如何提高点火IGBT的热性能

更大的环境污染率和政府严格的车辆能效法规正在推动交通领域的新技术投资

图1.点火IGBT测试电路以及由此产生的IGBT栅极电压，集电极电流和耗散功率的简化示意图。 P1是导通状态的功率损耗，P2是放电周期的功率损耗

由于更大的污染和更严格的法规，电动和混合动力技术的研发包括了更高效的内燃机和替代燃料的开发。 尽管纯电动汽车被认为是消除汽车污染物的领先解决方案，但许多因素正在减缓其大规模采用。 当前，相比基于内燃机的车辆，电动车辆和混合动力电动车辆均比传统车辆更昂贵，而且电动车辆由于电池容量而具有距离限制。 给电池重新充电会因重新充电所需的小时数而导致行程明显延迟。 此外，与普遍存在的加油站相比，最大的障碍就是缺乏充电基础设施。

由于当前电动汽车技术的挑战，内燃机离成为一种过时的技术还有很长的路要走。为应对政府降低温室气体排放限值和更高里程标准的要求，制造商们正在开发体积较小，更高转数/分钟(RPM)并使用更稀薄的燃料混合物的内燃机和混合动力发动机。

较小的发动机体积可能需要开发较小的气缸。 为了维持适当的输出功率，需要更高的燃烧循环速率。 点火系统将需要在较高的开关频率下运行并承受较高的工作温度。

低负荷和中负荷下的稀释混合物需要使用更宽的火花间隙，以确保在燃烧过程开始时有足够的热传递。使用更宽的间隙需要更高的点火电路电压额定值来启动火花间隙中的电弧。

或者说，在压缩行程期间的直接喷射过程避免了混合物均质化并且在火花附近形成了富燃料区，同时保持总的混合物稀薄。这进一步提高了效率。燃油喷射必须在火花产生的时间和位置为燃烧发展创造有利条件。但是，火花附近的高局部和时间变化会损害点火系统，理想情况下，应包含较宽的点火空间(较大的电极间隙)和较长的点火时间。这些条件将需要较高的击穿电压和火花中更大的能量。

这些创新将对发动机的固态点火系统产生重大影响。点火系统的主要功率控制元件，点火绝缘栅双极晶体管(IGBT)将必须支持更高的能量，以达到新的发动机效率水平。点火IGBT也将需要更高的钳位电压来点燃稀薄的燃料混合物，并且将以更高的频率运行以在较小的发动机中产生更多的功率。 这些工作条件将增加IGBT的散热。 在这种情况下，与导通状态功率损耗直接相关的IGBT的集电极-发射极导通状态电压(Vce(ON))将具有更大的意义。具有较低Vce(ON)的点火IGBT需要用来降低功率损耗，从而实现较低的结温，同时保持较小的系统尺寸。

设计人员面临的挑战是如何选择合适的IGBT，以及如何在印刷电路板(PCB)布局中使用良好的技术。 设计人员必须选择具有足够功率处理能力和低开关功率损耗的IGBT。 这需要选择一个具有低Vce(ON)的点火IGBT，使导通状态功耗最小化。 设计人员还必须使用最佳的PCB焊盘，以消散由点火IGBT的较高功率状态产生的额外热量，并将热结点温度控制在器件规格范围内。

为了帮助设计工程师，电路保护，传感和功率控制产品制造商Littelfuse提供了定量数据(如下所示)，以显示具有较低Vce(ON)的IGBT以及不同的散热PCB焊盘结构如何影响点火IGBT的热性能。 研究中使用了Littelfuse点火IGBT，该IGBT封装在用于大功率元件TO-252(也称为DPAK)的表面封装中，研究中还使用了另一家制造商的器件。

所有测试数据都是使用图1所示的测试台设置的简化图获得的。使用0.3mh的负载电感来模拟商用点火线圈泄漏电感的公共值。开关频率设置为33赫兹、50赫兹、80赫兹、100赫兹或150赫兹。保持时间，或点火IGBT处于接通状态的时间，设置成达到10安培的峰值电流。然后将被测器件(DUT)放置在图2中所示的一个不同的PCB板中，并保持工作10分钟，以确保稳态温度测量。

我们分析了五种类型的焊盘，以研究不同热传导路径对IGBT外壳温度的影响(图2)。焊盘类型为：

-PCB开孔(PAD 0)，其中没有从点火IGBT的集电极到PCB的热传导路径，

-与DPAK封装IGBT面积相同的焊盘(PAD 1)，

-与DPAK封装的IGBT面积相同的焊盘，但包括从PCB顶部到底部的散热器(PAD 2)，

-焊盘具有对DPAK封装设备推荐的焊盘面积(设备面积的两倍)，从PCB的顶部到底部没有散热器(PAD 3)，

-以及与PAD 3相同的布局，从PCB的顶部到底部具有散热器(PAD 4)。

图2.用于热分析的PCB焊盘布局

图3量化了较低的Vce(ON) 对热性能的影响。 比较中使用的点火IGBT是Littelfuse DPAK封装的NGD8201A(Vce(ON)typ<1.35V)，和一款已商用的点火IGBT(Vce(ON)typ<1.5V)，标注“点火IGBT A”。 选择这些器件是因为它们具有相似的电气和物理裸片特性以及相同的电流和能量额定值。 图3总结了以33 Hz和150 Hz的频率驱动点火IGBT时，每种不同的PCB焊盘布局所达到的稳态外壳温度。 无论使用哪种PCB焊盘，“点火IGBT A”的导通电压略高都会导致稳态温度略高。 正如预料的那样，这种影响在高开关频率下更为明显。 还要注意，使用不同的PCB焊盘会导致不同的稳态外壳温度。

图3.在33Hz和150Hz下工作的两个点火IGBT的稳态温度比较。 NGD8201A点火IGBT的Vce(ON)较低，因此所有焊盘配置的稳态温度均较低

图4进一步分析了使用不同PCB焊盘的影响，其中显示了考虑不同开关频率和焊盘时NGD8201A的稳态外壳温度。结果再次表明，使用较高的开关频率会导致较高的稳态温度。然而，焊盘对降低测量温度的影响特别重要，尤其是在高开关频率下工作时。例如，请注意当在150 Hz下工作时，当使用顶部和底部层(PAD 2)之间带有散热器的最小焊盘或具有推荐面积(两倍于DPAK的面积，PAD 3)的焊盘时，稳态温度是如何从~90°C降低到~70°C的。

图4.使用五种PCB PAD布局，获得不同开关频率下的NGD8201A顶部外壳稳态温度

为了更好地进行比较，对使用最小焊盘且在PCB顶部和底部之间有散热器(PAD 2)和建议的PAD面积为DPAK面积的两倍(PAD 3)时，在不同频率下获得的稳态外壳温度的图表进行了绘制 。结果表明，无论开关条件如何，这两个焊盘均可提供相同的平均散热能力。这在需要考虑尺寸的点火平台中特别重要。

图5.使用(PAD 2)和PAD 3布局配置，NGD8201A的稳态外壳温度在33 Hz至150 Hz的范围内运行。 结果几乎相同。

汽车行业正在设计更省油的内燃机，以应对更严格的政府法规对降低燃油消耗和减少二氧化碳排放的要求。新的发动机改进将需要能够维持更高能量和更高电压的点火系统，以点燃更稀薄的燃料混合物。点火IGBT将需要能够以更高的开关频率和更高的电压来支持更高的能量，以产生火花。 因此，IGBT将承受更高的工作温度。 选择具有较低Vce(ON)的IGBT并使用提供良好散热的适当PCB焊盘布局可以确保在内燃机恶劣环境下可靠运行。