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)日益增長的高功率密度需求。在現(xiàn)有技術(shù)中，通常通過鍵合線并聯(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)動回路延伸至模塊外部以實現(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關(guān)速度，其對寄生電感的敏感度呈指數(shù)級上升。當(dāng)寄生電感與高頻開關(guān)動作耦合時，將引發(fā)嚴(yán)重的開關(guān)振蕩、電壓過沖、開關(guān)損耗增加、并聯(lián)芯片間電流分配不均及柵極串?dāng)_等連鎖問題，這些現(xiàn)象不僅會加速器件老化、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)勢的充分發(fā)揮，成為阻礙其在大功率應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)?；茝V的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

此前，NE時代就有寫過氮化鎵加速上車的文章，并簡單探討了一下主驅(qū)氮化鎵和電源氮化鎵的應(yīng)用趨勢。本期內(nèi)容就聯(lián)合電子的【集成驅(qū)動電路的多芯片并聯(lián)氮化鎵功率模塊】這項專利，一起來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，其核心目標(biāo)是在提升模塊電流等級（增大功率處理能力）的同時，能有效抑制因高速開關(guān)和寄生電感引起的各種開關(guān)問題如振蕩、過沖、損耗、不均流、串?dāng)_，從而充分發(fā)揮GaN器件的性能優(yōu)勢。

具體來說，該模塊采用的是一個單相半橋結(jié)構(gòu)，由上下兩個開關(guān)單元組成，每個開關(guān)單元中都并聯(lián)了多個氮化鎵功率芯片，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，每個氮化鎵芯片還單獨引出了柵極和源極，分別與獨立的開關(guān)驅(qū)動單元連接，這樣可以對每個芯片進(jìn)行精確控制。驅(qū)動單元包括驅(qū)動芯片和驅(qū)動電阻，其功能是將外部輸入的PWM（脈寬調(diào)制）信號轉(zhuǎn)化為適合驅(qū)動氮化鎵芯片工作的電壓信號，并通過供電端（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。

為了抑制高頻開關(guān)過程中可能產(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，起到吸收開關(guān)過沖的作用；同時，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、減少開關(guān)噪聲。

此外，驅(qū)動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關(guān)時因米勒效應(yīng)引起的串?dāng)_問題。米勒效應(yīng)是指在開關(guān)瞬間，芯片內(nèi)部寄生電容會引起柵極電壓波動，可能導(dǎo)致誤觸發(fā)或震蕩。有源米勒鉗位電路通過一個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，柵極接入一個專門的鉗位控制信號。當(dāng)檢測到可能發(fā)生電壓擾動時，控制信號讓晶體管導(dǎo)通，將柵極電壓主動拉低，防止異常導(dǎo)通，從而有效抑制開關(guān)過程中的串?dāng)_和不穩(wěn)定現(xiàn)象。

整體來看，這項設(shè)計通過多芯片并聯(lián)提高電流承載能力，通過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)動電路和有源鉗位技術(shù)，實現(xiàn)了氮化鎵功率模塊在高頻、高功率場景下的高性能運行，特別適用于高頻高效能的電源系統(tǒng)場景。

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