用于基于GaN的器件的高性能熱解決方案

大多數(shù)高密度功率轉(zhuǎn)換器的限制因素是結(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)面充分散熱。高性能熱設(shè)計(jì)可以保證基于 eGaN 的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)具有更高的輸出功率，具有緊湊的尺寸和低導(dǎo)通電阻。

六面散熱散熱解決方案

圖 1 中描述的散熱解決方案能夠從芯片級(jí) eGaN FET 中出色地提取熱量，如之前在 [ 1 ] 和 [ 2 ] 中所展示的那樣。

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(lèi)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 中所示的設(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(lèi)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 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)域隨后被液體間隙填充物覆蓋（圖 2b）。

? 軟熱界面墊連接到散熱器底部。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(pán)放置在液體間隙填充物的頂部，并使用兩個(gè)螺釘將其牢固地夾在尼龍墊片上。清除多余的間隙填充物，讓剩余的固化成固體形式（圖 2d）。

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

熱性能

熱等效電路，在圖3和電流能力示出正在使用中[介紹的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)2 ]，這表明在junction-到環(huán)境的熱阻的減少50％的（R θ，JA每個(gè)FET的）當(dāng)熱溶液被實(shí)施。但是，在這種高密度設(shè)計(jì)中還必須考慮兩個(gè) FET 和輸出濾波器電感之間的熱耦合。圖 4 顯示了實(shí)施散熱解決方案之前和之后轉(zhuǎn)換器的電流處理能力。使用散熱器后，電流處理能力提高了 60%。

圖 3：詳細(xì)的熱等效電路

圖 4：在 700 kHz 和 800 LFM 氣流下工作時(shí)， EPC2045降壓轉(zhuǎn)換器結(jié)溫上升與 48 V IN至 12 V OUT 的輸出電流的關(guān)系

汽車(chē)系統(tǒng)中的散熱器改進(jìn)：使用 EPC2206 AEC 認(rèn)證的 eGaN FET 進(jìn)行高密度 48 V 至 12 V 轉(zhuǎn)換

類(lèi)似的方法適用于使用EPC2206 AEC 認(rèn)證的 80 V eGaN FET的 48 V 至 12 V 轉(zhuǎn)換器，以證明該散熱解決方案也可應(yīng)用于具有更大芯片和功率級(jí)的更高功率電路板設(shè)計(jì)。在此示例中，基于汽車(chē)應(yīng)用的更極端環(huán)境條件，最大允許溫升為 60°C。所述EPC9034使用演示板進(jìn)行評(píng)估，與輸出電感器位于離板。添加散熱器會(huì)降低每個(gè) FET 的 R θ,ja 60%，有效地將輸出電流能力從 25 A 加倍到 50 A，如圖 5 所示。初步結(jié)果表明，散熱器的優(yōu)勢(shì)隨著轉(zhuǎn)換器尺寸的增加而增加。本例中僅使用軟導(dǎo)熱墊。添加液隙填料可以進(jìn)一步改進(jìn)。

圖 5：在 125 kHz 和 800 LFM 氣流下工作時(shí)， EPC2206降壓轉(zhuǎn)換器結(jié)溫上升與 48 V IN至 12 V OUT 的輸出電流的關(guān)系

結(jié)論

通過(guò)連接散熱器并利用芯片級(jí)封裝提供的六面冷卻，可以顯著改善使用 eGaN FET 構(gòu)建的高密度轉(zhuǎn)換器的熱限制。本文表明，無(wú)需增加功率級(jí)的占位面積即可實(shí)現(xiàn) 60-100% 的高輸出功率，同時(shí)還能限制組裝期間和組裝后 FET 上的機(jī)械應(yīng)力。結(jié)合 eGaN FET 固有的效率優(yōu)勢(shì)，這種熱性能改進(jìn)是 GaN 推動(dòng)系統(tǒng)性能超越硅能力的另一種方式。

審核編輯：劉清