高功率密度GaN功率模块双面布局结构制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术所提供的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。

Double side layout structure of high power density Gan power module

The invention discloses a double-sided layout structure for high power density Gan power module, which comprises an input high-voltage area, a transformer area, an output voltage area and a low-voltage power supply area. The input high-voltage area, the transformer area and the output voltage area are distributed on the front side, and the low-voltage power supply area is distributed on the back side; the PWM pulse width signal, the voltage detection signal, the current detection signal and the temperature detection signal between the front side and the back side are connected through the through-hole. The double-sided layout structure of the Gan power module provided by the invention can realize the high frequency and miniaturization of the power module, thus realizing the high density power integration and high efficiency by ensuring that the Gan device works in the safe area state, and can be widely used in the high density power module adopting the Gan power device for power integration.

【技术实现步骤摘要】
高功率密度GaN功率模块双面布局结构
本专利技术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。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。
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。按照本专利技术提供的技术方案，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(LandGridArray)封装形式的HEMT(HighElectronMobilityTransistor)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。本专利技术的优点是：本专利技术所提供的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功率器件进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

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