[go: up one dir, main page]

CN105743361B - 功率转换器的排布版图 - Google Patents

功率转换器的排布版图 Download PDF

Info

Publication number
CN105743361B
CN105743361B CN201410768760.7A CN201410768760A CN105743361B CN 105743361 B CN105743361 B CN 105743361B CN 201410768760 A CN201410768760 A CN 201410768760A CN 105743361 B CN105743361 B CN 105743361B
Authority
CN
China
Prior art keywords
power tube
unit
tube unit
power
diode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410768760.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105743361A (zh
Inventor
卢俊诚
李锃
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Delta Electronics Inc
Original Assignee
Delta Electronics Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Delta Electronics Inc filed Critical Delta Electronics Inc
Priority to CN201410768760.7A priority Critical patent/CN105743361B/zh
Priority to TW104103129A priority patent/TWI594562B/zh
Priority to US14/962,074 priority patent/US9559606B2/en
Publication of CN105743361A publication Critical patent/CN105743361A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105743361B publication Critical patent/CN105743361B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/538—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a push-pull configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/66—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal
    • H02M7/68—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/79—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/797—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/02—Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L2224/06—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of a plurality of bonding areas
    • H01L2224/0601—Structure
    • H01L2224/0603—Bonding areas having different sizes, e.g. different heights or widths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/48137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
    • H01L2224/48139—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate with an intermediate bond, e.g. continuous wire daisy chain
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/491—Disposition
    • H01L2224/4911—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain
    • H01L2224/49111—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain the connectors connecting two common bonding areas, e.g. Litz or braid wires
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/491—Disposition
    • H01L2224/4912—Layout
    • H01L2224/4917—Crossed wires
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/19—Details of hybrid assemblies other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/191—Disposition
    • H01L2924/19101—Disposition of discrete passive components
    • H01L2924/19105—Disposition of discrete passive components in a side-by-side arrangement on a common die mounting substrate

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

一种功率转换器的排布版图，包括：第一功率管单元、第二功率管单元、第三功率管单元、第四功率管单元、第五功率管单元和第六功率管单元；电容单元；以及载板，提供所述六个功率管单元和所述电容单元之间的电性连接，其中，所述电容单元、所述第一功率管单元、所述第五功率管单元、所述第六功率管单元和所述第四功率管单元组成第一换流回路，所述电容单元、所述第二功率管单元、所述第五功率管单元和所述第三功率管单元组成第二换流回路，以及其中，所述第五功率管单元布置于所述载板的所述面的中部位置，所述第四功率管单元分别到所述第一功率管单元和所述第六功率管单元的连线与所述第二功率管单元和所述第三功率管单元之间的连线无交叠。

Description

功率转换器的排布版图
技术领域
本发明涉及一种功率转换器的排布版图(Layout)，尤其涉及开关电源领域内功率转换器排布版图。
背景技术
当今的逆变器(Inverter)通常是一种由半导体元器件(component)组成的功率转换器，主要用于把直流电力转换成交流或脉动直流电力。
基于传统全桥拓扑的逆变器在采用双极性脉冲宽度调制(PWM)调制模式时，存在比较大的开关损耗，因此效率较低；而采用单极性PWM调制时，漏电流较大，影响系统(即功率转换器)安全，所以，基于传统全桥拓扑，两种调制均无法满足逆变器产品需求。
为了解决上述问题，提出了一种六管拓扑的逆变器。
图1是已有的六管拓扑的功率转换器的示意性电路图。如图1中所示，该拓扑包括：三个并联的桥臂，其中第一桥臂仅包含滤波电容C，第二桥臂由开关管(即功率管)S3、S6和S4串联组成，开关管S3、S6和S4的两端分别反向并联有二极管D3、D6和D4，第三桥臂由开关管S1和S2串联组成，开关管S1和S2的两端分别反向并联有二极管D1和D2；开关管S5，连接于开关管S3与S6的公共端和开关管S1与S2的公共端之间，其中S5两端反向并联有二极管D5；由电感L1、滤波电容Ch和电感L2串联组成的支路，连接于开关管S4与S6的公共端和开关管S1与S2的公共端之间，其中滤波电容C连接至直流端DC的正端DC+与负端DC-之间，滤波电容Ch是高频滤波电容，连接至交流端Vac，其中，每个开关管与其反向并联的二极管合称为一个功率管单元。另外，为便于讨论，假定交流端Vac的输出电压Vout、输出电流Iout的正方向为图1中箭头所示的方向，即作为逆变器使用。
图1中所示的六管拓扑的功率转换器能够解决PWM双极性调制开关损耗过高和PWM单极性调制漏电流过大的问题，而且在某些情况下，图1中所示的拓扑也可以工作于整流(Rectifier)模式。由于图1中所示的六管拓扑的功率转换器是一种开关电路，由诸如金属氧化层半导体场效晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、二极管之类的半导体开关元器件组成，其中各开关元器件以开关方式工作在高频开关状态(尤其是如图1中所示的各个开关元器件交替工作时)，所以开关过程会将存储在换流回路寄生电感上的能量消耗在线路上，同时，回路寄生参数会增加开关过程中元器件两端的电压尖峰，降低系统的可靠性。也就是说，在逆变器或功率转换器中，较大的回路寄生电感往往导致其开关电路电特性不理想，所以需要优化逆变器或功率转换器的开关电路中各个元器件的排布版图。
另外，随着人们对电子产品的轻薄、小体积等性能的追求，逆变器或功率转换器的开关电路的开关频率程增加趋势，而且随着半导体元器件的进步，出现了一些诸如碳化硅、氮化镓元器件之类的新型的半导体元器件，这些新型半导体元器件具有更高的工作频率，更低的导通损耗，因此，未来逆变器或功率转换器产品需要更小的回路寄生电感。
发明内容
本发明是考虑到上述问题而做出的。
本发明的一个目的是提供一种功率转换器的排布版图，所述功率转换器包括：六个功率管单元，包括：第一功率管单元、第二功率管单元、第三功率管单元、第四功率管单元、第五功率管单元和第六功率管单元，其中所述第一功率管单元和所述第二功率管单元串联组成第一桥臂，所述第三功率管单元、所述第六功率管单元和所述第四功率管单元依次串联组成第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂并联连接，所述第一功率管单元与所述第二功率管单元的共接点为所述第一桥臂的中点，所述第五功率管单元的一端与所述第一桥臂的中点连接，所述第五功率管单元的另一端与所述第三功率管单元和所述第六功率单元的共接点连接；电容单元，作为所述功率转换器的直流侧，所述电容单元的一端同时与所述第一功率管单元和所述第三功率管单元连接，所述电容单元的另一端同时与所述第二功率管单元和所述第四功率管单元连接；以及载板，所述载板的一面承载所述六个功率管单元和所述电容单元并提供所述六个功率管单元和所述电容单元之间的电性连接，并且所述载板的边缘设置有用于所述功率转换器电性连接到外部的引脚，其中，所述电容单元、所述第一功率管单元、所述第五功率管单元、所述第六功率管单元和所述第四功率管单元组成第一换流回路，所述电容单元、所述第二功率管单元、所述第五功率管单元和所述第三功率管单元组成第二换流回路，以及其中，所述第五功率管单元布置于所述载板的所述面的中部位置，所述第四功率管单元分别到所述第一功率管单元和所述第六功率管单元的连线与所述第二功率管单元和所述第三功率管单元之间的连线无交叠，使得所述第一换流回路和所述第二换流回路的路径都趋于或等于最短。
本发明的另一个目的是提供一种功率转换器的排布版图，所述功率转换器包括：六个功率管单元，包括：第一功率管单元、第二功率管单元、第三功率管单元、第四功率管单元、第五功率管单元和第六功率管单元，其中所述第一功率管单元和所述第二功率管单元串联组成第一桥臂，所述第三功率管单元、所述第六功率管单元和所述第四功率管单元依次串联组成第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂并联连接，所述第一功率管单元与所述第二功率管单元的共接点为所述第一桥臂的中点，所述第五功率管单元的一端与所述第一桥臂的中点连接，所述第五功率管单元的另一端与所述第三功率管单元和所述第六功率单元的共接点连接；电容单元，作为所述功率转换器的直流侧，所述电容单元的一端同时与所述第一功率管单元和所述第三功率管单元连接，所述电容单元的另一端同时与所述第二功率管单元和所述第四功率管单元连接；以及载板，所述载板的一面承载所述六个功率管单元和所述电容单元并提供所述六个功率管单元和所述电容单元之间的电性连接，并且所述载板的边缘设置有用于所述功率转换器电性连接到外部的引脚，其中，所述电容单元、所述第一功率管单元、所述第五功率管单元、所述第六功率管单元和所述第四功率管单元组成第一换流回路，所述电容单元、所述第二功率管单元、所述第五功率管单元和所述第三功率管单元组成第二换流回路，以及其中，所述第五功率管单元布置于所述载板的该面的中部位置，所述第四功率管单元分别至所述第一功率管单元和所述第六功率管单元的连线长度和与所述第二功率管单元和所述第三功率管单元之间的连线长度之总和小于等于66mm，使得所述第一换流回路和所述第二换流回路的路径都趋于或等于最短。
根据本发明的功率转换器的排布方法，能够使六管拓扑结构的功率转换器具有更小的换流回路寄生电感，从而改善功率转换器的电特性，使得功率转换器的效率及功率密度得以提升，同时还能够提高系统的可靠性。
附图说明
本发明的上述和其它目的、特征以及其它优点将从如下结合附图的详细描述中变得更加清晰易懂，其中：
图1是已有的六管拓扑的功率转换器的示意性电路图；
图2是已有的基于如图1中所示的六管拓扑的5kW的功率转换器的排布版图；
图3是如图1中所示的六管拓扑电路的模式-象限图；
图4是如图1中所示的六管拓扑电路工作于逆变模式的第一过程的示意图；
图5是如图1中所示的六管拓扑电路工作于逆变模式的第二过程的示意图；
图6是如图1中所示的六管拓扑电路工作于逆变模式的第三过程的示意图；
图7是如图1中所示的六管拓扑电路工作于逆变模式的第四过程的示意图；
图8是如图1中所示的六管拓扑电路工作于整流模式的第一过程的示意图；
图9是如图1中所示的六管拓扑电路工作于整流模式的第二过程的示意图；
图10是如图1中所示的六管拓扑电路工作于整流模式的第三过程的示意图；
图11是如图1中所示的六管拓扑电路工作于整流模式的第四过程的示意图；
图12是用于说明如图1中所示的六管拓扑电路的一个换流回路的示意图；
图13A是用于说明如图1中所示的六管拓扑电路的一个换流回路的示意图；
图13B是用于说明如图1中所示的六管拓扑电路的一个换流回路的示意图；
图13C是用于说明如图1中所示的六管拓扑电路的一个换流回路的示意图；
图13D是用于说明如图1中所示的六管拓扑电路的一个换流回路的示意图；
图14是本发明功率转换器的排布版图的一个简化实施例的示意图；
图15是基于图14所示的元器件的排布方法而对5kW功率转换器内元器件排布的版图；
图16是用于说明如图15中所示的功率转换器内元器件排布在逆变模式下进行优化的简化示意图；
图17是用于说明如图15中所示的功率转换器内元器件排布在整流模式下进行优化的简化示意图；
图18是根据本发明的功率转换器的排布版图的另一个实施例；
图19是用于说明如图18中所示的功率转换器内元器件排布在逆变模式下进行优化的简化示意图；
图20是用于说明如图18中所示的功率转换器内元器件排布在整流模式下进行优化的简化示意图；
图21所示为未经优化的功率转换器的排布图中线段Xa与线段Xb存在交叠的例子；
图22是相对于图21采用本发明功率转换器中元器件排布方法的一个功率转换器排布版图的实施例；
图23是用于说明如图22中所示的功率转换器内元器件排布在逆变模式下进行优化的简化示意图；以及
图24是根据本发明的一个实施例的的六管拓扑的逆变器的示意性电路图。
具体实施方式
下面将结合图1至图24详细描述本发明，其中，相同的附图标记表示相同或相似的设备或信号，另外，各元器件的符号不但代表所述元器件自身，还可以表示所述元器件的容量的代数符号。
为便于理解本发明，首先从已有的降低回路寄生参数的方法开始描述。
图2是已有的基于如图1中所示的六管拓扑的5kW的功率转换器的排布版图。如图2中所示，该拓扑中的滤波C具体由功率转换器中的滤波电容C1和C2并联形成，并且电容和用作开关元器件的半导体芯片集成在同一封装内，其中电容和半导体芯片焊接在载板上，在此先以载板为直接敷铜陶瓷基板(DBC)进行举例说明，并通过引线键合(Wire bonding)连接，这里的宽黑实线段代表键合引线，细实线围成的闭合图形表示敷铜。另外，在图2中所示的率转换器的排布版图内，除了如图1中所示的六管拓扑中的电容和半导体芯片之外，还集成了串联的两个电阻R1和R2，通过3根引脚(Pin)引出。
在图2中所示的功率转换器的排布版图内，元器件的排布从左往右第一行依次为开关管S4和S2，第二行依次为滤波电容C1、二极管D4、开关管S6、二极管D6和D5、开关管S5、二极管D2和滤波电容C2，第三行依次为开关管S3、二极管D3、电阻R1和R2、二极管D1和开关管S1。
在图2中所示的功率转换器的排布版图边缘，多个引脚分布于该版图的四周。从功率转换器左上角开始，依照顺时针次序，所述多个引脚依次为开关管S4的驱动引脚G4和E4、开关管S6的驱动引脚G6和E6、电感L2的两根引脚L2-1和L2-2、电感L1的两根引脚L1-1和L1-2、开关管S5的驱动引脚E5和G5、开关管S2的驱动引脚E2和G2、直流端DC的两根负端DC-引脚和两根正端DC+引脚、开关管S1的驱动引脚G1和E1，内部集成电阻R2和R1的引脚R-3、R-2和R-1、开关管S3的驱动引脚E3和G3、直流端DC的两根正端DC+引脚和两根负端DC-引脚。
虽然如图2中所示的已有的功率转换器的电特性相对于分立元器件有较大程度的提高，但是在高频工作条件下仍有明显的储存与寄生电感能量损耗以及元器件两端过高的电压尖峰。
本发明将进一步优化图2的封装设计，即排布版图，通过改变功率转换器中各元器件的排布位置，以优化该功率转换器中存在的换流回路的寄生电感，达到减小寄生电感造成的损耗及电压尖峰的目的。
为便于理解本发明，下面将接着描述六管拓扑电路的工作过程。
图3是如图1中所示的功率转换器的模式-象限图。如图3中所示，当如图1中所示的交流端Vac的输出电压Vout、输出电流Iout的方向均为正或均为负时，该电路工作于一、三象限，该电路为逆变模式，可作为逆变器通过交流端Vac向外部输出交流或脉动直流功率；当如图1中所示的交流端Vac的输出电压Vout、输出电流Iout的方向为一正一负或一负一正时，该电路工作于二、四象限，该电路为整流模式，可作为整流器通过交流端Vac从外部吸收交流或脉动直流功率，或称为输出无功功率。
当如图1中所示的功率转换器工作于一种逆变模式时，例如当该电路工作于第一象限时，开关管S5的驱动信号恒为高电平，开关管S2、S3和S6的驱动信号恒为低电平，一个开关周期包括以下四个过程：
图4是如图1中所示的功率转换器工作于逆变模式(或降压模式)的第一过程，即时间t0至t1的示意图。开关管S1和S4的驱动为高电平，开关管S1和S4导通，这里如黑粗实线所示，电流经过直流端DC的正端DC+、开关管S1、电感L1、负载(未示出，这里用从交流端Vac输出交流或脉动直流功率来等效)、开关管S4和直流端DC的负端DC-。
图5是如图1中所示的功率转换器工作于逆变模式的第二过程，即时间t1至t2的示意图。开关管S1和S4的驱动由高电平变为低电平，开关管S1和S4开始截止，这里如黑粗实线所示，流经开关管S1和S4的电流转换到二极管D6和开关管S5。在此过程中，开关管S1和S4支路的电流急剧减小，同时二极管D6和开关管S5支路的电流急剧增加，这相当于存在一个高频电流，依次流过直流端DC的正端DC+、开关管S1和S5、二极管D6、开关管S4和直流端DC的负端DC-。此过程是开关管S1和S4从导通向截止转变的一个瞬态过程，该过程的时间可以短至微秒级别甚至纳秒级别。
图6是如图1中所示的功率转换器工作于逆变模式的第三过程，即时间t2至t3的示意图。开关管S1和S4的驱动为低电平，处于截止状态，二极管D6和开关管S5导通，处于导通状态，这里如黑粗实线所示，电流经过二极管D6、开关管S5、电感L1、负载和电感L2。
图7是如图1中所示的功率转换器工作于逆变模式的第四过程，即时间t3至t4的示意图。开关管S1和S4的驱动由低电平变为高电平，开关管S1和S4开始导通，这里如黑粗实线所示，电流流经二极管D6和开关管S5的状态逐渐被电流流经开关管S1和S4的状态替代。在此过程中，二极管D6和开关管S5支路的电流急剧减小，同时开关管S1和S4支路的电流急剧增加，这同样相当于存在一个高频电流，依次流过直流端DC的正端DC+、开关管S1和S5、二极管D6、开关管S4和直流端DC的负端DC-。此过程是开关管S1和S4从截止向导通转变的一个瞬态过程，该过程的时间可以短至微秒级别甚至纳秒级别。
另外，当如图1中所示的功率转换器工作于一种整流模式时，例如当该电路工作于第二象限时，开关管S1、S2、S3、S4和S5的驱动信号恒为低电平，一个开关周期包括以下四个过程：
图8是如图1中所示的功率转换器工作于整流模式(或升压模式)的第一过程，即时间t’0至t’1的示意图。开关管S6的驱动为低电平，二极管D1和D4导通，这里如黑粗实线所示，电流经过交流端Vac、电感L1、二极管D1、负载(未示出，这里用从直流端DC输出直流或脉动直流功率来等效)、二极管D4和电感L2。
图9是如图1中所示的功率转换器工作于整流模式的第二过程，即时间t’1至t’2的示意图。开关管S6的驱动由低电平变为高电平，开关管S6开始导通，这里如黑粗实线所示，电流流经二极管D1和D4的状态逐渐被电流流经二极管D5和开关管S6的状态替代。在此过程中，二极管D1和D4支路的电流急剧减小，同时二极管D5和开关管S6支路的电流急剧增加，这相当于存在一个高频电流，依次流过直流端DC的正端DC+、二极管D1和D5、开关管S6、二极管D4和直流端DC的负端DC-。此过程是二极管D5和开关管S6从截止向导通转变的一个瞬态过程，该过程的时间可以短至微秒级别甚至纳秒级别。
图10是如图1中所示的功率转换器工作于整流模式的第三过程，即时间t’2至t’3的示意图。开关管S6的驱动为高电平，二极管D5和开关管S6导通，处于导通状态，这里如黑粗实线所示，电流经过交流端Vac、电感L1、二极管D5、开关管S6和电感L2。
图11是如图1中所示的功率转换器工作于整流模式的第四过程，即时间t’3至t’4的示意图。开关管S6的驱动由高电平变为低电平，开关管S6开始截止，这里如黑粗实线所示，电流流经二极管D5和开关管S6的状态逐渐被电流流经二极管D1和D4的状态替代。在此过程中，二极管D5和开关管S6支路的电流急剧减小，同时二极管D1和D4支路的电流急剧增大，这相当于存在一个高频电流，依次流过直流端DC的正端DC+、二极管D1和D5、开关管S6、二极管D4和直流端DC的负端DC-。此过程是二极管D5和开关管S6从导通向截止转变的一个瞬态过程，该过程的时间可以短至微秒级别甚至纳秒级别。
在上述功率转换器的工作过程中，由于功率转换器中各开关元器件存在开关状态，电流会在各个不同支路之间切换，所以从高频电流等效的观点来看，就会形成不同的换流回路。这里，图12是用于说明如图1中所示的功率转换器中存在的一个换流回路的示意图。如图12中所示，以图5中所示的第二过程为例，由于开关管S1和S4支路的电流急剧减小，同时开关管S5和D6支路的电流急剧增加，并且由于滤波电容C跨接于直流端DC的正端DC+与负端DC-两端，能通过高频电流，所以在上述功率转换器的工作过程中，相当于存在一个高频电流，依次流过由开关管S1和S5、二极管D6、开关管S4和滤波电容C构成的闭合回路，即换流回路。
基于上述等效原理，可以得到如图1中所示的功率转换器工作于各模式下的所有换流回路。这里，图13A是用于说明如图1中所示的功率转换器的一个换流回路的示意图。如图13A中所示，当输出电压Vout<0即为负，输出电流Iout>0即为正时，换流回路依次包含二极管D2、开关管S5、二极管D3和滤波电容C。图13B是用于说明如图1中所示的功率转换器的一个换流回路的示意图。如图13B中所示，当输出电压Vout>0即为正，输出电流Iout>0即为正时，换流回路依次包含开关管S1和S5、二极管D6、开关管S4和滤波电容C。图13C是用于说明如图1中所示的功率转换器的一个换流回路的示意图。如图13C中所示，当输出电压Vout<0即为负，输出电流Iout<0即为负时，换流回路依次包含开关管S2、二极管D5、开关管S3和滤波电容C。图13D是用于说明如图1中所示的功率转换器的一个换流回路的示意图。如图13D中所示，当输出电压Vout>0即为正，输出电流Iout<0即为负时，换流回路依次包含二极管D1和D5、开关管S6、二极管D4和滤波电容C。
由于上述功率转换器中开关元器件工作于开关方式(尤其是在如上所述的各个开关元器件交替工作时)，所以开关过程会将存储在换流回路寄生电感上的能量消耗掉，同时回路寄生参数会增加开关过程中元器件两端的电压尖峰，降低系统的可靠性。
上述功率转换器在其开关元器件开关过程中损耗的存储于回路寄生电感中的振荡损耗(Ringing loss)可由公式(1)计算：
Pringing＝0.5*Lloop*I^2 (1)
其中，Lloop为换流回路寄生电感，I为元器件截止前开关管中的电流，Pringing为电路的振荡损耗。
功率转换器在其开关元器件开关过程中产生的电压应力Vspike可由公式(2)计算：
Vspike＝Lloop*di/dt (2)
其中，Lloop为换流回路寄生电感，di/dt为开关管截止过程中，换流回路中的电流变化率。
上述公式(1)和(2)说明了较大的回路寄生电感会导致功率转换器的电特性不好。提取如图2中所示的已有的功率转换器的特定回路的寄生参数，依照功率转换器实际尺寸建立引线键合与直接敷铜陶瓷基板的三维(3D)模型，省略对寄生参数影响较小的物件(如芯片、焊料、驱动引脚等)，并提取换流过程中电流变化频率的寄生参数。若功率转换器大多数时间工作于逆变模式，则逆变模式下相关特性相对于整流模式则会更受关注。在逆变模式下，对如图2中所示的已有的功率转换器的换流回路进行评估，结果是，由滤波电容C、开关管S1和S5、二极管D6和开关管S4形成的换流回路的回路寄生电感为21.6nh，由滤波电容C、开关管S2、二极管D5和开关管S3形成的换流回路的回路寄生电感为17.6nh。所以，为了提升功率转换器的效率和稳定性，需要进一步降低回路寄生电感，因此，已有的功率转换器的排布版图需要进行进一步的优化。
由于回路寄生电感会随着回路长度与面积的增加而增大，所以将构成换流回路的开关元器件以及电容相互靠近，能够降低换流回路的寄生参数。本发明基于此方法，使同一换流回路中所包含的元器件在排布版图中尽可能靠近。其中，上述滤波电容C通过并联的两个或多个电容很容易做到与开关元器件相互靠近，然而，如何使各个开关元器件相互靠近却是功率转换器的排布版图设计的难点。本发明正是要提供一种新的功率转换器排布版图设计的方法。
针对如图1中所示的六管拓扑的功率转换器，图14是本发明功率转换器的排布版图的一个简化实施例的示意图。图15是基于图14所示的元器件的排布方法而对5kW功率转换器内元器件排布的版图。图16是用于说明如图15中所示的功率转换器内元器件排布在逆变模式下进行优化的简化示意图。图17是用于说明如图15中所示的功率转换器内元器件排布在整流模式下进行优化的简化示意图。下面将结合图14至17来详细描述本发明的功率转换器排布版图的方法。
如图14中所示，将回路寄生参数作为唯一考虑因素，在图14列举的功率转换器1简化示意图中，元器件的排布从左往右第一行依次为二极管D3和开关管S1，第二行依次为二极管D2、开关管S5、二极管D6和开关管S4，第三行依次为滤波电容C1和C2，第四行依次为开关管S3、二极管D5、开关管S6和二极管D1，第五行依次为开关管S2和二极管D4。其中滤波电容C1和C2是并联关系，其作用相当于图1中的滤波电容C；开关管S5和二极管D5布置于载板的中部位置。
当如图14中所示的功率转换器仅工作于逆变模式时，由前述的描述可知，由滤波电容C1、开关管S1和S5、二极管D6和开关管S4形成第一换流回路，由滤波电容C2、开关管S2、二极管D5和三极管S3形成第二换流回路。由于该第一换流回路和该第二换流回路为需要考虑的两条换流回路，所以开关管S1和S4和二极管D6应相互靠近，且与开关管S5尽可能靠近；开关管S2和S3应相互靠近，且与二极管D5尽可能靠近。此外，如果开关管采用IGBT，考虑到IGBT不能承受反压，则开关管S5应与其反向并联的二极管D5相互靠近。概括地讲，根据本实施例的功率转换器在用作逆变器时，功率转换器内元器件排布是让开关管S1和S4和二极管D6相互靠近，让开关管S2和S3相互靠近，且分别与开关管S5和二极管D5相互靠近。
当如图14中所示的功率转换器仅工作于整流模式时，即根据本实施例的功率转换器在用作整流器时，为了达到在此整流模式下回路寄生参数的优化，由前述的描述可知，功率转换器内元器件排布应当是让二极管D1和D4和开关管S6相互靠近，让二极管D2和D3相互靠近，且分别与开关管S5和二极管D5相互靠近。
下面，以图1中所示的功率转换器所包括的元器件为例，进一步描述本发明的功率转换器内元器件的排布方法如何达到减小换流回路寄生参数的目的。在此排布方法的实施例中，将功率转换器内全部半导体元器件除开关管S5和二极管D5外，分为以下SETA、SETB、SETC、SETD四个集合。
集合SETA包括的元器件为：开关管S2和S3。
集合SETB包括的元器件为：开关管S1和S4和二极管D6。
集合SETC包括的元器件为：二极管D2和D3。
集合SETD包括的元器件为：二极管D1和D4和开关管S6。
那么，当功率转换器仅工作于逆变模式时，应满足集合SETA内的元器件分别相互靠近，集合SETB内的元器件分别相互靠近，且集合SETA和集合SETB分别与开关管S5和二极管D5相互靠近。
为了准确描述本实施例的功率转换器内元器件排布方法，如图16中所示，分别以集合SETA和SETB中各元器件的重心为顶点依次连接形成线段Xa(即开关管S2连接开关管S3)与线段Xb(即开关管S4连接开关管S1，且开关管S4连接二极管D6)。由于每个开关管与其反向并联的二极管最为靠近，且合称为一个功率管单元，因此，上述线段Xa也可以理解为开关管S2所在的功率管单元连接开关管S3所在的功率管单元，线段Xb也可以理解为开关管S4所在的功率管单元连接开关管S1所在的功率管单元加上开关管S4所在的功率管单元连接二极管D6所在的功率管单元。
那么，当功率转换器仅工作于逆变模式时，参考图13B和图13C，则前述第一换流回路的长度等效为线段Xb的长度与开关管S5分别到开关管S1和二极管D6的距离之和，前述第二换流回路的长度等效为线段Xa的长度与二极管D5分别到开关管S2和开关管S3的距离之和。例如，对于六管拓扑结构的5kW的功率转换器，当线段Xa和Xb的长度的之和小于60mm时，则可以将这两个换流回路路径尽可能缩短，从而使得两换流回路中的平均寄生电感减小到12nH之内。
另外，还存在另一种功率转换器内元器件排布方法可以使上述两换流回路路径尽可能缩短。该方法是通过使线段Xa和Xb无交叠来排布功率转换器内元器件，用这种线段Xa和Xb无交叠的方法来排布功率转换器内的元器件会使得换流回路路径相对线段Xa和Xb有交叠时换流回路会更短一些。但是当存在一些特殊情况无法满足线段Xa和Xb无交叠的条件时，则线段Xa与Xb发生交叠时，则必然会出现：集合SETB中的元器件被线段Xa隔开或集合SETA中的元器件被线段Xb隔开的情况。相比于线段Xa与线段Xb发生交叠的情况，在线段Xa与线段Xb不发生交叠的情况下，那么在集合SETB中的元器件位于线段Xa同侧的情况下，在其余条件相同时，则可使线段Xa的长度更短；在集合SETA中的元器件位于线段Xb同侧的情况下，在其余条件相同时，则可使线段Xb的长度更短。
上面列举的两种功率转换器的排布方法的实际目的均是尽可能缩短功率转换器所存在的工作模式中的换流回路的长度。
另外，当如图14中所示的功率转换器仅工作于整流模式时，即根据本实施例的功率转换器在用作整流器时，参考图13A和图13D，应满足集合SETC内的元器件分别相互靠近，集合SETD内的元器件分别相互靠近，且集合SETC和集合SETD分别与开关管S5和二极管D5相互靠近。同时，如图17中所示，可以得到以下排布方法，即分别以集合SETC和SETD中各元器件的重心为顶点依次连接形成线段Xc(即二极管D2连接二极管D3)与线段Xd(即二极管D4连接二极管D1，且二极管D4连接开关管S6)。例如，对于六管拓扑结构的5kW的功率转换器，当线段Xc和Xd的长度的之和小于60mm时，则可以达到优化换流回路中寄生电感参数的目的。
另外，当功率转换器既需要能够在逆变模式下工作也需要能够在整流模式下工作时，则上述分别针对逆变模式和整流模式的排布方法均需要考虑和兼顾。
另外，如果开关管采用IGBT，考虑到IGBT不能承受反压，则需要保证所有IGBT与其反向并联的二极管相互靠近，例如IGBT S1与其反向并联的二极管D1应相互靠近，IGBT S2与其反向并联的二极管D2应相互靠近，其余的IGBT S3至S6也是这样。
图15是基于图14所示的元器件的排布方法而对5kW功率转换器内元器件排布的版图。如图15中所示，除了如图1中所示的六管拓扑中的电容和半导体芯片之外，还集成了串联的两个电阻R1和R2，通过3根引脚引出。这里的宽黑实线段代表键合引线，细实线围成的闭合图形代表直接敷铜陶瓷基板。在图15中所示的功率转换器内，元器件的排布从左往右第一行依次为二极管D4、开关管S6和S2，第二行依次为开关管S4、二极管D6、开关管S5、二极管D5和D2和滤波电容C1，第三行依次为滤波电容C2、开关管S1、二极管D1和开关管S3，第四行依次为电阻R1和R2和二极管D3。
在图15中所示的功率转换器边缘，多个引脚分布于该功率转换器的四周。从功率转换器左上角开始，依照顺时针次序，多个引脚依次为开关管S4的驱动引脚G4和E4、开关管S6的驱动引脚G6和E6、电感L2的两根引脚L2-1和L2-2、电感的L1的两根引脚L1-1和L1-2、开关管S5的驱动引脚E5和G5、开关管S2的驱动引脚E2和G2、直流端DC的两根负端DC-引脚和两根正端DC+引脚、开关管S3的驱动引脚G3和E3、内部集成电阻R2和R1的引脚R-3、R-2和R-1、开关管S1的驱动引脚E1和G1、直流端DC的两根正端DC+引脚和两根负端DC-引脚。
图16是用于说明如图15中所示的功率转换器内元器件排布在逆变模式下进行优化的简化示意图。结合前述针对图14中第一、第二换流回路的描述，可以理解，当该功率转换器仅工作于逆变模式时，通过连接对应元器件的重心，可以得到线段Xa和Xb，其中线段Xa和Xb的长度的之和小于60mm，或者线段Xa和Xb无交叠。
图17是用于说明如图15中所示的功率转换器内元器件排布在整流模式下进行优化的简化示意图。结合图13B和图13C及前述针对图14中第一、第二换流回路的描述，可以理解，当该功率转换器仅工作于整流模式时，通过连接对应元器件的重心，可以得到线段Xc和Xd无交叠，其中线段Xc和Xd的长度的之和小于60mm。
另外，若功率转换器在大部分时间工作于逆变模式下，在小部分时间工作于整流模式下，则上述分别针对逆变模式和整流模式的对应的元器件排布方法均需要考虑，并优先满足逆变模式下的排布要求。例如，对于5kW的功率转换器，线段Xa与Xb无交叠，对应长度之和为44.6mm；同时，线段Xc与Xd无交叠，对应长度之和为60mm。具体地，提取特定回路的寄生参数，依照功率转换器的实际尺寸建立引线键合与直接敷铜陶瓷基板的三维模型，省略对寄生参数影响较小的物件(如芯片、焊料、驱动引脚等)，提取换流过程电流变化频率的寄生参数。这样一来，所构建的功率转换器在逆变模式下的第一换流回路(由开关管S1和S5、二极管D6、开关管S4和滤波电容C2形成)的回路寄生电感为13.0nh，第二换流回路(由开关管S2、二极管D5、开关管S3和滤波电容C1形成)的回路寄生电感为10.9nh。相比现有同类产品21.6nH与17.6nH，在此例举的功率转换器内元器件排布在逆变模式下的换流回路寄生电感减少了大约40％。同时，在此例举的功率转换器内元器件排布在整流模式下的换流回路寄生参数也有很大程度的改善。
为了更好地描述本发明，下面进一步提供了本发明的其它实施例。
图18是根据本发明的功率转换器的排布版图的另一个实施例。如图18中所示，图18是另一种封装形式的六管拓扑结构的功率转换器的排布版图，可用于制作3kW的功率转换器产品。这里的宽黑实线段代表键合引线，细实线围成的闭合图形代表直接敷铜陶瓷基板。在图18中所示的功率转换器2内，元器件的排布从左往右第一行依次为开关管S2、二极管D2、开关管S5、二极管D5和D6、开关管S6和电阻R1和R2，第二行依次为滤波电容C2、开关管S3、二极管D3和D1、开关管S1、滤波电容C1、开关管S4和二极管D4。
在图18中所示的功率转换器边缘，多个引脚分布于该功率转换器的两侧(即上下)。第一侧(即上侧)从左往右依次为开关管S2的驱动引脚G2和E2、开关管S5的驱动引脚G5和E5、电感L2的引脚L2-1、电感L1的引脚L1-1、开关管S6的驱动引脚G6和E6、内部集成电阻R1和R2的引脚R-1、R-2和R-3。第二侧(即下侧)从左往右依次为开关管S3的驱动引脚G3和E3、直流端DC的负端DC-引脚、正端DC+引脚和负端DC-引脚、开关管S1的驱动引脚G1和E1和开关管S4的驱动引脚G4和E4。
图19是用于说明如图18中所示的功率转换器内元器件排布在逆变模式下进行优化的简化示意图。结合前述针对第一、第二换流回路的描述，可以理解，当该功率转换器仅工作于逆变模式时，通过连接对应元器件的重心，可以得到线段Xa和Xb，其中线段Xa和线段Xb无交叠，在此实施例中线段Xa和线段Xb长度的之和小于60mm。
另外，图20是用于说明如图18中所示的功率转换器内元器件排布在整流模式下进行优化的简化示意图。结合前述针对第一、第二换流回路的描述，可以理解，当该功率转换器仅工作于整流模式时，通过连接对应元器件的重心，可以得到线段Xc和Xd，其中线段Xc和线段Xd无交叠，在此实施例中线段Xc和线段Xd长度的之和小于60mm。
另外，若功率转换器在大部分时间工作于逆变模式下，在小部分时间工作于整流模式下，则上述分别针对逆变模式和整流模式的两个排布方法均需要考虑，并优先满足逆变模式下对应的元器件排布方法。例如，对于3kW的功率转换器，线段Xa与线段Xb无交叠，线段Xa和线段Xb的长度之和为33.29mm；同时，线段Xc与线段Xd无交叠，线段Xc和线段Xd的长度之和为46.48mm。提取特定回路的寄生参数，依照功率转换器的实际尺寸建立引线键合与直接敷铜陶瓷基板的三维模型，省略对寄生参数影响较小的物件(如芯片、焊料、驱动引脚等)，提取换流过程电流变化频率的寄生参数。这样一来，所构建的功率转换器在逆变模式下的第一换流回路(由开关管S1和S5、二极管D6、开关管S4和滤波电容C2形成)的回路寄生电感为11.4nh，第二换流回路(由开关管S2、二极管D5、开关管S3和滤波电容C1形成)的回路寄生电感为9.4nh。相比现有同类产品21.6nH与17.6nH，该实施例中功率转换器内元器件排布在逆变模式下的换流回路寄生电感减少了大约50％。同时，该实施例中功率转换器内元器件排布在整流模式下的换流回路寄生参数也有很大程度的改善。
如前所述，在实际进行功率转换器内元器件排布时，可能并非只涉及到换流回路中寄生参数的因素，当考虑到其它元器件排布因素时，可能并不能满足线段Xa与Xb无交叠的条件，那么此时只需要尽量减小线段Xa和Xb的长度的之和也可以达到一定程度优化的换流回路中寄生参数的目的。
图21所示为未经优化的功率转换器的排布图中线段Xa与线段Xb存在交叠的例子。如图21中所示，开关管S2与S3之间的距离，即前述的线段Xa的长度是37.86mm；开关管S4与S1之间的距离是37.45mm，开关管S4与二极管D6之间的距离大约是(37.45-23.26)mm，即14.19mm，二者之和，即前述的线段Xb的长度是(37.45+14.19)mm，即51.64mm。这样，线段Xa加上线段Xb的长度为(37.86+51.64)mm，即89.5mm。这样，在根据图21的排布版图制作的功率转换器中，前述的第一和第二换流回路将会比较长，因此将存在较大的回路寄生电感，从而会导致其开关电路电特性不理想。
针对图21的情况，图22是相对于图21采用本发明功率转换器中元器件排布方法的一个功率转换器排布版图的实施例。如图22中所示的功率转换器的元器件的排布方法主要是以该功率转换器工作于逆变模式下的元器件的排布为例来说明的。相应地，图23是用于说明如图22中所示的功率转换器内元器件排布在逆变模式下进行优化的简化示意图，用于结合图22来理解在如前述的线段Xa与线段Xb之间存在交叠的情况下功率转换器内元器件的排布的优化方法。
由于在功率转换器中，通常各个功率开关管与其反向并联的二极管之间的距离相对更为接近，因此可作为一个整体来定位。这样一来，如图23中所示，在图22所示的采用本发明功率转换器中元器件排布方法的功率转换器排布版图中，开关管S1和二极管D1组成第一功率管单元，开关管S2和二极管D2组成第二功率管单元，开关管S3和二极管D3组成第三功率管单元，开关管S4和二极管D4组成第四功率管单元，开关管S5和二极管D5组成第五功率管单元，开关管S6和二极管D6组成第六功率管单元，其中，第五功率管单元布置于载板的中部位置。这样，第二功率管单元和所述第三功率管单元之间的连线长度，即开关管S2与二极管D2之间连线的中点N2与开关管S3与二极管D3之间连线的中点N3之间的长度可以近似看作为前述的线段Xa；第四功率管单元分别至第一功率管单元和第六功率管单元的连线长度，即开关管S4与二极管D4之间连线的中点N4与开关管S1与二极管D1之间连线的中点N1之间的长度加上开关管S4与二极管D4之间连线的中点N4与开关管S6与二极管D6之间连线的中点N6之间的长度之和可以近似看作为前述的线段Xb。
如图23中所示，线段Xa和线段Xb由于其它特殊原因导致两线段之间无法避免的存在交叠，但是基于尽量缩短功率转换器中存在的换流回路的路径的方法，仍然可以作出如图22所示的元器件排布来尽量缩短功率转换器中换流回路路径。在此实施例中线段Xa与线段Xb的长度之和为(30.42+19.65+24.13)mm＝65.3mm(未示出)，近似为66mm，使得在线段Xa、线段Xb存在交叠的前提下，前述的第一换流回路和第二换流回路的路径尽量趋于最短，进而改善换流回路中存在的寄生参数，其具体描述可参考前述针对无交叠情况的实施例中对功率转换器的各个过程的描述，这里不再赘述。
另外，随着半导体技术的发展，新元器件层出不穷。目前已经出现允许反向流过电流的IGBT，所以，六管拓扑将来可能会发生相应的改变，IGBT的反向二极管会被省略，本发明也考虑了这种情况。例如，图24是根据本发明的一个实施例的的六管拓扑的逆变器的示意性电路图。如图24中所示，构成六管拓扑的六个IGBT并没有并联反向二极管，所以无论功率转换器是工作于逆变模式还是整流模式下，需要考虑的换流回路均为由开关管S1、S5、S6和S4形成的第一换流回路，以及由开关管S2、S5和S3形成的第二换流回路。
对于图24的情况，本发明提供的功率转换器内元器件的排布方法依然适用。具体地，将全部开关元器件除开关管S5外，分为以下SETA和SETB两个集合。
集合SETA包括的元器件为：开关管S2和S3。
集合SETB包括的元器件为：开关管S1、S4和S6。
相应地，分别以集合SETA和SETB中各元器件的重心为顶点依次连接形成线段Xa(即开关管S2连接开关管S3)和线段Xb(即开关管S4连接开关管S1，且开关管S4连接开关管S6)，则在功率转换器工作于逆变模式下和整流模式下时，要求线段Xa和Xb的长度之和分别小于60mm和66mm，或者线段Xa与Xb无交叠，以控制功率转换器中存在的换流回路路径尽可能短而得到较优的换流回路寄生参数。
进一步，随着封装技术的发展，功率转换器中芯片的排布不局限于平面结构。对于这种可能出现的新型封装，例如功率转换器中芯片排布成三维结构，本发明的功率转换器内元器件的排布方法依然适用。具体地，将全部开关元器件除开关管S5和二极管D5之外，分为以下SETA、SETB、SETC和SETD四个集合。
集合SETA包括的元器件为：开关管S2和S3。
集合SETB包括的元器件为：开关管S1和S4和二极管D6。
集合SETC包括的元器件为：二极管D2和D3。
集合SETD包括的元器件为：二极管D1和D4和开关管S6。
相应地，依次连接集合SETA、SETB、SETC和SETD中各元器件的重心的线段投影到功率转换器的基板构成如前所述的多个线段Xa、Xb、Xc和Xd，那么当功率转换器仅工作于逆变模式时，要求线段Xa和Xb长度之和小于60mm，或者线段Xa和Xb无交叠。当功率转换器工作于整流模式时，要求线段Xc和线段Xd长度之和小于66mm，或者线段Xc与Xd无交叠。相应地，当功率转换器需要既能够工作于逆变模式也能够工作于整流模式时，上述两个要求均需满足，以得到较优的回路寄生参数。
通过上述本发明的功率转换器的排布方法的实施例，能够使六管拓扑结构的功率转换器具有更小的换流回路寄生电感，从而改善功率转换器的电特性，使得功率转换器的效率及功率密度得以提升，同时还能够提高系统的可靠性。
虽然已参照典型实施例描述了本发明，但应当理解，这里所用的术语是说明性和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等同范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (22)

1.一种功率转换器的排布版图，所述功率转换器包括：
六个功率管单元，包括：第一功率管单元、第二功率管单元、第三功率管单元、第四功率管单元、第五功率管单元和第六功率管单元，其中所述第一功率管单元和所述第二功率管单元串联组成第一桥臂，所述第三功率管单元、所述第六功率管单元和所述第四功率管单元依次串联组成第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂并联连接，所述第一功率管单元与所述第二功率管单元的共接点为所述第一桥臂的中点，所述第五功率管单元的一端与所述第一桥臂的中点连接，所述第五功率管单元的另一端与所述第三功率管单元和所述第六功率单元的共接点连接；
电容单元，作为所述功率转换器的直流侧，所述电容单元的一端同时与所述第一功率管单元和所述第三功率管单元连接，所述电容单元的另一端同时与所述第二功率管单元和所述第四功率管单元连接；以及
载板，所述载板的一面承载所述六个功率管单元和所述电容单元并提供所述六个功率管单元和所述电容单元之间的电性连接，并且所述载板的边缘设置有用于所述功率转换器电性连接到外部的引脚，
其中，所述电容单元、所述第一功率管单元、所述第五功率管单元、所述第六功率管单元和所述第四功率管单元组成第一换流回路，所述电容单元、所述第二功率管单元、所述第五功率管单元和所述第三功率管单元组成第二换流回路，以及
其中，所述第五功率管单元布置于所述载板的所述面的中部位置，所述第四功率管单元分别到所述第一功率管单元和所述第六功率管单元的连线与所述第二功率管单元和所述第三功率管单元之间的连线无交叠，使得所述第一换流回路和所述第二换流回路的路径都趋于或等于最短。
2.如权利要求1所述的排布版图，其中，
所述电容单元包括第一电容和第二电容，所述第二功率管单元和所述第三功率管单元的集合与所述第一电容靠近，所述第一功率管单元和所述第四功率管单元的集合与所述第二电容靠近。
3.如权利要求1所述的排布版图，其中，
所述载板是直接敷铜陶瓷基板。
4.如权利要求1所述的排布版图，其中，
所述第一功率管单元由第一功率管和反向并联的第一二极管组成，所述第二功率管单元由第二功率管和反向并联的第二二极管组成，所述第三功率管单元由第三功率管和反向并联的第三二极管组成，所述第四功率管单元由第四功率管和反向并联的第四二极管组成，所述第五功率管单元由第五功率管和反向并联的第五二极管组成，所述第六功率管单元由第六功率管和反向并联的第六二极管组成。
5.如权利要求4所述的排布版图，其中，
所述功率转换器是逆变器，所述第二功率管和所述第三功率管作为第一集合内的元器件，所述第一功率管、所述第四功率管和所述第六二极管作为第二集合内的元器件，其中所述第一集合内的元器件两两相互靠近，所述第二集合内的元器件两两相互靠近，并且所述第一集合内的元器件和所述第二集合内的元器件分别与所述第五功率管和所述第五二极管相互靠近。
6.如权利要求5所述的排布版图，其中，
所述第二功率管和所述第三功率管的重心之间的连线与所述第四功率管的重心和所述第一功率管的重心之间的连线无交叠，并且所述第二功率管和所述第三功率管的重心之间的连线与所述第四功率管的重心和所述第六二极管的重心之间的连线无交叠。
7.如权利要求5所述的排布版图，其中，
所述功率转换器是大约3千瓦或5千瓦的逆变器，所述第二功率管和所述第三功率管的重心之间的连线具有第一长度，所述第四功率管的重心分别至所述第一功率管的重心和所述第六二极管的重心的连线长度和具有第二长度，所述第一长度和所述第二长度之和不大于60毫米。
8.如权利要求7所述的排布版图，其中，
所述第一长度和所述第二长度之和不大于44.6毫米。
9.如权利要求4所述的排布版图，其中，
所述功率转换器是整流器，所述第二二极管和所述第三二极管作为第三集合内的元器件，所述第一二极管、所述第四二极管和所述第六功率管作为第四集合内的元器件，其中所述第三集合内的元器件两两相互靠近，所述第四集合内的元器件两两相互靠近，并且所述第三集合内的元器件和所述第四集合内的元器件分别与所述第五功率管和所述第五二极管相互靠近。
10.如权利要求9所述的排布版图，其中，
所述第二二极管和所述第三二极管的重心之间的连线与所述第四二极管的重心和所述第一二极管的重心之间的连线无交叠，并且所述第二二极管和所述第三二极管的重心之间的连线与所述第四二极管的重心和所述第六功率管的重心之间的连线无交叠。
11.如权利要求9所述的排布版图，其中，
所述功率转换器是大约3千瓦或5千瓦的整流器，所述第二二极管和所述第三二极管的重心之间的连线具有第三长度，所述第四二极管的重心分别至所述第一二极管的重心和所述第六功率管的重心的连线长度和具有第四长度，所述第三长度和所述第四长度之和不大于60毫米。
12.如权利要求11所述的排布版图，其中，
所述第三长度和所述第四长度之和不大于46.48毫米。
13.如权利要求4所述的排布版图，其中，
所述第一功率管至所述第六功率管为绝缘栅双极型晶体管，所述第五功率管和反向并联的所述第五二极管相互靠近。
14.一种功率转换器的排布版图，所述功率转换器包括：
六个功率管单元，包括：第一功率管单元、第二功率管单元、第三功率管单元、第四功率管单元、第五功率管单元和第六功率管单元，其中所述第一功率管单元和所述第二功率管单元串联组成第一桥臂，所述第三功率管单元、所述第六功率管单元和所述第四功率管单元依次串联组成第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂并联连接，所述第一功率管单元与所述第二功率管单元的共接点为所述第一桥臂的中点，所述第五功率管单元的一端与所述第一桥臂的中点连接，所述第五功率管单元的另一端与所述第三功率管单元和所述第六功率单元的共接点连接；
电容单元，作为所述功率转换器的直流侧，所述电容单元的一端同时与所述第一功率管单元和所述第三功率管单元连接，所述电容单元的另一端同时与所述第二功率管单元和所述第四功率管单元连接；以及
载板，所述载板的一面承载所述六个功率管单元和所述电容单元并提供所述六个功率管单元和所述电容单元之间的电性连接，并且所述载板的边缘设置有用于所述功率转换器电性连接到外部的引脚，
其中，所述电容单元、所述第一功率管单元、所述第五功率管单元、所述第六功率管单元和所述第四功率管单元组成第一换流回路，所述电容单元、所述第二功率管单元、所述第五功率管单元和所述第三功率管单元组成第二换流回路，以及
其中，所述第五功率管单元布置于所述载板的该面的中部位置，所述第四功率管单元分别至所述第一功率管单元和所述第六功率管单元的连线长度和与所述第二功率管单元和所述第三功率管单元之间的连线长度之总和小于等于66mm，使得所述第一换流回路和所述第二换流回路的路径都趋于或等于最短。
15.如权利要求14所述的排布版图，其中，
所述电容单元包括第一电容和第二电容，所述第二功率管单元和所述第三功率管单元的集合与所述第一电容靠近，所述第一功率管单元和所述第四功率管单元的集合与所述第二电容靠近。
16.如权利要求14所述的排布版图，其中，
所述载板是直接敷铜陶瓷基板。
17.如权利要求14所述的排布版图，其中，
所述第一功率管单元由第一功率管和反向并联的第一二极管组成，所述第二功率管单元由第二功率管和反向并联的第二二极管组成，所述第三功率管单元由第三功率管和反向并联的第三二极管组成，所述第四功率管单元由第四功率管和反向并联的第四二极管组成，所述第五功率管单元由第五功率管和反向并联的第五二极管组成，所述第六功率管单元由第六功率管和反向并联的第六二极管组成。
18.如权利要求17所述的排布版图，其中，
所述功率转换器是逆变器，所述第二功率管和所述第三功率管作为第一集合内的元器件，所述第一功率管、所述第四功率管和所述第六二极管作为第二集合内的元器件，其中所述第一集合内的元器件两两相互靠近，所述第二集合内的元器件两两相互靠近，并且所述第一集合内的元器件和所述第二集合内的元器件分别与所述第五功率管和所述第五二极管相互靠近。
19.如权利要求18所述的排布版图，其中，
所述第二功率管和所述第三功率管的重心之间的连线与所述第四功率管的重心和所述第一功率管的重心之间的连线有交叠，或者所述第二功率管和所述第三功率管的重心之间的连线与所述第四功率管的重心和所述第六二极管的重心之间的连线有交叠。
20.如权利要求17所述的排布版图，其中，
所述功率转换器是整流器，所述第二二极管和所述第三二极管作为第三集合内的元器件，所述第一二极管、所述第四二极管和所述第六功率管作为第四集合内的元器件，其中所述第三集合内的元器件两两相互靠近，所述第四集合内的元器件两两相互靠近，并且所述第三集合内的元器件和所述第四集合内的元器件分别与所述第五功率管和所述第五二极管相互靠近。
21.如权利要求20所述的排布版图，其中，
所述第二二极管和所述第三二极管的重心之间的连线与所述第四二极管的重心和所述第一二极管的重心之间的连线有交叠，或者所述第二二极管和所述第三二极管的重心之间的连线与所述第四二极管的重心和所述第六功率管的重心之间的连线有交叠。
22.如权利要求17所述的排布版图，其中，
所述第一功率管至所述第六功率管为绝缘栅双极型晶体管，所述第五功率管和反向并联的所述第五二极管相互靠近。
CN201410768760.7A 2014-12-12 2014-12-12 功率转换器的排布版图 Active CN105743361B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410768760.7A CN105743361B (zh) 2014-12-12 2014-12-12 功率转换器的排布版图
TW104103129A TWI594562B (zh) 2014-12-12 2015-01-30 功率轉換器的排布版圖
US14/962,074 US9559606B2 (en) 2014-12-12 2015-12-08 Layout of power converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410768760.7A CN105743361B (zh) 2014-12-12 2014-12-12 功率转换器的排布版图

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105743361A CN105743361A (zh) 2016-07-06
CN105743361B true CN105743361B (zh) 2018-10-09

Family

ID=56112128

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410768760.7A Active CN105743361B (zh) 2014-12-12 2014-12-12 功率转换器的排布版图

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9559606B2 (zh)
CN (1) CN105743361B (zh)
TW (1) TWI594562B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9112422B1 (en) 2010-03-09 2015-08-18 Vlt, Inc. Fault tolerant power converter
US10277105B1 (en) 2016-04-05 2019-04-30 Vlt, Inc. Method and apparatus for delivering power to semiconductors
US10158357B1 (en) 2016-04-05 2018-12-18 Vlt, Inc. Method and apparatus for delivering power to semiconductors
CN107785349B (zh) * 2016-08-26 2019-12-17 台达电子企业管理（上海）有限公司 功率芯片
US10680533B1 (en) 2019-02-01 2020-06-09 Hamilton Sunstrand Corporation Common layout rectifier or converter
US20230386963A1 (en) * 2022-05-31 2023-11-30 Texas Instruments Incorporated Power converter module

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6469917B1 (en) * 2001-08-16 2002-10-22 Green Power Technologies Ltd. PFC apparatus for a converter operating in the borderline conduction mode
JP2003079162A (ja) * 2001-09-03 2003-03-14 Toshiba Transport Eng Inc 電力変換装置
JP2003218317A (ja) * 2002-01-18 2003-07-31 Hitachi Ltd 半導体電力変換装置
CN102728933A (zh) * 2012-06-05 2012-10-17 嘉兴斯达微电子有限公司 基于逆变焊机主电路的一种优化结构
CN202856597U (zh) * 2012-08-24 2013-04-03 阳光电源股份有限公司 母线连接结构
CN103178735A (zh) * 2013-03-13 2013-06-26 阳光电源股份有限公司 一种五电平逆变器及其漏电流控制方法
CN103532368A (zh) * 2012-07-05 2014-01-22 珠海格力电器股份有限公司 智能功率模块
JP2014090006A (ja) * 2012-10-29 2014-05-15 Mitsubishi Electric Corp パワーモジュール

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2979923B2 (ja) * 1993-10-13 1999-11-22 富士電機株式会社 半導体装置
GB2363008B (en) * 1997-11-20 2002-02-06 Sevcon Ltd Controller for battery-operated vehicle
US6031738A (en) * 1998-06-16 2000-02-29 Wisconsin Alumni Research Foundation DC bus voltage balancing and control in multilevel inverters
JP3484122B2 (ja) * 2000-01-13 2004-01-06 三菱電機株式会社 電力変換装置
US6278264B1 (en) * 2000-02-04 2001-08-21 Volterra Semiconductor Corporation Flip-chip switching regulator
FR2809548B1 (fr) * 2000-05-26 2002-08-02 Centre Nat Rech Scient Dispositif de conversion d'energie multicellulaire
JP3906440B2 (ja) * 2000-09-06 2007-04-18 株式会社日立製作所 半導体電力変換装置
JP3621659B2 (ja) * 2001-05-09 2005-02-16 三菱電機株式会社 電力変換システム
US6969967B2 (en) * 2003-12-12 2005-11-29 Ut-Battelle Llc Multi-level dc bus inverter for providing sinusoidal and PWM electrical machine voltages
JP4489485B2 (ja) * 2004-03-31 2010-06-23 株式会社ルネサステクノロジ 半導体装置
US7113405B2 (en) * 2004-05-27 2006-09-26 Eaton Power Quality Corporation Integrated power modules with a cooling passageway and methods for forming the same
US7892670B2 (en) * 2005-08-31 2011-02-22 Siemens Industry, Inc. Packaging system for modular power cells
TWI413356B (zh) * 2008-12-12 2013-10-21 Delta Electronics Inc 具相對較高效率的逆變器電路
EP2456059B1 (en) * 2010-11-17 2018-05-23 ABB Schweiz AG Switching branch modul for a three-level converter and method for controlling that switching branch
FR2975549B1 (fr) * 2011-05-17 2015-01-02 Converteam Technology Ltd Onduleur de tension a 2n+1 niveaux
CN103973128A (zh) * 2013-01-30 2014-08-06 通用电气能源电能变换科技有限公司 无变压器式电能变换系统以及相关方法
CN104038085B (zh) * 2013-03-08 2016-07-06 台达电子工业股份有限公司 三电平变流器
EP2779345B8 (en) * 2013-03-14 2015-06-10 ABB Technology Oy Method for controlling switching branch of active neutral point clamped (ANPC) three-level converter and switching branch for such converter
KR101791288B1 (ko) * 2013-06-05 2017-10-27 엘에스산전 주식회사 멀티 레벨 인버터
JP5768839B2 (ja) * 2013-06-18 2015-08-26 株式会社デンソー 電力変換装置
JP2015012621A (ja) * 2013-06-26 2015-01-19 富士電機株式会社 マルチレベル電力変換回路
CN105099241B (zh) * 2014-04-18 2019-03-19 通用电气公司 控制器、电能变换系统和方法
US9755545B2 (en) * 2014-11-21 2017-09-05 General Electric Company System and method for unified common mode voltage injection

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6469917B1 (en) * 2001-08-16 2002-10-22 Green Power Technologies Ltd. PFC apparatus for a converter operating in the borderline conduction mode
JP2003079162A (ja) * 2001-09-03 2003-03-14 Toshiba Transport Eng Inc 電力変換装置
JP2003218317A (ja) * 2002-01-18 2003-07-31 Hitachi Ltd 半導体電力変換装置
CN102728933A (zh) * 2012-06-05 2012-10-17 嘉兴斯达微电子有限公司 基于逆变焊机主电路的一种优化结构
CN103532368A (zh) * 2012-07-05 2014-01-22 珠海格力电器股份有限公司 智能功率模块
CN202856597U (zh) * 2012-08-24 2013-04-03 阳光电源股份有限公司 母线连接结构
JP2014090006A (ja) * 2012-10-29 2014-05-15 Mitsubishi Electric Corp パワーモジュール
CN103178735A (zh) * 2013-03-13 2013-06-26 阳光电源股份有限公司 一种五电平逆变器及其漏电流控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20160173000A1 (en) 2016-06-16
TW201622334A (zh) 2016-06-16
TWI594562B (zh) 2017-08-01
US9559606B2 (en) 2017-01-31
CN105743361A (zh) 2016-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105743361B (zh) 功率转换器的排布版图
CN108074917B (zh) 一种多芯片并联的半桥型igbt模块
CN102856308B (zh) 功率半导体模块
EP2765602B1 (en) Semiconductor system
EP2955836B1 (en) Semiconductor device
TWI540819B (zh) 電源系統及其中的功率模塊以及製作功率模塊的方法
CN102214644B (zh) 功率半导体器件及使用该器件的功率转换系统
KR20170086626A (ko) 액티브 스너버
CN103299523B (zh) 开关电源装置
CN107155372A (zh) 半桥功率半导体模块及其制造方法
US12261543B2 (en) Three-level power module
CN208739041U (zh) 一种氮化镓芯片的三相全桥电路及智能功率模块
CN112701111B (zh) 一种三电平电路碳化硅功率模块
CN115692399A (zh) 功率模块及电子设备
JP2017055610A (ja) パワー半導体装置
CN213816152U (zh) 一种同步整流碳化硅功率模块
CN107958905B (zh) 功率半导体模块衬底
CN102820277B (zh) 一种igbt模块的覆铜陶瓷基板结构
JP6638477B2 (ja) 半導体装置
CN112185950B (zh) 一种半桥igbt模块的芯片布局结构
JP2013106384A (ja) 電力変換装置及びその電流調整方法
JP5488244B2 (ja) パワー半導体モジュール
CN111654202A (zh) 桥臂模块、功率变换电路和功率变换系统
US20250192691A1 (en) Three-level power module
CN221177521U (zh) 一种可进行变化拓扑的电子电力器件

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant