提高 IGBT 熱性能的 PCB 設(shè)計提示
氣候變化和社會對環(huán)境問題日益敏感，需要為化石燃料動力車輛開發(fā)技術(shù)解決方案。逐步減少排放的監(jiān)管要求要求內(nèi)燃機的設(shè)計具有較小的容積、較高的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，并且能夠以較不濃的燃料混合物運行。
這些技術(shù)要求不可避免地會對發(fā)動機點火和控制系統(tǒng)中使用的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的運行條件產(chǎn)生影響：這些器件必須達(dá)到更高的鉗位電壓和開關(guān)頻率，并具有消散多余熱量的能力。在這里，我們考慮了在不同工作條件下使用不同熱 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)被視為一個實用值。在使用傳導(dǎo)損耗、開關(guān)損耗和熱阻抗計算正常開關(guān)的結(jié)溫時，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。
實際上，在最后一次切換事件之前，接頭的溫度必須保持在 Tvj(op) max 以下。如果器件在其安全工作區(qū)域內(nèi)使用并且 Tvj 不超過 Tvj max，則可以忽略開關(guān)事件中開關(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，因為其應(yīng)用中的熱損失增加。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，并且取決于傳導(dǎo)的電流。開關(guān)功率損耗發(fā)生在 IGBT 的開啟和關(guān)閉階段，并且取決于電流、工作周期、開關(guān)電壓和開關(guān)頻率。
內(nèi)燃機的演變
新的排放法規(guī)要求對內(nèi)燃機的設(shè)計進(jìn)行重大更改，包括火花點火 (SI) 以及更高效的壓縮點火 (CI) 類型。
為了滿足對更高效、污染更少的發(fā)動機的需求，汽車制造商正在遵循三個基本策略：
· 發(fā)動機尺寸合適和混合。這些技術(shù)根據(jù)車輛的等級調(diào)整發(fā)動機的大小，保持相同的功率值。結(jié)果，獲得了更高的轉(zhuǎn)數(shù)，這反過來又涉及噴射系統(tǒng)的更高開關(guān)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(適當(dāng)散熱所必需的)和更高的電壓來觸發(fā)火花塞。因此，有必要使用更高工作電壓的IGBT。
· 在壓縮沖程中直接噴射。這種技術(shù)導(dǎo)致在火花塞附近形成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)生的高局部和時間變化可能會損害噴射系統(tǒng)，該噴射系統(tǒng)旨在以更長的點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，點火系統(tǒng)中使用的 IGBT 必須在不可避免地產(chǎn)生更多熱量的運行條件下承受高電流并具有高鉗位電壓。
特別是，將需要具有低集電極-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臺。在此，電感模擬市售點火線圈的電氣特性。
通過改變開關(guān)頻率和駐留時間，被測器件 (DUT) 與 PCB 上不同類型的焊盤相對應(yīng)放置，并保持運行一段時間，足以達(dá)到穩(wěn)定的溫度。
該測試使用具有五種類型焊盤的 PCB 進(jìn)行，每種焊盤都有自己的導(dǎo)熱性。更準(zhǔn)確地說，測試使用：
· 一個焊盤，其中沒有從 IGBT 的集電極到 PCB 的熱傳導(dǎo)路徑;
· 一個與 IGBT 封裝面積相同的焊盤;
· 一個與 IGBT 面積相同的焊盤;
· 兩個焊盤，具有針對特定器件的推薦焊盤面積，并且熱量從 PCB 的頂部擴散到底部 。
為了量化歸因于較低 Vce(ON) 的熱性能改進(jìn)，研究人員比較了使用 Littelfuse DPAK 封裝的 NGD8201A(Vce(ON) 典型值 <1.35 V)獲得的測量結(jié)果和使用市售點火 IGBT (Vce) 獲得的測量結(jié)果(ON) 典型值 <1.5 V。
顯示的所得結(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，這種效應(yīng)在高開關(guān)頻率下更為明顯。
使用不同 PCB 焊盤產(chǎn)生的效果測試結(jié)果表明，較高的開關(guān)頻率會導(dǎo)致較高的穩(wěn)態(tài)溫度。更有趣的是，PCB 焊盤會降低測量溫度，尤其是在高開關(guān)頻率下。在不同頻率下，該結(jié)果與點火平臺相關(guān)，其中尺寸是一個關(guān)鍵因素。
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