CN110429838A - 高功率密度GaN同步整流负载点电源模块 - Google Patents

高功率密度GaN同步整流负载点电源模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高功率密度GaN同步整流负载点电源模块，包括：PWM控制器、四个栅驱动电路、四个GaN功率开关管，四个限流电阻，变压器，输出电容、输出电感，以及检测电路和反馈电路。本发明为达到更低的输出电压和压降比，采用了两级变换器结构；为增大输出电流，采用了双buck交错并联输出；为提高频率和功率密度，采用多管并联LGA封装GaN功率开关进行开关变换；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，通过保证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。

Description

高功率密度GaN同步整流负载点电源模块
技术领域
本发明涉及一种用于新一代通信系统的高功率密度GaN同步整流负载点电源模块，属于电源技术领域。
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。
负载点电源产品以其低压输出、大电流输出、高功率密度、高效等特性广泛应用于为大功率数字电路板供电，可广泛应用于数字通信、电力能源、汽车电子、航空航天、信号监测等领域，在多样化功能或是扩展性功能较多的产品设计中更为常见，从产品的更新换代，以及客户方的多样化需求的发展下，负载点电源产品在未来电源方案设计中定会扮演举足轻重的角色。
通常同步整流负载点电源的主拓扑是多相同步整流buck电路它具有结构简单、设计容易、成本低等优点。它通过2个通道的buck变换器相并联，错开180度相角进行控制。其优点是：开关电流应力减小；各通道输出叠加使得输出纹波明显减小；提高了动态响应性能。但是，多相同步整流buck的占空比与传统buck电路一样，单通道效率仍然不高御。此外，它要求两个交换器一定要同步(即开关频率、相移均同步)，增加了设计复杂性。进一步为实现超低电压输出场合，采用了两级变换器结构。可以通过第一级变换器(双相buck)转换为5V中间电压，然后通过第二级变换器转换为负载所需要的电压网，克服了单级变换器占空比不能很小的限制。
为了提高负载点电源的瞬态响应性能，人们一直都在尝试不同的方法：(1)增加输出电容，减小动态响应的过冲和跌落值最明显、最强有效的方法就是增加输出端电容值，因为容性偏移量与容值成反比，而且大电容往往有更小的ESR值，使得阻性偏移量也减小。但是，具有小ESR值的大电容通常价格高、体积大，需要很大的板上空问。此外，即使使用很大的输出电容，电压调节环的响应速度也必须足够快，以使变换器在理论的最小恢复时间内、在整个最大占空比范围内变化。如果电压环响应缓慢，则动态响应偏移量可能会接近开环时的偏移值；(2)提高开关频率，降低输出滤波电感。这种方法的代价是低效率，增加了热设计和封装难度，但是可以极大提高功率密度。(3)增加辅助电路，提高动态响应性能。例如增加一个由快速的误差放大器和储能电容组成的动态响应电路，使其在负载切换时工作，从而减小输出大电容。
当前新一代通信系统的设计中面临着日益严峻的电源系统设计的挑战，电源系统需管理更多电压以及更广泛的输入电压范围。随着整机系统对电源模块小型化和功率密度要求日益严格，如何在空间越来越小的情况下，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，是通信电源设计的一个综合瓶颈问题。新型负载点电源模块是目前通信电源的主要实现方式，而实现其小型化和功率密度提升的主要途径就是提高电源系统的开关工作频率。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器件开发新型负载点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电源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电源模块的性能影响较传统电源模块更敏感。针对采用GaN功率器件进行功率集成时面临的应用挑战，本发明提出了一种采用GaN功率器件应用于新一代通信系统的高功率密度同步整流负载点电源模块。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种高功率密度GaN同步整流负载点电源模块，在栅驱动电路、器件布局和散热等方面进行了优化设计。
按照本发明提供的技术方案，所述的高功率密度GaN同步整流负载点电源模块包括：PWM控制器、第一栅驱动电路、第二栅驱动电路、第三栅驱动电路、第四栅驱动电路、GaN功率开关管MH、GaN功率开关管ML、GaN功率开关管MH3和GaN功率开关管ML3，限流电阻RH、限流电阻RL、限流电阻RH1和限流电阻RL1，变压器T，输出电容C1、输出电感L1、输出电感L2，以及检测电路和反馈电路；
其中，所述PWM控制器的第一脉宽信号PWH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PWL输出端连接到第二栅驱动电路的输入端，PWM控制器的第三脉宽信号PWH1输出端连接到第三栅驱动电路的输入端，PWM控制器的第四脉宽信号PWL1输出端连接到第四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RH的左端，限流电阻RH的右端连接到GaN功率开关管MH的栅端，第二栅驱动电路的输出端连接到限流电阻RL的左端，限流电阻RL的右端连接到GaN功率开关管ML的栅端，第三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功率开关管MH3的栅端，第四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功率开关管ML3的栅端；GaN功率开关管MH的源端连接到输入高压母线Vbus，GaN功率开关管MH的漏端为半桥输出HB，半桥输出HB连接到GaN功率开关管ML的漏端和变压器T输入高压端，GaN功率开关管ML的源端连接到输入高压地线Vgnd和变压器T输入低压端；GaN功率开关管MH3的源端连接到变压器T输出高压端和输出电感L1的左端，GaN功率开关管MH3的漏端连接到输出低压母线Vout-端和GaN功率开关管ML3的漏端，还连接到检测电路的第一输入端口和输出电容的下端；GaN功率开关管ML3的源端连接到变压器T输出低压端和输出电感L2的左端，输出电感L1的右端连接到输出电压母线Vout+端、输出电感L2的右端、检测电路的第二输入端口和输出电容C1的上端；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分别连接到反馈电路的输入端；反馈电路将电压检测信号、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，电路的版图实现采用双面布局结构，包括：输入高压区、变压器区、输出电压区和低压供电区；所述输入高压区、变压器区、输出电压区分布在正面；所述低压供电区分布在反面，正面和反面之间的第一脉宽信号PWH、第二脉宽信号PWL、第三脉宽信号PWH1、第四脉宽信号PWL1、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；
所述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RH版图区、限流电阻RL版图区，GaN功率开关管MH版图区、GaN功率开关管ML版图区，半桥输出HB版图区、输入高压母线Vbus版图区、输入高压地线Vgnd版图区和第一散热器版图区，所述第一散热器版图区分布在半桥输出HB版图区的内部；
所述输出电压区内部包括：第二散热器版图区、第三栅驱动电路、第四栅驱动电路版图区，限流电阻RH1版图区、限流电阻RL1版图区，GaN功率开关管MH3版图区、GaN功率开关管ML3版图区，输出电感L1版图区、输出电感L2版图区、输出电容C1版图区、输出电压母线Vout+版图区、输出低压母线Vout-版图区和检测电路版图区；
所述变压器区跨接在输入高压区和输出电压区之间，变压器区左侧，即变压器输入端部分版图区，与半桥输出HB版图区的右侧重合；变压器区右侧，即变压器输出端部分版图区，与第二散热器版图区的左侧重合；
所述低压供电区内部包括：PWM控制器版图区、反馈电路版图区和低压地线版图区。
具体的，所述GaN功率开关管MH和GaN功率开关管ML采用多个小电流GaN功率开关管并联来实现大电流输出，并且GaN功率开关管MH和GaN功率开关管ML均采用LGA封装形式的HEMT器件。
具体的，所述输入高压母线Vbus版图区为C型半包围结构，其所包围的空间内分布有：通孔P_PWH版图区、第一栅驱动电路版图区、限流电阻RH版图区、HEMT器件MH1版图区和HEMT器件MH2版图区；
所述HEMT器件MH1版图区左侧和HEMT器件MH2版图区左侧朝向限流电阻RH版图区的右端；
所述输入高压母线Vbus版图区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MH1版图区和HEMT器件MH2版图区的源极；
所述HEMT器件MH1版图区和HEMT器件MH2版图区的漏极之间夹着所述半桥输出HB版图区的左上角，该左上角的形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形。
具体的，所述限流电阻RH的右端到HEMT器件MH1版图区栅端的金属线和限流电阻RH的右端PH到HEMT器件MH2版图区栅端的金属线长度严格相等，并且两根金属线的长度均小于5mm，同时两根金属线之间的夹角小于120度。
具体的，所述输入高压地线Vgnd版图区为C型半包围结构，其所包围的空间内分布有：通孔P_PWL版图区、第二栅驱动电路版图区、限流电阻RL版图区、HEMT器件ML1版图区和HEMT器件ML2版图区；
所述HEMT器件ML1版图区左侧和HEMT器件ML2的版图区左侧朝向限流电阻RL版图区的右端；
所述输入高压地线Vgnd版图区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ML1版图区和HEMT器件ML2版图区的源极；
所述HEMT器件ML1版图区和HEMT器件ML2版图区的漏极之间夹着所述半桥输出HB版图区的左下角，该左下角的形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形。
具体的，所述限流电阻RL版图区右端到HEMT器件ML1版图区栅端的金属线和限流电阻RL版图区右端到HEMT器件ML2版图区栅端的金属线长度严格相等，并且两根金属线的长度均小于5mm，同时两根金属线之间的夹角小于120度。
具体的，所述半桥输出HB版图区的右侧包含一个通孔P_T3版图区，用于连接变压器区的左侧。
具体的，负责传输第一脉宽信号PWH和第二脉宽信号PWL的两根金属线长度、宽度和厚度都严格相等；两根金属线必须采用平行走线方式，之间距离不大于2mm；两根金属线布局走过的区域必须由低压地线进行隔离保护。负责传输第三脉宽信号PWH1和第四脉宽信号PWL1的两根金属线长度、宽度和厚度都严格相等；两根金属线必须采用平行走线方式，之间距离不大于2mm；两根金属线布局走过的区域必须由低压地线进行隔离保护。
本发明的优点是：本发明所提供的高功率密度GaN同步整流负载点电源模块，为达到更低的输出电压和压降比，采用了两级变换器结构；为增大输出电流，采用了双buck交错并联输出；为提高频率和功率密度，采用多管并联LGA封装GaN功率开关进行开关变换；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，通过保证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，可以广泛应用于通信电源和服务器供电电源模块中。
附图说明
图1为本发明高功率密度GaN同步整流负载点电源模块电路结构图。
图2为本发明GaN同步整流负载点电源模块的简化工作波形图。
图3为本发明高功率密度GaN同步整流负载点电源模块双面布局图。
图4为本发明高功率密度GaN同步整流负载点电源模块中输入高压区的详细布局图。
图5为采用本发明实现的一种输入高压区的实际布局图。
图6为采用本发明实现的一种低压供电区的实际布局图。
图7为采用本发明高功率密度GaN同步整流负载点电源模块的测试波形。
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为本发明高功率密度GaN同步整流负载点电源模块电路结构图，包括PWM控制器U1、第一栅驱动电路H、第二栅驱动电路L、第三栅驱动电路H1、第四栅驱动电路L1、GaN功率开关管MH、GaN功率开关管ML、GaN功率开关管MH3和GaN功率开关管ML3，分别连接在MH和ML栅端的限流电阻RH和限流电阻RL，分别连接在MH3和ML3栅端的限流电阻RH1和限流电阻RL1，变压器T，输出电容C1、输出电感L1和输出电感L2，以及检测电路U4和反馈电路U3。
所述高功率密度GaN同步整流负载点电源模块电路的连接关系如下：PWM控制器U1的第一脉宽信号PWH输出端连接到第一栅驱动电路H的输入端，PWM控制器U1的第二脉宽信号PWL输出端连接到第二栅驱动电路L的输入端，PWM控制器U1的第三脉宽信号PWH1输出端连接到第三栅驱动电路H1的输入端，PWM控制器U1的第四脉宽信号PWL1输出端连接到第四栅驱动电路L1的输入端；第一栅驱动电路H的输出端连接到限流电阻RH的左端，限流电阻RH的右端连接到GaN功率开关管MH的栅端，第二栅驱动电路L的输出端连接到限流电阻RL的左端，限流电阻RL的右端连接到GaN功率开关管ML的栅端，第三栅驱动电路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功率开关管MH3的栅端，第四栅驱动电路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功率开关管ML3的栅端；GaN功率开关管MH的源端连接到输入高压母线Vbus，GaN功率开关管MH的漏端为半桥输出HB，半桥输出HB连接到GaN功率开关管ML的漏端和变压器T输入高压端，GaN功率开关管ML的源端连接到输入高压地线Vgnd和变压器T输入低压端；GaN功率开关管MH3的源端连接到变压器T输出高压端和输出电感L1的左端，GaN功率开关管MH3的漏端连接到输出低压母线Vout-端和GaN功率开关管ML3的漏端，还连接到检测电路U4的第一输入端口和输出电容的下端；GaN功率开关管ML3的源端连接到变压器T输出低压端和输出电感L2的左端，输出电感L1的右端连接到输出电压母线Vout+端、输出电感L2的右端、检测电路U4的第二输入端口和输出电容C1的上端。检测电路U4输出的电压检测信号、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。
本发明所提出同步整流负载点电源模块为实现超低电压输出场合，采用了两级变换器结构。通过第一级变换器转换为5V中间电压，然后通过第二级变换器转换为负载所需要的电压网，克服了单级变换器占空比不能很小的限制。第一栅驱动电路H、第二栅驱动电路L、GaN功率开关管MH、GaN功率开关管ML和变压器T组成第一级半桥开关变换器，变压器T二次侧的输出电压经过交错并联的双buck电路得到输出电压。
图2为本发明GaN同步整流负载点电源模块的简化工作波形图。为简化说明，该波形图给出了PWH和PWL1两级波形控制信号的控制情况，实际电路中一般PWH和PWH1为相同信号，PWL和PWL1为相同信号，故可以进行简化说明。图中IMH是功率开关管MH电流，IML3是功率开关管ML3电流，VA是A点电压，iL是电感L1电流，Ts表示一个周期。详细工作过程如下：t0时刻前，控制信号关闭ML3；t0时刻，PWH信号开通开关管MH，电感L1电流逆向输出；t1时刻，开关管MH和电感L1电流增加；t2时刻，前面开关转换过程结束；t3时刻，控制开关信号切换，PWL1还未开始有效，电感L1的电流方向开始慢慢变化，电流开始减小；t4时刻，输出电压、电感电流进一步减小；t5时刻，转换过程结束，电感电流继续减小到0；t6时刻，驱动信号开通ML3；在t6～t7时刻期间，ML3的导通电阻变化。当t7时刻，门极信号将ML3关断；当t8时刻，开始另一个周期的工作过程。
图1所述高功率密度GaN同步整流负载点电源模块电路在实际应用中，所述第一栅驱动电路H和第二栅驱动电路L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器件的输出电流暂时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MH和ML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功率开关采用LGA(Land Grid Array)封装形式的HEMT(High Electron Mobility Transistor)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。PWM控制器输出的第一脉宽信号PWH和第三脉宽信号PWH1可以为相同信号，PWM控制器输出的第二脉宽信号PWL和第四脉宽信号PWL1同样也可以为相同信号。
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3为本发明高功率密度GaN同步整流负载点电源模块双面布局图，包括输入高压区1、变压器区2、输出电压区3和低压供电区4，所述输入高压区1、变压器区2、输出电压区3分布在正面，所述低压供电区4分布在反面，正面和反面之间的PWM脉宽信号、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。
所述输入高压区1内部包括：第一栅驱动电路H版图区、第二栅驱动电路L版图区、限流电阻RH版图区、限流电阻RL版图区、第一GaN功率开关MH版图区、第二GaN功率开关ML版图区、第一散热器版图区1-1、半桥输出HB版图区、输入高压母线Vbus版图区和输入高压地线Vgnd版图区，所述第一散热器版图区1-1分布在半桥输出HB版图区的内部。
所述输出电压区内部包括：第二散热器版图区3-1、第三栅驱动电路H1版图区、第四栅驱动电路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MH3版图区、GaN功率开关ML3版图区、输出电感L1版图区、输出电感L2版图区、输出电容C1版图区、输出电压母线Vout+版图区、输出低压母线Vout-版图区和检测电路版图区。
所述变压器区2跨接在输入高压区1和输出电压区3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T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。
所述低压供电区4内部包含PWM控制器版图区4-1、反馈电路版图区4-2和低压地线版图区4-3。
图4为本发明高功率密度GaN同步整流负载点电源模块中输入高压区的详细布局图，所述GaN功率开关MH和ML均采用2个小电流HEMT器件并联来实现，即MH由HEMT器件MH1和HEMT器件MH2并联而成，ML由HEMT器件ML1和HEMT器件ML2并联而成。
所述输入高压母线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_PWH版图区、第一栅驱动电路H版图区、限流电阻RH版图区、HEMT器件MH1版图区和HEMT器件MH2版图区。所述HEMT器件MH1版图区和HEMT器件MH2的版图区的左侧，即栅端位置朝向限流电阻RH的右端PH，限流电阻RH的右端PH到HEMT器件MH1的栅端的金属线和限流电阻RH的右端PH到HEMT器件MH2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。
所述输入高压母线Vbus版图区采用C型半包围结构，该C型半包围结构的两个端部采用直角三角形形状，2个三角形的斜边相对，分别连接HEMT器件MH1版图区和HEMT器件MH2版图区的源极。所述输入高压母线Vbus版图区内部全部为金属层覆盖，并且包含2个通孔版图区P_H1和P_H2。HEMT器件MH1版图区和HEMT器件MH2版图区的漏极之间为半桥输出HB版图区的左上角，其形状为等腰三角形，三角形的两个腰的夹角应小于90度，并且等腰三角形内部存在一个通孔版图区P_T1。
所述输入高压地线Vgnd版图区同样采用C型半包围结构，其包围的空间内分布有第二通孔P_PWL版图区、第二栅驱动电路L版图区、限流电阻RL版图区、HEMT器件ML1版图区和HEMT器件ML2版图区。所述HEMT器件ML1版图区和HEMT器件ML2的版图区的左侧，即栅端位置朝向限流电阻RL的右端PL，限流电阻RL的右端PL到HEMT器件ML1的栅端的金属线和限流电阻RL的右端PL到HEMT器件ML2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。
所述输入高压地线Vgnd版图区采用C型半包围结构，该C型半包围结构的两个端部采用直角三角形形状，2个三角形的斜边相对，分别连接HEMT器件ML1版图区和HEMT器件ML2版图区的源极。所述输入高压地线Vgnd版图区内部全部为金属层覆盖，并且包含2个通孔版图区P_L1和P_L2。HEMT器件ML1版图区和HEMT器件ML2版图区的漏极之间为半桥输出HB版图区的左下角，其形状为等腰三角形，三角形的两个腰的夹角应小于90度，并且等腰三角形内部存在一个通孔版图区P_T2。半桥输出HB版图区的右侧包含一个通孔版图区P_T3，用于连接变压器版图区的左侧。
本发明实施例中，图4所述输入高压区的详细布局图中，包含2个栅驱动电路版图区、2个限流电阻版图区、4个GaN功率开关版图区(即HEMT器件版图区)、1个第一散热器版图区、1个半桥输出HB版图区，以及输入高压母线Vbus版图区和输入高压地线Vgnd版图区。实际应用中，若采用半桥驱动器，则图3中只需要1个栅驱动电路版图区。若单个GaN功率开关采用3个小电流GaN功率开关并联而成，则图3中需要6个GaN功率开关版图区；若单个GaN功率开关采用4个小电流GaN功率开关并联而成，则图3中需要8个GaN功率开关版图区。
进一步的，采用本发明图4所示布局方式对全桥GaN电源模块进行布局，则需要4个栅驱动电路版图区、4个限流电阻版图区、8个GaN功率开关版图区、2个第一散热器版图区、2个半桥输出HB版图区，以及输入高压母线Vbus版图区和输入高压地线Vgnd版图区。实际应用中，若采用全桥驱动器，则图6中只需要1个栅驱动电路版图区；若采用半桥驱动器，则图6中只需要2个栅驱动电路版图区。若单个GaN功率开关采用3个小电流GaN功率开关并联而成，则图6中需要12个GaN功率开关版图区；若单个GaN功率开关采用4个小电流GaN功率开关并联而成，则图6中需要16个GaN功率开关版图区。
进一步的，采用本发明对三相全桥GaN电源模块进行布局，则需要6个栅驱动电路版图区、6个限流电阻版图区、12个GaN功率开关版图区、3个第一散热器版图区、3个半桥输出HB版图区，以及输入高压母线Vbus版图区和输入高压地线Vgnd版图区。实际应用中，若采用三相全桥驱动器，则所述三相全桥GaN电源模块只需要1个栅驱动电路版图区；若采用半桥驱动器，则所述三相全桥GaN电源模块只需要3个栅驱动电路版图区。若单个GaN功率开关采用3个小电流GaN功率开关并联而成，则所述三相全桥GaN电源模块需要18个GaN功率开关版图区；若单个GaN功率开关采用4个小电流GaN功率开关并联而成，则所述三相全桥GaN电源模块需要24个GaN功率开关版图区。
输出电压区内部采用的栅驱动电路、限流电阻以及GaN功率开关管的个数，分别和图4所述输入高压区所采用栅驱动电路、限流电阻以及GaN功率开关管的个数相等。因此在采用全桥GaN电源模块时，所述的输出电压区需要4个栅驱动电路版图区、4个限流电阻版图区、8个GaN功率开关版图区、输入高压母线Vbus版图区和输入高压地线Vgnd版图区。实际应用中，若采用全桥驱动器，则图6中只需要1个栅驱动电路版图区；若采用半桥驱动器，则图6中只需要2个栅驱动电路版图区。若单个GaN功率开关采用3个小电流GaN功率开关并联而成，则图6中需要12个GaN功率开关版图区；若单个GaN功率开关采用4个小电流GaN功率开关并联而成，则图6中需要16个GaN功率开关版图区
在采用三相全桥GaN电源模块时，输出电压区需要6个栅驱动电路版图区、6个限流电阻版图区、12个GaN功率开关版图区，以及输入高压母线Vbus版图区和输入高压地线Vgnd版图区。实际应用中，若采用三相全桥驱动器，则所述三相全桥GaN电源模块只需要1个栅驱动电路版图区；若采用半桥驱动器，则所述三相全桥GaN电源模块只需要3个栅驱动电路版图区。若单个GaN功率开关采用3个小电流GaN功率开关并联而成，则所述三相全桥GaN电源模块需要18个GaN功率开关版图区；若单个GaN功率开关采用4个小电流GaN功率开关并联而成，则所述三相全桥GaN电源模块需要24个GaN功率开关版图区。
图5为本发明实现的一种输入高压区的实际布局图，完全按照图4所示的布局方式进行器件布局。HEMT器件ML1版图区和HEMT器件ML2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ML1版图区和HEMT器件ML2版图区的左侧汇聚流通，因此靠近HEMT器件ML1版图区左侧部分汇聚的电流比HEMT器件ML1版图区右侧部分的电流要大，所以采用直角三角形斜边的方式进行连接，靠近HEMT器件ML1版图区左侧部分为斜边的底部，靠近HEMT器件ML1版图区右侧部分为斜边的顶部。HEMT器件ML1版图区和HEMT器件ML2版图区的漏极和半桥输出HB的连接则采用相反方向的直角三角形斜边接触方式。第一散热器1-1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RL的右端PL到HEMT器件ML1的栅端的金属线和限流电阻RL的右端PL到HEMT器件ML2的栅端的金属线长度必须严格相等。限流电阻RH的右端PH到HEMT器件MH1的栅端的金属线和限流电阻RH的右端PH到HEMT器件MH2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6为采用本发明实现的一种低压供电区的实际布局图，包含PWM控制器版图区4-1、反馈电路版图区4-2和低压地线版图区4-3。该实施例中，第一脉宽信号和第三脉宽信号为相同信号(即图中PWH)，第二脉宽信号和第四脉宽信号也为相同信号(即图中PWL)。信号PWL、PWH、f1、f2和f3通过通孔连接信号。PWL和PWH信号为PWM控制器输出到栅驱动器的低压脉宽信号，因此PWL和PWH信号布线必须特别注意，首先负责传输PWL和PWH两个信号线的两根金属线长度、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6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7为采用本发明技术实现的一种高功率密度GaN同步整流负载点电源模块的测试波形。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功率开关功能正确，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 (10)

1.高功率密度GaN同步整流负载点电源模块，其特征是，包括：PWM控制器(U1)、第一栅驱动电路(H)、第二栅驱动电路(L)、第三栅驱动电路(H1)、第四栅驱动电路(L1)、GaN功率开关管MH、GaN功率开关管ML、GaN功率开关管MH3和GaN功率开关管ML3，限流电阻RH、限流电阻RL、限流电阻RH1和限流电阻RL1，变压器T，输出电容C1、输出电感L1、输出电感L2，以及检测电路(U4)和反馈电路(U3)；
其中，所述PWM控制器(U1)的第一脉宽信号PWH输出端连接到第一栅驱动电路(H)的输入端，PWM控制器(U1)的第二脉宽信号PWL输出端连接到第二栅驱动电路(L)的输入端，PWM控制器(U1)的第三脉宽信号PWH1输出端连接到第三栅驱动电路(H1)的输入端，PWM控制器(U1)的第四脉宽信号PWL1输出端连接到第四栅驱动电路(L1)的输入端；第一栅驱动电路(H)的输出端连接到限流电阻RH的左端，限流电阻RH的右端连接到GaN功率开关管MH的栅端，第二栅驱动电路(L)的输出端连接到限流电阻RL的左端，限流电阻RL的右端连接到GaN功率开关管ML的栅端，第三栅驱动电路(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功率开关管MH3的栅端，第四栅驱动电路(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功率开关管ML3的栅端；GaN功率开关管MH的源端连接到输入高压母线Vbus，GaN功率开关管MH的漏端为半桥输出HB，半桥输出HB连接到GaN功率开关管ML的漏端和变压器T输入高压端，GaN功率开关管ML的源端连接到输入高压地线Vgnd和变压器T输入低压端；GaN功率开关管MH3的源端连接到变压器T输出高压端和输出电感L1的左端，GaN功率开关管MH3的漏端连接到输出低压母线Vout-端和GaN功率开关管ML3的漏端，还连接到检测电路(U4)的第一输入端口和输出电容的下端；GaN功率开关管ML3的源端连接到变压器T输出低压端和输出电感L2的左端，输出电感L1的右端连接到输出电压母线Vout+端、输出电感L2的右端、检测电路(U4)的第二输入端口和输出电容C1的上端；检测电路(U4)输出的电压检测信号、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所述的高功率密度GaN同步整流负载点电源模块，其特征是：电路的版图实现采用双面布局结构，包括：输入高压区(1)、变压器区(2)、输出电压区(3)和低压供电区(4)；所述输入高压区(1)、变压器区(2)、输出电压区(3)分布在正面；所述低压供电区(4)分布在反面，正面和反面之间的第一脉宽信号PWH、第二脉宽信号PWL、第三脉宽信号PWH1、第四脉宽信号PWL1、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；
所述输入高压区(1)内部包括：第一栅驱动电路(H)版图区、第二栅驱动电路(L)版图区，限流电阻RH版图区、限流电阻RL版图区，GaN功率开关管MH版图区、GaN功率开关管ML版图区，半桥输出HB版图区、输入高压母线Vbus版图区、输入高压地线Vgnd版图区和第一散热器版图区，所述第一散热器版图区分布在半桥输出HB版图区的内部；
所述输出电压区(3)内部包括：第二散热器版图区、第三栅驱动电路(H1)、第四栅驱动电路(L1)版图区，限流电阻RH1版图区、限流电阻RL1版图区，GaN功率开关管MH3版图区、GaN功率开关管ML3版图区，输出电感L1版图区、输出电感L2版图区、输出电容C1版图区、输出电压母线Vout+版图区、输出低压母线Vout-版图区和检测电路(U4)版图区；
所述变压器区(2)跨接在输入高压区(1)和输出电压区(3)之间，变压器区(2)左侧，即变压器输入端部分版图区，与半桥输出HB版图区的右侧重合；变压器区(2)右侧，即变压器输出端部分版图区，与第二散热器版图区的左侧重合；
所述低压供电区(4)内部包括：PWM控制器版图区(4-1)、反馈电路版图区(4-2)和低压地线版图区(4-3)。
3.根据权利要求1所述的高功率密度GaN同步整流负载点电源模块，其特征是：所述GaN功率开关管MH和GaN功率开关管ML采用多个小电流GaN功率开关管并联来实现大电流输出，并且GaN功率开关管MH和GaN功率开关管ML均采用LGA封装形式的HEMT器件。
4.根据权利要求3所述的高功率密度GaN同步整流负载点电源模块，其特征是：所述输入高压母线Vbus版图区为C型半包围结构，其所包围的空间内分布有：通孔P_PWH版图区、第一栅驱动电路(H)版图区、限流电阻RH版图区、HEMT器件MH1版图区和HEMT器件MH2版图区；
所述HEMT器件MH1版图区左侧和HEMT器件MH2版图区左侧朝向限流电阻RH版图区的右端(PH)；
所述输入高压母线Vbus版图区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MH1版图区和HEMT器件MH2版图区的源极；
所述HEMT器件MH1版图区和HEMT器件MH2版图区的漏极之间夹着所述半桥输出HB版图区的左上角，该左上角的形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形。
5.根据权利要求4所述的高功率密度GaN同步整流负载点电源模块，其特征是：所述限流电阻RH的右端(PH)到HEMT器件MH1版图区栅端的金属线和限流电阻RH的右端PH到HEMT器件MH2版图区栅端的金属线长度严格相等，并且两根金属线的长度均小于5mm，同时两根金属线之间的夹角小于120度。
6.根据权利要求3所述的高功率密度GaN同步整流负载点电源模块，其特征是：所述输入高压地线Vgnd版图区为C型半包围结构，其所包围的空间内分布有：通孔P_PWL版图区、第二栅驱动电路(L)版图区、限流电阻RL版图区、HEMT器件ML1版图区和HEMT器件ML2版图区；
所述HEMT器件ML1版图区左侧和HEMT器件ML2的版图区左侧朝向限流电阻RL版图区的右端(PL)；
所述输入高压地线Vgnd版图区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ML1版图区和HEMT器件ML2版图区的源极；
所述HEMT器件ML1版图区和HEMT器件ML2版图区的漏极之间夹着所述半桥输出HB版图区的左下角，该左下角的形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形。
7.根据权利要求6所述的高功率密度GaN同步整流负载点电源模块，其特征是：所述限流电阻RL版图区右端(PL)到HEMT器件ML1版图区栅端的金属线和限流电阻RL版图区右端(PL)到HEMT器件ML2版图区栅端的金属线长度严格相等，并且两根金属线的长度均小于5mm，同时两根金属线之间的夹角小于120度。
8.根据权利要求3所述的高功率密度GaN同步整流负载点电源模块，其特征是：所述半桥输出HB版图区的右侧包含一个通孔P_T3版图区，用于连接变压器区(2)的左侧。
9.根据权利要求2所述的高功率密度GaN同步整流负载点电源模块，其特征是：负责传输第一脉宽信号PWH和第二脉宽信号PWL的两根金属线长度、宽度和厚度都严格相等；两根金属线必须采用平行走线方式，之间距离不大于2mm；两根金属线布局走过的区域必须由低压地线进行隔离保护。
10.根据权利要求2所述的高功率密度GaN同步整流负载点电源模块，其特征是：负责传输第三脉宽信号PWH1和第四脉宽信号PWL1的两根金属线长度、宽度和厚度都严格相等；两根金属线必须采用平行走线方式，之间距离不大于2mm；两根金属线布局走过的区域必须由低压地线进行隔离保护。
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