提高 IGBT 热性能的 PCB 设计提示

气候变化和社会对环境问题的日益敏感需要为化石燃料驱动的车辆开发技术解决方案。逐步减少排放的监管要求要求设计体积更小、发动机转速更高的内燃机，并且能够使用不太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) 的工作条件产生影响：这些器件必须获得更高的钳位电压和开关频率，并具有随之而来的散热能力。在这里，我们考虑在不同工作条件下使用不同散热 PCB 焊盘对 IGBT 热性能的影响。

IGBT 和热性能

工作结温 (Tvj(op)) 是器件运行的基础，应被视为实用值。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，在最后一次开关事件之前，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内使用并且 Tvj 不超过 Tvj max，则可以忽略由开关事件中的开关损耗引起的瞬态温度升高。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。热损失分为两类：传导损失和开关损失。

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 的导通和关断阶段，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：

发动机尺寸调整和混合动力。这些技术根据车辆的类别调整发动机的大小，保持相同的功率值。结果，获得了更高的转数，这又涉及更高的喷射系统切换频率和更高的工作温度。

混合物的稀释。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，需要使用工作电压更高的IGBT。

在压缩冲程中直接喷射。该技术导致在火花塞附近形成富含可燃混合物的区域，从而在整体上保持较差的混合物。然而，火花塞周围发生的高局部和时间变化可能会危及喷射系统，该系统旨在覆盖更多空间和更长的点火周期。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 必须能够承受高电流，并且在不可避免地会产生更多热量的工作条件下具有高钳位电压。

特别是，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 的热性能的影响，可以使用简化的测试台（图 1）。此处，电感模拟市售点火线圈的电气特性。

图 1：测试电路的简化图

图 2：热分析期间考虑的 PCB 焊盘

图 3：较低的 Vce(ON) 对稳态温度的影响

通过改变开关频率和驻留时间，被测设备 (DUT) 被放置在与 PCB 上制作的不同类型的焊盘相对应的位置（图 2），并保持运行足够长的时间以达到稳定的温度。

测试是使用带有五种焊盘的 PCB 进行的，每种焊盘都有自己的热传导（图 2）。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（PAD 0）；

与IGBT封装面积相同的焊盘（PAD 1）；

与 IGBT (PAD 2) 面积相同的焊盘；和

两个具有针对特定器件的推荐焊盘面积的焊盘，无焊盘 (PAD 3) 并且有从 PCB 顶部到底部的热扩散 (PAD 4)。

为了量化因较低的 Vce(ON) 而带来的热性能改善，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商用点火 IGBT（Vce (ON) typ. <1.5 V，在图 3 中标记为 Ignition IGBT A）。

图 4：使用不同开关频率和 PCB 焊盘获得的 NGD8201A 稳态温度

图中所示的所得结果表明，无论使用何种 PCB 焊盘，略高的 Vce(ON) 都会导致略高的稳态温度。正如预期的那样，这种效果在高开关频率下更为明显。

图 4 显示了使用不同 PCB 焊盘产生的效果。结果表明，更高的开关频率会导致更高的稳态温度。更令人感兴趣的是 PCB 焊盘降低了测得的温度，尤其是在高开关频率下。

图 5：使用 PCB PAD 2 和 PAD 3 的 NGD8201A 稳态外壳温度图

PCB PAD2 和 PAD3 在不同频率下的稳态外壳温度图（图 5）表明，这两个焊盘具有相同的平均散热能力。该结果与点火平台相关，其中尺寸是一个关键因素。

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