CN117178643A - 包括氮化镓器件的电路组件 - Google Patents
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Abstract
一种电路组件，包括第一印刷电路板(PCB)、位于第一PCB的第一侧的开关器件、附接到第一PCB的与第一侧相对的第二侧表面的散热器以及附接到散热器和第一PCB的L形金属板。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年4月9日提交的美国专利申请号63/173,014的权益。该美国专利申请的全部内容据此通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于高功率密度电源应用的包括例如氮化镓(GaN)器件的电路组件。
背景技术
图1是使用图腾柱(totem-pole)功率因数校正(PFC)拓扑结构的AC-DC整流器的电路图。与典型的升压型PFC相比，这种图腾柱PFC拓扑结构的主要优点是它是一种无桥电路，这意味着它的输入端不包括整流二极管桥。因此，消除了相关的整流桥损耗，从而实现了更高的效率和功率密度。使用互补增强模式(e模式)氮化镓(GaN)半导体(其中，GaN是一种宽带隙(WBG)材料)的优势在于：完全消除了任何反向恢复电荷。因此，GaN器件在传统高压超结功率半导体无法解决的应用中与半桥硬开关电路配合良好。在这些条件下，图1所示的图腾柱PFC拓扑结构非常适合与GaN器件配合使用。
图1示出了GaN器件(虚线框内)用作开关S1和S2。开关S1与S2之间的节点通过电感器连接到交流(AC)电压源VAC的端子，并且开关SD1与SD2之间的节点连接到AC电压源VAC的另一个端子。电容器C和电阻R中的每一个都并联连接在开关SD1和SD2上。开关S1和S2以高开关频率开关并提供升压开关和整流开关的功能，而开关SD1和SD2以线路频率开关并提供线路整流器的功能。与典型的升压型PFC电路相比，图腾柱电路可以以更高的效率达到更高的密度限制。
图2示出了更高功率的硬开关拓扑结构的另一示例，作为使用GaN器件的传统三相六开关升压转换器的电路图。与无GaN器件的同类电路相比，GaN器件S1-S6可以用于提高效率和功率密度。串联连接的开关S1和S2、开关S3和S4以及开关S5和S6中的每一个并联连接到直流(DC)电压源VDC，并且串联连接的开关S1和S2、开关S3和S4以及开关S5和S6中的每一个之间的节点连接到电感器Lf。
希望提高在较高开关频率下工作的电源的功率密度。图3示出了在远高于Si-MOSFET器件的开关频率下工作的软开关拓扑结构中具有GaN器件S1和S2(虚线框内)的半桥LLC转换器电路。半桥LLC转换器包括提供隔离屏障的变压器，该隔离屏障将电路分为连接到变压器的初级绕组的初级侧电路(图3左侧)和连接到变压器的次级绕组的次级侧电路(图3左侧)。初级侧电路包括：包括与DC电压源VDC并联连接的串联连接GaN器件S1和S2的开关电路；以及连接在开关电路与初级绕组之间的且包括谐振电容器Cr、谐振电感器Lr和磁化电感器Lm的谐振电路。次级侧电路包括包括开关Q3和Q4的整流电路。由于Si-MOSFET器件的死区时间要求，使用在高于350kHz的开关频率下工作的Si-MOSFET器件会增加传导损耗。与Si-MOSFET器件相比，GaN器件具有明显更小的关断损耗和所需死区时间，因此更适合于在更高的频率下工作。GaN器件也可以用于全桥LLC转换器配置(未示出)。
具有低寄生电感的表面贴装封装由于其快速开关的缘故通常用于GaN器件，以减少电压尖峰并确保可靠的运行。图4示出了传统GaN组件，其中GaN器件被示为顶部的盒子并包括外壳200和器件结201。可以采用在附接到散热器203的层压印刷电路板(PCB)202上具有GaN器件的传统结构，但这种结构存在以下缺点。
首先，需要大型散热器203。如图4所示，从器件结Tj到环境温度Tamb的总热阻可以计算为：Tj＝Rth_jc+Rth_PCB+Rth_TIM+Rth_hsa，其中，Rth_jc是器件结201对外壳200的热阻，Rth_PCB是PCB 202的热阻，Rth_TIM是热界面材料(TIM)204的热阻，并且Rth_hsa是散热器203对环境温度Tamb的热阻。
PCB的热阻Rth_PCB是主要的电阻，这是因为FR4的热导率较低，而FR4是使用最多的PCB材料。由于GaN器件的表面积集中，GaN器件所产生的热量将在PCB 202上形成热点。GaN器件的高温反过来会增加其漏源导通电阻(Rds_on)。因此，即使电流远低于GaN器件的额定电流，整个组件可以提供的最大功率通常仍会受到GaN器件的最大结温的限制。为了使GaN器件的输出功率最大化，由于PCB 202的热阻较大，因此需要将散热器温度降低到远低于GaN器件的外壳温度。当散热器温度较低时，散热器203的有效性可以显著下降。在这种情况下，散热器203与周围环境之间的温差较小。因此，需要大型散热器203，但这种大型散热器203增大了电路组件的功率密度和总成本。
此外，在传统组件中，存在高电流下的高损耗。由于传统PCB用于传导电流的铜是有限的，因此，高电流下的传导损耗较大并增大了组件的热应力。
为了解决包括GaN器件的传统组件中的这些问题，已经使用大型散热器来增加冷却和/或已经在PCB上使用复杂的母线来提供更高的电流。此外，已经将传统组件的输出功率降低来满足GaN器件的温度和额定电流规格。此外，PCB中还集成了热过孔，旨在降低PCB的热阻。
可选地，为了解决传统GaN组件的问题，已经使用绝缘金属基板(IMS)301来传递热量，如图5和图6所示。图5和图6是由GaN Systems Co.制造的水平IMS评估栅极驱动器板(部件编号GSP665x-EVBIMS2)的视图。图6中的IMS 301(也被称为金属芯PCB)由金属板、隔热层和铜箔制成，其中铜箔具有特殊的导磁性、出色的散热性、较高的机械强度和良好的加工性能。IMS技术对于在有限布局密度下具有高功率损耗特点的较高功率应用(如功率LED模块)而言是相当有效的。但是，IMS 301的采用会限制布局密度，其原因是它仅有一个或两个层用于走线路由。因此，除GaN器件外，所有其他电路(包括栅极驱动器电路、隔离电源和输入连接器)都位于标准PCB 302上。PCB 302通过连接器附接到IMS 301。然而，由于连接器的原因，IMS 301与PCB 302之间存在较大的间隙。如图6所示，这个较大的间隙将形成大功率环路电感路径303，其包括DC去耦电容304、IMS 301和PCB 302。由于GaN器件的快速开关，大功率环路电感路径303可以导致GaN器件在瞬变期间出现较大的漏源电压尖峰和振铃。尤其是在开关电流较大时，GaN器件的这种振铃可以在半桥的中点处导致随时间变化的高电压差(dy/dt)，而这可能导致开关的错误导通。此外，高尖峰电压增大了GaN器件上的电压应力并且可以导致GaN器件超过其额定电压。因此，这些缺点使得这种传统配置在电源应用中的实用性变差。
发明内容
为了克服上述问题，本发明的优选实施例提供了电路组件，电路组件各自包括PCB上的高功率开关器件(如GaN器件)、位于PCB的第一侧的散热器以及附加到散热器和PCB的L形金属板，其可以显著降低高功率开关器件与周围环境之间的热阻。本发明的优选实施例还提供了电路组件，电路组件各自包括第一PCB上的高功率开关器件(如GaN器件)、附接到第一PCB的散热器以及具有栅极驱动器电路的附接到第一PCB的第二PCB，其能够改进或优化第一PCB的高电流路由。
此外，本发明的优选实施例提供了电路组件，电路组件各自具有双侧冷却以改进电路组件的电路的热性能。此外，高功率开关器件下方的PCB中的铜填充过孔可以显著降低PCB的热阻。
根据本发明的优选实施例的具有高电流及散热性的嵌体PCB可以包括：
1.金属嵌体，例如铜嵌体，其用作母线和散热器，从而显著降低高电流下的传导损耗。
2.与没有金属嵌体的PCB相比具有大表面积的金属嵌体，这种金属嵌体由于嵌体PCB的热阻显著降低而提供更出色的散热性，特别是当它附接到另一个散热器时。
3.与IMS的组合性，这种组合性通过消除单独的散热器，实现了非常高的功率密度和大大简化的GaN组件制造工艺。
根据本发明的优选实施例，与开关器件PCB分开的具有隔离电源的栅极驱动器PCB可以提供若干优势，包括：
1.改进开关器件PCB的热冷却和载流能力，因为通过将栅极驱动器电路与高电流电源路由分开，可以改进或优化开关器件PCB上的高电流路由。
2.能够使用性价比较高的具有平面结构的变压器，因为具有平面结构的变压器可以与栅极驱动器PCB集成并且更容易组装。
3.能够使用变压器的绕组布置，此绕组布置可以平衡低绕组间电容(由于快速开关瞬变，低电容对于减少或最小化共模(CM)电流注入很重要)与良好的耦合(低漏感有助于开环输出电压调节)和超过1500V的隔离。
4.能够使用负驱动器电压，其中可以对负驱动器电压进行调节，以确保在瞬变期间不会超过器件的栅极阈值电压，并减少或最小化反向传导损耗。
根据本发明的优选实施例，一种电路组件包括第一印刷电路板(PCB)、位于第一PCB的第一侧的开关器件、附接到第一PCB的与第一侧相对的第二侧表面的散热器以及附接到散热器和第一PCB的L形金属板。
L形金属板可以接触开关器件的顶表面。电路组件还可以包括散热器与第一PCB之间以及L形金属板与开关器件之间的热界面材料(TIM)。L形金属板可以包括铜。L形金属板可以包括角度小于90°的弯曲部。第一PCB可以为约1毫米厚。
第一PCB可以包括中间金属平面作为内部层。中间金属平面可以包括多个部分，并且多个部分中的每一个可以连接到第一PCB上的不同电路节点。第一PCB的中间金属平面可以通过第一PCB中的微过孔连接到开关器件。
第一PCB可以包括位于开关器件下方的铜填充微过孔。第一PCB可以包括铜嵌体，并且铜填充过孔可以在开关器件与铜嵌体之间提供热路径。
电路组件还可以包括第二PCB和第二PCB上的驱动开关器件的驱动电路。L形金属板的一部分可以位于第一PCB与第二PCB之间。
根据本发明的优选实施例，一种电路组件包括第一印刷电路板(PCB)、位于第一PCB上的开关器件、附接到第一PCB的散热器以及包括栅极驱动器电路的附接到第一PCB的第二PCB。
电路组件还可以包括连接器，以在第一PCB与第二PCB之间路由信号。电路组件还可以包括L形金属板，其中L形金属板的一部分可以位于第一PCB与第二PCB之间。L形金属板的第一支腿可以位于第一PCB与第二PCB之间，并且L形金属板的第二支腿可以附接到散热器。电路组件还可以包括集成到第二PCB中的变压器。栅极驱动器电路可以是隔离的。开关器件可以是氮化镓开关器件。
本发明的上述及其他特征、元件、步骤、结构、特点和优点将通过下面参照附图对本发明优选实施例的详细描述而变得更加明显。
附图说明
图1是使用GaN器件的传统图腾柱无桥PFC电路的电路图。
图2是使用GaN器件的传统三相六开关升压转换器电路的电路图。
图3是使用GaN器件的传统半桥LLC转换器电路的电路图。
图4示出了传统GaN电路组件。
图5和图6示出了使用绝缘金属基板的传统GaN电路组件。
图7和图8示出了具有PCB的双侧冷却的电路组件。
图9示出了电路组件的PCB布局设计。
图10示出了根据本发明的优选实施例的嵌体PCB。
图11A和图11B是根据本发明的优选实施例的嵌体PCB的横截面。
图12和图13示出了具有分开的开关器件PCB和栅极驱动器PCB的电路组件。
图14至图16示出了具有分开的开关器件PCB和栅极驱动器PCB的电路组件。
图17示出了具有隔离的脉冲变压器的栅极驱动器PCB。
具体实施方式
图7和图8示出了在电路组件中可以与双侧冷却一起使用PCB 70。如图7和图8所示，散热器71可以经由安装螺钉72附接到具有开关器件的PCB 70(可以被称为开关器件PCB或第一PCB)，以从开关器件PCB 70的底侧提取热量。作为安装螺钉72的替代，散热器71可以用任何合适的紧固件附接到开关器件PCB 70。如图7和图8所示，L形铜板74可以附接到开关器件PCB 70上的开关器件(例如，其可以是GaN器件)的顶表面，用于实现顶侧冷却。L形铜板74可以使用螺钉或任何其他合适的紧固件附接到散热器。尽管优选的是铜，但L形铜板74可以由铝、合金或任何合适的材料制成。TIM 76可以分别用于L形铜板74和散热器71的顶部和底部接触表面，以改善热传导并为其他电气组件提供电绝缘和间隙。L形铜板74也可以通过安装螺钉72附接到散热器71的顶部。L形铜板74可以具有略小于90°的弯曲角，由此在开关器件PCB 70上的开关器件的顶部形成足够的机械力，进而确保良好的热接触。导热垫75可以在L形铜板74的外表面上放置在电路组件与电源电路的底盘之间的接口处，使得热量可以传递到底盘。因此，通过组合不同的冷却方法(包括强制对流、传导和辐射)，热管理可以变得更有效。
开关器件PCB 70的冷却提高了电路组件的整体热性能。因此，为了对冷却产生最大的影响，需要尽可能地减小开关器件PCB 70的热阻。与图9所示的铜填充过孔52类似，铜填充过孔可以用于PCB布局设计，后者可以显著降低开关器件PCB 70的热阻。减小或最小化PCB 70的厚度也可以有助于降低热阻。已发现，约1毫米的厚度可在PCB 70的热阻与刚性之间取得可接受的平衡。在本发明的此优选实施例中，电路组件的栅极驱动电路也集成在PCB70中，以减少或最小化栅极驱动器信号GS1和GS2的任何环路。
图10所示的嵌体PCB 50具有顶层51、第二层52和底层53，其中铜嵌体的厚度例如在第二层或中间层所包括的制造公差内为约1毫米至2毫米。铜嵌体可以具有制造公差内约1.0毫米、约1.5毫米或约2.0毫米的标准厚度，也可以具有另一合适的厚度。铜嵌体可以是重盎司铜，包括例如6盎司或10盎司铜。如图10所示，顶层51可以包括垫或连接器54，以连接到栅极驱动器PCB(图10中未示出)。在第二层52中，铜嵌体被分成分别连接到电源连接+Vdc、-Vdc和MID的三个铜平面56a、56b、56c。这三个铜平面56a、56b、56c中每一个的突耳57a、57b、57c可以延伸到嵌体PCB 50的矩形形状的周边之外，以提供到主板(未示出)的电源连接。铜平面56a、56b、56c可以通过微过孔(类似于图11A和图11B所示的微过孔61)连接到顶层中的开关器件。微过孔可以是铜填充过孔，以提供更出色的热传导。可以包括顶层51、第二层52和底层53中的孔，以将散热器(图10中未示出)安装到嵌体PCB 50。连接到电源连接-Vdc的铜平面56b可以沿底层延伸，以帮助减少或最小化电源环路的杂散电感。此外，具有连接到电源连接-Vdc的铜平面56b的底层53可以在没有TIM层的情况下附接到散热器，这是因为该散热器可以连接到底层53，从而显著降低或最小化嵌体PCB 50与散热器之间的热阻。
图11A示出了电路组件的示例，该电路组件包括具有铜嵌体的嵌体PCB 60，该铜嵌体通过微过孔61热连接到嵌体PCB 60的顶表面上的开关器件S1和S2(例如，其可以是GaN开关器件)。图11A示出了嵌体PCB 60可以附接到散热器62。图11B示出了嵌体PCB 60可以替代地包括金属基板63，而不是散热器。金属基板63可以是铜基板，也可以是任何其他合适的金属或合金。替代地，金属基板63也可以是集成IMS。可以在开关器件S1与S2之间设置经由微过孔61和嵌体PCB 60的厚铜平面或铜嵌体通往金属基板63的热路径。
由于嵌体PCB 60中铜嵌体的表面积相对较大，铜嵌体可以有效地将热量从开关器件S1和S2传递并散布出去。因此，在嵌体PCB 60的情况下，可以显著降低嵌体PCB 60的热阻。为了实现嵌体PCB 60的最佳热性能，栅极驱动器电路可以位于单独的板上，以便可以改进或优化铜嵌体的布局。图10示出了图9所示的栅极驱动器电路已经从嵌体PCB上移除。相反，图10示出了表面贴装连接器54的位置，该表面贴装连接器可以用于连接来自栅极驱动器PCB的栅极信号。
在较高功率密度设计中，嵌体PCB 60可以与金属基板63组合，而金属基板63是上面结合图11B所述的IMS。在这种配置中，第二层中存在铜嵌体，底层中存在铜基板。由于金属基板63用作散热器，因此不再需要单独的散热器。被配置有本发明的这些优选实施例的电路组件可以具有非常高的功率密度并且可以做得更简单。
图12和图13示出了本发明的另一个优选实施例，其中栅极驱动器电路可以集成到栅极驱动器PCB 80中并且与包括开关器件的开关器件PCB 90分开。如图12和图13所示，开关器件PCB 90(标准或嵌体PCB)附接到散热器92。如果将标准PCB用作开关器件PCB 90，则在开关器件PCB 90与散热器92之间需要TIM层96来提供电气隔离。如果将嵌体PCB用作开关器件PCB 90，则可以不需要TIM 96，这是因为嵌体PCB的底层可以用可以提供隔离的介电材料制成。如果不使用TIM 96，则可以消除TIM 96的热阻。如果需要，则可以使用具有非常高的导热性的导热硅脂或相变导热材料来去除开关器件PCB 90与散热器92之间的空隙。
如图13所示，表面贴装连接器91可以用于在开关器件PCB 90与栅极驱动器PCB 80之间传输电气信号，但是其他连接机制也是可以的。
图14至图16示出了本发明的另一个优选实施例，其中栅极驱动器电路32可以集成到栅极驱动器PCB 30中并且与包括开关器件的开关器件PCB 40分开。如图14和图15所示，开关器件PCB 40附接到散热器45。可以在开关器件PCB 40与散热器45之间使用TIM层44来提供电气隔离。如果需要，可以使用具有非常高的导热性的导热硅脂或相变导热材料来去除开关器件PCB 40与散热器45之间的空隙。
如图15所示，表面贴装连接器41可以用于在开关器件PCB 40与栅极驱动器PCB 30之间传输电气信号，但是其他连接机制也是可以的。
如图14至图16所示，可以添加L形板35来提供额外的顶侧冷却，从而进一步提高热性能。尽管L形板35可以包括铜，但L形板35可以包括铝、合金或任何其他合适的材料。如图所示，L形板35可以包括两个切口36，通过这两个切口，表面贴装连接器41从开关器件PCB40延伸到栅极驱动器PCB 30以连接到开关器件的栅极。图15示出了TIM层44可以在散热器45与开关器件PCB 40之间以及开关器件PCB 40与L形板35之间用于提供电气隔离。如图16所示，导热垫31可以在L形板35的外表面上放置在L形板35与电源电路的底盘之间的接口处，使得热量可以传递到底盘。因此，通过组合不同的冷却方法(包括强制对流、传导和辐射)，热管理可以变得更有效。导热垫31可以在L形板35与栅极驱动器PCB 30之间的接口处沿着L形板35延伸。
在本发明的另一个优选实施例中，图17示出了隔离的脉冲变压器101可以集成在栅极驱动器PCB 100中。如图17所示的栅极驱动器PCB100可以包括集成式隔离脉冲变压器101，其为相应开关器件的栅极驱动器提供双通道隔离电源。隔离脉冲变压器101的绕组由PCB中的走线定义。因此，隔离脉冲变压器101具有低剖面并且可以容易地制造。
绕组布置具有非常低的绕组间电容、低漏感和超过1500V的隔离。低电容对于最小化或显著减少由快速开关瞬变引起的CM电流注入而言非常重要，并且低漏感有助于开环输出电压调节。包括GaN组件的电源可以包括+7.5V轨和-2.5V轨。负驱动器电压对于GaN组件的可靠运行而言非常重要。此外，可以在负电压轨上增加电压调节，从而确保在瞬变期间不会超过栅极阈值电压，并减少或最小化反向传导损耗。
应当理解，上述描述仅是对本发明的说明。本领域技术人员可以在不脱离本发明的情况下设计出各种替代物和修改。因此，本发明旨在包含落入所附权利要求的范围内的所有此类替代物、修改和变化。
Claims (20)
1.一种电路组件，包括：
第一印刷电路板PCB；
位于所述第一PCB的第一侧的开关器件；
附接到所述第一PCB的与所述第一侧相对的第二侧表面的散热器；以及
附接到所述散热器和所述第一PCB的L形金属板。
2.根据权利要求1所述的电路组件，其中所述L形金属板接触所述开关器件的顶表面。
3.根据权利要求1或2所述的电路组件，还包括所述散热器与所述第一PCB之间以及所述L形金属板与所述开关器件之间的热界面材料TIM。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电路组件，其中所述L形金属板包括铜。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电路组件，其中所述L形金属板包括角度小于90°的弯曲部。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电路组件，其中所述第一PCB为约1毫米厚。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电路组件，其中所述第一PCB包括中间金属平面作为内部层。
8.根据权利要求7所述的电路组件，其中
所述中间金属平面包括多个部分，并且
所述多个部分中的每一个连接到所述第一PCB上的不同电路节点。
9.根据权利要求7或8所述的电路组件，其中所述第一PCB的所述中间金属平面通过所述第一PCB中的微过孔连接到所述开关器件。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的电路组件，其中所述第一PCB包括位于所述开关器件下方的铜填充微过孔。
11.根据权利要求10所述的电路组件，其中
所述第一PCB包括铜嵌体；并且
所述铜填充过孔在所述开关器件与所述铜嵌体之间提供热路径。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的电路组件，还包括：
第二PCB；以及
所述第二PCB上的驱动所述开关器件的驱动电路。
13.根据权利要求12所述的电路组件，其中所述L形板的一部分位于所述第一PCB与所述第二PCB之间。
14.一种电路组件，包括：
第一印刷电路板PCB；
位于所述第一PCB上的开关器件；
附接到所述第一PCB的散热器；以及
包括栅极驱动器电路的附接到所述第一PCB的第二PCB。
15.根据权利要求14所述的电路组件，还包括连接器，以在所述第一PCB与所述第二PCB之间路由信号。
16.根据权利要求14或15所述的电路组件，还包括L形金属板；其中
所述L形金属板的一部分位于所述第一PCB与所述第二PCB之间。
17.根据权利要求14或15所述的电路组件，其中
所述L形金属板的第一支腿位于所述第一PCB与所述第二PCB之间，并且
所述L形金属板的第二支腿附接到所述散热器。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的电路组件，还包括集成到所述第二PCB中的变压器。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的电路组件，其中所述栅极驱动器电路是隔离的。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的电路组件，其中所述开关器件是氮化镓开关器件。
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