高功率密度GaN全桥LLC电源模块制造技术

本发明专利技术公开了一种高功率密度GaN全桥LLC电源模块，包括依次连接的输入整流模块、GaN功率因数校正模块和GaN全桥LLC变换器模块；所述GaN功率因数校正模块将输入整流模块得到的输入高压直流母线DC的输入进行功率因数校正，得到功率因数校正后的高压母线Vbus和低压母线Vgnd；GaN全桥LLC变换器模块对所述高压母线Vbus和低压母线Vgnd的输出进行DC/DC变换，采用输出高压母线Vout+和输出低压母线Vout‑进行输出。本发明专利技术为提高全桥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AC/DC电源模块中。

High power density Gan full bridge LLC power module

【技术实现步骤摘要】
高功率密度GaN全桥LLC电源模块
本专利技术涉及一种用于新一代充电机电源的高功率密度GaN全桥LLC电源模块，属于电源

技术介绍
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光伏微逆变器。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高功率密度GaN全桥LLC电源模块，其特征是,包括：依次连接的输入整流模块、GaN功率因数校正模块和GaN全桥LLC变换器模块；所述GaN功率因数校正模块将输入整流模块得到的输入高压直流母线DC的输入进行功率因数校正，得到功率因数校正后的高压母线Vbus和低压母线Vgnd；GaN全桥LLC变换器模块对所述高压母线Vbus和低压母线Vgnd的输出进行DC/DC变换，采用输出高压母线Vout+和输出低压母线Vout‑进行输出；所述GaN功率因数校正模块包括：PFC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，PFC控制器(U1)的第二脉宽信号PWL输出端连接到第二...

【技术特征摘要】
1.高功率密度GaN全桥LLC电源模块，其特征是,包括：依次连接的输入整流模块、GaN功率因数校正模块和GaN全桥LLC变换器模块；所述GaN功率因数校正模块将输入整流模块得到的输入高压直流母线DC的输入进行功率因数校正，得到功率因数校正后的高压母线Vbus和低压母线Vgnd；GaN全桥LLC变换器模块对所述高压母线Vbus和低压母线Vgnd的输出进行DC/DC变换，采用输出高压母线Vout+和输出低压母线Vout-进行输出；所述GaN功率因数校正模块包括：PFC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，PFC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；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ML的栅端；GaN功率开关MH的源端连接电感L1的右端VH和输出二极管D1的阳极，GaN功率开关MH的漏端同时也是低压母线Vgnd和GaN功率开关ML的漏端，还连接到第一检测电路(U2)的第一输入端口和输出电容C1的下端；GaN功率开关ML的源端连接到电感L2的右端VL和输出二极管D2的阳极；输出二极管D1阴极和输出二极管D2阴极连接到高压母线端Vbus、第一检测电路(U2)的第二输入端口以及输出电容C1的上端；输入高压直流母线DC连接到电感L1和电感L2的左端；第一检测电路(U2)输出的对GaN功率因数校正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第一反馈电路(U3)的输入端；第一反馈电路(U3)将GaN功率因数校正模块的电压检测信号、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PFC控制器(U1)；所述GaN全桥LLC变换器模块包括：PWM控制器(U4)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(U4)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MHo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的漏端为第一半桥输出(FB1)，第一半桥输出(FB1)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；PWM控制器(U4)的第五脉宽信号PWH2输出端连接到第五栅驱动电路(H2)的输入端，PWM控制器(U4)的第六脉宽信号PWL2输出端连接到第六栅驱动电路(L2)的输入端；第五栅驱动电路(H2)的输出端连接到限流电阻RH2的左端，限流电阻RH2的右端连接到GaN功率开关MHc的栅端，第六栅驱动电路(L2)的输出端连接到限流电阻RL2的左端，限流电阻RL2的右端连接到GaN功率开关MLc的栅端；GaN功率开关MHc的源端连接到高压母线Vbus，GaN功率开关MHc的漏端为第二半桥输出(FB2)，第二半桥输出(FB2)连接GaN功率开关MLc的漏端以及变压器T输入低压端；GaN功率开关MLc的源端连接到低压母线Vgnd；变压器T的第一输出端与输出二极管D3的阳极以及输出二极管D32的阴极相连，变压器T的第四输出端与输出二极管D4的阳极以及输出二极管D42的阴极相连，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、第二检测电路(U5)的第一输入端口和输出低压母线Vout-端；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的右端连接第二检测电路(U5)的第二输入端口和输出高压母线端Vout+；输出二极管D32的阳极和输出二极管D42的阳极相连并连接到输出电容Co的下端；第二检测电路(U5)输出的对GaN全桥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第二反馈电路(U6)的输入端；第二反馈电路(U6)将GaN全桥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处理为反馈信号，输出给PWM控制器(U4)。2.根据权利要求1所述的高功率密度GaN全桥LLC电源模块，其特征是，所述的GaN功率开关MH、ML、MHo、MLo、MHc和MLc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。3.根据权利要求2所述的高功率密度GaN全桥LLC电源模块，其特征是，所述输入整流模块、GaN功率因数校正模块和GaN全桥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)、PFC版图区(2)和LLC版图区(3)，还包括：输入高压直流母线DC版图区(21)跨接在输入高压区(1)和PFC版图区(2)之间，高压母线Vbus版图区和低压母线Vgnd版图区跨接在PFC版图区(2)和LLC版图区(3)之间，LLC版图区(3)内部的输出高压母线Vout+版图区和输出低压母线Vout-版图区提供输出电源；所述输入整流模块实现为输入高压区(1)，输入高压区(1)和输入高压直流母线DC版图区(21)位于正面；所述PFC版图区(2)包括：PFC输出电压区(22)和PFC低压供电区(23)；PFC输出电压区(22)分布在正面，PFC低压供电区(23)分布在反面；输入高压直流母线DC版图区(21)右侧和PFC输出电压区(22)的左侧重合；所述PFC输出电压区(22)包括：第二散热器...

【专利技术属性】
技术研发人员：许媛，陈珍海，张燕飞，赵琳娜，鲍婕，宁仁霞，占林松，黄伟，
申请(专利权)人：黄山学院，
类型：发明
国别省市：安徽,34