4 GaN 컨버터 IC 설계 및 구현

열 관련 설계 고려 사항을 평가하기 위해 통합형 GaN을 적용한 48V_IN, 960W 4상 벅 컨버터 레퍼런스 설계를 사용했습니다. 4개의 인터리브 통합형 GaN 위상에 부하를 분산함으로써 각 위상의 전류와 전력 손실을 줄이는 동시에, 48V 전력 변환에 요구되는 고출력 전류 기능과 소형 솔루션 크기를 모두 구현할 수 있습니다. 표 1에는 전체 설계 사양이 나와 있습니다.

이에 따른 온도 분포와 패키지, 냉각 구조 및 PCB를 통한 열 흐름을 평가하기 위해 열 시뮬레이션을 수행했습니다. 열 시뮬레이션은 Ansys Icepak® 열 모델링 소프트웨어 도구를 사용하여 수행되었습니다. 그림 2에서는 주변 온도 25°C, 공기 흐름이 없는 조건에서 4개의 LMG708B0 장치 각각에 6.29W의 전력 손실을 적용하여, 전체 출력 960W로 동작하는 4상 벅 컨버터의 정상 상태 열 시뮬레이션을 보여줍니다. 전력 손실은 주변 온도 25°C에서 전체 출력 960W로 동작하는 레퍼런스 설계의 총 전력 손실을 구한 후, 주변 수동 소자에서 발생하는 손실을 차감하여 LMG708B0 장치에서 발생하는 전력 손실만을 산출했습니다. 장치의 전력 손실은 4개 위상 전체에서 총 25.16W에 해당합니다. 시뮬레이션된 4개 위상의 패키지 온도는 모두 약 108°C로 나타났으며, 이는 LMG708B0 장치의 권장 케이스 온도인 135°C보다 여전히 충분히 낮은 수준입니다.

시뮬레이션은 또한 양면 냉각 구조와 PCB 양쪽을 통과하는 통합 GaN 장치의 열 경로를 보여줍니다. 그러나 이 시뮬레이션은 최종 하드웨어 구현의 근사치를 나타냅니다. 시뮬레이션에서 모델링한 히트 싱크의 형상은 최종 히트 싱크와 약간 다르며, LMG708B0 패키지와 히트 싱크 사이에 사용된 TIM(열 인터페이스 소재)은 고려되지 않았습니다. TIM은 케이스와 히트 싱크 사이에 추가적인 열 임피던스를 발생시키며, 이는 양면 냉각 경로의 전반적인 열 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 시뮬레이션을 통해 얻은 온도는 이 문서의 뒷부분에서 설명하는 컨버터의 실제 측정 성능과 비교하기 위한 열 레퍼런스를 제공합니다.