CN110401354A - 新能源汽车用大功率GaN半桥LLC充电模块 - Google Patents

新能源汽车用大功率GaN半桥LLC充电模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新能源汽车用GaN半桥LLC充电模块，包括：输入整流模块和GaN半桥LLC变换器模块，输入整流模块输出的高压母线Vbus和低压母线Vgnd进入GaN半桥LLC变换器模块进行DC/DC变换，得到输出高压母线Vout+和输出低压母线Vout‑。电路在版图实现时采用双面布局结构，包括：输入高压区和LLC版图区，以及跨接在输入高压区和LLC版图区之间的高压母线Vbus版图区和低压母线Vgnd版图区。本发明为提高半桥LLC电源模块的开关频率，采用LGA封装的GaN器件进行开关变换；为提高可靠性，采用双面布局结构对栅驱动、多管并联GaN器件和电压母线进行布局优化，保证GaN器件工作在安全区域状态，从而实现高密度功率集成和高效率，相关技术可以广泛应用于高密度车载充电机电源模块中。

Description

新能源汽车用大功率GaN半桥LLC充电模块
技术领域
本发明涉及一种用于新一代充电机电源的新能源汽车用大功率GaN半桥LLC充电模块，属于功率电子领域。
背景技术
进入21世纪，在智能电网、移动通信以及新能源汽车等新兴产业的牵引下，电力电子应用系统要求进一步提高系统的效率、小型化和增加功能，特别要求电路应用在尺寸、质量、功率和效率之间的权衡，比如服务器电源管理、电池充电器和太阳能电场的微逆变器。上述应用要求电力电子系统在设计效率>95％的同时，还具有高的功率密度(>500W/in3，即30.5W/cm3)、高比功率(10kW/磅,22kW/kg)和高总负载点(>1000W)。随着超结MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)的出现和应用普及，器件性能逐渐接近硅材料的极限，每四年功率密度提升1倍的规律趋于饱和(功率电子领域的摩尔定律)，功率密度仅为个位数的硅基功率半导体器件的开发由于上述原因而困难重重。
近年来以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体功率器件，因禁带宽、击穿电场强度高、高电子饱和速度快，在大功率、高温、高频、抗辐射的微电子领域，以及短波长光电子领域，有明显优于Si、Ge、GaAs等第一代和第二代半导体材料的性能。GaN功率器件与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。
新能源汽车车载充电机系统主要由车辆外部至供电端线缆、充电接口及线缆、车载充电、高压线束、高压配电设备、动力电池及其控制器等构成。家用交流电源通过车辆接口及线束与车载充电机连接，将交流220V电源转换为直流电，给动力电池进行充电。按照充电系统与公共电网是否直接接触，分为接触式充电系统和感应式充电系统。接触式充电系统具有结构简单、成本较低、电能传输效率高等特点，是目前主流的充电系统。车载充电系统安装在车辆内部，具有体积小、冷却和封闭性好、重量轻等优点，但现有车载充电机功率普遍较小，导致充电所耗时间长无法实现新能源汽车的快速充电。目前，市场上的乘用车和专用车车载充电机功率主要包括3.3kw和6.6kw，效率集中在93％-95％之间，冷却方式主要包括风冷和水冷。客车领域采用“交流快充方式”的40kw,80kw大功率车载充电机。随着新能源汽车动力电池的容量增大，若要在6-8小时的慢速充电时问内为纯电动汽车充满电，就需要配置功率更大的车载充电，对兼容不同类型的交流充电桩要求越。
车载充电机为完成对电池充电的功能。地面供电设备提供单相AC220V，充电机采用接口间的引导回路向动力电池提供充电电压、电流流量。电池管理系统BMS应能通过与车载充电机的实时通信实现对充电过程的控制与管理，车载充电机在地面充电装置与动力电池之间起到功率转换窗口的作用。BMS将动力电池组的充电电流、充电电压等需求信号经过CAN通讯发送至充电机，而充电机则把充电回路的输出电压、输出电流和输出功率等信号实时反馈给BMS。车载充电机的总体架构，通常包括主功率电路部分和弱电控制电路两部分。主功率部分包含EMI滤波、软启动、功率因数校正电路、隔离型DC/DC变换器、辅助电源及负载；弱电部分包含功率因数控制电路、DC/DC变换器控制电路及通讯模块。为实现高可靠充电机必须对各个环节进行优化设计。
当前新能源汽车和电动车动力电池充电机系统的设计中面临着日益严峻的的挑战，需要更高的充电效率和更大的充电功率。随着整车系统对电源模块小型化和功率密度要求日益严格，如何在空间不变的情况下，提供越来越高的输出功率，并具有超高速瞬态响应和最佳的性价比，是充电机电源设计的一个综合瓶颈问题。为实现车载充电机的智能化、小型化、轻量化、高效率化，提高车载充电机效率和功率密度、实现车载充电机的小型化是必然发展方向，而采用新型功率开关器件提高充电机开关频率是实现小型化的不二选择。
GaN器件的特性，使得GaN器件的栅极驱动电荷(Qg)很小，结电容也非常小，开关速度比Si器件快得多。而开关频率提高带来的好处是提高功率密度，因此采用GaN器件开发新型充电电源模块是一种很好的技术途径。然而采用提高开关频率的方式来提高功率密度，需要面临两方面的瓶颈问题：一是GaN器件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。二是随着GaN功率模块的功率密度提高，功率器件的散热要求更为严格。原因在于模块体积减小，散热器结构的选择和位置的摆放对功率模块的性能影响较传统功率模块更敏感。
发明内容
针对采用GaN功率器件进行功率集成时面临的应用挑战，本发明在栅驱动电路、器件布局和散热等方面进行了优化设计，提出了一种采用GaN功率器件应用于新一代充电机电源系统的高功率密度半桥LLC充电模块。
按照本发明提供技术方案，所述新能源汽车用大功率GaN半桥LLC充电模块包括：输入整流模块和GaN半桥LLC变换器模块，输入整流模块输出的高压母线Vbus和低压母线Vgnd进入GaN半桥LLC变换器模块进行DC/DC变换，得到输出高压母线Vout+和输出低压母线Vout-；
所述GaN半桥LLC变换器模块包括：PWM控制器的第一脉宽信号PWH1输出端连接到第一栅驱动电路的输入端，PWM控制器的第二脉宽信号PWL1输出端连接到第二栅驱动电路的输入端；第一栅驱动电路的输出端连接到限流电阻RH1的左端，限流电阻RH1的右端连接到GaN功率开关MHo的栅端，第三栅驱动电路的输出端连接到限流电阻RL1的左端，限流电阻RL1的右端连接到GaN功率开关MLo的栅端；GaN功率开关MHo的源端连接到高压母线Vbus，GaN功率开关MHo的漏端为半桥输出HB，半桥输出HB连接到GaN功率开关MLo的漏端和谐振电容Cr的左端，谐振电容Cr的右端连接谐振电感Lr的左端，谐振电感Lr的右端连接变压器T输入高压端，GaN功率开关MLo的源端连接到低压母线Vgnd和变压器T输入低压端；变压器T的第一输出端和输出二极管D3的阳极相连，变压器T的第四输出端和输出二极管D4的阳极相连，变压器T的第二和第三输出端同时连接到输出电容Co的下端、检测电路的第一输入端口和输出低压母线端Vout-相连；输出二极管D3的阴极和输出二极管D4的阴极相连，并连接到输出电容Co的上端和输出电感Lo的左端；输出电感Lo的右端为检测电路的第二输入端口和输出高压母线端Vout+；检测电路输出的对GaN半桥LLC变换器模块的电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号分别连接到反馈电路的输入端；反馈电路将所述电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号分别处理为反馈信号，输出给PWM控制器。
具体的，所述输入整流模块和GaN半桥LLC变换器模块在版图实现时采用双面布局结构，包括：输入高压区和LLC版图区，以及跨接在输入高压区和LLC版图区之间的高压母线Vbus版图区和低压母线Vgnd版图区；输入整流模块实现为所述输入高压区，位于正面；
所述LLC版图区包括：LLC输入高压区、变压器T版图区、LLC输出电压区和LLC低压供电区，其中LLC输入高压区、变压器T版图区、LLC输出电压区分布在正面，LLC低压供电区分布在反面，正面和反面之间的第二脉宽信号PWL1、第一脉宽信号PWH1以及检测电路输出的电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号通过通孔连接信号；
所述LLC输入高压区内部包括：第一栅驱动电路版图区、第二栅驱动电路版图区、限流电阻RH1版图区、限流电阻RL1版图区、GaN功率开关MHo版图区、GaN功率开关MLo版图区、第一散热器版图区、谐振电容Cr版图区、谐振电感Lr版图区、半桥输出HB版图区、高压母线Vbus版图区的局部和低压母线Vgnd版图区的局部，所述第一散热器版图区、谐振电容Cr版图区、谐振电感Lr版图区分布在半桥输出HB版图区的内部；
所述LLC输出电压区内部包括：第二散热器版图区、输出二极管D3版图区、输出二极管D4版图区、输出电感Lo版图区、输出电容Co版图区、检测电路版图区、输出高压母线Vout+版图区和输出低压母线Vout-版图区；
所述变压器T版图区跨接在LLC输入高压区和LLC输出电压区之间，变压器的版图区左侧，即变压器输入端部分版图区，和半桥输出HB版图区的右侧重合；变压器的版图区右侧，即变压器输出端部分版图区，和第二散热器版图区的左侧重合；
所述LLC低压供电区内部包含PWM控制器版图区、反馈电路版图区和LLC低压地线版图区。
具体的，所述的GaN功率开关MHo和GaN功率开关MLo均采用多个小电流GaN功率开关并联来实现大电流输出，并且均采用LGA封装形式的HEMT器件。
具体的，所述高压母线Vbus版图区采用C型半包围结构，其包围的空间内分布有通孔P_PWH1版图区、第一栅驱动电路版图区、限流电阻RH1版图区、HEMT器件MHo1版图区和HEMT器件MHo2版图区；HEMT器件MHo1和HEMT器件MHo2并联构成GaN功率开关MHo；
所述HEMT器件MHo1版图区和HEMT器件MHo2的版图区的左侧，即栅端位置朝向限流电阻RH1的右端PH1，限流电阻RH1的右端PH1到HEMT器件MHo1的栅端的金属线和限流电阻RH1的右端PH1到HEMT器件MHo2的栅端的金属线长度必须严格相等，并且两根金属线的长度均小于5mm，同时之间的夹角小于120度；
所述高压母线Vbus版图区的C型半包围结构的两个端部均为直角三角形形状，2个三角形的斜边相对，分别连接HEMT器件MHo1版图区和HEMT器件MHo2版图区的源极；高压母线Vbus版图区内部全部为金属层覆盖，并且包含通孔P_H11版图区和通孔P_H21版图区；
HEMT器件MHo1版图区和HEMT器件MHo2版图区的漏极之间夹着半桥输出HB版图区的左上角，该左上角形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形，并且等腰三角形内部存在一个通孔P_T11版图区；
所述低压母线Vgnd版图区采用C型半包围结构，其包围的空间内分布有通孔P_PWL1版图区、第二栅驱动电路版图区、限流电阻RL1版图区、HEMT器件MLo1版图区和HEMT器件MLo2版图区；HEMT器件MLo1和HEMT器件MLo2并联构成GaN功率开关MLo；
所述HEMT器件MLo1版图区和HEMT器件MLo2的版图区的左侧，即栅端位置朝向限流电阻RL1的右端PL1，限流电阻RL1的右端PL1到HEMT器件MLo1的栅端的金属线和限流电阻RL1的右端PL1到HEMT器件MLo2的栅端的金属线长度必须严格相等，并且两根金属线的长度均小于5mm，同时之间的夹角小于120度；
所述低压母线Vgnd版图区的C型半包围结构的两个端部均为直角三角形形状，2个三角形的斜边相对，分别连接HEMT器件MLo1版图区和HEMT器件MLo2版图区的源极；所述低压母线Vgnd版图区内部全部为金属层覆盖，并且包含通孔P_L11版图区和通孔P_L21版图区；
HEMT器件MLo1版图区和HEMT器件MLo2版图区的漏极之间夹着半桥输出HB版图区的左下角，该左下角形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形，并且等腰三角形内部存在一个通孔P_T21版图区。
具体的，负责传输第一脉宽信号PWH1和第二脉宽信号PWL1的两根金属线长度、宽度和厚度都必须严格相等；两根金属线采用平行走线方式，相互之间垂直距离不大于2mm，两根金属线布局走过的区域由低压地线进行隔离保护。
本发明的优点是：为提高半桥LLC电源模块的开关频率，采用LGA封装的GaN器件进行开关变换；为提高可靠性，采用双面布局结构对栅驱动、多管并联GaN器件和电压母线进行布局优化，保证GaN器件工作在安全区域状态，从而实现高密度功率集成和高效率，相关技术可以广泛应用于高密度车载充电机电源模块中。
附图说明
图1为本发明的电路模块框图。
图2为本发明的电路原理图。
图3为本发明的LLC半桥电路的时序控制图。
图4为本发明的模块布局图；其中1-输入高压区，3-LLC版图区。
图5为本发明LLC版图区的双面布局图；其中31-LLC输入高压区，32-变压器T版图区，33-LLC输出电压区，34-LLC低压供电区。
图6为实施例中本发明LLC输入高压区的详细布局图。
图7为实施例中本发明LLC输入高压区的一种实际布局图。
图8为实施例中本发明实现的一种LLC低压供电区的实际布局图。
图9为本发明的新能源汽车用大功率GaN半桥LLC充电模块的测试波形。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行进一步详细的说明。
图1为本发明新能源汽车用大功率GaN半桥LLC充电模块框图，包括输入整流模块和GaN半桥LLC变换器模块；输入高压交流AC进入输入整流模块得到高压母线Vbus和低压母线Vgnd；高压母线Vbus和低压母线Vgnd输出到GaN半桥LLC变换器模块进一步进行DC/DC变换，得到高质量的电源经输出高压母线Vout+和输出低压母线Vout-输出。其中所述的输入整流模块内部包含常规的EMI滤波电路和全桥整流电路，采用现有通用电路即可实现。
图1种所述的输入整流模块通常包含输入EMI滤波器、全桥整流和接触器模块。输入EMI滤波器对于50Hz的低频电流可流过，流过高频电流时则会产生很高的阻抗，能抑制电网和充电机的相互干扰。通常选择额定电压220V，电流50A的滤波模块，并且为达到更好的滤波效果采用2级级联结构。输入整流模块DM，整流桥的选取主要关注两个参数即最大反向电压和最大输入电流，输入市电波动范围在±10％内。接触器，接触器的线圈的吸合通过外加的继电器來控制，当继电器的线圈电压达到吸合所需的电压值时，继电器吸合，从而使接触器线圈带电，接触器也吸合。
如图2所示，本发明半桥LLC充电模块的电路结构包括：PWM控制器U1、第一栅驱动电路H1、第二栅驱动电路L1、GaN功率开关MHo、GaN功率开关MLo、分别连接在GaN功率开关MHo和GaN功率开关MLo栅端的限流电阻RH1和限流电阻RL1，谐振电容Cr、谐振电感Lr、变压器T、输出二极管D3、输出二极管D4、输出电容Co、输出电感Lo、检测电路U2和反馈电路U3。
电路的连接关系如下：PWM控制器U1的第一脉宽信号PWH1输出端连接到第一栅驱动电路H1的输入端，PWM控制器U1的第二脉宽信号PWL1输出端连接到第二栅驱动电路L1的输入端；第一栅驱动电路H1的输出端连接到限流电阻RH1的左端，限流电阻RH1的右端连接到GaN功率开关MHo的栅端，第三栅驱动电路L1的输出端连接到限流电阻RL1的左端，限流电阻RL1的右端连接到GaN功率开关MLo的栅端；GaN功率开关MHo的源端连接到高压母线Vbus，GaN功率开关MHo的漏端为半桥输出HB，半桥输出HB连接到GaN功率开关MLo的漏端和谐振电容Cr的左端，谐振电容Cr的右端连接谐振电感Lr的左端，谐振电感Lr的右端连接变压器T输入高压端，GaN功率开关MLo的源端连接到低压母线Vgnd和变压器T输入低压端；变压器T的第一输出端和输出二极管D3的阳极相连，变压器T的第四输出端和输出二极管D4的阳极相连，变压器T的第二和第三输出端同时连接到输出电容Co的下端、检测电路U2的第一输入端口和输出低压母线端Vout-相连；输出二极管D3的阴极和输出二极管D4的阴极相连，并连接到输出电容Co的上端和输出电感Lo的左端；输出电感Lo的右端为检测电路U2的第二输入端口和输出高压母线端Vout+。检测电路U2输出的对GaN半桥LLC变换器模块的电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号分别连接到反馈电路U3的输入端；反馈电路U3将所述电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号分别处理为反馈信号，输出给PWM控制器U1。
上述电路在版图实现时采用双面布局结构。
如图2所示半桥LLC充电模块包括两个GaN功率HEMT，其占空比都为0.5。半桥LLC充电模块的稳态工作原理如下(为方便说明，以一个完整时钟信号周期进行说明)，如图3所示。1)〔t1,t2〕，MHo关断，MLo开通，Lr和Cr进行谐振，次级二极管D3关断，二极管D4开通，二极管D3约为两倍输出电压，此时能量从Cr,Lr转换至次级。直到MLo关断。2)〔t2,t3〕，MHo和MLo同时关断，此时处于死区时间，此时电感Lr的电流Lm给MLo的输出电容充电，给MHo的输出电容放电。次级二极管D3和D4关断,当MHo开通时该相位结束。3)〔t3,t4〕，MHo导通，MLo关断。D3导通，D4关断，Cr和Lr谐振在一个频率fr1。4)〔t4,t5〕，MHo导通，MLo关断，D3导通，D4关断，Cr和Lr谐振在频率fr1,Lr的电流反向通过MHo流回功率地。能量从输入转换到次级，直到MHo关断该相位结束。5)〔t5,t6)，MHo,MLo同时关断，D3、D4关断，MLo开通相位结束。6)〔t6,t7〕，MHo关断，MLo导通，D3关断，D4开通，Cr和Lr谐振在频率fr1,Lr电流经MLo回到地。当Lr电流为零时相位结束。
图2所示电路在实际应用中，所述第一栅驱动电路H1和第二栅驱动电路L1可以使用一个半桥驱动电路实现，因此栅驱动电路可以合并为一个。同时现有的GaN器件的输出电流还无法达到硅基器件的电流大小，为实现大电流输出能力，本发明所述的GaN功率开关MHo和MLo通常采用多个小电流开关管并联来实现大电流输出。为实现最佳的开关频率，本发明所述的GaN功率开关MHo和MLo均采用LGA封装形式的HEMT器件，最大程度上减小寄生参数的影响。所述PWM控制器可以采用模拟线性电路或者DSP来实现，PWM控制器的版图面积和布局方式根据不同控制器类型会存在一定的区别。本发明所述栅驱动电路采用现有的增强型GaN HEMT驱动芯片即可完成相关功能；所述检测电路采用现有开关电源常用的温度检测电路、电流检测电路和电压检测电路即可实现；所述反馈电路采用光耦器件进行信号传输，再经电压积分电路处理即可实现。
图4为本发明的模块布局图，包括输入高压区1和LLC版图区3，以及跨接在输入高压区1和LLC版图区3之间的高压母线Vbus版图区和低压母线Vgnd版图区。LLC版图区3内部包含输出高压母线Vout+版图区和输出低压母线Vout-版图区。所述输入高压区1位于正面，包括EMI滤波电路版图区、全桥整流电路版图区、第三散热器、输入高压交流母线AC版图区和输入高压地线版图区。
所述LLC版图区3采用双面布局结构，如图5所示，包括LLC输入高压区31、变压器T版图区32、LLC输出电压区33、LLC低压供电区34、高压母线Vbus版图区的局部和低压母线Vgnd版图区的局部；所述LLC输入高压区31、变压器T版图区32、LLC输出电压区33分布在正面，所述LLC低压供电区34分布在反面，正面和反面之间的第二脉宽信号PWL1、第一脉宽信号PWH1、电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号通过通孔连接信号。
所述LLC输入高压区31内部包括第一栅驱动电路H1版图区、第二栅驱动电路L1版图区、限流电阻RH1版图区、限流电阻RL1版图区、GaN功率开关MHo版图区、GaN功率开关MLo版图区、第一散热器版图区、谐振电容Cr版图区、谐振电感Lr版图区、半桥输出HB版图区、高压母线Vbus版图区的局部和低压母线Vgnd版图区的局部。所述第一散热器版图区、谐振电容Cr版图区、谐振电感Lr版图区分布在半桥输出HB版图区的内部。
所述LLC输出电压区33内部包括第二散热器版图区、输出二极管D3版图区、输出二极管D4版图区、输出电感Lo版图区、输出电容Co版图区、检测电路U2版图区、输出高压母线Vout+版图区和输出低压母线Vout-版图区。
所述变压器T版图区32跨接在LLC输入高压区31和LLC输出电压区33之间，变压器T版图区左侧，即变压器T输入端部分版图区，和半桥输出HB版图区的右侧重合；变压器T版图区右侧，即变压器T输出端部分版图区，和第二散热器版图区的左侧重合。
所述LLC低压供电区34内部包含PWM控制器U1版图区、反馈电路U3版图区和LLC低压地线版图区34-1。
图6为本发明LLC输入高压区31的详细布局图，GaN功率开关MHo和GaN功率开关MLo均采用2个小电流HEMT器件并联来实现，即GaN功率开关MHo由HEMT器件MHo1和HEMT器件MHo2并联而成，GaN功率开关MLo由HEMT器件MLo1和HEMT器件MLo2并联而成。
所述高压母线Vbus版图区采用C型半包围结构，其包围的空间内分布有通孔P_PWH1版图区、第一栅驱动电路H1版图区、限流电阻RH1版图区、HEMT器件MHo1版图区和HEMT器件MHo2版图区。所述HEMT器件MHo1版图区和HEMT器件MHo2的版图区的左侧，即栅端位置朝向限流电阻RH1的右端PH1，限流电阻RH1的右端PH1到HEMT器件MHo1的栅端的金属线和限流电阻RH1的右端PH1到HEMT器件MHo2的栅端的金属线长度必须严格相等，并且两根金属线的长度均必须小于5mm，同时之间的夹角必须小于120度。
所述高压母线Vbus版图区的C型半包围结构的两个端部均为直角三角形形状，2个三角形的斜边相对，分别连接HEMT器件MHo1版图区和HEMT器件MHo2版图区的源极；高压母线Vbus版图区内部全部为金属层覆盖，并且包含通孔P_H11版图区和通孔P_H21版图区；HEMT器件MHo1版图区和HEMT器件MHo2版图区的漏极之间夹着半桥输出HB版图区的左上角，该左上角形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形，并且等腰三角形内部存在一个通孔P_T11版图区。
所述低压母线Vgnd版图区采用C型半包围结构，其包围的空间内分布有通孔P_PWL1版图区、第二栅驱动电路L1版图区、限流电阻RL1版图区、HEMT器件MLo1版图区和HEMT器件MLo2版图区。HEMT器件MLo1版图区和HEMT器件MLo2的版图区的左侧，即栅端位置朝向限流电阻RL1的右端PL1，限流电阻RL1的右端PL1到HEMT器件MLo1的栅端的金属线和限流电阻RL1的右端PL1到HEMT器件MLo2的栅端的金属线长度必须严格相等，并且两根金属线的长度均小于5mm，同时之间的夹角小于120度。
所述低压母线Vgnd版图区的C型半包围结构的两个端部均为直角三角形形状，2个三角形的斜边相对，分别连接HEMT器件MLo1版图区和HEMT器件MLo2版图区的源极；所述低压母线Vgnd版图区内部全部为金属层覆盖，并且包含通孔P_L11版图区和通孔P_L21版图区；HEMT器件MLo1版图区和HEMT器件MLo2版图区的漏极之间夹着半桥输出HB版图区的左下角，该左下角形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形，并且等腰三角形内部存在一个通孔P_T21版图区。半桥输出HB版图区的右侧包含一个通孔P_T31版图区，用于连接变压器T版图区32的左侧。
图7为采用本发明LLC输入高压区的一种实际布局图，完全按照图6所示的布局方式进行器件布局。HEMT器件MLo1版图区和HEMT器件MLo2版图区的源极和Vgnd的连接采用直角三角形斜边接触方式，是为了适应电流走向。采用LGA封装的HEMT器件，其源端和漏端均采用多叉指并联结构，而Vgnd的主要电流在HEMT器件MLo1版图区和HEMT器件MLo2版图区的左侧汇聚流通，因此靠近HEMT器件MLo1版图区左侧部分汇聚的电流比HEMT器件MLo1版图区右侧部分的电流要大，所以采用三角形斜边的方式进行连接，靠近HEMT器件MLo1版图区左侧部分为斜边的底部，靠近HEMT器件MLo1版图区右侧部分为斜边的顶部。HEMT器件MLo1版图区和HEMT器件MLo2版图区的漏极和半桥输出HB的连接则采用相反方向的三角形斜边接触方式。
第一散热器采用圆形柱状结构，其版图区域分布在半桥输出HB版图区内部。限流电阻RL1的右端PL1到HEMT器件MLo1的栅端的金属线和限流电阻RL1的右端PL1到HEMT器件MLo2的栅端的金属线长度必须严格相等。限流电阻RH1的右端PH1到HEMT器件MHo1的栅端的金属线和限流电阻RH1的右端PH1到HEMT器件MHo2的栅端的金属线长度必须严格相等。图中的每个金属通孔区域内，具体通孔的位置和通孔数目多少，可根据不同的功率等级和需求，进行差异化设计。图7中灰色区域全部为金属层填充区域。黑色粗线为辅助理解所加的区域分割线。
图8为采用本发明实现的一种LLC低压供电区的实际布局图，包含PWM控制器U1版图区、反馈电路U3版图区和低压地线版图区34-1。第二脉宽信号PWL1、第一脉宽信号PWH1、电压检测信号f1、电流检测信号f2和温度检测信号f3通过通孔连接信号。第二脉宽信号PWL1和第一脉宽信号PWH1为PWM控制器U1输出到栅驱动器的低压脉宽信号，因此第二脉宽信号PWL1和第一脉宽信号PWH1布线必须特别注意，首先负责传输第二脉宽信号PWL1和第一脉宽信号PWH1的两根金属线长度、宽度和厚度都必须严格相等；其次两根金属线必须采用平行走线方式，相互之间垂直距离不大于2mm；此外两根金属线布局走过的区域必须由低压地线金属区域进行隔离保护。图8中的灰色区域同样全部是金属层填充区域。黑色粗线为辅助理解所加的区域分割线。
图9为采用本发明技术实现的一种新能源汽车用大功率GaN半桥LLC充电模块的测试波形。可以看出GaN功率开关的栅端PL和PH信号波形的周期为1.6us，对应工作频率为600KHz，此时半桥输出信号HB的上升和下降波形功能完全正确，表面采用本发明布局方式实现的GaN功率模块功能正确，本发明的技术方案切实可行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.新能源汽车用大功率GaN半桥LLC充电模块，其特征是，包括：输入整流模块和GaN半桥LLC变换器模块，输入整流模块输出的高压母线Vbus和低压母线Vgnd进入GaN半桥LLC变换器模块进行DC/DC变换，得到输出高压母线Vout+和输出低压母线Vout-；
所述GaN半桥LLC变换器模块包括：PWM控制器(U1)的第一脉宽信号PWH1输出端连接到第一栅驱动电路(H1)的输入端，PWM控制器(U1)的第二脉宽信号PWL1输出端连接到第二栅驱动电路(L1)的输入端；第一栅驱动电路(H1)的输出端连接到限流电阻RH1的左端，限流电阻RH1的右端连接到GaN功率开关MHo的栅端，第三栅驱动电路(L1)的输出端连接到限流电阻RL1的左端，限流电阻RL1的右端连接到GaN功率开关MLo的栅端；GaN功率开关MHo的源端连接到高压母线Vbus，GaN功率开关MHo的漏端为半桥输出HB，半桥输出HB连接到GaN功率开关MLo的漏端和谐振电容Cr的左端，谐振电容Cr的右端连接谐振电感Lr的左端，谐振电感Lr的右端连接变压器T输入高压端，GaN功率开关MLo的源端连接到低压母线Vgnd和变压器T输入低压端；变压器T的第一输出端和输出二极管D3的阳极相连，变压器T的第四输出端和输出二极管D4的阳极相连，变压器T的第二和第三输出端同时连接到输出电容Co的下端、检测电路(U2)的第一输入端口和输出低压母线端Vout-相连；输出二极管D3的阴极和输出二极管D4的阴极相连，并连接到输出电容Co的上端和输出电感Lo的左端；输出电感Lo的右端为检测电路(U2)的第二输入端口和输出高压母线端Vout+；检测电路(U2)输出的对GaN半桥LLC变换器模块的电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号分别连接到反馈电路(U3)的输入端；反馈电路(U3)将所述电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号分别处理为反馈信号，输出给PWM控制器(U1)。
2.根据权利要求1所述的新能源汽车用大功率GaN半桥LLC充电模块，其特征是，所述输入整流模块和GaN半桥LLC变换器模块在版图实现时采用双面布局结构，包括：输入高压区(1)和LLC版图区(3)，以及跨接在输入高压区(1)和LLC版图区(3)之间的高压母线Vbus版图区和低压母线Vgnd版图区；输入整流模块实现为所述输入高压区(1)，位于正面；
所述LLC版图区(3)包括：LLC输入高压区(31)、变压器T版图区(32)、LLC输出电压区(33)和LLC低压供电区(34)，其中LLC输入高压区(31)、变压器T版图区(32)、LLC输出电压区(33)分布在正面，LLC低压供电区(34)分布在反面，正面和反面之间的第二脉宽信号PWL1、第一脉宽信号PWH1以及检测电路(U2)输出的电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号通过通孔连接信号；
所述LLC输入高压区(31)内部包括：第一栅驱动电路(H1)版图区、第二栅驱动电路(L1)版图区、限流电阻RH1版图区、限流电阻RL1版图区、GaN功率开关MHo版图区、GaN功率开关MLo版图区、第一散热器版图区、谐振电容Cr版图区、谐振电感Lr版图区、半桥输出HB版图区、高压母线Vbus版图区的局部和低压母线Vgnd版图区的局部，所述第一散热器版图区、谐振电容Cr版图区、谐振电感Lr版图区分布在半桥输出HB版图区的内部；
所述LLC输出电压区(33)内部包括：第二散热器版图区、输出二极管D3版图区、输出二极管D4版图区、输出电感Lo版图区、输出电容Co版图区、检测电路(U2)版图区、输出高压母线Vout+版图区和输出低压母线Vout-版图区；
所述变压器T版图区(32)跨接在LLC输入高压区(31)和LLC输出电压区(33)之间，变压器的版图区左侧，即变压器输入端部分版图区，和半桥输出HB版图区的右侧重合；变压器的版图区右侧，即变压器输出端部分版图区，和第二散热器版图区的左侧重合；
所述LLC低压供电区(34)内部包含PWM控制器(U1)版图区、反馈电路(U3)版图区和LLC低压地线版图区。
3.根据权利要求2所述的新能源汽车用大功率GaN半桥LLC充电模块，其特征是：所述的GaN功率开关MHo和GaN功率开关MLo均采用多个小电流GaN功率开关并联来实现大电流输出，并且均采用LGA封装形式的HEMT器件。
4.根据权利要求3所述的新能源汽车用大功率GaN半桥LLC充电模块，其特征是：所述高压母线Vbus版图区采用C型半包围结构，其包围的空间内分布有通孔P_PWH1版图区、第一栅驱动电路(H1)版图区、限流电阻RH1版图区、HEMT器件MHo1版图区和HEMT器件MHo2版图区；HEMT器件MHo1和HEMT器件MHo2并联构成GaN功率开关MHo；
所述HEMT器件MHo1版图区和HEMT器件MHo2的版图区的左侧，即栅端位置朝向限流电阻RH1的右端PH1，限流电阻RH1的右端PH1到HEMT器件MHo1的栅端的金属线和限流电阻RH1的右端PH1到HEMT器件MHo2的栅端的金属线长度必须严格相等，并且两根金属线的长度均小于5mm，同时之间的夹角小于120度；
所述高压母线Vbus版图区的C型半包围结构的两个端部均为直角三角形形状，2个三角形的斜边相对，分别连接HEMT器件MHo1版图区和HEMT器件MHo2版图区的源极；高压母线Vbus版图区内部全部为金属层覆盖，并且包含通孔P_H11版图区和通孔P_H21版图区；
HEMT器件MHo1版图区和HEMT器件MHo2版图区的漏极之间夹着半桥输出HB版图区的左上角，该左上角形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形，并且等腰三角形内部存在一个通孔P_T11版图区；
所述低压母线Vgnd版图区采用C型半包围结构，其包围的空间内分布有通孔P_PWL1版图区、第二栅驱动电路(L1)版图区、限流电阻RL1版图区、HEMT器件MLo1版图区和HEMT器件MLo2版图区；HEMT器件MLo1和HEMT器件MLo2并联构成GaN功率开关MLo；
所述HEMT器件MLo1版图区和HEMT器件MLo2的版图区的左侧，即栅端位置朝向限流电阻RL1的右端PL1，限流电阻RL1的右端PL1到HEMT器件MLo1的栅端的金属线和限流电阻RL1的右端PL1到HEMT器件MLo2的栅端的金属线长度必须严格相等，并且两根金属线的长度均小于5mm，同时之间的夹角小于120度；
所述低压母线Vgnd版图区的C型半包围结构的两个端部均为直角三角形形状，2个三角形的斜边相对，分别连接HEMT器件MLo1版图区和HEMT器件MLo2版图区的源极；所述低压母线Vgnd版图区内部全部为金属层覆盖，并且包含通孔P_L11版图区和通孔P_L21版图区；
HEMT器件MLo1版图区和HEMT器件MLo2版图区的漏极之间夹着半桥输出HB版图区的左下角，该左下角形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形，并且等腰三角形内部存在一个通孔P_T21版图区。
5.根据权利要求2所述的新能源汽车用大功率GaN半桥LLC充电模块，其特征是：负责传输第一脉宽信号PWH1和第二脉宽信号PWL1的两根金属线长度、宽度和厚度都必须严格相等；两根金属线采用平行走线方式，相互之间垂直距离不大于2mm，两根金属线布局走过的区域由低压地线进行隔离保护。
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