氣候變化和社會對環(huán)境問題日益敏感，需要為化石燃料動力車輛開發(fā)技術解決方案。逐步減少排放的監(jiān)管要求要求內燃機的設計具有較小的容積、較高的發(fā)動機轉速，并且能夠以較不濃的燃料混合物運行。

這些技術要求不可避免地會對發(fā)動機點火和控制系統(tǒng)中使用的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的運行條件產生影響：這些器件必須達到更高的鉗位電壓和開關頻率，并具有消散多余熱量的能力。在這里，我們考慮了在不同工作條件下使用不同熱 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，應被視為一個實用值。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在 Tvj(op) max 以下。如果器件在其安全工作區(qū)域內使用并且 Tvj 不超過 Tvj max，則可以忽略開關事件中開關損耗導致的瞬態(tài)溫度升高。熱管理和冷卻解決方案越來越受到 IGBT 的關注，因為其應用中的熱損失增加。熱損耗分為兩類：傳導損耗和開關損耗。

傳導損耗發(fā)生在通過 IGBT 的開關狀態(tài)電壓降期間，并且取決于傳導的電流。開關功率損耗發(fā)生在 IGBT 的開啟和關閉階段，并且取決于電流、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(guī)要求對內燃機的設計進行重大更改，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(fā)動機的需求，汽車制造商正在遵循三個基本策略：

· 發(fā)動機尺寸合適和混合。這些技術根據車輛的等級調整發(fā)動機的大小，保持相同的功率值。結果，獲得了更高的轉數，這反過來又涉及噴射系統(tǒng)的更高開關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(適當散熱所必需的)和更高的電壓來觸發(fā)火花塞。因此，有必要使用更高工作電壓的IGBT。

· 在壓縮沖程中直接噴射。這種技術導致在火花塞附近形成富含可燃混合物的區(qū)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(fā)生的高局部和時間變化可能會損害噴射系統(tǒng)，該噴射系統(tǒng)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(tǒng)中使用的 IGBT 必須在不可避免地產生更多熱量的運行條件下承受高電流并具有高鉗位電壓。

特別是，將需要具有低集電極-發(fā)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臺。在此，電感模擬市售點火線圈的電氣特性。

通過改變開關頻率和駐留時間，被測器件 (DUT) 與 PCB 上不同類型的焊盤相對應放置，并保持運行一段時間，足以達到穩(wěn)定的溫度。

該測試使用具有五種類型焊盤的 PCB 進行，每種焊盤都有自己的導熱性。更準確地說，測試使用：

· 一個焊盤，其中沒有從 IGBT 的集電極到 PCB 的熱傳導路徑;

· 一個與 IGBT 封裝面積相同的焊盤;

· 一個與 IGBT 面積相同的焊盤;

· 兩個焊盤，具有針對特定器件的推薦焊盤面積，并且熱量從 PCB 的頂部擴散到底部 。

為了量化歸因于較低 Vce(ON) 的熱性能改進，研究人員比較了使用 Littelfuse DPAK 封裝的 NGD8201A(Vce(ON) 典型值 <1.35 V)獲得的測量結果和使用市售點火 IGBT (Vce) 獲得的測量結果(ON) 典型值 <1.5 V。

顯示的所得結果表明，無論使用何種 PCB 焊盤，稍高的 Vce(ON) 都會導致稍高的穩(wěn)態(tài)溫度。正如預期的那樣，這種效應在高開關頻率下更為明顯。

使用不同 PCB 焊盤產生的效果測試結果表明，較高的開關頻率會導致較高的穩(wěn)態(tài)溫度。更有趣的是，PCB 焊盤會降低測量溫度，尤其是在高開關頻率下。在不同頻率下，該結果與點火平臺相關，其中尺寸是一個關鍵因素。