氮化鎵(GaN)功率器件系列能夠設計出體積更小，成本更低，效率更高的電源系統，從而突破基于硅的傳統器件的限制。

這里我們給大家介紹一下GaNPX?和PDFN封裝器件的熱設計。

*附件：應用筆記GaNPX?封裝器件的熱設計.pdf

應用筆記--GaNPX?封裝器件的熱設計

1. 控制器件溫度的重要性

• ?溫度對電氣參數的影響?：Rds(on)（導通電阻）和跨導gm隨溫度升高而增加，導致導通損耗和開關損耗增加。
• ?熱設計目標?：通過良好的熱設計降低結溫Tj，防止熱失衡，提高系統可靠性和效率。
• ?實例對比?：在大功率應用中，GaN Systems的絕緣金屬基板(IMS)設計相比FR4 PCB能顯著減小散熱器體積，提高功率密度。

2. 功耗與散熱基礎

• ?功耗機制?：開關器件的能耗主要包括硬開關、同步整流和零電壓軟開關模式下的損耗。
• ?散熱方式?：傳導、對流和輻射是三種主要的散熱方式，熱阻類比于電阻，熱容類比于電容。
• ?結溫計算?：Tj = Ta + P × RθJA，其中RθJA是結到環境的熱阻。

3. 頂部散熱設計考量

• ?散熱介質材料(TIM)選擇?：關鍵因素包括絕緣強度、機械強度和成本。
• ?安裝考量?：推薦使用適當的安裝壓力和方式，避免PCB彎曲造成的應力。
• ?電壓絕緣距離?：設計需滿足規定的爬電距離和絕緣間隙標準。
• ?彎曲度與壓力測試?：通過測試確保器件在壓力下的變形和漏電流在安全范圍內。
• ?熱阻測量?：通過實驗測量結到散熱器和結到殼的熱阻，評估散熱性能。

4. 底部散熱設計考量

• ?FR4 PCB底部散熱設計?：通過散熱通孔設計、增加PCB層數和銅厚來降低熱阻。
• ?IMS底部散熱設計?：適用于大功率場合，通過緊湊設計提高功率密度，需注意焊接空洞對散熱性能的影響。
• ?性能比較?：IMS相比FR4 PCB在熱阻方面表現更優，但成本較高。

5. 基于熱的考慮來選擇器件

• ?單顆器件散熱性能?：不同封裝和散熱方式的器件功耗與結溫關系圖展示了散熱設計對系統最大功率的影響。
• ?并聯提高散熱性能?：并聯GaN器件可以同時降低電氣損耗和熱阻，提高系統功率。
• ?實驗證明?：并聯使用GS66516B器件在硬開關情況下能均流高負載電流，且結溫溫差小。

6. 功耗及熱模型

• ?SPICE模型?：提供L1和L3兩個級別的模型，L3模型包含熱模型及封裝的寄生電感，適用于熱仿真。
• ?PLECS模型?：支持器件級和系統級仿真，能夠分析寄生參數對開關性能的影響，提供開關損耗、導通損耗等建模工具。
• ?在線仿真工具?：GaN Systems提供基于PLECS模型的在線仿真工具，方便用戶進行系統設計和優化。

總結

• ?核心要點?：良好的散熱設計對于提高GaN晶體管和系統的性能至關重要。通過優化頂部和底部散熱設計、選擇合適的散熱材料和安裝方式、以及利用功耗和熱模型進行仿真分析，可以有效降低器件溫度，提高系統效率和可靠性。
• ?應用建議?：在實際應用中，應根據具體需求選擇合適的封裝和散熱方案，并利用提供的建模工具進行仿真驗證，以確保系統設計的優化和可靠性。