1、 高高功率密度功率密度DC-DCDC-DC变换器变换器封装与集成技术研究封装与集成技术研究 01课题背景介绍02研究现状03研究路线目录 1课题背景介绍 Flat-Panel TVLED lightingTelecomDatacenterServer课题背景介绍DC-DC变换器的应用场合变换器的应用场合:80%85%90%95%100%0%20%40%60%80%100%120%效率负载80PLUS 电源效率规范电源效率规范铜牌银牌金牌白金钛金2008200920102011201320052010202020153W/in2000515010050硬开关50KHz5W/in3LLC谐振变换器
2、100KHz34W/in3软开关1MHz121W/in37 X sizereduction4 X sizereduction前端变换器功率密度趋势效率效率功率密度功率密度提高开关频率是提高功率密度的关键。谐振变换器由于其天然的能够实现软开关使得它提高开关频率是提高功率密度的关键。谐振变换器由于其天然的能够实现软开关使得它能够在高频下能够在高频下(高达几高达几MHz)工作，所以本次课题的研究内容主要针对谐振变换器。工作，所以本次课题的研究内容主要针对谐振变换器。课题背景介绍新器件在新器件在DC-DC变换器的应用前景变换器的应用前景:2研究现状 p 提高提高DC-DC变换器功率密度方法一变换器功率
3、密度方法一:新器件的应用新器件的应用Si1.120.3150011.8SiC3.23.56509.7GaN3.43.315009禁带宽度(eV)击穿场强(MV/cm)电子迁移率(cm2/(V*S)相对介电常数1.120.3150011.83.23.56509.73.43.31500902004006008001000120014001600电子迁移率电子迁移率Si、SiC、GaN特性比较SiSiCGaN禁带禁带宽度宽度:决定器件决定器件的耐压和最高的耐压和最高工作温度工作温度击穿场强击穿场强:决定决定器件的耐压器件的耐压电子迁移率电子迁移率:决定器件的导电率决定器件的导电率相对介电常数相对介电
4、常数:决定器件结电容大小决定器件结电容大小Si Si、GaNGaN功率模块比较功率模块比较与传统与传统SiSi器件相比，器件相比，GaNGaN器件可以工作器件可以工作在更高频，在实现相同电路功能前提下在更高频，在实现相同电路功能前提下有效减小电路中无源元件的大小，总体有效减小电路中无源元件的大小，总体上减小模块体积上减小模块体积研究现状 3D integrated POL module to achieve a 1kW/in3 Based LTCC technology to achieve a 700W/in3 研究现状IPM模块模块倒装芯片模块倒装芯片模块 引线键合工艺引线键合工艺，可靠性
5、，可靠性高成本高成本低低，加工简单，但引入的寄生参数较大，加工简单，但引入的寄生参数较大 三维有源功率器件集成封装三维有源功率器件集成封装工艺，工艺，将将PCB工艺引入工艺引入封装，最大限封装，最大限度度的减小了寄生引线电感的减小了寄生引线电感 广泛采用广泛采用DBC+PCB工艺，即提高了装置的集成又有利于散热工艺，即提高了装置的集成又有利于散热p 提高提高DC-DC变换器功率密度方法二变换器功率密度方法二:有源器件集成有源器件集成 3研究路线 l 研究内容一研究内容一:应用新一代半导体器件 无源器件的集成（电感、变压器的无源集成）有源功率器件的集成LLC谐振电路研究路线 研究路线 应用新一代
6、半导体器件 无源器件的集成（电感、变压器的无源集成）有源功率器件的集成LLC谐振电路l 研究内容二研究内容二:研究路线 应用新一代半导体器件 无源器件的集成（电感、变压器的无源集成）有源功率器件的集成LLC谐振电路l 研究内容三研究内容三:p 新器件的应用新器件的应用:35V Si MOSFETGaN HEMTAvoiding Avalanche CTransphorm 600V Cascode GaN HEMT Si MOSFETCapacitanceGateDrainDrainGatel 开开盖盖测试测试:研究路线 GaN HEMT35V Si MOSFETGaN PowerLow-los
7、s Switchp 新器件的应用新器件的应用:l 双脉冲测试双脉冲测试:35V Si MOSFETGaN HEMTAvoiding Avalanche C双脉冲测试双脉冲测试(Dual Pulse Test)获取IGBT在开关过程的主要参数，以评估Rgon及Rgoff的数值是否合适，评估是否需要配吸收电路等.考量IGBT在变换器中工作时的实际表现。测试测试二极管二极管的反向恢复电流是否合适，关断时的电压的反向恢复电流是否合适，关断时的电压尖峰尖峰是否合适，开是否合适，开关过程是否有不合适的震荡等。关过程是否有不合适的震荡等。实验平台实验平台研究路线 p 无源器件的集成无源器件的集成:背景介绍：
8、随着开关频率的提高（尤其是开关频率明显高于100kHz时），由于涡流效应的影响，传统变压器的绕线式绕组损耗会明显增加。此外，绕线式磁性元件会对变换器的一体化和平坦化起到阻碍的作用。平面磁性元件在本质上能够提供比传统的绕线式磁性元件更小的尺寸体积，因此有助于变换器的小型化和模块化。传统非交错绕组 交错绕组(1)交错绕组(2)不同绕组结构的绕组损耗差距明显，本课题研究目的是设计出一绕组损耗较小的不同绕组结构的绕组损耗差距明显，本课题研究目的是设计出一绕组损耗较小的交错绕组结构的高频平面变压器交错绕组结构的高频平面变压器研究路线 p 有源器件集成有源器件集成:35V Si MOSFETGaN HEM
9、TAvoiding Avalanche CGaN HEMT35V Si MOSFETGaN PowerLow-loss Switchl 改用新型封装改用新型封装:传统的传统的TO-220TO-220封装的封装的GaNGaN MOSFET MOSFET，需要背带散热器来处理耗散功率，而新型的，需要背带散热器来处理耗散功率，而新型的PQFNPQFN封装封装结构是直接表面安装在结构是直接表面安装在PCBPCB板上的，不需要额外的散热器，提高了装置的集成度，且封板上的，不需要额外的散热器，提高了装置的集成度，且封装引入的额外的寄生电感较小。装引入的额外的寄生电感较小。研究路线 驱动及保护电路单独设计的
10、模块灵活度更高，且生产加工简单，所以本课题驱动及保护电路单独设计的模块灵活度更高，且生产加工简单，所以本课题的初的初阶阶目标定为驱动保护电路单独设计且目标定为驱动保护电路单独设计且MOSFETMOSFET的封装形式改用贴片式。的封装形式改用贴片式。p 有源器件集成有源器件集成:l MOSFET驱动设计驱动设计:驱动保护电路与驱动保护电路与MOSFETMOSFET集成在一块集成在一块SiSi基上基上驱动保护电路单独设计驱动保护电路单独设计 引线键合可靠性高，工艺简单引线键合可靠性高，工艺简单 DBCDBC技术双层散热技术双层散热？功率功率MOSFETMOSFET只能采用裸片形式只能采用裸片形式？
11、加工成本太高加工成本太高？加工复杂加工复杂 回流焊工艺可靠性高回流焊工艺可靠性高 功率功率MOSFETMOSFET封装形式多样封装形式多样 加工成本低加工成本低 加工简单加工简单？需要额外大的散热器，不利于系统的集成需要额外大的散热器，不利于系统的集成？MOSFETMOSFET封装引入较大寄生电感、寄生电阻封装引入较大寄生电感、寄生电阻研究路线 p 有源器件集成有源器件集成:l 进阶目标进阶目标:当上述课题目标完成后，本课题考虑进阶的目标。有源器件的集成采用当上述课题目标完成后，本课题考虑进阶的目标。有源器件的集成采用DBC+PCBDBC+PCB技术，所有技术，所有的的MOSFETMOSFET
12、一律采用晶片一律采用晶片(裸芯片裸芯片)形式，形式，直接焊接在高导热材料如直接焊接在高导热材料如DBCDBC上，通过打键合线的方上，通过打键合线的方式和控制回路和保护回路联通，再将功率回路、驱动、保护、通信回路集成在同一个良好散式和控制回路和保护回路联通，再将功率回路、驱动、保护、通信回路集成在同一个良好散热性的功率模块中，以实现变换器的模块化和高功率密度化。热性的功率模块中，以实现变换器的模块化和高功率密度化。DBC+PCBDBC+PCB技术技术PCBPCB技术技术研究路线 p 2015年12月2016年02月,文献调研新一代半导体器件和传统Si器件电路特性，功率变换器拓扑结构及基本工作原理分析；p 2016年03月2016年06月,借助于仿真软件Ansoft设计高频平面变压器并能够正常工作 p 2016年07月2016年9月，搭建实验样机，得到预设波形；p 2016年10月2017年11月，优化运行设计与实验；p 2016年12月2017年1月，撰写结题报告，准备答辩工作进度安排
