降压功率转换器、封装器件及功率转换器的控制方法

本技术涉及功率转换器制造，尤其涉及一种降压功率转换器、封装器件及功率转换器的控制方法。

背景技术：

1、随着ai服务器和数据中心功耗持续攀升，48v母线架构替代传统12v已成为行业趋势。然而，48v直降至1v处理器核心电压面临极大降压比挑战。传统单级buck变换器在该场景下占空比极小，导致开关损耗剧增、最小导通时间受限、控制环路设计困难；常规两级串联方案虽能缓解占空比压力，但多级功率路径串行使导通损耗叠加，且中间母线电容体积庞大，不利于功率密度提升。现有混合型变换器拓扑虽取得一定进展，但普遍存在功率级复杂、器件数量多、控制难度大等问题，难以兼顾高效率与高功率密度。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本技术提供一种降压功率转换器，包括：

2、输入端口，用于接收直流输入电压；

3、输出端口，用于向负载提供直流输出电压；

4、第一半桥功率级，包括串联连接于所述输入端口与参考地之间的第一高边开关管和第一低边开关管，所述第一高边开关管与所述第一低边开关管的公共节点定义为第一开关节点；

5、滤波复用单元，其包括第一电感和飞跨电容，所述第一电感的一端连接至所述第一开关节点；所述飞跨电容连接于所述第一电感的另一端与所述参考地之间；

6、第二功率级，连接于所述第一电感的另一端与所述输出端口之间，所述第二功率级包含多个开关管及开关电容网络；以及

7、第二电感，连接于所述第二功率级内的预设节点与所述输出端口之间；

8、其中，所述滤波复用单元同时作为所述第一半桥功率级的输出滤波网络以及所述第二功率级的输入滤波网络，所述功率转换器的稳态电压转换比满足：

9、v0/vin=d2/2；

10、其中 ，d 为所述第一半桥功率级中开关管的控制占空比，vin为所述输入电压，v0为所述输出电压。

11、在其中一个实施例中，所述第二功率级为后级降压转换单元，其输入侧连接至所述第一电感的另一端，其输出侧经由所述第二电感连接至所述输出端口。

12、在其中一个实施例中，所述第一电感和所述第二电感在工作过程中具有180°的相位差，两路电感电流纹波在所述输出端口处叠加后，其峰峰值小于单路电感电流纹波的峰峰值。

13、在其中一个实施例中，所述第二电感与所述第一电感的感值比l2/l1基于所述占空比设定，以满足l2/l1=（d-d2/2）/（1-d-d2/2），使得两路电感电流的峰值相等。

14、在其中一个实施例中，所述占空比的取值范围为0.15至0.25，以适配36v至60v的输入电压范围。

15、在其中一个实施例中，所述输出电压v0的范围为0.8v至1.2v，所述功率转换器用于为处理器或加速器芯片提供核心供电电压。

16、在其中一个实施例中，所述开关电容网络包括：

17、第一开关电容单元，其第一端分别与第三开关管和第四开关管的公共端连接，其第二端分别与第五开关管和第六开关管的公共端连接；所述第三开关管的电流通路另一端连接至所述第一电感的所述另一端；

18、第二开关电容单元，其第一端分别与第七开关管和第八开关管的公共端连接，其第二端分别与第九开关管和第十开关管的公共端连接；所述第八开关管的电流通路另一端连接至所述飞跨电容的第一极板。

19、在其中一个实施例中，所述第一开关电容单元和所述第二开关电容单元在所述第二功率级内形成均匀的电压分配节点，以降低所述第二功率级中各开关管的电压应力。

20、在其中一个实施例中，所述第一高边开关管和所述第一低边开关管均为氮化镓基高电子迁移率晶体管。

21、在其中一个实施例中，还包括飞跨电容电压平衡控制电路，所述飞跨电容电压平衡控制电路用于采样所述飞跨电容两端的电压，当所述飞跨电容的采样电压与目标值之间的偏差超过预设阈值时，通过调节所述占空比或所述第二功率级内的相位分配，使所述飞跨电容电压恢复至所述目标值。

22、在其中一个实施例中，还包括自适应模态切换控制电路，所述自适应模态切换控制电路根据负载电流检测信号，控制所述第一电感和所述第二电感的工作相位状态：

23、当负载处于重载稳态时，控制两相电感工作于互补交错状态以降低输出纹波；以及

24、当负载处于瞬态跳变时，控制两相电感工作于同相状态以提升动态响应速度。

25、本技术还提供一种封装器件，用于实现如上述任一实施例中所提到的功率转换器，包括：

26、封装基板，具有垂直方向的供电通孔；

27、氮化镓功率管芯粒，设置于所述封装基板的第一区域，至少集成所述第一高边开关管和所述第一低边开关管；

28、硅基控制芯粒，设置于所述封装基板的第二区域，集成所述第二功率级的开关管驱动逻辑以及脉宽调制控制电路；

29、无源器件层，埋入或贴装于所述封装基板内部，至少包含所述第一电感、所述第二电感、所述飞跨电容及输出滤波电容；

30、其中，所述封装基板将所述氮化镓功率管芯粒与所述硅基控制芯粒之间通过中间母线电压节点进行电气互连，并形成从所述封装基板底部输入高压、顶部输出低压的垂直供电功率路径。

31、在其中一个实施例中，所述氮化镓功率管芯粒与所述硅基控制芯粒在垂直方向上堆叠设置，且所述无源器件层位于所述封装基板的中间埋入区域。

32、在其中一个实施例中，所述硅基控制芯粒内集成有分段式栅极驱动电路，所述分段式栅极驱动电路用于在开关管开启过程中分段调节驱动电流的大小，并在驱动路径中引入握手信号以防止高边与低边开关管同时导通。

33、本技术还提供一种用于降压功率转换器的控制方法，包括：

34、产生占空比为d 的脉宽调制信号，控制所述第一功率级中高边开关管与低边开关管的互补导通，使得所述功率转换器的输出电压与输入电压之比满足 v0/vin=d2/2；

35、控制所述第一电感和所述第二电感的电流相位相差180度交错工作；

36、根据预设的目标输出电压或实时检测的占空比，调节所述第二电感与所述第一电感的等效感值比或控制时序，使得两路电感电流的纹波在输出端叠加后相互抵消。

37、在其中一个实施例中，还包括飞跨电容电压平衡步骤：

38、检测连接于所述第一功率级与所述第二功率级之间的飞跨电容的电压；

39、当检测到的飞跨电容电压偏离目标值时，调整所述脉宽调制信号的占空比 或调整所述第二功率级内开关电容网络的工作时序，直至飞跨电容电压恢复至目标值。

40、本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

41、由上述实施例可知，本技术提供一种降压功率转换器、封装器件及功率转换器的控制方法，降压功率转换器包括输入端口、输出端口、第一半桥功率级、滤波复用单元、第二功率级和第二电感。输入端口接收直流输入电压，输出端口向负载提供直流输出电压。第一半桥功率级连接于输入端口与参考地之间，其输出端连接滤波复用单元。滤波复用单元由第一电感和飞跨电容构成。第二功率级连接于滤波复用单元的输出端与第二电感之间。本技术通过将滤波复用单元同时作为第一半桥功率级的输出滤波网络和第二功率级的输入滤波网络，实现高降压转化比，可有效减少器件数量，降低开关管电压应力，提高转换效率，适用于高压输入、低压大电流输出的高降压比供电场景。

42、应理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。