關(guān)于GaN功率級(jí)設(shè)計(jì)的散熱注意事項(xiàng)與總結(jié)

1 簡(jiǎn)介

GaN FET 實(shí)現(xiàn)了高頻電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。憑借出色的開關(guān)特性和零反向恢復(fù)損耗，這種輕量級(jí)設(shè)計(jì)具有更高的功率密度和更小的尺寸。為了充分利用 GaN 的快速開關(guān)速度，需要更大限度地減小電源環(huán)路電感。這需要仔細(xì)考慮PCB 布局，并對(duì) GaN FET 采用電感超低的封裝。TI 的 LMG341XRxxx 系列采用 8mm × 8mm 低電感底面冷卻的QFN 封裝，可實(shí)現(xiàn)開關(guān)速度高于 100V/ns。良好的熱設(shè)計(jì)對(duì)于電力電子轉(zhuǎn)換器非常重要。理想的熱傳遞應(yīng)在熱量流程中提供良好的導(dǎo)熱性和超低的熱阻。圖 1-1 顯示了典型的等效熱電路，其中包括 GaN FET 的結(jié)至外殼熱阻、PCB、熱界面材料 （TIM） 和散熱器。GaN FET 的結(jié)溫是功率損耗和結(jié)至空氣總熱阻的函數(shù)。結(jié)溫估算值為方程式。

Tj=PLoss × Rθj-a + Tamb （1）

其中

? Tj 是結(jié)溫

? PLoss 是總耗散功率

? Rθj-a 是總熱阻

? Tamb 是環(huán)境溫度

工程師可使用公式 2 估算 Rθj-a。

Rθj-a= Rθj-c（bottom） + RθPCB + RθTIM + Rθhs （2）

其中

? Rθj-c（bottom） 是芯片結(jié)與封裝 DAP 之間的熱阻

? RθPCB 是 PCB 的熱阻

? RθTIM 是 TIM 的熱阻

? Rθhs 是散熱器的熱阻

圖 1-1 PCB 的 QFN 封裝（綠色）、TIM（藍(lán)色）和散熱器（灰色）

與強(qiáng)制冷卻應(yīng)用中底部路徑的熱阻相比，頂部路徑的熱阻（如圖 1-1 中的虛線箭頭所示）是最小的。典型底部冷卻配置使用了散熱過孔、翅片散熱器以及足夠的氣流，因此，通過頂部路徑的耗散熱量低于 10%。

2 散熱注意事項(xiàng)

2.1 封裝熱阻

TI 的 LMG341XRxxx GaN 功率級(jí)采用低電感 QFN 封裝，可避免長(zhǎng)引線和鍵合線產(chǎn)生高電感，從而實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)速度。器件底部的散熱焊盤焊接在電路板上，用于將熱量從結(jié)有效傳遞至 PCB 上。結(jié)至外殼的典型熱阻為0.5°C/W。

2.2 PCB 堆疊

結(jié)的熱量從散熱焊盤傳遞到 PCB 的頂層，然后通過多個(gè)散熱過孔傳遞到 PCB 的底層。PCB 的熱阻是電路板厚度、各層銅厚、方向和散熱過孔數(shù)量的函數(shù)。

2.2.1 各層銅厚

頂部銅層充當(dāng)均熱片。隨著銅層面積的增加，垂直方向的有效熱阻會(huì)降低。散熱超過某一點(diǎn)后會(huì)達(dá)到飽和，該點(diǎn)具體取決于銅厚度。所以，大而厚的頂部銅層大于散熱焊盤面積是有利的。圖 2-1 所示為 LMG3410R050-HBEVM電路板頂部銅層（以紅色顯示）上的均熱片示例。

內(nèi)部銅層分散了熱通量并增加了熱傳導(dǎo)面積。底部的銅層與 TIM 接觸。底層銅區(qū)域必須包含位于頂部銅層上的散熱平面區(qū)域，并且具有足夠的銅厚度以進(jìn)行散熱。出于這些原因，TI 建議工程師每層的銅用量至少為 2oz。為了減少熱阻，還必須除去此散熱平面的阻焊層。

圖 2-1 LMG341X GaN 功率級(jí)的散熱焊盤和 LMG3410R050-HB-EVM 的頂部銅層均熱片

2.2.2 電路板厚度

電路板厚度由層數(shù)和層厚、電氣布線以及機(jī)械強(qiáng)度要求決定，并直接影響從 GaN 封裝到 TIM 表面間的總熱阻。熱阻隨著電路板厚度的增加呈線性增加。

為了更大限度地減小電源環(huán)路電感，建議使用 4 層電路板，以便從相鄰層返回電源環(huán)路。圖 2-2 所示為一個(gè)電路板層堆疊示例。通常情況下，通過改變電介質(zhì) 2 的厚度來增加或降低電路板厚度?？紤]到關(guān)鍵信號(hào)的信號(hào)完整性和對(duì)開關(guān)節(jié)點(diǎn)添加的寄生電容，最小厚度取決于相鄰層的信號(hào)隔離要求。對(duì)于 1kW 以下的低功率級(jí)別，推薦 2oz厚銅板的最小厚度為 32mil，其中電介質(zhì) 2 厚度為 10.6mil。

圖3-1 1.2kW 半橋設(shè)計(jì)

利用電路板的這些參數(shù)，測(cè)得的結(jié)至散熱器熱阻約為 8°C/W，因此 TIM 本身在 400LFM 強(qiáng)制空氣冷卻下的熱阻應(yīng)約為 5.5°C/W，詳見表 3-2 概述。為了在 100kHz 開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn) 1.2kW 功率，選擇了 20mm × 20mm × 10mm散熱器，它能為每個(gè) FET 提供的結(jié)至環(huán)境熱阻約為 16.4°C/W。

表 3-2： LMG3410R070-HB-EVM 在 400LFM 強(qiáng)制空氣冷卻下的熱阻

利用 20mm × 20mm × 10mm 散熱器，LMG3410R070-HB-EVM 電路板的預(yù)期功率損耗和估算結(jié)溫繪制于圖 3-2和圖 3-3 中。這些曲線說明了 LMG3410R070-HB-EVM 在 TP PFC 應(yīng)用中采用表 3-1 規(guī)格后的預(yù)期結(jié)果。

圖 3-2 TP PFC 應(yīng)用中 LMG3410R070-HB-EVM 電路板在 400LFM 冷卻下的功率損耗

圖 3-3. TP PFC 應(yīng)用中高側(cè) LMG3410R070 在 400LFM 冷卻下的結(jié)溫

LMG3410R070-HB-EVM 專為使用粘合劑 TIM 的 1.2kW 應(yīng)用而設(shè)計(jì)。 表 3-3 顯示了 LMG3410R070-HB-EVM 電路板在各種功率級(jí)別下所需的空氣冷卻。

3.2 針對(duì) 1.2kW 以上設(shè)計(jì)的散熱和性能優(yōu)化

用于更高功率應(yīng)用的熱管理設(shè)計(jì)需要更好的 TIM 和更大的散熱器。圖 3-4 所示的 LMG3410R050-HB-EVM，通過Gr-45A 導(dǎo)熱墊 TIM 和 47mil 的電路板厚度來避免電路板發(fā)生任何翹曲。導(dǎo)熱墊具有更低的成本和相似的熱性能，

所以比相變 TIM 更勝一籌。為了實(shí)現(xiàn)約 2.3°C/W 的電路板熱阻，過孔直徑設(shè)為 8mil，并采用 71 個(gè)散熱過孔。

TIM 熱阻約為 3.2°C/W。采用 30mm × 30mm × 20mm 推針散熱器時(shí)，每個(gè) FET 的結(jié)至空氣總熱阻為 9.2°C/W，如表 3-4 所述。

圖 3-4. 2kW 半橋設(shè)計(jì)

基于表 3-3 所述的 LMG3410R050-HB-EVM 熱堆疊，圖 3-5 和圖 3-6 顯示了高側(cè) GaN FET 的預(yù)期功率損耗和結(jié)溫。這些曲線提供了有關(guān) LMG3410R050-HB-EVM 在 TP PFC 應(yīng)用中的預(yù)期結(jié)果信息。

圖 3-5. TP PFC 應(yīng)用中 LMG3410R050-HB-EVM 電路板在 400LFM 冷卻下的功率損耗

圖 3-6. TP PFC 應(yīng)用中高側(cè) LMG3410R050 在 400LFM 冷卻下的結(jié)溫

LMG3410R050-HB-EVM 專為使用導(dǎo)熱墊的 2kW 應(yīng)用而設(shè)計(jì)。 表 3-5 顯示了 LMG3410R050-HB-EVM 電路板在各種功率級(jí)別下所需的空氣冷卻。

4 總結(jié)

熱性能與影響電源轉(zhuǎn)換器效率、可靠性和功率密度的電氣和磁性元件性能同樣重要。這篇文章簡(jiǎn)要介紹了每個(gè)元件的熱堆疊和優(yōu)化，包括 PCB、熱界面材料和散熱器。該指南以圖騰柱 PFC 為例，重點(diǎn)介紹了使用LMG3410R070 的 1.2kW 半橋設(shè)計(jì)以及使用 LMG3410R050 的 2kW 設(shè)計(jì)。該指南還討論了 GaN FET 在所設(shè)計(jì)EVM 中的預(yù)期半橋功率損耗和結(jié)溫，以及在不同功率級(jí)別下所需的空氣冷卻。
編輯：lyn