[发明专利]高功率密度GaN全桥LLC电源模块

摘要

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。

主权项

1.高功率密度GaN全桥LLC电源模块，其特征是,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；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，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，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MH的源端连接电感L1的右端VH和输出二极管D1的阳极，GaN功率开关MH的漏端同时也是低压母线Vgnd和GaN功率开关ML的漏端，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；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阴极和输出二极管D2阴极连接到高压母线端Vbus、第一检测电路(U2)的第二输入端口以及输出电容C1的上端；输入高压直流母线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全桥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，第四栅驱动电路(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的源端连接到高压母线Vbus，GaN功率开关MHo的漏端为第一半桥输出(FB1)，第一半桥输出(FB1)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的源端连接到低压母线Vgnd；PWM控制器(U4)的第五脉宽信号PWH2输出端连接到第五栅驱动电路(H2)的输入端，PWM控制器(U4)的第六脉宽信号PWL2输出端连接到第六栅驱动电路(L2)的输入端；第五栅驱动电路(H2)的输出端连接到限流电阻RH2的左端，限流电阻RH2的右端连接到GaN功率开关MHc的栅端，第六栅驱动电路(L2)的输出端连接到限流电阻RL2的左端，限流电阻RL2的右端连接到GaN功率开关MLc的栅端；GaN功率开关MHc的源端连接到高压母线Vbus，GaN功率开关MHc的漏端为第二半桥输出(FB2)，第二半桥输出(FB2)连接GaN功率开关MLc的漏端以及变压器T输入低压端；GaN功率开关MLc的源端连接到低压母线Vgnd；变压器T的第一输出端与输出二极管D3的阳极以及输出二极管D32的阴极相连，变压器T的第四输出端与输出二极管D4的阳极以及输出二极管D42的阴极相连，变压器T的第二和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Vout‑端；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的右端连接第二检测电路(U5)的第二输入端口和输出高压母线端Vout+；输出二极管D32的阳极和输出二极管D42的阳极相连并连接到输出电容Co的下端；第二检测电路(U5)输出的对GaN全桥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全桥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)。