[發明專利]一種基于GaN器件的雙面散熱全橋功率模塊

有效

• 申請號: 202010081992.0
• 申請日: 2020-02-06
• 公開（公告）號: CN111244047B
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發明（設計）人: 李冰洋;王康平;朱弘鏗;楊旭;王來利
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01L23/367
• 分類號: H01L23/367;H01L23/373;H01L23/498;H01L25/16
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李曉曉

本發明公開了一種基于GaN器件的雙面散熱全橋功率模塊，由雙面陶瓷基板散熱并構成全橋電路，全橋電路由兩個半橋電路構成；每個半橋電路包含兩個GaN管芯和一個功率母線驅動電容C_bus；功率母線驅動電容C_bus的一端連接V_bus，另一端連接GND，兩個GaN管芯分別連接對應的驅動芯片，每個驅動芯片設置有一個驅動母線去耦電容C_dri。本發明結構緊湊、輕巧，可以有效提升功率密度；能夠極大提高GaN功率模塊的散熱性能，同時降低GaN全橋功率模塊中的寄生電感。

技術領域

本發明屬于電力電子功率模塊設計技術領域，具體涉及一種基于GaN器件的雙面散熱全橋功率模塊。

背景技術

隨著科學技術的發展，傳統硅基(Si)功率器件性能逐漸達到其理論上限，越來越滿足不了功率變換器的應用需求。寬禁帶半導體氮化鎵(GaN)功率器件具有低導通電阻、低寄生電容、高開關速度等特點，能夠有效提高功率變換器的效率和工作頻率，顯著降低功率變換器的體積、提高功率密度，符合功率變換器對于高效率、輕量化、高功率密度等方面的發展需求，具有廣泛的應用前景。

然而，由于基于GaN器件的變換器功率密度遠遠大于Si器件的，但同等功率等級下的GaN器件的體積卻遠遠小于Si器件的體積，同時GaN材料的熱導率低于Si材料的熱導率，GaN器件不得不面臨嚴重的散熱問題。同時，由于GaN器件開關速度較快、閾值電壓低、柵極電壓安全裕量小等特點，GaN器件對電路中的共源電感、源極電感、漏極電感等寄生參數異常敏感。這些問題不僅增加了GaN器件的應用難度和設計成本，還嚴重限制了GaN器件性能優勢的發揮。

面對以上問題，為提高GaN器件的工作性能，傳統的解決方法主要分為兩類：

1、單面PCB方式，該方法可以通過優化電路布局可以達到有效減小電路中關鍵寄生參數的目的，但是由于PCB絕緣材料極低的熱導率，GaN的散熱問題變得更為嚴重；

2、單面DBC陶瓷基板方法，該方法利用陶瓷基板良好的散熱性能作為散熱通路，可以有效提高散熱性能，但是僅包含一條散熱路徑，且使用的GaN器件包括封裝熱阻，散熱性能受封裝熱阻所限，同時由于DBC陶瓷基板布線精度差，電路中寄生參數增加；

3、單面DBC陶瓷基板加柔性PCB方法，該方法由于增加了柔性PCB，可以有效減小GaN器件驅動回路寄生參數，但是功率回路寄生參數大和散熱問題依然存在。

因此為充分發揮GaN器件的優勢，需要盡可能提高GaN器件散熱性能，同時妥善處理好電路中引入的寄生參數。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種基于GaN器件的雙面散熱全橋功率模塊，可以有效提高GaN器件的散熱性能，同時減小電路中關鍵寄生參數，充分發揮GaN器件的優勢。

本發明采用以下技術方案：

一種基于GaN器件的雙面散熱全橋功率模塊，由雙面陶瓷基板散熱并構成全橋電路，全橋電路包括兩個半橋電路；每個半橋電路包含兩個GaN管芯和一個功率母線驅動電容C_bus；功率母線驅動電容C_bus的一端連接V_bus，另一端連接GND，兩個GaN管芯分別連接對應的驅動芯片，每個驅動芯片設置有一個驅動母線去耦電容C_dri。

具體的，兩個半橋電路對稱設置在底部DPC陶瓷基板上，包括第一半橋回路和第二半橋回路，第一半橋回路和第二半橋回路上方連接頂部DPC陶瓷基板，功率母線驅動電容C_bus對稱設置在底部DPC陶瓷基板的兩側。