功率转换器装置和包括功率转换器装置的系统

技术领域

本披露内容涉及一种功率转换器装置，尤其涉及一种包括GaN HEMT器件的功率转换器装置。

背景技术

硅MOSFET是常闭型器件，即，它们会在一定的正阈值电压下导通。氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件通常是常开的，但也可以使其常闭。GaN HEMT器件的优越性能是其导通电阻Rds(on)低，其值低于硅MOSFET，从而使导通损耗更低。GaN HEMT器件通常具有负阈值电压，即，其在栅极电压为零时是常开的。如果晶体管处于导通状态且电源接通，则可能会出现短路。GaN HEMT器件的开关损耗和导通损耗均低于硅器件，但由于其常开特性(特制的增强型GaN HEMT除外)，它们在电力电子器件应用中容易短路。这种短路在电力电子器件中是毁灭性的，但在例如低电压下的RF应用中则问题不大。

对于电力电子器件应用，与工作频率通常为100Hz的硅MOSFET相比，GaN器件可以在高得多的工作频率(比如1MHz)下被驱动。然而，频率高于66Hz则会引入二次谐波，从而导致电磁兼容性(EMC)问题。尽管这可以用大的LC滤波器进行滤波，但这种滤波器因其体积庞大且有违使用GaN的初衷(因为GaN可以通过更小的无源元件来减小系统尺寸)而不实用。

另外，GaN HEMT的开关时间比硅MOSFET快得多，并且会产生电磁辐射。开关时间快以及输入和输出电容低是令人期望的。与硅MOSFET相比，GaN HEMT器件具有不同的反向电流特性(即，ID与VGS曲线图中的第三象限导通)。在典型的半桥配置中，要求GaN HEMT在处于关断状态的同时能够导通反向电流，而半桥的另一个GaN HEMT处于导通状态。反向电流导通通常可以由硅MOSFET的体二极管来处理。

此外，GaN HEMT器件的电压通常被限于低于碳化硅器件的电压，即，小于1200V。因此，碳化硅MOSFET已成为高功率和高电压应用的首选晶体管。然而，对于AC-DC转换而言，GaN的能效比碳化硅高约30％，因此GaN在高功率电子器件中的应用一直备受关注。

GaN晶体管器件可以在功率电子器件中用作共源共栅器件或增强型HEMT器件。共源共栅由集成了驱动HEMT的硅MOSFET的HEMT构成。HEMT器件是常开的，而集成的MOSFET控制HEMT，使其表现为是常闭的但却是常开的。

到目前为止，尽管GaN器件已显示出在高功率应用方面的前景，但其应用却被限于约4kW的中等功率。为了达到更高的功率，可能需要并联的GaN器件。然而，并联许多晶体管可能会导致晶体管阶梯上出现电压降。该电压降大得足以导致单个器件升温增加，从而使导通电阻增大，并且可能烧毁一个或多个器件，从而造成电子器件故障。由于GaN HEMT器件的开关时间极快，因此任何两个GaN HEMT器件接收到的电流量可能不同，从而导致器件故障。这是因为每个单独的晶体管与其他晶体管并不相同。

共源共栅GaN器件的一种解决方案是使用铁氧体，这种铁氧体在工作频率下可充当电感器，从而减慢共源共栅器件的开关速度，以确保在GaN器件并联操作时进行适当均流。

使用增强型(e-型)GaN HEMT器件可使这些器件替代地常闭操作。常闭操作可以在制造HEMT结构期间通过pGaN栅极触点来配置。e-型GaN HEMT器件开关非常快，但是e-型GaNHEMT器件之间的不当均流可能会导致器件烧毁。与硅和碳化硅MOSFET相比，减慢e-型GaN HEMT器件的速度有违使用GaN的初衷。

首先使用并联GaN器件的替代方案是可以使用更大的GaN器件。然而，这种器件的输入电流分布对将器件尽可能多的接触面积用于源极触点会变得敏感。

因此，需要一种克服现有器件的这些缺点的解决方案。

美国专利申请号2005/189566A1披露了一种开关电源模块，该开关电源模块包括两个电路板、驱动电路部分和执行整流操作的二极管。

发明内容

本发明的目的是提供改进的解决方案，以减轻现有装置的上述缺点。此外，本发明的目的是提供一种适合于高功率电子器件的可靠功率转换器装置，这种装置能够实现高开关频率。

本发明由所附独立权利要求限定，在所附从属权利要求中、以下描述中以及附图中阐述了实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种功率转换器装置，该功率转换器装置包括：第一电路板，该第一电路板包括第一驱动器和布置成对的至少四个GaN HEMT器件，其中，每个对是GaN HEMT器件的半桥，所述对并联连接；第二电路板，该第二电路板包括第二驱动器和布置成对的至少四个MOSFET器件，其中，每个对是MOSFET器件的半桥，所述对并联连接；其中，该功率转换器装置包括在该第一电路板与该第二电路板之间的至少两个板间电气连接，其中，该第一电路板上的GaN HEMT器件对的源极端子输出端经由该至少两个板间电气连接电连接到该第二电路板上的MOSFET器件对的源极端子输出端，并且其中，该第一电路板上的GaN HEMT器件对的漏极端子输出端经由该至少两个板间电气连接电连接到该第二电路板上的MOSFET器件对的漏极端子输出端；其中，该第一电路板在第一平面上延伸并且该第二电路板在第二平面上延伸，并且该第一电路板和该第二电路板彼此上下布置，使得这两个平面平行延伸，并且该两个电路板之间的板间电气连接在基本上垂直于所述第一平面和所述第二平面的方向上延伸；并且其中，所述至少四个GaN HEMT器件等距电连接到所述第一驱动器。

发明人已经意识到，使用多个GaN器件来实现更高的功率转换是有利的，其中若干个GaN器件表现为单个器件。进一步，通过提供对称构建的功率转换器装置(其中的两个电路板竖直地布置在彼此之上，并且GaN HEMT器件与第一驱动器之间的连接是等距的)，提高了可靠性，避免GaN HEMT器件之间在高操作频率下因操作差异而出现故障。

进一步，本发明可能的优点是，GaN HEMT器件到驱动器的距离均相等，结合到MOSFET器件的电路板的板间电气连接使得这两个电路板表现为单个功率转换器装置，从而避免了GaN HEMT器件之间的均流延迟和变化。

可以将某一对中的两个GaN HEMT器件布置为GaN HEMT器件的半桥。功率转换器装置可以耦接到电源，比如AC电源。第一电路板可以耦接到电源的线电压输出端。第二电路板可以耦接到电源的中性线输出端。

第一电路板和第二电路板可以是单独的印刷电路板。

就GaN HEMT器件与第一驱动器之间的等距电气连接而言，其可能意味着从每个GaN HEMT的端子到第一驱动器上的相应连接点的距离可以是相等的。就相等而言，其可能意味着公差在±1％内。

第一电路板可以在定义为第一X-Y平面的第一平面上延伸。第二电路板可以在定义为第二X-Y平面的第二平面上延伸。该第一平面和第二平面是平行布置的。进一步，这两个平面可以在Z方向上分开。Z方向可以是第一X-Y平面和第二X-Y平面的公共方向。两个电路板之间的至少两个板间电气连接可以在所述Z方向上延伸以将这两个电路板电连接。

中性线上的MOSFET与线电压上的GaN HEMT器件的长距离连接可能会干扰GaNHEMT器件以其最高开关速度进行驱动。这一点可以通过根据本发明的功率转换器装置来减轻。

在一个实施例中，两个电路板之间的板间电气连接可以被设置为电路板之间的机械支撑件。这些机械支撑件可以分别基本上垂直于电路板延伸的平面而延伸。机械支撑件既可以用作便于电路板中的一个电路板布置在另一个电路板之上的支撑件，也可以用作两个电路板之间的电气连接。机械支撑件可以布置在相应电路板的边缘部分处。机械支撑件可以沿电路板的圆周而对称布置。两个电路板的尺寸可以基本上相等。机械支撑件的长度可以设定两个电路板之间的距离。所选择的机械支撑件的长度可以尽可能短，这取决于两个电路板可以布置得彼此有多近的物理限制。机械支撑件可以在两个电路板中的每一个上被布置在与GaN HEMT或MOSFET器件对的电气连接所在的点处，从而通过机械支撑件提供电气连接。在一个实施例中，可以在两个电路板之间布置2个、4个、6个、8个、10个、12个、14个、16个、18个或20个机械支撑件。优选地，可以设置偶数个沿电路板的圆周对称分布的机械支撑件。在一个实施例中，除了在两个电路板之间提供电气连接的至少两个机械支撑件外，还可以具有一个、两个或更多个机械支撑件，这些机械支撑件不是在两个支撑件之间提供电气连接，而是仅充当两个电路板之间的物理支撑。在所有所提供的机械支撑件中，至少两个(比如两个、四个或八个)机械支撑件可以在电路板之间提供电气连接。所有的机械支撑件都可以一起沿电路板的圆周对称分布。

在一个实施例中，两个电路板之间的板间电气连接可以通过螺钉连接来提供。这种螺钉连接可以例如是如上所述的机械连接，其通过螺钉附接到电路板。

在一个实施例中，两个电路板之间的至少两个板间电气连接可以在GaN HEMT器件对与MOSFET器件对之间提供等距电气连接。为了进一步提高功率转换器装置的对称性和性能，可以将两个电路板之间的板间电气连接设置为从两对GaN HEMT器件到两对MOSFET器件的电气连接，使得这些连接的长度对于每对GaN HEMT器件和MOSFET器件是相等的。因此，从第一对GaN HEMT器件到第一对MOSFET器件的连接距离可以等于从第二对GaN HEMT器件到第二对MOSFET器件的连接距离。这同样可以适用于第一对GaN HEMT器件到第二对MOSFET器件以及第二对GaN HEMT器件到第一对MOSFET器件的情况。

在一个实施例中，GaN HEMT器件对中的任一对中的两个GaN HEMT器件可以串联布置。这同样可以适用于第二电路板中的MOSFET器件对中的MOSFET器件的情况。可以从分别串联布置的GaNHEMT器件对的每一端到分别串联布置的MOSFET器件对的每一端来设置电路板之间的板间电气连接。在这种实施例中，两个电路板之间可以有至少四个板间电气连接。在一个实施例中，所有这四个板间电气连接从GaN HEMT器件对的端部到对应的MOSFET器件对的端部都可以是等距的。

在一个实施例中，每一对中的GaN HEMT器件都可以是单片集成的。单片集成两个GaN HEMT器件的半桥的优点可能是可以高效地降低寄生电感和寄生电容。半桥是电力电子器件中常见的晶体管配置。因此，可能优选的是将两个GaN HEMT器件单片集成为半桥，以应用于多种电力电子器件应用中。

在一个实施例中，第一电路板包括被配置用于GaN HEMT器件的一个或多个去耦电容器。去耦电容器可以与两对GaN HEMT器件并联连接。在一个实施例中，去耦电容器可以与两对GaN HEMT器件中的每一对对称地并联布置。去耦电容器的电容可以是10pF至50pF。当第二对GaN HEMT器件中的次级侧GaN HEMT器件开关时，其可能会导致DC+电压不稳定，这是不利的。去耦电容器可以稳定DC+电压，因此使得能够使用更薄的电气连接，并确保GaNHEMT器件在由驱动器开关时其间的均流适当。厚的电气连接可能不实用，同时成本更高。

在一个实施例中，第一驱动器可以被配置为驱动GaN HEMT器件，其中，第一驱动器可以具有多个引脚，并且每个GaN HEMT器件与所述多个引脚中的一个引脚直接电气连接。驱动器可以是单通道电隔离栅极驱动器IC，比如Infineon 1EDF5673F。在一个进一步实施例中，每个GaN HEMT器件直接布置在多个引脚中的一个引脚上。通过将每个GaN HEMT器件直接布置在第一驱动器的引脚中的一个引脚上，可以通过最小化由于GaN HEMT器件的非同步操作而导致的故障风险来进一步提高功率转换器装置的可靠性。

在一个实施例中，MOSFET器件可以等距电连接到第二驱动器。因此，如以上关于第一电路板所描述的，第二电路板的MOSFET器件可以布置为与第二驱动器的距离相等，原因与GaN HEMT器件相同。

在一个实施例中，功率转换器装置可以进一步包括电连接在每个GaN HEMT器件对中的两个GaN HEMT器件之间的电感器。该电感器可以被配置为直接向GaN HEMT器件对中的两者供电。电感器可以布置在AC电源与第一电路板之间。

在一个实施例中，电感器可以等距电连接到GaN HEMT器件对。由此，电感器可以布置为与两对GaN HEMT器件中的每一对的连接距离相等。由此，可以确保供应给两对GaNHEMT器件的功率尽可能相等，以防止GaN HEMT器件的操作出现可能导致故障的任何差异。

根据本发明的第二方面，提供了一种系统，该系统包括两个根据以上实施例中任一实施例所述的功率转换器装置，其中，这两个功率转换器装置并联电连接。进一步，两个功率转换器装置的第一驱动器和第二驱动器中的每一个都可以被配置为同步到同一数字时钟。在一个实施例中，该系统可以包括连接到每个驱动器的数字时钟。

在一个实施例中，该系统可以包括三个或六个根据以上实施例中任一实施例所述的功率转换器装置。这些功率转换器装置可以被布置和配置用于三相主电源的三个相。

根据本发明的第三方面，提供了根据以上实施例中任一实施例所述的功率转换器装置或系统用于对电动车辆进行充电的用途。本发明的功率转换器或系统的可靠性和功能可以适合于对电动车辆进行充电。与已知充电器相比，这种充电器的性能可能会因快速操作的GaN HEMT器件的可靠操作而得到提高。

附图说明

在下文中将参考附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了功率转换器装置的电路框图。

图2示出了功率转换器装置的立体图。

图3示出了功率转换器装置的两个电路板的示意性俯视图。

图4示出了功率转换器装置的两个电路板的示意性俯视图。

图5示出了系统的电路框图。

图6示出了用于三相功率转换的系统的电路框图。

具体实施方式

在下文中将参考附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以被实施为许多不同的形式并且不应被解释为限于在此提出的这些实施方案；而是，提供了这些实施例而使得本披露内容将是全面且完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在附图中，相同的附图标记指代相同的元件。

图1展示了包括第一电路板100和第二电路板200的功率转换器装置1的框图。功率转换器装置1连接到AC电源10。第一电路板100连接到电源10的线电压输出端L，并且第二电路板200连接到电源10的中性线输出端N。

第一电路板100包括第一驱动器102、GaN HEMT器件101的第一对103和GaN HEMT器件101的第二对104。第一对103和第二对104并联连接。每个对103、104包括两个GaN HEMT器件101。每个对103、104中的两个GaN HEMT器件101串联连接。每个GaN HEMT器件101对103、104经由电感器105耦接到电源10的线电压输出端L。电感器105连接到串联连接的两个GaNHEMT器件101之间的GaN HEMT器件101对103、104。

每个GaNHEMT器件101都连接到第一驱动器102。每个GaNHEMT器件101的栅极端子都连接到第一驱动器102。四个GaN HEMT器件101等距连接到第一驱动器102。在每个GaNHEMT器件101对103、104内，两个GaN HEMT器件中的一个器件的源极端子连接到这两个GaNHEMT器件中的另一个器件的漏极端子。来自每个对103、104的输出端子由此是一个源极端子、一个漏极端子和两个栅极端子。

第一驱动器102被配置为驱动GaN HEMT器件101，并且GaN HEMT器件101电连接到第一驱动器102的引脚。在优选实施例中，将GaNHEMT器件101等距连接到第一驱动器，使得GaN HEMT 101直接布置在第一驱动器的引脚上或者基本上与第一驱动器102的引脚抵接。这是有利的，因为GaN HEMT器件101靠近第一驱动器102的接近度相等确保了GaN HEMT器件101的均流相等。

第二电路板200包括第二驱动器202、MOSFET器件201的第一对203和MOSFET器件201的第二对204。第一对203和第二对204并联连接。每个对203、204包括两个MOSFET器件201。每个对203、204中的两个MOSFET器件201串联连接。每个MOSFET器件201对203、204耦接到电源10的中性线输出端N。

每个MOSFET器件201都连接到第二驱动器202。每个MOSFET器件201的栅极端子都连接到第二驱动器202。四个MOSFET器件201等距连接到第二驱动器202。在每个MOSFET器件201对203、204内，两个MOSFET器件中的一个器件的源极端子连接到这两个MOSFET器件中的另一个器件的漏极端子。来自每个对203、204的输出端子由此是一个源极端子、一个漏极端子和两个栅极端子。

GaN HEMT器件101布置成对103、104，即在来自电源10的线电压上并联，并且慢开关(硅)MOSFET器件201布置在来自电源10的中性线上。优选的是，GaN HEMT器件101的源极和漏极在第一电路板100与第二电路板200之间布置有交替的DC+连接和DC-连接，以将其电连接到第二电路板200上的MOSFET器件201的源极或漏极。

这是由第一电路板100与第二电路板200之间的板间电气连接20提供的。两个GaNHEMT器件101对103、104的源极端子输出端都经由两个电路板100、200之间的板间电气连接20电连接到第二电路板200上的两个MOSFET器件201对203、204的源极端子输出端。类似地，两个GaNHEMT器件101对103、104的漏极端子输出端经由两个电路板100、200之间的板间电气连接20电连接到第二电路板200上的两个MOSFET器件201对203、204的漏极端子输出端。

与第一电路板100上的两个GaN HEMT器件101对103、104并联布置的是去耦电容器106。与第二电路板200上的两个MOSFET器件101对203、204并联布置的是去耦电容器206。

图2示意性地展示了第一电路板100布置在第二电路板200上方的情况，其中四个板间电气连接20还被设置为两个电路板100、200之间的机械连接。第一电路板100在第一平面X1-Y1上延伸。第二电路板200在第二平面X2-Y2上延伸。板间电气连接20至少部分地在第一平面X1-Y1与第二平面X2-Y2之间的Z方向上延伸。Z方向垂直于这两个平面X1-Y1、X2-Y2。通过这种布置，可以实现两个电路板100、200之间在部件之间的电气连接方面的对称。

图3展示了根据本发明实施例的第一电路板100和第二电路板200的布局示例。在第一电路板100上，GaN HEMT器件101在每个GaN HEMT器件101的栅极端子与第一驱动器102的引脚之间布置有第一内部第一板电气连接111。这四个第一内部第一板电气连接111是等距的。因此，它们在四个GaN HEMT器件101的栅极端子与第一驱动器102之间提供了相等的距离。进一步，每个GaN HEMT器件101具有与两个电路板100、200之间的板间电气连接20的第二内部第一板电气连接112。每个GaN HEMT器件101与板间电气连接20之间的第二内部第一板电气连接112是等距的。因此，第二内部第一板电气连接112为所有GaN HEMT器件101到电路板100、200之间的板间电气连接20提供了相等的距离。

在第二电路板200上，MOSFET器件201在每个MOSFET器件201的栅极端子与第二驱动器202的引脚之间布置有第一内部第二板电气连接211。这四个第一内部第二板电气连接211是等距的。因此，它们在四个MOSFET器件101的栅极端子与第二驱动器202之间提供了相等的距离。进一步，每个MOSFET器件201具有与两个电路板100、200之间的板间电气连接20的第二内部第二板电气连接212。每个MOSFET器件201与板间电气连接20之间的第二内部第二板电气连接212是等距的。因此，第二内部第二板电气连接212为所有MOSFET器件201到电路板100、200之间的板间电气连接20提供了相等的距离。

图4展示了根据本发明实施例的第一电路板100和第二电路板200的另一布局示例。在第一电路板100中，GaN HEMT器件101直接布置在第一驱动器102的引脚上。由此有效使得GaN HEMT器件101与第一驱动器102之间的第一内部第一板电气连接是等距的并同时被缩短以进一步提高部件之间的连接稳定性。进一步，每个对103、104中的两个GaNHEMT器件101一体形成。它们可以是单片集成的。一个对103、104中的两个GaN HEMT器件101由此直接在第一驱动器102的相应引脚上彼此一体形成。每个GaN HEMT器件101与电路板100、200之间的板间电气连接20之间的第二内部第一板电气连接112保持等距。

在第二电路板200中，MOSFET器件201直接布置在第二驱动器202的引脚上。由此有效使得MOSFET器件201与第二驱动器202之间的第一内部第二板电气连接是等距的并同时被缩短以进一步提高部件之间的连接稳定性。进一步，每个对203、204中的两个MOSFET器件201一体形成。它们可以是单片集成的。一个对203、204中的两个MOSFET器件201由此直接在第二驱动器202的相应引脚上彼此一体形成。每个MOSFET器件201与电路板100、200之间的板间电气连接20之间的第二内部第二板电气连接212保持等距。

图5展示了根据本发明实施例的系统2，其中，该系统包括并联连接的两个功率转换器装置1a、1b。系统2包括提供线电压输出L和中性线输出N的电源10。线电压输出L被分别供应给功率转换器装置1a中的第一电路板100a和功率转换器装置1b中的第一电路板100b。中性线输出N被分别供应给功率转换器装置1a中的第二电路板200a和功率转换器装置1b中的第二电路板200b。

系统2的每个功率转换器装置1a-b可以布置为其第一电路板100a-b中的GaN HEMT器件101位于其第二电路板200a-b中的MOSFET器件201上方或下方，并且每个GaN HEMT器件101与相应的第一驱动器102之间的电气连接是等距的。

图6展示了根据本发明实施例的系统3，其中，系统3被设置为包括六个功率转换器装置1a-f的三相AC-DC转换器。系统3具有提供三相AC输入的电源12。第一相被供应给并联布置的两个功率转换器装置1a、1b。第二相被供应给并联布置的两个功率转换器装置1c、1d。第三相被供应给并联布置的两个功率转换器装置1e、1f。该系统可以用作充电站的高功率快速充电器的AC-DC转换器或电动车辆的车载充电器。

系统3的每个功率转换器装置1a-f可以布置为其第一电路板100中的GaN HEMT器件101位于其第二电路板200中的MOSFET器件201上方或下方并且每个GaN HEMT器件101与相应的第一驱动器102之间的电气连接是等距的。

在附图和说明书中，已经披露了本发明的优选实施例和示例，并且尽管采用了特定术语，但这些术语仅以一般性和描述性意义使用而不是用于限制的目的，在所附权利要求中阐述了本发明的范围。