改善IGBT热性能的PCB设计提示

气候变化和社会对环境问题日益敏感，需要为化石燃料动力汽车开发技术解决方案。逐步减少排放的监管要求要求设计具有较低体积、较高发动机转速以及能够在较不丰富的燃料混合物下运行的内燃机。

这些技术要求不可避免地会对发动机点火和控制系统中使用的绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 的工作条件产生影响：这些设备必须获得更高的钳位电压和开关频率，并具有散热能力。在这里，我们考虑了在不同工作条件下使用不同导热 PCB 焊盘对 IGBT 热性能的影响。

IGBT 和热性能

工作结温 (Tvj(op)) 是器件工作的基础，应视为实用值。在使用传导损耗、开关损耗和热阻抗计算正常开关的结温时，即使在过载情况下，结温也必须始终保持在 Tvj(op) 的指定最小值和最大值之间。

实际上，在最后一次切换事件之前，接头的温度必须保持低于 Tvj(op) max。如果器件在其安全工作区域内使用并且 Tvj 不超过 Tvj 最大值，则可以忽略由开关事件中的开关损耗导致的瞬态温度升高。热管理和冷却解决方案越来越受到 IGBT 的关注，因为它们在应用中会增加热量损失。热损耗分为两类：传导损耗和开关损耗。

传导损耗发生在通过 IGBT 的开关状态电压降期间，并取决于传导的电流。开关功率损耗发生在 IGBT 的导通和关断阶段，取决于电流、工作周期、开关电压和开关频率。

内燃机的演变

新的排放法规要求对内燃机的设计进行重大改变，包括火花点火 (SI) 以及更高效的压缩点火 (CI) 类型。

为了满足对更高效、污染更少的发动机的需求，汽车制造商遵循三个基本策略：

引擎大小合适和混合。这些技术根据车辆的等级调整发动机的大小，保持相同的功率值。结果，获得了更高的转数，这反过来涉及更高的喷射系统切换频率和更高的工作温度。

稀释混合物。这种方法需要使用更宽的间隙(为适当的散热所必需)和更高的电压来触发火花塞。因此，必须使用工作电压更高的IGBT。

在压缩冲程中直接喷射。这种技术会在火花塞附近形成一个富含可燃混合物的区域，从而在全球范围内保持较差的混合物。然而，火花塞周围发生的高局部和时间变化可能会损害喷射系统，该系统旨在以更长的点火周期覆盖更多空间。该解决方案需要具有非常高击穿电压的 IGBT。

因此，点火系统中使用的 IGBT 必须能够承受高电流并在不可避免地产生大量热量的工作条件下具有高钳位电压。

特别是需要具有低集电极-发射极导通电压 (Vce(ON)) 值的 IGBT，以降低功率损耗和结温。

测试程序

为了验证低 Vce(ON) 值对温度的影响并评估对具有不同 PCB 焊盘的 IGBT 热性能的影响，可以使用简化的测试平台(图 1)。在这里，电感模拟市售点火线圈的电气特性。

 

 

图 1：测试电路的简化图(图片：Littelfuse)

 

 

图 2：热分析期间考虑的 PCB 焊盘(图片：Littelfuse)

 

 

图 3：较低的 Vce(ON) 对稳态温度的影响(图片：Littelfuse)

通过改变开关频率和驻留时间，被测器件 (DUT) 被放置在与 PCB 上不同类型的焊盘相对应的位置(图 2)，并在足以达到稳定温度的时间内保持工作。

该测试是使用带有五种类型焊盘的 PCB 进行的，每种类型都有自己的热传导(图 2)。更准确地说，测试使用了：

从IGBT的集电极到PCB没有热传导路径的焊盘(PAD 0);

与IGBT封装(PAD 1)面积相同的焊盘;

与IGBT(PAD 2)面积相同的焊盘;和

两个焊盘，具有特定器件的推荐焊盘面积，不带 (PAD 3) 和从 PCB 顶部到底部的热传播 (PAD 4)。

为了量化由于较低的 Vce(ON) 而带来的热性能改善，研究人员比较了采用 Littelfuse DPAK 封装的 NGD8201A(Vce(ON) 典型值 <1.35 V)和采用市售点火 IGBT (Vce (ON) typ. <1.5 V，在图 3 中标记为 Ignition IGBT A)。

 

 

图 4：在不同开关

频率和 PCB 焊盘下获得的 NGD8201A 稳态温度(图片：Littelfuse)

图中显示的结果表明，无论使用何种 PCB 焊盘，稍高的 Vce(ON) 都会导致稍高的稳态温度。正如预期的那样，这种效果在高开关频率下更为明显。

使用不同 PCB 焊盘产生的影响如图 4 所示。结果表明更高的开关频率会导致更高的稳态温度。更令人感兴趣的是 PCB 焊盘降低了测量温度，尤其是在高开关频率下。

 

 

图 5：使用 PCB PAD 2 和 PAD 3 的 NGD8201A 稳态外壳温度图

PCB PAD2 和 PAD3 在不同频率下的稳态外壳温度下获得的曲线图(图 5)表明，这两个焊盘提供相同的平均散热能力。该结果与点火平台相关，其中尺寸是一个关键因素。

要了解有关 IGBT 的更多信息，请下载 Littelfuse Inc. 应用说明“了解 Littelfuse Ignition IGBT 数据表”。

审核编辑：汤梓红