氣候變化和社會對環境問題日益敏感，需要為化石燃料動力汽車開發技術解決方案。逐步減少排放的監管要求要求設計具有較低體積、較高發動機轉速以及能夠在較不豐富的燃料混合物下運行的內燃機。

這些技術要求不可避免地會對發動機點火和控制系統中使用的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的工作條件產生影響：這些設備必須獲得更高的鉗位電壓和開關頻率，并具有散熱能力。在這里，我們考慮了在不同工作條件下使用不同導熱 PCB 焊盤對 IGBT 熱性能的影響。

IGBT 和熱性能

工作結溫 (Tvj(op)) 是器件工作的基礎，應視為實用值。在使用傳導損耗、開關損耗和熱阻抗計算正常開關的結溫時，即使在過載情況下，結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低于 Tvj(op) max。如果器件在其安全工作區域內使用并且 Tvj 不超過 Tvj 最大值，則可以忽略由開關事件中的開關損耗導致的瞬態溫度升高。熱管理和冷卻解決方案越來越受到 IGBT 的關注，因為它們在應用中會增加熱量損失。熱損耗分為兩類：傳導損耗和開關損耗。

傳導損耗發生在通過 IGBT 的開關狀態電壓降期間，并取決于傳導的電流。開關功率損耗發生在 IGBT 的導通和關斷階段，取決于電流、工作周期、開關電壓和開關頻率。

內燃機的演變

新的排放法規要求對內燃機的設計進行重大改變，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、污染更少的發動機的需求，汽車制造商遵循三個基本策略：

引擎大小合適和混合。這些技術根據車輛的等級調整發動機的大小，保持相同的功率值。結果，獲得了更高的轉數，這反過來涉及更高的噴射系統切換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(為適當的散熱所必需)和更高的電壓來觸發火花塞。因此，必須使用工作電壓更高的IGBT。

在壓縮沖程中直接噴射。這種技術會在火花塞附近形成一個富含可燃混合物的區域，從而在全球范圍內保持較差的混合物。然而，火花塞周圍發生的高局部和時間變化可能會損害噴射系統，該系統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，點火系統中使用的 IGBT 必須能夠承受高電流并在不可避免地產生大量熱量的工作條件下具有高鉗位電壓。

特別是需要具有低集電極-發射極導通電壓 (Vce(ON)) 值的 IGBT，以降低功率損耗和結溫。

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平臺(圖 1)。在這里，電感模擬市售點火線圈的電氣特性。

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圖 1：測試電路的簡化圖(圖片：Littelfuse)

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圖 2：熱分析期間考慮的 PCB 焊盤(圖片：Littelfuse)

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圖 3：較低的 Vce(ON) 對穩態溫度的影響(圖片：Littelfuse)

通過改變開關頻率和駐留時間，被測器件 (DUT) 被放置在與 PCB 上不同類型的焊盤相對應的位置(圖 2)，并在足以達到穩定溫度的時間內保持工作。

該測試是使用帶有五種類型焊盤的 PCB 進行的，每種類型都有自己的熱傳導(圖 2)。更準確地說，測試使用了：

從IGBT的集電極到PCB沒有熱傳導路徑的焊盤(PAD 0);

與IGBT封裝(PAD 1)面積相同的焊盤;

與IGBT(PAD 2)面積相同的焊盤;和

兩個焊盤，具有特定器件的推薦焊盤面積，不帶 (PAD 3) 和從 PCB 頂部到底部的熱傳播 (PAD 4)。

為了量化由于較低的 Vce(ON) 而帶來的熱性能改善，研究人員比較了采用 Littelfuse DPAK 封裝的 NGD8201A(Vce(ON) 典型值 <1.35 V)和采用市售點火 IGBT (Vce (ON) typ. <1.5 V，在圖 3 中標記為 Ignition IGBT A)。

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圖 4：在不同開關

頻率和 PCB 焊盤下獲得的 NGD8201A 穩態溫度(圖片：Littelfuse)

圖中顯示的結果表明，無論使用何種 PCB 焊盤，稍高的 Vce(ON) 都會導致稍高的穩態溫度。正如預期的那樣，這種效果在高開關頻率下更為明顯。

使用不同 PCB 焊盤產生的影響如圖 4 所示。結果表明更高的開關頻率會導致更高的穩態溫度。更令人感興趣的是 PCB 焊盤降低了測量溫度，尤其是在高開關頻率下。

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圖 5：使用 PCB PAD 2 和 PAD 3 的 NGD8201A 穩態外殼溫度圖

PCB PAD2 和 PAD3 在不同頻率下的穩態外殼溫度下獲得的曲線圖(圖 5)表明，這兩個焊盤提供相同的平均散熱能力。該結果與點火平臺相關，其中尺寸是一個關鍵因素。

要了解有關 IGBT 的更多信息，請下載 Littelfuse Inc. 應用說明“了解 Littelfuse Ignition IGBT 數據表”。

審核編輯：湯梓紅