CN104112718A - 一种双面布局的低寄生电感GaN功率集成模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双面布局的低寄生电感GaN功率集成模块，包括上桥臂器件、下桥臂器件和母线电容。上桥臂器件、下桥臂器件是LGA封装的GaN器件，母线电容是贴片封装。两个器件安放在基板的正反两面，上桥臂器件的源极和下桥臂器件的漏极正对放置，并通过过孔直接相连。母线电容放置在上桥臂器件两侧。本发明采用的布局方式，可以有效地减小高频功率回路的面积，同时充分利用了LGA封装漏极和源极引脚交错排列的结构，构成多个交错并联的高频功率电流回路，从而极大地降低了高频功率回路寄生电感，有效地减小了开关过程中的过电压和振荡。

Description

一种双面布局的低寄生电感GaN功率集成模块

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及双面布局的低寄生电感GaN功率集成模块。

背景技术

GaN功率器件是近几年出现并逐步商业化的热门新材料器件，与Si器件相比具有优越的通态特性和非常好的开关特性，因此在较短的时间内就吸引了工业界的关注，从事应用研究的学者们也开展了大量的研究工作，将其应用到POL、DC/DC等低压、小功率的电源装置中。研究表明，用GaN器件替换Si器件可以大幅度提高开关频率，同时保持了良好的效率指标。毫无疑问，在低压、小功率应用中，GaN器件将会获得越来越普遍的应用，并极大的促进这些领域电源装置在功率密度、效率等方面的性能的提高。

但在GaN器件的应用过程中，也出现了一些亟待解决的关键性问题，如：GaN器件的栅极驱动电荷(Qg)很小，结电容也非常小，因此开关速度比Si器件快得多。好的一面是可以提高开关频率，但坏的一面就是开关过程中开关支路的电流变化非常迅速、di/dt很高。由于功率回路中不可避免的存在寄生电感，当电流迅速变化时，在开关器件两端会产生很高的尖峰过电压。轻则造成电路误动作、EMI超标，重则导致器件击穿损坏。GaN器件很高的开关速度导致其开关过程中的寄生振荡和过电压现象远比Si器件明显。GaN器件由于开关速度更快，因此对电路中的寄生电感更为敏感。如果布线不够优化，寄生电感较大，则会直接影响电路的正常工作。

针对GaN器件应用的这些问题，已经开展了一些研究工作，现有针对GaN器件的布局和布线方案，有效地减小了高频功率回路电感，最优结构为0.4nH，是目前最好的方案。然而，寄生振荡现象依然存在，有必要进一步优化布局和布线方式以减小高频功率回路电感。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双面布局的低寄生电感GaN功率集成模块，通过优化布局和布线方式，能够有效的降低功率回路寄生电感。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

包括上桥臂器件、下桥臂器件和母线电容，上桥臂器件和下桥臂器件分别对应安放在基板的正反面上，上桥臂器件的源极和下桥臂器件的漏极正对放置，上桥臂器件的源极通过基板上的过孔与下桥臂器件的漏极对应相连；母线电容安放在上桥臂器件一侧或两侧的基板上；上桥臂器件的所有漏极在靠近母线电容侧与母线电容的一个电极相连，母线电容的另一个电极通过基板上的过孔与基板内的中间导电层相连，所述中间导电层通过基板上的过孔与下桥臂器件的所有源极相连。

所述上桥臂器件和下桥臂器件均为LGA封装的GaN器件。

所述母线电容由多个贴片电容并联组成。

所述基板为PCB板或LTCC板。

所述中间导电层是一个导电平面。

本发明的有益效果是：本发明采用的布局方式，可以有效地减小高频功率回路的面积，同时充分利用了LGA封装交错排列漏极和源极引脚的结构，构成多个交错并联的高频功率电流回路，从而极大地降低了高频功率回路寄生电感。本发明的功率集成模块，其适用于LGA封装形式的GaN器件，可以明显地降低高频功率回路的寄生电感，使得应用中的开关回路避免出现过大的振荡和尖峰。

附图说明

图1是功率集成模块中带母线电容的桥臂电路图；

图2是本发明的结构正面示意图；

图3是本发明的结构反面示意图；

图4是图2的B--B剖视图；

图5是图2的A--A剖视图；

图6是基于功率集成模块的BUCK电路实验波形；

图中：1.上桥臂器件，2.下桥臂器件，3.母线电容，4.母线电压正极，5.母线电压负极，6.桥臂中点引出端，7.基板，8.连接上桥臂器件源极和和下桥臂器件漏极的过孔，9.连接下桥臂器件源极和中间导电层的过孔，10.高频功率回路，11.连接母线电压负极和中间导电层的过孔，12.中间导电层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明所述GaN功率集成模块中，上桥臂器件1、下桥臂器件2和母线电容3顺序相连构成高频功率回路10，上桥臂器件1和下桥臂器件2分别安放在基板7(基板为PCB板或LTCC板)的正反两面，上桥臂器件1的源极和下桥臂器件2的漏极正对放置，并通过过孔直接相连；母线电容3安放在上桥臂器件1的一侧或两侧；上桥臂器件1的所有漏极在靠近母线电容侧连接到母线电容3的一个电极，母线电容3的另一个电极通过过孔连接到中间导电层12，中间导电层12通过过孔直接连接到下桥臂器件2的所有源极。具体说明如下：

如图1所示，上桥臂器件1、下桥臂器件2和母线电容3顺序相连构成高频功率回路10。

如图2和图3所示，上桥臂器件1和母线电容3位于基板7的正面，下桥臂器件2位于基板7的反面，并且上桥臂器件1的源极和下桥臂器件2的漏极正对放置，上桥臂器件和下桥臂器件为LGA封装的GaN器件，且封装大小相同。母线电容3安放在上桥臂器件1的两侧，母线电容3由多个贴片电容经并联组成，贴片电容两极分别与母线电压正极4以及母线电压负极5相连，上桥臂器件1的所有漏极通过母线电压正极4连接到母线电容3的一个电极。母线电压正极4和母线电压负极5形成于基板7正面上的顶部导电层的对应区域。

如图3、图4所示，下桥臂器件2的漏极通过过孔(连接上桥臂器件源极和下桥臂器件漏极的过孔8)连接到上桥臂器件1的源极(一一对应相连)，中间导电层12通过过孔(连接下桥臂器件源极和中间导电层的过孔9)直接连接到下桥臂器件2的所有源极。所述基板7的反面上设置有底部导电层，底部导电层与连接上桥臂器件源极和和下桥臂器件漏极的过孔8相连，作为桥臂中点引出端6。也可以采用位于基板内部的导电层作为桥臂中点引出端。

如图5所示，母线电容3的另一电极通过过孔(连接母线电压负极和中间导电层的过孔11)连接到中间导电层12。

连接上桥臂器件源极和下桥臂器件漏极的过孔8以及连接下桥臂器件源极和中间导电层的过孔9位于基板上与器件相应电极相对应的位置处，可以减小回路的面积，有利于减小高频功率回路电感。

由于利用了GaN器件LGA封装漏极和源极交错排列的特点，可以形成交错并联的多个高频功率电流回路，从而可以减小高频功率回路电感。同时，在上桥臂器件两侧设置母线电容，相比仅单侧设置而言，由于形成了两个并联的高频功率回路，可以更有效地减小高频功率回路电感。另外，在基板制备工艺允许范围内应尽量减小中间导电层12和顶部导电层之间的距离，以减小高频功率回路10的面积，从而进一步减小高频功率回路电感。

为了提取高频功率回路寄生电感，建立一个12V输入，3V/6A输出的同步BUCK实验电路。GaN器件型号是EPC2015，来自于美国的Efficient Power Conversion公司(http://epc-co.com/epc)，10个0603封装的贴片电容，单个电容容值为4.7μF，PCB板，集成模块中，顶部导电层和中间导电层是厚度为2oz的铜，且它们的之间间距为5mil。下桥臂器件的漏源电压V_ds如图6所示。图6中的横坐标是时间，每格2.5ns，纵坐标是电压，每格3V。通过图6可以提取出振荡周期T_Ring，GaN器件在输入电压V_in下的输出电容C_ossVin可以通过器件手册获得。高频功率回路电感L_Loop可以通过以下公式求取：

$L_{\mathrm{Loop}}=\frac{T_{\mathrm{Ring}}^2}{{4\mathrm{\π}}^2{C}_{\mathrm{oss}\mathrm{Vin}}}$

通过计算，高频功率回路电感为0.08nH。同时，通过图6可以得出下桥臂器件的漏源电压V_ds的过电压为15％，明显小于现有的布线方式。

Claims (4)

1.一种双面布局的低寄生电感GaN功率集成模块，其特征在于：包括上桥臂器件(1)、下桥臂器件(2)和母线电容(3)，上桥臂器件(1)和下桥臂器件(2)分别对应安放在基板(7)的正反面上，上桥臂器件(1)的源极和下桥臂器件(2)的漏极正对放置，上桥臂器件(1)的源极通过基板(7)上的过孔与下桥臂器件(2)的漏极对应相连；母线电容(3)安放在上桥臂器件(1)一侧或两侧的基板(7)上；上桥臂器件(1)的所有漏极在靠近母线电容(3)侧与母线电容(3)的一个电极相连，母线电容(3)的另一个电极通过基板(7)上的过孔与基板(7)内的中间导电层(12)相连，所述中间导电层(12)通过基板(7)上的过孔与下桥臂器件(2)的所有源极相连。

2.根据权利要求1所述一种双面布局的低寄生电感GaN功率集成模块，其特征在于：所述上桥臂器件(1)和下桥臂器件(2)均为LGA封装的GaN器件。

3.根据权利要求1所述一种双面布局的低寄生电感GaN功率集成模块，其特征在于：所述母线电容(3)由多个贴片电容并联组成。

4.根据权利要求1所述一种双面布局的低寄生电感GaN功率集成模块，其特征在于：所述基板(7)为PCB板或LTCC板。