一種并聯(lián)電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種并聯(lián)電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊，包括上橋臂器件、下橋臂器件和母線電容。上橋臂器件和下橋臂器件是LGA封裝的GaN器件，母線電容是貼片封裝。兩個GaN器件并排放置，多個母線電容并聯(lián)并放置在兩個GaN器件中間。上橋臂器件的所有源極引腳和下橋臂器件的所有漏極引腳通過過孔連接到內(nèi)部導(dǎo)電層上。本發(fā)明采用的布局方式，可以有效地減小高頻功率回路的面積，從而明顯地降低了高頻功率回路寄生電感，減小了開關(guān)過程中的過電壓和振蕩。
【專利說明】一種并聯(lián)電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及并聯(lián)電容中間布局的低寄生電感GaN功 率集成模塊。

【背景技術(shù)】
[0002] GaN功率器件是近幾年出現(xiàn)并逐步商業(yè)化的熱門新材料器件，與Si器件相比具有 優(yōu)越的通態(tài)特性和非常好的開關(guān)特性，因此在較短的時間內(nèi)就吸引了工業(yè)界的關(guān)注，從事 應(yīng)用研究的學(xué)者們也開展了大量的研究工作，將其應(yīng)用到POL、DC/DC等低壓、小功率的電 源裝置中。研究表明，用GaN器件替換Si器件可以大幅度提高開關(guān)頻率，同時保持了良好 的效率指標(biāo)。毫無疑問，在低壓、小功率應(yīng)用中，GaN器件將會獲得越來越普遍的應(yīng)用，并極 大的促進(jìn)這些領(lǐng)域電源裝置在功率密度、效率等方面的性能的提高。
[0003] 但在GaN器件的應(yīng)用過程中，也出現(xiàn)了一些亟待解決的關(guān)鍵性問題，如：GaN器件 的柵極驅(qū)動電荷（Qg)很小，結(jié)電容也非常小，因此開關(guān)速度比Si器件快得多。好的一面 是可以提高開關(guān)頻率，但壞的一面就是開關(guān)過程中開關(guān)支路的電流變化非常迅速、di/dt很 高。由于功率回路中不可避免的存在寄生電感，當(dāng)電流迅速變化時，在開關(guān)器件兩端會產(chǎn)生 很高的尖峰過電壓。輕則造成電路誤動作、EMI超標(biāo)，重則導(dǎo)致器件擊穿損壞。GaN器件很 高的開關(guān)速度導(dǎo)致其開關(guān)過程中的寄生振蕩和過電壓現(xiàn)象遠(yuǎn)比Si器件明顯。GaN器件由于 開關(guān)速度更快，因此對電路中的寄生電感更為敏感。如果布線不夠優(yōu)化，寄生電感較大，則 會直接影響電路的正常工作。
[0004] 針對GaN器件應(yīng)用的這些問題，已經(jīng)開展了 一些研究工作，現(xiàn)有針對GaN器件的布 局和布線方案，有效地減小了高頻功率回路電感，最優(yōu)結(jié)構(gòu)為0. 4nH，是目前最好的方案。然 而，寄生振蕩現(xiàn)象依然存在，有必要進(jìn)一步優(yōu)化布局和布線方式以減小商頻功率回路電感。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種并聯(lián)電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊， 通過優(yōu)化布局和布線方式，能夠有效的降低回路寄生電感。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 包括上橋臂器件、下橋臂器件和母線電容，上橋臂器件、下橋臂器件和母線電容設(shè) 置于基板的同一側(cè)表面，上橋臂器件和下橋臂器件平行并排放置，母線電容安放在上橋臂 器件與下橋臂器件中間；上橋臂器件的所有漏極在靠近母線電容側(cè)與母線電容的一個電極 相連，下橋臂器件的所有源極在靠近母線電容側(cè)與母線電容的另一個電極相連；上橋臂器 件的所有源極通過基板上的過孔與基板內(nèi)的中間導(dǎo)電層相連，下橋臂器件的所有漏極通 過基板上的過孔與所述中間導(dǎo)電層相連。
[0008] 所述上橋臂器件和下橋臂器件均為LGA封裝的GaN器件。
[0009] 所述母線電容由多個貼片電容并聯(lián)組成。
[0010] 所述中間導(dǎo)電層是一個導(dǎo)電平面。
[0011] 所述基板為PCB板或LTCC板。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明采用的布局方式，可以有效地減小高頻功率回路的 面積，從而明顯地降低了高頻功率回路寄生電感。中間導(dǎo)電層采用一個完整的導(dǎo)電平面，利 用其去磁作用，可以進(jìn)一步地減小高頻功率回路寄生電感。本發(fā)明所述功率集成模塊適用 于LGA封裝形式的GaN器件，可以明顯地降低高頻功率回路的寄生電感，使得應(yīng)用中的開關(guān) 回路避免出現(xiàn)過大的振蕩和尖峰。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是功率集成模塊中帶母線電容的橋臂電路圖；
[0014] 圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)三維示意圖；
[0015] 圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0016] 圖4是圖3的A-A剖視圖；
[0017] 圖5是圖3的B-B剖視圖；
[0018] 圖6是基于功率集成模塊的BUCK電路實驗波形；
[0019] 圖中：1.上橋臂器件，2.下橋臂器件，3.母線電容，4.母線電壓正極，5.母線電壓 負(fù)極，6.中間導(dǎo)電層，7.基板，8.連接上橋臂器件源極和中間導(dǎo)電層的過孔，9.連接下橋臂 器件漏極和中間導(dǎo)電層的過孔，10.高頻功率回路。

【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0021] 本發(fā)明所述GaN功率集成模塊中上橋臂器件1、下橋臂器件2和母線電容3順序相 連構(gòu)成高頻功率回路10,上橋臂器件1和下橋臂器件2平行并排放置，母線電容3安放在上 橋臂器件1與下橋臂器件2中間；上橋臂器件1的所有漏極在靠近母線電容側(cè)連接到母線 電容3的一個電極，下橋臂器件2的所有源極在靠近母線電容側(cè)連接到母線電容3的另一 個電極；上橋臂器件1的所有源極通過過孔連接到中間導(dǎo)電層6,下橋臂器件2的所有漏極 通過過孔連接到中間導(dǎo)電層6。具體描述如下：
[0022] 如圖1所示，上橋臂器件1、下橋臂器件2和母線電容3順序相連構(gòu)成高頻功率回 路10。
[0023] 如圖2所示，上橋臂器件1、下橋臂器件2和母線電容3均位于基板7 (基板為PCB 板或LTCC板）的同一表面。上橋臂器件1和下橋臂器件2均為LGA封裝的GaN器件。上 橋臂器件和下橋臂器件的封裝大小相同，但也可以采用不同封裝大小的上橋臂器件和下橋 臂器件，上橋臂器件1和下橋臂器件2并排放置，母線電容3位于上橋臂器件1和下橋臂器 件2的中間，母線電容3采用多個貼片電容并聯(lián)。
[0024] 如圖3所示，上橋臂器件1的所有漏極在靠近母線電容3側(cè)通過母線電壓正極4 連接到母線電容3的一個電極，下橋臂器件2的所有源極在靠近母線電容3側(cè)通過母線電 壓負(fù)極5連接到母線電容3的另一個電極；如圖4所示，上橋臂器件1的所有源極通過過孔 (連接上橋臂器件源極和中間導(dǎo)電層的過孔8)連接到中間導(dǎo)電層6 ;如圖5所示，下橋臂器 件2的所有漏極通過過孔（連接下橋臂器件漏極和中間導(dǎo)電層的過孔9)連接到中間導(dǎo)電 層6。
[0025] 該GaN功率集成模塊具有較小的回路面積，有效地減小了高頻功率回路電感。同 時，母線電壓正極4和母線電壓負(fù)極5形成于基板7表面的頂部導(dǎo)電層的對應(yīng)區(qū)域，在基板 制備工藝允許范圍內(nèi)應(yīng)盡量減小中間導(dǎo)電層6和頂部導(dǎo)電層之間的距離。一方面可以進(jìn)一 步地減小高頻功率回路的面積，另一方面也可以增強中間導(dǎo)電層6的去磁作用，從而可以 更有效地減小高頻功率回路寄生電感。
[0026] 為了提取高頻功率回路寄生電感，建立了一個12V輸入，3V/6A輸出的同步BUCK 實驗電路。GaN器件型號是EPC2015,來自于美國的Efficient Power Conversion公司 (http: //印c-co. com/印c)，4個0603封裝的貼片電容，單個電容容值為4· 7 μ F，PCB板，集 成模塊中，頂部導(dǎo)電層和中間導(dǎo)電層是厚度為2oz的銅，且它們之間間距為5mil。下橋臂 器件的漏源電壓V ds如圖6所示。圖6中的橫坐標(biāo)是時間，每格2. 5ns，縱坐標(biāo)是電壓，每格 3V。通過圖6可以提取出振蕩周期TKing，GaN器件在輸入電壓V in下的輸出電容(；ssWin可以 通過器件手冊獲得。高頻功率回路電感、^可以通過以下公式求?。?br> [0027]

【權(quán)利要求】
1. 一種并聯(lián)電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊，其特征在于：包括上橋臂 器件（1)、下橋臂器件（2)和母線電容（3)，上橋臂器件（1)、下橋臂器件（2)和母線電容（3) 設(shè)置于基板（7)的同一側(cè)表面，上橋臂器件（1)和下橋臂器件（2)平行并排放置，母線電容 (3)安放在上橋臂器件（1)與下橋臂器件（2)中間；上橋臂器件（1)的所有漏極在靠近母 線電容（3)側(cè)與母線電容（3)的一個電極相連，下橋臂器件（2)的所有源極在靠近母線電 容⑶偵彳與母線電容⑶的另一個電極相連；上橋臂器件⑴的所有源極通過基板（7)上 的過孔與基板（7)內(nèi)的中間導(dǎo)電層（6)相連，下橋臂器件（2)的所有漏極通過基板（7)上 的過孔與所述中間導(dǎo)電層（6)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種并聯(lián)電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊，其特 征在于：所述上橋臂器件（1)和下橋臂器件（2)均為LGA封裝的GaN器件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種并聯(lián)電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊，其特 征在于：所述母線電容（3)由多個貼片電容并聯(lián)組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種并聯(lián)電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊，其特 征在于：所述中間導(dǎo)電層（6)是一個導(dǎo)電平面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種并聯(lián)電容中間布局的低寄生電感GaN功率集成模塊，其特 征是：所述基板（7)為PCB板或LTCC板。
【文檔編號】H01L25/07GK104143547SQ201410360320
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】王康平, 楊旭, 曾翔君, 馬煥, 余小玲, 郭義宣 申請人:西安交通大學(xué)