电力电子电路与功率模块 |
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| 申请号 | CN201310728717.3 | 申请日 | 2013-12-25 | 公开(公告)号 | CN104753338A | 公开(公告)日 | 2015-07-01 |
| 申请人 | 台达电子企业管理(上海)有限公司; | 发明人 | 李锃; 洪守玉; 曾剑鸿; 谢毅聪; | ||||
| 摘要 | 一种电 力 电子 电路 ，包括参考地与差模回路单元。差模回路单元具有电容性元件、 开关 与电子器件，其中电容性元件具有第一端，开关具有第一端与该电容性元件串接，电子器件具有第一端，电子器件与电容性元件及开关串接，电容性元件与开关被封装在一功率模 块 内，功率模块具有一走线与至少一接地引脚连接至参考地，其中开关的第一端或电子器件的第一端仅通过该走线连接至电容性元件的第一端，且电容性元件的第一端是经由接地引脚连接至参考地。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电力电子电路，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 电力电子电路与功率模块技术领域背景技术[0002] 各种运行的电子设备之间以电磁传导、电磁感应和电磁辐射三种方式彼此关联并相互影响，在一定的条件下会对运行的设备和人员造成干扰、影响和危害。20世纪80年代兴起的电磁相容（EMC）学科以研究和解决这一问题为宗旨。国际电工委员会（IEC）对EMC的定义是:指在不损害信号所含信息的条件下，信号和干扰能够共存。该学科主要是研究和解决干扰的产生、传播、接收、抑制机理及其相应的测量和计量技术，并在此基础上根据技术经济最合理的原则，对产生的干扰水平、抗干扰水平和抑制措施做出明确的规定，使处于同一电磁环境的设备都是相容的，同时又不向该环境中的任何实体引入不能允许的电磁扰动。随着现代电子设备在世界范围内的广泛推行,各种电子设备相互关联性也越来越大,。对此，中国、美国、欧洲及世界大多数国家都已制订出或正在制订相关标准，以限制应用于工业和民用的电子产品的EMC。所以对电子产品达到的电磁相容性的相关标准要求也提出了很高的要求。EMC的产品认证，目前主要依据的法规有FCC，CISPR，ANSI，VCCI及EN┅等国际规范。这些针对电子产品的EMC标准，主要包括电磁干扰（以下简称EMI）和电磁耐受性（以下简称EMS）两部分。其中EMI主要包含：Radiated Emission－辐射骚扰；Conducted Emission－传导骚扰；Harmonic－谐波电流骚扰；Flicker－电压变化与闪烁。EMS主要包含：ESD－静电抗扰度；RS－射频电磁场辐射抗扰度；CS－射频场感应的传导骚扰抗扰度； DIP－电压暂降，短时中断和电压变化抗扰度；SURGE－浪涌（冲击）抗扰度；EFT－电快速瞬变脉冲群抗扰度；PFMF－工频磁场抗扰度。另外，不同的电子产品，所对应的EMC标准也不同。如：在中国，家用电器辐射适用于EN55014，照明电器辐射适用于EN55015，其他还有针对医疗电子设备，信息技术设备等的EMC标准。在大多数电子设备中，如何减小EMI骚扰是一项很重要的设计指标，解决EMI骚扰不但会耗费较大的人力和时间，而且一旦设计定型以后很难修正。现代电力电子设备是一种由电力电子器件组成的、用以对工业电能进行变换和控制的大功率电子电路。首先，大功率电力电子电路在工作过程中会产生变化速率都非常巨大的电压和电流信号，这些迅速变化的电压和电流信号是强烈的EMI骚扰源；其次，大功率电力电子电路体积都较大，EMI骚扰较难遮罩，因此电力电子的EMI骚扰就是一项比较难解决的技术。而随着电力电子半导体器件的进步，一些新型的半导体器件已经陆续出现。新型半导体器件具有更高的工作速度，如碳化硅，氮化镓器件，这些新型器件应用于电力电子电路中将产生变化速率更高的电压、电流信号。这也将会对电力电子设备提出更高的EMI骚扰设计要求。所以快速、方便、有效地解决EMI骚扰，将成为未来电力电子设备的重要努力方向。为此需要提出新的技术解决方案，快速、方便、有效地解决电力电子EMI骚扰。 [0003] 现有的降低电力电子设备EMI骚扰的方法有：EMI骚扰构成主要由三部份组成：EMI骚扰源，EMI骚扰路径，受EMI骚扰物件。电力电子设备的EMI骚扰设计，主要采用减小EMI骚扰源和改变EMI骚扰路径的方法来降低EMI骚扰。但现有技术，虽然能够有效地降低电力电子设备的EMI骚扰，但需要增加额外的成本，额外功率损耗，或者需要有经验的工程师花费较长的设计时间；而且有时候这些手段和方法也并不能完全有效。如何快速、低损耗、低成本地解决电力电子EMI骚扰，仍然是一个需要亟待解决的问题。 发明内容[0004] 本发明的一目的是在提供一种电力电子电路，以解决先前技术存在的问题。 [0005] 于一实施例中，本发明所提供的一种电力电子电路包括参考地与差模回路单元。差模回路单元具有电容性元件、开关与电子器件，其中电容性元件具有第一端，开关具有第一端与该电容性元件串接，电子器件具有第一端，电子器件与电容性元件及开关串接，电容性元件与开关被封装在一功率模块内，功率模块具有一走线与至少一接地引脚连接至参考地，其中开关的第一端或电子器件的第一端仅通过该走线连接至电容性元件的第一端，且电容性元件的第一端是经由接地引脚连接至参考地。 [0006] 于一实施例中，本发明所提供的一种功率模块适用于电力电子电路，电力电子电路具有参考地与差模回路单元，差模回路单元具有电容性元件、开关与电子器件，电容性元件具有第一端，开关具有第一端与电容性元件串接，电子器件具有第一端，电子器件与电容性元件及开关串接。功率模块包括电容性元件、开关、走线以及接地引脚，接地引脚连接至参考地，其中开关的第一端或电子器件的第一端仅通过走线连接至电容性元件的第一端，且电容性元件的第一端是经由接地引脚连接至参考地。 [0007] 于一实施例中，电容性元件为电容器。 [0008] 于一实施例中，开关为主动开关器件或被动开关器件。 [0009] 于一实施例中，电子器件为半导体器件或无源器件。 [0010] 于一实施例中，电子器件被封装在功率模块的内部。 [0011] 于一实施例中，电子器件是设置在功率模块的外部。 [0012] 于一实施例中，电力电子电路还包括一屏蔽外壳（Shell）与一变换电路。变换电路设置在屏蔽外壳中，其中变换电路的内部设有差模回路单元，其中差模回路单元的数量为单个。 [0014] 于一实施例中，功率模块的接地引脚的数量为多个。 [0015] 于一实施例中，电力电子电路还包括一屏蔽外壳与一变换电路。变换电路设置在屏蔽外壳中，其中变换电路的内部设有差模回路单元，其中差模回路单元的数量为多个。 [0016] 于一实施例中，电力电子电路还包括一屏蔽外壳与多个变换电路。多个变换电路设置在屏蔽外壳中，其中多个变换电路中设有差模回路单元，其中差模回路单元的数量为多个。 [0017] 于一实施例中，多个变换电路包括一升压电路与一反驰式电路，升压电路包括第一晶体管开关、第一二极管与一输出滤波电容器，第一晶体管开关的第一端电性连接至第一二极管的阳极，第一二极管的阴极电性连接至输出滤波电容器的第一端，输出滤波电容器的第二端电性连接至第一晶体管开关的第二端；反驰式电路包括第二晶体管开关与变压器，第二晶体管的第一端电性连接至该变压器的原边绕组的一端，变压器的原边绕组的另一端电性连接至第一二极管的阴极以及输出滤波电容器的第一端；其中，第一晶体管开关、第一二极管、输出滤波电容器与第二晶体管开关被封装在功率模块内，且输出滤波电容器的第二端以及该第二晶体管的第二端均电性连接至接地引脚。 [0018] 于一实施例中，第一晶体管开关、第一二极管与输出滤波电容器构成多个差模回路单元中的一第一差模回路单元，变压器的原边绕组与第二晶体管开关与输出滤波电容器构成多个差模回路单元中的一第二差模回路单元。 [0019] 于一实施例中，反驰式电路还包括第二二极管与滤波电容器，该第二二极管与该滤波电容器也被封装在该功率模块内，并且第二二极管、滤波电容器与变压器的副边绕组串联以构成多个差模回路单元中的一第三差模回路单元。 [0020] 于一实施例中，第二晶体管的第二端所电性连接的接地引脚与变压器的副边绕组所连接的滤波电容器的一端之间是由一共模滤波电容器相连，共模滤波电容器被封装于功率模块中。 [0021] 于一实施例中，多个变换电路包括一高功率因数校正（HPFC）电路与一LLC谐振电路。 [0022] 于一实施例中，功率模块采用单列直插式封装，功率模块的高度<40mm，功率模块的宽度<60mm，功率模块的厚度<6mm。 [0023] 于一实施例中，多个变换电路包括一图腾柱功率因数校正电路（totem pole PFC）与一LLC谐振电路。 [0024] 于一实施例中，多个变换电路包括一双重升压功率因数校正（Dual Boost PFC）电路与一LLC谐振电路。 [0025] 于一实施例中，多个变换电路中任一者为全桥变换电路、半桥变换电路、降压式变换电路、高功率因数校正电路、LLC谐振电路或双重升压电路。 [0026] 综上所述，本发明的技术方案与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。鉴于现有的电力电子设备的布局通常会产生较大的射频骚扰，本发明的封装结构可以大幅度降低差模返回路径的阻抗及系统内部的共模阻抗，在实际应用中可以有效降低数dBuV～数十dBuV的射频骚扰强度；同时也可以大大降低射频骚扰的设计和调试时间。 [0028] 为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下： [0029] 图1a所示为本发明一实施例的电力电子电路的封装结构； [0030] 图1b所示为本发明另一实施例的电力电子电路的封装结构； [0031] 图2所示为本发明一实施例的一个功率模块内部含多个差模回路单元的器件； [0032] 图3所示为本发明一实施例的一个功率模块内部封装有三个及三个以上的差模回路单元； [0033] 图4所示为本发明一实施例的应用于包含隔离的变换电路的功率模块； [0034] 图5是绘示本发明一实施例的单变换电路的功率模块； [0035] 图6是依据本发明一实施例所绘示的图5中的封装模块及其与外电路的连接结构示意图； [0036] 图7是依据本发明另一实施例所绘示的图5中的封装模块及其与外电路的连接结构示意图； [0037] 图8是绘示本发明一实施例的多个变换电路的功率模块； [0038] 图9是依据本发明一实施例所绘示的图8中的封装模块及其与外电路的连接结构示意图； [0039] 图10是绘示本发明另一实施例的多个变换电路的功率模块； [0040] 图11是依据本发明一实施例所绘示的图10中的封装模块及其与外电路的连接结构示意图； [0041] 图12是依据本发明另一实施例所绘示的图10中的封装模块及其与外电路的连接结构示意图； [0042] 图13所示为本发明的另一实施例的两个串联变换电路及其射频骚扰传递示意图； [0043] 图14所示为图13中的封装模块及其与外部线路的连接结构示意图； [0044] 图15所示是一款应用与服务器电源系统的封装模块；以及 [0045] 图16所示为本发明的另一实施例的一种功率模块。 具体实施方式[0046] 为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照所附的附图及以下所述各种实施例，附图中相同的号码代表相同或相似的元件。另一方面，众所周知的元件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。 [0047] 根据应用于电力电子设备的现有技术，EMI的传递和发射主要由以下几部分组成：差模骚扰源，EMI的传递机制，耦合路径，天线等。 [0048] 差模骚扰源主要是指由电子设备内部的半导体器件等，在开通和关断过程中引起的电流和电压的突变，这些突变的电流和电压信号就是原始的差模骚扰源。 [0049] 现有主流的EMI传递技术，其本质认为EMI的主要传递机制有两种：（1）第一种是电流驱动型机制：骚扰信号首先由差模骚扰源产生，经过差模回路在差模回路的返回路径阻抗上产生共模骚扰信号，进而形成共模电流；（2）电压型驱动机制：骚扰信号首先由差模骚扰源产生，差模骚扰信号作用在由差模骚扰源所在的参考平面和屏蔽面所形成的杂散电容上，进而形成共模电流。 [0052] 另外，系统中的共模骚扰源也会直接产生共模电流，引起EMI骚扰。 [0053] 在实际设计电子电路时，降低差模返回路径的阻抗，可以降低天线的共模电流；降低系统内部的共模阻抗，可以降低天线的共模电流。因此本发明针对以上两种主要降低EMI骚扰的方法提出一种封装技术方法，实现具有实际效果的差模回路连接以及与系统内参考地的连接来降低引起EMI骚扰的电流驱动型和电压驱动型共模电流。 [0054] 系统内参考地是指：在上述EMI的测试频率范围（例如150kHz～1GHz）内，电位不跳变或几乎不跳变的参考点或面，例如该参考点或参考面电压变化（峰峰值）小于1mV。 [0055] 现有技术中，由于差模返回路径及共模骚扰路径阻抗均较大，所以通常具有较大的射频骚扰。通常，电力电子设备包含两个或多个变换电路，由于各变换电路之间的分散分布，以及多个接地点，按照相同的原理进行分析，通常也会造成较大的射频骚扰。 [0056] 鉴于现有的电力电子设备的布局通常会产生较大的射频骚扰，以下将介绍本发明如何改善这个问题。图1a所示为本发明一实施例的电力电子电路的封装结构，电力电子电路包括参考地ground与差模回路单元。差模回路单元具有电容性元件C、开关Q与电子器件M彼此串接，其中电容性元件C与开关Q被封装在功率模块100内，功率模块100为封装模块，在电路工作时，由于开关Q处于反复地开通和关断状态中，因此开关Q两端的电压形成了差模回路单元中的差模骚扰源。功率模块100具有一走线110与至少一接地引脚GND连接至参考地ground，其中开关Q的第一端（如：源极）仅通过走线110连接至电容性元件的第一端G，且电容性元件C的第一端G是经由接地引脚GND连接至参考地ground。如果忽略寄生参数的影响，电容性元件C的第一端G与参考地ground连接的这一段路径上的点的电位都相同。 [0057] 图1a中，电容性元件C为电容器，开关Q为主动开关器件（如：场效应晶体管），电子器件M为半导体器件（如：二极管、场效应晶体管…等）或无源器件（如：电感变压器、电感器，电阻器…等），且电子器件M是设置在功率模块100的外部，开关Q具有第一端（如：源极）与电容性元件C串接，电子器件M具有第一端B与电容性元件C串接，电子器件M的第二端A连接开关Q的第二端（如：漏极），。 [0058] 换言之，图1a中，功率模块100适用于电力电子电路，电力电子电路具有参考地ground与差模回路单元，差模回路单元具有电容性元件C、开关Q与电子器件M，电容性元件C具有第一端G，开关Q具有第一端与电容性元件C串接，电子器件M具有第一端与电容性元件C串接,电子器件M的第二端A连接开关Q的第二端。功率模块100包括电容性元件C、开关Q、走线110以及接地引脚GND，接地引脚GND连接至参考地ground，其中开关Q的第一端（如：源极）仅通过走线110连接至电容性元件C的第一端G，且电容性元件C的第一端G是经由接地引脚GND连接至参考地。 [0059] 图1b所示为本发明另一实施例的电力电子电路的封装结构。电力电子电路包括参考地ground与差模回路单元。差模回路单元具有电容性元件C、开关D与电子器件M彼此串接，其中电容性元件C与开关被封装在功率模块100内，功率模块100为封装模块。功率模块100具有一走线110与至少一接地引脚GND连接至参考地ground，其中电子器件M的第一端B仅通过走线110连接至电容性元件的第一端G，且电容性元件C的第一端G是经由接地引脚GND连接至参考地ground。实务上，接地引脚GND可以为一个或多个。 [0060] 图1b中，电容性元件C为电容器，开关D为被动开关器件（如：二极管），电子器件M为半导体器件（如：二极管、场效应晶体管…等）或无源器件（如：电感变压器、电感器，电阻器…等），开关D具有第一端（如：阴极）与电容性元件C串接，电子器件M具有第一端B与电容性元件C串接，电子器件M的第二端A连接开关Q的第二端（如：阳极）。 [0061] 换言之，图1b中，功率模块100适用于电力电子电路，电力电子电路具有参考地ground与差模回路单元，差模回路单元具有电容性元件C、开关D与电子器件M，电容性元件C具有第一端G，开关D具有第一端（如：阴极）与电容性元件C串接，电子器件M具有第一端B与电容性元件C串接,电子器件M的第二端A连接开关Q的第二端。功率模块100包括电容性元件C、开关Q、走线110以及接地引脚GND，接地引脚GND连接至参考地ground，其中电子器件M的第一端B仅通过走线110连接至电容性元件C的第一端G，且电容性元件C的第一端G是经由接地引脚GND连接至参考地。 [0062] 另一方面，图1b中，电子器件M是设置在功率模块100的外部；或者，于其他实施例中，电子器件M也可以被封装在功率模块100的内部。无论是何种结构，串联连接的三个器件的连接至系统参考地的端点都是仅通过功率模块内的走线及模块的接地引脚GND进行连接的。 [0063] 以上所述，一个功率模块内部封装有一个差模回路单元的器件。当然，一个变换电路也可能包含多个差模回路单元，如两个。当然，包含多个变换电路的电力电子设备则通常更有可能包含至少两个差模回路单元。例如包含两个变换电路的设备至少包含两个差模回路单元。本发明所描述的封装结构也可以应用于包含多个差模回路单元的电力电子设备。 [0064] 图2所示为一个功率模块200内部含多个差模回路单元的器件。其中虚线框①中包含了第一差模回路单元loop1的开关Q1、电容性元件C1，虚线框②中包含了第二差模回路单元loop2的器件开关Q2，电容性元件C2。开关Q1、电容性元件C1和电子器件M1相互串联组成了差模回路单元loop1；开关Q2、电容性元件C2和电子器件M2相互串联组成了差模回路单元loop2。其中电子器件M1及电子器件M2如图2所示并未被封装在功率模块200内部，而实际上电子器件M1及电子器件M2也可以与开关Q1、电容性元件C1、开关Q2、电容性元件C2等一起封装在功率模块200内部。功率模块200内部的每个差模回路单元都包含一端点G，各单元的端点G连接至一起，并通过模块的至少一个接地引脚GND，与系统内参考地ground连接。电容性元件C1与差模回路单元loop1中的开关Q1或电子器件M1在封装模块内部连接于端点G，电容性元件C2与差模回路单元loop2中的开关Q2或电子器件M2也在封装模块内部连接于端点G。各差模回路单元中串联连接的三个器件的连接至系统参考地的端点都是仅通过模块内的走线及模块的接地引脚GND进行连接的。 [0065] 图3所示为一个功率模块300内部封装有三个及三个以上的差模回路单元。每个差模回路单元的连接方法与图1a所示相同，因此不再重复赘述。 [0066] 对于包含变压器的变换电路，由于变压器原边侧及副边侧的差模回路单元通过变压器进行隔离，因此各差模回路单元的接地点并不直接连接在一起，将通过电容进行连接。图4所示为应用于包含隔离的变换电路的功率模块400。如图4，该功率模块内部包含了两个差模回路单元的器件，其中①代表第一差模回路单元，②代表第二差模回路单元，各单元内部连接与图1所述相同，此处不再赘述。由开关Q1、电容性元件C1和电子器件M1组成差模回路单元loop1，由开关Q2、电容性元件C2和电子器件M2组成差模回路单元loop2。 其中，电子器件M1及电子器件M2位于模块外部，当然也可以封装在模块内部。电容性元件C1与差模回路单元loop1中的开关Q1或电子器件M1在封装模块内部连接于点G1。第一单元的接地点G1通过模块的至少一个公共接地引脚GND1，与系统内参考地端ground连接。C2与loop2中的Q2或M2在封装模块内部连接于端点G2。第二单元的端点G2连接至模块的至少一个接地引脚GND2，该接地引脚GND2通过共模滤波电容器Cy0与系统内参考地ground连接。 [0067] 通过前面所描述的封装结构，可以大幅度降低差模返回路径的阻抗及系统内部的共模阻抗，在实际应用中可以有效降低数dBuV～数十dBuV的射频骚扰强度；同时也可以大大降低射频骚扰的设计和调试时间。 [0068] 为了具体说明上面所述的封装结构如何应用，请参照图5，其是绘示单变换电路520的功率模块500。如图5所示，电力电子电路包括屏蔽外壳510与变换电路520。变换电路520设置在屏蔽外壳510中，其中变换电路520的内部设有差模回路单元530，其中差模回路单元530的数量为单个；或者，于其他实施例中，差模回路单元的数量可为多个。于图5中，变换电路520为升压电路，升压电路包括开关（即，晶体管开关）Q、电子器件（即，二极管）D与电容性元件（即，输出滤波电容器）C彼此相连以构成差模回路单元530。 [0069] 具体而言，于变换电路520中，输入电容器Cin的一端与滤波电感器L的一端相连，滤波电感器L的另一端与二极管D的阳极相连，二极管D的阴极与输出滤波电容器C的一端和输出电容器Co的一端相连，开关Q的漏极与二极管D的阳极相连，滤波电感器L的寄生电容Cp并联在滤波电感器L两端，输入电容器Cin的另一端G3，输出电容器Co的另一端G2均连接到系统内参考地ground上。滤波电容器C的另一端与开关Q的源极相连于端点G，再通过接地引脚GND与系统内参考地ground相连。输入电缆IN接市电，输出电缆OUT接负载Load。屏蔽外壳510与系统内参考地ground连接于端点G3，端点A是开关Q的漏极与滤波电感器L及二极管D阳极相连接的一段导体，杂散电容Cant1形成于端点A与屏蔽外壳510之间，杂散电容Cant形成于输出电缆OUT与大地earth之间。如图5，开关Q、D，以及电容性器件C串联连接形成该电路的一个差模回路单元530，并且该差模回路单元封装于功率模块500内。由于电路工作时，开关Q的反复导通与关断，开关Q的两端，即其漏极源极间的电压产生其开关频率的变化，从而形成该电路的差模骚扰源。如图5，开关Q的一端与电容性器件C的一端连接后共同连接至模块内的端点G，然后通过该模块的接地引脚GND连接至系统的参考地ground。端点G3与模块接地引脚GND之间连接线的阻抗Ls为系统内部的共模阻抗，而接地引脚GND与端点G2、G3之间连接线的阻抗Lsreturn是差模骚扰的返回路径阻抗。这样由于电路中的一个差模回路单元封装于功率模块内部，该单元中相应器件的接地端都是仅通过功率模块的接地引脚和系统的参考地GND连接，大大降低了该电路的差模返回路径阻抗和系统内共模路径阻抗，从而降低了系统的射频干扰。 [0070] 图5中的功率模块及其与外电路的连接结构示意图如图6所示。功率模块500以环氧树脂密封材料包覆。端点G2、G3分别是电容器Co、Cin与系统内参考地ground连接的一个端点。开关Q、二极管D和电容性元件C封装在同一个功率模块500内部，分别采用铜基板和打线（wire bond）进行相互连接。如图6，功率模块仅包含了一个接地引脚GND。阻抗Lsreturn是差模骚扰的返回路径阻抗，阻抗Ls是系统内部共模阻抗。该实施例中差模骚扰的返回路径阻抗主要包括：端点G2、G3与接地引脚GND之间的印刷电路板PCB的布线阻抗Lsreturn。由于仅有一个连接点，且距离较短，通常十几毫米，甚至数毫米，理论上更为理想的连接方式是距离为零。故差模骚扰返回路径阻抗较小。而且由于模块内部电容器C的滤波作用，实际传导至电容器Co的差模骚扰信号幅值和频率都较低。该实施例系统内部共模路径阻抗主要包括：接地引脚GND与屏蔽外壳510接地端点G3之间的印刷电路板PCB的布线阻抗Ls。由于只有一个接地点，可以把路径做得非常短，通常可以只有几毫米。故系统内共模骚扰路径阻抗很小。由于共模阻抗和差模阻抗都很小，因此本发明所涉及的封装结构可以有效降低射频骚扰。该实施例中，一个功率模块封装有电路的一个差模回路单元的所有器件：开关Q、D以及电容性器件C，而实际上，一个模块内部可以仅封装有一个差模回路单元的部分器件，例如开关Q及电容性器件C，或者开关D及电容性器件C，只要该差模回路单元的各器件的接地端仅通过该模块内的走线和模块的接地引脚与系统的参考地相连接，即可大幅度降低系统的射频骚扰。 [0071] 图6中功率模块500的接地引脚GND仅为一个，而实际上，一个模块可以包含多个同样电气性能的引脚。如图7所示，功率模块500包含了多个接地引脚GND1、GND1’，开关Q的源极与电容性器件C的接地端在封装模块内部相连后由两个引脚GND1、GND1’与系统内参考地相连。 [0072] 上面图5–7的实施例中，一个功率模块封装有电路的一个差模回路单元的器件，而实作上，一个功率模块可以封装有多个差模回路单元的器件。图8是绘示本发明一实施例的多个变换电路的功率模块800，如图8所示，电力电子电路包括屏蔽外壳810与多个变换电路820。多个变换电路820设置在屏蔽外壳810中，其中多个变换电路820中设有差模回路单元，其中差模回路单元的数量为多个。于图8中，多个变换电路820包括升压（boost）电路与反驰式（fly back）电路，升压电路主要包括开关（即，第一晶体管开关）Q1、电子器件（即，第一二极管）D1与电容性器件（即，输出滤波电容器）C1彼此相连以构成第一差模回路单元830，反驰式电路主要包括开关（即，第二晶体管开关）Q2与变压器X，其中变压器X的原边与第二晶体管开关Q2串联后与输出滤波电容器C1并联以构成第二差模回路单元832。 [0073] 具体而言，升压电路接收输入电源将其转换成一直流输出，反驰式电路接收升压电路的直流输出并将其转换成负载Load所需要的输出。其中，前级升压电路包含了输入电容器Cin、滤波电感器L，第一晶体管开关Q1、第一二极管D1、输出滤波电容器C1以及与输出滤波电容器C1并联的母线电容器Cbus。在结构上，第一晶体管开关Q1的第一端电性连接至第一二极管D1的阳极，第一二极管D1的阴极电性连接至输出滤波电容器C1的第一端，输出滤波电容器C1的第二端电性连接至第一晶体管开关Q1的第二端，滤波电感器L与第一晶体管开关Q1串联后与输入电容器Cin并联，第一二极管D1与输出滤波电容器C1串联后与第一晶体管开关Q1并联。滤波电感器L有寄生电容Cp。 [0074] 反驰式电路包含了第二晶体管开关Q2、变压器X、开关（即，第二二极管）D2，滤波电容器C2以及输出电容器Co。在结构上，第二晶体管Q2的第一端电性连接至变压器X的原边绕组的一端，变压器X的原边绕组的另一端电性连接至第一二极管D1的阴极以及输出滤波电容器C1的第一端，其中第一晶体管开关Q1、第一二极管D1、输出滤波电容器C1与第二晶体管开关Q2被封装在功率模块内，且输出滤波电容器C1的第二端以及该第二晶体管Q1的第二端均电性连接至接地引脚GND1。 [0075] 换言的，第二晶体管开关Q2与变压器X的原边串联，第二二极管D2与变压器X的副边形成的串联支路与滤波电容器C2及输出电容器Co并联。由于该系统包含了一个变压器，就将电路隔离成原边电路（包含了升压电路及反驰式电路的原边电路）及副边电路（包含了反驰式电路的副边电路）。原边电路及副边电路各自包含了各自的参考地。如图8，原边电路的参考地与系统内参考地ground相连接，副边电路的参考地（接地引脚）GND2是变压器副边的滤波电容器C2的一端，它通过输出电缆OUT与大地之间杂散电容Cant与大地earth耦接。共模滤波电容器Cy0是连接于原、副边的参考地之间。屏蔽外壳810与系统内参考地连接于输入电容器Cin与系统内参考地相连的一端G3。 [0076] 图8中，功率模块800为一封装模块。该功率模块内封装有原边电路中升压电路的第一晶体管开关Q1、第一二极管D1及输出滤波电容器C1及原边电路中反驰式电路中的第二晶体管开关Q2，其中第一晶体管开关Q1、第一二极管D1及输出滤波电容器C1形成了第一差模回路单元830，开关Q1两端的电压（例如其漏、源极间电压）为差模骚扰源；第二晶体管开关Q2、输出滤波电容器C1及变压器X的原边绕组形成了第二差模回路单元832，开关Q2两端的电压（例如其漏源极间电压）为另一个差模骚扰源。这两个差模回路单元共用电容性元件（即，输出滤波电容器）C1。在第一差模回路单元830中，第一晶体管开关Q1的漏极与第一二极管D1的阳极相连，第一二极管D1的阴极与输出滤波电容器C1的一端相开关连，电容性元件C1的另一端与第一晶体管开关Q1的源极在模块内部相连于端点G。在第二差模回路单元832中，输出滤波电容器C1的一端与变压器X原边的一端相连，第二晶体管开关Q2的漏极与变压器X原边的另一端相连，输出滤波电容器C1的另一端与第二晶体管开关Q2的源极也在模块内部连接于2J0端点G。由端点G引出一个接地引脚GND1与系统参考地相连。如此，在一个功率模块内部封装有两个差模回路单元的元件。在该模块内部第一晶体管开关Q1、输出滤波电容器C1、第二晶体管开关Q2连接至共同的连接点G，连接点G通过模块的接地引脚GND1与系统的参考地相连接。这样，两个差模回路单元中的元件都仅通过模块的接地引脚GND1与系统的参考地相连接。差模骚扰被限制在模块内部，从而降低了差模返回路径阻抗和系统内共模路径阻抗Lsreturn是差模骚扰的返回路径阻抗，为从Cin与系统内参考地相连的一端G3，母线电容器Cbus与系统内参考地相连的一端G2到接地引脚GND1的连接走线的阻抗。阻抗Ls1、Ls2是系统内部共模阻抗，阻抗Ls1为接地引脚GND1到端点G3的连接走线阻抗，阻抗Ls2为接地引脚GND2通过共模滤波电容器Cy0到接地引脚GND1的连接走线阻抗，是输出电缆OUT有共模电流ICM。第二晶体管Q2的第二端所电性连接的接地引脚GND1与变压器X的副边绕组所连接的滤波电容器C2的一端之间是由共模滤波电容器Cy0相连，共模滤波电容器Cy0被封装于功率模块中。 [0077] 图8中功率模块800及其与外部线路的连接结构示意图如图9所示。功率模块800以环氧树脂密封材料包覆。第一晶体管开关Q1、第一晶体管开关Q2、第一二极管D1和输出滤波电容器C1封装在同一个模块内部，分别采用铜基板和打线进行相互连接。该结构中的差模骚扰返回路径阻抗主要包括：变压器原边的输入电容器Cin与系统内参考地相连的一端G3，母线电容器Cbus与系统内参考地相连的一端G2到模块引脚GND1之间的印刷电路板PCB的布线阻抗Lsreturn。由于仅有一个连接点，且距离较短，通常十几毫米，甚至数毫米。故差模骚扰返回路径阻抗较小。而且由于模块内部电容器C1的滤波作用，传导至母线电容器Cbus的差模骚扰信号幅值和频率都较低。该实施例系统内部共模路径阻抗主要包括：变压器原边模块引脚GND1与屏蔽外壳810与系统内参考地连接点G3之间的PCB布线阻抗Ls1和变压器副边的接地引脚GND2通过共模滤波电容器Cy0连接到接地引脚GND1的阻抗Ls2（如图中虚线所示），这样整个系统就只有一个公用的接地引脚GND1，可以把外壳到接地引脚GND1的路径做得非常短，通常十几毫米。故系统内部共模骚扰路径阻抗很小。 由于变压器X原边共模阻抗和差模阻抗都很小，因此根据上述理论本发明所涉及的封装结构可以有效降低射频骚扰。变压器副边的差模骚扰控制方式采用传统封装技术，因此变压器副边的差模阻抗与传统方式基本一致，此处不再赘述。 [0078] 图10为本发明的又一实施例，与图8、9不同之处在于，图8、9中功率模块800内部封装的是电路原边的差模回路单元，而图10则将电路副边的差模回路单元也封装进功率模块1000之中。 [0079] 如图10所示，变换电路原边包含了第一差模回路单元1030与第二差模回路单元1032，副边包含了由第二二极管D2、滤波电容器C2及变压器X副边绕组串联组成的第三差模回路单元1034，其中，第二二极管D2与滤波电容器C2也被封装在功率模块内，第二二极管D2两端的电压形成了第三差模回路单元1034的差模骚扰源。换句话说，图10中的功率模块中不仅包含图8、9的原边的第一、第二差模回路单元，还包含了第三差模回路单元 1034中串联的第二二极管D2以及滤波电容器C2。如图10，第二二极管D2阴极与滤波电容器C2一端相连，第二二极管D2的阳极与变压器X副边一端相连，滤波电容器C2的另一端与变压器X副边另一端在模块内部相连于端点G2，由端点G2引出接地引脚GND2通过共模滤波电容器Cy0与系统的参考地ground相连。 [0080] 图10中功率模块1000及其连接结构示意图如图11所示。屏蔽外壳1010与系统内参考地ground连接于输入电容器Cin与系统内参考地相连的一端G4。功率模块1000以环氧树脂密封材料包覆。第一晶体管开关Q1、第二晶体管开关Q2、第一二极管D1、第二二极管D2和电容器C1、C2封装在同一个模块内部，分别采用铜基板和打线相连接。该实施例的差模骚扰返回路径阻抗主要包括：变压器原边的输入电容器Cin与系统内参考地相连的一端G4，母线电容器Cbus与系统内参考地相连的一端G3与接地引脚GND1之间的印刷电路板PCB的布线阻抗Lsreturn，仅有一条路径，且距离较短，通常十几毫米。变压器副边的输出电容器Co与副边参考地相连的一端G5与接地引脚GND2之间的路径Ls2return，由于仅有一条路径，且距离较短，通常十几毫米。故总的差模骚扰返回路径阻抗较小。而且由于模块内部电容器C1、C2的滤波作用，传导至母线电容器Cbus和输出电容器Co的差模骚扰信号幅值和频率都较低。系统内部共模路径阻抗主要包括：接地引脚GND1、GND2与端点G4之间的印刷电路板PCB的布线阻抗Ls。由于只有两个接地点，且接地引脚GND1与GND2靠得很近，之间通过共模滤波电容器cy0连接，因此可以把接地引脚GND1和GND2与屏蔽外壳1010的路径做得非常短，通常十几毫米，甚至数毫米。故系统内共模骚扰路径阻抗很小。由于共模阻抗和差模阻抗都很小，因此根据上述理论本发明所涉及的封装结构可以有效降低射频骚扰。 [0081] 另外，对于包含变压器的电路，例如图8、图10中的电路，连接原副边接地端的共模滤波电容器Cy0可以放在功率模块的外部，也可以如图12所示被封装于功率模块1000内部。如此，能够更好地减少外部布线距离，同样可以有效的减少差模骚扰的返回路径和共模路径阻抗。原理与放置在模块外一样，此处就不再赘述。 [0082] 图13所示为本发明的另一实施例，两个串联变换电路及其射频骚扰传递示意图。如图13，该电源变换系统包含了两级变换电路。第一变换电路为高功率因数校正（HPFC）电路，其接收输入信号，将其转化为直流输出。通过高功率因数校正电路使得电源系统的功率因数接近1。高功率因数校正电路包含输入电容器Cin，滤波电感器Lin、开关Q1、Q2、整流二极管D1、D2、D3和D4，及滤波电容器C1。其中，整流二极管D1、D2串联组成第一桥臂，整流二极管D3、D4串联组成第二桥臂，开关Q1及Q2串联连接于两个桥臂的中点，滤波电感器Lin一端连接于一个桥臂中点，输入电容器Cin的两端分别连接于电感器Lin的另一端以及另一个桥臂的中点。此外，电阻器R与开关Q1、Q2串联连接以输入电容器Cin两端连接输入信号。当输入信号为交流信号时，且处于交流信号的正半周时，开关Q1、Q2及整流二极管D1、D4以及电容器C1、电阻器R构成第一差模回路单元；当处于交流信号的负半周时，开关Q1、Q2及整流二极管D2、D3以及电容器C1、电阻器R构成第二差模回路单元。电路正常工作时，开关Q1、Q2的反复开通与关断使得HPFC电路两桥臂中点间的电压发生变化，因而形成了该第一差模回路单元及第二差模回路单元的差模骚扰源。第二变换电路为LLC谐振电路，其接受HPFC电路的直流输出并将其转换为符合负载需求的输出。图13中所示LLC谐振电路为一全桥LLC线路，其包含由电子器件M1、M2串联组成的第一桥臂，电子器件M3、M4串联组成的第二桥臂，谐振电感器Lr与谐振电容器Cr串联组成谐振槽，谐振槽的一端连接至第一桥臂的中点，另一端连接至变压器X原边的一端，变压器X原边的另一端连接至第二桥臂的中点。由副边整流二极管D5、D6以及输出滤波电容器C2及输出电容器Co组成的全波整流电路连接至变压器X的副边。LLC原边电路中电子器件M1、M2、电容器C1构成第三差模回路单元，电子器件M3、M4、电容器C1构成第四差模回路单元。电子器件M1，M2，M3以及M4的开通与关断使LLC电路的第一桥臂及第二桥臂中点间电压发生变化，因而形成了该第三差模回路单元及第四差模回路单元的差模骚扰源。此外，电感器Lin具有寄生电容Cp，Cbus是母线电容，Cy0是原副边共模电容，电流感测器CT连接于电阻器R两端，是输出电缆OUT与大地earth之间形成杂散电容Cant，输入电缆IN接市电，输出电缆OUT连接负载，屏蔽外壳1310与系统内参考地ground连接于接地引脚GND上的一点G2。阻抗Ls1～Ls5是寄生电感。阻抗Lsreturn是差模骚扰的返回路径阻抗，阻抗Ls6和Ls7是系统内部共模阻抗。为有效的减少该电源变换系统的射频骚扰，该电源系统原边的四个共模回路单元中的器件都封装于功率模块1300中。二极管D1、开关Q1、Q2、电阻器R、二极管D4、电容器C1构成第一差模回路单元，二极管D4的阳极与电容器C1的一端在模块内部连接于G点，二极管D1、开关Q1、Q2、电阻器R串联连接后再连接到二极管D4的阴极和电容器C1的另一端之间。二极管D3、开关Q1、Q2、电阻器R、二极管D2、电容器C1构成第二差模回路单元，二极管D2的阳极与电容器C1的一端在模块内部连接于G点，二极管D3、开关Q1、Q2、电阻器R串联连接后再连接到二极管D2的阴极和电容器C1的另一端之间。电子器件（如，开关）M1、M2、电容器C1构成第三差模回路单元，电子器件M2的源极与电容器C1的一端在模块内部连接于G点，M1的源极与电子器件M2的漏极相连，电子器件M1的漏极与电容器C1的另一端相连。电子器件（如，开关）M3、M4、电容器C1构成第四差模回路单元，电子器件M4的源极与电容器C1的一端在模块内部连接于G点，电子器件M3的源极与电子器件M4的漏极相连，电子器件M3的漏极与电容器C1的另一端相连。由G点引出接地引脚GND与系统内参考地相连。也即各差模回路单元中器件的接地端于封装模块中都连接于一接地点G，并仅通过该封装模块的接地引脚GND与系统地参考地ground相连接。 [0083] 图13中的封装模块及其与外部线路的连接结构示意图，如图14所示。功率模块1300被环氧树脂密封材料所包覆。封装模块内部的开关Q1、Q2、二极管D1～D4、电容器C1、电子器件M1～M4、电阻器R分别采用铜基板和打线连接，模块通过印刷电路板PCB与外部电容器C2、共模滤波电容器Cy0、变压器X、二极管D5、二极管D6等器件连接。模块与外壳之间具有杂散电容Cant1、Cant2、Cant3，输出电缆OUT与大地之间具有杂散电容Cant。 [0084] 该实施例的差模骚扰返回路径阻抗主要包括以下几部分：（1）模块内部打线W1阻抗Ls2，由于仅有一条很短路径，数毫米，故差模骚扰返回路径阻抗较传统方式有较大减小。（2）模块内部点G到母线电容器Cbus与系统内参考地相连的一端之间的引脚GND阻抗及PCB阻抗，其距离较短，只有十机毫米。而且由于模块内部电容C1的滤波作用，传导至点G到印刷电路板PCB的差模骚扰信号幅值和频率都较低，故总的差模骚扰返回路径阻抗较小。该实施例系统内部共模路径阻抗主要包括：模块内部打线W1阻抗Ls7，模块内部点G经共模滤波电容器Cy0到电容器C2一端的阻抗Ls6。由于屏蔽外壳1310与系统内参考地连接点可以在引脚GND，这样共模路径可以非常短，通常十几毫米。故系统内共模骚扰路径阻抗很小。由于共模阻抗和差模阻抗都很小，因此根据上述理论本发明所涉及的封装结构可以有效降低射频骚扰。该实施例描述了HPFC+LLC全桥的两个串联变换结构电路的封装模块。如果采用HPFC+LLC半桥的两变换结构电路，并按照上述先进封装技术设计的封装模块，同样可以获得降低射频骚扰的益处，此处不再赘述。 [0085] 图15所示是一款应用与服务器电源系统的封装模块（如：功率模块1300）。该封装模块采用HPFC+LLC全桥两级结构，内部布线示意图如图14所示。该模块采用单列直插式封装。该模块的尺寸：高度H<40mm，宽度<60mm，厚度<6mm。该模块应用于服务器电源系统，可以有效降低射频骚扰信号。在实际工作中可以大大降低射频骚扰的设计和调试时间。 [0086] 图腾柱功率因数校正（Totem pole PFC）电路与LLC电路的两个变换电路封装模块采用类似于的HPFC+LLC全桥的两个串联变换电路封装方式，将图13中的功率模块1300用图16所示的功率模块1600替代，可以得到totem pole PFC+LLC的两个变换电路的封装模块。其中开关Q1与Q3串联组成第一桥臂，开关Q2与Q4串联组成第二桥臂，开关M1与M3串联组成第三桥臂，开关M2与M4串联组成第四桥臂。第一、第二、第三和第四桥臂与电容C并联。开关Q1、Q2、M1、M2的公共连接点Vbus与母线电容器Cbus一端连接。开关Q1、Q3和电容器C构成了第一差模回路单元，开关Q3与电容器C的一端在模块内部连接于点G。开关Q2、Q4和电容器C构成了第二差模回路单元，开关Q4与电容器C的一端在模块内部连接于G。开关M1、M3和电容器C构成了第三差模回路单元，开关M3与电容器C的一端在模块内部连接于G。开关M2、M4和电容器C构成了第四差模回路单元，开关M4与电容器C的一端在模块内部连接于点G。由点G引出接地引脚GND与系统内参考地相连。也即各差模回路单元中器件的接地端于封装模块中都连接于一接地点G，并仅通过该封装模块的接地引脚GND与系统地参考地相连接。开关Q1、Q2、Q3以及Q4的开通与关断使第一桥臂及第二桥臂中点间电压发生变化，因而形成了该第一差模回路单元及第二差模回路单元的差模骚扰源。开关M1、M2、M3以及M4的开通与关断使第三桥臂及第四桥臂中点间电压发生变化，因而形成了该第三差模回路单元及第四差模回路单元的差模骚扰源。其余元器件与图13相同，改善EMI的原理也与图13中相同，此处不再赘述。 [0087] 本发明所涉及的先进封装模块技术，也可以采用其他封装材料，如树脂，硅胶等，比如将芯片埋入PCB内部通过PCB的内部走线实现。芯片载体也可以是DBC、铜基板等材料。引脚也可以采用其他连接方式，如插针，压接式引脚。本发明所涉及的先进封装模块，可以应用于通信电源或服务器电源，90～260V转48V，24V，12V。也可以用于不间断电源，逆变电源等电力转换的电力设备。也可以用于太阳能逆变器，风力发电逆变器，微型并网逆变器等并网电力设备。本发明所涉及的单个、两个电路结构，同样适用于三个或者更高连接数量的变换电路结构。本发明所涉及的电路不仅限于boost电路，反激电路，该封装方法同样适用于HPFC电路、buck电路、全/半桥电路、LLC电路、双重升压功率因数校正（dual boost）电路等。 [0088] 虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。 |
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