當(dāng)前氮化鎵（GaN）功率器件普遍采用分立封裝形式，其單管電流等級(jí)受限于材料特性和封裝工藝，難以滿足大功率電力電子變換系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的高功率密度需求。在現(xiàn)有技術(shù)中，通常通過(guò)鍵合線并聯(lián)多顆氮化鎵功率芯片構(gòu)成功率模塊，并將功率端子與柵極驅(qū)動(dòng)回路延伸至模塊外部以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。

◎然而，這種封裝方案存在顯著缺陷：一方面，鍵合線并聯(lián)結(jié)構(gòu)和外置驅(qū)動(dòng)回路不可避免地引入較大的功率回路寄生電感和柵極回路寄生電感；

◎另一方面，氮化鎵器件相較于傳統(tǒng)硅基器件具有更高的開(kāi)關(guān)速度，其對(duì)寄生電感的敏感度呈指數(shù)級(jí)上升。當(dāng)寄生電感與高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作耦合時(shí)，將引發(fā)嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)振蕩、電壓過(guò)沖、開(kāi)關(guān)損耗增加、并聯(lián)芯片間電流分配不均及柵極串?dāng)_等連鎖問(wèn)題，這些現(xiàn)象不僅會(huì)加速器件老化、降低系統(tǒng)可靠性，更嚴(yán)重制約了氮化鎵器件高頻、低損耗、高功率密度等核心優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮，成為阻礙其在大功率應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)模化推廣的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

此前，NE時(shí)代就有寫過(guò)氮化鎵加速上車的文章，并簡(jiǎn)單探討了一下主驅(qū)氮化鎵和電源氮化鎵的應(yīng)用趨勢(shì)。本期內(nèi)容就聯(lián)合電子的【集成驅(qū)動(dòng)電路的多芯片并聯(lián)氮化鎵功率模塊】這項(xiàng)專利，一起來(lái)看看其具體的解決方案！

聯(lián)合電子多芯片并聯(lián)氮化鎵功率模塊

聯(lián)合電子的這項(xiàng)專利內(nèi)容提供了一種多芯片并聯(lián)氮化鎵功率模塊設(shè)計(jì)，其核心目標(biāo)是在提升模塊電流等級(jí)（增大功率處理能力）的同時(shí)，能有效抑制因高速開(kāi)關(guān)和寄生電感引起的各種開(kāi)關(guān)問(wèn)題如振蕩、過(guò)沖、損耗、不均流、串?dāng)_，從而充分發(fā)揮GaN器件的性能優(yōu)勢(shì)。

具體來(lái)說(shuō)，該模塊采用的是一個(gè)單相半橋結(jié)構(gòu)，由上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)單元組成，每個(gè)開(kāi)關(guān)單元中都并聯(lián)了多個(gè)氮化鎵功率芯片，上橋臂的芯片漏極連接在一起作為正極端子（DC+），下橋臂的芯片源極連接在一起作為負(fù)極端子（DC-），而上橋臂芯片的源極與下橋臂芯片的漏極連接點(diǎn)則引出為交流輸出端子（AC），從而構(gòu)成了標(biāo)準(zhǔn)的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的交直流電能轉(zhuǎn)換。

為了提升模塊的穩(wěn)定性和可靠性，每個(gè)氮化鎵芯片還單獨(dú)引出了柵極和源極，分別與獨(dú)立的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)單元連接，這樣可以對(duì)每個(gè)芯片進(jìn)行精確控制。驅(qū)動(dòng)單元包括驅(qū)動(dòng)芯片和驅(qū)動(dòng)電阻，其功能是將外部輸入的PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)轉(zhuǎn)化為適合驅(qū)動(dòng)氮化鎵芯片工作的電壓信號(hào)，并通過(guò)供電端（VCC）、接地端（GND）、控制端（PWM）、柵極接口（G）和源極接口（S）形成完整的驅(qū)動(dòng)回路，確保芯片快速且穩(wěn)定地導(dǎo)通或關(guān)斷。

為了抑制高頻開(kāi)關(guān)過(guò)程中可能產(chǎn)生的電壓尖峰和震蕩，模塊還配備了緩沖吸收單元：上橋臂和下橋臂各自并聯(lián)了一個(gè)由緩沖電阻和緩沖電容組成的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，一端接至各自的功率端子，另一端接到交流輸出端子，起到吸收開(kāi)關(guān)過(guò)沖的作用；同時(shí)，在正極與負(fù)極之間還設(shè)有去耦電容，用于進(jìn)一步穩(wěn)定電壓、減少開(kāi)關(guān)噪聲。

此外，驅(qū)動(dòng)單元還集成了有源米勒鉗位電路，這是為了解決氮化鎵芯片在高速開(kāi)關(guān)時(shí)因米勒效應(yīng)引起的串?dāng)_問(wèn)題。米勒效應(yīng)是指在開(kāi)關(guān)瞬間，芯片內(nèi)部寄生電容會(huì)引起柵極電壓波動(dòng)，可能導(dǎo)致誤觸發(fā)或震蕩。有源米勒鉗位電路通過(guò)一個(gè)晶體管和其柵極上的鉗位電阻構(gòu)成，晶體管的漏極連接到芯片的柵極，源極接地，柵極接入一個(gè)專門的鉗位控制信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到可能發(fā)生電壓擾動(dòng)時(shí)，控制信號(hào)讓晶體管導(dǎo)通，將柵極電壓主動(dòng)拉低，防止異常導(dǎo)通，從而有效抑制開(kāi)關(guān)過(guò)程中的串?dāng)_和不穩(wěn)定現(xiàn)象。

整體來(lái)看，這項(xiàng)設(shè)計(jì)通過(guò)多芯片并聯(lián)提高電流承載能力，通過(guò)雙面印刷電路板布局縮短連接路徑、降低寄生電感，再結(jié)合專用驅(qū)動(dòng)電路和有源鉗位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了氮化鎵功率模塊在高頻、高功率場(chǎng)景下的高性能運(yùn)行，特別適用于高頻高效能的電源系統(tǒng)場(chǎng)景。

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