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TILMG341XRxxxGaN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70mΩGaN器件的设计示例。

1简介

GaNFET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GaNFET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GaNFET的结至外壳热阻、PCB、热界面材料（TIM）和散热器。GaNFET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。

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LMG341XRxxxGaN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。

2.2PCB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-HBEVM电路板顶部铜层（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。

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。

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。

2.2.3散热过孔数量

FR-4是一种性能较差的导热材料。可通过电镀散热过孔提高其导热性。散热过孔直径通常为8mil至12mil，应置于GaN封装的散热焊盘下方。LMG3410R050-HB-EVM上的散热过孔如图2-1所示。每个GaN有71个过孔，孔大小为8mil。包括内部各层在内的所有层都具有散热平面，可优化散热和传热。

为了提高电源环路电感，器件散热焊盘下面的整个平面不应有散热过孔。原因是为了在中间层1和器件下方返回电源回路，从而更大程度地减小电源环路电感，如应用手册《LMG3410智能GaNFET高电压半桥设计指南》（SNOA946）所述。

2.2.4PCB热阻

PCB的总热阻与并联导热的散热过孔的等效热阻接近。工程师可使用公式3来计算每个过孔的热阻。

典型过孔的镀铜厚度为25µm。使用公式3和公式4计算，LMG3410R050HB-EVM电路板中单个散热过孔的热阻是166°C/W，因此PCB的总热阻是2.33°C/W。同样，LMG3410R070HB-EVM电路板有39个过孔，其直径为12mil，板厚为32mil，总热阻为2°C/W。此估算是基于使用导热环氧树脂填充过孔。为了获得更好的热性能，可以考虑使用成本较高的铜填充过孔。

2.3热界面材料（TIM）

热界面材料（TIM）用于对散热器进行热耦合，并使散热器与PCB的底部铜层实现电气绝缘。要形成良好的散热界面，需要一定的厚度进行间隙填充。

常用的TIM如表2-1所示，包括：

•粘合剂：这种类型的TIM不需要恒定的压力，但由于添加了粘合剂，这类材料通常具有低热导率。

•导热垫：通常具有良好的导热能力，但在接触界面处（PCB至TIM和散热器至TIM）具有较高热阻。安装导热垫时，需要在散热器和PCB之间保持压力恒定。

•相变材料：这种TIM的导热性介于粘合剂和导热垫之间，但能够将接触界面弄湿，从而提供稳定性能。它还需要加压安装散热器。

间隙填充材料具有超高的导热性，但厚度较大。这种材料受压可压缩高达50%，从而显著降低热阻。然而，100psi以上的较大压力可能导致电路板翘曲和PCB的机械故障。底部铜层上压力不均也会导致GaNFET的热阻和温度不均。另一方面，相变材料不需要较大的压力，因为其热阻不会随压力的变化而显著变化。

虽然，粘合剂TIM的热阻比其他两类材料的大。但它是采用较小散热器的几个替代方案之一（将在节2.4中说明），而且其组装流程更简单。

比较和选择TIM的一个实用方法是，测量结至TIM表面的热阻，即Rθj-s（如图1-1所示）。表2-1汇总了我们的实验室测量结果。在选择过程中还应考虑成本。

对于某些可使用封闭金属外壳抑制辐射EMI的应用，导热油脂等非隔热TIM或直接焊接散热器对于显著降低热阻是可行的。将散热器直接焊接到PCB时，需要对铝散热器底板电镀锡铅或银。这是一种定制设计方法，成本可能比使用导热油脂要高。

2.4散热器

散热器是热管理中非常重要的因素之一，它影响着系统的总功率密度。对于1kW以下的低功耗应用，散热器尺寸通常小于30mm×30mm。由于难以找到适用于这些较小散热器的安装机制，因此通常使用粘合剂TIM。

在1kW以上的较高功率级别下，热管理性能变得更加重要。对于尺寸为30mm×30mm及更大的散热器，附有推针的散热器可与导热性更好的TIM耦合。对于尺寸为35mm×35mm以上的散热器，优先选择具有固定引脚的QSZ夹。附有推针的散热器有一个优点，即可以使用弹簧和推针组合轻松调节压力。作用力不是均匀分布的，散热器中间的压力最小，而各个角的压力最大。

另一方面，QSZ夹具有在散热器中间活动的条块，用于将散热器基板向下推至下面的热界面。这使整个界面保持相对恒定的压力，并提供比角安装机制更一致的热界面。然而，施加的压力太高会使PCB翘曲，这决定了子卡PCB的厚度。PCB越厚，PCB堆叠上的热阻越高。所以，TI推荐工程师将附有推针的散热器用于子卡设计，并在主板上安装GaNFET的应用中使用带固定引脚的QSZ夹。表2-2总结了以上关于散热器的讨论。

3设计示例：图腾柱PFC转换器

图腾柱（TP）功率因数校正（PFC）是一种常见的电源拓扑，适用于各种工业、电信和服务器应用中基于GaN的转换器。热管理在实现这些设计的系统效率和功率密度目标方面发挥着重要作用。表3-1汇总了典型的系统规格。

3.1针对1.2kW以下设计的散热和性能优化

对于这些应用，使用粘合剂TIM安装的较小散热器通常便已足够。图3-1所示的LMG3410R070-HB-EVM电路板在设计时使用了32mil厚的电路板（具有39个过孔，过孔直径为12mil，用于高侧GaNFET的热传递，TIM为Bondply-100）。

利用电路板的这些参数，测得的结至散热器热阻约为8°C/W，因此TIM本身在400LFM强制空气冷却下的热阻应约为5.5°C/W，详见表3-2概述。为了在100kHz开关频率下实现1.2kW功率，选择了20mm×20mm×10mm散热器，它能为每个FET提供的结至环境热阻约为16.4°C/W。

利用20mm×20mm×10mm散热器，LMG3410R070-HB-EVM电路板的预期功率损耗和估算结温绘制于图3-2和图3-3中。这些曲线说明了LMG3410R070-HB-EVM在TPPFC应用中采用表3-1规格后的预期结果。

LMG3410R070-HB-EVM专为使用粘合剂TIM的1.2kW应用而设计。表3-3显示了LMG3410R070-HB-EVM电路板在各种功率级别下所需的空气冷却。

3.2针对1.2kW以上设计的散热和性能优化

用于更高功率应用的热管理设计需要更好的TIM和更大的散热器。图3-4所示的LMG3410R050-HB-EVM，通过Gr-45A导热垫TIM和47mil的电路板厚度来避免电路板发生任何翘曲。导热垫具有更低的成本和相似的热性能，所以比相变TIM更胜一筹。为了实现约2.3°C/W的电路板热阻，过孔直径设为8mil，并采用71个散热过孔。

TIM热阻约为3.2°C/W。采用30mm×30mm×20mm推针散热器时，每个FET的结至空气总热阻为9.2°C/W，如表3-4所述。

基于表3-3所述的LMG3410R050-HB-EVM热堆叠，图3-5和图3-6显示了高侧GaNFET的预期功率损耗和结温。这些曲线提供了有关LMG3410R050-HB-EVM在TPPFC应用中的预期结果信息。

LMG3410R050-HB-EVM专为使用导热垫的2kW应用而设计。表3-5显示了LMG3410R050-HB-EVM电路板在各种功率级别下所需的空气冷却。

4总结

热性能与影响电源转换器效率、可靠性和功率密度的电气和磁性元件性能同样重要。这篇文章简要介绍了每个元件的热堆叠和优化，包括PCB、热界面材料和散热器。该指南以图腾柱PFC为例，重点介绍了使用LMG3410R070的1.2kW半桥设计以及使用LMG3410R050的2kW设计。该指南还讨论了GaNFET在所设计EVM中的预期半桥功率损耗和结温，以及在不同功率级别下所需的空气冷却。

5参考文献

•EricFaraci和JieMao，《LMG3410智能GaNFET高压半桥设计指南》，TI应用报告（SNOA946）