具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

与硅器件相比，由于开关速度更快，氮化镓器件对寄生电感很敏感,因此，氮化镓器件的PCB布局非常紧凑，以尽量减少PCB铜痕迹中的寄生电感器，从而影响氮化镓器件的稳定运行。

PCB铜迹的寄生电感分为功率回路寄生电感及栅环寄生电感，以半桥为例，寄生电感的分布如图1所示。

当氮化镓器件接通或关闭时，电源回路电感会导致氮化镓器件上的漏极电压振荡，功率回路电感越大，则振荡就越严重。栅极回路电感会导致一个较高的栅源电压峰值，严重影响氮化镓器件的使用寿命。EPC公司氮化镓器件的最大门源电压仅为6V，但正常运行时的门源电压为5V。只有1V的边缘，并且最小化栅极回路电感对氮化镓器件至关重要。紧凑的布局可以有效地减少PCB铜线的电源回路和门极回路电感。因此，通过主动集成设计基于砷化镓的电源模块，电源模块由半桥接驱动、氮化镓器件及解耦电容组成。

电源模块可以最小化电源回路及门环的寄生电感，以四相极转换器为例，四相交错极转换器示意图如图2所示。

本发明提出了一种基于砷化镓的集成功率模块，其中，包括有源及无源，电源模块的主动集成如图3所示。

氮化镓器件、驱动电路及解耦电容可以集成到PCB板1中。因此，在基于氮化镓的集成功率模块中，可以将包括功率回路及栅环电感的寄生电感最小化。功率回路电感取决于环面积，回路面积越大，功率回路寄生电感就越大。电源回路的PCB布局具有水平及垂直结构。由于电流主要集中在相邻的上下表面，高频电流流动的有效面积，比侧向结构大很多，因此验证了垂直结构，以最小化功率回路寄生电感。电源模块中的电源回路由一个顶部开关、一个底部开关及一个半桥式电路中的解耦电容组成。电源回路采用垂直布局，如图4所示。每个半桥电路的电流从顶层的正母线解耦电容器开始，然后流过左边的上下开关，然后通过孔流入底层。最后，电流流向右侧的负母线解耦电容，每半桥电路的“软件”注释部分开槽，以便绕组3可以固定在电源模块上。

栅回路寄生电感取决于回路面积和驱动器和氮化镓电源装置之间的距离。因此，可以减少该距离，以最小化门环的寄生电感。同时，必须将从驱动电路到氮化镓器件的栅极和原路径形成的区域最小化，以减少栅极环的寄生电感。图5为一个半桥式驱动器电路可用于基于砷化镓的电源模块，并且栅极环已用白色虚线标记。

本发明提供了一种新的三维磁芯结构，如图6所示，其中，四相极极转换器中的四相电感通过逆耦合技术将其集成于集成磁芯器件中。此外，集成磁芯器件采用具有高导热性的合金材料来为功率模块散热，因此，多功能集成磁性器件可以作为四相电感器和散热器。所述多功能三维集成磁芯器件被称为冷却系统电感。

从图6中可以看出，四相电感器的绕组3围绕着磁性分量中各自的磁芯4缠绕。

基于以上分布，本发明基于三维集成氮化镓的电源模块的示意图如图7所示，其中，多功能三维集成磁芯器件连接于电源模块的底层，绕组3采用铜箔实现，绕组3通过电源模块上的相应插槽焊接。

具体的，本发明所述的基于功能复用磁件的氮化镓集成功率模块包括氮化镓器件、驱动电路、解耦电容及多功能三维集成磁芯器件，其中，氮化镓器件、驱动电路及解耦电容集成于PCB板1上，多功能三维集成磁芯器件包括散热板2，散热板2上设置有四个通孔，其中，各通孔内均设置有磁芯4，其中，各磁芯4上均设置有绕组3，其中，绕组3为铜箔，PCB板1上设置有用于连接绕组3的插槽。PCB板1的底部与散热板2的上表面相接触，散热板2的材质为合金材料。

实施例一

采用合金和铁氧体材料制造多功能三维集成磁芯器件，如图8所示。四相POL转换器的开关频率为1MHz，因此，铁氧体材料选择山东泰电子科技公司的DTT-F4，合金材料选择POCO公司NPX。铁氧体材料的导热系数为3Wm^-1K^-1，合金材料的导热系数为20Wm^-1K^-1。另外，由于高饱和密度及低渗透率，合金磁性成分不需要打开额外的气隙，而铁氧体需要打开气隙以避免磁性饱和。对于低压、大电流POL转换器，打开气隙引起的边缘效应非常严重，导致损失较大。因此，合金材料的损失低于铁氧体材料。基于90W、12V转1.8V、氮化镓的实验样机如图9a至图9d所示，具体参数如表1所示。图9a为基于氮化镓的电源模块，电源模块由四个半桥接电路、驱动电路及解耦电容组成。基于氮化镓的功率模块的功率密度为540W/inch³。应注意，无需使用任何控制电路、驱动电源电路或辅助电源电路即可计算功率密度。图9b表示使用铁氧体材料的磁芯4器件固定在电源模块的底部，很明显，磁性部件需要打开气隙，以避免磁性饱和；图9c表示使用合金材料的磁性部件固定在动力模块的底部，与铁氧体材料相比，磁芯4器件不需要打开气隙。图9d表示整个实验样机由电源模块及主板组成，主板包含输出电容及输入总线电容。

表1

图10表示磁性元件采用铁氧体和合金材料时四相POL转换器的测量效率，使用铁氧体材料的测量峰值效率在输出电流达到32A时，测量效率为87.2％，输出电流达到32A时，使用合金材料的测量峰值效率为89.6％，无论轻、中或重载，使用合金材料的测量效率均高于使用铁氧体材料的测量效率。图11表示在FLIRT630S下的热性能，最高温度集中在第一相半桥电路上，图11a为铁氧体材料的热性能，该功率模块的最高温度达到104℃，一期同步整流器热点为93.2℃。图11b显示使用合金材料的热性能，该功率模块观察到的最高温度达到90.1℃，一期同步整流器的热点为81.5℃，使用合金材料的热性能比铁氧体材料低13.9℃。