JP2013223419A - 電力インバーター用のシステムオンチップ - Google Patents

Abstract

【課題】論理回路と電圧レベルシフターを備えた電圧インバータードライブ用のシステムオンチップにする。
【解決手段】集積回路（ＩＣ）はＩＣ上に一体となって形成された論理回路を備える。論理回路は、電力インバーターの電源スイッチを制御するための変調信号を発生するように構成されている。論理回路は、少なくとも一つの入力値にもとづいて、変調信号を発生する。ＩＣは、さらに、ＩＣ上に一体となって形成された電圧レベルシフターを備える。電圧レベルシフターは、変調信号を、電力インバーターの電力スイッチを駆動するのに適した電圧レベルに変えるように構成されている。論理回路は、デジタル論理回路であり得、入力値はデジタル入力値であり得る。ＩＣは、また、ＩＣ上に一体となって形成されたセンス回路を備えることが出来る。センス回路は、入力値を発生するように構成される。
【選択図】なし

Description

本出願は、2012年4月16日に出願された「高電圧インバータードライブ用のシステムオンチップ」と題する係属中の米国仮特許出願シリアル番号第61/624,556号に基づく優先権の利益を主張する。これによって、その係属中の仮出願における開示は、引用によって、本出願中に完全に組み込まれる。

電力インバーターは、モーター、スピーカー、ランプ又は、スイッチモード電源（SMPS)のような電気機器（load）に電力を供給するために利用される。適当な変調でもって電気機器に電力を供給するために、電力インバーターは、論理回路によって発生される変調信号に基づいて切り替えられる。論理回路は、電力インバーターの電圧、電流、又はインピーダンスの値のような入力値に基づいて、変調信号を発生する。電力インバーターを駆動するために、変調信号は、電圧レベルシフターによって、電力インバーターに対して適した電圧レベルに変えられる。論理回路と電圧レベルシフターは、別の集積回路（ICs）の中にあり、各々の別のICsは、各々の変調信号を調節するための専用のピンを組み込んでいる。

電力インバーター用システムオンチップは、実質的には、図の少なくとも一つに関連して示され、及び／又は、記述され、そして、より完全には特許請求の範囲に記載されている。

図１は、本開示のいくつかの実施形態に関連して、代表的なマルチチップモジュール（ＭＣＭ）の平面図を示す。 図２は、本開示のいくつかの実施形態に関連して、代表的な電力インバーターを示す。 図３は、本開示のいくつかの実施形態に関連して、代表的な集積回路（ＩＣ）の図解を示す。

以下の記載は、本開示における実施形態に関連した具体的な情報を含む。本出願における図面及びそれに付随する詳細な説明は、単に代表的な実施形態を対象としたものである。
別段の言及がなければ、図中の同様の又は対応する構成要素は、同様の又は対応する参照数字によって示される。さらに、本出願における図面やさし絵は、一般に、一定の縮尺ではなく、実際の相対的寸法に対応させることを意図していない。

図１は、マルチチップモジュール（MCM）１００の平面図を示す。MCM１００は、例えば、約１２ミリメートル四方の寸法で示されるか、又は、他の適当な寸法となりうる。MCM１００は、集積回路（IC）１０２、電源スイッチ１０４a、１０４b、１０４c、１０４d、１０４e及び１０４f（又は、まとめて「電源スイッチ１０４」と言う。）、リードフレーム１０６及びボンドワイヤ１０８を含んでいる。

IC１０２は、例えば、その上に、アナログとデジタル両方の回路が一体となって形成されたミックスシグナルICであり得る。電源スイッチ１０４は、例えば、パワー電界効果トランジスター（FETs）のようなパワートランジスターであり得る。示された実施形態において、IC１０２はと電源スイッチ１０４は、各々銅のリードフレームであり得るリードフレーム１０６の上に位置を定められます。また、IC１０２と電源スイッチ１０４は、リードフレーム１０６とボンドワイヤを利用して、電気的に各々結合される。ボンドワイヤのうち、ボンドワイヤ１０８a、１０８b、１０８c及び１０８dは、図１にあるように各々表示される。本開示の態様を不明瞭にしないように、図１からいくらかの詳細は省略される。例えば、リードフレーム１０６は、種々の部分を含み、互いに電気的に絶縁される。他の実施形態においては、IC１０２と電源スイッチ１０４は、別の方法を使用して、互いに電気的に結合できることが知られている。さらに、IC１０２と電源スイッチ１０４は、本開示の全ての実施形態において、１つのMCM又は同じMCMの中で、電気的に必ずしも結合される必要はない。

図１に示される実施形態では、MCM１００は、システムインパッケージ（SiP）である。IC１０２と電源スイッチ１０４は、電力インバーター、とりわけ、高電圧電力インバーターにおいて、電気的に結合される。本実施形態においては、電力インバーターは、３相電力インバーターであるが、違う型の電力インバーターでもあり得る。三相電力インバーターは、３つのレグを含み、各々は、電源スイッチ１０４から形成されるハーフブリッジを含んでいる。三相電力インバーターの第一番目のレグは、電源スイッチ１０４ｃと１０４ｄを含んでいる。三相電力インバーターの二番目のレグは、電源スイッチ１０４ｂと１０４ｅを含んでいる。三相電力インバーターの三番目のレグは、電源スイッチ１０４ａと１０４ｆを含んでいる。示された実施形態は、三相電力インバーターであるが、別の実施形態では、MCM１００は示されたものと比べて異なる数の相を含むことが出来る。例えば、電力インバーターは、２相電力インバーターであってもよい。

ここで、図２を参照すると、図２は電力インバーター２６０を示す。いくつかの実施形態において、図１におけるMCM１００は、図２における電力インバーター２６０を形成するように、利用される。電力インバーター２６０は、図１におけるIC１０２に対応するIC２０２を含んでいる。電力インバーター２６０は、また、図１における電源スイッチ１０４a、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ、１０４e及び１０４fにそれぞれ対応する、電源スイッチ２０４a、２０４b、２０４c、２０４d、２０４e及び２０４f（まとめて「電源スイッチ２０４」とも言う。）をも含んでいる。電源スイッチ２０４a、２０４b及び２０４cは、制御スイッチであり得、電源スイッチ２０４d、２０４e及び２０４fは、同期スイッチである。

IC２０２は、電気機器２１２に電力を供給するため、電圧入力V１を受け取って電力スイッチ２０４を駆動する。特定の実施例として、電力入力V１は、およそ１５ボルトであり得る。電圧入力V１は低電圧電源２５０から提供され、その電源は、コンデンサC4、EMIフィルター２５２、ダイオードブリッジ２５４及び、バス電圧VBUSを利用してAC線から電力入力V1を発生させる。

限定されない電気機器２１２の実施例は、ファンモーターのような電気モーター、スピーカー（ここで、電力インバーター２６０がクラスDの増幅器である）、ランプ及びスイッチモード電源装置を含んでいる。図２は、IC２０２が、個別の高サイドドライブ信号HO１、HO2及びHO3を、電力スイッチ２０４a、２０４b及び２０４cのゲートに提供されるように構成された３つの制御スイッチドライブ出力を有することを示している。図２は、また、IC２０２が、個別の低サイドドライブ信号LO１、LO2及びLO3を、電力スイッチ２０４d、２０４e及び２０４fのゲートに供給されるように構成された３つの同期スイッチドライブ出力を有することを示している。

電気機器２１２は、電源スイッチ２０４aと２０４f、電源スイッチ２０４bと２０４e、電源スイッチ２０４cと２０４d、及び、電源スイッチ２０４cと２０４dの、間のそれぞれの出力を受け取る。さらに、IC２０２は、各ブートストラップ電圧VB1、VB2及びVB3に対する出力に接続された３つのブートストラップ端子を含んでいる。３つのブートストラップ端子は、各コンデンサC1、C2及びC3を通じて、各電源電圧VS1、VS2及びVS3を備える３つの供給端子の各々に結び付けられている。供給電圧VSは、高サイドドライブ信号HO１、HO2及びHO3、並びに、低サイドドライブ信号LO１、LO2及びLO3を発生させるように、IC202における回路に結び付けられている。IC202は、色々な付加的機能を選択的に含むことが出来、少なくとも、ホスト240のような他の１つのデバイスに結び付けられている。

IC202は、少なくとも１つの論理演算及び計算を使用するように構成され、電源スイッチ２０４が適切にオンオフを連続して変えられるように、高サイドドライブ信号HO１、HO2及びHO3、並びに、低サイドドライブ信号LO１、LO2及びLO3を発生させる。高サイドドライブ信号HO１、HO2及びHO3、並びに、低サイドドライブ信号LO１、LO2及びLO3は、電源スイッチ２０４のゲートに対し、適当な電圧レベルを提供するようなレベルアップ変更された電圧である。

図３を参照すると、図３はIC302のダイアグラムを示している。図３でのIC302は、図２のIC202に対応している。IC302は、論理回路３０２、電圧レベルアップ部３２２及び支援回路３２４を備えている。

電圧レベルアップ部３２２は、センス回路３３８と、電圧シフター３３４a、３３４b及び３３４cを含む電圧レベルシフター３３４とを含む。支援回路３２４は、選択的な電源３３６とアナログ−デジタル変換器（ADC）３４２a及び３４２bを含む。

論理回路３２０と電圧レベルシフター３３４は、IC３０２上に一体となって形成される。論理回路３２０は、電力インバーターの電源スイッチを制御するため、高サイド変調信号３３０a、３３０b及び３３０c、並びに、低サイド変調信号３３２a、３３２b及び３３２cを発生するように構成される。電源スイッチは、図２における電力インバーター２６０の電源スイッチ２０４に対応する。低サイド変調信号３３２a、３３２b及び３３２cは、また、ここでは「変調信号３３２」として言及され、高サイド変調信号３３０は、ここではまた「変調信号３３０」として言及される。論理回路３２０は、少なくとも１つの論理演算と計算を使用するように構成され、変調信号３３０と３３２を発生する。

電圧レベルシフター３３４は、変調信号３３０及び３３２を電力インバーターの電源スイッチを駆動するのに適した電圧レベルに変えるように構成されている。例えば、図２における電源スイッチ２０４を駆動するための適した電圧である。図３に示すように、電圧レベルシフター３３４は、電圧レベルアップ部３２２の中にあり、高サイド変調信号３３０a及び低サイド変調信号３３２aを、高サイドドライブ信号HO１及び低ドライブ信号LO１にレベルアップ変更するための電圧レベルアップシフター３３４aを含んでいる。電圧レベルシフター３３４は、また、高サイド変調信号３３０b及び低サイド変調信号３３２bを、高サイドドライブ信号HO2及び低ドライブ信号LO2にレベルアップ変更するための電圧レベルアップシフター３３４bを含んでいる。電圧レベルシフター３３４は、さらに、高サイド変調信号３３０c及び低サイド変調信号３３２cを、高サイドドライブ信号HO3及び低サイドドライブ信号LO3にレベルアップ変更するための電圧レベルアップシフター３３４cを含んでいる。電圧レベルシフター３３４a、３３４b及び３３４cは、電圧レベルシフター３３４として、選択的に言及され得る。電圧レベルシフター３３４は、応用される要求（例えば、電力インバーター２６０におけるハーフブリッジの数）に依存して、より多い又はより少ない電圧レベルアップシフターを含み得る。

このように、図３における、高サイドドライブ信号HO1、HO2及びHO3は、図２における、高サイドドライブ信号HO1、HO2及びHO3に対応している。同様に、図３における、低サイドドライブ信号LO1、LO2及びLO3は、図２における、低サイドドライブ信号LO1、LO2及びLO3に対応している。電源スイッチ２０４を駆動するために適した電圧レベルは、論理回路３２０における電圧よりも著しく高く、例えば、およそ２６０ボルトからおよそ６００ボルトである。このように、電圧レベルシフター３３４は、論理回路３２０よりも、より高電圧のIC３０２の領域である、電圧レベルアップ部３２２にある。

IC３０２において、論理回路３２０及び電圧レベルシフター３３４は、各々IC３０２上に、一体となって形成される。それで、IC３０２は、変調信号３３０及び３３２の各々を受け入れる専用のピンを必要としない。そうすることで、電力インバーター２６０は、例えば、パッケージの配置や駆動信号の対称性及や接続の抵抗に関わるような重大な問題を避けることが出来る。このようにして、例えば、図１のIC１０２（IC３０２に対応する）は、電源スイッチ１０４とともに、MCM１００の中に設けられる。さらに、上記のように、MCM１００は、およそ１２ミリメートル角のような小さな寸法を有している。

変調信号３３０及び３３２を発生するため、論理回路３２０によって使用される少なくとも１つの論理演算及び計算は、少なくとも1つの入力値に基づく。図３に示された代表的な入力値は、入力値idx1、idx2及びidx3を含む。例えば、入力値のidx1、idx2及びidx3のような、少なくとも１つの入力値は、デジタル入力値とアナログ入力値のいかなる組合せも含むことが可能である。本実施形態においては、入力値idx1、idx2及びidx3は、デジタル入力値であり、論理回路３２０は、デジタル論理回路（例えば、ミックスシグナルICのデジタルコア）である。

入力値idx3は、IC３０２によってデジタル形式で受け取られ、論理回路３２０へ提供される入力値の例である。入力値idx1は、IC３０２がアナログ形式で（入力値idx1として）受け取り、論理回路３２０へデジタル形式で提供される入力値の例である。入力値idx2は、例えば、電圧レベルアップ部にあるセンス回路３３８のような、IC３０２内のセンス回路から、アナログ形式（アナログ入力値idx2として）で受け取り、論理回路３２０へデジタル形式で提供される入力値の例である。

示された実施形態において、サポート回路３２４は、論理回路３２０とインターフェースで接続するため、及び、入力値idx1及びidx2のようなデジタル入力値を論理回路３２０へ提供するように構成された、ADCｓ３４２a及びADCs３４２bを備えるため、アナログ信号調整器を任意に含んでいる。図３に示されたように、IC３０２は、入力値idxa1を入力値idx1に変換するように構成されたADC３４２aを任意に含んでいる。また、IC３０２は、アナログ入力値idxa2をデジタル入力値idx2に変換するように構成されたADC３４２bを任意に含んでいる。いくつかの実施形態においては、入力値idx1、idx2及びidx3のいずれもが、例えば、論理回路３２０がアナログ入力を受け入れるように、アナログ形式で論理回路３２０へ提供することが出来ることが知られている。このようにして、例えば、入力値idxa1及びidxa2は、いくつかの実施形態において、ADCs３４２a及び３４２b無しで、論理回路３２０へ提供され得るのである。

このように、入力値idx1及びidx3（及び／又は、特に示されていない入力値）は、外部のソースからIC３０２へ提供される。実施例として、入力値idx1及びidx3は、図２でのホスト２４０から受け取ることが出来る。ある実施形態において、図２では、入力値idx1又はidx3は、モーターである電気機器２１２の望ましいスピードである、スピード設定値電圧ＶＳＰであり得る。入力値idx1又はidx3は、また、モーターである電気機器２１２からの望ましい方向である、ホスト２４０からの方向制御入力ＤＩＲに対応し得る。いくつかの実施形態においては、入力値idx1及び／又idx3は、ホスト２４０からの汎用非同期送受信（ＵＡＲＴ）インターフェースによって提供される。例えば、入力値idx1及び／又idx3は、受信号ＲＸによってＩＣ２０２に提供され得る。さらに、入力値idx1及び／又idx3は、ＳＤＡ入力を通じて、電気的消去可能 プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）２６２から提供することが出来る。

入力値idx1及び／又idx3は、ホスト２４０のような外部素子以外の他のソースからのものでもよい。例えば、入力値idx1及び／又idx3は、図２におけるＰＡＲ１及びＰＡＲ２に対応することができる。論理回路３２０は、電気機器２１２に対する違った型の電気機器（例えば、モーターの違った型）に適応させるために、変調信号３３０及び３３２を発生するためのアルゴリズムを調整するよう、ＰＡＲ１及びＰＡＲ２を利用することができる。図２に示されるように、ＰＡＲ１及びＰＡＲ２は、コンデンサＣ５、抵抗Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３及びＲ４並びに電圧ＶＲを用いて提供される。電圧VRは、一実施例として、約３．３ボルトであり得る。

入力値idx1及び／又idx3は、また、図２に特に示されていない外部センサー及び／又他の外部の出所からのものでもよい。一実施形態において、入力値idx1は、図２での電源スイッチ２０４の検出電流ISENSEを含んでいる。例えば、ＩＣ３０２は、分路抵抗器Ｒｓのような分路抵抗器を介して、電源スイッチ２０４のいかなる組合せのソース端末と結びつけられる。検出電流ISENSEは、エナジースター（Energy Star）に準拠した電力管理のように、電力管理を電力インバーター２６０に提供するため、ＩＣ３０２によって使用される。その他の実施例として、入力値idx1及びidx3のいずれかは、電気機器２１２に含まれたホール効果センサー由来のものでもよい。

入力値idx1及びidx3は、ＩＣ３０２の外部のソース由来であるため、入力値idx1及びidx3が電力インバーター２６０の中で適応され、それが電力インバーター２６０の性能を下げ、設計を複雑にする。例えば、ＩＣ３０２は、入力値idx1及びidx3を受け取るため、一つ又はそれ以上の入力ピンを必要とするかも知れず、それによって、ＩＣ３０２上の貴重な専有面積を消費することになる。さらに、電力インバーター２６０は、ＩＣ３０２の入力ピンに入力値idx1及びidx3を提供するため、図１のＭＣＭ１００の中に、経路設定を必要とするかも知れない。経路が長く複雑となる結果、寄生（parasitics）が増加し、設計を複雑にする。そこで、入力値idx1及びidx3のような外部の入力値の使用を低減するか又は除外することが望まれる。

本開示のいくつかの実施形態に従うと、入力値idx2（及び／又特に示されない他の入力値）は、混合シグナルＩＣ３０２の内部信号である。そこで、入力値idx1及びidx3のような外部の入力値の使用を減らすか排除することが出来る。入力値idx2は、例えば、センス回路３３８からの（例えば、電源スイッチ２０４の）検出値であり得る。センス回路３３８は、電圧レベルアップ部３２２に設置されるが、ＩＣ３０２の他の場所に設置されることが出来ることは特筆される。しかし、ＩＣ３０２の電圧レベルアップ部３２２（例えば、高電圧区域）から入力値idx2（及び／又特に示されない他の入力値）を受け取ることが望ましいであろう。

入力値idx1、idx2及びidx3は、例えば、電圧値、電流値、インピーダンス値、温度値、磁気指数、及び／又は、図２の電力インバーター２６０の電源スイッチ２０４の他の指数や値の、任意の組合せであり得る。そして、センス回路３３８が、これらの値の少なくとも１つを検出するよう構成されることは、理解されるであろう。センス回路３３８は、ＩＣ３０２上に一体となって形成され、そして、入力値idx2を発生するように構成されているので、ＩＣ３０２は、入力値idx1及びidx3に関連する、上記のような外部入力値に関連した問題を避けたり、減らすことが出来る。

いくつかの実施形態においては、ＩＣ３０２は、ＩＣ３０２上に一体となって形成された電源３３６を備える。電源３３６は、論理回路３２０及び電圧レベルシフター３３４に電力を供給するように構成される。そのため、数ある長所の中でも、ＩＣ３０２は、入力電圧Ｖ１に対する単一ピンを必要とするだけである。

従って、図１、２及び３に関して上述したように、論理回路及び電圧レベルシフターは、ＩＣ上に一体となって形成される。さらに、電源及び／又センス回路は、また、ＩＣ上に一体となって形成され得る。様々な実施形態において、ＩＣは、有利なことに、接続される外部信号に関連する問題を回避するか又は低減することが出来る。そのように、ＩＣは、電源スイッチに関連して、単一フレームベースのパッケージ（例えば、ＭＣＭ１００）のような、単一パッケージに収めることが出来る。

様々な技術が、本願書の中で記述された構想を、それら構想の範囲から離れることなく実施するために、用いられ得ることは、上記記載から明白である。さらに、ある実施形態に特に言及して記述されてきた構想であるが、当該技術の分野における通常の技能を有する者なら、それら構想の範囲から離れることなく、形態や細部において変更出来ることを認識できる。そのように、上述の実施形態は、すべての点において、例示でありそれに限定されるものでないと考えられるものである。本願書は、また、上述された特定の実施形態に限定されるべきものではなく、本開示の範囲から離れることなく、多くの再編、修正及び置換が可能であることは、理解されるべきである。

Claims (20)

1. 集積回路（IC）上に一体となって形成された論理回路であって、電力インバーターの電源スイッチを制御するための変調信号を発生するように構成され、少なくとも一つの入力値に基づいた前記変調信号を発生する論理回路と、
   前記IC上に一定となって形成された電圧レベルシフターであって、前記変調信号を、前記電力インバーターの前記電源スイッチを駆動するための最適な電圧レベルに変えるように構成された前記電圧レベルシフターと、を備える集積回路。
2. 前記論理回路がデジタル論理回路を有する、請求項１に記載のIC。
3. 前記入力値がデジタル入力値を有する、請求項１に記載のIC。
4. 前記IC上に一体となって形成されたセンス回路を備え、該センス回路が前記入力値を発生するように構成される、請求項１に記載のIC。
5. 前記入力値が前記電力インバーターの前記電源スイッチの検出値を含む、請求項１に記載のIC。
6. 前記IC上に一体となって形成された電源を備え、該電源が前記論理回路及び前記電圧レベルシフターに電力を供給するように構成される、請求項１に記載のIC。
7. 前記電源インバーターが三相電源インバーターである、請求項１に記載のIC。
8. 前記ICはアナログ形式で前記入力値を受けるように構成される、請求項１に記載のIC。
9. 前記ICは前記論理回路に前記入力値を与えるように構成される、アナログデジタル変換器を有する、請求項１に記載のIC。
10. 前記入力値が、前記電力インバーターの前記電源スイッチの、電圧、電流、インピーダンス、及び温度の値の少なくとも１つを含む、請求項１に記載のIC。
11. 前記ICは、前記電力インバーターの前記電源スイッチとともにマルチチップモジュール中にある、請求項１に記載のIC。
12. 集積回路（IC）上に一定となって形成されたデジタル論理回路であって、電力インバーターの電源スイッチを制御するための変調信号を発生するように構成され、少なくとも一つのデジタル入力値に基づいた前記変調信号を発生するデジタル論理回路と、
    前記IC上に一定となって形成された電圧レベルシフターであって、前記変調信号を、前記電力インバーターの前記電源スイッチを駆動するための最適な電圧レベルに変えるように構成された前記電圧レベルシフターと、を備える集積回路。
13. 前記IC上に一体となって形成されたセンス回路を備え、該センス回路が前記デジタル入力値を発生するように構成される、請求項１２に記載のIC。
14. 前記IC上に一定となって形成された電源を備え、該電源が前記デジタル論理回路及び前記電圧レベルシフターに電力を供給するように構成される、請求項１２に記載のIC。
15. 前記デジタル入力値が前記電力インバーターの前記電源スイッチの検出値を含む、請求項１２に記載のIC。
16. 前記電源インバーターが三相電源インバーターである、請求項１２に記載のIC。
17. 前記ICがアナログ形式で前記デジタル入力値を受けるように構成される、請求項１２に記載のIC。
18. 前記ICは、前記デジタル論理回路に前記デジタル入力値を与えるように構成される、アナログデジタル変換器を有する、請求項１２に記載のIC。
19. 前記デジタル入力値が、前記電力インバーターの前記電源スイッチの、電圧、電流、インピーダンス、及び温度の値の少なくとも１つを含む、請求項１２に記載のIC。
20. 前記ICは、前記電力インバーターの前記電源スイッチとともにマルチチップモジュール中にある、請求項１２に記載のIC。

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