Gan Güç Anahtarları İle Gerçeklenen Yarım Köprü Geliştirme Kartının Isıl Başarımının İncelenmesi

Abstract

GaN FET anahtarlar ufak paket boyutlarına sahip olması ve yüksek çalışma gerilimakım değerlerini yüksek anahtarlama frekanslarında sağlayabilmesinden dolayı güç elektroniği çeviricilerinde yeni ufuklar açmıştır. Bu çalışma EPC firması tarafından üretilmiş olan küçük paket boyutlarındaki EPC2215 (VDS=200V, ID=32A, RDS(on)=8m) GaN FET anahtarların sonlu elemanlar yöntemi tabanlı ısıl modelinin elde edilmesini ile ilgilidir. JEDEC standartlarınca belirlenen deney talimatları kurulan benzetim modeline uygulanmıştır. Anahtarın jonksiyondan kılıfa, jonksiyondan dış ortama ve jonksiyondan devre kartına olan ısıl dirençleri benzetim modeli ile hesaplanmış ve firmanın veri föylerinde paylaştığı ısıl direnç değerleri ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra yine aynı firmaya ait olan, EPC2215 anahtarları ile yapılan, EPC9099 yarım-köprü geliştirme kartının ısıl modellemesi yapılmıştır. Firma tarafından veri föyünde paylaşılan kayıp güç değerleri benzetim modeline uygulanmıştır. Benzetim sonucunda geliştirme kartının ısıl yönden zorlandığı bölgeler belirlenmiştir. Daha sonra benzetim ile elde edilen ısıl dağılım sonuçları ile deneysel termal kamera görüntüleri karşılaştırılmıştır.

GaN FET switches have opened new horizons in power electronics converters due to their small package size and their ability to provide high operating voltagecurrent values at higher switching frequencies. This study presents the finite element method (FEM) based thermal model of EPC2215 (VDS=200V, ID=32A, RDS(on)=8m) GaN FET switches produced by EPC company in small package sizes. Firstly, the test procedures determined by the JEDEC standards have been applied to the established FEM-based model. The thermal resistances of the switch from junction to case, junction to ambient, and junction to board have all been estimated using the FEM-based simulation model and compared with the thermal resistance values given in the datasheet. Afterwards, the thermal model of the EPC9099 halfbridge development board that uses EPC2215 switches has been developed. The power loss values given in the datasheet have been applied to the thermal model. As a result of the simulation, the regions where the development board was subjected to thermal stress were identified. Finally, the thermal map results obtained by the simulation have been compared with the thermal camera readings captured during experiments.