如何提高點火IGBT的熱性能

更大的環(huán)境污染率和政府嚴格的車輛能效法規(guī)正在推動交通領(lǐng)域的新技術(shù)投資

圖1.點火IGBT測試電路以及由此產(chǎn)生的IGBT柵極電壓，集電極電流和耗散功率的簡化示意圖。 P1是導(dǎo)通狀態(tài)的功率損耗，P2是放電周期的功率損耗

由于更大的污染和更嚴格的法規(guī)，電動和混合動力技術(shù)的研發(fā)包括了更高效的內(nèi)燃機和替代燃料的開發(fā)。 盡管純電動汽車被認為是消除汽車污染物的領(lǐng)先解決方案，但許多因素正在減緩其大規(guī)模采用。 當前，相比基于內(nèi)燃機的車輛，電動車輛和混合動力電動車輛均比傳統(tǒng)車輛更昂貴，而且電動車輛由于電池容量而具有距離限制。 給電池重新充電會因重新充電所需的小時數(shù)而導(dǎo)致行程明顯延遲。 此外，與普遍存在的加油站相比，最大的障礙就是缺乏充電基礎(chǔ)設(shè)施。

由于當前電動汽車技術(shù)的挑戰(zhàn)，內(nèi)燃機離成為一種過時的技術(shù)還有很長的路要走。為應(yīng)對政府降低溫室氣體排放限值和更高里程標準的要求，制造商們正在開發(fā)體積較小，更高轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘(RPM)并使用更稀薄的燃料混合物的內(nèi)燃機和混合動力發(fā)動機。

較小的發(fā)動機體積可能需要開發(fā)較小的氣缸。 為了維持適當?shù)妮敵龉β?，需要更高的燃燒循環(huán)速率。 點火系統(tǒng)將需要在較高的開關(guān)頻率下運行并承受較高的工作溫度。

低負荷和中負荷下的稀釋混合物需要使用更寬的火花間隙，以確保在燃燒過程開始時有足夠的熱傳遞。使用更寬的間隙需要更高的點火電路電壓額定值來啟動火花間隙中的電弧。

或者說，在壓縮行程期間的直接噴射過程避免了混合物均質(zhì)化并且在火花附近形成了富燃料區(qū)，同時保持總的混合物稀薄。這進一步提高了效率。燃油噴射必須在火花產(chǎn)生的時間和位置為燃燒發(fā)展創(chuàng)造有利條件。但是，火花附近的高局部和時間變化會損害點火系統(tǒng)，理想情況下，應(yīng)包含較寬的點火空間(較大的電極間隙)和較長的點火時間。這些條件將需要較高的擊穿電壓和火花中更大的能量。

這些創(chuàng)新將對發(fā)動機的固態(tài)點火系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。點火系統(tǒng)的主要功率控制元件，點火絕緣柵雙極晶體管(IGBT)將必須支持更高的能量，以達到新的發(fā)動機效率水平。點火IGBT也將需要更高的鉗位電壓來點燃稀薄的燃料混合物，并且將以更高的頻率運行以在較小的發(fā)動機中產(chǎn)生更多的功率。 這些工作條件將增加IGBT的散熱。 在這種情況下，與導(dǎo)通狀態(tài)功率損耗直接相關(guān)的IGBT的集電極-發(fā)射極導(dǎo)通狀態(tài)電壓(Vce(ON))將具有更大的意義。具有較低Vce(ON)的點火IGBT需要用來降低功率損耗，從而實現(xiàn)較低的結(jié)溫，同時保持較小的系統(tǒng)尺寸。

設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是如何選擇合適的IGBT，以及如何在印刷電路板(PCB)布局中使用良好的技術(shù)。 設(shè)計人員必須選擇具有足夠功率處理能力和低開關(guān)功率損耗的IGBT。 這需要選擇一個具有低Vce(ON)的點火IGBT，使導(dǎo)通狀態(tài)功耗最小化。 設(shè)計人員還必須使用最佳的PCB焊盤，以消散由點火IGBT的較高功率狀態(tài)產(chǎn)生的額外熱量，并將熱結(jié)點溫度控制在器件規(guī)格范圍內(nèi)。

為了幫助設(shè)計工程師，電路保護，傳感和功率控制產(chǎn)品制造商Littelfuse提供了定量數(shù)據(jù)(如下所示)，以顯示具有較低Vce(ON)的IGBT以及不同的散熱PCB焊盤結(jié)構(gòu)如何影響點火IGBT的熱性能。 研究中使用了Littelfuse點火IGBT，該IGBT封裝在用于大功率元件TO-252(也稱為DPAK)的表面封裝中，研究中還使用了另一家制造商的器件。

所有測試數(shù)據(jù)都是使用圖1所示的測試臺設(shè)置的簡化圖獲得的。使用0.3mh的負載電感來模擬商用點火線圈泄漏電感的公共值。開關(guān)頻率設(shè)置為33赫茲、50赫茲、80赫茲、100赫茲或150赫茲。保持時間，或點火IGBT處于接通狀態(tài)的時間，設(shè)置成達到10安培的峰值電流。然后將被測器件(DUT)放置在圖2中所示的一個不同的PCB板中，并保持工作10分鐘，以確保穩(wěn)態(tài)溫度測量。

我們分析了五種類型的焊盤，以研究不同熱傳導(dǎo)路徑對IGBT外殼溫度的影響(圖2)。焊盤類型為：

-PCB開孔(PAD 0)，其中沒有從點火IGBT的集電極到PCB的熱傳導(dǎo)路徑，

-與DPAK封裝IGBT面積相同的焊盤(PAD 1)，

-與DPAK封裝的IGBT面積相同的焊盤，但包括從PCB頂部到底部的散熱器(PAD 2)，

-焊盤具有對DPAK封裝設(shè)備推薦的焊盤面積(設(shè)備面積的兩倍)，從PCB的頂部到底部沒有散熱器(PAD 3)，

-以及與PAD 3相同的布局，從PCB的頂部到底部具有散熱器(PAD 4)。

圖2.用于熱分析的PCB焊盤布局

圖3量化了較低的Vce(ON) 對熱性能的影響。 比較中使用的點火IGBT是Littelfuse DPAK封裝的NGD8201A(Vce(ON)typ<1.35V)，和一款已商用的點火IGBT(Vce(ON)typ<1.5V)，標注“點火IGBT A”。 選擇這些器件是因為它們具有相似的電氣和物理裸片特性以及相同的電流和能量額定值。 圖3總結(jié)了以33 Hz和150 Hz的頻率驅(qū)動點火IGBT時，每種不同的PCB焊盤布局所達到的穩(wěn)態(tài)外殼溫度。 無論使用哪種PCB焊盤，“點火IGBT A”的導(dǎo)通電壓略高都會導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)溫度略高。 正如預(yù)料的那樣，這種影響在高開關(guān)頻率下更為明顯。 還要注意，使用不同的PCB焊盤會導(dǎo)致不同的穩(wěn)態(tài)外殼溫度。

圖3.在33Hz和150Hz下工作的兩個點火IGBT的穩(wěn)態(tài)溫度比較。 NGD8201A點火IGBT的Vce(ON)較低，因此所有焊盤配置的穩(wěn)態(tài)溫度均較低

圖4進一步分析了使用不同PCB焊盤的影響，其中顯示了考慮不同開關(guān)頻率和焊盤時NGD8201A的穩(wěn)態(tài)外殼溫度。結(jié)果再次表明，使用較高的開關(guān)頻率會導(dǎo)致較高的穩(wěn)態(tài)溫度。然而，焊盤對降低測量溫度的影響特別重要，尤其是在高開關(guān)頻率下工作時。例如，請注意當在150 Hz下工作時，當使用頂部和底部層(PAD 2)之間帶有散熱器的最小焊盤或具有推薦面積(兩倍于DPAK的面積，PAD 3)的焊盤時，穩(wěn)態(tài)溫度是如何從~90°C降低到~70°C的。

圖4.使用五種PCB PAD布局，獲得不同開關(guān)頻率下的NGD8201A頂部外殼穩(wěn)態(tài)溫度

為了更好地進行比較，對使用最小焊盤且在PCB頂部和底部之間有散熱器(PAD 2)和建議的PAD面積為DPAK面積的兩倍(PAD 3)時，在不同頻率下獲得的穩(wěn)態(tài)外殼溫度的圖表進行了繪制 。結(jié)果表明，無論開關(guān)條件如何，這兩個焊盤均可提供相同的平均散熱能力。這在需要考慮尺寸的點火平臺中特別重要。

圖5.使用(PAD 2)和PAD 3布局配置，NGD8201A的穩(wěn)態(tài)外殼溫度在33 Hz至150 Hz的范圍內(nèi)運行。 結(jié)果幾乎相同。

汽車行業(yè)正在設(shè)計更省油的內(nèi)燃機，以應(yīng)對更嚴格的政府法規(guī)對降低燃油消耗和減少二氧化碳排放的要求。新的發(fā)動機改進將需要能夠維持更高能量和更高電壓的點火系統(tǒng)，以點燃更稀薄的燃料混合物。點火IGBT將需要能夠以更高的開關(guān)頻率和更高的電壓來支持更高的能量，以產(chǎn)生火花。 因此，IGBT將承受更高的工作溫度。 選擇具有較低Vce(ON)的IGBT并使用提供良好散熱的適當PCB焊盤布局可以確保在內(nèi)燃機惡劣環(huán)境下可靠運行。