高效率高功率密度GaN全桥逆变器模块制造技术

本发明专利技术属于电力电子技术领域，具体为一种高效率高功率密度GaN全桥逆变器模块，包括控制器、第一GaN半桥电路(1)、第一电感(L1)、第一电容(C1)、第二GaN半桥电路(2)、第二电感(L2)、第二电容(C2)、输出电容C3、检测电路和反馈电路。本发明专利技术通过采用LGA封装的GaN HEMT器件实现全桥逆变器的高频化，进一步为提高功率等级采用多管并联结构，为提高可靠性采用双面布局结构对栅驱动电路、HEMT器件、电源母线和散热布局进行优化设计，从而实现逆变器模块的高频化和小型化，进一步实现高密度功率集成和高效率，可以广泛应用于各类新能源并网逆变系统中。

High efficiency and high power density Gan full bridge inverter module

【技术实现步骤摘要】
高效率高功率密度GaN全桥逆变器模块
本专利技术涉及一种用于逆变系统的高效率高功率密度GaN全桥逆变器模块，属于电力电子

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。逆变器是把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成交流电(一般为220V，50Hz正弦波)。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等。当前汽车的普及率较高外出工作或外出旅游即可用逆变器连接蓄电池带动电器及各种工具工作。再大一些功率逆变电源要通过连接线接到电瓶上。把家用电器连接到电源转换器的输出端就能在汽车内使用各种电器。可使用的电器有：手机、笔记本电脑、数码摄像机、照像机、照明灯、电动剃须刀、CD机、游戏机、掌上电脑、电动工具、车载冰箱及各种旅游、野营、医疗急救电器等。高频逆变器通过高频DC/AC变换技术，将低压直流电逆变为高频低压交流电，然后经过高频变压器升压后，再经过高频整流滤波电路整流成通常均在300V以上的高压直流电，最后通过工频逆变电路得到220V工频交流电供负载使用。高频逆变器的优缺点：高频逆变器采用的是体积小，重量轻的高频磁芯材料，从而大大提高了电路的功率密度，使得逆变电源的空载损耗很小，逆变效率得到了提高。通常高频逆变器峰值转换效率达到90％以上。逆变器的高频化追求需要面对诸多问题，首先是功率器件的硬开关所固有的缺陷变得不可容忍：开通和关断损耗大；容性开通问题；二极管反向恢复问题；感性关断问题；硬开关电路的EMI问题。因此，有必要寻求较好的解决方案尽量减少或消除硬开关带来的各种问题。采用软开关技术是克服以上缺陷的有效办法之一。最理想的软开通过程是：电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，开通损耗近似为零。因功率管开通前电压已下降到零，其结电容上的电压即为零，故解决了容性开通问题，同时也意味着二极管已经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管的反向恢复问题亦不复存在。最理想的软关断过程为：电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于功率管关断前电流已下降到零，即线路电感中电流亦为零，所以感性关断问题得以解决。在传统的硅基功率器件基础上，即使采用软开关技术，模块的开关频率仍然受功率开关器件特性限制，通常硅基MOSFET和IGBT器件的频率被限制在100KHz以下。随着整机系统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，是新一代逆变器模块设计的一个综合瓶颈问题。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，采用GaN开关器件使升压和逆变器能以高于500kHz的频率工作，传统的绝缘栅双极晶体管(IGBT)设计以低于20KHz的频率运行。较高的频率大大降低了逆变器和电源优化器(如使用)中大型磁铁的尺寸。GaN功率级固有的低开关损耗使得效率可以达到99％以上。更高的效率意味着更小的散热器和需要较少的散热，使设计更加紧凑和更具成本效益。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。针对采用GaN功率器件进行功率集成时面临的应用挑战，本专利技术在栅驱动电路、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功率器件的高效率单相逆变器功率模块。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种高效率高功率密度GaN全桥逆变器模块。按照本专利技术提供的一种高效率高功率密度GaN全桥逆变器模块技术方案，其特征是包括：控制器、第一GaN半桥电路1、第一电感L1、第一电容C1、第二GaN半桥电路2、第二电感L2、第二电容C2、输出电容C3、检测电路和反馈电路。所述第一GaN半桥电路1包括第一栅驱动电路H、第二栅驱动电路L、第一GaN功率开关MH、第二GaN功率开关ML、分别连接在MH和ML栅端的第一限流电阻RH和RL；所述第二GaN半桥电路2包括第三栅驱动电路H1、第四栅驱动电路L1、第三GaN功率开关MH1和第四GaN功率开关ML1、分别连接在MH1和ML1栅端的第三限流电阻RH1和RL1；上述电路的连接关系如下：控制器的第一脉宽信号PWH输出端连接到第一栅驱动电路H的输入端，控制器的第二脉宽信号PWL输出端连接到第二栅驱动电路L的输入端，控制器的第三脉宽信号PWH1输出端连接到第三栅驱动电路H1的输入端，控制器的第四脉宽信号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的输出端连接到第一限流电阻RH的左端，第一限流电阻RH的右端连接到第一GaN功率开关MH的栅端，第二栅驱动电路L的输出端连接到第二限流电阻RL的左端，第二限流电阻RL的右端连接到第二GaN功率开关ML的栅端，第三栅驱动电路H1的输出端连接到第三限流电阻RH1的左端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效率高功率密度GaN全桥逆变器模块，其特征是包括：控制器、第一GaN半桥电路(1)、第一电感(L1)、第一电容(C1)、第二GaN半桥电路(2)、第二电感(L2)、第二电容(C2)、输出电容C3、检测电路和反馈电路。所述第一GaN半桥电路(1)包括第一栅驱动电路(H)、第二栅驱动电路(L)、第一GaN功率开关(MH)、第二GaN功率开关(ML)、分别连接在MH和ML栅端的第一限流电阻(RH)和RL；所述第二GaN半桥电路(2)包括第三栅驱动电路(H1)、第四栅驱动电路(L1)、第三GaN功率开关(MH1)和第四GaN功率开关(ML1)、分别连接在MH1和ML1栅端的第三限流电阻(RH1)和RL1；上述电路的连接关系如下：控制器的第一脉宽信号(PWH)输出端连接到第一栅驱动电路(H)的输入端，控制器的第二脉宽信号(PWL)输出端连接到第二栅驱动电路(L)的输入端，控制器的第三脉宽信号(PWH1)输出端连接到第三栅驱动电路(H1)的输入端，控制器的第四脉宽信号(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)的输出端连接到第一限流电阻(RH)的左端，第一限流电阻(RH)的右端连接到第一GaN功率开关(MH)的栅端，第二栅驱动电路(L)的输出端连接到第二限流电阻(RL)的左端，第二限流电阻(RL)的右端连接到第二GaN功率开关(ML)的栅端，第三栅驱动电路(H1)的输出端连接到第三限流电阻(RH1)的左端，第三限流电阻(RH1)的右端连接到第三GaN功率开关(MH1)的栅端，第四栅驱动电路(L1)的输出端连接到第四限流电阻(RL1)的左端，第四限流电阻(RL1)的右端连接到第四GaN功率开关(ML1)的栅端；第一GaN功率开关(MH)的源端连接到输入高压母线Vbus，第一GaN功率开关(MH)的漏端为半桥输出HB，半桥输出HB连接到第二GaN功率开关(ML)的漏端和第一电感(L1)的左端，第二GaN功率开关(ML)的源端连接到输入低压母线Vgnd和第一电容(C1)的下端；第三GaN功率开关(MH1)的源端连接到输入高压母线Vbus，第三GaN功率开关(MH1)的漏端为半桥输出HB1，半桥输出HB1连接到第四GaN功率开关(ML1)的漏端和第二电感(L2)的左端，第四GaN功率开关(ML1)的源端连接到输入低压母线Vgnd和第二电容(C2)的下端；第一电感(L1)的右端连接到第一电容(C1)的上端、检测电路的第一输入端口、输出电容C3的上端和输出高压母线Vout+；第二电感(L2)的右端连接到第二电容(C2)的上端、检测电路的第二输入端口、输出电容C3的下端和输出低压母线Vout‑；检测电路的第一输出、第二输出和第三输出分别连接到反馈电路的第一、第二和第三输入端；反馈电路的第一输出、第二输出和第三输出分别连接到控制器的第一、第二和第三输入端；所述控制器、第一GaN半桥电路(1)、第一电感(L1)、第一电容(C1)、第二GaN半桥电路(2)、第二电感(L2)、第二电容(C2)、输出电容C3、检测电路和反馈电路在版图实现时采用双面布局结构。...

【技术特征摘要】
1.一种高效率高功率密度GaN全桥逆变器模块，其特征是包括：控制器、第一GaN半桥电路(1)、第一电感(L1)、第一电容(C1)、第二GaN半桥电路(2)、第二电感(L2)、第二电容(C2)、输出电容C3、检测电路和反馈电路。所述第一GaN半桥电路(1)包括第一栅驱动电路(H)、第二栅驱动电路(L)、第一GaN功率开关(MH)、第二GaN功率开关(ML)、分别连接在MH和ML栅端的第一限流电阻(RH)和RL；所述第二GaN半桥电路(2)包括第三栅驱动电路(H1)、第四栅驱动电路(L1)、第三GaN功率开关(MH1)和第四GaN功率开关(ML1)、分别连接在MH1和ML1栅端的第三限流电阻(RH1)和RL1；上述电路的连接关系如下：控制器的第一脉宽信号(PWH)输出端连接到第一栅驱动电路(H)的输入端，控制器的第二脉宽信号(PWL)输出端连接到第二栅驱动电路(L)的输入端，控制器的第三脉宽信号(PWH1)输出端连接到第三栅驱动电路(H1)的输入端，控制器的第四脉宽信号(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)的输出端连接到第一限流电阻(RH)的左端，第一限流电阻(RH)的右端连接到第一GaN功率开关(MH)的栅端，第二栅驱动电路(L)的输出端连接到第二限流电阻(RL)的左端，第二限流电阻(RL)的右端连接到第二GaN功率开关(ML)的栅端，第三栅驱动电路(H1)的输出端连接到第三限流电阻(RH1)的左端，第三限流电阻(RH1)的右端连接到第三GaN功率开关(MH1)的栅端，第四栅驱动电路(L1)的输出端连接到第四限流电阻(RL1)的左端，第四限流电阻(RL1)的右端连接到第四GaN功率开关(ML1)的栅端；第一GaN功率开关(MH)的源端连接到输入高压母线Vbus，第一GaN功率开关(MH)的漏端为半桥输出HB，半桥输出HB连接到第二GaN功率开关(ML)的漏端和第一电感(L1)的左端，第二GaN功率开关(ML)的源端连接到输入低压母线Vgnd和第一电容(C1)的下端；第三GaN功率开关(MH1)的源端连接到输入高压母线Vbus，第三GaN功率开关(MH1)的漏端为半桥输出HB1，半桥输出HB1连接到第四GaN功率开关(ML1)的漏端和第二电感(L2)的左端，第四GaN功率开关(ML1)的源端连接到输入低压母线Vgnd和第二电容(C2)的下端；第一电感(L1)的右端连接到第一电容(C1)的上端、检测电路的第一输入端口、输出电容C3的上端和输出高压母线Vout+；第二电感(L2)的右端连接到第二电容(C2)的上端、检测电路的第二输入端口、输出电容C3的下端和输出低压母线Vout-；检测电路的第一输出、第二输出和第三输出分别连接到反馈电路的第一、第二和第三输入端；反馈电路的第一输出、第二输出和第三输出分别连接到控制器的第一、第二和第三输入端；所述控制器、第一GaN半桥电路(1)、第一电感(L1)、第一电容(C1)、第二GaN半桥电路(2)、第二电感(L2)、第二电容(C2)、输出电容C3、检测电路和反馈电路在版图实现时采用双面布局结构。2.根据权利要求1所述的高效率高功率密度GaN全桥逆变器模块，其特征是：所述的第一GaN功率开关和第二GaN功率开关采用多个小电流GaN功率开关管并联来实现大电流输出；并且所述的第一GaN功率开关和第二GaN功率开关均采用LGA封装形式的HEMT器件。3.根据权利要求1所述的高效率高功率密度GaN全桥逆变器模块，其特征是所述双面布局结构包括：第一Ga...

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