1 簡介

GaN FET 實現了高頻電源轉換器設計。憑借出色的開關特性和零反向恢復損耗，這種輕量級設計具有更高的功率密度和更小的尺寸。為了充分利用 GaN 的快速開關速度，需要更大限度地減小電源環路電感。這需要仔細考慮PCB 布局，并對 GaN FET 采用電感超低的封裝。TI 的 LMG341XRxxx 系列采用 8mm × 8mm 低電感底面冷卻的QFN 封裝，可實現開關速度高于 100V/ns。良好的熱設計對于電力電子轉換器非常重要。理想的熱傳遞應在熱量流程中提供良好的導熱性和超低的熱阻。圖 1-1 顯示了典型的等效熱電路，其中包括 GaN FET 的結至外殼熱阻、PCB、熱界面材料 （TIM） 和散熱器。GaN FET 的結溫是功率損耗和結至空氣總熱阻的函數。結溫估算值為方程式。

Tj=PLoss × Rθj-a + Tamb （1）

其中

? Tj 是結溫

? PLoss 是總耗散功率

? Rθj-a 是總熱阻

? Tamb 是環境溫度

工程師可使用公式 2 估算 Rθj-a。

Rθj-a= Rθj-c（bottom） + RθPCB + RθTIM + Rθhs （2）

其中

? Rθj-c（bottom） 是芯片結與封裝 DAP 之間的熱阻

? RθPCB 是 PCB 的熱阻

? RθTIM 是 TIM 的熱阻

? Rθhs 是散熱器的熱阻

圖 1-1 PCB 的 QFN 封裝（綠色）、TIM（藍色）和散熱器（灰色）

與強制冷卻應用中底部路徑的熱阻相比，頂部路徑的熱阻（如圖 1-1 中的虛線箭頭所示）是最小的。典型底部冷卻配置使用了散熱過孔、翅片散熱器以及足夠的氣流，因此，通過頂部路徑的耗散熱量低于 10%。

2 散熱注意事項

2.1 封裝熱阻

TI 的 LMG341XRxxx GaN 功率級采用低電感 QFN 封裝，可避免長引線和鍵合線產生高電感，從而實現快速開關速度。器件底部的散熱焊盤焊接在電路板上，用于將熱量從結有效傳遞至 PCB 上。結至外殼的典型熱阻為0.5°C/W。

2.2 PCB 堆疊

結的熱量從散熱焊盤傳遞到 PCB 的頂層，然后通過多個散熱過孔傳遞到 PCB 的底層。PCB 的熱阻是電路板厚度、各層銅厚、方向和散熱過孔數量的函數。

2.2.1 各層銅厚

頂部銅層充當均熱片。隨著銅層面積的增加，垂直方向的有效熱阻會降低。散熱超過某一點后會達到飽和，該點具體取決于銅厚度。所以，大而厚的頂部銅層大于散熱焊盤面積是有利的。圖 2-1 所示為 LMG3410R050-HBEVM電路板頂部銅層（以紅色顯示）上的均熱片示例。

內部銅層分散了熱通量并增加了熱傳導面積。底部的銅層與 TIM 接觸。底層銅區域必須包含位于頂部銅層上的散熱平面區域，并且具有足夠的銅厚度以進行散熱。出于這些原因，TI 建議工程師每層的銅用量至少為 2oz。為了減少熱阻，還必須除去此散熱平面的阻焊層。

圖 2-1 LMG341X GaN 功率級的散熱焊盤和 LMG3410R050-HB-EVM 的頂部銅層均熱片

2.2.2 電路板厚度

電路板厚度由層數和層厚、電氣布線以及機械強度要求決定，并直接影響從 GaN 封裝到 TIM 表面間的總熱阻。熱阻隨著電路板厚度的增加呈線性增加。

為了更大限度地減小電源環路電感，建議使用 4 層電路板，以便從相鄰層返回電源環路。圖 2-2 所示為一個電路板層堆疊示例。通常情況下，通過改變電介質 2 的厚度來增加或降低電路板厚度。考慮到關鍵信號的信號完整性和對開關節點添加的寄生電容，最小厚度取決于相鄰層的信號隔離要求。對于 1kW 以下的低功率級別，推薦 2oz厚銅板的最小厚度為 32mil，其中電介質 2 厚度為 10.6mil。

圖3-1 1.2kW 半橋設計

利用電路板的這些參數，測得的結至散熱器熱阻約為 8°C/W，因此 TIM 本身在 400LFM 強制空氣冷卻下的熱阻應約為 5.5°C/W，詳見表 3-2 概述。為了在 100kHz 開關頻率下實現 1.2kW 功率，選擇了 20mm × 20mm × 10mm散熱器，它能為每個 FET 提供的結至環境熱阻約為 16.4°C/W。

表 3-2： LMG3410R070-HB-EVM 在 400LFM 強制空氣冷卻下的熱阻

利用 20mm × 20mm × 10mm 散熱器，LMG3410R070-HB-EVM 電路板的預期功率損耗和估算結溫繪制于圖 3-2和圖 3-3 中。這些曲線說明了 LMG3410R070-HB-EVM 在 TP PFC 應用中采用表 3-1 規格后的預期結果。

圖 3-2 TP PFC 應用中 LMG3410R070-HB-EVM 電路板在 400LFM 冷卻下的功率損耗

圖 3-3. TP PFC 應用中高側 LMG3410R070 在 400LFM 冷卻下的結溫

LMG3410R070-HB-EVM 專為使用粘合劑 TIM 的 1.2kW 應用而設計。 表 3-3 顯示了 LMG3410R070-HB-EVM 電路板在各種功率級別下所需的空氣冷卻。

3.2 針對 1.2kW 以上設計的散熱和性能優化

用于更高功率應用的熱管理設計需要更好的 TIM 和更大的散熱器。圖 3-4 所示的 LMG3410R050-HB-EVM，通過Gr-45A 導熱墊 TIM 和 47mil 的電路板厚度來避免電路板發生任何翹曲。導熱墊具有更低的成本和相似的熱性能，

所以比相變 TIM 更勝一籌。為了實現約 2.3°C/W 的電路板熱阻，過孔直徑設為 8mil，并采用 71 個散熱過孔。

TIM 熱阻約為 3.2°C/W。采用 30mm × 30mm × 20mm 推針散熱器時，每個 FET 的結至空氣總熱阻為 9.2°C/W，如表 3-4 所述。

圖 3-4. 2kW 半橋設計

基于表 3-3 所述的 LMG3410R050-HB-EVM 熱堆疊，圖 3-5 和圖 3-6 顯示了高側 GaN FET 的預期功率損耗和結溫。這些曲線提供了有關 LMG3410R050-HB-EVM 在 TP PFC 應用中的預期結果信息。

圖 3-5. TP PFC 應用中 LMG3410R050-HB-EVM 電路板在 400LFM 冷卻下的功率損耗

圖 3-6. TP PFC 應用中高側 LMG3410R050 在 400LFM 冷卻下的結溫

LMG3410R050-HB-EVM 專為使用導熱墊的 2kW 應用而設計。 表 3-5 顯示了 LMG3410R050-HB-EVM 電路板在各種功率級別下所需的空氣冷卻。

4 總結

熱性能與影響電源轉換器效率、可靠性和功率密度的電氣和磁性元件性能同樣重要。這篇文章簡要介紹了每個元件的熱堆疊和優化，包括 PCB、熱界面材料和散熱器。該指南以圖騰柱 PFC 為例，重點介紹了使用LMG3410R070 的 1.2kW 半橋設計以及使用 LMG3410R050 的 2kW 設計。該指南還討論了 GaN FET 在所設計EVM 中的預期半橋功率損耗和結溫，以及在不同功率級別下所需的空氣冷卻。
編輯：lyn