当前位置:首页 > 电源 > 功率器件
[导读]由于具有更好的品质因数,氮化镓等宽禁带半导体提供比硅更高的功率密度,占用的芯片面积更小,因此需要更小尺寸的封装。假设器件占用的面积是决定热性能的主要因素,那么可以合理地假设较小的功率器件会导致较高的热阻。3,4本文将展示芯片级封装 (CSP) GaN FET 如何提供至少与硅 MOSFET 相同(如果不优于)的热性能。由于其卓越的电气性能,GaN FET 的尺寸可以减小,从而在尊重温度限制的同时提高功率密度。这种行为将通过 PCB 布局的详细 3D 有限元模拟来展示,同时还提供实验验证以支持分析。

由于具有更好的品质因数,氮化镓等宽禁带半导体提供比硅更高的功率密度,占用的芯片面积更小,因此需要更小尺寸的封装。假设器件占用的面积是决定热性能的主要因素,那么可以合理地假设较小的功率器件会导致较高的热阻。3,4本文将展示芯片级封装 (CSP) GaN FET 如何提供至少与硅 MOSFET 相同(如果不优于)的热性能。由于其卓越的电气性能,GaN FET 的尺寸可以减小,从而在尊重温度限制的同时提高功率密度。这种行为将通过 PCB 布局的详细 3D 有限元模拟来展示,同时还提供实验验证以支持分析。

功率器件的热管理

电力电子市场需要越来越小、更高效和更可靠的设备。满足这些严格要求的关键因素是高功率密度(能够减少解决方案的占地面积和成本)和出色的热管理(能够控制设备温度)。功率半导体热管理系统的三个主要要求如下:

1. 热量应以足够低的热阻从器件传导到周围环境,以防止结温 (T J ) 升高超过规定限值。由于降额因素,T J通常低于数据表中的值。

1. 电源电路与周围环境之间应提供电气隔离。

1. 由材料热膨胀系数不匹配引起的热致机械应力应被吸收。

最常见的功率器件热管理系统,它包括一个散热器(将热量从功率半导体传递到周围环境)和一个电绝缘体(热界面材料,或 TIM),用于分隔金属散热器从半导体结。由于大多数介电材料的导热率较低,因此需要在电隔离和热阻之间进行权衡。

在实际系统中,功率器件通常采用由多个金属和电介质层组成的封装,并安装在还包括多层金属和电介质的 PCB 上。散热器连接到该组件,使其非常复杂。尽管 SMD 元件的广泛使用和封装尺寸的减小使热管理变得越来越复杂,但得益于宽带隙半导体,现在可以轻松实现 2 kW/in 的功率密度。3在具有成本效益的电源转换器解决方案。5

GaN FET 的推出采用 CSP 封装,包括带有焊料凸块或焊条的钝化管芯,使热管理更加复杂,但也立即提高了性能、可靠性和成本。

尽管 GaN FET 降低的损耗足以确保在某些应用中进行适当的热管理,但大功率转换器仍需要基于散热器的解决方案。

热分析

安装有散热器的 PCB 和 FET 的横截面,热量可以通过多种途径:它可以从芯片顶部流出,从芯片的四个侧面流出,并通过PCB 铜,将热量散布到 TIM 和散热器。尽管与半导体芯片相比,TIM 通常具有相对较低的热导率,但最后的热路径仍然很重要。

仿真基于三个参数:FET 顶部与散热器底部表面之间的距离、TIM 的热导率以及所应用的 TIM 的半径。从 FET 结到散热器表面的热阻值是 TIM 直径的函数,其中 R θ,JS现在是圆形十字面积的函数-TIM 圆柱体的截面。

低 k TIM材料的峰值和平均值之间的差异 更大,这表明大部分热量通过组件底部的焊条流出。

应该注意的是,在 4 到 5 毫米直径之间的拐点,在 8 毫米以上,R θ,JS没有进一步增加。因此,对于 k TIM = 10 W/mK 和 30 mm 2(对于 k TIM = 3.5 W/mK)的 TIM 面积低于约 20 mm 2时,主要优势出现。当芯片到散热器的间隙减小时,拐点向左移动,R θ,JS值减小。

实验结果

实验装置基于用于热模型的同一 PCB,热电偶放置在铜散热器中心钻出的小孔中,而第二个热电偶安装在散热片的另一面吊具。

开尔文连接用于测量高压降。知道了这一点和提供的电流,就可以准确测量 FET 有源区的功耗。为了测量 GaN FET 结温,使用低熔点焊料将带有 36-AWG 绝缘引线的 K 型热电偶与 FET 底部接触。

将测量结果与仿真模型产生的峰值和平均值进行了比较,对于 k TIM = 3.5 W/mK,测量结果和模拟值非常相似。然而,对于 k TIM = 10 W/mK,误差明显更高。进一步的分析表明,该误差部分是由于在模拟中没有考虑阻焊层,因为随着 k TIM 的增加,这会产生越来越大的影响。


声明:该篇文章为本站原创,未经授权不予转载,侵权必究。
换一批
延伸阅读

功率密度是电源设计的永恒话题,而随着近年来各类创新应用对于功率等级的提高,要在同样甚至更小的体积中达成同样的供电需求,就势必要把功率密度推向更高的纬度。而追求电源设计功率密度的提升,最根本的是要从器件层面入手。对于电源芯...

关键字: 电源 功率密度 TI GaN LMG2100 隔离DC/DC UCC33420

业内消息,近日新加坡 RF GaN(射频氮化镓)芯片供应商 Gallium Semiconductor(加联赛半导体)突然终止业务并解雇所有员工,包括位于荷兰奈梅亨的研发中心。

关键字: 芯片 射频 氮化镓 Gallium RF GaN

如何把握住2024年的行业新机遇,实现技术突破创新,赋能各类新兴应用的发展?新一年伊始,我们采访到了英飞凌科技全球高级副总裁暨大中华区总裁、英飞凌电源与传感系统事业部大中华区负责人潘大伟,他和我们分享了英飞凌这一年来的成...

关键字: 英飞凌 功率半导体 SiC GaN review2023

增强瑞萨宽禁带专业知识和产品路线图发展,以应对电动汽车、数据中心、人工智能电源,以及可再生能源快速增长的市场机遇。

关键字: GaN 电源

大联大诠鼎基于Innoscience InnoGaN器件-INN650TA030AH、INN650TA070AH和INN650D080BS芯片推出2KW PSU服务器电源方案,旨在利用先进的GaN器件助力服务器电源实现更...

关键字: GaN 电源

三款新器件为SMD的高功率系统带来了SuperGaN的常闭型(Normally-Off D-Mode)平台优势,此类高功率系统需要在高功率密度的情况下实现更高的可靠性和性能,并产生较低的热量

关键字: 人工智能 氮化镓 FET

电气化和智能化的发展趋势为舍弗勒带来新的增长机会 舍弗勒计划到2026年前,在全球范围内投入5亿欧元用于电机产能扩充和新产能建设 舍弗勒计划与VDL Groep合作开发自动驾驶穿梭巴士,首款展示车亮相展会...

关键字: 热管理 自动驾驶 MIDDOT 集成

佛山2023年8月17日 /美通社/ -- 国家能源局7月31日发布的数据显示,截至6月底我国可再生能源装机达到13.22亿千瓦,历史性超过煤电,约占我国总装机的48.8%。其中风电装机3.89亿千瓦,光伏发电装机4.7...

关键字: 电芯 美的 热管理 楼宇

以下内容中,小编将对场效应管的相关内容进行着重介绍和阐述,希望本文能帮您增进对场效应管的了解,和小编一起来看看吧。

关键字: 场效应管 场效应晶体管 FET

从电流感应、磁传感器和电源的结合,Allegro Microsystems在汽车和工业市场赢得了成功。而今通过对于Power-Thur技术的隔离栅极驱动器的成功发布,Allegro继续扩大优势,强势布局宽禁带器件功率市场...

关键字: GaN 隔离器 隔离栅极驱动器 Allegro
关闭