高功率密度DC-DC變換器封裝與集成技術(shù)研究課件

1、高功率密度DC-DC變換器封裝與集成技術(shù)研究01課題背景介紹02研究現(xiàn)狀03研究路線目錄1課題背景介紹Flat-Panel TVLED lightingTelecomDatacenterServer課題背景介紹DC-DC變換器的應(yīng)用場合:20082009201020112013硬開關(guān)50KHz5W/in3LLC諧振變換器100KHz34W/in3軟開關(guān)1MHz121W/in37 X sizereduction4 X sizereduction前端變換器功率密度趨勢效率功率密度提高開關(guān)頻率是提高功率密度的關(guān)鍵。諧振變換器由于其天然的能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)使得它能夠在高頻下(高達(dá)幾MHz)工作，所以本次課

2、題的研究內(nèi)容主要針對諧振變換器。課題背景介紹新器件在DC-DC變換器的應(yīng)用前景:2研究現(xiàn)狀提高DC-DC變換器功率密度方法一:新器件的應(yīng)用禁帶寬度:決定器件的耐壓和最高工作溫度擊穿場強(qiáng):決定器件的耐壓電子遷移率:決定器件的導(dǎo)電率相對介電常數(shù):決定器件結(jié)電容大小Si、GaN功率模塊比較與傳統(tǒng)Si器件相比，GaN器件可以工作在更高頻，在實(shí)現(xiàn)相同電路功能前提下有效減小電路中無源元件的大小，總體上減小模塊體積研究現(xiàn)狀3D integrated POL module to achieve a 1kW/in3Based LTCC technology to achieve a 700W/in3研究現(xiàn)狀I(lǐng)P

3、M模塊倒裝芯片模塊引線鍵合工藝，可靠性高成本低，加工簡單，但引入的寄生參數(shù)較大三維有源功率器件集成封裝工藝，將PCB工藝引入封裝，最大限度的減小了寄生引線電感廣泛采用DBC+PCB工藝，即提高了裝置的集成又有利于散熱提高DC-DC變換器功率密度方法二:有源器件集成3研究路線研究內(nèi)容一:應(yīng)用新一代半導(dǎo)體器件無源器件的集成（電感、變壓器的無源集成）有源功率器件的集成LLC諧振電路研究路線研究路線應(yīng)用新一代半導(dǎo)體器件無源器件的集成（電感、變壓器的無源集成）有源功率器件的集成LLC諧振電路研究內(nèi)容二:研究路線應(yīng)用新一代半導(dǎo)體器件無源器件的集成（電感、變壓器的無源集成）有源功率器件的集成LLC諧振電路研

4、究內(nèi)容三:新器件的應(yīng)用:35V Si MOSFETGaN HEMTAvoiding Avalanche CTransphorm 600VCascode GaN HEMT Si MOSFETCapacitanceGateDrainDrainGate開蓋測試:研究路線GaN HEMT35V Si MOSFETGaN PowerLow-loss Switch新器件的應(yīng)用:雙脈沖測試:35V Si MOSFETGaN HEMTAvoiding Avalanche C雙脈沖測試(Dual Pulse Test)獲取IGBT在開關(guān)過程的主要參數(shù)，以評估Rgon及Rgoff的數(shù)值是否合適，評估是否需要配吸收

5、電路等.考量IGBT在變換器中工作時(shí)的實(shí)際表現(xiàn)。測試二極管的反向恢復(fù)電流是否合適，關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰是否合適，開關(guān)過程是否有不合適的震蕩等。實(shí)驗(yàn)平臺研究路線無源器件的集成:背景介紹：隨著開關(guān)頻率的提高（尤其是開關(guān)頻率明顯高于100kHz時(shí)），由于渦流效應(yīng)的影響，傳統(tǒng)變壓器的繞線式繞組損耗會明顯增加。此外，繞線式磁性元件會對變換器的一體化和平坦化起到阻礙的作用。平面磁性元件在本質(zhì)上能夠提供比傳統(tǒng)的繞線式磁性元件更小的尺寸體積，因此有助于變換器的小型化和模塊化。傳統(tǒng)非交錯繞組 交錯繞組(1)交錯繞組(2)不同繞組結(jié)構(gòu)的繞組損耗差距明顯，本課題研究目的是設(shè)計(jì)出一繞組損耗較小的交錯繞組結(jié)構(gòu)的高頻平面變壓

6、器研究路線有源器件集成:35V Si MOSFETGaN HEMTAvoiding Avalanche CGaN HEMT35V Si MOSFETGaN PowerLow-loss Switch改用新型封裝:傳統(tǒng)的TO-220封裝的GaN MOSFET，需要背帶散熱器來處理耗散功率，而新型的PQFN封裝結(jié)構(gòu)是直接表面安裝在PCB板上的，不需要額外的散熱器，提高了裝置的集成度，且封裝引入的額外的寄生電感較小。研究路線驅(qū)動及保護(hù)電路單獨(dú)設(shè)計(jì)的模塊靈活度更高，且生產(chǎn)加工簡單，所以本課題的初階目標(biāo)定為驅(qū)動保護(hù)電路單獨(dú)設(shè)計(jì)且MOSFET的封裝形式改用貼片式。有源器件集成:MOSFET驅(qū)動設(shè)計(jì):驅(qū)動保護(hù)

7、電路與MOSFET集成在一塊Si基上驅(qū)動保護(hù)電路單獨(dú)設(shè)計(jì)引線鍵合可靠性高，工藝簡單DBC技術(shù)雙層散熱功率MOSFET只能采用裸片形式加工成本太高加工復(fù)雜回流焊工藝可靠性高功率MOSFET封裝形式多樣加工成本低加工簡單需要額外大的散熱器，不利于系統(tǒng)的集成MOSFET封裝引入較大寄生電感、寄生電阻研究路線有源器件集成:進(jìn)階目標(biāo):當(dāng)上述課題目標(biāo)完成后，本課題考慮進(jìn)階的目標(biāo)。有源器件的集成采用DBC+PCB技術(shù)，所有的MOSFET一律采用晶片(裸芯片)形式，直接焊接在高導(dǎo)熱材料如DBC上，通過打鍵合線的方式和控制回路和保護(hù)回路聯(lián)通，再將功率回路、驅(qū)動、保護(hù)、通信回路集成在同一個良好散熱性的功率模塊中，以實(shí)現(xiàn)變換器的模塊化和高功率密度化。DBC+PCB技術(shù)PCB技術(shù)研究路線2015年12月2016年02月,文獻(xiàn)調(diào)研新一代半導(dǎo)體器件和傳統(tǒng)Si器件電路特性，功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及基本工作原理分析；2016年03月2016年06月,借助于仿