功率電路、控制方法、電源系統及功率電路的封裝結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本案是關于一種功率電路、控制方法、電源系統及功率電路的封裝結構，且特別是關于一種具有準級聯架構的功率電路、控制方法、電源系統及功率電路的封裝結構。
【背景技術】
[0002]高效率和高功率密度一直是業界對電源變換裝置的要求。高效率代表著減少能量損耗，并有效地利用能源以利于節能減碳與保護環境。高功率密度則代表著體積小、重量輕，減少空間需求，進而減少成本。
[0003]作為開關電源的重要組成元件之一，有源功率元件的特性對電源的性能就具有非常關鍵性作用。隨著半導體業的持續進步，且基于硅(Si)材料的有源功率元件特性已經接近理論極限，電源特性也因此被提升到相當高的程度。基于碳化硅(SiC)及氮化鎵(GaN)等寬禁帶材料的功率有源元件有機會具備更小內部阻抗、更小開關損耗及更高的工作溫度，可提升效率和功率密度而越來越被關注。
[0004]碳化硅及氮化鎵元件等包含常通型(B卩，柵極電壓為零時，元件導通；柵極電壓為負時，元件關斷)和常閉型(即，柵極電壓為正時，元件導通；柵極電壓為零時，元件關斷)兩種。然而，常通型元件的一個最明顯的問題，就是如何解決啟動的問題。
[0005]如圖1A所示，降壓式(Buck)電路10中的開關元件為常通式開關。舉例來說，常通式開關(例如:晶體管Ql及晶體管Q2)在柵極電壓為零時，為導通狀態，而在柵極為負壓時為關斷。由于在電路的初始狀態(即，電路還未供電的時段；輸入電源Vin=O),晶體管Ql及晶體管Q2的柵極電壓為零伏特，因此晶體管Ql及晶體管Q2處于導通狀態。在電路上電時，即輸入電源Vin不等于零時，則晶體管Ql及晶體管Q2會貫穿而導致損壞。
[0006]如圖1B所示，即在降壓式電路11的輸入電源Vin加入常閉式開關(例如:晶體管Qin)。由于供電前，晶體管Qin的柵極電壓為零伏特，所以處于關斷狀態。當輸入電源Vin供電時，常閉式開關Qin負責阻斷，即可保證安全。當常通式開關的控制信號開始正常工作后，使得晶體管Qin長期導通，這樣就實現了安全啟動。但不足的是，晶體管Qin的電壓應力與晶體管Ql及晶體管Q2 —樣，均為輸入電源Vin。此外，晶體管Qin通常為硅金屬氧化半導體晶體管(Si M0S)，在與氮化鎵功率元件的電壓等級一樣的情況下，晶體管Qin的通態電阻造成的損耗不容忽視，因此較難普及。
[0007]如圖1C所示，降壓式電路12為串聯(Cascade)結構，為較普遍地被設計在氮化鎵(GaN)元件的應用中，特別是在電壓較高的情況，例如:耐壓600伏特。高壓元件串聯低壓元件(例如:耐壓40伏特的元件)形成的結構，可以具備類似于傳統硅元件的常閉式元件的較佳控制特性。
[0008]然而，由于氮化鎵元件和硅元件均工作在高頻狀態，因此控制的損耗是兩者相加，也就是，控制的損耗增大。此外，由于硅元件是以串聯方式加入，且工作于高頻狀態，因此直接導致分布電感增大，產生更多電磁干擾。再者，氮化鎵元件是依據關斷電流來決定關斷控制，因此關斷電流越大，關斷的控制就越快；相對地，關斷電流越小，關斷控制就越慢，因此無法發揮氮化鎵的最佳特性。另外，氮化鎵元件本身是沒有反向恢復的，但是與其串聯的硅元件的二極管具有較大反向恢復，因此會消去氮化鎵元件沒有反向恢復的優勢，使氮化鎵元件不適用于反向恢復大的情況。
[0009]綜上所述，如何提升氮化鎵元件的能力，以解決控制損耗增大、回路電感增大、反向恢復損牦增大及氮化鎵元件特性被限制等問題，進而提升電源變換裝置的功率密度或者是變換效率，確實為所屬技術領域中亟需克服的重要課題。
【發明內容】
[0010]為解決上述的問題，本發明提供相對低壓的常閉式開關，以協助至少一相對高壓的常通式開關在無控制信號時，確實地被阻斷，而且在控制信號工作時，僅高壓的常通式開關進行高頻地開關工作，并使相對低壓的常閉式開關保持導通狀態，借此解決控制損耗增大、回路電感增大、反向恢復損牦增大及氮化鎵元件特性被限制等問題，進而提升電源變換裝置的功率密度或者是變換效率。
[0011]本發明的一方面是關于一種功率電路，包含一第一準級聯功率單元。第一準級聯功率單元包含一常通式開關、一常閉式開關、一控制單元、一第一開關單元及一第二開關單元。常通式開關包含一第一端、一第二端及一控制端。常閉式開關以串聯方式電性耦接至常通式開關，包含一第一端、一第二端及一控制端。控制單兀包含一第一端、一第二端、一第三端及一第四端，其中控制單元的第一端電性耦接至常閉式開關的控制端，控制單元的第三端電性耦接至常通式開關的控制端。第一開關單元包含一第一端及一第二端，其中第一開關單元的第一端電性耦接至常通式開關的控制端，第一開關單元的第二端電性耦接至常閉式開關的第二端。第二開關單元包含一第一端及一控制端，其中第二開關單元的控制端電性耦接至控制單元的第二端，且第二開關單元的第二端電性耦接至常通式開關的第二端。
[0012]依據本發明一實施例，其中第一開關單元還包括一控制端，控制端電性耦接至控制單元的第一端以接收控制單元傳送的一切換信號。
[0013]依據本發明一實施例，其中控制單元包含一第一控制器及一第二控制器，第一控制器包含一第一端及一第二端，第二控制器包含一第一端及一第二端，第一控制器的第一端及第二端分別為控制單元的第一端及第四端，第二控制器的第一端為控制單元的第三端、第二控制器的第二端為控制單元的第二端。
[0014]依據本發明一實施例，其中第一開關單元為一二極管，第一開關單元的第一端為二極管的陽極，第一開關單元的第二端為二極管的陰極。
[0015]依據本發明一實施例，準及聯功率電路還包含一電阻器，電性耦接于常閉式開關的控制端及第二端之間。
[0016]依據本發明一實施例，其中電阻器的阻值可在100歐姆與1000000歐姆之間。
[0017]依據本發明一實施例，功率電路還包含一二極管，其中二極管的陽極電性耦接控制單元，二極管的陰極電性耦接常通式開關的第二端。
[0018]依據本發明一實施例，其中第二開關單元還包括一第二控制端，第二控制端電性耦接至控制單元的第一端以接收控制單元傳送的一切換信號。
[0019]依據本發明一實施例，其中第二開關單元包括一第一常閉式開關、一第二常閉式開關、一第三常閉式開關及一電壓源，第一常閉式開關、第二常閉式開關和第三常閉式開關中每一者包含一第一端、一第二端及一控制端，第三常閉式開關的控制端自控制單元的第一端接收切換信號，第一常閉式開關的控制端及第二常閉式開關的控制端自控制單元的第二端接收一驅動信號，其中電壓源的負極電性耦接至控制單元的第三端，電壓源的正極電性耦接至第一常閉式開關的第二端。
[0020]依據本發明一實施例，其中第二開關單元包含一第一常閉式開關、一第二常閉式開關、一電阻器、一電容器及一二極管，第一常閉式開關及第二常閉式開關中每一者包含一第一端、一第二端及一控制端，電阻器電性耦接于控制單元的第二端與第三端之間，第一常閉式開關的控制端及第二常閉式開關的控制端用以自控制單元的第二端接收一驅動信號，第一常閉式開關的第二端電性耦接至二極管的陰極，電容器電性耦接于控制單元的第三端及二極管的陰極之間，二極管的陽極電性耦接至一電壓源。
[0021]依據本發明一實施例，其中第二開關單元是整合于控制單元中。
[0022]依據本發明一實施例，功率電路還包含一二極管，電性耦接于常通式開關的第一端及第二端之間，其中二極管的陽極電性耦接至常通式開關的第二端，二極管的陰極電性耦接至常通式開關的第一端。
[0023]依據本發明一實施例，其中控制單元包含一第五端，第五端電性耦接至常通式開關的第一端以檢測常通式開關的電流方向。
[0024]依據本發明一實施例，功率電路還包含一第二常通式開關，其中第二常通式開關以串聯方式電性耦接至第一準級聯功率單元以形成一半橋結構，半橋結構并聯一電壓源，第二常通式開關與第一準級聯功率單元串聯連接于一共節點，其中共節點用以作為半橋結構的一輸出端。
[0025]依據本發明一實施例，功率電路還包含一第二準級聯功率單元，其中第二準級聯功率單元電性耦接至第一準級聯功率單元以組成一半橋結構，半橋結構并聯一電壓源，第一準級聯功率單元及第二準級聯功率單元串聯于一共節點，其中共節點用以作為半橋結構的一輸出端。
[0026]依據本發明一實施例，其中當常閉式開關接收一控制信號而導通時，常通式開關接收一高頻開關信號而工作于一高頻開關狀態下。
[0027]依據本發明一實施例，其中常閉式開關具有一第一耐壓及常通式開關具有一第二耐壓，且常閉式開關的第一耐壓低于常通式開關的第二耐壓的50%。
[0028]依據本發明一實施例，其中常通式開關包含碳化硅接面場效晶體管(SiC JFET)或氮化鎵接面場效晶體管(GaN JFET)。
[0029]依據本發明一實施例，其中常閉式開關包含金屬氧化半導體晶體管(MOS)或絕緣柵晶體管(IGBT)。
[0030]依據本發明一實施例，其中第一準級聯功率單元應用于串聯諧振(LLC)電路、電流連續(CCM)工作模式的圖騰柱(Totem Pole)功率因數校正(PFC)電路、升壓(Boost)電路或降壓(Buck)電路其中之一。
[0031]本發明的另一方面是關于一種控制方法，應用于一準級聯功率單元，準級聯功率單元包含一控制單元以及串聯連接的一常通式開關及一常閉式開關，控制單元電性耦接至常通式開關及常閉式開關。控制方法包含:在一第一時段內，控制常閉式開關關斷及常通式開關導通；在一第二時段內，控制常閉式開關及常通式開關關斷；在一第三時段內，控制常閉式開關導通及常通式開關工作在一高頻開關狀態；在一第四時段內，控制常閉式開關及常通式開關關斷；以及在一第五時段內，控制常閉式開關關斷及常通式開關導通。
[0032]依據本發明一實施例，在第一時段內，控制方法還包下列步驟:關閉一第一電壓源，并根據具低電位的一控制信號控制常通式開關及常閉式開關；以及，拉升第一電壓源的電位自低電位至一第一電壓值，使得常通式開關的一驅動電壓自低電位下降至常通式開關的一驅動電壓閥值。
[0033]依據本發明一實施例，在第二時段內，還包含下列步驟:拉升第一電壓源的電位自第一電壓值至一第二電壓值，使得常通式開關的驅動電壓維持在常通式開關的驅動電壓閥值；維持第一電壓源的電位為第二電壓值，使得常通式開關的驅動電壓維持在常通式開關的驅動電壓閥值；將用以提供操作電壓給控制單元的一第二電壓源自低電位拉升至控制單元的一工作電壓值；維持第一電壓源的電位為第二電壓值，使得控制單元的工作電壓值維持不變，且常通式開關的驅動電壓維持在常通式開關的驅動電壓閥值；維持第一電壓源的電位為第二電壓值，使得控制單元的工作電壓值維持不變，且常通式開關的驅動電壓下降至一驅動電壓值。
[0034]依據本發明一實施例，在第三時段內，還包含下列步驟:通過控制單元輸出具高電位的一控制信號至常閉式開關的控制端，以控制常閉式開關導通；通過控制單元輸出具高電位的控制信號至常閉式開關的控制端，并輸出一高頻開關驅動信號至常通式開關的控制端；下拉第一電壓源的電位自第二電壓值至一欠壓保護電壓閥值，且通過控制單元輸出具高電位的控制信號至常閉式開關的控制端并輸出高頻開關驅動信號至常通式開關的控制端。
[0035]依據本發明一實施例，在第四時段內，還包含下列步驟:下拉第一電壓源的電位自欠壓保護電壓閥值至一第三電壓值；于第九時間點，通過控制單元輸出具低電位的控制信號至常閉式開關的控制端，以控制常閉式開關關斷；下拉第二電壓源自控制單元的工作電壓值至低電位，使得常通式開關的驅動電壓上升至常通式開關的驅動電壓閥值；下拉第一電壓源的電位自第三電壓值至第一電壓值，使得常通式開關的驅動電壓維持在常通式開關的驅動電壓閥值。
[0036]依據本發明一實施例，在第五時段內，還包含下列步驟:下拉第一電壓源自第一電壓值至低電位，使得常通式開關的驅動電壓自常通式開關的驅動電壓閥值上升至低電位；斷開第一電壓源，并通過具低電位的控制信號控制常通式開關及常閉式開關。
[0037]依據本發明一實施例，其中準級聯功率單元與一第二常通式開關串聯以組成一半橋電路，控制單元電性耦接至準級聯壓功率單元的常通式開關及常閉式開關及第二常通式開關，控制方法還包含下列步驟:在第一時段內，控制第二常通式開關導通；在第二時段內，于第三時間點至第六時間點之間，控制第二常通式開關導通，且于第六時間點至第七時間點之間，控制第二常通式開關關斷；在第三時段內，控制第二常通式開關工作在一高頻開關狀態；在第四時段內，于第九時間點至第十時間點之間，控制第二常通式開關關斷，且于第十時間點至第十一時間點之間，控制第二常通式開關導通；以及第五時段內，控制第二常通式開關導通。
[0038]本發明的另一方面是關于一種電源系統。電源系統包含一變換單元及一電壓調整單兀。變換單兀包含一輸入端及一輸出端，其中開關單兀的輸入端用以電性I禹接至一輸入電源。電壓調整單元包含一輸入端及一輸出端，其中電壓調整單元的輸入端電性耦接至變換單元的輸出端，電壓調整單元的輸出端用以電性耦接一負載。變換單元包含一第一準級聯功率單兀。第一準級聯功率單兀包含一第一常通式開關，包含一第一端、一第二端及一控制端。第一常閉式開關以串聯方式電性耦接至常通式開關，包含一第一端、一第二端及一控制端。控制單兀包含一第一端、一第二端、一第三端及一第四端，并用以分別獨立控制第一常通式開關及第一常閉式開關。控制單元的第一端電性耦接至常閉式開關的控制端，控制單元的第三端電性耦接至常通式開關的控制端。
[0039]依據本發明一實施例，其中其中第一準級聯功率單元還包含一電容器，其中電容器與常閉式開關并聯耦接。
[0040]依據本發明一實施例，其中第一準級聯功率單元還包含一二極管，其中二極管的陰極電性耦接至第一常閉式開關的第二端。
[0041]依據本發明一實施例，其中電壓調整單元包含一電容器及一電感器，電容器與負載并聯耦接，電感器電性耦接于電容器和第一常閉式開關的第二端之間。
[0042]依據本發明一實施例，其中變換單元還包含一第二準級聯功率單元，其中第一準級聯功率單元串聯耦接至第二準級聯功率單元，第二準級聯功率單元包含一第二常通式開關及一第二常閉式開關，第一準級聯功率單元及第二準級聯功率單元分別包含一第一電容器及一第二電容器，第一電容器并聯第一常閉式開關，第二電容器并聯第二常閉式開關。
[0043]依據本發明一實施例，其中第一電容器的容量大于第一常閉式開關的第一端及第二端之間的寄生電容的10倍，第二電容器的容量大于第二常閉式開關的第一端及第二端之間的寄生電容的10倍。
[0044]依據本發明一實施例，其中變換單元還包含一第一電容器、一輸入電容器及一第二準級聯功率單元，第二準級聯功率單元包含一第二常通式開關及一第二常閉式開關，其中第一準級聯功率單元串聯耦接于第二準級聯功率單元，第二準級聯功率單元包含一第二電容器，第二電容器并聯第二常閉式開關，第一電容器電性稱接于第一常閉式開關的第一端及第二常通式開關的一第一端之間，輸入電容器電性耦接于第一常閉式開關的該第二端及第二常通式開關的一第一端之間。
[0045]依據本發明一實施例，其中變換單元還包含一第二常通式開關及一電容器，第二常通式開關串聯耦接至第一準級聯功率單元，并與第一準級聯功率單元組成一半橋電路，電容器并聯第一準級聯功率單元中的第一常閉式開關。
[0046]依據本發明一實施例，其中電容器的容量大于第一常閉式開關的第一端及第二端之間的寄生電容的10倍。
[0047]依據本發明一實施例，其中變換單元還包含一第二常通式開關、一輸入電容器及一電容器，第二常通式開關串聯耦接至第一準級聯功率單元，與第一準級聯功率單元組成一半橋電路，電容器電性耦接于第一常閉式開關的第一端及第二常通式開關的第一端之間，輸入電容器電性耦接于第一常閉式開關的該第二端及第二常通式開關的一第一端之間。
[0048]依據本發明一實施例，其中電容器的容量為10微法拉以下。
[0049]依據本發明一實施例，其中變換單元還包含一穩壓管或一穩壓箝位裝置，穩壓管或穩壓箝位裝置并聯第一常閉式開關。
[0050]依據本發明一實施例，其中變換單元還包含一穩壓箝位裝置，穩壓管或穩壓箝位裝置電性耦接于第一常閉式開關的控制端及第一常閉式開關的第一端之間。
[0051]依據本發明一實施例，其中變換單元還包含一第二電容器，第二電容器并聯耦接第一常閉式開關的第一端及第二端。
[0052]依據本發明一實施例，其中變換單元還包含一開關，開關電性耦接于第二常通式開關的控制端與一電壓源之間。
[0053]依據本發明一實施例，其中變換單元還包含一第三常通式開關及一第四常通式開關，第三常通式與第四常通式開關串聯耦接，第三常通式開關的一第二端電性耦接至第一常通式開關的第二端，且第四常通式開關的一第一端電性耦接第二常通式開關的第一端。
[0054]依據本發明一實施例，其中控制單元包含一第一控制器及一第二控制器，第一控制器包含一第一端及一第二端，第二控制器包含一第一端及一第二端，第一控制器的第一端及第二端分別為控制單元的第一端及第四端，以及第二控制器的第一端及第二端分別為控制單元的第三端及第二端。
[0055]依據本發明一實施例，其中常閉式開關具有一第一耐壓及常通式開關具有一第二耐壓，且常閉式開關的第一耐壓低于常通式開關的第二耐壓的50%。
[0056]依據本發明一實施例，其中常通式開關包含碳化硅接面場效晶體管(SiC JFET)或氮化鎵接面場效晶體管(GaN JFET)。
[0057]依據本發明一實施例，其中常閉式開關包含金屬氧化半導體(MOS)或絕緣柵晶體管(IGBT)。
[0058]本發明的另一方面是關于一種功率電路的封裝結構，包含一第一常閉式開關、一第二常閉式開關及一常通式開關。第一常閉式開關包含一第一端、一第二端及一控制端，其中第一常閉式開關的第一端形成一第一接腳。第二常閉式開關包含一第一端、一第二端及一控制端，其中第二常閉式開關的第二端電性耦接第一常閉式開關的第一端，第二常閉式開關的控制端電性耦接第一常閉式開關的控制端以形成一第二接腳，且第二常閉式開關的第一端形成一第三接腳。常通式開關與第一常閉式開關和第二常閉式開關集成，并包含一第一端、一第二端及一控制端。常通式開關的控制端電性耦接第二常閉式開關的第一端，常通式開關的第二端電性耦接第二常閉式開關的第二端以形成一第四接腳，且常通式開關的第一端形成一第五接腳。第一接腳、第二接腳及第三接腳分別用以接收一控制信號，第四接腳及第五接腳用以與一外部電路連接。
[0059]依據本發明一實施例，其中第一常閉式開關與第二常閉式開關集成于一第一芯片，常通式開關集成于一第二芯片。
[0060]依據本發明一實施例，其中第一芯片堆疊于第二芯片上。
[0061]依據本發明一實施例，封裝結構還包含一電容器，其中電容器是堆疊于第一芯片上。
[0062]依據本發明一實施例，封裝結構還包含一電容器，其中電容器是堆疊于第一芯片上。
[0063]依據本發明一實施例，其中第一常閉式開關與第二常閉式開關集成為一半導體結構，半導體結構與常通式開關集成于同一集成電路芯片。
[0064]依據本發明一實施例，其中半導體結構包含碳化硅(SiC)晶體管、硅(Si)晶體管或氮化鎵(GaN)晶體管。
[0065]依據本發明一實施例，封裝結構還包含一電容器，其中電容器是堆疊于半導體結構上。
[0066]依據本發明一實施例，其中第一常閉式開關與第二常閉式開關組成一圖騰柱(totem pole)結構。
[0067]依據本發明一實施例，其中常通式開關包含碳化硅接面場效晶體管(SiCJFET)或氮化鎵接面場效晶體管(GaN JFET)。
[0068]本發明的另一