CN104143547A - 一种并联电容中间布局的低寄生电感GaN功率集成模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种并联电容中间布局的低寄生电感GaN功率集成模块，包括上桥臂器件、下桥臂器件和母线电容。上桥臂器件和下桥臂器件是LGA封装的GaN器件，母线电容是贴片封装。两个GaN器件并排放置，多个母线电容并联并放置在两个GaN器件中间。上桥臂器件的所有源极引脚和下桥臂器件的所有漏极引脚通过过孔连接到内部导电层上。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，从而明显地降低了高频功率回路寄生电感，减小了开关过程中的过电压和振荡。

Description

一种并联电容中间布局的低寄生电感GaN功率集成模块

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及并联电容中间布局的低寄生电感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并联电容中间布局的低寄生电感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、下桥臂器件和母线电容设置于基板的同一侧表面，上桥臂器件和下桥臂器件平行并排放置，母线电容安放在上桥臂器件与下桥臂器件中间；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，下桥臂器件的所有源极在靠近母线电容侧与母线电容的另一个电极相连；上桥臂器件的所有源 极通过基板上的过孔与基板内的中间导电层相连，下桥臂器件的所有漏极通过基板上的过孔与所述中间导电层相连。 

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。 

所述中间导电层是一个导电平面。 

所述基板为PCB板或LTCC板。 

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，从而明显地降低了高频功率回路寄生电感。中间导电层采用一个完整的导电平面，利用其去磁作用，可以进一步地减小高频功率回路寄生电感。本发明所述功率集成模块适用于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是本发明的结构三维示意图； 

图3是本发明的结构俯视图； 

图4是图3的A--A剖视图； 

图5是图3的B--B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.中间导电层，7.基板，8.连接上桥臂器件源极和中间导电层的过孔，9.连接下桥臂器件漏极和中间导电层的过孔，10.高频功率回路。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。 

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平行并排放置，母线电容3安放在上桥臂器件1与下桥臂器件2中间；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，下桥臂器件2的所有源极在靠近母线电容侧连接到母线电容3的另一个电极；上桥臂器件1的所有源极通过过孔连接到中间导电层6，下桥臂器件2的所有漏极通过过孔连接到中间导电层6。具体描述如下： 

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所示，上桥臂器件1、下桥臂器件2和母线电容3均位于基板7(基板为PCB板或LTCC 板)的同一表面。上桥臂器件1和下桥臂器件2均为LGA封装的GaN器件。上桥臂器件和下桥臂器件的封装大小相同，但也可以采用不同封装大小的上桥臂器件和下桥臂器件，上桥臂器件1和下桥臂器件2并排放置，母线电容3位于上桥臂器件1和下桥臂器件2的中间，母线电容3采用多个贴片电容并联。 

如图3所示，上桥臂器件1的所有漏极在靠近母线电容3侧通过母线电压正极4连接到母线电容3的一个电极，下桥臂器件2的所有源极在靠近母线电容3侧通过母线电压负极5连接到母线电容3的另一个电极；如图4所示，上桥臂器件1的所有源极通过过孔(连接上桥臂器件源极和中间导电层的过孔8)连接到中间导电层6；如图5所示，下桥臂器件2的所有漏极通过过孔(连接下桥臂器件漏极和中间导电层的过孔9)连接到中间导电层6。 

该GaN功率集成模块具有较小的回路面积，有效地减小了高频功率回路电感。同时，母线电压正极4和母线电压负极5形成于基板7表面的顶部导电层的对应区域，在基板制备工艺允许范围内应尽量减小中间导电层6和顶部导电层之间的距离。一方面可以进一步地减小高频功率回路的面积，另一方面也可以增强中间导电层6的去磁作用，从而可以更有效地减小高频功率回路寄生电感。 

为了提取高频功率回路寄生电感，建立了一个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)，4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0.22nH。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30％，明显小于现有的布线方式。 

由于母线电容位于上、下桥臂器件中间，上、下桥臂器件间距较大，提高了上、下桥臂器件散热性能。 

Claims (5)

1.一种并联电容中间布局的低寄生电感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)、下桥臂器件(2)和母线电容(3)设置于基板(7)的同一侧表面，上桥臂器件(1)和下桥臂器件(2)平行并排放置，母线电容(3)安放在上桥臂器件(1)与下桥臂器件(2)中间；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，下桥臂器件(2)的所有源极在靠近母线电容(3)侧与母线电容(3)的另一个电极相连；上桥臂器件(1)的所有源极通过基板(7)上的过孔与基板(7)内的中间导电层(6)相连，下桥臂器件(2)的所有漏极通过基板(7)上的过孔与所述中间导电层(6)相连。

2.根据权利要求1所述一种并联电容中间布局的低寄生电感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所述一种并联电容中间布局的低寄生电感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所述一种并联电容中间布局的低寄生电感GaN功率集成模块，其特征在于：所述中间导电层(6)是一个导电平面。

5.根据权利要求1所述一种并联电容中间布局的低寄生电感GaN功率集成模块，其特征是：所述基板(7)为PCB板或LTCC板。