CN104157634B - 一种分裂电容中间布局的低寄生电感GaN功率集成模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分裂电容中间布局的低寄生电感GaN功率集成模块，包括上桥臂器件、下桥臂器件和母线电容，上桥臂器件、下桥臂器件是LGA封装的GaN器件，母线电容是贴片封装。两个GaN器件并排放置，多个母线电容放置在两个GaN器件中间。上桥臂器件的每一个源极引脚和下桥臂器件的一个漏极直接相连，上桥臂器件的每一个漏极和下桥臂器件的一个源极分别连接到一个母线电容的两个电极。本发明采用的布局方式，可以有效地减小高频功率回路的面积，同时充分利用了LGA封装漏极和源极引脚交错排列的结构，构成多个交错并联的高频功率电流回路，从而明显地降低了高频功率回路寄生电感，减小了开关过程中的过电压和振荡。

Description

一种分裂电容中间布局的低寄生电感GaN功率集成模块

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及分裂电容中间布局的低寄生电感GaN功率集成模块。

背景技术

GaN功率器件是近几年出现并逐步商业化的热门新材料器件，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。

但在GaN器件的应用过程中，也出现了一些亟待解决的关键性问题，如：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。另外，GaN芯片尺寸小，又没有散热基板，其热量的散发全靠引线传导至安装基板(PCB基板)，然后再通过PCB基板散发到环境中，这导致器件结壳热阻很大。芯片尺寸小、电路中几个GaN器件又必须相互靠近安装以减小回路寄生电感，因此导致热集中。以上两个问题决定了GaN器件的散热非常不好，难以完全发挥其性能优势。

针对GaN器件应用的这些问题，已经开展了一些研究工作，现有针对GaN器件的布局和布线方案，有效地减小了高频功率回路电感，最优结构为0.4nH，是目前最好的方案。然而，寄生振荡现象依然存在，有必要进一步优化布局和布线方式以减小高频功率回路电感。采用高热导率的氧化铝基板，可以有效地提高GaN集成模块的散热性能。然而，氧化铝基板只能单层或双层布线，且基板厚度较大，这对布线带来了很大的挑战。在氧化铝基板上，最优布线结构的功率回路电感大约是1.2nH，这会给电路带来严重的电压尖峰和振荡。所以很有必要在高热导率的基板(例如氧化铝基板和氮化铝基板)上寻求一种更优的布线方式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分裂电容中间布局的低寄生电感GaN功率集成模块，通过优化布局和布线方式，能够有效的降低回路寄生电感。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

包括上桥臂器件、下桥臂器件和多个母线电容，上桥臂器件、下桥臂器件和多个母线电容位于基板的一侧表面上，上桥臂器件和下桥臂器件平行并排放置，多个母线电容安放在上桥臂器件与下桥臂器件中间；每个母线电容的一个电极与上桥臂器件的一个漏极对应相连，上桥臂器件的所有漏极相互连接，每个母线电容的另一个电极与下桥臂器件的一个源极对应相连，下桥臂器件的所有源极相互连接；上桥臂器件的所有源极与下桥臂器件的所有漏极一一对应相连。

所述上桥臂器件和下桥臂器件均为LGA封装的GaN器件，母线电容为贴片0201封装。

所述基板内设置有一层屏蔽层，屏蔽层是一个导电平面。

所述基板为PCB板或LTCC板或氧化铝基板或氮化铝基板。

所述基板的另一侧表面上设置有间隔排列的母线电压正极焊盘、桥臂中点焊盘以及母线电压负极焊盘，母线电压正极焊盘通过基板上的过孔与上桥臂器件的漏极相连，母线电压负极焊盘通过基板上的过孔与下桥臂器件的源极相连，桥臂中点焊盘通过基板上的过孔与桥臂中点相连。

本发明的有益效果是：本发明采用的布局方式，可以有效地减小高频功率回路的面积，同时充分利用了LGA封装漏极和源极引脚交错排列的结构，构成多个交错并联的高频功率电流回路，从而明显地降低了高频功率回路寄生电感。屏蔽层采用一个完整的导电平面，利用其去磁作用，可以进一步的减小高频功率回路寄生电感。本发明的功率集成模块，其适用于LGA封装形式的GaN器件，可以明显地降低高频功率回路的寄生电感，使得应用中的开关回路避免出现过大的振荡和尖峰。

附图说明

图1是功率集成模块中带母线电容的桥臂电路图；

图2是本发明的结构俯视图；

图3是图2的A--A剖视图；

图4是顶部导电层的高频功率电流的矢量分布图；

图5是屏蔽层的电流矢量分布图；

图中：1.上桥臂器件，2.下桥臂器件，3.母线电容，4.母线电压正极，5.母线电压负极，6.屏蔽层，7.基板，8.连接母线电压正极和母线电压正极焊盘的过孔，9.连接母线电压负极和母线电压负极焊盘的过孔，10.高频功率回路，11.连接桥臂中点和桥臂中点焊盘的过孔，12.母线电压正极焊盘，13.桥臂中点焊盘，14.母线电压负极焊盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明所述GaN功率集成模块中上桥臂器件1、下桥臂器件2和母线电容3顺序相连构成高频功率回路，上桥臂器件1和下桥臂器件2平行并排放置，多个贴片母线电容放置在上桥臂器件1与下桥臂器件2中间。上桥臂器件1的所有源极和下桥臂器件2的所有漏极分别对应直接相连，上桥臂器件1的一个漏极和下桥臂器件2的一个源极分别连接到一个母线电容的两个电极。具体说明如下：

如图1所示，上桥臂器件1、下桥臂器件2和母线电容3顺序相连构成高频功率回路10。

如图2所示，上桥臂器件1、下桥臂器件2和多个母线电容3位于基板7的同一表面(正面)。上桥臂器件1和下桥臂器件2均为LGA封装的GaN器件。上桥臂器件和下桥臂器件的封装大小相同，但也可以采用不同封装大小的上桥臂器件和下桥臂器件，上桥臂器件1和下桥臂器件2并排放置，母线电容3放置在上桥臂器件1和下桥臂器件2的中间。每个母线电容3的一个电极与上桥臂器件1的一个漏极对应相连，上桥臂器件1的所有漏极相互连接，每个母线电容3的另一个电极与下桥臂器件2的一个源极对应相连，下桥臂器件2的所有源极相互连接，上桥臂器件1的所有源极与下桥臂器件2的所有漏极一一对应相连。基板7的正面上设置有顶部导电层，母线电压正极4以及母线电压负极5形成于顶部导电层的对应区域，上桥臂器件1的所有漏极的连接以及上桥臂器件1与母线电容3的连接通过母线电压正极4实现，下桥臂器件2的所有源极的连接以及下桥臂器件2与母线电容3的连接通过母线电压负极5实现。

如图3所示，母线电压正极焊盘12、母线电压负极焊盘14和桥臂中点焊盘13位于基板7的反面。母线电压正极焊盘12和上桥臂器件1的漏极通过连接母线电压正极和母线电压正极焊盘的过孔8连接，母线电压负极焊盘14和下桥臂器件2的源极通过连接母线电压负极和母线电压负极焊盘的过孔9连接，桥臂中点焊盘13和桥臂中点通过过孔(连接桥臂中点和桥臂中点焊盘的过孔11)连接。

Maxwell 3D软件用来提取高频功率回路寄生电感，顶部导电层和屏蔽层均为2oz的铜，它们之间的间距为5mil。图4是顶部导电层的高频功率电流的分布图，从图中可以看出高频功率电流交错流动，形成多个并联的回路，同时该回路的回路面积小，因此可以减小高频功率回路电感。图5是屏蔽层的电流分布图，该电流是由图4中的高频功率电流引起的，具有减弱磁场的作用，在基板制备工艺允许范围内应尽量减小屏蔽层6和顶部导电层之间的距离，以增强屏蔽层6的去磁作用，从而进一步地减小高频功率回路寄生电感。

GaN器件型号是EPC2015，来自于美国的Efficient Power Conversion公司(http://epc-co.com/epc)，5个电容，单个电容容值为0.1μF，通过仿真计算，本发明高频功率回路电感大约为0.24nH，明显小于现有的布线方式。

本发明所述GaN功率集成模块中上、下桥臂器件与母线电容仅通过顶部导电层进行连接，不依赖基板厚度，并且即使没有屏蔽层的情况下，也可以获得较小的高频功率回路电感。这种布局和布线方式可以在氧化铝基板或氮化铝基板上实现，并且可以保持较小的功率回路电感，能够同时实现较好的电性能和热性能。

PCB或LTCC基板上，由于母线电容位于上、下桥臂器件中间，上、下桥臂器件间距较大，并且在上、下桥臂器件的两侧分布有大量过孔，可以进一步提高散热性能。

Claims (5)

1.一种分裂电容中间布局的低寄生电感GaN功率集成模块，其特征在于；包括上桥臂器件(1)、下桥臂器件(2)和多个母线电容(3)，上桥臂器件(1)、下桥臂器件(2)和多个母线电容(3)位于基板(7)的一侧表面上，上桥臂器件(1)和下桥臂器件(2)平行并排放置，多个母线电容(3)安放在上桥臂器件(1)与下桥臂器件(2)中间；每个母线电容(3)的一个电极与上桥臂器件(1)的一个漏极对应相连，上桥臂器件(1)的所有漏极相互连接，每个母线电容(3)的另一个电极与下桥臂器件(2)的一个源极对应相连，下桥臂器件(2)的所有源极相互连接；上桥臂器件(1)的所有源极与下桥臂器件(2)的所有漏极一一对应相连；

上桥臂器件(1)和下桥臂器件(2)均为LGA封装的GaN器件，基板(7)内设置有一层屏蔽层(6)。

2.根据权利要求1所述一种分裂电容中间布局的低寄生电感GaN功率集成模块，其特征在于：所述母线电容(3)为贴片0201封装。

3.根据权利要求1所述一种分裂电容中间布局的低寄生电感GaN功率集成模块，其特征在于：所述屏蔽层(6)是一个导电平面。

4.根据权利要求1所述一种分裂电容中间布局的低寄生电感GaN功率集成模块，其特征在于：所述基板(7)为PCB板或LTCC板或氧化铝基板或氮化铝基板。

5.根据权利要求1所述一种分裂电容中间布局的低寄生电感GaN功率集成模块，其特征在于：所述基板(7)的另一侧表面上设置有间隔排列的母线电压正极焊盘(12)、桥臂中点焊盘(13)以及母线电压负极焊盘(14)，母线电压正极焊盘(12)通过基板(7)上的过孔与上桥臂器件(1)的漏极相连，母线电压负极焊盘(14)通过基板(7)上的过孔与下桥臂器件(2)的源极相连，桥臂中点焊盘(13)通过基板(7)上的过孔与桥臂中点相连。