6 열 성능

패키지 수준의 온도 분포와 양면 냉각 방식의 효과를 모두 분석하기 위해 두 가지 정상 상태 작동 조건에서 열 성능을 평가했습니다. 그림 4에 표시된 첫 번째 측정은 히트 싱크를 제거한 상태에서 출력 전류를 50A로 설정하여 수행했으며, 이를 통해 열화상 카메라로 4개의 LMG708B0 패키지와 주변 PCB를 직접 관찰할 수 있도록 했습니다. 이 작동 조건에서 4상 구성은 600W의 출력 전력을 공급하며, 측정된 총 전력 손실은 약 16.6W입니다. 관측된 최대 온도는 약 97°C였으며, 가장 높은 온도는 전력계 영역 주변에 집중되었습니다.

이후 양면 냉각 구조의 효과를 극대화하기 위해 히트 싱크를 장착한 상태에서 최대 부하인 80A 조건으로 컨버터의 성능을 평가했습니다. 히트 싱크는 알루미늄으로 제작되었으며, 베이스 크기는 10.72cm(4.22인치) × 2.70cm(1.06인치), 높이는 1.61cm(0.63인치)입니다. 또한 히트 싱크에는 베이스에서 뻗어 있는 높이 2.54cm(1.00인치)의 핀 7개가 있습니다. 히트 싱크는 양면 냉각 패키지를 통해 IC에서 발생하는 열을 간단하면서도 효과적으로 외부로 방출할 수 있도록 설계되었습니다. 대부분의 애플리케이션, 특히 자동차 분야에서는 ECU(전자 제어 장치)의 하우징과 같은 더 큰 히트 싱크 또는 보다 최적화된 냉각 구조를 사용하여 더 높은 성능을 구현할 수 있습니다. 히트 싱크와 LMG708B0 장치 사이에 사용된 TIM은 두께가 1mm이고 열전도율이 20W/m·K인 T-WORK9000입니다. 이 작동 조건에서 컨버터는 960W를 공급하며, 이에 해당하는 컨버터의 총 전력 손실은 약 31.2W입니다. 히트 싱크가 통합형 GaN 패키지를 덮고 있는 상태에서, 그림 5에 표시된 열화상 이미지는 주로 외부 냉각 구조와 주변 컨버터의 온도 분포를 보여줍니다. 열화상 이미지는 컨버터를 960W의 정상 상태에서 약 20분간 작동시켜 열평형 상태에 도달한 후 촬영되었습니다.

이 두 가지 측정 결과는 컨버터 설계에 적용된 상호 보완적인 열 경로를 보여줍니다. 그림 4의 50A 측정 결과는 전력계와 PCB의 온도 분포를 직접 보여주는 반면, 그림 5의 80A 측정 결과는 최대 작동 조건에서 전체 냉각 구조의 성능을 평가하고 양면 냉각 구조의 효과를 입증합니다. 이러한 결과는 80A 전부하 조건을 모델링한 그림 2의 열 시뮬레이션 결과를 보완합니다. 그림 5에서는 전력계 영역을 부분적으로 보여주며, 각 IC의 온도가 약 101°C임을 나타냅니다. 주 LMG708B0 장치 위에 놓되, TIM과 히트 싱크 아래에 위치시킨 와이어 리드를 열 결합 방식으로 활용하여 더욱 정확한 케이스 온도를 측정했습니다. 주 LMG708B0 장치의 케이스 온도는 105.4°C였습니다. 그림 6에서는 주 IC의 케이스 온도를 측정하는 데 사용된 설정을 보여줍니다.

이러한 결과는 열 시뮬레이션 결과와 일치하며, 양면 냉각 구조의 중요성을 보여줍니다. 또한 더 크거나 신뢰성이 높은 냉각 시스템을 사용하거나 팬을 추가하여 공기 흐름을 제공하면 온도를 더욱 낮출 수 있으며, 이를 통해 시스템 성능을 한층 향상할 수 있습니다.