如何使用散熱器提高高密度eGaN基轉換器的功率輸出

技術分享雜談GaN技術 – Rick Pierson 十二月 14, 2018

動機

eGaN^® FETs 和 ICs 由於其緊湊的尺寸、超快的切換速度和低導通電阻，使得非常高密度的電源轉換器設計成為可能。大多數高密度轉換器的輸出功率限制因素是結點溫度，這促使了對更有效的熱設計的需求。eGaN的芯片級封裝還提供了六面散熱，有效地從晶片的底部、頂部和側面提取熱量。本應用筆記介紹了一種高效的散熱解決方案，以擴展基於eGaN的轉換器的輸出電流能力。

六面散熱的熱解決方案

圖1所示的熱解決方案能夠從芯片級的eGaN FETs中優秀地提取熱量，這在 [1] 和 [2] 中已經得到證明。散熱片通過螺絲和塑料墊片機械地固定在板子上，封閉區域內填充有電氣絕緣的熱界面材料（TIM）。TIM直接從FET的頂部和側面將熱量導向散熱片。這提供了最有效的熱通道，因為eGaN FETs 和 ICs 的Rθ,jc非常低。與此同時，FETs 通過焊錫凸點將熱量傳導到PCB銅箔，並通過TIM傳導到散熱片。此外，PCB底部還通過對流散熱。

圖1：芯片級eGaN FETs熱解決方案的簡化橫截面，突出顯示了熱流通道和機械組裝

墊片的高度和熱墊的厚度經過精心選擇，以防止對eGaN FETs 施加過大的機械應力。散熱片和FETs之間的TIM厚度應保持在最低限度，以提供最低的熱阻。然而，在選擇墊片厚度時，必須考慮到墊片內所有元件的最大高度，包括FETs、電容器和閘極驅動器。在這個分析中，高度公差和晶片傾斜可能都是重要因素。

設計靈活性：TIM 可以由軟熱墊（例如 t-Global TG-X）、液體間隙填充劑（例如 Bergquist GF4000）或兩者的組合構成。僅使用液體間隙填充劑作為TIM可以對FETs施加接近零的壓縮力，但熱墊通常具有更優越的導熱性。類似地，熱墊可以不使用液體間隙填充劑，但這種選擇不提供從FET側面或PCB到散熱片的導熱。圖1中的熱解決方案顯示了如何實施兩種TIM，以實現最有效的熱通道，同時最大限度地減少FETs上的機械應力。

設計示例：使用EPC2045 eGaN FET進行高密度48V到12V的轉換

所提出的熱解決方案通過圖2所示的設計示例進行了實驗演示，這與EPC9205 GaN電源模塊類似。這款高密度降壓轉換器使用100V EPC2045 eGaN FET，在將48V轉換為12V、開關頻率為700 kHz時，達到了96.4%的峰值效率，並且能夠輸出高達12A的電流，而結點溫度上升不超過100°C。

圖2：使用塑料墊片、液體間隙填充劑、熱界面墊和散熱片實施熱設計的機械組裝步驟

圖2展示了組裝這種熱設計的步驟指南：

使用尼龍墊片封閉功率級，並為散熱片提供機械支撐。在此示例中，墊片高度為1.02 mm，比EPC2045的就位高度高出0.13 mm（圖2a）。
被墊片封閉的功率級隨後覆蓋上液體間隙填充劑（圖2b）。
將軟熱界面墊貼在散熱片的底部。在此示例中，墊片在壓縮前的厚度為0.5 mm（圖2c）。
最後，將散熱片和墊片放置在液體間隙填充劑上，並使用兩顆螺絲牢固地固定在尼龍墊片上。多餘的間隙填充劑被清除，剩餘部分固化成固體形式（圖2d）。

熱性能

使用在[2]中提出的方法對熱等效電路和電流能力進行評估，顯示當實施熱解決方案時，每個FET的結點到環境熱阻（Rθ,ja）減少了50%。然而，在這種高密度設計中，必須考慮到兩個FET和輸出濾波電感之間的熱耦合。圖3顯示了在實施熱解決方案前後轉換器的電流處理能力。使用散熱片後，電流處理能力提高了60%。

圖3：在700 kHz操作並使用800 LFM氣流的情況下，EPC2045降壓轉換器的48V_IN 到12V_OUT結點溫度上升與輸出電流的關係

引入EPC2206，用於汽車應用

這裡使用 EPC2206 AEC認證的80V eGaN FET 作為設計示例，以展示該熱解決方案也可應用於更大晶片和功率級的高功率板設計。在此示例中，基於汽車應用的更極端環境條件，最大允許溫升為60°C。使用EPC9034 開發板進行評估，輸出電感器位於板外。添加散熱片使每個FET的Rθ,ja減少了60%，有效地使輸出電流能力從25A增加到50A，如圖4所示。在此示例中，僅使用了軟熱墊，因此通過添加液體間隙填充劑可以進一步改進。

圖4：在125 kHz操作並使用800 LFM氣流的情況下，EPC2206降壓轉換器的48V_IN 到12V_OUT結點溫度上升與輸出電流的關係

結論

通過安裝散熱片並利用芯片級封裝提供的六面散熱，可以顯著改善基於eGaN FETs的高密度轉換器的熱極限。本應用筆記顯示，在不增加功率級佔地面積的情況下，可以實現60-100%的更高輸出功率，同時在組裝過程中和組裝後限制FETs上的機械應力。結合eGaN FETs的內在效率優勢，這一熱性能的提升是GaN技術推動系統性能超越硅技術能力的又一方式。