如何通过散热器提高高密度eGaN转换器的功率输出

技术分享GaN技术杂谈 – Rick Pierson 12月 14, 2018

动机

eGaN^® FETs和ICs由于其紧凑的尺寸、超高速开关和低导通电阻，使得非常高密度的电源转换器设计成为可能。大多数高密度转换器输出功率的限制因素是结温，这需要更有效的热设计。eGaN的芯片级封装还提供了六面散热，能够从芯片的底部、顶部和侧面有效地散热。本应用说明介绍了一种高性能的热解决方案，以提高基于eGaN转换器的输出电流能力。

六面散热的热解决方案

图1所示的热解决方案能够从芯片级eGaN FETs中有效提取热量，正如在[1]和[2]中所展示的那样。散热片通过螺丝和塑料垫片机械连接到电路板上，封闭的区域内填充了电气隔离的热界面材料（TIM）。TIM直接将FET顶部和侧面的热量传导到散热片。这提供了最有效的散热路径，归因于eGaN FETs和ICs的非常低的Rθ,jc值。同时，FETs通过焊球将热量传导到PCB铜箔，热量也通过TIM传导到散热片。另外，通过PCB底部的对流散热也会散发额外的热量。

图1：芯片级eGaN FETs热解决方案的简化横截面图，突出显示了热通量路径和机械组件

垫片的高度和热垫的厚度经过仔细选择，以防止对eGaN FETs施加过大的机械应力。散热片和FETs之间的TIM厚度应保持在最低限度，以提供最低的热阻。然而，在选择垫片厚度时，必须考虑到垫片内所有元件的最大高度，包括FETs、电容器和栅极驱动器。高度公差和芯片倾斜可能都是此分析中的重要因素。

设计灵活性：TIM可以由软性热垫（例如，t-Global TG-X）、液体间隙填充物（例如，Bergquist GF4000）或两者的组合构成。液体间隙填充物单独可作为TIM使用，从而对FETs施加近乎为零的压缩力，但热垫通常具有更优的热导率。同样，热垫可以在没有液体间隙填充物的情况下使用，但这种选择无法从FET的侧面或PCB将热量传导至散热片。图1中的热解决方案展示了如何同时使用两种TIM，以实现最有效的热路径，同时最大限度地减少对FETs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

所提出的热解决方案通过图2所示的设计示例进行了实验验证，该示例类似于EPC9205 GaN电源模块。此高密度降压转换器使用100 V EPC2045 eGaN FET在将48 V转换为12 V时，实现了96.4%的峰值效率，开关频率为700 kHz，输出电流可达12 A，结温上升不到100°C。

图2：使用塑料垫片、液体间隙填充物、热界面垫和散热片实现热设计的机械组装步骤

图2展示了用于组装此热设计的分步指南：

尼龙垫片用于封闭电源部分并为散热片提供机械支撑。在此示例中，垫片高度为1.02 mm，比EPC2045的座高高出0.13 mm（图2a）。
电源部分被垫片封闭后，用液体间隙填充物覆盖（图2b）。
一个软性热界面垫被附着在散热片的底部。在此示例中，垫片在压缩前的厚度为0.5 mm（图2c）。
最后，将散热片和垫片放置在液体间隙填充物之上，并用两颗螺丝将其牢固地夹在尼龙垫片上。多余的间隙填充物被清理掉，其余部分允许固化成固体（图2d）。

热性能

使用在[2]中提出的方法评估了热等效电路和电流能力，展示了在实施热解决方案时每个FET的结到环境热阻（Rθ,ja）减少了50%。然而，在此高密度设计中，还必须考虑两个FET和输出滤波电感器之间的热耦合。图3展示了实施热解决方案前后转换器的电流处理能力。在增加散热片后，电流处理能力提高了60%。

图3：当输入电压为48 V_IN、输出电压为12 V_OUT，工作频率为700 kHz，气流量为800 LFM时，EPC2045降压转换器结温上升与输出电流的关系

用于汽车应用的EPC2206介绍

作为设计示例，使用了EPC2206 AEC认证的80 V eGaN FET，以展示此热解决方案也可应用于更高功率的板设计中，具有更大的芯片和电源部分。在此示例中，基于汽车应用的更极端环境条件，允许的最高温升为60°C。使用EPC9034开发板进行了评估，输出电感器位于板外。增加散热片使每个FET的Rθ,ja减少了60%，有效地使输出电流能力翻倍，从25 A增加到50 A，如图4所示。在此示例中，仅使用了软性热垫，因此添加液体间隙填充物后可能会进一步改善。

图4：当输入电压为48 V_IN、输出电压为12 V_OUT，工作频率为125 kHz，气流量为800 LFM时，EPC2206降压转换器结温上升与输出电流的关系

结论

通过连接散热片并利用芯片级封装提供的六面散热，高密度转换器的热限制可以显著改善。本应用说明表明，在不增加电源部分占地面积的情况下，可以实现60-100%的更高输出功率，同时在组装期间和组装后限制对FETs的机械应力。结合eGaN FETs固有的效率优势，此热性能改进是GaN将系统性能推向超越硅能力的又一方式。