GaN晶体管热管理指南

GaN 晶体管越来越多地用于各个领域：汽车领域、电力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。让我们来看看如何更好地管理不同的操作条件，包括关键的操作条件，以优化电路的性能并获得出色的冷却效果。

GaN 晶体管是当今存在的“最冷”组件之一。即使在高温和极端条件下，其低结电阻也可实现低温和低能量损失。这是这种材料广泛用于许多关键部门的主要原因之一，其中对高电流的需求是主要特权。当然，为了有效的热管理，在设计和建筑层面都可以使用适当的技术。

这些参数取决于温度

在功率 GaN 晶体管中，温度对其起重要作用的组件有两个参数：具有相关工作损耗的R DS(on)和具有相关开关损耗的跨导。

保持低温的原因有很多：

防止在最恶劣的操作条件下发生热失控

总体上减少损失

提高系统性能和效率

增加电路的可靠性

良好的热设计也会对功率密度的变化产生积极影响。选择好的基板肯定有助于更好地散热，因为它可以减少散热器表面，特别是对于电源应用。

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。主要有“ZVS软开关模式”和“硬开关模式”。热传递以三种不同的方式发生：

通过传导，通过直接接触

通过对流，通过流体，例如空气或水

通过辐射，用电磁波

图 1 清楚地总结了传热过程。系统的各个组件就像电阻一样，通过电阻，遇到通道中的障碍物的不是电流，而是热量。从结点到散热器，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。

组装技术

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行为差异。要使用两个 GaN 晶体管，建议使用带有 M3 型螺丝中心孔的小型散热器。这样，两个组件上的压力就平衡了（图 2a）。但是，我们不能夸大 GaN 上的散热器压碎，因为它会导致机械应力危险的增加。如果必须使用更大的散热器，则必须钻两个或更多孔，以尽量减少安装支架的弯曲或扭曲（图 2b）。SMD 元件是受弯曲影响最大的元件。孔应靠近开关元件，以增加对较冷表面的附着力。

图 2：使用带有 GaN 的散热器

虽然电源电路的设计是一门成熟的艺术，但应始终牢记法规。对于散热器，必须满足有关散热标准以及电路上元件和走线的最小距离的要求。在距离必须满足监管标准的区域，必须使用热界面材料 (TIM) 来覆盖散热器的边缘。这是为了改善两部分之间的热耦合。还要避免在 GaN 器件附近放置通孔组件 (THC)。为了优化空间，可以使用底座来升高散热器，以便将表面贴装 (SMT) 组件定位在散热器本身的正下方（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，可以并联几个 GaN 晶体管，如图 4所示。负载可以非常强大，开关电流可以大大提高。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，即使是冷却系统也必须非常有效。不同的实验会导致不同的散热系统，其中包括以下测试：

无散热片的自然对流

带有独立散热片的强制冷风

强制冷风与普通散热器并联

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。事实上，通过GaN 晶体管之间的并联连接降低热阻，这一结果是可能的。

图 4：并联 GaN 晶体管可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（见图 5）。对于热实现的操作，必须使用第二个模型。然而，在这种情况下，寄生电感会高得多。下面我们来详细看看这两种型号的区别：

L1 型号有四个端子（G、D、S、SS）。它用于模拟器处理速度处于前台的通用开关模拟。

L3 型号有六个端子（G、D、S、SS、Tc、Tj）。添加了热模型和寄生电感模型。

该模型基于组件的物理特性和设备的结构。引脚 Tj 可用作输入或输出，具体取决于仿真目的。通过这种方式，可以进行两种不同类型的研究：

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

用作输出时，引脚 Tj 可以在静态和瞬态模式下进行验证。

图 5：GaN 晶体管的 SPICE 模型

结论

GaN 晶体管提供出色的结果和出色的热可能性。为了实现最大的功率性能，即使以千瓦为单位，也必须最大限度地提高项目的电气和热质量。如果对系统进行适当的分析和实施，它实际上可以在相对较低的温度下处理非常高的功率。要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 器件的平行化以及开关频率。市场上的 GaN 晶体管示例越来越多，其特点是支持更高的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。



审核编辑：刘清