大多數高密度功率轉換器的限制因素是結溫，這促使需要更有效的熱設計。eGaN FET 和 IC 的芯片級封裝提供六面冷卻，從管芯的底部、頂部和側面充分散熱。高性能熱設計可以保證基于 eGaN 的功率轉換器設計具有更高的輸出功率，具有緊湊的尺寸和低導通電阻。

六面散熱散熱解決方案

圖 1 中描述的散熱解決方案能夠從芯片級 eGaN FET 中出色地提取熱量，如之前在 [ 1 ] 和 [ 2 ] 中所展示的那樣。

圖 1：芯片級 eGaN FET 散熱解決方案的簡化橫截面，突出顯示熱流路徑和機械組裝

散熱器使用螺釘和塑料墊片以機械方式連接到電路板上，封閉了一個填充有電絕緣熱界面材料 (TIM) 的區(qū)域。TIM 將熱量從 FET 的頂部和側面直接傳導到散熱器。由于 R θ,jc非常低，這提供了最有效的熱路徑eGaN FET 和 IC。同時，F(xiàn)ET 將熱量通過焊料凸點傳導至 PCB 銅，熱量也通過 TIM 傳導至散熱器。額外的熱量通過 PCB 底部的對流散發(fā)。仔細選擇墊片的高度和導熱墊的厚度，以防止 eGaN FET 上的機械應力過大。散熱器和 FET 之間的 TIM 厚度應保持最小，以提供最低的熱阻。但是，在選擇墊片厚度時，必須考慮墊片封閉內所有組件的最大高度，包括 FET、電容器和柵極驅動器。在此分析中，高度容差和模具傾斜可能都是重要的因素。

設計靈活性

TIM 可以由軟熱墊（例如，t-Global TG-X）、液體間隙填充物（例如，Berquist GF4000）或兩者的組合組成。單獨的液體間隙填充物可用作 TIM，從而對 FET 施加接近零的壓縮力，但是導熱墊通常具有優(yōu)異的導熱性。類似地，可以在沒有液體間隙填充物的情況下使用導熱墊，但此選項不提供從 FET 或 PCB 側面到散熱器的熱傳導。圖 1 中的熱解決方案顯示了如何實施兩種 TIM 以實現(xiàn)最有效的熱路徑，同時最大限度地減少 FET 上的機械應力。

設計示例：使用 EPC2045 eGaN FET 的高密度 48 V 至 12 V 轉換

使用圖 2 中所示的設計示例對所提出的散熱解決方案進行了實驗演示，該示例類似于EPC9205 GaN 功率模塊。這款高密度降壓轉換器使用100 V EPC2045 eGaN FET ，在 700 kHz 開關頻率下將 48 V 轉換為 12 V 時可實現(xiàn) 96.4% 的峰值效率，并且可以在低于 100°C 的情況下輸出高達 12 A 的電流結溫升高。

圖 2 顯示了用于組裝此熱設計的分步指南：

? 尼龍墊片用于封閉功率級并為散熱器提供機械支撐。本示例中的墊片高度為 1.02 毫米，比EPC2045的安裝高度高 0.13 毫米（圖 2a）。

? 由墊片包圍的功率級區(qū)域隨后被液體間隙填充物覆蓋（圖 2b）。

? 軟熱界面墊連接到散熱器底部。在此示例中，墊在壓縮前的厚度為 0.5 毫米（圖 2c）。

? 最后，將散熱器和焊盤放置在液體間隙填充物的頂部，并使用兩個螺釘將其牢固地夾在尼龍墊片上。清除多余的間隙填充物，讓剩余的固化成固體形式（圖 2d）。

圖 2：使用塑料墊片、液隙填充物、熱界面墊和散熱器實施熱設計的機械組裝步驟

熱性能

熱等效電路，在圖3和電流能力示出正在使用中[介紹的方法進行評價2 ]，這表明在junction-到環(huán)境的熱阻的減少50％的（R θ，JA每個FET的）當熱溶液被實施。但是，在這種高密度設計中還必須考慮兩個 FET 和輸出濾波器電感之間的熱耦合。圖 4 顯示了實施散熱解決方案之前和之后轉換器的電流處理能力。使用散熱器后，電流處理能力提高了 60%。

圖 3：詳細的熱等效電路

圖 4：在 700 kHz 和 800 LFM 氣流下工作時， EPC2045降壓轉換器結溫上升與 48 V IN至 12 V OUT 的輸出電流的關系

汽車系統(tǒng)中的散熱器改進：使用 EPC2206 AEC 認證的 eGaN FET 進行高密度 48 V 至 12 V 轉換

類似的方法適用于使用EPC2206 AEC 認證的 80 V eGaN FET的 48 V 至 12 V 轉換器，以證明該散熱解決方案也可應用于具有更大芯片和功率級的更高功率電路板設計。在此示例中，基于汽車應用的更極端環(huán)境條件，最大允許溫升為 60°C。所述EPC9034使用演示板進行評估，與輸出電感器位于離板。添加散熱器會降低每個 FET 的 R θ,ja 60%，有效地將輸出電流能力從 25 A 加倍到 50 A，如圖 5 所示。初步結果表明，散熱器的優(yōu)勢隨著轉換器尺寸的增加而增加。本例中僅使用軟導熱墊。添加液隙填料可以進一步改進。

圖 5：在 125 kHz 和 800 LFM 氣流下工作時， EPC2206降壓轉換器結溫上升與 48 V IN至 12 V OUT 的輸出電流的關系

結論

通過連接散熱器并利用芯片級封裝提供的六面冷卻，可以顯著改善使用 eGaN FET 構建的高密度轉換器的熱限制。本文表明，無需增加功率級的占位面積即可實現(xiàn) 60-100% 的高輸出功率，同時還能限制組裝期間和組裝后 FET 上的機械應力。結合 eGaN FET 固有的效率優(yōu)勢，這種熱性能改進是 GaN 推動系統(tǒng)性能超越硅能力的另一種方式。

審核編輯：劉清