功率GaN晶體管中的散熱設(shè)計指南

GaN晶體管越來越多地用于各個領(lǐng)域：汽車領(lǐng)域中的電源供應(yīng)以及電流的轉(zhuǎn)換和使用。這些組件將很快取代它們各自的前身。讓我們看一下如何更好地管理包括臨界條件在內(nèi)的不同工作條件，以優(yōu)化電路性能并獲得出色的散熱效果。

GaN晶體管是當(dāng)今存在的“最冷”組件之一。它的低結(jié)電阻即使在高溫和極端條件下也可實現(xiàn)低溫和低能量損耗。這是該材料廣泛用于許多關(guān)鍵領(lǐng)域的主要原因之一，在這些關(guān)鍵領(lǐng)域中，對大電流的需求是主要特權(quán)。為了進行有效的熱管理，當(dāng)然在設(shè)計和建筑層面上都需要使用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)。

這些參數(shù)取決于溫度

在功率GaN晶體管中，器件的兩個參數(shù)對溫度起著重要作用：RDS（on）具有相關(guān)的工作損耗，跨導(dǎo)具有相關(guān)的開關(guān)損耗。

維持低溫的原因很多：

• 在最惡劣的工作條件下防止熱失控
• 總體上減少損失
• 提高系統(tǒng)性能和效率
• 增加電路的可靠性

良好的散熱設(shè)計也會對功率密度的變化產(chǎn)生積極影響。選擇良好的基板肯定會通過減少散熱器表面（特別是在功率應(yīng)用中）減少散熱面，從而有助于更好地散熱。

切換方式

不同開關(guān)方法的實施不可避免地意味著設(shè)計上的差異，尤其是最終性能上的差異。主要的是“ ZVS軟切換模式”和“硬切換模式”。傳熱以三種不同方式發(fā)生：

• 通過傳導(dǎo)，通過直接接觸
• 通過對流，借助空氣或水等流體
• 通過電磁波輻射

圖1清楚地總結(jié)了傳熱過程。系統(tǒng)的各個組件的行為就像電阻一樣，通過電流遇到障礙的不是電流，而是熱量。從結(jié)到散熱器，熱量通過傳導(dǎo)發(fā)生，而從散熱器到周圍環(huán)境，則通過對流發(fā)生。

圖1：熱量通過各種方式從結(jié)點轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境。

組裝技巧

GaN在PCB上的物理安裝對位置，電氣和戰(zhàn)略層面的散熱程度具有決定性的影響。在相同的工作條件下，組件和散熱器的不同位置決定了整個系統(tǒng)的熱性能差異。要使用兩個GaN晶體管，建議使用帶有M3型螺孔的小散熱器。這樣，兩個組件上的壓力達到平衡（圖2a）。但是，我們絕不能夸大GaN上散熱器的擠壓，因為這會導(dǎo)致機械應(yīng)力的危險增加。如果必須使用更大的散熱器，則必須鉆兩個或多個孔，以最大程度地減少安裝支架的彎曲或扭曲（圖2b）。）。SMD組件是受彎折影響最大的組件。應(yīng)在開關(guān)組件附近開孔，以增加對較冷表面的附著力。

圖2：將散熱器與GaN配合使用

盡管電源電路的設(shè)計是成熟的技術(shù)，但應(yīng)始終牢記法規(guī)。使用散熱器時，必須滿足有關(guān)散熱的標(biāo)準(zhǔn)以及電路上組件和走線的最小距離所規(guī)定的要求。在距離必須符合法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域，必須使用熱界面材料（TIM）覆蓋散熱器的邊緣。這是為了改善兩個部分之間的熱耦合。還要避免在GaN器件附近放置通孔組件（THC）。為了優(yōu)化空間，可以使用基座升高散熱器，以允許將表面安裝（SMT）組件放置在散熱器本身的正下方（請參見圖3）。

圖3：升高散熱器可優(yōu)化空間。

GaN的并聯(lián)

為了顯著提高電路的功率，可以并聯(lián)連接多個GaN晶體管，如圖4所示。負載可能非常強大，并且開關(guān)電流會大大增加。創(chuàng)建了一個非常有效的熱網(wǎng)絡(luò)，其中熱阻和電阻都急劇下降。使用這些方法，即使冷卻系統(tǒng)也必須非常有效。不同的實驗可能導(dǎo)致不同的散熱系統(tǒng)，其中包括以下測試：

• 自然對流，無散熱器
• 帶獨立散熱器的強制冷空氣
• 強制冷氣與普通散熱器并聯(lián)

通過將設(shè)備的最佳特性與最佳散熱解決方案相結(jié)合，可以增加系統(tǒng)可以達到的最大功率。實際上，通過通過GaN晶體管之間的并聯(lián)連接降低熱阻，可以實現(xiàn)該結(jié)果。

圖4：并聯(lián)連接GaN晶體管會增加功率并降低電阻。

SPICE模型

GaN Systems提供兩種不同的SPICE模型，即L1和L3模型（參見圖5）。對于帶有熱實施的操作，必須使用第二個模型。然而，在這種情況下，寄生電感將更高。讓我們詳細了解兩種類型的模型之間的區(qū)別：

L1模型具有四個端子（G，D，S，SS）。它用于一般開關(guān)仿真，其中仿真器的處理速度是最重要的。

L3模型具有六個端子（G，D，S，SS，Tc，Tj）。加上了熱模型和寄生電感模型。

該模型基于組件的物理特征和設(shè)備的結(jié)構(gòu)。根據(jù)模擬的目的，引腳Tj可以用作輸入或輸出。通過這種方式，可以執(zhí)行兩種不同類型的研究：

用作輸入時，可以將引腳Tj設(shè)置為恒定值，以檢查特定Tj值下的E（開）/ E（關(guān)）比。

用作輸出時，可以在靜態(tài)和瞬態(tài)模式下驗證引腳Tj。

圖5：GaN晶體管的SPICE模型

結(jié)論

GaN晶體管可提供出色的結(jié)果以及出色的散熱性能。為了獲得最大的功率性能（甚至以千瓦為單位），必須最大化項目的電氣和熱質(zhì)量。如果對系統(tǒng)進行了正確的分析和實施，它實際上可以在相對較低的溫度下處理非常高的功率。所使用的技術(shù)涉及各種參數(shù)，例如散熱器的位置，形狀和高度，焊縫的形狀和尺寸，GaN器件的平行度以及開關(guān)頻率。GaN晶體管的例子在市場上越來越多，其特點是更高的支持電壓和電流以及更低的結(jié)電阻，以滿足高功率領(lǐng)域公司的所有要求和需求。

編輯：hfy