在任何电力电子转换器中,热设计都是一项重要的考虑因素。热设计经优化后,工程师能够将 GaN 用于各种功率级别、拓扑和应用中。此应用手册论述了 TI LMG341XRxxx GaN 功率级系列非常重要的权衡标准和注意事项,包 括 PCB 布局、热界面、散热器选择和安装方法指南。还将提供使用 50mΩ 和 70mΩ GaN 器件的设计示例。

 

 

摘要
在任何电力电子转换器中,热设计都是一项重要的考虑因素。热设计经优化后,工程师能够将 GaN 用于各种功率级别、拓扑和应用中。此应用手册论述了 TI LMG341XRxxx GaN 功率级系列非常重要的权衡标准和注意事项,包 括 PCB 布局、热界面、散热器选择和安装方法指南。还将提供使用 50mΩ 和 70mΩ GaN 器件的设计示例。

 

1 简介
GaN FET 实现了高频电源转换器设计。凭借出色的开关特性和零反向恢复损耗,这种轻量级设计具有更高的功率密度和更小的尺寸。为了充分利用 GaN 的快速开关速度,需要更大限度地减小电源环路电感。这需要仔细考虑 PCB 布局,并对 GaN FET 采用电感超低的封装。TI 的 LMG341XRxxx 系列采用 8mm × 8mm 低电感底面冷却的 QFN 封装,可实现开关速度高于 100V/ns。良好的热设计对于电力电子转换器非常重要。理想的热传递应在热量流程中提供良好的导热性和超低的热阻。图 1-1 显示了典型的等效热电路,其中包括 GaN FET 的结至外壳热阻、PCB、热界面材料 (TIM) 和散热器。GaN FET 的结温是功率损耗和结至空气总热阻的函数。结温估算值为方程式 1。 

 

Tj=PLoss × Rθj-a + Tamb (1)


其中

 

  • Tj 是结温

 

  • PLoss 是总耗散功率

 

  • Rθj-a 是总热阻

 

  • Tamb 是环境温度

 

工程师可使用公式 2 估算 Rθj-a。 Rθj-a= Rθj-c(bottom) + RθPCB + RθTIM + Rθhs (2)其中

 

  • Rθj-c(bottom) 是芯片结与封装 DAP 之间的热阻

 

  • RθPCB 是 PCB 的热阻

 

  • RθTIM 是 TIM 的热阻

 

  • Rθhs 是散热器的热阻

 

图 1-1. PCB 的 QFN 封装(绿色)、TIM(蓝色)和散热器(灰色)


与强制冷却应用中底部路径的热阻相比,顶部路径的热阻(如图 1-1 中的虚线箭头所示)是最小的。典型底部冷却配置使用了散热过孔、翅片散热器以及足够的气流,因此,通过顶部路径的耗散热量低于 10%。

 

2 散热注意事项
2.1 封装热阻

TI 的 LMG341XRxxx GaN 功率级采用低电感 QFN 封装,可避免长引线和键合线产生高电感,从而实现快速开关速度。器件底部的散热焊盘焊接在电路板上,用于将热量从结有效传递至 PCB 上。结至外壳的典型热阻为 0.5°C/W。


2.2 PCB 堆叠
结的热量从散热焊盘传递到 PCB 的顶层,然后通过多个散热过孔传递到 PCB 的底层。PCB 的热阻是电路板厚度、各层铜厚、方向和散热过孔数量的函数。


2.2.1 各层铜厚
顶部铜层充当均热片。随着铜层面积的增加,垂直方向的有效热阻会降低。散热超过某一点后会达到饱和,该点具体取决于铜厚度。所以,大而厚的顶部铜层大于散热焊盘面积是有利的。图 2-1 所示为 LMG3410R050-HB?EVM 电路板顶部铜(以红色显示)上的均热片示例。


内部铜层分散了热通量并增加了热传导面积。底部的铜层与 TIM 接触。底层铜区域必须包含位于顶部铜层上的散热平面区域,并且具有足够的铜厚度以进行散热。出于这些原因,TI 建议工程师每层的铜用量至少为 2oz。为了减少热阻,还必须除去此散热平面的阻焊层。

 

图 2-1. LMG341X GaN 功率级的散热焊盘和 LMG3410R050-HB-EVM 的顶部铜层均热片


2.2.2 电路板厚度
电路板厚度由层数和层厚、电气布线以及机械强度要求决定,并直接影响从 GaN 封装到 TIM 表面间的总热阻。热阻随着电路板厚度的增加呈线性增加。


为了更大限度地减小电源环路电感,建议使用 4 层电路板,以便从相邻层返回电源环路。图 2-2 所示为一个电路板层堆叠示例。通常情况下,通过改变电介质 2 的厚度来增加或降低电路板厚度。考虑到关键信号的信号完整性和对开关节点添加的寄生电容,最小厚度取决于相邻层的信号隔离要求。对于 1kW 以下的低功率级别,推荐 2oz 厚铜板的最小厚度为 32mil,其中电介质 2 厚度为 10.6mil。 

 

图 2-2. 4 层电路板的层堆叠示例

 

对于 1kW 以上的更高功率级别,TI 建议最小厚度为 47mil,以防电路板翘曲并适应不同的散热器安装方法。在这种情况下,电介质 2 厚度增至 25.8mil。