[发明专利]高功率密度GaN全桥LLC电源模块

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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，属于电源技术领域。

背景技术

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。

当前新能源汽车和电动车动力电池充电机系统的设计中面临着日益严峻的的挑战，需要更高的充电效率和更大的充电功率。随着整车系统对电源模块小型化和功率密度要求日益严格，如何在空间不变的情况下，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，是充电机电源设计的一个综合瓶颈问题。PFC(功率因数校正)电路连接地面充电装置与隔离型DC/DC变换电路，使输入电流波形接近正弦波，并跟踪输入电压，使两者同相位，提高车载充电机交流输入端的功率因数，消除谐波，最大程度地减轻车载充电机对电网的污染，而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。而开关频率提高带来的好处是提高功率密度，因此采用GaN器件开发新型充电电源模块是一种很好的技术途径。

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。