GaNPX®和PDFN封装器件的热设计

氮化镓(GaN)功率器件系列能够设计出体积更小，成本更低，效率更高的电源系统，从而突破基于硅的传统器件的限制。

这里我们给大家介绍一下GaNPX®和PDFN封装器件的热设计。

*附件：应用笔记GaNPX®封装器件的热设计.pdf

应用笔记--GaNPX®封装器件的热设计

1. 控制器件温度的重要性

• ‌温度对电气参数的影响‌：Rds(on)（导通电阻）和跨导gm随温度升高而增加，导致导通损耗和开关损耗增加。
• ‌热设计目标‌：通过良好的热设计降低结温Tj，防止热失衡，提高系统可靠性和效率。
• ‌实例对比‌：在大功率应用中，GaN Systems的绝缘金属基板(IMS)设计相比FR4 PCB能显著减小散热器体积，提高功率密度。

2. 功耗与散热基础

• ‌功耗机制‌：开关器件的能耗主要包括硬开关、同步整流和零电压软开关模式下的损耗。
• ‌散热方式‌：传导、对流和辐射是三种主要的散热方式，热阻类比于电阻，热容类比于电容。
• ‌结温计算‌：Tj = Ta + P × RθJA，其中RθJA是结到环境的热阻。

3. 顶部散热设计考量

• ‌散热介质材料(TIM)选择‌：关键因素包括绝缘强度、机械强度和成本。
• ‌安装考量‌：推荐使用适当的安装压力和方式，避免PCB弯曲造成的应力。
• ‌电压绝缘距离‌：设计需满足规定的爬电距离和绝缘间隙标准。
• ‌弯曲度与压力测试‌：通过测试确保器件在压力下的变形和漏电流在安全范围内。
• ‌热阻测量‌：通过实验测量结到散热器和结到壳的热阻，评估散热性能。

4. 底部散热设计考量

• ‌FR4 PCB底部散热设计‌：通过散热通孔设计、增加PCB层数和铜厚来降低热阻。
• ‌IMS底部散热设计‌：适用于大功率场合，通过紧凑设计提高功率密度，需注意焊接空洞对散热性能的影响。
• ‌性能比较‌：IMS相比FR4 PCB在热阻方面表现更优，但成本较高。

5. 基于热的考虑来选择器件

• ‌单颗器件散热性能‌：不同封装和散热方式的器件功耗与结温关系图展示了散热设计对系统最大功率的影响。
• ‌并联提高散热性能‌：并联GaN器件可以同时降低电气损耗和热阻，提高系统功率。
• ‌实验证明‌：并联使用GS66516B器件在硬开关情况下能均流高负载电流，且结温温差小。

6. 功耗及热模型

• ‌SPICE模型‌：提供L1和L3两个级别的模型，L3模型包含热模型及封装的寄生电感，适用于热仿真。
• ‌PLECS模型‌：支持器件级和系统级仿真，能够分析寄生参数对开关性能的影响，提供开关损耗、导通损耗等建模工具。
• ‌在线仿真工具‌：GaN Systems提供基于PLECS模型的在线仿真工具，方便用户进行系统设计和优化。

总结

• ‌核心要点‌：良好的散热设计对于提高GaN晶体管和系统的性能至关重要。通过优化顶部和底部散热设计、选择合适的散热材料和安装方式、以及利用功耗和热模型进行仿真分析，可以有效降低器件温度，提高系统效率和可靠性。
• ‌应用建议‌：在实际应用中，应根据具体需求选择合适的封装和散热方案，并利用提供的建模工具进行仿真验证，以确保系统设计的优化和可靠性。