提高 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车辆开发技术解决方案。逐步减少排放的监管要求要求内燃机的设计具有较小的容积、较高的发动机转速，并且能够以较不浓的燃料混合物运行。

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) 的运行条件产生影响：这些器件必须达到更高的钳位电压和开关频率，并具有消散多余热量的能力。在这里，我们考虑了在不同工作条件下使用不同热 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，应被视为一个实用值。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在 Tvj(op) max 以下。如果器件在其安全工作区域内使用并且 Tvj 不超过 Tvj max，则可以忽略开关事件中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，因为其应用中的热损失增加。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，并且取决于传导的电流。开关功率损耗发生在 IGBT 的开启和关闭阶段，并且取决于电流、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更改，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，汽车制造商正在遵循三个基本策略：

· 发动机尺寸合适和混合。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，这反过来又涉及喷射系统的更高开关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(适当散热所必需的)和更高的电压来触发火花塞。因此，有必要使用更高工作电压的IGBT。

· 在压缩冲程中直接喷射。这种技术导致在火花塞附近形成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，该喷射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 必须在不可避免地产生更多热量的运行条件下承受高电流并具有高钳位电压。

特别是，将需要具有低集电极-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台。在此，电感模拟市售点火线圈的电气特性。

通过改变开关频率和驻留时间，被测器件 (DUT) 与 PCB 上不同类型的焊盘相对应放置，并保持运行一段时间，足以达到稳定的温度。

该测试使用具有五种类型焊盘的 PCB 进行，每种焊盘都有自己的导热性。更准确地说，测试使用：

· 一个焊盘，其中没有从 IGBT 的集电极到 PCB 的热传导路径;

· 一个与 IGBT 封装面积相同的焊盘;

· 一个与 IGBT 面积相同的焊盘;

· 两个焊盘，具有针对特定器件的推荐焊盘面积，并且热量从 PCB 的顶部扩散到底部 。

为了量化归因于较低 Vce(ON) 的热性能改进，研究人员比较了使用 Littelfuse DPAK 封装的 NGD8201A(Vce(ON) 典型值 <1.35 V)获得的测量结果和使用市售点火 IGBT (Vce) 获得的测量结果(ON) 典型值 <1.5 V。

显示的所得结果表明，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，这种效应在高开关频率下更为明显。

使用不同 PCB 焊盘产生的效果测试结果表明，较高的开关频率会导致较高的稳态温度。更有趣的是，PCB 焊盘会降低测量温度，尤其是在高开关频率下。在不同频率下，该结果与点火平台相关，其中尺寸是一个关键因素。