高密度GaN基功率级的热设计

由于 eGaN FET 和 IC 具有紧凑的尺寸、超快速开关和低导通电阻，因此能够实现非常高密度的功率转换器设计。大多数高密度转换器中输出功率的限制因素是结温，这促使需要更有效的热设计。eGaN FET 和 IC 的芯片级封装提供六面冷却，从管芯的底部、顶部和侧面有效地排出热量。本文介绍了一种高性能热解决方案，以扩展基于 eGaN 的转换器的输出电流能力。

六面散热散热解决方案

图 1中描绘的散热解决方案能够从芯片级 eGaN FET 中实现出色的散热。

图 1：芯片级 eGaN FET 散热解决方案的简化横截面，突出显示热流路径和机械组装

散热器使用螺钉和塑料垫片以机械方式连接到电路板上，封闭了一个填充有电绝缘热界面材料 (TIM) 的区域。TIM 将热量从 FET 的顶部和侧面直接传导到散热器。由于 R θ,jc非常低，这提供了最有效的热路径eGaN FET 和 IC。同时，FET 将热量通过焊料凸点传导至 PCB 铜，热量也通过 TIM 传导至散热器。额外的热量通过 PCB 底部的对流散发。仔细选择垫片的高度和导热垫的厚度，以防止 eGaN FET 上的机械应力过大。散热器和 FET 之间的 TIM 厚度应保持最小，以提供最低的热阻。但是，在选择垫片厚度时，必须考虑垫片封闭内所有组件的最大高度，包括 FET、电容器和栅极驱动器。在此分析中，高度容差和模具倾斜可能都是重要的因素。

设计灵活性

TIM 可以由软热垫（例如，t-Global TG-X）、液体间隙填充物（例如，Berquist GF4000）或两者的组合组成。单独的液体间隙填充物可用作 TIM，从而对 FET 施加接近零的压缩力，但是导热垫通常具有优异的导热性。类似地，可以在没有液体间隙填充物的情况下使用导热垫，但此选项不提供从 FET 或 PCB 侧面到散热器的热传导。图 1 中的散热解决方案显示了如何实施两种 TIM 以实现最有效的散热路径，同时最大限度地减少 FET 上的机械应力。

设计示例：使用 EPC2045 eGaN FET 的高密度 48 V 至 12 V 转换

使用图 2所示的设计示例对所提出的散热解决方案进行了实验演示，该示例类似于EPC9205 GaN 功率模块。这款高密度降压转换器使用100 V EPC2045 eGaN FET ，在 700 kHz 开关频率下将 48 V 转换为 12 V 时可实现 96.4% 的峰值效率，并且可以在低于 100°C 的情况下输出高达 12 A 的电流结温升高。

图 2：使用塑料垫片、液隙填充物、热界面垫和散热器实施热设计的机械组装步骤

图 2 显示了用于组装此热设计的分步指南：

尼龙垫片用于封闭功率级并为散热器提供机械支撑。本示例中的垫片高度为 1.02 毫米，比 EPC2045 的安装高度高 0.13 毫米（图 2a）。

由垫片包围的功率级区域然后被液体间隙填充物覆盖（图 2b）。

软热界面垫连接到散热器的底部。在此示例中，垫在压缩前的厚度为 0.5 毫米（图 2c）。

最后，将散热器和焊盘放置在液体间隙填料的顶部，并使用两个螺钉将其牢固地夹在尼龙垫片上。多余的间隙填料被清除，剩余部分固化成固体形式（图 2d）。

审核编辑：刘清