，用于为第二控制电路322提供输出电压采样信号。整流电路33具有接收交流电源Vac的输入端、提供母线电压Vbus的第一输出端和第二输出端。其中整流电路33的第一输出端耦接第一管脚DRAIN。第一电容C1的第一端耦接第二管脚VDD，其第二端耦接整流电路33的第二输出端，即整流电路33的低位输出端。电感L的第一端耦接第三管脚SW。输出电容Co的第一端耦接电感L的第二端和第五管脚VO，输出电容Co的第二端耦接第四管脚GND，输出电容Co用于提供AC/DC电压变换电路的直流输出电压Vout。
在一个实施例中，通过将电子封装体的管脚与外部分立器件的选择性连接，既能实现DC-DC电压变换电路的降压变换(buck)电路的正压输出功能，又能实现升降压变换(buckboost)电路的负压输出功能。图3所示的电路实施例可兼容以下两种连接方式，通过将第一电容C1的第二端选择性地耦接至第四管脚GND即输出电容Co的第二端(Co低压端)可实现buck电路功能并能提供正压输出，通过将第一电容C1的第二端选择性地耦接至第五管脚VO即输出电容Co的第一端(Co高压端)可实现buckboost电路功能并可提供负压输出。
图4和图5分别示出了根据本发明一实施例中的电子封装体IC与外部分立器件的两种连接方式，分别使DC-DC电压变换电路形成buck电路和buckboost电路，可既能实现正压输出功能，又能实现负压输出功能。在图4所示的第一种连接方式中，电子封装体的第一管脚DRAIN耦接整流电路的第一输出端(高位输出端)用于接收母线电压Vbus，第二管脚VDD耦接第一电容C1的第一端，第一电容C1的第二端耦接整流电路的第二输出端(低位输出端)，第三管脚SW耦接电感L的第一端，电感L的第二端耦接输出电容Co的第一端和第五管脚VO，输出电容Co的第二端耦接第四管脚GND，其中第一电容C1的第二端进一步耦接第四管脚GND。通过这样的连接关系，AC-DC电压变换电路中的DC-DC电压变换电路形成buck电路，此时第一控制电路321接收到的VDD采样信号以管脚GND为参考地，VDD处电压相对参考地GND为预设值Vref，Vout＝duty＊VDD＝duty＊Vref，其中duty为第二控制电路322输出的控制开关管Q7的脉宽调制信号的占空比，输出电压Vout小于VDD处电压。
在图5所示的第二种连接方式中，电子封装体的第一管脚DRAIN耦接整流电路的第一输出端(高位输出端)用于接收母线电压Vbus，第二管脚VDD耦接第一电容C1的第一端，第一电容C1的第二端耦接整流电路的第二输出端(低位输出端)和第五管脚VO，第三管脚SW耦接电感L的第一端，电感L的第二端耦接输出电容Co的第一端和第五管脚VO，输出电容Co的第二端耦接第四管脚GND。通过这样的连接关系，AC-DC电压变换电路中的DC-DC电压变换电路形成buckboost电路，此时第一控制电路321接收到的VDD采样信号以管脚VO为参考地，VDD处电压相对参考地VO为预设值Vref，输出电压Vout满足：Vout＝-duty/(1-duty)＊Vref，其中duty为第二控制电路322输出的控制开关管Q7的脉宽调制信号的占空比，输出电压Vout为负压输出，可高于VDD的预设值Vref，也可低于预设值Vref。
如图4或图5所示，电子封装体IC的第一管脚DRAIN包括多个电耦接的子管脚，多个子管脚DRAIN位于电子封装体的第一边(图示的左边)，第二管脚VDD、第三管脚SW、第四管脚GND和第五管脚VO位于电子封装体的第二边(图示的右边)。这样，一边都为高压的输入端管脚DRAIN，有利于减轻信号之间的相互干扰，且有利于散热。在一个实施例中，第一管脚进一步包括散热面，位于电子封装体的第一边和第二边之间的平面上。
图6示出了根据本发明一实施例的用于非隔离式AC-DC电压变换电路的电子封装体的结构示意图。电子封装体包括第一芯片61、第二芯片62和第三芯片63。其中第一芯片用于耦接AC-DC电压变换电路的输入端，第一芯片61承受第一电压差。在典型的实施例中，第一电压差为母线电压的幅值。在一个实施例中，第一芯片包括一驱动级电路，用于输出驱动信号驱动第一电压变换电路模块的主晶体管Q1。第三芯片63包括第一电压变换电路模块的主晶体管Q1。第一芯片61和第三芯片63用于将输入端DRAIN的高压母线电压转换成较低的中间电压VDD。第二芯片62用于耦接AC-DC电压变换电路的输出端，第二芯片包括第二电压变换电路模块，第二芯片62承受第二电压差。在一个实施例中，第二芯片62用于实现第二级电压变换，用于将中间电压VDD转换成预期的直流输出电压。第二芯片62在端口SW提供信号，在与外部分立元件如电感、输出电容连接后提供预期的输出电压。其中第一电压差大于第二电压差。优选地，第一电压差大于第二电压差的2倍。在一个实施例中，输入端DRAIN电压幅值约为220伏特，中间电压约为20-40伏特，第一电压差可达第二电压差的约10倍。因此，第一芯片61和第二芯片62的耐压要求不同。第一芯片61和第二芯片62的分离有利于将不同耐压要求的部件分布于不同的芯片上使得第二芯片62上能制作更高精度的电路，如将第一电压变换电路和第二电压变换电路的控制电路都设置在低电压差的第二芯片62上，有利于降低工艺复杂度，提高系统的整体性能。电子封装体还包括若干电连接结构651-657，耦接在第一芯片61、第二芯片62和第三芯片63之间。如图所示的电连接结构为导电引线。在其它的实施例中，电连接结构可为其它的形式，如焊球等。电子封装体还包括外部封装结构，用于容纳所述第一芯片61、第二芯片62、第三芯片63和电连接结构651-657形成电子封装体。电子封装体还可包括引线框架641-645，用于形成电子封装体的外部管脚或为各芯片提供支撑。其中第一引线框架641用于放置第三芯片63。第一引线框架641和引线框架的其余部分642-645电隔离。在图示的实施例中，第三芯片63中的主晶体管包括场效应管，第三芯片63的第一面(正面)具有与引线652连接的主晶体管的栅极和与引线653连接的主晶体管的源极，第三芯片63的与第一面相背对的第二面(背面，不可见)上具有主晶体管的漏极，第二面设置在第一引线框架641上以在主晶体管漏极和第一引线框架641之间建立电连接并由第一引线框架641提供散热通道。第一引线框架641包括基部和管脚部，基部用于放置第三芯片63，管脚部向电子封装体的第一侧(图示为向上)伸展并用于和外部电路连接，第一引线框架641的管脚部构成第一管脚DRAIN；引线框架的其余用于与外部电路连接的结构(如管脚VDD、SW、GND和VO)向电子封装体的第二侧(图示为乡下)伸展，其中第二侧与第一侧相对。第二引线框架642包括向电子封装体第二侧伸展的第二管脚VDD，第二管脚VDD用于提供中间电压。第三引线框架643包括向电子封装体第二侧伸展的第三管脚SW，第三管脚SW用于和电感的第一端连接，电感的第二端构成AC-DC电压变换电路的输出端。第一芯片61和第二芯片62设置在第四引线框架644上，其中第四引线框架644包括向电子封装体第二侧伸展的第四管脚GND，第四管脚GND用于作为芯片的参考地端。第五引线框架645包括向电子封装体第二侧伸展的第五管脚VO，第五管脚VO用于采样AC-DC电压变换电路的输出电压。在另一个实施例中，电子封装体也可不包括引线框架，而直接采用焊球与外部进行电互联。通过这样的封装结构，有利于实现高压芯片和低压芯片的隔离，同时利于第一管脚DRAIN提供大电流及散热。
图8示出了根据本发明一实施例的用于实现非隔离AC-DC电压变换的方法的流程图。进行非隔离AC-DC电压变换的方法包括：在步骤801，采用第一电压变换电路将母线电压转换成中间电压，第一电压变换电路在母线电压处于谷底位置时导通第一电压变换电路的主晶体管；以及在步骤802采用DC-DC电压变换电路将中间电压转换成直流输出电压。通过在母线电压处于谷底位置时导通第一电压变换电路的主晶体管，降低了第一电压变换电路的功率损耗，获得较低的中间电压，使得系统具有较高的效率。优选地，第一电压变换电路包括谷底斩波电路。
非隔离AC-DC电压变换的方法可进一步包括将第一电压变换电路的驱动级电路与控制电路设置在不同的半导体基底上。以低电压的中间电压作为DC-DC电压变换电路的输入电压，对DC-DC电压变换电路的耐压要求降低了，可将第一电压变换电路的控制电路设置在后级的包括DC-DC电压变换电路的功率开关管的芯片上，对高压低压芯片进行物理隔离，有利于提升控制电路的信号控制精度，使得非隔离式AC-DC电压变换系统的输出更为精确。
非隔离AC-DC电压变换的方法可进一步包括将第一电压变换电路的输出端与第一电容的第一端耦接，并通过将第一电容的第二端选择性地耦接DC-DC电压变换电路的输出电容的第一端和第二端，使得DC-DC电压变换电路能兼容形成buck电路和buckboost电路。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (19)

1.一种用于非隔离式AC-DC电压变换系统的电压变换电路，包括：
第一电压变换电路模块，其输入端用于接收母线电压，其输出端用于耦接第一电容并提供中间电压，第一电压变换电路模块用于在母线电压处于谷底位置时导通第一电压变换电路模块的主晶体管；以及
第二电压变换电路模块，其输入端耦接第一电压变换电路模块的输出端用于接收中间电压，第二电压变换电路模块的输出端用于耦接电感的第一端，其中电感的第二端用于耦接输出电容并提供直流输出电压；
其中第一电压变换电路模块包括第一半导体模块，第一半导体模块制作在第一半导体基底上，第二电压变换电路模块制作在第二半导体基底上形成第二半导体模块，其中第一半导体模块和第二电压半导体模块之间建立控制信号的通信，控制信号用于控制主晶体管或第二电压变换电路模块中的开关管。
2.如权利要求1所述的电压变换电路，其中第一电压变换电路模块包括谷底斩波电路的一部分，第二电压变换电路模块包括DC-DC电压变换电路的一部分。
3.如权利要求1所述的电压变换电路，其中第二半导体模块输出控制信号，第一半导体模块接收控制信号，第一半导体模块包括驱动级电路，驱动级电路的输入端接收控制信号，驱动级电路的输出端耦接主晶体管的控制端。
4.如权利要求1所述的电压变换电路，其中第一电压变换电路模块进一步包括晶体管半导体模块，制作在第三半导体基底上，晶体管半导体模块包括主晶体管，主晶体管的第一端用于接收母线电压，主晶体管的控制端耦接第一半导体模块，主晶体管的第二端用于提供中间电压。
5.如权利要求1所述的电压变换电路，其中第二电压变换电路模块包括DC-DC电压变换电路的开关管和控制电路，控制电路用于控制开关管和主晶体管。
6.如权利要求1所述的电压变换电路，其中第一电压变换电路模块进一步包括如下电路中的一个或多个：
输入电压采样电路，用于采样母线电压；
自供电电路，用于在第一电压变换电路模块正常工作前为控制电路提供供电电压；
主动泄放电路，用于为母线电压提供泄放通路。
7.如权利要求1-6任一项所述的电压变换电路，其中第二电压变换电路模块用于形成buckboost电路。
8.如权利要求1-6任一项所述的电压变换电路，其中第一电压变换电路模块和第二电压变换电路模块位于电子封装体内，电子封装体具有五个管脚，其中第一管脚用于接收母线电压，第二管脚用于提供中间电压，第三管脚用于耦接电感，第四管脚用于耦接参考地，第五管脚用于采样直流输出电压。
9.如权利要求8所述的电压变换电路，进一步包括：
整流电路，具有接收交流电源的输入端、第一输出端和第二输出端，其中第一输出端耦接第一管脚；
第一电容，其第一端耦接第二管脚，其第二端耦接整流电路的第二输出端；
电感，其第一端耦接第三管脚；以及
输出电容，其第一端耦接电感的第二端和第五管脚，输出电容的第二端耦接第四管脚。
10.如权利要求9所述的电压变换电路，兼容以下两种连接方式：
第一电容的第二端耦接输出电容的第二端，第二电压变换电路模块用于形成buck电路；
第一电容的第二端耦接输出电容的的第一端，第二电压变换电路模块用于形成buckboost电路。
11.如权利要求8所述的电压变换电路，其中第一管脚包括多个电耦接的子管脚，多个子管脚位于电子封装体的第一边，第二管脚、第三管脚、第四管脚和第五管脚位于电子封装体的第二边。
12.如权利要求8所述的电压变换电路，其中第一管脚进一步包括散热面，位于电子封装体的第一边和第二边之间的平面上。
13.如权利要求1-6任一项所述的电压变换电路，其中所述第一电压变换电路模块和所述第二电压变换电路模块位于电子封装体内，通过将电子封装体的管脚与外部分立器件的选择性连接，既能实现正压输出功能，又能实现负压输出功能。
14.如权利要求1-6任一项所述的电压变换电路，进一步包括电子封装体，其中电子封装体包括第一芯片、第二芯片和第三芯片，其中第一电压变换电路模块包括第一芯片和第三芯片，第二电压变换电路模块包括第二芯片，其中：
第一芯片包括用于驱动主晶体管的驱动级电路，第一芯片承受第一电压差；
第二芯片承受第二电压差；
第三芯片包括主晶体管，用于提供中间电压；
其中第一电压差为第二电压差的2倍以上。
15.如权利要求14所述的电压变换电路，其中电子封装体进一步包括引线框架，引线框架包括第一引线框架，第一引线框架用于放置第三芯片，第一引线框架和引线框架的其余部分电隔离，第三芯片具有第一面和与第一面相背对的第二面，第一面具有主晶体管的栅极和源极，第二面具有主晶体管的漏极用于接收母线电压，第二面设置在第一引线框架上以在主晶体管漏极和第一引线框架之间建立电连接并由第一引线框架提供散热通道。
16.如权利要求15所述的电压变换电路，其中第一引线框架包括基部和管脚部，基部用于放置第三芯片，管脚部向电子封装体的第一侧伸展并用于和外部电路连接，引线框架的其余用于与外部电路连接的结构向电子封装体的第二侧伸展，其中第二侧与第一侧相对。
17.一种用于非隔离式AC-DC电压变换系统的电压变换电路，包括：
第一电压变换电路模块，其输入端用于接收母线电压，其输出端用于耦接第一电容并提供中间电压，第一电压变换电路模块用于在母线电压处于谷底位置时导通第一电压变换电路模块的主晶体管；以及
第二电压变换电路模块，其输入端耦接第一电压变换电路模块的输出端用于接收中间电压，第二电压变换电路模块的输出端用于耦接电感的第一端，其中电感的第二端用于耦接输出电容并提供直流输出电压；
其中所述电压变换电路包括电子封装体，其中电子封装体包括第一芯片、第二芯片和第三芯片，其中第一电压变换电路模块包括第一芯片和第三芯片，第二电压变换电路模块包括第二芯片，其中：
第一芯片包括用于驱动主晶体管的驱动级电路，第一芯片承受第一电压差；
第二芯片承受第二电压差；
第三芯片包括主晶体管，用于提供中间电压；
其中第一电压差为第二电压差的2倍以上。
18.如权利要求17所述的电压变换电路，其中电子封装体进一步包括引线框架，引线框架包括第一引线框架，第一引线框架用于放置第三芯片，第一引线框架和引线框架的其余部分电隔离，第三芯片具有第一面和与第一面相背对的第二面，第一面具有主晶体管的栅极和源极，第二面具有主晶体管的漏极用于接收母线电压，第二面设置在第一引线框架上以在主晶体管漏极和第一引线框架之间建立电连接并由第一引线框架提供散热通道。
19.如权利要求18所述的电压变换电路，其中第一引线框架包括基部和管脚部，基部用于放置第三芯片，管脚部向电子封装体的第一侧伸展并用于和外部电路连接，引线框架的其余用于与外部电路连接的结构向电子封装体的第二侧伸展，其中第二侧与第一侧相对。
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