改善IGBT熱性能的PCB設(shè)計(jì)提示

氣候變化和社會對環(huán)境問題日益敏感，需要為化石燃料動(dòng)力汽車開發(fā)技術(shù)解決方案。逐步減少排放的監(jiān)管要求要求設(shè)計(jì)具有較低體積、較高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及能夠在較不豐富的燃料混合物下運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)。

這些技術(shù)要求不可避免地會對發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和控制系統(tǒng)中使用的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的工作條件產(chǎn)生影響：這些設(shè)備必須獲得更高的鉗位電壓和開關(guān)頻率，并具有散熱能力。在這里，我們考慮了在不同工作條件下使用不同導(dǎo)熱 PCB 焊盤對 IGBT 熱性能的影響。

IGBT 和熱性能

工作結(jié)溫 (Tvj(op)) 是器件工作的基礎(chǔ)，應(yīng)視為實(shí)用值。在使用傳導(dǎo)損耗、開關(guān)損耗和熱阻抗計(jì)算正常開關(guān)的結(jié)溫時(shí)，即使在過載情況下，結(jié)溫也必須始終保持在 Tvj(op) 的指定最小值和最大值之間。

實(shí)際上，在最后一次切換事件之前，接頭的溫度必須保持低于 Tvj(op) max。如果器件在其安全工作區(qū)域內(nèi)使用并且 Tvj 不超過 Tvj 最大值，則可以忽略由開關(guān)事件中的開關(guān)損耗導(dǎo)致的瞬態(tài)溫度升高。熱管理和冷卻解決方案越來越受到 IGBT 的關(guān)注，因?yàn)樗鼈冊趹?yīng)用中會增加熱量損失。熱損耗分為兩類：傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。

傳導(dǎo)損耗發(fā)生在通過 IGBT 的開關(guān)狀態(tài)電壓降期間，并取決于傳導(dǎo)的電流。開關(guān)功率損耗發(fā)生在 IGBT 的導(dǎo)通和關(guān)斷階段，取決于電流、工作周期、開關(guān)電壓和開關(guān)頻率。

內(nèi)燃機(jī)的演變

新的排放法規(guī)要求對內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行重大改變，包括火花點(diǎn)火 (SI) 以及更高效的壓縮點(diǎn)火 (CI) 類型。

為了滿足對更高效、污染更少的發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，汽車制造商遵循三個(gè)基本策略：

引擎大小合適和混合。這些技術(shù)根據(jù)車輛的等級調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的大小，保持相同的功率值。結(jié)果，獲得了更高的轉(zhuǎn)數(shù)，這反過來涉及更高的噴射系統(tǒng)切換頻率和更高的工作溫度。

稀釋混合物。這種方法需要使用更寬的間隙(為適當(dāng)?shù)纳崴匦?和更高的電壓來觸發(fā)火花塞。因此，必須使用工作電壓更高的IGBT。

在壓縮沖程中直接噴射。這種技術(shù)會在火花塞附近形成一個(gè)富含可燃混合物的區(qū)域，從而在全球范圍內(nèi)保持較差的混合物。然而，火花塞周圍發(fā)生的高局部和時(shí)間變化可能會損害噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在以更長的點(diǎn)火周期覆蓋更多空間。該解決方案需要具有非常高擊穿電壓的 IGBT。

因此，點(diǎn)火系統(tǒng)中使用的 IGBT 必須能夠承受高電流并在不可避免地產(chǎn)生大量熱量的工作條件下具有高鉗位電壓。

特別是需要具有低集電極-發(fā)射極導(dǎo)通電壓 (Vce(ON)) 值的 IGBT，以降低功率損耗和結(jié)溫。

測試程序

為了驗(yàn)證低 Vce(ON) 值對溫度的影響并評估對具有不同 PCB 焊盤的 IGBT 熱性能的影響，可以使用簡化的測試平臺(圖 1)。在這里，電感模擬市售點(diǎn)火線圈的電氣特性。

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圖 1：測試電路的簡化圖(圖片：Littelfuse)

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圖 2：熱分析期間考慮的 PCB 焊盤(圖片：Littelfuse)

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圖 3：較低的 Vce(ON) 對穩(wěn)態(tài)溫度的影響(圖片：Littelfuse)

通過改變開關(guān)頻率和駐留時(shí)間，被測器件 (DUT) 被放置在與 PCB 上不同類型的焊盤相對應(yīng)的位置(圖 2)，并在足以達(dá)到穩(wěn)定溫度的時(shí)間內(nèi)保持工作。

該測試是使用帶有五種類型焊盤的 PCB 進(jìn)行的，每種類型都有自己的熱傳導(dǎo)(圖 2)。更準(zhǔn)確地說，測試使用了：

從IGBT的集電極到PCB沒有熱傳導(dǎo)路徑的焊盤(PAD 0);

與IGBT封裝(PAD 1)面積相同的焊盤;

與IGBT(PAD 2)面積相同的焊盤;和

兩個(gè)焊盤，具有特定器件的推薦焊盤面積，不帶 (PAD 3) 和從 PCB 頂部到底部的熱傳播 (PAD 4)。

為了量化由于較低的 Vce(ON) 而帶來的熱性能改善，研究人員比較了采用 Littelfuse DPAK 封裝的 NGD8201A(Vce(ON) 典型值 <1.35 V)和采用市售點(diǎn)火 IGBT (Vce (ON) typ. <1.5 V，在圖 3 中標(biāo)記為 Ignition IGBT A)。

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圖 4：在不同開關(guān)

頻率和 PCB 焊盤下獲得的 NGD8201A 穩(wěn)態(tài)溫度(圖片：Littelfuse)

圖中顯示的結(jié)果表明，無論使用何種 PCB 焊盤，稍高的 Vce(ON) 都會導(dǎo)致稍高的穩(wěn)態(tài)溫度。正如預(yù)期的那樣，這種效果在高開關(guān)頻率下更為明顯。

使用不同 PCB 焊盤產(chǎn)生的影響如圖 4 所示。結(jié)果表明更高的開關(guān)頻率會導(dǎo)致更高的穩(wěn)態(tài)溫度。更令人感興趣的是 PCB 焊盤降低了測量溫度，尤其是在高開關(guān)頻率下。

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圖 5：使用 PCB PAD 2 和 PAD 3 的 NGD8201A 穩(wěn)態(tài)外殼溫度圖

PCB PAD2 和 PAD3 在不同頻率下的穩(wěn)態(tài)外殼溫度下獲得的曲線圖(圖 5)表明，這兩個(gè)焊盤提供相同的平均散熱能力。該結(jié)果與點(diǎn)火平臺相關(guān)，其中尺寸是一個(gè)關(guān)鍵因素。

要了解有關(guān) IGBT 的更多信息，請下載 Littelfuse Inc. 應(yīng)用說明“了解 Littelfuse Ignition IGBT 數(shù)據(jù)表”。

審核編輯：湯梓紅