氮化鎵(GaN)功率器件系列能夠設(shè)計(jì)出體積更小，成本更低，效率更高的電源系統(tǒng)，從而突破基于硅的傳統(tǒng)器件的限制。

這里我們給大家介紹一下GaNPX?和PDFN封裝器件的熱設(shè)計(jì)。

*附件：應(yīng)用筆記GaNPX?封裝器件的熱設(shè)計(jì).pdf

應(yīng)用筆記--GaNPX?封裝器件的熱設(shè)計(jì)

1. 控制器件溫度的重要性

• ?溫度對(duì)電氣參數(shù)的影響?：Rds(on)（導(dǎo)通電阻）和跨導(dǎo)gm隨溫度升高而增加，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗增加。
• ?熱設(shè)計(jì)目標(biāo)?：通過(guò)良好的熱設(shè)計(jì)降低結(jié)溫Tj，防止熱失衡，提高系統(tǒng)可靠性和效率。
• ?實(shí)例對(duì)比?：在大功率應(yīng)用中，GaN Systems的絕緣金屬基板(IMS)設(shè)計(jì)相比FR4 PCB能顯著減小散熱器體積，提高功率密度。

2. 功耗與散熱基礎(chǔ)

• ?功耗機(jī)制?：開(kāi)關(guān)器件的能耗主要包括硬開(kāi)關(guān)、同步整流和零電壓軟開(kāi)關(guān)模式下的損耗。
• ?散熱方式?：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射是三種主要的散熱方式，熱阻類(lèi)比于電阻，熱容類(lèi)比于電容。
• ?結(jié)溫計(jì)算?：Tj = Ta + P × RθJA，其中RθJA是結(jié)到環(huán)境的熱阻。

3. 頂部散熱設(shè)計(jì)考量

• ?散熱介質(zhì)材料(TIM)選擇?：關(guān)鍵因素包括絕緣強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度和成本。
• ?安裝考量?：推薦使用適當(dāng)?shù)陌惭b壓力和方式，避免PCB彎曲造成的應(yīng)力。
• ?電壓絕緣距離?：設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足規(guī)定的爬電距離和絕緣間隙標(biāo)準(zhǔn)。
• ?彎曲度與壓力測(cè)試?：通過(guò)測(cè)試確保器件在壓力下的變形和漏電流在安全范圍內(nèi)。
• ?熱阻測(cè)量?：通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)到散熱器和結(jié)到殼的熱阻，評(píng)估散熱性能。

4. 底部散熱設(shè)計(jì)考量

• ?FR4 PCB底部散熱設(shè)計(jì)?：通過(guò)散熱通孔設(shè)計(jì)、增加PCB層數(shù)和銅厚來(lái)降低熱阻。
• ?IMS底部散熱設(shè)計(jì)?：適用于大功率場(chǎng)合，通過(guò)緊湊設(shè)計(jì)提高功率密度，需注意焊接空洞對(duì)散熱性能的影響。
• ?性能比較?：IMS相比FR4 PCB在熱阻方面表現(xiàn)更優(yōu)，但成本較高。

5. 基于熱的考慮來(lái)選擇器件

• ?單顆器件散熱性能?：不同封裝和散熱方式的器件功耗與結(jié)溫關(guān)系圖展示了散熱設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)最大功率的影響。
• ?并聯(lián)提高散熱性能?：并聯(lián)GaN器件可以同時(shí)降低電氣損耗和熱阻，提高系統(tǒng)功率。
• ?實(shí)驗(yàn)證明?：并聯(lián)使用GS66516B器件在硬開(kāi)關(guān)情況下能均流高負(fù)載電流，且結(jié)溫溫差小。

6. 功耗及熱模型

• ?SPICE模型?：提供L1和L3兩個(gè)級(jí)別的模型，L3模型包含熱模型及封裝的寄生電感，適用于熱仿真。
• ?PLECS模型?：支持器件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)仿真，能夠分析寄生參數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)性能的影響，提供開(kāi)關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗等建模工具。
• ?在線(xiàn)仿真工具?：GaN Systems提供基于PLECS模型的在線(xiàn)仿真工具，方便用戶(hù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

總結(jié)

• ?核心要點(diǎn)?：良好的散熱設(shè)計(jì)對(duì)于提高GaN晶體管和系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。通過(guò)優(yōu)化頂部和底部散熱設(shè)計(jì)、選擇合適的散熱材料和安裝方式、以及利用功耗和熱模型進(jìn)行仿真分析，可以有效降低器件溫度，提高系統(tǒng)效率和可靠性。
• ?應(yīng)用建議?：在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體需求選擇合適的封裝和散熱方案，并利用提供的建模工具進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和可靠性。