GaN

Создание высоковольтного полумоста на базе GaN-микросхем LMG3410x

Силовые GaN-транзисторы, входящие в состав семейства LMG3410x, часто называются транзисторами с повышенной подвижностью электронов. Скорость переключений этих транзисторов очень высока и может задаваться в диапазоне от 30 В до 100 В/ нс при рабочих напряжениях 380 В...480 В. При таких скоростях переключений разработчики должны уделять повышенное внимание компоновке и трассировке печатной платы.
5009
В избранное

Транзисторы на основе нитрида галлия (GaN) становятся все более доступными, благодаря чему, их потенциал может быть наконец использован для повышения эффективности и увеличения плотности мощности в реальных приложениях. Нитрид галлия по целому ряду параметров превосходит кремний, например, при одном и том же размере кристалла сопротивление открытого канала Rds и выходная емкость Coss нитрид-галлиевого транзистора оказываются значительно меньше. Силовые GaN-транзисторы, входящие в состав семейства LMG3410x, часто называются транзисторами с повышенной подвижностью электронов (high electron mobility transistor, HEMT). У этих силовых ключей, в отличие от кремниевых транзисторов, отсутствует процесс обратного восстановления Qrr. Эти преимущества позволяют GaN-транзисторам работать на более высоких частотах. Скорость переключений для нитрид-галлиевых транзисторов, входящих в состав LMG3410x, очень высока, и может задаваться пользователем в диапазоне от 30 В до 100 В / нс при рабочих напряжениях от 380 В до 480 В. При таких скоростях переключений разработчики должны уделять повышенное внимание компоновке и трассировке печатной платы. Это связано с тем, что паразитные индуктивности и емкости способны приводить к существенному снижению эффективности или даже к катастрофическим отказам устройства. При попытке выжать максимум мощности из GaN-ключей также могут возникнуть проблемы с перегревом и дальнейшей деградацией транзисторов, в том случае, если система отвода тепла спроектирована неправильно. В статье рассматриваются вопросы компоновки и трассировки печатной платы, обсуждается выбор компонентов силовой схемы, даются советы по построению системы отвода тепла. Предлагаемые рекомендации позволят избежать озвученных проблем и не допустить снижения эффективности.

1. Введение

Для обеспечения максимальной эффективности при работе с микросхемами LMG3410x необходимо грамотно выполнить компоновку и трассировку печатной платы. К сожалению, одна и та же рекомендация по проектированию платы может улучшить один показатель, и в то же время привести к ухудшению другого показателя. По этой причине, чтобы создать оптимальную печатную плату, разработчик должен знать о существующих компромиссах. Рекомендации, представленные в данной статье, относятся к высоковольтным приложениям, тем не менее, микросхемы LMG3410x способны работать и в составе более низковольтных устройств, при разработке которых необходимо учитывать ряд дополнительных требований (см. руководство http://www.ti.com/lit/an/snva729a/snva729a.pdf).

1.1. Паразитная индуктивность

По сравнению с кремниевыми ключами GaN-транзисторы обладают меньшей емкостью затвора, низкой выходной емкостью и минимальным сопротивлением открытого канала. Благодаря этим преимуществам, GaN-транзисторы переключаются намного быстрее и с меньшими потерями. С одной стороны, быстрые переключения помогают снизить потери при каждой коммутации, однако при этом существенно увеличивается скорость изменения напряжения и тока. Микросхемы LMG3410x позволяют разработчикам задавать скорость нарастания в диапазоне от 30 В/ нс до 100 В/ нс. Как видно из уравнения 1, увеличение скорости нарастания тока приводит к росту выброса напряжения, вызванного наличием паразитной индуктивности:

formula_3.png (508 b)  

где

  • Llk – паразитная индуктивность;
  • di / dt – скорость нарастания тока;
  • V – генерируемое напряжение.

Поскольку высокая скорость нарастания крайне важна для уменьшения длительности переключений и минимизации потерь, то основным способом борьбы с выбросами напряжения становится уменьшение паразитной индуктивности. Самый критичный контур тока включает в себя силовые ключи и входной развязывающий конденсатор. На рис. 1 показан силовой контур на примере полумостового преобразователя.

Наиболее критичный контур тока в полумостовом преобразователе

Рис. 1. Наиболее критичный контур тока в полумостовом преобразователе

Индуктивность контура можно оценить с помощью уравнения (2).

где

  • μ0 – магнитная постоянная (4π × 10-7);
  • μr - относительная магнитная проницаемость (1 для FR-4);
  • h - расстояние между проводниками;
  • w - ширина проводника;
  • l - длина проводника;
  • Ltrace - паразитная индуктивность.

Из уравнения (2) следует, что паразитную индуктивность печатного проводника Ltrace можно снизить за счет уменьшения расстояния между трассами h, уменьшения длины трассы или увеличения ширины печатного проводника w. Чтобы уменьшить расстояние между проводниками h, следует размещать все компоненты на верхнем слое печатной платы, при этом путь для возвратных токов должен находиться на ближайшем внутреннем слое земли (рис.2).

Оптимальная компоновка печатной платы

Рис. 2. Оптимальная компоновка печатной платы

Снижение паразитной индуктивности при использовании оптимальной трассировки печатной платы позволяет уменьшить выбросы напряжения, тем самым повысить эффективность использования LMG3410x.

1.2 Паразитная емкость

1.2.1. Трассировка печатной платы

Для обеспечения оптимальной работы GaN-транзисторов потребуется многослойная печатная плата. Чтобы снизить паразитную емкость и не допустить уменьшения эффективности, необходимо минимизировать перекрытия между полигонами и проводниками наиболее критичных цепей и узлов схемы. Одним из таких узлов является узел коммутации – выход полумоста, выделенный пунктирной линией на рис. 3. Любая дополнительная емкость между этой цепью и землей (или шиной питания) приводит к увеличению мощности, рассеиваемой силовым ключом при включении, а значит и к общему росту динамических потерь. Таким образом, следует отметить первое противоречие: увеличение ширины проводника с одной стороны позволяет снизить паразитную индуктивность, а с другой стороны может приводить к росту паразитной емкости.

Выход полумоста является примером узла, чувствительного к паразитной емкости

Рис. 3. Выход полумоста является примером узла, чувствительного к паразитной емкости

Паразитную емкость печатной платы можно оценить с помощью формулы (3) (см. SLYP173):

formula_5.png (666 b)

где

  • h – расстояние между слоями меди в см;
  • A – площадь перекрытия в см2;
  • εr – относительная диэлектрическая проницаемость (4,5 для FR-4);
  • C – емкость в пФ.

Например, если расстояние между верхним слоем и слоем земли составляет 5 милов (0,127 мм), а площадь перекрытия 0,64 см2 (площадь LMG3410R070), то дополнительная паразитная емкость будет примерно равна 20 пФ. В то же время при работе с высокими напряжениями выходная емкость LMG3410R070 составляет всего 90 пФ. Таким образом, из-за паразитной емкости общая емкость узла коммутации увеличивается на 22%. Мощность потерь, рассеиваемая на силовом ключе из-за паразитной емкости узла коммутации, может быть рассчитана по формуле 4 (см. SLYY071)

formula_6.png (882 b)

где

  • fsw – частота переключений;
  • Coss – выходная емкость узла коммутации;
  • VIN – входное напряжение шины;
  • Pcap – потери мощности.

Например, при частоте переключений 140 кГц и рабочем напряжении 380 В дополнительная емкость 20 пФ увеличит мощность потерь LMG3410R070 на 0,4 Вт. Чтобы снизить потери, необходимо минимизировать паразитную емкость, образованную слоем заземления и контактной площадкой DAP микросхемы LMG3410R070, а также слоем заземления и узлом коммутации, например, за счет увеличения расстояния между различными слоями печатной платы и уменьшения ширины трасс. 

1.2.2. Радиатор

Другим источником паразитной емкости является радиатор. Обычно радиаторы изготавливаются из материалов с хорошей проводимостью, например из алюминия. Если один радиатор используется для отвода тепла от двух микросхем LMG3410x, работающих в составе полумоста, то его потребуется дополнительно изолировать с помощью теплопроводящей прокладки – термоинтерфейса (thermal interface material, TIM). В микросхемах LMG3410x отвод тепла осуществляется в первую очередь с помощью контактной площадки DAP (die attached pad), которая расположена на нижней поверхности корпуса и на которой непосредственно размещен кристалл. К этой же площадке подключен сток силового ключа. В полумостовой схеме такое конструктивное решение приводит к появлению паразитной емкости между радиатором и узлом коммутации, а также радиатором и землей (рис. 4).

Паразитная емкость образованная изолированным радиатором в полумостовой схеме

Рис. 4. Паразитная емкость образованная изолированным радиатором в полумостовой схеме

Наличие радиатора приводит к появлению дополнительной паразитной емкости между узлом коммутации и землей. Если радиатор заземлен, эта паразитная емкость увеличивается. Таким образом, улучшение качества отвода тепла за счет большой площади металлизации приведет к росту паразитной емкости. В итоге для обеспечения оптимального результата потребуется компромисс между теплопроводностью и паразитной емкостью. Иногда может возникнуть необходимость использования радиаторов с двух сторон печатной платы. Рекомендации по организации системы отвода тепла приведены в одном из следующих разделов данной статьи.

1.3. Шумы

К сожалению, даже оптимальная компоновка печатной платы не позволит полностью избавиться от помех, возникающих в силовом контуре. Мощные помехи способны нарушать целостность логических сигналов. В этом смысле особенно критично разрушающее воздействие шумов на сигналы управления затвором. Неудачная трассировка печатной платы может привести к возникновению помех, вызывающих ложные переключения силовых транзисторов. В таких случаях возможно протекание сквозных токов и увеличение мощности потерь за счет осцилляций при коммутациях. Как уже отмечалось выше, влияние помех следует минимизировать за счет ограничения площади перекрытия между цепями с большими перепадами напряжений, например, между узлом коммутации и землей. Для защиты от перечисленных негативных явлений рекомендуется использовать входные низкочастотные RC-фильтры и дополнительные аварийные сигналы управления.

2. Выбор компонентов

Эффективность микросхем LMG3410x во многом зависит от выбора других компонентов схемы. Чтобы обеспечить максимальную эффективность и предотвратить возникновение различных проблем, необходимо ответственно подойти к выбору конденсаторов, диодов и микросхем.

2.1. Развязывающий конденсатор

Как правило, в высоковольтных схемах для стабилизации входного напряжения используются пленочные или электролитические конденсаторы. Возможностей этих конденсаторов хватает при работе на низких частотах, однако из-за значительной собственной паразитной индуктивности и большого размера они не очень подходят для высокочастотных приложений с высокими скоростями изменения напряжений и токов. Чтобы решить проблему, следует использовать керамические чип-конденсаторы с минимальной зависимостью емкости от температуры и приложенного напряжения, например, с диэлектриками X7R или NP0 / C0G. Такие конденсаторы имеют компактные корпуса с низкой собственной индуктивностью, что позволяет существенно сокращать длину токовых контуров, а значит и минимизировать выбросы напряжения при коммутациях.

Развязывающие конденсаторы должны быть размещены на трех входах питания микросхем LMG3410x: VDD, LDO5V и VNEG. Для максимально эффективного подавления помех, возникающих при коммутации, необходимо, чтобы эти конденсаторы были расположены максимально близко к выводам микросхемы. На рис. 5 представлен пример правильного размещения конденсаторов: C9 развязывает вход VNEG, C5 развязывает вход 5 В и C8 развязывает вход VDD. Как уже говорилось выше, рекомендуется располагать компоненты на верхнем слое печатной платы.

Расположение развязывающих конденсаторов (C9, C5, C8)

Рис. 5. Расположение развязывающих конденсаторов (C9, C5, C8)

2.2. Драйвер силового ключа

Для управления GaN-транзисторами необходимо обеспечивать точные значения управляющих напряжений, кроме того для надежного запирания ключа может потребоваться отрицательное напряжение. Микросхемы LMG3410x имеют встроенный драйвер, поэтому задача по выбору драйвера для управления силовым ключом оказывается решена. Разработчик должен всего лишь организовать дополнительное питание драйвера 12 В.

2.3. Работа LMG3410x в режиме для верхнего ключа: схема сдвига и питания

При использовании LMG3410x в качестве верхнего ключа (верхнее плечо полумоста) необходимо обеспечить питание логики и силовой части микросхемы, для этого потребуется внешние схемы сдвига и питания. Чтобы избежать проблем, при разработке этих схем следует учитывать некоторые особенности, о которых будет сказано далее.

2.3.1. Схема сдвига

Для подачи логических сигналов управления от контроллера на микросхему LMG3410x, выступающую в роли верхнего ключа, необходимо реализовать схему сдвига уровня. Для решения этой задачи рекомендуется использовать цифровые изоляторы из-за их низкой задержки распространения сигналов. Стоит отметить, что изоляторы должны обладать высокой устойчивостью к синфазным помехам (common mode transient immunity, CMTI), при том что многие стандартные изоляторы рассчитаны только на скорости 50 В/ нс или даже ниже. Кроме того, не рекомендуется применять изоляторы, использующие модуляцию с защелкиванием по фронту, поскольку помехи, вызванные быстрыми переключениями силовых транзисторов, могут вызывать ложные срабатывания и приводить к аварийным ситуациям. В качестве примера подходящих изоляторов можно привести изоляторы серии ISO78xxF от Texas Instruments, при работе с ними для защиты от ложных импульсов будет достаточно простейших RC-фильтров на входах.

2.3.2. Питание

Для питания микросхемы LMG3410x, выступающей в роли верхнего ключа, рекомендуется использовать изолированный источник питания, такой, например, как DCP010512BP-U от Texas Instruments. Необходимо выбирать источник питания с низкой емкостью между входом и выходом, так как эта емкость будет дополнительно увеличивать емкость узла коммутации и, тем самым, приводить к росту потерь и создавать путь для проникновения помех от силового каскада в логическую часть схемы.

2.3.3. Бутсрепный источник питания

Несмотря на то, что для питания устройств LMG3410x рекомендуется трансформаторный изолированный источник питания, тем не менее, во многих случаях будет достаточно бутстрепного источника питания. В качестве примера можно рассмотреть схему, изображенную на рис. 6.

Использование бутстрепной схемы для питания LMG3410x

Рис. 6. Использование бутстрепной схемы для питания LMG3410x

При разработке бутстрепной схемы необходимо учесть некоторые особенности. При высоких частотах коммутации следует обращать внимание на обратное восстановление диода. С одной стороны, время обратного восстановления диода ограничивает минимальную длительность импульса, а с другой стороны, процесс восстановление является источником дополнительных потерь. Чтобы решить эти проблемы, рекомендуется использовать сверхбыстрые диоды, например, UFM15PL-TP от компании Micro Commercial. Также не стоит забывать, что в полумостовых схемах активизация бутстрепной схемы и включение верхнего ключа возможно только в том случае, если до этого нижняя микросхема LMG3410x была включена.

При использовании бутстрепного источника питания рекомендуется снизить скорость нарастания при первоначальном старте системы до 30 В/ нс. Для этого подойдет схема, представленная на рис. 7. Во время запуска системы сигнал FAULT принимает низкое значение, в результате чего сопротивление на входе RDRV будет равно R2, то есть 100 кОм. При этом будет установлено минимальное значение скорости нарастания 30 В/нс. Когда верхний транзистор включается, сигнал FAULT также включает QRDRV, и скорость нарастания изменяется в соответствии со значением сопротивления резистора R1, соединенного в параллель с R2. Для расчета скорости нарастания может использоваться формула (5).

Схема управления скоростью нарастания LMG3410x при запуске системы

Рис. 7. Схема управления скоростью нарастания LMG3410x при запуске системы

formula_7.png (1 KB)

Одной из проблем при использовании GaN-транзисторов в качестве ключей верхнего плеча становится необходимость точного поддержания напряжения смещения. Дополнительное падение напряжения сток-исток нижнего транзистора может привести к росту напряжения бутстрепной схемы. Микросхемы LMG3410x не так чувствительны к этой проблеме, так как имеют в своем составе дополнительный регулятор напряжения, позволяющий работать с напряжениями VDD до 18 В.

3. Отвод тепла

Несмотря на то, что GaN транзисторы характеризуются меньшим уровнем потерь по сравнению с кремниевыми полевыми транзисторами, они все равно нагреваются в процессе работы, особенно при значительной токовой нагрузке. Чтобы транзистор не перегревался, необходимо правильно организовать отвод тепла. Микросхемы LMG3410x имеют встроенную защиту от перегрева, однако грамотно спроектированная система отвода тепла предотвратит нежелательные срабатывания этой защитной функции.

Типовая структура печатной платы с силовым транзистором и ее тепловая модель

Рис. 8. Типовая структура печатной платы с силовым транзистором и ее тепловая модель

Отвод тепла от LMG3410x выполняется в первую очередь через мощную контактную площадку (DAP), расположенную на нижней стороне корпуса. Тепловые характеристики LMG3410x зависят от конструктивных особенностей системы: топологии и конструкции печатной платы, материала термоинтерфейса и активной системы охлаждения. Тепловая модель системы с отводом тепла через нижнюю поверхность корпуса микросхемы представлена на рис. 8, там же указаны отдельные составляющие теплового сопротивления. Существует два пути для отвода тепла от LMG3410x: через верхнюю поверхность корпуса и через нижнюю поверхность корпуса. Нижний путь, обозначенный на рис. 8 сплошными линиями, является основным направлением отвода тепла. На верхний путь, обозначенный пунктирными линиями, приходится лишь незначительная часть отводимого тепла. Как показывает практика, в типовой конфигурации с термопереходами (переходными отверстиями) даже при наличии ребристого радиатора и достаточного потока воздуха, менее 10% тепла отводится через верхний канал. Следовательно, тепловые характеристики LMG3410x практически полностью зависят от эффективности отвода тепла по нижнему пути. Полное тепловое сопротивление включает несколько основных составляющих: тепловое сопротивление корпуса Rθ(jcbottom), тепловое сопротивление печатной платы Rθ(PCB), тепловое сопротивление термоинтерфейса Rθ(TIM) и тепловое сопротивление радиатора Rθ(heatsink). Температура кристалла может быть определена с помощью уравнения 6:

Tj = Ploss × Rθja + T

где

  • Tj – температура перехода;
  • TA – температура окружающей среды;
  • Ploss – полная рассеиваемая мощность;
  • Rθja – полное тепловое сопротивление.

Полное тепловое сопротивление Rθja можно рассчитать с помощью уравнения 7:

Rθja = Rθjc(bottom) + Rθ(PCB) + Rθ(TIM) + Rθ(heatsink) 

где

  • Rθjc(bottom) – тепловое сопротивление между кристаллом и нижней контактной площадкой корпуса (DAP);
  • Rθ (PCB) – тепловое сопротивление платы;
  • Rθ (TIM) – тепловое сопротивление термоинтерфейса;
  • Rθ(heatsink) –тепловое сопротивление радиатора;

Поскольку максимально допустимая температура перехода Tj является постоянной величиной, определяемой материалом GaN, то снижение полного теплового сопротивления Rθja позволяет увеличить выходную мощность LMG3410x, а также работать при более высоких температурах окружающей среды. Оптимизация теплоотвода может быть достигнута за счет уменьшения Rθjc(bottom), Rθ (PCB), Rθ (TIM) и Rθ(heatsink) (см. документ SPRABI3). Тепловое сопротивление кристалл-корпус Rθjc(bottom) является внутренней характеристикой LMG3410x и не может быть изменено пользователем. Снижение других составляющих полного теплового сопротивления осуществляется за счет оптимизации конструкции печатной платы, грамотного выбора термоинтерфейса и радиатора.

3.1. Оптимизация тепловых характеристик печатной платы

3.1.1. Верхний слой

Как и электрическое сопротивление, тепловое сопротивление определяется не только типом материала. Это функция теплопроводности материала и размеров объекта. В простейшем случае тепловое сопротивление может быть найдено по формуле (8):

formula_8.png (474 b)

где

  • t – толщина материала;
  • А – площадь объекта;
  • K – теплопроводность материала/

Когда площадь источника тепла меньше площади теплоотвода, картина распределения тепла принимает трехмерную форму, и в игру вступает тепловое сопротивление меди (см. Spreading Resistance in Cylindrical Semiconductor Devices). Верхняя поверхность слоя металлизации может рассматриваться как источник тепла, который определяется площадью теплостока корпуса транзистора (DAP), а нижняя поверхность может рассматриваться как теплоотвод. При увеличении площади полигона, его эффективное вертикальное тепловое сопротивление уменьшается и достигает некоторого значения насыщения, которое определяется толщиной меди. Очевидно, что с точки зрения теплоотвода, чем больше и толще слой металлизации на верхнем слое печатной платы, тем лучше. Поскольку традиционный материал для изготовления печатных плат – стеклотекстолит FR4 обладает низкой теплопроводностью, то через него отводится лишь ограниченная часть тепла. По этой же причине эффективная площадь стеклотекстолита, участвующая в отводе тепла, определяется площадью металлизации верхнего слоя. Как прямо следует из уравнения 8, увеличение площади приводит к уменьшению теплового сопротивления. Следовательно, общее тепловое сопротивление печатной платы уменьшается при использовании массивного слоя меди на верхнем слое печатной платы. Таким образом, если конструктивные ограничения, электрические характеристики, стоимость, размеры платы и другие требования удовлетворены, для оптимизации теплоотвода следует применять максимально возможную площадь металлизации верхнего слоя.

3.1.2. Внутренние слои и переходные отверстия

Тепловые характеристики печатной платы также можно улучшить за счет использования внутренних слоев металлизации и тепловых переходов, например, как показано на рис. 9.

Схема переходного отверстия, используемого в качестве теплового перехода (масштаб показан условно)

Рис. 9. Схема переходного отверстия, используемого в качестве теплового перехода (масштаб показан условно)

Что касается отвода тепла внутренними слоями печатной платы, то они функционируют так же, как и верхний слой металлизации. Внутренние слои распространяют тепловой поток, увеличивают площадь теплопроводности и уменьшают общее тепловое сопротивление. Поэтому с точки зрения улучшения теплоотвода рекомендуется использовать внутренние слои с максимальной толщиной меди и максимальной площадью покрытия (если это не приведет к негативным последствиям для остальных параметров).

Другой подход к улучшению тепловых характеристик печатной платы заключается в использовании тепловых переходов. Переходные отверстия между верхним и нижним слоем металлизации позволяют тепловому потоку обходить слои FR4 с низкой теплопроводностью. Следовательно, общая эффективная теплопроводность печатной платы увеличивается. Тепловые переходы обычно формируются в процессе сверловки печатной платы. Поскольку воздух обладает плохой теплопроводностью, то переходные отверстия на нижней стороне печатной платы должны быть подключены к полигонам металлизации, для эффективного отвода тепла. Для улучшения тепловых характеристик предпочтительна более высокая толщина металлизации переходных отверстий. Для дополнительного повышения эффективности тепловых переходов можно использовать заполнение воздушных зазоров эпоксидной смолой с высокой теплопроводностью или даже медью. С точки зрения тепловых характеристик выгодно также соединять тепловые переходы с внутренними слоями металлизации, которые обеспечивают тепловые потоки одновременно и в вертикальном, и в горизонтальном направлении. Подробное обсуждение вопросов использования переходных отверстий для отвода тепла можно найти в документах SNVA419 и SLMA002.

3.2. Термоинтерфейс

Чтобы полностью реализовать потенциал LMG3410x, рекомендуется использовать теплопроводящие прокладки – термоинтерфейсы (Thermal interface material, TIM) между радиатором и печатной платой. Существует много различных типов термоинтерфейсов: термопасты, теплоаккумулирующие материалы с фазовым переходом, термогели, адгезивные пленки и полимерные подкладки. Характеристики этих термоинтерфейсов, в том числе состав, тепловые свойства, электрическая прочность и сложность монтажа представлены в таблице 1. Данные в таблице 1 получены в ходе опроса основных поставщиков этих материалов.

Таблица 1. Характеристики изолирующих теплопроводящих материалов

Название Материал Теплопроводность Изолирующие свойства Сложность монтажа
Термопаста Силиконовая или иная паста с порошкообразными наполнителями, обладающими высокой теплопроводностью (например, Al2O3 или BN) Высокая Нет Средняя
Теплоаккумулирующие материалы с фазовым переходом Полимерные материалы с фазовым переходом (полиолефин, эпоксидный компаунд, полиэстр, акриловые соединения) с порошкообразными наполнителями, обладающими высокой теплопроводностью (например, Al2O3 или BN) Высокая Да (1)  Высокая
Термогели Силиконовая или иная паста с порошкообразными наполнителями, обладающими высокой теплопроводностью (например, Al2O3 или BN) Средняя Нет Зависит от приложения
Адгезивные пленки  Силиконовая или иная основа с порошкообразными наполнителями, обладающими высокой теплопроводностью, и размещенная на дополнительном конструктивном слое из ПЭТ или стекловолокна Низкая Да (1)  Низкая
Полимерные подкладки Силиконовая или иная паста с порошкообразными наполнителями, обладающими высокой теплопроводностью (например, Al2O3 или BN), и размещенная на дополнительном конструктивном слое из полиимида или стекловолокна Средняя Да (1)  Зависит от приложения
(1) Относится только к вариантам, в которых используется дополнительное изоляционное основание, например, полиимидная пленка, стекловолокно и ПЭТ. Другие варианты могут не обладать изолирующими свойствами.

Толщина и теплопроводность являются двумя наиболее важными параметрами при выборе термоинтерфейса для LMG3410x. В зависимости от типа термоинтерфейса толщина может варьироваться от нескольких микрон до нескольких миллиметров. В общем случае, термоинтерфейс с меньшей толщиной оказывается более предпочтительным, так как обладает меньшим тепловым сопротивлением. Однако, если требуется обеспечение электрической изоляции между печатной платой и металлическим радиатором, тогда необходимо использовать термоинтерфейс достаточной толщины. Электрическая изоляция может быть получена за счет использования термоинтерфейсов с дополнительной ламинацией непроводящим основанием, например, стекловолокном или полиимидной пленкой. Такой подход также повышает механическую прочность термоинтерфейса и позволяет защититься от коротких замыканий, вызванных проколами от металлических заусенцев на радиаторе. Поскольку ламинирующие основания обычно обладают низкой теплопроводностью, то общая теплопроводность термоинтерфейса также оказывается ниже.

Для приложений, требующих электрической изоляции, таких, например, как полумостовые схемы, в которых две микросхемы LMG3410x используют один и тот же радиатор, не рекомендуется использовать термопасты и термогели из-за их низкой и непостоянной электрической прочности. Материалы с фазовым переходом с диэлектрической ламинацией обеспечивают и относительно высокую теплопроводность, и электрическую изоляцию. Однако они имеют тенденцию к образованию пустот, которые могут приводить к снижению электрической прочности. Поэтому эти материалы также не рекомендуются для совместного использования с семейством микросхем LMG3410x.

Для работы с LMG3410x рекомендуются использовать адгезивные пленки или полимерные прокладки с дополнительным армированием из стекловолокна или полиимида. В тех случаях, когда требуется отвод больших объемов тепла, рекомендуется использовать полимерные прокладки, так как их тепловатые характеристики оказываются лучше. Однако полимерные прокладки имеют вид губок и обычно требуют давления для достижения заявленных тепловых характеристик. Поэтому для них необходим зажимной механизм, прижимающий радиатор к печатной плате, что усложняет процесс монтажа и увеличивает стоимость системы.

В тех случаях, когда необходимо достичь компромисса между тепловыми характеристиками и сложностью монтажа, приемлемым выбором может стать адгезивная пленка. В этом случае радиатор может быть прикреплен непосредственно к печатной плате без использования какого-либо зажимного устройства, что снижает сложность сборки и стоимость системы.

3.3. Выбор радиатора

Для улучшения качества теплоотвода при работе с семейством микросхем LMG3410x рекомендуется использовать радиатор. Благодаря радиатору тепловое сопротивление существенно снижается за счет эффективного рассеивания тепла в окружающее пространство.

Схема радиатора

Рис. 10. Схема радиатора

Радиаторы изготавливаются из материалов с высокой теплопроводностью, таких как алюминий и медь. Как показано на рис. 10, типовой радиатор состоит из массивного основания и ребер. Чтобы радиатор эффективно отводил тепло от LMG3410x, необходимо, чтобы полигон, подключенный к теплостоку корпуса (нижняя контактная площадка DAP), был прикреплен непосредственно к радиатору. При этом как уже говорилось выше, радиатор должен иметь адекватные размеры, так как он будет увеличивать дополнительную паразитную емкость, ограничивающую эффективность силового транзистора. Благодаря наличию ребер, эффективная площадь поверхности радиатора увеличивается, тем самым улучшая эффективность рассеивания тепла в окружающее пространство. Количество тепла, которое может рассеивать радиатор, определяется его тепловым сопротивлением Rθ (heatsink), которое обычно измеряется в °C/Вт и в идеале должно быть как можно ниже. Для дополнительного снижения теплового сопротивления в мощных приложениях рекомендуется использовать активное охлаждение, которое подразумевает продувку воздуха через ребра с помощью вентилятора. Таким образом, при выборе радиатора необходимо учитывать не только тепловое сопротивление Rθ (heatsink), но и рекомендации по выбору оптимального воздушного потока.

Выбор радиатора производится после расчета теплового сопротивления Rθ (heatsink) с помощью уравнений 6 и 7. Тепловое сопротивление радиатора должно быть меньше полученного расчетного значения Rθ (heatsink). Еще раз стоит подчеркнуть, что не рекомендуется использовать чрезмерно большие радиаторы, так как они повышают стоимость и увеличивают паразитную емкость.

4. Пример трассировки печатной платы

Чтобы на практике продемонстрировать эффективность предложенных в руководстве рекомендаций по компоновке и трассировке печатной платы, рассмотрим пример полумостовой схемы, построенной на базе двух микросхем LMG3410R070 (рис. 11).

Полумостовая схема на базе двух микросхем LMG3410R070

Рис. 11. Полумостовая схема на базе двух микросхем LMG3410R070

Рекомендуется размещать все основные компоненты, взаимодействующие с LMG3410R070, на одном слое и использовать многослойную плату с особым стеком, в котором применяется минимальная толщина препрега между верхним слоем (слоем с компонентами) и первым внутренним слоем меди, с учетом требований электрической прочности. Рассматриваемая в данном примере печатная плата предполагает размещение всех компонентов на верхнем слое, а расстояние между двумя верхними слоями составляет всего 5 милов (0,127 мм) (рис. 12).

Размещение компонентов на верхнем слое печатной платы

Рис. 12. Размещение компонентов на верхнем слое печатной платы

Трассировка верхнего слоя печатной платы

Рис. 13. Трассировка верхнего слоя печатной платы

Трассировка первого внутреннего слоя печатной платы

Рис. 14. Трассировка первого внутреннего слоя печатной платы

5. Результаты испытаний

Эффективность предложенных рекомендаций проверялась на примере отладочной платы LMG3410-HB-EVM, которая состоит из двух микросхем LMG3410x, включенных по схеме полумоста. Как видно из осциллограмм, представленных на рис. 15, при работе со входным напряжением 480 В, выходным током 5 А, частотой переключений 100 кГц и коэффициентом заполнения 50% перегрузка по напряжению, а также звон при коммутации оказываются достаточно низкими и не вызывают проблем. При использовании радиатора с активным воздушным охлаждением температура корпуса силового транзистора остается в рамках диапазона разрешенных значений (рис. 16).

Осциллограммы токов и напряжений платы LMG3410-HB-EVM

Рис.15. Осциллограммы токов и напряжений платы LMG3410-HB-EVM. Вверху: ток через индуктивность выходного фильтра. Внизу: напряжение на узле коммутации (выход полумоста)

Исследование теплового режима платы LMG3410-HB-EVM

Рис. 16. Исследование теплового режима платы LMG3410-HB-EVM

Используемая литература:

  1. Layout Guidelines for LMG5200 ~ 80-V, 10-A, GaN Power Stage Module, SNVA729
  2. Wheeler, H.A., "Inductance formulas for circular and square coils," in Proceedings of the IEEE , vol.70, no.12, pp.1449-1450, Dec. 1982 doi: 10.1109/PROC.1982.12504 URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1456772&isnumber=31320
  3. Reusch, D.; Strydom, J., "Understanding the Effect of PCB Layout on Circuit Performance in a High Frequency Gallium-Nitride-Based Point of Load Converter," in Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.29, no.4, pp.2008-2015, April 2014 doi: 10.1109/TPEL.2013.2266103 URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6531683&isnumber=6632912
  4. High Speed Analog Design and Application Seminar, SLYP173
  5. GaN Power Module Performance Advantage in DC/DC Converters, SLYY071
  6. Thermal Design Guide for KeyStone Devices, SPRABI3
  7. D.P. Kennedy, "Spreading Resistance in Cylindrical Semiconductor Devices" in J. Appl. Phys. 31, 1490 (1960); URL:http://dx.doi.org/10.1063/1.1735869
  8. AN-2020 Thermal Design By Insight, Not Hindsight, SNVA419
  9. PowerPAD™ Thermally Enhanced Package, SLMA002
  10. "How to Select a Heatsink" URL: http://www.aavid.com/sites/default/files/technical/papers/how-to-select-heatsink.pdf

Источник: GaN Half Bridge Design app note 

 
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
ISO7821DW
ISO7821DW
Texas Instruments
Арт.: 1898369 PDF AN RD
Доступно: 614 шт. 279,00
DIGITAL ISOLATOR, DUAL, 10.7NS, WSOIC-16
ISO7821DW 279,00
23 шт.
(на складе)
591 шт.
(под заказ)
ISO7821DWR
ISO7821DWR
Texas Instruments
Арт.: 1900919 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 713 шт. от 2 шт. от 273,01
Выбрать
условия
поставки
Усиленная изоляция
ISO7821DWR от 2 шт. от 273,01
713 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LMG3410R070RWHR
LMG3410R070RWHR
Texas Instruments
Арт.: 3041736 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 368 шт. от 2000 шт. от 1000,00
Выбрать
условия
поставки
Half Bridge Driver Synchronous Buck Converters MOSFET (Metal Oxide) 32-VQFN (8x8)
LMG3410R070RWHR от 2000 шт. от 1000,00
368 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LMG3410R070RWHT
LMG3410R070RWHT
Texas Instruments
Арт.: 3041737 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 239 шт. от 1 шт. от 1543,21
Выбрать
условия
поставки
Драйверы для управления затвором SMART 70MOHM GAN FET WITH DRIVER
LMG3410R070RWHT от 1 шт. от 1543,21
239 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LMG3410EVM-018
LMG3410EVM-018
Texas Instruments
Арт.: 3416579 ИНФО RD
Поиск
предложений
LMG3410R050 daughter card
LMG3410EVM-018
-
Поиск
предложений
LMG3410EVM-031
LMG3410EVM-031
Texas Instruments
Арт.: 3416580 ИНФО RD
Поиск
предложений
LMG3410R150 daughter card
LMG3410EVM-031
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()