CN110401365B - 用于大功率充电机的GaN无桥PFC电源模块 - Google Patents

用于大功率充电机的GaN无桥PFC电源模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种GaN无桥PFC电源模块，包括：EMI滤波电路、整流电容C2、电感L1、电感L2、第一GaN半桥电路、第二GaN半桥电路、MOS管MP、MOS管Mn、第三栅驱动电路、输出电容C1、输出检测电路、输出反馈电路、输入检测电路、输入反馈电路和PFC控制器。电路在实际版图布局时采用双面布局结构，包括：位于正面的输入高压区、输入高压母线Vac区、输出电压区和位于反面的低压供电区。本发明通过在现有无桥boost APFC技术的基础上，采用交错并联技术，实现更大的功率输出；采用新型GaN高速开关器件进行开关变换，实现更高的功率密度；采用双面布局结构对GaN器件、交错并联信号和高压母线进行布局优化，提高可靠性，可以广泛应用于各类大功率充电机***中。

Description

用于大功率充电机的GaN无桥PFC电源模块
技术领域
本发明涉及一种用于大功率充电机***的用于大功率充电机的GaN无桥PFC电源模块，属于功率电子领域。
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***要求进一步提高***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电场的微逆变器。上述应用要求电力电子***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***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***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。高性能车载充电机需要技术要求主要有：高功率密度、高效率、高功率因数和低谐波，电气隔离，过压、过流、短路保护等。为了满足以上要求，从电路拓扑上，典型车载充电机主要采用两级拓扑，前级非隔离AC-DC变换器用于功率因数校正并输出稳定的直流母线电压，后级隔离型DC-DC变换器实现电网输入侧与电池输出侧的电气隔离并输出充电指令要求的电压、电流。充电指令通常由电池组的电池管理***给出，以特定的通信方式发送给充电机。
目前采用的功率因数校正技术主要有两种，有源校正和无源校正。无源较正网络是用电容、电感、功率二极营等无源器件组成，通过提高整流导通角的方法来减小高次谐波提高功率因数。无源方法控制简单、成本低、可靠性高，但体积庞大且难得到很高的功率因数。有源功率因数校正可得到很高的功率因数，体积小，广泛应用于开关电源。功率因数校正技术的最主要的研究热点为新型电路拓扑研究，相比而言boost拓扑具有多优点：电感靠近输入端，输入电流脉动小、EMI小，输入电流易于控制，负载短路下可靠性高等，因此业界应用最为广泛。典型的boost APFC结构需要在变换器前增加二极管整流桥，开关管工作于硬开关状态，在中大功率应用场合存在2个问题：(1)宽输入电压要求下的低压工况，输入电流大，整流桥损耗大；(2)在高频工作条件下，开关损耗大，EMI严重。针对上述问题的改进技术包括：无桥PFC技术、交错并联技术和软开关技术。
基本的无桥boost APFC变换器，又叫做双boost APFC变换器，如图1所示。当输入电压为正半周时，L1-M1-D1以及M2参与工作构成一路boost电路，当输入电压为负半周时，L1-M2-D2以及M1参与工作，构成另一路boost电路。相比传统的boost APFC电路，无桥电路省掉了两个二极管，输入电流只流经1个二极管和两个MOS管，减小了导通损耗。但是图1给出的电路难以实现大功率输出，为此还需要进一步改进优化。为实现更大的功率输出，采用交错并联技术是比较可行的措施，但是交错并联相位之间的功率失配必须进行限制；为实现更高的功率密度，采用新型高速开关器件进行开关变换是主要途径。
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PFC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模块的性能影响较传统功率模块更敏感。
综上所述，针对新能源汽车充电应用需求，现有无桥boost APFC技术存在效率不高、功率等级和功率密度不够的缺陷。本发明在现有无桥boost APFC技术的基础上，采用交错并联技术，实现更大的功率输出；采用新型GaN高速开关器件进行开关变换，实现更高的功率密度；采用双面布局结构对GaN器件、交错并联信号和高压母线进行布局优化，提高可靠性。
发明内容
针对采用GaN功率器件进行功率集成时面临的应用挑战，本发明在栅驱动电路、器件布局和散热等方面进行了优化设计，提出了一种采用GaN功率器件应用于大功率充电机的GaN无桥PFC电源模块。
按照本发明提供的技术方案，所述的用于大功率充电机的GaN无桥PFC电源模块包括：EMI滤波电路、整流电容C2、电感L1、电感L2、第一GaN半桥电路、第二GaN半桥电路、MOS管MP、MOS管Mn、第三栅驱动电路、输出电容C1、输出检测电路、输出反馈电路、输入检测电路、输入反馈电路和PFC控制器；
输入高压交流母线AC连接到EMI滤波电路的输入端；EMI滤波电路的高压输出端Vac连接到整流电容C2的上端、输入检测电路的第一输入端、电感L1的左端和电感L2的左端；EMI滤波电路的低压输出端Vacgnd连接到输入检测电路的第二输入端、MOS管MP的源端和MOS管Mn的源端；电感L1的右端VH连接到第一GaN半桥电路的高压输入端和第二GaN半桥电路的低压输入端；电感L2的右端VL连接到第一GaN半桥电路的低压输入端和第二GaN半桥电路的高压输入端；PFC控制器的第一脉宽信号PWH1和第二脉宽信号PWL1输出端分别连接到第一GaN半桥电路的高侧和低侧输入端，PFC控制器的第三脉宽信号PWH2和第四脉宽信号PWL2输出端分别连接到第二GaN半桥电路的高侧和低侧输入端，PFC控制器的第五脉宽信号PWH3和第六脉宽信号PWL3输出端分别连接到第三栅驱动电路的高侧和低侧输入端；第一GaN半桥电路的半桥输出端连接到输出高压母线端Vout+、MOS管MP漏端、输出检测电路的第二输入端口和输出电容C1的上端；第二GaN半桥电路的半桥输出端连接到输出低压母线端Vout-、MOS管Mn的漏端、输出检测电路的第一输入端口和输出电容C1的下端；输出检测电路的输出电压检测信号输出端、输出电流检测信号输出端和温度检测信号输出端分别连接到输出反馈电路的输入端；经输出反馈电路处理得到的输出电压反馈信号、输出电流反馈信号和温度反馈信号分别连接到PFC控制器的输入端；输入检测电路的输入电压检测信号输出端、输入电流检测信号输出端分别连接到输入反馈电路的输入端，经输入反馈电路处理得到的输入电压反馈信号和输入电流反馈信号分别连接到PFC控制器的输入端。
具体的，所述第一GaN半桥电路和第二GaN半桥电路采用相同的GaN半桥电路，该GaN半桥电路包括：第一栅驱动电路、第二栅驱动电路、第一GaN功率开关、第二GaN功率开关、第一限流电阻和第二限流电阻；GaN半桥电路的高侧输入端连接到第一栅驱动电路的输入端；GaN半桥电路的低侧输入端连接到第二栅驱动电路的输入端；第一栅驱动电路的输出端连接到第一限流电阻的左端，第一限流电阻的右端连接到第一GaN功率开关的栅端，第二栅驱动电路的输出端连接到第二限流电阻的左端，第二限流电阻的右端连接到第二GaN功率开关的栅端；第一GaN功率开关的源端，即GaN半桥电路的高压输入端，连接到输入高压母线Vbus；第一GaN功率开关的漏端为半桥输出HB，半桥输出HB连接到第二GaN功率开关的漏端；第二GaN功率开关的源端，即GaN半桥电路的低压输入端，连接到输入低压母线Vgnd。
具体的，所述的第一GaN功率开关和第二GaN功率开关均采用多个小电流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。
具体的，电路在实际版图布局时采用双面布局结构，包括：输入高压区、输入高压母线Vac区、输出电压区和低压供电区；所述输入高压区、输入高压母线Vac区、输出电压区分布在正面，所述低压供电区分布在反面，正面和反面之间的所有PWM脉宽信号，以及输入电压检测信号、输入电流检测信号、输出电压检测信号、输出电流检测信号和温度检测信号通过通孔连接信号；
所述输入高压区内部包括：EMI滤波电路版图区、整流电容C2版图区、输入检测电路版图区、输入高压交流母线AC版图区和输入高压地线版图区；
所述输出电压区内部包括：第一GaN半桥电路版图区、第一散热器版图区、第二GaN半桥电路版图区、第二散热器版图区、电感L1版图区、电感L2版图区、第三栅驱动电路版图区、MOS管Mp版图区、MOS管Mn版图区、第三散热器版图区、输出电容C1版图区、输出高压母线Vout+版图区、输出低压母线Vout-版图区、VH版图区、VL版图区和输出检测电路版图区；所述第一散热器版图区在第一GaN半桥电路版图区内部，所述第二散热器版图区在第二GaN半桥电路版图区内部；
所述输入高压母线Vac区跨接在输入高压区和输出电压区之间，输入高压母线Vac区左侧和EMI滤波电路版图区的右侧重合；输入高压母线Vac区右侧同时和输出电压区中电感L1版图区左侧和电感L2版图区左侧重合；
所述低压供电区内部包含PFC控制器版图区、输入反馈电路版图区、输出反馈电路版图区和低压地线版图区。
具体的，所述第一GaN半桥电路版图区和第二GaN半桥电路版图区采用相同结构的GaN半桥版图区，该GaN半桥版图区包括：第一栅驱动电路H版图区、第二栅驱动电路L版图区、第一限流电阻版图区、第二限流电阻版图区、第一通孔版图区、第二通孔版图区、第三通孔版图区、第一HEMT器件版图区、第二HEMT器件版图区、第三HEMT器件版图区、第四HEMT器件版图区、第一散热器版图区、半桥输出HB版图区、输入高压母线Vbus版图区和输入高压地线Vgnd版图区；其中第一HEMT器件和第二HEMT器件并联构成第一GaN功率开关，第三HEMT器件和第四HEMT器件并联构成第二GaN功率开关；所述第一散热器版图区分布在半桥输出HB版图区的内部。
具体的，所述输入高压母线Vbus版图区采用C型半包围结构，其所包围的空间内分布有：第一通孔版图区、第一栅驱动电路H版图区、第一限流电阻版图区、第一HEMT器件版图区和第二HEMT器件版图区；所述第一HEMT器件版图区左侧和第二子HEMT器件版图区左侧朝向第一限流电阻的右端；
所述输入高压母线Vbus版图区C型半包围结构的两个端部均采用直角三角形结构，2个直角三角形的斜边相对，分别连接第一HEMT器件版图区和第二HEMT器件版图区的源极；所述第一HEMT器件版图区和第二HEMT器件版图区的漏极之间夹着所述半桥输出HB版图区的左上角，该左上角的形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形；
所述输入高压地线Vgnd版图区采用同样的C型半包围结构，其所包围的空间内分布有第二通孔版图区、第二栅驱动电路L版图区、第二限流电阻版图区、第三HEMT器件版图区和第四HEMT器件版图区；所述第三HEMT器件版图区左侧和第四HEMT器件的版图区左侧朝向第二限流电阻的右端；
所述输入高压地线Vgnd版图区C型半包围结构的两个端部均采用直角三角形结构，2个直角三角形的斜边相对，分别连接第三HEMT器件版图区和第四HEMT器件版图区的源极；所述第三HEMT器件版图区和第四HEMT器件版图区的漏极之间夹着所述半桥输出HB版图区的左下角，该左下角的形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形。
具体的，所述第一限流电阻的右端到第一HEMT器件栅端的金属线和第一限流电阻的右端到第二HEMT器件栅端的金属线长度严格相等，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；所述第二限流电阻的右端到第三HEMT器件栅端的金属线和第二限流电阻的右端到第四HEMT器件栅端的金属线长度严格相等，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。
具体的，负责传输第一脉宽信号PWH1和第二脉宽信号PWL1的两根金属线、负责传输第三脉宽信号PWH2和第四脉宽信号PWL2的两根金属线，以及负责传输第五脉宽信号PWH3和第六脉宽信号PWL3的两根金属线有如下要求：
一、两根金属线长度、宽度和厚度都必须严格相等；
二、两根金属线必须采用平行走线方式，相互之间垂直距离不大于2mm；
三、两根金属线布局走过的区域必须由低压地线进行隔离保护。
本发明的优点是：本发明所提供的用于大功率充电机的GaN无桥PFC电源模块，在现有无桥boostAPFC技术的基础上，采用交错并联技术，实现更大的功率输出；采用新型GaN高速开关器件进行开关变换，实现更高的功率密度；采用双面布局结构对GaN器件、交错并联信号和高压母线进行布局优化，提高可靠性，可以广泛应用于各类大功率充电机***中。
附图说明
图1现有基本无桥PFC电路结构图。
图2为本发明的电路结构图。
图3为本发明GaN半桥电路结构图。
图4为本发明电源模块双面布局图。
图5为本发明GaN半桥版图区的详细布局图。
图6为采用本发明实现的一种GaN半桥版图区的实际布局图。
图7为采用本发明实现的低压供电区中控制器和输出反馈部分实际布局图。
图8为采用本发明实施例的测试波形。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行进一步详细的说明。
图2为本发明用于大功率充电机的GaN无桥PFC电源模块电路结构图，包括EMI滤波电路U6、整流电容C2、电感L1、电感L2、第一GaN半桥电路U7、第二GaN半桥电路U8、MOS管MP、MOS管Mn、第三第三栅驱动电路、输出电容C1、输出检测电路U3、输出反馈电路U2、输入检测电路U5、输入反馈电路U4和PFC控制器U1。
电路连接关系如下：输入高压交流母线AC连接到EMI滤波电路U6的输入端；EMI滤波电路U6的高压输出端Vac连接到整流电容C2的上端、输入检测电路U5的第一输入端、电感L1的左端和电感L2的左端；EMI滤波电路U6的低压输出端Vacgnd连接到输入检测电路U5的第二输入端连、MOS管MP的源端和MOS管Mn的源端；电感L1的右端VH连接到第一GaN半桥电路U7的高侧输入端和第二GaN半桥电路U8的低侧输入端；电感L2的右端VL连接到第一GaN半桥电路U7的低侧输入端和第二GaN半桥电路U8的高侧输入端；PFC控制器U1的第一脉宽信号PWH1和第二脉宽信号PWL1输出端分别连接到第一GaN半桥电路U7的高侧H和低侧L输入端，PFC控制器U1的第三脉宽信号PWH2和第四脉宽信号PWL2输出端分别连接到第二GaN半桥电路U8的高侧和低侧输入端，PFC控制器U1的第五脉宽信号PWH3第六脉宽信号PWL3输出端分别连接到第三栅驱动电路的高侧和低侧输入端；第一GaN半桥电路U7的半桥输出端连接到输出高压母线端Vout+、MOS管MP的漏端、输出检测电路U3的第二输入端口和输出电容C1的上端；第二GaN半桥电路U8的半桥输出端连接到输出低压母线端Vout-、MOS管Mn的漏端、输出检测电路U3的第一输入端口和输出电容C1的下端。输出检测电路U3的输出电压检测信号f1输出端、输出电流检测信号f2输出端和温度检测信号f3输出端分别连接到输出反馈电路U2的第一、第二和第三输入端；经输出反馈电路U2处理得到的输出电压反馈信号fb1、输出电流反馈信号fb2和温度反馈信号fb3分别连接到PFC控制器U1的第一、第二和第三输入端；输入检测电路U5的输入电压检测信号ff1输出端、输入电流检测信号ff2输出端分别连接到输入反馈电路U4的第一、第二输入端，经输入反馈电路U4处理得到的输入电压反馈信号ffb1和输入电流反馈信号ffb2分别连接到PFC控制器U1的第四、第五输入端。
上述电路在实际版图布局时采用双面布局结构。
本发明提出的无桥PFC电源模块电路结构在图1中现有无桥boost APFC技术的基础上的改进主要有2点：(1)采用交错并联技术，实现更大的功率输出。图中电感L1、第一GaN半桥电路U7和MOS管Mp构成了一个boost APFC支路；电感L2、第二GaN半桥电路U8和MOS管Mn构成了另外一个boost APFC支路。为增大输出功率，传统无桥boost APFC的功率开关被GaN半桥电路代替。(2)采用新型GaN高速开关器件进行开关变换，实现更高的功率密度。通过采用LGA封装的GaN器件，PFC模块的开关频率可以很容易超过500KHz，大幅减小体积，提高功率密度。另外，本发明还采用双面布局结构对GaN器件、交错并联信号和高压母线进行布局优化，提高可靠性。图2中电路工作模式和图1中基本无桥PFC的工作模式类似，在此不再重复描述。
本发明所采用的第一GaN半桥电路U7和第二GaN半桥电路U8均为相同的GaN半桥电路，其电路结构图如图3所示。所述GaN半桥电路包括：第一栅驱动电路H、第二栅驱动电路L、GaN功率开关MH、GaN功率开关ML、限流电阻RH和限流电阻RL。GaN半桥电路的高侧输入端，即脉宽信号PWH(对应图2的PWH1、PWH2)连接到第一栅驱动电路(H)的输入端；GaN半桥电路的低侧输入端，即脉宽信号PWL(对应图2的PWL1、PWL2)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，即GaN半桥电路的高压输入端，连接到输入高压母线Vbus；GaN功率开关MH的漏端为半桥输出HB，半桥输出HB连接到GaN功率开关ML的漏端；GaN功率开关ML的源端，即GaN半桥电路的低压输入端，连接到输入低压母线Vgnd。
图2的电路结构中，PFC控制器U1输出的3组脉宽信号中，PWH1和PWL1为第一组互补脉冲信号，PWH2和PWL2为第二组互补脉冲信号，PWH3和PWL3为第三组互补脉冲信号。其中，第一和第二组互补脉冲信号都是频率超过500KHz的高频信号，用于驱动高速GaN开关器件；第三组互补脉冲信号为频率等于工频信号的低速脉冲信号，用于驱动MOS管MP和MOS管Mn。
图3所示GaN半桥电路在实际应用中，所述第一栅驱动电路H和第二栅驱动电路L可以使用一个半桥驱动电路实现，因此栅驱动电路可以合并为一个。同时现有的GaN器件的输出电流还无法达到硅基器件的电流大小，为实现大电流输出能力，本发明的GaN功率开关采用多个小电流开关管并联来实现大电流输出。为实现最佳的开关频率，本发明所述的GaN功率开关MH和GaN功率开关ML均采用LGA封装形式的HEMT器件，最大程度上减小寄生参数的影响。
所述PFC控制器U1可以采用模拟线性电路或者DSP来实现，PFC控制器的版图面积和布局方式根据不同控制器类型会存在一定的区别。PFC控制器输出的第一脉宽信号PWH1和第三脉宽信号PWH2可以为相同信号，PFC控制器输出的第二脉宽信号PWL1和第四脉宽信号PWL2同样也可以为相同信号。
本发明所述栅驱动电路采用现有的增强型GaNHEMT驱动芯片即可完成相关功能；输入检测电路U5和输出检测电路U3采用现有开关电源常用的温度检测电路、电流检测电路和电压检测电路即可实现；所述输入反馈电路U4和输出反馈电路U2采用光耦器件进行信号传输，再经电压积分电路处理即可实现。
图4为本发明采用的双面布局结构图，包括输入高压区31、输入高压母线Vac区32、输出电压区33和低压供电区34。所述输入高压区31、输入高压母线Vac区32、输出电压区33分布在电源模块的正面，所述低压供电区34分布在反面，正面和反面之间的第一脉宽信号PWH1、第二脉宽信号PWL1、第三脉宽信号PWH2、第四脉宽信号PWL2、第五脉宽信号PWH3、第六脉宽信号PWL3、输入电压检测信号ff1、输入电流检测信号ff2、输出电压检测信号f1、输出电流检测信号f2和输出温度检测信号f3通过通孔连接信号。
所述输入高压区31内部包括EMI滤波电路U6版图区、整流电容C2版图区、输入检测电路U5版图区、输入高压交流母线AC版图区和输入高压地线版图区。
所述输出电压区33内部包括第一GaN半桥U7版图区、第一散热器版图区、第二GaN半桥U8版图区、第二散热器版图区、电感L1版图区、电感L2版图区、第三栅驱动电路版图区、MOS管MP版图区、MOS管Mn版图区、第三散热器版图区、输出电容C1版图区、输出高压母线Vout+版图区、输出低压母线Vout-版图区、VH版图区、VL版图区和检测电路版图区；所述第一散热器版图区在第一GaN半桥U7版图区内部，所述第二散热器版图区在第二GaN半桥U8版图区内部。
所述输入高压母线Vac区32跨接在输入高压区31和输出电压区33之间，输入高压母线Vac区32左侧和EMI滤波电路U6版图区的右侧重合；输入高压母线Vac区32右侧同时和输出电压区33中电感L1版图区和电感L2版图区左侧重合。
所述低压供电区34内部包含PFC控制器U1版图区、输入反馈电路U4版图区、输出反馈电路U2版图区和低压地线版图区。
所述第一GaN半桥U7版图区和第二GaN半桥U8版图区采用相同的GaN半桥版图区。图5为该GaN半桥版图区的详细布局图。GaN功率开关MH和GaN功率开关ML均采用2个小电流HEMT器件并联来实现，即GaN功率开关MH由第一HEMT器件MH1和第二HEMT器件MH2并联而成，GaN功率开关ML由第三HEMT器件ML1和第四HEMT器件ML2并联而成。所述GaN半桥版图区内部包括第一栅驱动电路H版图区、第二栅驱动电路L版图区、第一限流电阻RH版图区、第二限流电阻RL版图区、第一通孔P_PWH版图区、第二通孔P_PWL版图区、第三通孔P_T3版图区、第一HEMT器件MH1版图区、第二HEMT器件MH2版图区、第三HEMT器件ML1版图区、第四HEMT器件ML2版图区、第一散热器版图区、半桥输出HB版图区、输入高压母线Vbus版图区和输入高压地线Vgnd版图区，所述第一散热器版图区分布在半桥输出HB版图区的内部。
所述输入高压母线Vbus版图区采用C型半包围结构，其包围的空间内分布有第一通孔P_PWH版图区、第一栅驱动电路H版图区、限流电阻RH版图区、第一HEMT器件MH1版图区和第二HEMT器件MH2版图区。所述第一HEMT器件MH1版图区和第二HEMT器件MH2的版图区的左侧，即栅端位置朝向限流电阻RH的右端PH，限流电阻RH的右端PH到第一HEMT器件MH1栅端的金属线和限流电阻RH的右端PH到第二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必须小于5mm，同时之间的夹角必须小于120度。所述输入高压母线Vbus版图区采用C型半包围结构的两个端部均采用直角三角形结构，2个直角三角形的斜边相对，分别连接第一HEMT器件MH1版图区和第二HEMT器件MH2版图区的源极。所述输入高压母线Vbus版图区内部全部为金属层覆盖，并且包含2个通孔版图区P_H1和P_H2。第一HEMT器件MH1版图区和第二HEMT器件MH2版图区的漏极之间为半桥输出HB版图区的左上角，其形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形，并且等腰三角形内部存在一个通孔版图区P_T1。
所述输入高压地线Vgnd版图区采用同样的C型半包围结构，其包围的空间分布有第二通孔P_PWL版图区、第二栅驱动电路L版图区、第二限流电阻RL版图区、第三HEMT器件ML1版图区和第四HEMT器件ML2版图区。所述第三HEMT器件ML1版图区和第四HEMT器件ML2的版图区的左侧，即栅端位置朝向第二限流电阻RL的右端PL，第二限流电阻RL的右端PL到第三HEMT器件ML1栅端的金属线和第二限流电阻RL的右端PL到第四子HEMT器件ML2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必须小于5mm，同时之间的夹角必须小于120度。所述输入高压地线Vgnd版图区采用C型半包围结构的两个端部均采用直角三角形结构，2个直角三角形的斜边相对，分别连接第三HEMT器件ML1版图区和第四HEMT器件ML2版图区的源极。所述输入高压地线Vgnd版图区内部全部为金属层覆盖，并且包含2个通孔版图区P_L1和P_L2。第三HEMT器件ML1版图区和第四HEMT器件ML2版图区的漏极之间为半桥输出HB版图区的左下角，其形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形，并且等腰三角形内部存在一个通孔版图区P_T2。
本发明实施例中，图5所示输入高压区31的详细布局图中，包含2个栅驱动电路版图区、2个限流电阻版图区、4个GaN功率开关版图区、1个第一散热器版图区、1个半桥输出HB版图区、输入高压母线Vbus版图区和输入高压地线Vgnd版图区。实际应用中，若采用半桥驱动器，则图5中只需要1个栅驱动电路版图区。若单个GaN功率开关采用3个小电流GaN功率开关并联而成，则图5中需要6个GaN功率开关版图区；若单个GaN功率开关采用4个小电流GaN功率开关并联而成，则图5中需要8个GaN功率开关版图区。
图6为采用本发明实现的一种GaN半桥版图区的实际布局图。第三HEMT器件ML1版图区和第四HEMT器件ML2版图区的源极和Vgnd的连接采用直角三角形斜边接触方式，是为了适应电流走向。采用LGA封装的HEMT器件，其源端和漏端均采用多叉指并联结构，而Vgnd的主要电流在第三HEMT器件ML1版图区和第四HEMT器件ML2版图区的左侧汇聚流通，因此靠近第三HEMT器件ML1版图区左侧部分汇聚的电流比第三HEMT器件ML1版图区右侧部分的电流要大，所以采用直角三角形斜边的方式进行连接，靠近第三HEMT器件ML1版图区左侧部分为斜边的底部，靠近第三HEMT器件ML1版图区右侧部分为斜边的顶部。第三HEMT器件ML1版图区和第四HEMT器件ML2版图区的漏极和半桥输出HB的连接则采用相反方向的直角三角形斜边接触方式。第一散热器采用圆形柱状结构，其版图区域分布在半桥输出HB版图区内部。第二限流电阻RL的右端PL到第三HEMT器件ML1栅端的金属线和第二限流电阻RL的右端PL到第四子HEMT器件ML2栅端的金属线长度必须严格相等。限流电阻RH的右端PH到第一HEMT器件MH1栅端的金属线和限流电阻RH的右端PH到第二HEMT器件MH2栅端的金属线长度必须严格相等。图中的每个金属通孔区域内，具体通孔的位置和通孔数目多少，可根据不同的功率等级和需求，进行差异化设计。图中灰色区域全部为金属层填充区域。黑色粗线为辅助理解所加的区域分割线。
本发明所述输出电压区33内部的第三栅驱动电路版图区、MOS管MP版图区、MOS管Mn版图区、第三散热器版图区、VH版图区、VL版图区、输出高压母线Vout+版图区和输出低压母线Vout-版图区的具体布局实现，可采用图4类似的布局方式。VH和VL版图区分别采用与上述类似的C型包围结构，分别包围MOS管MP版图区和MOS管Mn版图区；VH和VL版图区的C型包围结构右侧分别为输出高压母线Vout+版图区和输出低压母线Vout-版图区；输出高压母线Vout+版图区和输出低压母线Vout-版图区之间为输出电容C1版图区；另外检测电路版图区可布局在输出电容C1版图区的右侧。本发明中GaN半桥1版图区中的半桥输出HB版图区连接所述VH版图区的左侧，GaN半桥2版图区中的半桥输出HB版图区连接所述VL版图区的左侧。
图7为采用本发明实现的低压供电区34中控制器和输出反馈部分的实际布局图，包含PFC控制器U1版图区、输出反馈电路U2版图区和低压地线版图区34-1。信号PWL2、PWH2、f1、f2和f3通过通孔连接信号。PWL2和PWH2信号为PFC控制器U1输出到栅驱动器的低压脉宽信号，因此PWL2和PWH2信号布线必须特别注意，首先负责传输PWL2和PWH2信号的两根金属线长度、宽度和厚度都必须严格相等；其次两根金属线必须采用平行走线方式，相互之间垂直距离不大于2mm；此外两根金属线布局走过的区域必须由低压地线金属区域进行隔离保护。本发明中输入反馈电路U4版图区采用和图6中输出反馈电路U2版图区类似的布局方式实现即可，另外负责传输PWL1和PWH1信号的金属线要求与PWL2和PWH2一样，负责传输PWL3和PWH3信号的金属线要求也与PWL2和PWH2一样。图6中的灰色区域同样全部是金属层填充区域。黑色粗线为辅助理解所加的区域分割线。
图8为采用本发明实施例中实现的一种用于大功率充电机的GaN无桥PFC电源模块的测试波形。可以看出GaN功率开关的栅端PL和PH信号波形的周期为1us，对应工作频率为1MHz，上升和下降波形功能完全正确，表面采用本发明布局方式实现的GaN功率模块功能正确，本发明的技术方案切实可行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.用于大功率充电机的GaN无桥PFC电源模块，其特征是，包括：EMI滤波电路(U6)、整流电容C2、电感L1、电感L2、第一GaN半桥电路(U7)、第二GaN半桥电路(U8)、MOS管MP、MOS管Mn、第三栅驱动电路、输出电容C1、输出检测电路(U3)、输出反馈电路(U2)、输入检测电路(U5)、输入反馈电路(U4)和PFC控制器(U1)；
输入高压交流母线AC连接到EMI滤波电路(U6)的输入端；EMI滤波电路(U6)的高压输出端Vac连接到整流电容C2的上端、输入检测电路(U5)的第一输入端、电感L1的左端和电感L2的左端；EMI滤波电路(U6)的低压输出端Vacgnd连接到输入检测电路(U5)的第二输入端、MOS管MP的源端和MOS管Mn的源端；电感L1的右端VH连接到第一GaN半桥电路(U7)的高压输入端和第二GaN半桥电路(U8)的低压输入端；电感L2的右端VL连接到第一GaN半桥电路(U7)的低压输入端和第二GaN半桥电路(U8)的高压输入端；PFC控制器(U1)的第一脉宽信号PWH1和第二脉宽信号PWL1输出端分别连接到第一GaN半桥电路(U7)的高侧和低侧输入端，PFC控制器(U1)的第三脉宽信号PWH2和第四脉宽信号PWL2输出端分别连接到第二GaN半桥电路(U8)的高侧和低侧输入端，PFC控制器(U1)的第五脉宽信号PWH3和第六脉宽信号PWL3输出端分别连接到第三栅驱动电路的高侧和低侧输入端；第一GaN半桥电路(U7)的半桥输出端连接到输出高压母线端Vout+、MOS管MP漏端、输出检测电路(U3)的第二输入端口和输出电容C1的上端；第二GaN半桥电路(U8)的半桥输出端连接到输出低压母线端Vout-、MOS管Mn的漏端、输出检测电路(U3)的第一输入端口和输出电容C1的下端；输出检测电路(U3)的输出电压检测信号输出端、输出电流检测信号输出端和温度检测信号输出端分别连接到输出反馈电路(U2)的输入端；经输出反馈电路(U2)处理得到的输出电压反馈信号、输出电流反馈信号和温度反馈信号分别连接到PFC控制器(U1)的输入端；输入检测电路(U5)的输入电压检测信号输出端、输入电流检测信号输出端分别连接到输入反馈电路(U4)的输入端，经输入反馈电路(U4)处理得到的输入电压反馈信号和输入电流反馈信号分别连接到PFC控制器(U1)的输入端；
所述第一GaN半桥电路(U7)和第二GaN半桥电路(U8)采用相同的GaN半桥电路，该GaN半桥电路包括：第一栅驱动电路(H)、第二栅驱动电路(L)、第一GaN功率开关、第二GaN功率开关、第一限流电阻和第二限流电阻；GaN半桥电路的高侧输入端连接到第一栅驱动电路(H)的输入端；GaN半桥电路的低侧输入端连接到第二栅驱动电路(L)的输入端；第一栅驱动电路(H)的输出端连接到第一限流电阻的左端，第一限流电阻的右端连接到第一GaN功率开关的栅端，第二栅驱动电路(L)的输出端连接到第二限流电阻的左端，第二限流电阻的右端连接到第二GaN功率开关的栅端；第一GaN功率开关的源端，即GaN半桥电路的高压输入端，连接到输入高压母线Vbus；第一GaN功率开关的漏端为半桥输出HB，半桥输出HB连接到第二GaN功率开关的漏端；第二GaN功率开关的源端，即GaN半桥电路的低压输入端，连接到输入低压母线Vgnd；
所述的第一GaN功率开关和第二GaN功率开关均采用多个小电流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；
电路在实际版图布局时采用双面布局结构，包括：输入高压区(31)、输入高压母线Vac区(32)、输出电压区(33)和低压供电区(34)；所述输入高压区(31)、输入高压母线Vac区(32)、输出电压区(33)分布在正面，所述低压供电区(34)分布在反面，正面和反面之间的所有PWM脉宽信号，以及输入电压检测信号、输入电流检测信号、输出电压检测信号、输出电流检测信号和温度检测信号通过通孔连接信号；
所述输入高压区(31)内部包括：EMI滤波电路(U6)版图区、整流电容C2版图区、输入检测电路(U5)版图区、输入高压交流母线AC版图区和输入高压地线版图区；
所述输出电压区(33)内部包括：第一GaN半桥电路(U7)版图区、第一散热器版图区、第二GaN半桥电路(U8)版图区、第二散热器版图区、电感L1版图区、电感L2版图区、第三栅驱动电路版图区、MOS管Mp版图区、MOS管Mn版图区、第三散热器版图区、输出电容C1版图区、输出高压母线Vout+版图区、输出低压母线Vout-版图区、VH版图区、VL版图区和输出检测电路(U3)版图区；所述第一散热器版图区在第一GaN半桥电路(U7)版图区内部，所述第二散热器版图区在第二GaN半桥电路(U8)版图区内部；
所述输入高压母线Vac区(32)跨接在输入高压区(31)和输出电压区(33)之间，输入高压母线Vac区左侧和EMI滤波电路(U6)版图区的右侧重合；输入高压母线Vac区右侧同时和输出电压区中电感L1版图区左侧和电感L2版图区左侧重合；
所述低压供电区(34)内部包含PFC控制器(U1)版图区、输入反馈电路(U4)版图区、输出反馈电路(U2)版图区和低压地线版图区(34-1)。
2.根据权利要求1所述的用于大功率充电机的GaN无桥PFC电源模块，其特征是，所述第一GaN半桥电路(U7)版图区和第二GaN半桥电路(U8)版图区采用相同结构的GaN半桥版图区，该GaN半桥版图区包括：第一栅驱动电路H版图区、第二栅驱动电路L版图区、第一限流电阻版图区、第二限流电阻版图区、第一通孔版图区、第二通孔版图区、第三通孔版图区、第一HEMT器件版图区、第二HEMT器件版图区、第三HEMT器件版图区、第四HEMT器件版图区、第一散热器版图区、半桥输出HB版图区、输入高压母线Vbus版图区和输入高压地线Vgnd版图区；其中第一HEMT器件和第二HEMT器件并联构成第一GaN功率开关，第三HEMT器件和第四HEMT器件并联构成第二GaN功率开关；所述第一散热器版图区分布在半桥输出HB版图区的内部。
3.根据权利要求2所述的用于大功率充电机的GaN无桥PFC电源模块，其特征是，所述输入高压母线Vbus版图区采用C型半包围结构，其所包围的空间内分布有：第一通孔版图区、第一栅驱动电路H版图区、第一限流电阻版图区、第一HEMT器件版图区和第二HEMT器件版图区；所述第一HEMT器件版图区左侧和第二子HEMT器件版图区左侧朝向第一限流电阻的右端；
所述输入高压母线Vbus版图区C型半包围结构的两个端部均采用直角三角形结构，2个直角三角形的斜边相对，分别连接第一HEMT器件版图区和第二HEMT器件版图区的源极；所述第一HEMT器件版图区和第二HEMT器件版图区的漏极之间夹着所述半桥输出HB版图区的左上角，该左上角的形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形；
所述输入高压地线Vgnd版图区采用同样的C型半包围结构，其所包围的空间内分布有第二通孔版图区、第二栅驱动电路L版图区、第二限流电阻版图区、第三HEMT器件版图区和第四HEMT器件版图区；所述第三HEMT器件版图区左侧和第四HEMT器件的版图区左侧朝向第二限流电阻的右端；
所述输入高压地线Vgnd版图区C型半包围结构的两个端部均采用直角三角形结构，2个直角三角形的斜边相对，分别连接第三HEMT器件版图区和第四HEMT器件版图区的源极；所述第三HEMT器件版图区和第四HEMT器件版图区的漏极之间夹着所述半桥输出HB版图区的左下角，该左下角的形状为一个顶角朝左且为锐角的等腰三角形。
4.根据权利要求3所述的用于大功率充电机的GaN无桥PFC电源模块，其特征是，所述第一限流电阻的右端到第一HEMT器件栅端的金属线和第一限流电阻的右端到第二HEMT器件栅端的金属线长度严格相等，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；所述第二限流电阻的右端到第三HEMT器件栅端的金属线和第二限流电阻的右端到第四HEMT器件栅端的金属线长度严格相等，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。
5.根据权利要求1所述的用于大功率充电机的GaN无桥PFC电源模块，其特征是，负责传输第一脉宽信号PWH1和第二脉宽信号PWL1的两根金属线、负责传输第三脉宽信号PWH2和第四脉宽信号PWL2的两根金属线，以及负责传输第五脉宽信号PWH3和第六脉宽信号PWL3的两根金属线有如下要求：
一、两根金属线长度、宽度和厚度都必须严格相等；
二、两根金属线必须采用平行走线方式，相互之间垂直距离不大于2mm；
三、两根金属线布局走过的区域必须由低压地线进行隔离保护。
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Address after: 406, floor 4, building A3, No. 777, Jianzhu West Road, Binhu District, Wuxi City, Jiangsu Province, 214000

Applicant after: Wuxi InnoSys Technology Co., Ltd

Address before: 210000 407, floor 4, building A3, No. 777, Jianshe West Road, Binhu District, Wuxi City, Jiangsu Province

Applicant before: Wuxi paiwei Technology Co.,Ltd.

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