高密度GaN基功率級(jí)的熱設(shè)計(jì)

由于 eGaN FET 和 IC 具有緊湊的尺寸、超快速開(kāi)關(guān)和低導(dǎo)通電阻，因此能夠?qū)崿F(xiàn)非常高密度的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。大多數(shù)高密度轉(zhuǎn)換器中輸出功率的限制因素是結(jié)溫，這促使需要更有效的熱設(shè)計(jì)。eGaN FET 和 IC 的芯片級(jí)封裝提供六面冷卻，從管芯的底部、頂部和側(cè)面有效地排出熱量。本文介紹了一種高性能熱解決方案，以擴(kuò)展基于 eGaN 的轉(zhuǎn)換器的輸出電流能力。

六面散熱散熱解決方案

圖 1中描繪的散熱解決方案能夠從芯片級(jí) eGaN FET 中實(shí)現(xiàn)出色的散熱。

圖 1：芯片級(jí) eGaN FET 散熱解決方案的簡(jiǎn)化橫截面，突出顯示熱流路徑和機(jī)械組裝

散熱器使用螺釘和塑料墊片以機(jī)械方式連接到電路板上，封閉了一個(gè)填充有電絕緣熱界面材料 (TIM) 的區(qū)域。TIM 將熱量從 FET 的頂部和側(cè)面直接傳導(dǎo)到散熱器。由于 R θ,jc非常低，這提供了最有效的熱路徑eGaN FET 和 IC。同時(shí)，F(xiàn)ET 將熱量通過(guò)焊料凸點(diǎn)傳導(dǎo)至 PCB 銅，熱量也通過(guò) TIM 傳導(dǎo)至散熱器。額外的熱量通過(guò) PCB 底部的對(duì)流散發(fā)。仔細(xì)選擇墊片的高度和導(dǎo)熱墊的厚度，以防止 eGaN FET 上的機(jī)械應(yīng)力過(guò)大。散熱器和 FET 之間的 TIM 厚度應(yīng)保持最小，以提供最低的熱阻。但是，在選擇墊片厚度時(shí)，必須考慮墊片封閉內(nèi)所有組件的最大高度，包括 FET、電容器和柵極驅(qū)動(dòng)器。在此分析中，高度容差和模具傾斜可能都是重要的因素。

設(shè)計(jì)靈活性

TIM 可以由軟熱墊（例如，t-Global TG-X）、液體間隙填充物（例如，Berquist GF4000）或兩者的組合組成。單獨(dú)的液體間隙填充物可用作 TIM，從而對(duì) FET 施加接近零的壓縮力，但是導(dǎo)熱墊通常具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性。類似地，可以在沒(méi)有液體間隙填充物的情況下使用導(dǎo)熱墊，但此選項(xiàng)不提供從 FET 或 PCB 側(cè)面到散熱器的熱傳導(dǎo)。圖 1 中的散熱解決方案顯示了如何實(shí)施兩種 TIM 以實(shí)現(xiàn)最有效的散熱路徑，同時(shí)最大限度地減少 FET 上的機(jī)械應(yīng)力。

設(shè)計(jì)示例：使用 EPC2045 eGaN FET 的高密度 48 V 至 12 V 轉(zhuǎn)換

使用圖 2所示的設(shè)計(jì)示例對(duì)所提出的散熱解決方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示，該示例類似于EPC9205 GaN 功率模塊。這款高密度降壓轉(zhuǎn)換器使用100 V EPC2045 eGaN FET ，在 700 kHz 開(kāi)關(guān)頻率下將 48 V 轉(zhuǎn)換為 12 V 時(shí)可實(shí)現(xiàn) 96.4% 的峰值效率，并且可以在低于 100°C 的情況下輸出高達(dá) 12 A 的電流結(jié)溫升高。

圖 2：使用塑料墊片、液隙填充物、熱界面墊和散熱器實(shí)施熱設(shè)計(jì)的機(jī)械組裝步驟

圖 2 顯示了用于組裝此熱設(shè)計(jì)的分步指南：

尼龍墊片用于封閉功率級(jí)并為散熱器提供機(jī)械支撐。本示例中的墊片高度為 1.02 毫米，比 EPC2045 的安裝高度高 0.13 毫米（圖 2a）。

由墊片包圍的功率級(jí)區(qū)域然后被液體間隙填充物覆蓋（圖 2b）。

軟熱界面墊連接到散熱器的底部。在此示例中，墊在壓縮前的厚度為 0.5 毫米（圖 2c）。

最后，將散熱器和焊盤放置在液體間隙填料的頂部，并使用兩個(gè)螺釘將其牢固地夾在尼龍墊片上。多余的間隙填料被清除，剩余部分固化成固體形式（圖 2d）。

審核編輯：劉清