关于GaN功率级设计的散热注意事项与总结

1 简介

GaN FET 实现了高频电源转换器设计。凭借出色的开关特性和零反向恢复损耗，这种轻量级设计具有更高的功率密度和更小的尺寸。为了充分利用 GaN 的快速开关速度，需要更大限度地减小电源环路电感。这需要仔细考虑PCB 布局，并对 GaN FET 采用电感超低的封装。TI 的 LMG341XRxxx 系列采用 8mm × 8mm 低电感底面冷却的QFN 封装，可实现开关速度高于 100V/ns。良好的热设计对于电力电子转换器非常重要。理想的热传递应在热量流程中提供良好的导热性和超低的热阻。图 1-1 显示了典型的等效热电路，其中包括 GaN FET 的结至外壳热阻、PCB、热界面材料 （TIM） 和散热器。GaN FET 的结温是功率损耗和结至空气总热阻的函数。结温估算值为方程式。

Tj=PLoss × Rθj-a + Tamb （1）

其中

• Tj 是结温

• PLoss 是总耗散功率

• Rθj-a 是总热阻

• Tamb 是环境温度

工程师可使用公式 2 估算 Rθj-a。

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

其中

• Rθj-c（bottom） 是芯片结与封装 DAP 之间的热阻

• RθPCB 是 PCB 的热阻

• RθTIM 是 TIM 的热阻

• Rθhs 是散热器的热阻

图 1-1 PCB 的 QFN 封装（绿色）、TIM（蓝色）和散热器（灰色）

与强制冷却应用中底部路径的热阻相比，顶部路径的热阻（如图 1-1 中的虚线箭头所示）是最小的。典型底部冷却配置使用了散热过孔、翅片散热器以及足够的气流，因此，通过顶部路径的耗散热量低于 10%。

2 散热注意事项

2.1 封装热阻

TI 的 LMG341XRxxx GaN 功率级采用低电感 QFN 封装，可避免长引线和键合线产生高电感，从而实现快速开关速度。器件底部的散热焊盘焊接在电路板上，用于将热量从结有效传递至 PCB 上。结至外壳的典型热阻为0.5°C/W。

2.2 PCB 堆叠

结的热量从散热焊盘传递到 PCB 的顶层，然后通过多个散热过孔传递到 PCB 的底层。PCB 的热阻是电路板厚度、各层铜厚、方向和散热过孔数量的函数。

2.2.1 各层铜厚

顶部铜层充当均热片。随着铜层面积的增加，垂直方向的有效热阻会降低。散热超过某一点后会达到饱和，该点具体取决于铜厚度。所以，大而厚的顶部铜层大于散热焊盘面积是有利的。图 2-1 所示为 LMG3410R050-HBEVM电路板顶部铜层（以红色显示）上的均热片示例。

内部铜层分散了热通量并增加了热传导面积。底部的铜层与 TIM 接触。底层铜区域必须包含位于顶部铜层上的散热平面区域，并且具有足够的铜厚度以进行散热。出于这些原因，TI 建议工程师每层的铜用量至少为 2oz。为了减少热阻，还必须除去此散热平面的阻焊层。

图 2-1 LMG341X GaN 功率级的散热焊盘和 LMG3410R050-HB-EVM 的顶部铜层均热片

2.2.2 电路板厚度

电路板厚度由层数和层厚、电气布线以及机械强度要求决定，并直接影响从 GaN 封装到 TIM 表面间的总热阻。热阻随着电路板厚度的增加呈线性增加。

为了更大限度地减小电源环路电感，建议使用 4 层电路板，以便从相邻层返回电源环路。图 2-2 所示为一个电路板层堆叠示例。通常情况下，通过改变电介质 2 的厚度来增加或降低电路板厚度。考虑到关键信号的信号完整性和对开关节点添加的寄生电容，最小厚度取决于相邻层的信号隔离要求。对于 1kW 以下的低功率级别，推荐 2oz厚铜板的最小厚度为 32mil，其中电介质 2 厚度为 10.6mil。

图3-1 1.2kW 半桥设计

利用电路板的这些参数，测得的结至散热器热阻约为 8°C/W，因此 TIM 本身在 400LFM 强制空气冷却下的热阻应约为 5.5°C/W，详见表 3-2 概述。为了在 100kHz 开关频率下实现 1.2kW 功率，选择了 20mm × 20mm × 10mm散热器，它能为每个 FET 提供的结至环境热阻约为 16.4°C/W。

表 3-2： LMG3410R070-HB-EVM 在 400LFM 强制空气冷却下的热阻

利用 20mm × 20mm × 10mm 散热器，LMG3410R070-HB-EVM 电路板的预期功率损耗和估算结温绘制于图 3-2和图 3-3 中。这些曲线说明了 LMG3410R070-HB-EVM 在 TP PFC 应用中采用表 3-1 规格后的预期结果。

图 3-2 TP PFC 应用中 LMG3410R070-HB-EVM 电路板在 400LFM 冷却下的功率损耗

图 3-3. TP PFC 应用中高侧 LMG3410R070 在 400LFM 冷却下的结温

LMG3410R070-HB-EVM 专为使用粘合剂 TIM 的 1.2kW 应用而设计。 表 3-3 显示了 LMG3410R070-HB-EVM 电路板在各种功率级别下所需的空气冷却。

3.2 针对 1.2kW 以上设计的散热和性能优化

用于更高功率应用的热管理设计需要更好的 TIM 和更大的散热器。图 3-4 所示的 LMG3410R050-HB-EVM，通过Gr-45A 导热垫 TIM 和 47mil 的电路板厚度来避免电路板发生任何翘曲。导热垫具有更低的成本和相似的热性能，

所以比相变 TIM 更胜一筹。为了实现约 2.3°C/W 的电路板热阻，过孔直径设为 8mil，并采用 71 个散热过孔。

TIM 热阻约为 3.2°C/W。采用 30mm × 30mm × 20mm 推针散热器时，每个 FET 的结至空气总热阻为 9.2°C/W，如表 3-4 所述。
        　　

　　图 3-4. 2kW 半桥设计

　　

　　基于表 3-3 所述的 LMG3410R050-HB-EVM 热堆叠，图 3-5 和图 3-6 显示了高侧 GaN FET 的预期功率损耗和结温。这些曲线提供了有关 LMG3410R050-HB-EVM 在 TP PFC 应用中的预期结果信息。

　　

　　图 3-5. TP PFC 应用中 LMG3410R050-HB-EVM 电路板在 400LFM 冷却下的功率损耗

　　

　　图 3-6. TP PFC 应用中高侧 LMG3410R050 在 400LFM 冷却下的结温

　　LMG3410R050-HB-EVM 专为使用导热垫的 2kW 应用而设计。 表 3-5 显示了 LMG3410R050-HB-EVM 电路板在各种功率级别下所需的空气冷却。

　　

　　4 总结

　　热性能与影响电源转换器效率、可靠性和功率密度的电气和磁性元件性能同样重要。这篇文章简要介绍了每个元件的热堆叠和优化，包括 PCB、热界面材料和散热器。该指南以图腾柱 PFC 为例，重点介绍了使用LMG3410R070 的 1.2kW 半桥设计以及使用 LMG3410R050 的 2kW 设计。该指南还讨论了 GaN FET 在所设计EVM 中的预期半桥功率损耗和结温，以及在不同功率级别下所需的空气冷却。
编辑：lyn