用于无线充电系统的GaN交错并联PFC电源模块的制作方法

本发明涉及一种用于新能源汽车无线充电系统的用于无线充电系统的gan交错并联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电场的微逆变器。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挑战，需要更高的充电效率和更大的充电功率。特别是近年来出现的新型无线充电机系统，其对充电模块的开关频率和效率提出了及极其严格的要求。电动乘用车的充电实现“无线化”需要解决的主要问题在于：如何将传输功率提升至与功率等级2级的传导式充电机相等的水平；在传输功率相等的情况下，如何将传输效率提升至与传导式充电机相近的水平；如何提高无线充电机对停车水平位置偏差的冗余度，以摆脱或者降低用户对辅助自动停车系统的依赖。为推动无线能量传输技术在电动汽车充电机领域的应用，其努力的方向主要在两个方面：其一，通过磁耦合器的结构创新或优化设计，用最小的体积和物料在尽可能大的空间范围内提高两个分离线圈的耦合系数和抵抗相对位移的能力；其二，通过补偿电路的拓扑创新或控制方法的改进实现稳定的双边谐振运行，降低系统的无功功率和开关损耗。

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，是无线充电机电源设计的一个综合瓶颈问题。当前充电机通常采用多级级联方式实现，为了避免中间级直流母线电压与输出电压间存在大的压差而提高对后级隔离变换器的电压传输比的要求，前级通常采用pfc(功率因数校正)电路，最常用的类型为apfc整流器。

pfc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功率模块的性能影响较传统功率模块更敏感。

技术实现要素：

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功率器件应用于新能源汽车无线充电系统的高功率密度交错并联pfc电源模块。

按照本发明提供的技术方案，所述的用于无线充电系统的gan交错并联pfc电源模块包括：emi滤波电路、全桥整流电路、电感l1、电感l2、pfc控制器、第一栅驱动电路、第二栅驱动电路、gan功率开关mh、gan功率开关ml、限流电阻rh、限流电阻rl、输出二极管d1、输出二极管d2、输出电容c1、检测电路和反馈电路；

pfc控制器的第一脉宽信号pwh输出端连接到第一栅驱动电路的输入端，pfc控制器的第二脉宽信号pwl输出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的漏端为输出低压母线vout-和功率开关管ml的漏端，并且连接到检测电路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和输出二极管d2的阴极相连，还连接到输出高压母线端vout+、检测电路的第二输入端口和输出电容c1的上端；输入高压交流母线ac连接到emi滤波电路的输入端，emi滤波电路的输出连接到全桥整流电路的输入端，全桥整流电路的输出端dc连接到电感l1和电感l2的左端；检测电路输出的电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号分别连接到反馈电路的输入端；反馈电路将所述电压检测信号、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。

具体的，电路在版图实现时采用双面布局结构，所述双面布局结构包括：分布于正面的输入高压区、输入高压直流母线dc区、输出电压区和分布于反面的低压供电区；

所述输入高压区内部包括：emi滤波电路版图区、全桥整流电路版图区、第一散热器版图区、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：第二散热器版图区、第一栅驱动电路版图区、第二栅驱动电路版图区、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、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；

所述输入高压直流母线dc区跨接在输入高压区和输出电压区之间，输入高压直流母线dc区左侧和全桥整流电路版图区的右侧重合；输入高压直流母线dc区右侧和输出电压区的左侧重合；

所述低压供电区内部包含：pfc控制器版图区、反馈电路版图区和低压地线版图区；正面和反面之间的第一脉宽信号pwh、第二脉宽信号pwl，以及电压、电流、温度反馈信号通过通孔连接。

具体的，所述的gan功率开关mh和gan功率开关ml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，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内分布有：通孔p_pwh版图区、第一栅驱动电路版图区、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的版图区的左侧朝向限流电阻rh的右端；

所述vh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输出低压母线vout-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。

具体的，所述限流电阻rh的右端ph到hemt器件mh1的栅端的金属线和限流电阻rh的右端ph到hemt器件mh2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。

具体的，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内分布有通孔p_pwl版图区、第二栅驱动电路版图区、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版图区的左侧朝向限流电阻rl的右端；

所述vl版图区c型半包围结构的2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输出低压母线vout-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。

具体的，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。

具体的，负责传输第二脉宽信号pwl和第一脉宽信号pwh的两根金属线长度、宽度和厚度都严格相等；两根金属线采用平行走线方式，相互之间垂直距离不大于2mm；两根金属线布局走过的区域由低压地线进行隔离保护。

本发明的优点是：为提pfc模块的开关频率，采用lga封装的gan器件进行开关变换；为增大电流采用交错并联和多管并联结构；为提高可靠性和限制均流问题，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，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无线充电电源模块中。

附图说明

图1为本发明的电路结构图。

图2为本发明的工作波形示意图。

图3为本发明的双面布局示意图。

图4为本发明的输入高压区的详细布局图。

图5为本发明实现的一种输入高压区的实际布局图。

图6为本发明实现的一种低压供电区的实际布局图。

图7为实施例中本发明的测试波形。

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。

如图1所示，本发明用于无线充电系统的gan交错并联pfc电源模块电路包括：emi滤波电路u3、全桥整流电路u2、电感l1、电感l2、pfc控制器u1、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、限流电阻rl、输出二极管d1、输出二极管d2、输出电容c1、检测电路u4和反馈电路u5。

电路的连接关系如下：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的漏端为输出低压母线vout-和功率开关管ml的漏端，还连接到检测电路u4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和输出二极管d2的阴极相连，还连接到输出高压母线端vout+、检测电路u4的第二输入端口和输出电容c1的上端；输入高压交流母线连接到emi滤波电路u3的输入端，emi滤波电路u3的输出连接到全桥整流电路u2的输入端，全桥整流电路u2的输出端dc连接到电感l1和电感l2的左端。检测电路u4输出的电压检测信号f1、电流检测信号f2和温度检测信号f3分别连接到反馈电路u5的三个输入端；反馈电路的第一输出fb1、第二输出fb2和第三输出fb3分别连接到pfc控制器u1的三个输入端。反馈电路u1将所述电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号分别处理为反馈信号fb1、fb2、fb3，输出给pfc控制器u1。

上述电路在具体版图布局实现时采用双面布局结构。

图1所示的电路在实际应用中，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，本发明所述的gan功率开关mh和ml通常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ml采用lga封装形式的hemt器件并联实现，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。

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；所述检测电路u4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；所述反馈电路u5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1中给出的本发明pfc结构为交错并联boostpfc系统，该电路不仅具有并联系统的所有优点，还能减少输入电流纹波，降低开关管的电流应力。在车载充电机等大功率场所通常采用工作于电感电流连续导电模式(continueconductionmode，ccm)的交错并联boostpfc变换器。针对该pfc变换器的拓扑结构，采用的控制方法为平均电流控制，相比其他控制方法具有更加良好的动静态特性。其次，并联系统中还考虑了均流问题，若并联系统两支路电流不均衡，那么某一支路开关管所承受的电流应力势必加大，会增大开关管损坏机率。本发明针对平均电流控制交错并联ccmboostpfc变换器中存在的两支路不均流造成开关管电流应力加大的问题，采用了高可靠双面布局方式，并采用占空比补偿电流控制策略。

图2给出该变换器的工作示意波形图，交错并联ccmboostpfc变换器为两个相同boostpfc变换器并联而成，单个开关管的驱动信号pwh和pwl相位相差180°，开关管pwl驱动信号相比开关管pwh滞后180°，电感l1与电感l2支路的电流波形相同，相位相差180°，所以两支路的电流交错并联后将会消除掉一部分电流纹波，从而总电流i的纹波得到减小，频率变为之前的2倍。

如图3所示，本发明的双面布局结构包括：输入高压区1、输入高压直流母线dc区2、输出电压区3和低压供电区4。所述输入高压区1、输入高压直流母线dc区2、输出电压区3分布在电源模块的正面，所述低压供电区4分布在电源模块的反面，正面和反面之间的第二脉宽信号pwl、第一脉宽信号pwh、电压反馈信号f1、电流反馈信号f2和温度反馈信号f3通过通孔连接信号。

所述输入高压区1内部包括emi滤波电路u3版图区、全桥整流电路u2版图区、第一散热器版图区、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3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、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u4版图区。

所述输入高压直流母线dc区2跨接在输入高压区1和输出电压区3之间，输入高压直流母线dc区2左侧和全桥整流电路u2版图区的右侧重合；输入高压直流母线dc区2右侧和输出电压区3的左侧重合。

所述低压供电区4内部包含pfc控制器u1版图区、反馈电路u5版图区和低压地线版图区4-1。

图4为本发明实施例中输出电压区3的详细布局结构图，所述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mh由hemt器件mh1和hemt器件mh2并联而成，ml由hemt器件ml1和hemt器件ml2并联而成。

所述vh版图区包含一个c型半包围结构，其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。所述hemt器件mh1版图区和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hemt器件mh1的栅端的金属线和限流电阻rh的右端ph到hemt器件mh2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。上述vh版图区包含的c型半包围结构的右上角和右下角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hemt器件mh1版图区和hemt器件mh2版图区的源极。上述vh版图区包含的c型半包围结构内部全部为金属层覆盖，并且包含通孔p_h1版图区和通孔p_h2版图区。hemt器件mh1版图区和hemt器件mh2版图区的漏极之间为输出低压母线vout-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。上述vh版图区包含的c型半包围结构的最左侧连接电感l1版图区的右侧，最上侧连接到输出二极管d1版图区的上端。

所述vl版图区同样包含一个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、限流电阻rl版图区、hemt器件ml1版图区和hemt器件ml2版图区。所述hemt器件ml1版图区和hemt器件ml2的版图区的左侧，即栅端位置朝向限流电阻rl的右端pl，限流电阻rl的右端pl到hemt器件ml1的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。上述vl版图区包含的c型半包围结构的右上角和右下角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hemt器件ml1版图区和hemt器件ml2版图区的源极。上述vl版图区包含的c型半包围结构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。hemt器件ml1版图区和hemt器件ml2版图区的漏极之间为输出低压母线vout-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p_t2版图区。上述vl版图区包含的c型半包围结构的最左侧连接电感l2版图区的右侧，最下侧连接到输出二极管d2版图区的下端。

电感l2版图区的左侧和电感l1版图区的左侧均连接到输入高压直流母线dc区右侧；输出低压母线vout-版图区的右侧包含一个通孔p_t3版图区，用于连接输出电容c1版图区的左侧，输出高压母线vout+版图区的左侧连接输出电容c1版图区的右侧；输出二极管d1版图区的下端和输出二极管d2版图区的上端均连接到输出高压母线vout+版图区；输出高压母线vout+版图区的右侧为检测电路u4版图区。

图5为本发明实现的一种输出电压区3的实际布局图，完全按照图4所示的布局方式进行器件布局。hemt器件ml1版图区和hemt器件ml2版图区的源极和输出低压母线vout-的连接采用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，而输出低压母线vout-的主要电流在hemt器件ml1版图区和hemt器件ml2版图区的左侧汇聚流通，因此靠近hemt器件ml1版图区左侧部分汇聚的电流比hemt器件ml1版图区右侧部分的电流要大，所以采用三角形斜边的方式进行连接，靠近hemt器件ml1版图区左侧部分为斜边的底部，靠近hemt器件ml1版图区右侧部分为斜边的顶部。hemt器件mh1版图区和hemt器件mh2版图区的漏极和输出低压母线vout-的连接则采用相反方向的三角形斜边接触方式。限流电阻rl的右端pl到hemt器件ml1的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。限流电阻rh的右端ph到hemt器件mh1的栅端的金属线和限流电阻rh的右端ph到hemt器件mh2的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。

图6为采用本发明实现的一种低压供电区4的实际布局图，包含pfc控制器u1版图区、反馈电路u5版图区和低压地线版图区4-1。信号pwl、pwh、f1、f2和f3通过通孔连接信号。pwl和pwh信号为pfc控制器输出到栅驱动器的低压脉宽信号，因此pwl和pwh信号布线必须特别注意，首先负责传输pwl和pwh两个信号线的两根金属线长度、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。图6中的灰色区域同样全部是金属层填充区域。

图7为本发明实施例中电源模块的测试波形，其中横坐标为时间(每格为10ns)，纵坐标为电压幅度(每格2v)。图的下部是上部信号的放大。图中gan功率开关的栅端pl和ph信号波形的对应工作频率为500khz，左图为ph信号的从0到5v上升变化情况，右图为ph信号从5v到0下降情况(看最下面一条放大的信号)，可以看出ph信号上升和下降时间均小于30ns，表明采用本发明布局方式实现的gan功率器件功能正确，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。