[發明專利]應用于高功率密度充電的超快速瞬態響應交直流轉換器

在審

• 申請號: 202010575932.4
• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN112152484A
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 黃培倫;陳佑民;林天麒;鄭榮霈;于岳平;牛志強;張曉天;王隆慶
• 申請（專利權）人: 萬國半導體國際有限合伙公司
• 主分類號: H02M7/217
• 分類號: H02M7/217;H02M3/335;H02M1/092;H02M1/14;H02M1/44;H01L25/16;H02J7/00
• 代理公司: 上海元好知識產權代理有限公司 31323
• 代理人: 徐雯瓊;章麗娟

本發明公開了一個充電器，包括外殼、第一多層印刷電路板(PCB)、第二多層印刷電路板和第三多層印刷電路板。所述的第一印刷電路板包括初級側電路的至少一部分；所述的第二印刷電路板包括二次側電路的至少一部分；所述的第三印刷電路板垂直于所述的第一印刷電路板和所述的第二印刷電路板，隔離耦合元件設置在第三印刷電路板上，所述的隔離耦合元件包括多層印刷電路板；所述的第一印刷電路板包括高壓(HV)半導體封裝，所述的高壓(HV)半導體封裝包括一個高壓金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)芯片倒裝在芯片基座上，所述的芯片基座的底面從成型封裝的底面露出。

技術領域

本發明涉及一種超快速瞬態響應(STR)交流/直流(AC/DC)轉換器及其在高功率密度充電中的應用。STR AC/DC轉換器具有使用更小的變壓器和電容器并提高性能的優點。結合獨特的印刷電路板(PCB)設計和部件集成，組裝成一個緊湊型功率傳遞(PD)充電器，為快速充電應用提供超過0.6W/CC的功率密度。

背景技術

圖1A是基于脈寬調制(PWM)控制反激AC/DC轉換器的傳統充電器的簡化電路圖。變壓器TX1將從一次側電源接收到的能量傳輸到二次側，為負載供電。變壓器TX1的初級線圈的第一端連接到變壓器輸入電壓V_Bulk，一般是來自交流壁裝電源插座的整流輸出電壓(整流電壓)。變壓器初級線圈的第二端連接到主開關Q1，以調節通過變壓器初級線圈的電流，以便將能量傳輸到變壓器的次級側。主控制器位于變壓器的一次側，用于控制主開關的接通和斷開。一個反饋回路，其誤差放大器位于變壓器的次級側，通過光耦將輸出信息反饋給第一側的控制器。如圖1B所示，圖1A中電路的工作頻率在峰值負載時限制在65kHz至85kHz。脈寬調制控制器的控制帶寬(BW)受電流模式控制環路帶寬(BW～0.1×fs)約為開關頻率的十分之一的限制。由于工作頻率低，控制帶寬窄，輸出電壓瞬態響應慢。圖1C顯示了負載在空載和100％負載之間過渡時，由于工作頻率f_s的緩慢過渡，輸出電壓、V_out和瞬態響應的大波動。此外，對于傳統的脈寬調制控制器，為了保持與負載狀態變化對應的高轉換效率，需要在連續導通模式(CCM)和中斷導通模式(DCM)的不同操作模式之間切換脈寬調制控制器的操作。為了保持控制器的穩定運行，通常需要恒流補償回路和恒壓補償回路。因此，傳統的基于脈寬調制控制的反激式交直流轉換器的充電器不可避免地需要額外的元件。

圖1D和圖1E分別顯示了圖1A傳統充電器中常用的傳統垂直MOSFET 晶體管的橫截面圖和俯視圖。該晶體管的漏極D位于晶體管芯片的底面上，連接到引線框架芯片基座上，引線框架芯片基座底部表面暴露于封裝中。源極和柵極位于晶體管芯片的頂面上。源極和柵極連接到源極引腳S和柵極引腳G。圖1F顯示了圖1A的傳統充電器的PCB布局10。PCB布局10配置為接收圖1D和圖1E的傳統MOSFET器件。傳統MOSFET器件具有小面積源極引腳連接到PCB上的小銅墊11，大面積漏極引腳14連接到PCB上的大銅墊12。MOSFET芯片的漏極通過漏極引腳14和銅墊區12之間的大接觸區與變壓器TX1連接。MOSFET芯片的源極通過電阻R2接地。由于熱耗散和電磁干擾(EMI)降噪之間不可避免的折衷，PCB布局10的性能沒有得到優化。MOSFET器件Q1會發熱，需要一個大的銅墊區域12(例如，長度大于10mm，寬度大于5mm)進行冷卻。然而，大面積漏極引腳14具有高電壓和高dv/dt值。它將EMI噪聲與系統耦合。這對于低壓應用來說可能不是問題。然而，對于500V或更高電壓應用，由于快速變化和高漏極電壓，EMI噪聲很高。它需要一個小的銅墊區域12來降低電磁干擾噪聲。這與需要使用更大的銅墊區域12進行冷卻的要求相反。一個大的銅墊區域12的結果是產生大的電磁干擾噪聲。為了滿足規范要求，經常需要采用附加的大體積散熱器和金屬屏蔽來提高散熱性能和射頻干擾屏蔽。此外，對于高壓應用，大面積的高壓漏極引腳需要較大的安全空間，因此增加了器件面積，使得在保持高電壓安全空間的同時，最大限度地減小器件尺寸成為一項挑戰。