[发明专利]新能源发电系统用高压宽输入范围GaN电源模块

权利要求书

1.新能源发电系统用高压宽输入范围GaN电源模块，其特征是，包括：依次连接的输入滤波模块、GaN功率因数校正模块和GaN半桥LLC变换器模块；输入高压母线Vin+和输入高压地线Vin-连接输入滤波模块，经过输入滤波模块得到输入高压母线DC，GaN功率因数校正模块将输入滤波模块得到的输入高压母线DC的输入进行功率因数校正，得到PFC高压母线Vbus和PFC低压母线Vgnd输出；GaN半桥LLC变换器模块对GaN功率因数校正模块的输出进行DC/DC变换，得到输出高压母线Vout+和输出低压母线Vout-；

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，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，GaN功率开关MH的源端连接到电感L1的右端VH和输出二极管D1的阳极，GaN功率开关MH的漏端与PFC低压母线Vgnd和GaN功率开关ML的漏端相连，同时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；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和输出二极管D2的阴极相连，还连接PFC高压母线端Vbus、第一检测电路(U2)的第二输入端口和输出电容C1的上端；输入高压母线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半桥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，第三栅驱动电路(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PFC高压母线Vbus，GaN功率开关MHo的漏端为半桥输出HB，半桥输出HB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PFC低压母线Vgnd和变压器T输入低压端；变压器T的第一输出端和输出二极管D3的阳极相连，变压器T的第四输出端和输出二极管D4的阳极相连，变压器T的第二、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端Vout-相连；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的右端为第二检测电路(U5)的第二输入端口和输出高压母线端Vout+；第二检测电路(U5)输出的对GaN半桥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半桥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)；

所述的GaN功率开关MH、GaN功率开关ML、GaN功率开关MHo和GaN功率开关MLo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；

所述输入滤波模块、GaN功率因数校正模块和GaN半桥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)、LLC版图区(3)、跨接在输入高压区(1)和PFC版图区(2)之间的输入高压直流母线DC版图区(21)、跨接在PFC版图区(2)和LLC版图区(3)之间的PFC高压母线Vbus版图区和PFC低压母线Vgnd版图区，所述LLC版图区(3)内部包含输出高压母线Vout+版图区和输出低压母线Vout-版图区；所述输入滤波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：输入高压直流母线DC区(21)的局部、PFC输出电压区(22)和PFC低压供电区(23)；所述PFC输出电压区(22)分布在正面，PFC低压供电区(23)分布在反面，正面和反面之间的第一脉宽信号PWH、第二脉宽信号PWL、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信号；

所述PFC输出电压区(22)内部包括第二散热器版图区、第一栅驱动电路(H)版图区、第二栅驱动电路(L)版图区、限流电阻RH版图区、限流电阻RL版图区、GaN功率开关MH版图区、GaN功率开关ML版图区、输出二极管D1版图区、输出二极管D2版图区、电感L1版图区、电感L2版图区、输出电容C1版图区、PFC高压母线Vout+版图区、PFC低压母线Vout-版图区、VH版图区、VL版图区和第一检测电路(U2)版图区；所述输入高压直流母线DC区(21)右侧和PFC输出电压区(22)的左侧重合；

所述PFC低压供电区(23)内部包含PFC控制器(U1)版图区、第一反馈电路(U3)版图区和PFC低压地线版图区；

所述VH版图区包含C型半包围结构，该C型半包围结构包围的空间分布有：通孔P_PWH版图区、第一栅驱动电路(H)版图区、限流电阻RH版图区、HEMT器件MH1版图区和HEMT器件MH2版图区；HEMT器件MH1和HEMT器件MH2并联构成GaN功率开关MH；所述HEMT器件MH1版图区和HEMT器件MH2版图区的左侧朝向限流电阻RH的右端PH；

所述VH版图区包含的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HEMT器件MH1版图区和HEMT器件MH2版图区的源极；

所述HEMT器件MH1版图区和HEMT器件MH2版图区的漏极之间夹着所述低压母线Vgnd版图区的左上角，该左上角形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形；

所述限流电阻RH的右端PH到HEMT器件MH1栅端的金属线和限流电阻RH的右端PH到HEMT器件MH2栅端的金属线长度必须严格相等，并且两根金属线的长度均小于5mm，同时之间的夹角小于120度；

所述VL版图区包含同样的C型半包围结构，该C型半包围结构包围的空间分布有通孔P_PWL版图区、第二栅驱动电路(L)版图区、限流电阻RL版图区、HEMT器件ML1版图区和HEMT器件ML2版图区；HEMT器件ML1和HEMT器件ML2并联构成GaN功率开关ML；所述HEMT器件ML1版图区和HEMT器件ML2的版图区的左侧，朝向限流电阻RL的右端PL；

该VL版图区包含的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HEMT器件ML1版图区和HEMT器件ML2版图区的源极；

所述HEMT器件ML1版图区和HEMT器件ML2版图区的漏极之间夹着所述低压母线Vgnd版图区的左下角，该左下角形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形；

所述限流电阻RL的右端PL到HEMT器件ML1栅端的金属线和限流电阻RL的右端PL到HEMT器件ML2的栅端的金属线长度必须严格相等，并且两根金属线的长度均小于5mm，同时之间的夹角小于120度。