【導(dǎo)讀】在任何電力電子轉(zhuǎn)換器中，熱設(shè)計(jì)都是一項(xiàng)重要的考慮因素。熱設(shè)計(jì)經(jīng)優(yōu)化后，工程師能夠?qū)?GaN 用于各種功率級(jí)別、拓?fù)浜蛻?yīng)用中。此應(yīng)用手冊(cè)論述了 TI LMG341XRxxx GaN 功率級(jí)系列非常重要的權(quán)衡標(biāo)準(zhǔn)和注意事項(xiàng)，包括 PCB 布局、熱界面、散熱器選擇和安裝方法指南。還將提供使用 50mΩ 和 70mΩ GaN 器件的設(shè)計(jì)示例。
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1。
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(guò)孔、翅片散熱器以及足夠的氣流，因此，通過(guò)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(guò)多個(gè)散熱過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)改變電介質(zhì) 2 的厚度來(lái)增加或降低電路板厚度。考慮到關(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 2-2. 4 層電路板的層堆疊示例
對(duì)于 1kW 以上的更高功率級(jí)別，TI 建議最小厚度為 47mil，以防電路板翹曲并適應(yīng)不同的散熱器安裝方法。在這種情況下，電介質(zhì) 2 厚度增至 25.8mil。
2.2.3 散熱過(guò)孔數(shù)量
FR-4 是一種性能較差的導(dǎo)熱材料。可通過(guò)電鍍散熱過(guò)孔提高其導(dǎo)熱性。散熱過(guò)孔直徑通常為 8mil 至 12mil，應(yīng)置于 GaN 封裝的散熱焊盤下方。LMG3410R050-HB-EVM 上的散熱過(guò)孔如圖 2-1 所示。每個(gè) GaN 有 71 個(gè)過(guò)孔，孔大小為 8mil。包括內(nèi)部各層在內(nèi)的所有層都具有散熱平面，可優(yōu)化散熱和傳熱。
為了提高電源環(huán)路電感，器件散熱焊盤下面的整個(gè)平面不應(yīng)有散熱過(guò)孔。原因是為了在中間層 1 和器件下方返回電源回路，從而更大程度地減小電源環(huán)路電感，如應(yīng)用手冊(cè)《LMG3410 智能 GaN FET 高電壓半橋設(shè)計(jì)指南》(SNOA946) 所述。
2.2.4 PCB 熱阻
PCB 的總熱阻與并聯(lián)導(dǎo)熱的散熱過(guò)孔的等效熱阻接近。工程師可使用公式 3 來(lái)計(jì)算每個(gè)過(guò)孔的熱阻。
Rvia = Resistivity × L / A (3)
其中
• L 和 A 分別表示散熱過(guò)孔的長(zhǎng)度和面積
鍍銅的熱阻率為 0.249cm-K/W（在 300K 下）。過(guò)孔長(zhǎng)度約等于電路板厚度。計(jì)算過(guò)孔壁鍍銅的導(dǎo)熱面積時(shí)，使用公式 4：
A = (dia + pthk) × pthk × π (4)
其中
• dia 和 pthk 分別表示直徑和鍍銅壁厚
典型過(guò)孔的鍍銅厚度為 25µm。使用公式 3 和公式 4 計(jì)算，LMG3410R050 HB-EVM 電路板中單個(gè)散熱過(guò)孔的熱阻是 166°C/W，因此 PCB 的總熱阻是 2.33°C/W。同樣，LMG3410R070 HB-EVM 電路板有 39 個(gè)過(guò)孔，其直徑為 12mil，板厚為 32mil，總熱阻為 2°C/W。此估算是基于使用導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂填充過(guò)孔。為了獲得更好的熱性能，可以考慮使用成本較高的銅填充過(guò)孔。
2.3 熱界面材料 (TIM)
熱界面材料 (TIM) 用于對(duì)散熱器進(jìn)行熱耦合，并使散熱器與 PCB 的底部銅層實(shí)現(xiàn)電氣絕緣。要形成良好的散熱界面，需要一定的厚度進(jìn)行間隙填充。
常用的 TIM 如表 2-1 所示，包括：
• 粘合劑：這種類型的 TIM 不需要恒定的壓力，但由于添加了粘合劑，這類材料通常具有低熱導(dǎo)率。
• 導(dǎo)熱墊：通常具有良好的導(dǎo)熱能力，但在接觸界面處（PCB 至 TIM 和散熱器至 TIM）具有較高熱阻。安裝導(dǎo)熱墊時(shí)，需要在散熱器和 PCB 之間保持壓力恒定。
• 相變材料：這種 TIM 的導(dǎo)熱性介于粘合劑和導(dǎo)熱墊之間，但能夠?qū)⒔佑|界面弄濕，從而提供穩(wěn)定性能。它還需要加壓安裝散熱器。
間隙填充材料具有超高的導(dǎo)熱性，但厚度較大。這種材料受壓可壓縮高達(dá) 50%，從而顯著降低熱阻。然而，100psi 以上的較大壓力可能導(dǎo)致電路板翹曲和 PCB 的機(jī)械故障。底部銅層上壓力不均也會(huì)導(dǎo)致 GaN FET 的熱阻和溫度不均。另一方面，相變材料不需要較大的壓力，因?yàn)槠錈嶙璨粫?huì)隨壓力的變化而顯著變化。
雖然，粘合劑 TIM 的熱阻比其他兩類材料的大。但它是采用較小散熱器的幾個(gè)替代方案之一（將在節(jié) 2.4 中說(shuō)明），而且其組裝流程更簡(jiǎn)單。
比較和選擇 TIM 的一個(gè)實(shí)用方法是，測(cè)量結(jié)至 TIM 表面的熱阻，即 Rθj-s（如圖 1-1 所示）。表 2-1 匯總了我們的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果。在選擇過(guò)程中還應(yīng)考慮成本。
表 2-1: TIM 屬性和性能比較
對(duì)于某些可使用封閉金屬外殼抑制輻射 EMI 的應(yīng)用，導(dǎo)熱油脂等非隔熱 TIM 或直接焊接散熱器對(duì)于顯著降低熱阻是可行的。將散熱器直接焊接到 PCB 時(shí)，需要對(duì)鋁散熱器底板電鍍錫鉛或銀。這是一種定制設(shè)計(jì)方法，成本可能比使用導(dǎo)熱油脂要高。
2.4 散熱器
散熱器是熱管理中非常重要的因素之一，它影響著系統(tǒng)的總功率密度。對(duì)于 1kW 以下的低功耗應(yīng)用，散熱器尺寸通常小于 30mm × 30mm。由于難以找到適用于這些較小散熱器的安裝機(jī)制，因此通常使用粘合劑 TIM。
在 1kW 以上的較高功率級(jí)別下，熱管理性能變得更加重要。對(duì)于尺寸為 30mm × 30mm 及更大的散熱器，附有推針的散熱器可與導(dǎo)熱性更好的 TIM 耦合。對(duì)于尺寸為 35mm × 35mm 以上的散熱器，優(yōu)先選擇具有固定引腳的QSZ 夾。附有推針的散熱器有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即可以使用彈簧和推針組合輕松調(diào)節(jié)壓力。作用力不是均勻分布的，散熱器中間的壓力最小，而各個(gè)角的壓力最大。
另一方面，QSZ 夾具有在散熱器中間活動(dòng)的條塊，用于將散熱器基板向下推至下面的熱界面。這使整個(gè)界面保持相對(duì)恒定的壓力，并提供比角安裝機(jī)制更一致的熱界面。然而，施加的壓力太高會(huì)使 PCB 翹曲，這決定了子卡PCB 的厚度。PCB 越厚，PCB 堆疊上的熱阻越高。所以，TI 推薦工程師將附有推針的散熱器用于子卡設(shè)計(jì)，并在主板上安裝 GaN FET 的應(yīng)用中使用帶固定引腳的 QSZ 夾。 表 2-2 總結(jié)了以上關(guān)于散熱器的討論。
表 2-2: 散熱器安裝機(jī)制
3 設(shè)計(jì)示例：圖騰柱 PFC 轉(zhuǎn)換器
圖騰柱 (TP) 功率因數(shù)校正 (PFC) 是一種常見(jiàn)的電源拓?fù)洌m用于各種工業(yè)、電信和服務(wù)器應(yīng)用中基于 GaN 的轉(zhuǎn)換器。熱管理在實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)的系統(tǒng)效率和功率密度目標(biāo)方面發(fā)揮著重要作用。表 3-1 匯總了典型的系統(tǒng)規(guī)格。
表 3-1: TP PFC 轉(zhuǎn)換器運(yùn)行規(guī)格
3.1 針對(duì) 1.2kW 以下設(shè)計(jì)的散熱和性能優(yōu)化
對(duì)于這些應(yīng)用，使用粘合劑 TIM 安裝的較小散熱器通常便已足夠。圖 3-1 所示的 LMG3410R070-HB-EVM 電路板在設(shè)計(jì)時(shí)使用了 32mil 厚的電路板（具有 39 個(gè)過(guò)孔，過(guò)孔直徑為 12mil，用于高側(cè) GaN FET 的熱傳遞，TIM 為Bondply-100）。
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(jiàn)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(shuō)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。
表 3-3: LMG3410R070-HB-EVM 針對(duì)各功率級(jí)別所需的冷卻
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(guò)Gr-45A 導(dǎo)熱墊 TIM 和 47mil 的電路板厚度來(lái)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(guò)孔直徑設(shè)為 8mil，并采用 71 個(gè)散熱過(guò)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)
表 3-4: LMG3410R050-HB-EVM 在 400LFM 強(qiáng)制空氣冷卻下的熱阻
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。
表 3-5: LMG3410R050-HB-EVM 針對(duì)各功率級(jí)別所需的冷卻
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。
5 參考文獻(xiàn)
• Eric Faraci 和 Jie Mao，《LMG3410 智能 GaN FET 高壓半橋設(shè)計(jì)指南》，TI 應(yīng)用報(bào)告 (SNOA946)
6 修訂歷史記錄
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