GAN GÜÇ ANAHTARLARI İLE GERÇEKLENEN YARIM KÖPRÜ GELİŞTİRME KARTININ ISIL BAŞARIMININ İNCELENMESİ

Abstract

GaN FET anahtarlar ufak paket boyutlarına sahip olması ve yüksek çalışma gerilim-akım 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.

Keywords

• GaN FET
• Isıl Yönetim
• Sürekli Hal Isıl Analiz
• Sonlu Elemanlar Yöntemi
• EPC2215
• EPC9099

INVESTIGATION OF THE HEAT PERFORMANCE OF THE HALF-BRIDGE DEVELOPMENT BOARD WITH GAN POWER DEVICES

Abstract

GaN FET switches have opened new horizons in power electronics converters due to their small package size and their ability to provide high operating voltage-current 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 half-bridge 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.

Keywords

• GaN FET
• Thermal Management
• Steady-State Thermal Analysis
• Finite Element Method
• EPC2215
• EPC9099

References

1. Blinov, A., Vinnikov, D., and Lehtla, T., 2011. Cooling Methods for High-Power Electronic Systems. Scientific Journal of Riga Technical University, 29, 79-86.
2. Bulut, E.B., Gulbahce, M.O., Kocabas ,D.A.. and Dusmez, S., 2021. Simplified Method to Analyze Drive Strengths for GaN Power Devices. International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 1-8.
3. Bulut, E.B., Gulbahce, M.O., Kocabas ,D.A., 2021. Analysis of a GaN Based PWM AC-AC Converter with an Improved Switch Loss Model. AEU-International Journal of Electronics and Communications, 131(8).
4. Çiçek, B., Şahin, N., 2020. Sokak Aydınlatmalarında Kullanılacak Yüksek Güçlü Led'lerin Termal Performansının Sayısal Ve Deneysel Olarak İncelenmesi. Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi , 8 (1) , 185-197.
5. E. A. Jones and M. de Rooij, 2018. Thermal Characterization and Design for a High Density GaN-Based Power Stage. IEEE 6th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA), 295-302.
6. Gao, C., Liu, H., Huang, J., and Diao, S., 2014. Steady-state thermal analysis and layout optimization of DC/DC converter. Prognostics and System Health Management Conference, 405-409.
7. Gautam, D. S., Musavi, F., Wager, D. and Edington, M., (2013). A comparison of thermal vias patterns used for thermal management in power converter. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 2214-2218.
8. Huai, W., Liserre, M., and Blaabjerg F., 2013. Toward Reliable Power Electronics: Challenges, Design Tools, and Opportunities. IEEE Industrial Electronics Magazine, 7, 17-26.

9. Ilhan, D. C., BAŞKAYA, Ş., 2020. Numerical investigation of thermal behaviour of AlGaN/GaN HEMTs on SiC, Si and Sapphire substrates. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 35(4), 2125-2134.
10. Jones, E. A., and Rooij, M., 2019. High-Power-Density GaN-Based Converters: Thermal Management Considerations. IEEE Power Electronics Magazine, 6(4), 22-29 .
11. Ke, M., and Blaabjerg, F., 2014. Modulation Methods for Neutral-Point-Clamped Wind Power Converter Achieving Loss and Thermal Redistribution Under Low-Voltage Ride-Through. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 61, 835-845.
12. Laloya, E., Lucía, Ó., Sarnago, H. and Burdío, J. M., (2016). Heat Management in Power Converters: From State of the Art to Future Ultrahigh Efficiency Systems. IEEE Transactions on Power Electronics, 31(11), 7896-7908.
13. Logan, D. L., 2011. A first course in the finite element method. Cengage Learning.
14. Muzychka, Y., Culham, J and Yovanovich, M.. 2003. Thermal Spreading Resistances in Rectangular Flux Channels: Part II - Edge Cooling. 10.2514/6.2003-4188.
15. Razavi, S.M., 2016. Advanced Thermal Analysis of Microelectronics Using Spreading Resistance Models. Ph.D. Thesis. Memorial University of Newfoundland, Newfoundland.
16. Zhou X., Wang T G., Lee F C. 1997. Optimizing design for low voltage DC-DC converters. Proceedings of the Twelfth Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition, 612-616.
17. Zienkiewicz, O.C.; Taylor, R.L.; Zhu, J. Z., 2013. The finite element method: Its basis and fundamentals. Butterworth - Heinemann.