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引言
在一切机械电子转化器中，热设计全是一项至关重要的考虑到要素。热设计经提升后，技术工程师可以将GaN用以各种各样输出功率等级、拓扑结构和运用中。此运用指南阐述了TILMG341XRxxxGaN输出功率级系列产品十分关键的衡量规范和常见问题，包含PCB合理布局、热页面、热管散热器挑选和安装方法指引。还将给予应用50mΩ和70mΩGaN元器件的设计方案实例。
1介绍
GaNFET完成了高频率电源转换器设计方案。凭着优异的电源开关特点和零反向恢复耗损，这类轻量设计方案具备更高一些的功率和更小的规格。为了更好地灵活运用GaN的快速开关速率，必须更大限度地减少开关电源环城路电感器。这必须细心考虑到PCB合理布局，并对GaNFET选用电感器极低的封装形式。TI的LMG341XRxxx系列选用8mm×8mm低电感器底边制冷的QFN封装，可完成电源开关速率高过100V/ns。优良的热设计针对机械电子转化器十分关键。理想化的热对流应在发热量步骤中给予优良的传热性和极低的传热系数。图1-1展现了典型性的等效电路热电源电路，主要包括GaNFET的结至机壳传热系数、PCB、热页面原材料（TIM）和热管散热器。GaNFET的结温是输出功率耗损和结至气体总传热系数的函数公式。结温估计数值表达式1。
与强制性制冷运用中底端途径的传热系数对比，顶端途径的传热系数（如下图1-1中的斜线箭头符号所显示）是最少的。典型性底端制冷配备应用了排热过孔、板翅式热管散热器及其充足的气旋，因而，根据顶端途径的损耗发热量小于10%。
2排热常见问题
2.1封装形式传热系数
TI的LMG341XRxxxGaN输出功率级选用低电感器QFN封装，可防止长导线和键合线造成高电感器，进而完成快速开关速率。元器件底端的排热焊层电焊焊接在电路板上，用以将发热量从结合理传送至PCB上。结至机壳的典型性传热系数为0.5°C/W。
2.2PCB层叠
结的热能从排热焊层传送到PCB的高层，随后根据好几个排热过孔传送到PCB的最底层。PCB的传热系数是线路板薄厚、各层铜厚、方位和排热过孔总数的函数公式。
2.2.1各层铜厚
顶端铜层当做均热片。伴随着铜层总面积的提升，竖直角度的合理传热系数会减少。排热超出某一点后会做到饱和状态，该点实际在于铜薄厚。因此，大而厚的顶端铜层超过排热焊层总面积是有益的。图2-1所显示为LMG3410R050-HBEVM线路板顶端铜层（以鲜红色表明）上的均热片实例。
內部铜层分散化了热通量并提升了导热总面积。底端的铜层与TIM触碰。最底层铜地区务必包括坐落于顶端铜层上的排热平面图地区，而且具备充分的铜薄厚以开展排热。出自于这种缘故，TI提议技术工程师各层的铜使用量最少为2oz。为了更好地降低传热系数，还务必去除此排热平面图的阻焊层。
2.2.2线路板薄厚
线路板薄厚由叠加层数和层厚、电气设备走线及其机械设备抗压强度规定决策，并同时危害从GaN封装形式到TIM表层间的总传热系数。传热系数伴随着线路板薄厚的提升呈线形提升。
为了更好地更大限度地减少开关电源环城路电感器，提议应用4层线路板，便于从邻近层回到开关电源环城路。图2-2所显示为一个线路板层层叠实例。一般而言，根据更改电解介质2的薄厚来降低或减少线路板薄厚。充分考虑重要数据信号的信号处理和对开门关节点加上的分布电容，最少薄厚在于邻近层的数据信号防护规定。针对1kW下列的低输出功率等级，强烈推荐2oz厚铜钱的最少薄厚为32mil，在其中电解介质2薄厚为10.6mil。
针对1kW以上的更大功率等级，TI提议最少薄厚为47mil，防止线路板涨缩并融入不一样的散热器安装方式。在这样的情况下，电解介质2薄厚增加到25.8mil。
2.2.3排热过孔总数
FR-4是一种特性较弱的导热材料。可根据电镀工艺排热过孔提升其传热性。排热过孔直徑通常为8mil至12mil，应放置GaN封装形式的排热焊层下边。LMG3410R050-HB-EVM上的排热过孔如下图2-1所显示。每一个GaN有71个通孔，孔尺寸为8mil。包含內部各层以内的全部层都具备排热平面图，可提升排热和热传导。
为了更好地提升开关电源环城路电感器，元器件排热焊层下边的全部平面图不应该有排热过孔。缘故是因为在内层1和元器件下边回到开关电源控制回路，进而更极大地减少开关电源环城路电感器，如运用指南《LMG3410智能GaNFET高电压半桥设计指南》（SNOA946）上述。
2.2.4PCB传热系数
PCB的总传热系数与并接传热的排热通孔的等效电路传热系数贴近。技术工程师可应用公式计算3来测算每一个通孔的传热系数。
典型性通孔的电镀铜薄厚为25µm。应用公式计算3和公式计算4测算，LMG3410R050HB-EVM线路板中单独一个排热通孔的传热系数是166°C/W，因而PCB的总传热系数是2.33°C/W。一样，LMG3410R070HB-EVM线路板有39个通孔，其直徑为12mil，板厚为32mil，总传热系数为2°C/W。此估计是根据应用传热环氧树脂胶添充过孔。为了更好地得到更快的热特性，可以考虑到应用成本费较高的铜添充过孔。
2.3热页面原材料（TIM）
热页面原材料（TIM）用以对热管散热器开展热藕合，并使热管散热器与PCB的底端铜层完成电绝缘层。要建立较好的排热页面，必须一定的薄厚开展空隙添充。
常见的TIM如表2-1所显示，包含：
•黏合剂：这类类别的TIM不用匀速运动的工作压力，但因为加上了黏合剂，这类原材料通常都具有低导热系数。
•传热垫：通常具备较好的传热工作能力，但在触碰页面处（PCB至TIM和热管散热器至TIM）具备较高传热系数。安裝传热垫时，必须在热管散热器和PCB中间维持压强匀速运动。
•热电材料：这类TIM的传热性处于黏合剂和传热垫中间，但可以将触碰页面打湿，进而给予可靠性能。它还必须充压安裝热管散热器。
空隙添充原材料具备极高的传热性，但薄厚比较大。这类原材料受力可压缩性达到50%，进而明显减少传热系数。殊不知，100psi以上的比较大工作压力很有可能造成线路板涨缩和PCB的设备故障。底端铜层上工作压力不均匀也会造成GaNFET的传热系数和溫度不均匀。另一方面，热电材料不用比较大的工作压力，由于其传热系数不容易随工作压力的变动而明显转变。
尽管，黏合剂TIM的传热系数比别的两大类原材料的大。但它是选用较小热管散热器的好多个取代计划方案之一（将在节2.4中表明），并且其拼装步骤更简易。
较为和挑选TIM的一个好用的方法是，精确测量结至TIM表层的传热系数，即Rθj-s（如下图1-1所显示）。表2-1归纳了咱们的试验室精确测量結果。在挑选流程中还应考虑到成本费。
针对一些可应用封闭式塑料外壳抑止辐射源EMI的运用，传热植物油脂等非隔热保温TIM或立即电焊焊接热管散热器针对明显减少传热系数是行得通的。将热管散热器立即电焊焊接到PCB时，必须对铝热管散热器底版电镀锡铅或银。这也是一种订制设计方法，成本费也许比应用传热植物油脂要高。
2.4热管散热器
热管散热器是热管理方法中特别关键的原因之一，它危害着系统的总功率。针对1kW下列的一类运用，热管散热器规格通常低于30mm×30mm。因为无法寻找适用这种较小热管散热器的安裝体制，因而通常应用黏合剂TIM。
在1kW以上的较大功率等级下，热管理方法特性越来越愈发关键。针对规格为30mm×30mm及更高的热管散热器，附带推针的热管散热器可与传热性更强的TIM藕合。针对规格为35mm×35mm以上的热管散热器，首选具备固定不动管脚的QSZ夹。附带推针的热管散热器有一个优势，即可以应用扭簧和推针组成轻轻松松调整工作压力。相互作用力并不是联合分布的，热管散热器正中间的工作压力最少，而每个角的工作压力较大。
另一方面，QSZ夹具备在热管散热器正中间主题活动的条块，用以将热管散热器基材往下推至下边的热页面。这使全部页面维持相对性稳定的工作压力，并给予比角安裝体制更一致的热页面。殊不知，增加的工作压力太过高使PCB涨缩，这影响了子卡PCB的薄厚。PCB越厚，PCB层叠上的传热系数越高。因此，TI强烈推荐技术工程师将附带推针的热管散热器用以子卡设计方案，并在电脑主板上安裝GaNFET的使用中应用带固定不动管脚的QSZ夹。表2-2汇总了以上有关热管散热器的探讨。
3设计方案实例：图腾柱PFC转化器
图腾柱（TP）功率因数校正（PFC）是一种常用的开关电源拓扑结构，适用各种各样工业生产、电信网和服务器应用中根据GaN的转化器。热处理在完成这种设计方案的系统软件高效率和功率总体目标层面充分发挥着关键功效。表3-1归纳了典型性的系统软件规格型号。
3.1对于1.2kW下列设计方案的排热和性能优化
针对这种运用，应用黏合剂TIM安裝的较小热管散热器通常便已充足。图3-1所显示的LMG3410R070-HB-EVM线路板在设计方案时应用了32mil厚的线路板（具备39个通孔，过孔直徑为12mil，用以高侧GaNFET的热对流，TIM为Bondply-100）。
运用线路板的这种主要参数，测出的结至热管散热器传热系数约为8°C/W，因而TIM自身在400LFM强制性蒸发冷却下的传热系数应约为5.5°C/W，详见表3-2简述。为了更好地在100kHz电源开关工作频率下完成1.2kW输出功率，挑选了20mm×20mm×10mm热管散热器，它能为每一个FET给予的结至自然环境传热系数约为16.4°C/W。
运用20mm×20mm×10mm热管散热器，LMG3410R070-HB-EVM线路板的预估输出功率耗损和估计结温制作于图3-2和图3-3中。这种曲线图表明了LMG3410R070-HB-EVM在TPPFC运用中选用表3-1规格型号后的预期成果。
LMG3410R070-HB-EVM致力于应用黏合剂TIM的1.2kW运用而设计方案。表3-3表明了LMG3410R070-HB-EVM线路板在各种各样输出功率等级下所需的蒸发冷却。
3.2对于1.2kW以上设计方案的排热和性能优化
用以更大功率运用的热管理方法设计方案必须更快的TIM和更高的热管散热器。图3-4一样的LMG3410R050-HB-EVM，根据Gr-45A传热垫TIM和47mil的线路板薄厚来防止线路板产生一切涨缩。传热垫具备更低的成本费用和类似的热特性，因此比改变TIM更胜一筹。为了更好地完成约2.3°C/W的线路板传热系数，过孔直徑设成8mil，并选用71个排热过孔。
TIM传热系数约为3.2°C/W。选用30mm×30mm×20mm推针热管散热器时，每一个FET的结至气体总传热系数为9.2°C/W，如表3-4上述。
根据表3-3所说的LMG3410R050-HB-EVM热层叠，图3-5和图3-6表明了高侧GaNFET的预估输出功率耗损和结温。这种曲线图给予了相关LMG3410R050-HB-EVM在TPPFC运用中的预期成果信息内容。
LMG3410R050-HB-EVM致力于应用传热垫的2kW运用而设计方案。表3-5表明了LMG3410R050-HB-EVM线路板在各种各样输出功率等级下所需的蒸发冷却。
4汇总
热特性与危害电源转换器高效率、稳定性和功率的电气设备和带磁元器件特性一样关键。这篇文章简略介紹了每一个元器件的热层叠和提升，包含PCB、热页面原材料和热管散热器。该指引以图腾柱PFC为例子，关键讲解了应用LMG3410R070的1.2kW半桥设计方案及其应用LMG3410R050的2kW设计方案。该指引还探讨了GaNFET在所设计方案EVM中的预估半桥输出功率耗损和结温，及其在不一样输出功率等级下所需的蒸发冷却。
5论文参考文献
•EricFaraci和JieMao，《LMG3410智能GaNFET高压半桥设计指南》，TI运用汇报（SNOA946）
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