包括氮化镓器件的电路组件的制作方法

本发明涉及一种用于高功率密度电源应用的包括例如氮化镓(gan)器件的电路组件。

背景技术：

1、图1是使用图腾柱(totem-pole)功率因数校正(pfc)拓扑结构的ac-dc整流器的电路图。与典型的升压型pfc相比，这种图腾柱pfc拓扑结构的主要优点是它是一种无桥电路，这意味着它的输入端不包括整流二极管桥。因此，消除了相关的整流桥损耗，从而实现了更高的效率和功率密度。使用互补增强模式(e模式)氮化镓(gan)半导体(其中，gan是一种宽带隙(wbg)材料)的优势在于：完全消除了任何反向恢复电荷。因此，gan器件在传统高压超结功率半导体无法解决的应用中与半桥硬开关电路配合良好。在这些条件下，图1所示的图腾柱pfc拓扑结构非常适合与gan器件配合使用。

2、图1示出了gan器件(虚线框内)用作开关s1和s2。开关s1与s2之间的节点通过电感器连接到交流(ac)电压源vac的端子，并且开关sd1与sd2之间的节点连接到ac电压源vac的另一个端子。电容器c和电阻r中的每一个都并联连接在开关sd1和sd2上。开关s1和s2以高开关频率开关并提供升压开关和整流开关的功能，而开关sd1和sd2以线路频率开关并提供线路整流器的功能。与典型的升压型pfc电路相比，图腾柱电路可以以更高的效率达到更高的密度限制。

3、图2示出了更高功率的硬开关拓扑结构的另一示例，作为使用gan器件的传统三相六开关升压转换器的电路图。与无gan器件的同类电路相比，gan器件s1-s6可以用于提高效率和功率密度。串联连接的开关s1和s2、开关s3和s4以及开关s5和s6中的每一个并联连接到直流(dc)电压源vdc，并且串联连接的开关s1和s2、开关s3和s4以及开关s5和s6中的每一个之间的节点连接到电感器lf。

4、希望提高在较高开关频率下工作的电源的功率密度。图3示出了在远高于si-mosfet器件的开关频率下工作的软开关拓扑结构中具有gan器件s1和s2(虚线框内)的半桥llc转换器电路。半桥llc转换器包括提供隔离屏障的变压器，该隔离屏障将电路分为连接到变压器的初级绕组的初级侧电路(图3左侧)和连接到变压器的次级绕组的次级侧电路(图3左侧)。初级侧电路包括：包括与dc电压源vdc并联连接的串联连接gan器件s1和s2的开关电路；以及连接在开关电路与初级绕组之间的且包括谐振电容器cr、谐振电感器lr和磁化电感器lm的谐振电路。次级侧电路包括包括开关q3和q4的整流电路。由于si-mosfet器件的死区时间要求，使用在高于350khz的开关频率下工作的si-mosfet器件会增加传导损耗。与si-mosfet器件相比，gan器件具有明显更小的关断损耗和所需死区时间，因此更适合于在更高的频率下工作。gan器件也可以用于全桥llc转换器配置(未示出)。

5、具有低寄生电感的表面贴装封装由于其快速开关的缘故通常用于gan器件，以减少电压尖峰并确保可靠的运行。图4示出了传统gan组件，其中gan器件被示为顶部的盒子并包括外壳200和器件结201。可以采用在附接到散热器203的层压印刷电路板(pcb)202上具有gan器件的传统结构，但这种结构存在以下缺点。

6、首先，需要大型散热器203。如图4所示，从器件结tj到环境温度tamb的总热阻可以计算为：tj＝rth_jc+rth_pcb+rth_tim+rth_hsa，其中，rth_jc是器件结201对外壳200的热阻，rth_pcb是pcb 202的热阻，rth_tim是热界面材料(tim)204的热阻，并且rth_hsa是散热器203对环境温度tamb的热阻。

7、pcb的热阻rth_pcb是主要的热阻，这是因为fr4的热导率较低，而fr4是使用最多的pcb材料。由于gan器件的表面积集中，gan器件所产生的热量将在pcb 202上形成热点。gan器件的高温反过来会增加其漏源导通电阻(rds_on)。因此，即使电流远低于gan器件的额定电流，整个组件可以提供的最大功率通常仍会受到gan器件的最大结温的限制。为了使gan器件的输出功率最大化，由于pcb 202的热阻较大，因此需要将散热器温度降低到远低于gan器件的外壳温度。当散热器温度较低时，散热器203的有效性可以显著下降。在这种情况下，散热器203与周围环境之间的温差较小。因此，需要大型散热器203，但这种大型散热器203增大了电路组件的功率密度和总成本。

8、此外，在传统组件中，存在高电流下的高损耗。由于传统pcb用于传导电流的铜是有限的，因此，高电流下的传导损耗较大并增大了组件的热应力。

9、为了解决包括gan器件的传统组件中的这些问题，已经使用大型散热器来增加冷却和/或已经在pcb上使用复杂的母线来提供更高的电流。此外，已经将传统组件的输出功率降低来满足gan器件的温度和额定电流规格。此外，pcb中还集成了热过孔，旨在降低pcb的热阻。

10、可选地，为了解决传统gan组件的问题，已经使用绝缘金属基板(ims)301来传递热量，如图5和图6所示。图5和图6是由gan systems co.制造的水平ims评估栅极驱动器板(部件编号gsp665x-evbims2)的视图。图6中的ims 301(也被称为金属芯pcb)由金属板，隔热层和铜箔制成，其中铜箔具有特殊的导磁性，出色的散热性，较高的机械强度和良好的加工性能。ims技术对于在有限布局密度下具有高功率损耗特点的较高功率应用(如功率led模块)而言是相当有效的。但是，ims 301的采用会限制布局密度，其原因是它仅有一个或两个层用于走线路由。因此，除gan器件外，所有其他电路(包括栅极驱动器电路、隔离电源和输入连接器)都位于标准pcb 302上。pcb 302通过连接器附接到ims 301。然而，由于连接器的原因，ims 301与pcb 302之间存在较大的间隙。如图6所示，这个较大的间隙将形成大功率环路电感路径303，其包括dc去耦电容304、ims 301和pcb 302。由于gan器件的快速开关，大功率环路电感路径303可以导致gan器件在瞬变期间出现较大的漏源电压尖峰和振铃。尤其是在开关电流较大时，gan器件的这种振铃可以在半桥的中点处导致随时间变化的高电压差(dv/dt)，而这可能导致开关的错误导通。此外，高尖峰电压增大了gan器件上的电压应力并且可以导致gan器件超过其额定电压。因此，这些缺点使得这种传统配置在电源应用中的实用性变差。

技术实现思路

1、为了克服上述问题，本发明的优选实施例提供了电路组件，电路组件各自在附接到pcb的绝缘金属基板(ims)(ims与pcb之间没有间隙)上包括高功率开关器件(如gan器件)，其可以显著降低高功率开关器件与周围环境之间的热阻，同时还解决了由于ims的布局能力有限而导致的布局困难问题。

2、此外，本发明的优选实施例提供了电路组件，电路组件各自具有双侧冷却以改进电路组件的电路的热性能。此外，高功率开关器件下方的pcb中的铜填充过孔显著降低pcb的热阻。

3、根据本发明的优选实施例，与开关器件pcb分开的具有隔离电源的栅极驱动器pcb可以提供若干优势，包括：

4、1.开关器件pcb的更出色的热冷却和更高的电流能力，因为通过将栅极驱动器电路与可以具有高电流的电源路由分开，可以改进或优化开关器件pcb上的高电流路由。

5、2.能够使用性价比较高的具有平面结构的变压器，因为具有平面结构的变压器可以与栅极驱动器pcb集成并且更容易组装。

6、3.能够使用变压器的绕组布置，此绕组布置可以平衡低绕组间电容(由于快速开关瞬变，低电容对于最小化共模(cm)电流注入很重要)与良好的耦合(低漏感有助于开环输出电压调节)和超过1500-v的隔离。

7、4.能够使用负驱动器电压，其中可以对负驱动器电压进行调节，以确保在瞬变期间不会超过器件的栅极阈值电压，并减少或最小化反向传导损耗。

8、根据本发明的优选实施例，一种电路组件包括绝缘金属基板(ims)、位于ims上的开关器件以及印刷电路板(pcb)，该pcb直接附接且电连接到ims且两者之间没有或实质上没有间隙，并且该pcb包括接纳开关器件的切口。

9、pcb的表面可以与ims的表面配合。pcb可以将电源和信号路由到开关器件。pcb可以经由焊盘电连接且机械连接到ims。pcb还可以包括负温度系数温度感测电路。电路组件还可以包括附接到ims的散热器。电路组件还可以包括附接到散热器并与开关器件的顶表面接触的l形金属板。开关器件可以是氮化镓开关器件。

10、本发明的上述及其他特征、元件、步骤、结构、特点和优点将通过下面参照附图对本发明优选实施例的详细描述而变得更加明显。