CN110445393A - 高功率密度GaN功率模块双面布局结构 - Google Patents

高功率密度GaN功率模块双面布局结构 Download PDF

Info

Publication number
CN110445393A
CN110445393A CN201910739201.6A CN201910739201A CN110445393A CN 110445393 A CN110445393 A CN 110445393A CN 201910739201 A CN201910739201 A CN 201910739201A CN 110445393 A CN110445393 A CN 110445393A
Authority
CN
China
Prior art keywords
domain area
area
domain
hemt device
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910739201.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110445393B (zh
Inventor
陈珍海
许媛
占林松
闫大为
鲍婕
宁仁霞
黄伟
吕海江
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huangshan University
Original Assignee
Huangshan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huangshan University filed Critical Huangshan University
Priority to CN201910739201.6A priority Critical patent/CN110445393B/zh
Publication of CN110445393A publication Critical patent/CN110445393A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110445393B publication Critical patent/CN110445393B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Abstract

本发明公开了一种用于高功率密度GaN功率模块的双面布局结构，其包括：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，低压供电区分布在反面；正面与反面之间的PWM脉宽信号、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。本发明所提供的GaN功率模块的双面布局结构通过保证GaN器件工作在安全区域状态，从而实现功率模块的高频化和小型化，从而实现高密度功率集成和高效率，可以广泛应用于采用GaN功率器件进行功率集成的高密度功率模块中。

Description

高功率密度GaN功率模块双面布局结构
技术领域
本发明涉及一种用于高功率密度GaN功率模块的双面布局结构，属于功率电子技术领域。
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。
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，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。开关频率提高带来的另外一个好处是提高功率密度，然而随着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。因此，针对GaN功率器件在进行功率集成时面临的应用挑战，需要提供一种GaN功率模块中核心器件的布局和布线方法，以提高功率模块的性能。
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GaN功率模块中核心器件的布局结构，以提高功率模块的性能。
按照本发明提供的技术方案，所述高功率密度GaN功率模块双面布局结构包括：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；正面与反面之间的PWM脉宽信号、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：N个栅驱动电路版图区、M个限流电阻版图区、M的倍数个GaN功率开关版图区、M/2个第一散热器版图区、M/2个半桥输出版图区、输入高压母线版图区和输入高压地线版图区，所述第一散热器版图区分布在半桥输出版图区的内部；N为自然数，M等于N或2N；所述GaN功率开关版图区的GaN功率开关均采用LGA(Land Grid Array)封装形式的HEMT(High Electron Mobility Transistor)器件；
所述输出电压区内部包括：第二散热器版图区、K个二极管版图区、输出电感L1版图区、输出电容C1版图区和输出电压母线版图区；
所述变压器区跨接在输入高压区和输出电压区之间；变压器区左侧为变压器输入端部分版图区，与所述半桥输出版图区的右侧重合；变压器区右侧为变压器输出端部分版图区，与所述第二散热器版图区的左侧重合；
所述低压供电区内部包含PWM控制器版图区、检测反馈电路版图区和低压地线版图区；PWM控制器版图区输出的PWM脉宽信号连接到栅驱动电路版图区，输出电压区输出的电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号连接到检测反馈电路版图区。
进一步的，所述输入高压母线版图区具有C型半包围结构，其所包围的空间内分布有：第一通孔版图区、第一栅驱动电路版图区、第一限流电阻版图区、第一HEMT器件版图区和第二HEMT器件版图区；所述第一HEMT器件和第二HEMT器件并联构成第一GaN功率开关；
所述第一HEMT器件版图区左侧和第二HEMT器件版图区左侧朝向第一限流电阻版图区的右端；
所述输入高压母线版图区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，分别连接第一HEMT器件版图区和第二HEMT器件版图区的源极；
所述第一HEMT器件版图区和第二HEMT器件版图区的漏极之间夹着所述半桥输出版图区的左上角，该左上角的形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形。
进一步的，所述第一限流电阻版图区右端到第一HEMT器件版图区栅端的金属线和第一限流电阻版图区右端到第二HEMT器件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。
进一步的，所述输入高压地线版图区具有C型半包围结构，其所包围的空间内分布有：第二通孔版图区、第二栅驱动电路版图区、第二限流电阻版图区、第三HEMT器件版图区和第四HEMT器件版图区；所述第三HEMT器件和第四HEMT器件并联构成第二GaN功率开关；
所述第三HEMT器件版图区左侧和第四HEMT器件的版图区左侧朝向第二限流电阻版图区的右端；
所述输入高压地线版图区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，分别连接第三HEMT器件版图区和第四HEMT器件版图区的源极；
所述第三HEMT器件版图区和第四HEMT器件版图区的漏极之间夹着所述半桥输出版图区的左下角，该左下角的形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形。
进一步的，所述第二限流电阻版图区右端到第三HEMT器件版图区栅端的金属线和第二限流电阻版图区右端到第四HEMT器件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。
进一步的，所述半桥输出版图区内的右侧包含一个通孔版图区，用于连接变压器区的左侧。
进一步的，负责传输每一路PWM脉宽信号的金属线长度、宽度和厚度都必须严格相等，每根金属线采用平行走线方式，相互之间距离不大于2mm；金属线布局走过的区域必须由低压地线进行隔离保护。
当第一栅驱动电路和第二栅驱动电路使用一个半桥驱动电路实现时，第一栅驱动电路版图区和第二栅驱动电路版图区合并为一个版图区。
本发明的优点是：本发明所提供的GaN功率模块的双面布局结构能够充分发挥GaN功率开关器件的开关特性，保证GaN器件工作在安全区域状态，从而实现功率模块的高频化和小型化，从而实现高密度功率集成和高效率，可以广泛应用于采用GaN功率器件进行功率集成的高密度功率模块中。
附图说明
图1为一种典型半桥功率模块电路结构图。
图2为本发明实施例一的高功率密度GaN半桥功率模块双面布局图。
图3为本发明实施例一的高功率密度GaN半桥功率模块中输入高压区的详细布局图。
图4为另一种典型全桥功率模块电路结构图。
图5为本发明实施例二的高功率密度GaN全桥功率模块双面布局图。
图6为本发明实施例二的高功率密度GaN全桥功率模块中输入高压区的详细布局图。
图7为采用本发明实现的一种输入高压区的实际布局图。
图8为采用本发明实现的一种输出电压区的实际布局图。
图9为采用本发明实现的一种低压供电区的实际布局图。
图10为采用本发明实现的一种高功率密度GaN半桥电路的测试波形。
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为一种典型半桥功率模块电路结构图，包括PWM控制器U1、第一栅驱动电路U2、第二栅驱动电路U3，功率开关管MH和ML，分别连接在MH和ML栅端的第一限流电阻RH和RL，变压器T，输出整流二极管D1和D2，输出电容C1和电感L1，以及检测反馈电路U4。
该半桥电路的工作原理如下：PWM控制器U1输出的具有死区时间保护的互补脉宽信号PWH和PWL，分别通过第一栅驱动电路U2和第二栅驱动电路U3进行信号放大，将驱动电流能力从1mA放大到1A左右，再进一步驱动功率开关管MH和ML。MH和ML作为半桥的2个桥臂将会分别错开导通，驱动变压器T的一次侧工作，变压器的二次侧有4个抽头，采用典型的半桥输出连接方式，再经输出整流二极管D1和D2、输出电容C1和电感L1得到输出电压Vout。一般为防止功率开关管MH和ML栅极驱动信号的过冲，需要在其栅端分别加上限流电阻RH和RL，电阻取值一般在100欧以下。由于功率模块输出功率一般比较大，为保护输出功率可靠性和效率，功率模块的输出一般需要进行状态检测，检测信号f1、f2和f3分别代表电压、电流和温度情况，经过检测反馈电路进行信号放大和信号转换，经选择开关后得到fb信号进入PWM控制器。如果fb信号正常，则整体半桥电路工作正常；如果fb信号异常，PWM控制器将会调整脉宽信号PWH和PWL，用以调整输出电压Vout。
对于传统功率模块，根据功率等级大小不同，功率开关管MH和ML通常采用硅基MOSFET或者IGBT，因此功率模块的开关频率通常被限制在50KHz以下。功率开关管MH和ML若采用GaN功率器件，则功率模块的开关频率可实现500KHz以上。本发明所提出的技术方案，主要针对采用GaN器件为功率开关的功率模块。
图2为本发明实施例一对应图1的一种高功率密度GaN半桥功率模块的双面布局结构，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PWL、第二脉宽信号PWH、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、第一限流电阻RH版图区、第二限流电阻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1-1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3-1、第一二极管D1版图区、第二二极管D2版图区、输出电感L1版图区、输出电容C1版图区和输出电压母线Vout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，和半桥输出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，和第二散热器版图区3-1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、检测反馈电路版图区4-2和低压地线版图区4-3。PWM控制器版图区输出的PWM脉宽信号连接到栅驱动电路版图区，输出电压区3输出的电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号连接到检测反馈电路版图区。
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，因此栅驱动电路版图区可以合并为一个。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，本发明所述的第一GaN功率开关MH和第二GaN功率开关ML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。
图3为本发明实施例一中高功率密度GaN半桥功率模块中输入高压区1的详细布局结构图。所述第一GaN功率开关MH和第二GaN功率开关ML均采用2个小电流HEMT器件并联来实现，即第一GaN功率开关MH由第一HEMT器件MH1和第二HEMT器件MH2并联而成，第二GaN功率开关ML由第三HEMT器件ML1和第四HEMT器件ML2并联而成。所述输入高压母线Vbus版图区具有C型半包围结构，其包围的空间内分布有：第一通孔P_PWH版图区、第一栅驱动电路H版图区、第一限流电阻RH版图区、第一HEMT器件MH1版图区和第二HEMT器件MH2版图区。所述第一HEMT器件MH1版图区和第二HEMT器件MH2的版图区的左侧，即栅端位置朝向第一限流电阻RH的右端PH。第一限流电阻RH的右端PH到第一子HEMT器件MH1的栅端的金属线和第一限流电阻RH的右端PH到第二子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版图区具有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，分别连接第一HEMT器件MH1版图区和第二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。第一HEMT器件MH1版图区和第二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版图区同样具有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、第二限流电阻RL版图区、第三HEMT器件Ml1版图区和第四HEMT器件ML2版图区。所述第三HEMT器件ML1版图区和第四HEMT器件ML2的版图区的左侧，即栅端位置朝向第二限流电阻RL的右端PL。第二限流电阻RL的右端PL到第三HEMT器件ML1的栅端的金属线和第二限流电阻RL的右端PL到第四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版图区具有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，分别连接第三HEMT器件ML1版图区和第四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。第三HEMT器件ML1版图区和第四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。
图4为另一种典型全桥功率模块电路结构图，其在图1所示半桥模块基础上增加了2个栅驱动电路、2个功率开关管和2个输出整流二极管。该全桥功率模块包括PWM控制器、第一栅驱动电路H、第二栅驱动电路L，功率开关管MH和ML，分别连接在MH和ML栅端的第一限流电阻RH和RL，第三栅驱动电路H2、第四栅驱动电路L2，功率开关管MH3和ML3，分别连接在MH3和ML3栅端的限流电阻RH2和RL2，变压器T，输出整流二极管D1、D12、D2和D22，输出电容C1和电感L1，以及检测反馈电路。其中功率开关管全部采用GaN功率器件。其中，第一栅驱动电路H、第二栅驱动电路L、第三栅驱动电路H2、第四栅驱动电路L2接收的PWM脉宽信号分别是PWH、PWL、PWH2、PWL2。
图5为本发明实施例二对应于图4的高功率密度GaN全桥功率模块双面布局图，采用和图2所示半桥模块一样的布局方式，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分布在功率模块的正面，所述低压供电区4分布在功率模块的反面，正面和反面之间的信号PWM脉宽信号PWL、PWH、PWL2、PWH2，检测信号f1、f2和f3通过通孔连接信号。图5所示全桥功率模块与图2所示半桥功率模块的区别在于，所述输入高压区1在图2所示输入高压区基础上增加了第三栅驱动电路版图区H2和第四栅驱动电路版图区L2，所述输出电压区3在图2所示输出高压区基础上增加了二极管D12版图区和二极管D22版图区。
图6为本发明实施例二中高功率密度GaN全桥功率模块中输入高压区1的详细布局图，采用和图3所示半桥模块一样的详细布局方式。新增的GaN功率开关MH3和ML3均采用2个小电流HEMT器件并联来实现(MH3由MH21和MH22并联，ML3由ML21和ML22并联)。本发明GaN全桥功率模块中输入高压区1的详细布局图新增了1个图3所示的输入高压母线Vbus版图区、1个输入高压地线Vgnd版图区和1个半桥输出版图区。图6中两个半桥输出版图区分别用FB1和FB2标识。
图3所示GaN半桥功率模块中输入高压区1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、2×2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。
图6所示GaN全桥功率模块中输入高压区1的详细布局图中，包含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(即HEMT器件版图区)、2个第一散热器版图区、2个半桥输出版图区，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，采用本发明的方案对三相全桥GaN功率模块进行布局，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功率模块只需要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功率模块只需要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功率模块需要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功率模块需要24个GaN功率开关版图区。
也就是说，如果输入高压区包括N个栅驱动电路版图区、M个限流电阻版图区、K个GaN功率开关版图区、J个第一散热器版图区、J个半桥输出HB版图区，那么优选N为1、2、3、4、6中的任一个数，M等于N或2N，K为2*M、3*M或4*M，J为M的一半。
图7为采用本发明实现的一种输入高压区1的实际布局图，完全按照图3所示的布局方式进行器件布局。第三HEMT器件ML1版图区和第四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的主要电流在第三HEMT器件ML1版图区和第四HEMT器件ML2版图区的左侧汇聚流通，因此靠近第三HEMT器件ML1版图区左侧部分汇聚的电流比第三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，靠近第三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版图区和第四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。第二限流电阻RL的右端PL到HEMT器件ML1的栅端的金属线和第二限流电阻RL的右端PL到第四HEMT器件ML2的栅端的金属线长度必须严格相等。第一限流电阻RH的右端PH到HEMT器件MH1的栅端的金属线和第一限流电阻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8为采用本发明实现的一种输出电压区3的实际布局图，完全按照图2中所述输出电压区的布局方式进行设计。输出电容C1采用多个小电容并联实现，因此电容采用分布式布局，容易实现更好的匹配性布局。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为采用本发明实现的一种低压供电区4的实际布局图，包含PWM控制器版图区4-1、检测反馈电路版图区4-2和低压地线版图区4-3。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9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10为采用本发明实现的一种高功率密度GaN半桥电路的测试波形。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 (8)

1.高功率密度GaN功率模块双面布局结构，其特征是，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；正面与反面之间的PWM脉宽信号、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：N个栅驱动电路版图区、M个限流电阻版图区、M的倍数个GaN功率开关版图区、M/2个第一散热器版图区、M/2个半桥输出(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分布在半桥输出(HB)版图区的内部；N为自然数，M等于N或2N；所述GaN功率开关版图区的GaN功率开关均采用LGA封装形式的HEMT器件；
所述输出电压区(3)内部包括：第二散热器版图区、K个二极管版图区、输出电感L1版图区、输出电容C1版图区和输出电压母线(Vout)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)左侧为变压器输入端部分版图区，与所述半桥输出(HB)版图区的右侧重合；变压器区(2)右侧为变压器输出端部分版图区，与所述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、检测反馈电路版图区和低压地线版图区；PWM控制器版图区输出的PWM脉宽信号连接到栅驱动电路版图区，输出电压区(3)输出的电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号连接到检测反馈电路版图区。
2.根据权利要求1所述的高功率密度GaN功率模块双面布局结构，其特征是：所述输入高压母线(Vbus)版图区具有C型半包围结构，其所包围的空间内分布有：第一通孔版图区(P_PWH)、第一栅驱动电路版图区(H)、第一限流电阻(RH)版图区、第一HEMT器件(MH1)版图区和第二HEMT器件(MH2)版图区；所述第一HEMT器件(MH1)和第二HEMT器件(MH2)并联构成第一GaN功率开关(MH)；
所述第一HEMT器件(MH1)版图区左侧和第二HEMT器件(MH2)版图区左侧朝向第一限流电阻(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，分别连接第一HEMT器件(MH1)版图区和第二HEMT器件(MH2)版图区的源极；
所述第一HEMT器件(MH1)版图区和第二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。
3.根据权利要求2所述的高功率密度GaN功率模块双面布局结构，其特征是：所述第一限流电阻(RH)版图区右端(PH)到第一HEMT器件(MH1)版图区栅端的金属线和第一限流电阻(RH)版图区右端(PH)到第二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。
4.根据权利要求1所述的高功率密度GaN功率模块双面布局结构，其特征是：所述输入高压地线(Vgnd)版图区具有C型半包围结构，其所包围的空间内分布有：第二通孔版图区(P_PWL)、第二栅驱动电路版图区(L)、第二限流电阻版图区(RL)、第三HEMT器件(ML1)版图区和第四HEMT器件(ML2)版图区；所述第三HEMT器件(ML1)和第四HEMT器件(ML2)并联构成第二GaN功率开关(ML)；
所述第三HEMT器件(ML1)版图区左侧和第四HEMT器件的(ML2)版图区左侧朝向第二限流电阻版图区(RL)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，分别连接第三HEMT器件(ML1)版图区和第四HEMT器件(ML2)版图区的源极；
所述第三HEMT器件(ML1)版图区和第四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。
5.根据权利要求4所述的高功率密度GaN功率模块双面布局结构，其特征是：所述第二限流电阻版图区(RL)右端(PL)到第三HEMT器件(ML1)版图区栅端的金属线和第二限流电阻版图区(RL)右端(PL)到第四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。
6.根据权利要求1所述的高功率密度GaN功率模块双面布局结构，其特征是：所述半桥输出(HB)版图区内的右侧包含一个通孔版图区，用于连接变压器区(2)的左侧。
7.根据权利要求1所述的高功率密度GaN功率模块双面布局结构，其特征是：负责传输每一路PWM脉宽信号的金属线长度、宽度和厚度都必须严格相等，每根金属线采用平行走线方式，相互之间距离不大于2mm；金属线布局走过的区域必须由低压地线进行隔离保护。
8.根据权利要求1所述的高功率密度GaN功率模块双面布局结构，其特征是：当第一栅驱动电路和第二栅驱动电路使用一个半桥驱动电路实现时，第一栅驱动电路版图区(H)和第二栅驱动电路版图区(L)合并为一个版图区。
CN201910739201.6A 2019-08-12 2019-08-12 高功率密度GaN功率模块双面布局结构 Active CN110445393B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910739201.6A CN110445393B (zh) 2019-08-12 2019-08-12 高功率密度GaN功率模块双面布局结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910739201.6A CN110445393B (zh) 2019-08-12 2019-08-12 高功率密度GaN功率模块双面布局结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110445393A true CN110445393A (zh) 2019-11-12
CN110445393B CN110445393B (zh) 2020-07-24

Family

ID=68434601

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910739201.6A Active CN110445393B (zh) 2019-08-12 2019-08-12 高功率密度GaN功率模块双面布局结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110445393B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201259456Y (zh) * 2008-07-21 2009-06-17 无锡华润安盛科技有限公司 汽车胎压传感器的封装结构
CN104112718A (zh) * 2014-07-25 2014-10-22 西安交通大学 一种双面布局的低寄生电感GaN功率集成模块
CN104617752A (zh) * 2015-02-10 2015-05-13 广州金升阳科技有限公司 氮化镓晶体管的驱动方法、电路及应用其电路的反激变换器
CN106712529A (zh) * 2017-01-17 2017-05-24 浙江大学 一种基于GaN的高效率高功率密度隔离DC‑DC变换电路
US20170330729A1 (en) * 2015-02-18 2017-11-16 Reno Technologies, Inc. Switching circuit
CN108922871A (zh) * 2018-05-23 2018-11-30 杭州士兰微电子股份有限公司 半导体封装结构及其制造方法
CN208739041U (zh) * 2018-07-04 2019-04-12 镓能半导体（佛山）有限公司 一种氮化镓芯片的三相全桥电路及智能功率模块
CN209134112U (zh) * 2018-12-29 2019-07-19 苏州纽克斯电源技术股份有限公司 一种充电器的pcb板布局结构及充电器

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201259456Y (zh) * 2008-07-21 2009-06-17 无锡华润安盛科技有限公司 汽车胎压传感器的封装结构
CN104112718A (zh) * 2014-07-25 2014-10-22 西安交通大学 一种双面布局的低寄生电感GaN功率集成模块
CN104617752A (zh) * 2015-02-10 2015-05-13 广州金升阳科技有限公司 氮化镓晶体管的驱动方法、电路及应用其电路的反激变换器
US20170330729A1 (en) * 2015-02-18 2017-11-16 Reno Technologies, Inc. Switching circuit
CN106712529A (zh) * 2017-01-17 2017-05-24 浙江大学 一种基于GaN的高效率高功率密度隔离DC‑DC变换电路
CN108922871A (zh) * 2018-05-23 2018-11-30 杭州士兰微电子股份有限公司 半导体封装结构及其制造方法
CN208739041U (zh) * 2018-07-04 2019-04-12 镓能半导体（佛山）有限公司 一种氮化镓芯片的三相全桥电路及智能功率模块
CN209134112U (zh) * 2018-12-29 2019-07-19 苏州纽克斯电源技术股份有限公司 一种充电器的pcb板布局结构及充电器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
许媛 等: "基于增强型GaN HEMT的半桥开关电路设计与测试", 《黄山学院学报》 *
黄伟 等: "基于增强型GaN HEMT的48V转1V负载点电源模块设计", 《电子元器件与信息技术》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110445393B (zh) 2020-07-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107078629B (zh) 有源缓冲器
CN105379098B (zh) 三电平逆变器
CN110401365B (zh) 用于大功率充电机的GaN无桥PFC电源模块
US8670254B2 (en) Grid-tied power conversion circuits and related techniques
CN109787609A (zh) 电容耦合式电平移位器
CN107210290B (zh) 半桥式功率半导体模块及其制造方法
CN110401354B (zh) 新能源汽车用大功率GaN半桥LLC充电模块
CN107104600B (zh) 模块化多电平变换器及电力电子变压器
CN110445373B (zh) 高功率密度GaN电容串接式交错并联PFC电源模块
CN110401369A (zh) 高效率高功率密度GaN全桥逆变器模块
CN109039046A (zh) 一种模块化多电平换流器半全桥子模块的缓冲电路
Sahan et al. Combining the benefits of SiC T-MOSFET and Si IGBT in a novel ANPC power module for highly compact 1500-V grid-tied inverters
CN106796930A (zh) 具有分布式栅极的功率晶体管
CN110365217B (zh) 高功率密度GaN全桥LLC电源模块
WO2021129752A1 (zh) 一种环形布局的模块化并联半桥集成组件
CN110429850B (zh) 新能源发电系统用高效率GaN三相逆变器模块
CN110445372B (zh) 用于无线充电系统的GaN交错并联PFC电源模块
CN110429838A (zh) 高功率密度GaN同步整流负载点电源模块
CN110445393A (zh) 高功率密度GaN功率模块双面布局结构
CN2829213Y (zh) 一种绝缘栅双极晶体管逆变器驱动电源
CN208208756U (zh) 一种新型封装结构的功率模块
CN110380604B (zh) 新能源发电系统用高压宽输入范围GaN电源模块
Grzejszczak et al. Design of a high-efficiency three-phase three-level NPC converter based on GaN HEMT and SiC SB diode
CN102290988A (zh) 大容量多重化dc-dc电源
CN108598074B (zh) 一种新型封装结构的功率模块

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant