如何提高點(diǎn)火IGBT的熱性能

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

圖1.點(diǎn)火IGBT測(cè)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(jiǎn)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(yán)格的法規(guī)，電動(dòng)和混合動(dòng)力技術(shù)的研發(fā)包括了更高效的內(nèi)燃機(jī)和替代燃料的開(kāi)發(fā)。 盡管純電動(dòng)汽車(chē)被認(rèn)為是消除汽車(chē)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(dāng)前，相比基于內(nèi)燃機(jī)的車(chē)輛，電動(dòng)車(chē)輛和混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛均比傳統(tǒng)車(chē)輛更昂貴，而且電動(dòng)車(chē)輛由于電池容量而具有距離限制。 給電池重新充電會(huì)因重新充電所需的小時(shí)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(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的挑戰(zhàn)，內(nèi)燃機(jī)離成為一種過(guò)時(shí)的技術(shù)還有很長(zhǎng)的路要走。為應(yīng)對(duì)政府降低溫室氣體排放限值和更高里程標(biāo)準(zhǔn)的要求，制造商們正在開(kāi)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(jī)和混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。

較小的發(fā)動(dòng)機(jī)體積可能需要開(kāi)發(fā)較小的氣缸。 為了維持適當(dāng)?shù)妮敵龉β?，需要更高的燃燒循環(huán)速率。 點(diǎn)火系統(tǒng)將需要在較高的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行并承受較高的工作溫度。

低負(fù)荷和中負(fù)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(guò)程開(kāi)始時(shí)有足夠的熱傳遞。使用更寬的間隙需要更高的點(diǎn)火電路電壓額定值來(lái)啟動(dòng)火花間隙中的電弧。

或者說(shuō)，在壓縮行程期間的直接噴射過(guò)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(shí)保持總的混合物稀薄。這進(jìn)一步提高了效率。燃油噴射必須在火花產(chǎn)生的時(shí)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(shí)間變化會(huì)損害點(diǎn)火系統(tǒng)，理想情況下，應(yīng)包含較寬的點(diǎn)火空間(較大的電極間隙)和較長(zhǎng)的點(diǎn)火時(shí)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的固態(tài)點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。點(diǎn)火系統(tǒng)的主要功率控制元件，點(diǎn)火絕緣柵雙極晶體管(IGBT)將必須支持更高的能量，以達(dá)到新的發(fā)動(dòng)機(jī)效率水平。點(diǎn)火IGBT也將需要更高的鉗位電壓來(lái)點(diǎn)燃稀薄的燃料混合物，并且將以更高的頻率運(yùn)行以在較小的發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)火IGBT需要用來(lái)降低功率損耗，從而實(shí)現(xiàn)較低的結(jié)溫，同時(shí)保持較小的系統(tǒng)尺寸。

設(shè)計(jì)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(jì)人員必須選擇具有足夠功率處理能力和低開(kāi)關(guān)功率損耗的IGBT。 這需要選擇一個(gè)具有低Vce(ON)的點(diǎn)火IGBT，使導(dǎo)通狀態(tài)功耗最小化。 設(shè)計(jì)人員還必須使用最佳的PCB焊盤(pán)，以消散由點(diǎn)火IGBT的較高功率狀態(tài)產(chǎn)生的額外熱量，并將熱結(jié)點(diǎn)溫度控制在器件規(guī)格范圍內(nèi)。

為了幫助設(shè)計(jì)工程師，電路保護(hù)，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(pán)結(jié)構(gòu)如何影響點(diǎn)火IGBT的熱性能。 研究中使用了Littelfuse點(diǎn)火IGBT，該IGBT封裝在用于大功率元件TO-252(也稱(chēng)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(cè)試數(shù)據(jù)都是使用圖1所示的測(cè)試臺(tái)設(shè)置的簡(jiǎn)化圖獲得的。使用0.3mh的負(fù)載電感來(lái)模擬商用點(diǎn)火線(xiàn)圈泄漏電感的公共值。開(kāi)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(shí)間，或點(diǎn)火IGBT處于接通狀態(tài)的時(shí)間，設(shè)置成達(dá)到10安培的峰值電流。然后將被測(cè)器件(DUT)放置在圖2中所示的一個(gè)不同的PCB板中，并保持工作10分鐘，以確保穩(wěn)態(tài)溫度測(cè)量。

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

-PCB開(kāi)孔(PAD 0)，其中沒(méi)有從點(diǎn)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(pán)(PAD 1)，

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

-焊盤(pán)具有對(duì)DPAK封裝設(shè)備推薦的焊盤(pán)面積(設(shè)備面積的兩倍)，從PCB的頂部到底部沒(méi)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(pán)布局

圖3量化了較低的Vce(ON) 對(duì)熱性能的影響。 比較中使用的點(diǎn)火IGBT是Littelfuse DPAK封裝的NGD8201A(Vce(ON)typ<1.35V)，和一款已商用的點(diǎn)火IGBT(Vce(ON)typ<1.5V)，標(biāo)注“點(diǎn)火IGBT A”。 選擇這些器件是因?yàn)樗鼈兙哂邢嗨频碾姎夂臀锢砺闫匦砸约跋嗤碾娏骱湍芰款~定值。 圖3總結(jié)了以33 Hz和150 Hz的頻率驅(qū)動(dòng)點(diǎn)火IGBT時(shí)，每種不同的PCB焊盤(pán)布局所達(dá)到的穩(wěn)態(tài)外殼溫度。 無(wú)論使用哪種PCB焊盤(pán)，“點(diǎn)火IGBT A”的導(dǎo)通電壓略高都會(huì)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(kāi)關(guān)頻率下更為明顯。 還要注意，使用不同的PCB焊盤(pán)會(huì)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(gè)點(diǎn)火IGBT的穩(wěn)態(tài)溫度比較。 NGD8201A點(diǎn)火IGBT的Vce(ON)較低，因此所有焊盤(pán)配置的穩(wěn)態(tài)溫度均較低

圖4進(jìn)一步分析了使用不同PCB焊盤(pán)的影響，其中顯示了考慮不同開(kāi)關(guān)頻率和焊盤(pán)時(shí)NGD8201A的穩(wěn)態(tài)外殼溫度。結(jié)果再次表明，使用較高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致較高的穩(wěn)態(tài)溫度。然而，焊盤(pán)對(duì)降低測(cè)量溫度的影響特別重要，尤其是在高開(kāi)關(guān)頻率下工作時(shí)。例如，請(qǐng)注意當(dāng)在150 Hz下工作時(shí)，當(dāng)使用頂部和底部層(PAD 2)之間帶有散熱器的最小焊盤(pán)或具有推薦面積(兩倍于DPAK的面積，PAD 3)的焊盤(pán)時(shí)，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(kāi)關(guān)頻率下的NGD8201A頂部外殼穩(wěn)態(tài)溫度

為了更好地進(jìn)行比較，對(duì)使用最小焊盤(pán)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(shí)，在不同頻率下獲得的穩(wěn)態(tài)外殼溫度的圖表進(jìn)行了繪制 。結(jié)果表明，無(wú)論開(kāi)關(guān)條件如何，這兩個(gè)焊盤(pán)均可提供相同的平均散熱能力。這在需要考慮尺寸的點(diǎn)火平臺(tái)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(yùn)行。 結(jié)果幾乎相同。

汽車(chē)行業(yè)正在設(shè)計(jì)更省油的內(nèi)燃機(jī)，以應(yīng)對(duì)更嚴(yán)格的政府法規(guī)對(duì)降低燃油消耗和減少二氧化碳排放的要求。新的發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)將需要能夠維持更高能量和更高電壓的點(diǎn)火系統(tǒng)，以點(diǎn)燃更稀薄的燃料混合物。點(diǎn)火IGBT將需要能夠以更高的開(kāi)關(guān)頻率和更高的電壓來(lái)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(dāng)PCB焊盤(pán)布局可以確保在內(nèi)燃機(jī)惡劣環(huán)境下可靠運(yùn)行。