功率GaN晶体管中的散热设计指南

GaN晶体管越来越多地用于各个领域：汽车领域中的电源供应以及电流的转换和使用。这些组件将很快取代它们各自的前身。让我们看一下如何更好地管理包括临界条件在内的不同工作条件，以优化电路性能并获得出色的散热效果。

GaN晶体管是当今存在的“最冷”组件之一。它的低结电阻即使在高温和极端条件下也可实现低温和低能量损耗。这是该材料广泛用于许多关键领域的主要原因之一，在这些关键领域中，对大电流的需求是主要特权。为了进行有效的热管理，当然在设计和建筑层面上都需要使用适当的技术。

这些参数取决于温度

在功率GaN晶体管中，器件的两个参数对温度起着重要作用：RDS（on）具有相关的工作损耗，跨导具有相关的开关损耗。

维持低温的原因很多：

• 在最恶劣的工作条件下防止热失控
• 总体上减少损失
• 提高系统性能和效率
• 增加电路的可靠性

良好的散热设计也会对功率密度的变化产生积极影响。选择良好的基板肯定会通过减少散热器表面（特别是在功率应用中）减少散热面，从而有助于更好地散热。

切换方式

不同开关方法的实施不可避免地意味着设计上的差异，尤其是最终性能上的差异。主要的是“ ZVS软切换模式”和“硬切换模式”。传热以三种不同方式发生：

• 通过传导，通过直接接触
• 通过对流，借助空气或水等流体
• 通过电磁波辐射

图1清楚地总结了传热过程。系统的各个组件的行为就像电阻一样，通过电流遇到障碍的不是电流，而是热量。从结到散热器，热量通过传导发生，而从散热器到周围环境，则通过对流发生。

图1：热量通过各种方式从结点转移到周围环境。

组装技巧

GaN在PCB上的物理安装对位置，电气和战略层面的散热程度具有决定性的影响。在相同的工作条件下，组件和散热器的不同位置决定了整个系统的热性能差异。要使用两个GaN晶体管，建议使用带有M3型螺孔的小散热器。这样，两个组件上的压力达到平衡（图2a）。但是，我们绝不能夸大GaN上散热器的挤压，因为这会导致机械应力的危险增加。如果必须使用更大的散热器，则必须钻两个或多个孔，以最大程度地减少安装支架的弯曲或扭曲（图2b）。）。SMD组件是受弯折影响最大的组件。应在开关组件附近开孔，以增加对较冷表面的附着力。

图2：将散热器与GaN配合使用

尽管电源电路的设计是成熟的技术，但应始终牢记法规。使用散热器时，必须满足有关散热的标准以及电路上组件和走线的最小距离所规定的要求。在距离必须符合法规标准的区域，必须使用热界面材料（TIM）覆盖散热器的边缘。这是为了改善两个部分之间的热耦合。还要避免在GaN器件附近放置通孔组件（THC）。为了优化空间，可以使用基座升高散热器，以允许将表面安装（SMT）组件放置在散热器本身的正下方（请参见图3）。

图3：升高散热器可优化空间。

GaN的并联

为了显着提高电路的功率，可以并联连接多个GaN晶体管，如图4所示。负载可能非常强大，并且开关电流会大大增加。创建了一个非常有效的热网络，其中热阻和电阻都急剧下降。使用这些方法，即使冷却系统也必须非常有效。不同的实验可能导致不同的散热系统，其中包括以下测试：

• 自然对流，无散热器
• 带独立散热器的强制冷空气
• 强制冷气与普通散热器并联

通过将设备的最佳特性与最佳散热解决方案相结合，可以增加系统可以达到的最大功率。实际上，通过通过GaN晶体管之间的并联连接降低热阻，可以实现该结果。

图4：并联连接GaN晶体管会增加功率并降低电阻。

SPICE模型

GaN Systems提供两种不同的SPICE模型，即L1和L3模型（参见图5）。对于带有热实施的操作，必须使用第二个模型。然而，在这种情况下，寄生电感将更高。让我们详细了解两种类型的模型之间的区别：

L1模型具有四个端子（G，D，S，SS）。它用于一般开关仿真，其中仿真器的处理速度是最重要的。

L3模型具有六个端子（G，D，S，SS，Tc，Tj）。加上了热模型和寄生电感模型。

该模型基于组件的物理特征和设备的结构。根据模拟的目的，引脚Tj可以用作输入或输出。通过这种方式，可以执行两种不同类型的研究：

用作输入时，可以将引脚Tj设置为恒定值，以检查特定Tj值下的E（开）/ E（关）比。

用作输出时，可以在静态和瞬态模式下验证引脚Tj。

图5：GaN晶体管的SPICE模型

结论

GaN晶体管可提供出色的结果以及出色的散热性能。为了获得最大的功率性能（甚至以千瓦为单位），必须最大化项目的电气和热质量。如果对系统进行了正确的分析和实施，它实际上可以在相对较低的温度下处理非常高的功率。所使用的技术涉及各种参数，例如散热器的位置，形状和高度，焊缝的形状和尺寸，GaN器件的平行度以及开关频率。GaN晶体管的例子在市场上越来越多，其特点是更高的支持电压和电流以及更低的结电阻，以满足高功率领域公司的所有要求和需求。

编辑：hfy