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点火IGBT:PCB设计对点火IGBT热性能的影响
 

【作者: Hugo Guzman、Jose Padilla】2020年09月04日 星期五

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世界各国政府旨在减少温室气体和污染物排放的法规越来越严格[1]。苛刻的新限制和新条件迫使内燃机制造商制造出体积更小,转速更高,能够使用稀薄混合气的发动机。 总体而言,内燃机的这些变化将影响点火IGBT的工作条件。可以预见,在这些新设计中使用的点火IGBT将需要更高的钳位元电压和能量,同时还要能够以更高的频率工作。在这种情况下,热性能和点火系统有效消散产生的热量的能力将变得更加重要。


在本文中,将介绍使用不同的热PCB PAD对点火IGBT的热性能的影响。特别是,考虑到多种工作条件,将使用不同的PCB PAD选项分析Littelfuse DPAK封装的点火IGBT。提供的结果将展示经过深思熟虑的PCB PAD热设计及其对点火IGBT温度变化的影响。


中标:下一代内燃机


随着对二氧化碳排放(油耗)和污染物排放的限制越来越严格,新型火花点火式(SI)发动机面临着严峻的挑战。为了迎接新的挑战,SI引擎正按照一些策略和技术不断发展。


在这些趋势中,值得一提的是,发动机的优化和替代燃烧过程将主要基於充气分层、新燃料和均匀混合物的稀释,无论是新鲜空气还是废气再??圈(EGR)。为达到有关空气管理的新要求,预计气体交换策略将有所改变,其中一些策略还可以通过减少泵送工作,为燃油消耗提供额外的好处,与效率更高的压燃式(CI)发动机相比,这是火花点火式(SI)发动机的主要缺点之一。


为了安排新的趋势,在不久的将来,三种主要策略均会产生极大的影响。 一方面,由於新的测试程式,需要扩大发动机的工作范围。 另一方面,稀释混合气的趋势旨在减少发动机的燃油消耗,从而减少二氧化碳的排放。 最後,关於减少二氧化碳排放和公共政策的新要求迫使制造商在未来将混合动力视为强制性要求。


发动机配气和混合动力可能需要使用较小的气缸,同时保持相同的输出功率。 这将导致更高的燃烧??圈速率,这要求点火系统在更高的开关频率下工作,从而导致更高的工作温度。


在中低负荷下稀释的混合物可能需要使用更大的间隙,以确保在燃烧过程开始时进行适当的热传递。使用更宽的间隙需要更高的电压额定值来引发火花隙中的电弧,因此,点火IGBT和点火系统中使用的元件需要更高的电压额定值。


在压缩冲程期间的直接喷射避免了混合物的均质化,并在保持整体不良的混合物的同时,在火花附近形成了一个富燃料区,从而进一步提高了效率。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。然而,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,点火系统应覆盖较宽的点火空间(较大的电极间隙)和较长的点火时间。这些条件需要更高的击穿电压和火花中的能量释放。


总体而言,可以预见的是,在下一代点火系统中使用的点火IGBT将需要承受更高的钳位元电压和能量(进而需要更高的电流),同时在不可避免地会增加其散热的条件下运行。 在这种情况下,集电极到发射极的导通状态电压(Vce(ON))叁数与导通状态损耗直接相关,因此将具有更高的重要性,因为将需要具有较低Vce(ON)的点火IGBT以降低功率损耗,从而降低了结温,同时保持了较小的系统尺寸。


接下来的部分将展示一些实验测试结果,以证明较低的Vce(ON)对稳态温度的影响并评估当使用不同的导热PCB PAD时对DPAK封装的点火IGBT的热性能的影响。测试台设置的简化方案如图1所示,其中使用了0.3 mH的负载电感,以便类比商用点火线圈的漏电感的公共值。开关频率设置为33 Hz、50 Hz、80 Hz、100 Hz或150 Hz。 保持时间或点火IGBT处於导通状态的时间设置为达到10安培的峰值电流。然後将被测器件(DUT)放置在图2所示的不同PCB PAD之一中,并保持工作10分钟,以确保稳态温度测量。


图1 : 测试电路的简化示意图以及栅极电压,集电极电流和耗散功率的指示波形
图1 : 测试电路的简化示意图以及栅极电压,集电极电流和耗散功率的指示波形

考虑到不同的热传导路径,分析了五种类型的PAD(图2)。即PCB切囗(PAD 0)处没有从点火IGBT的集电极到PCB的导热路径,PAD的面积与DPAK封装的IGBT(PAD 1)的面积相同,PAD的面积与DPAK封装的IGBT的面积相同但包括从PCB的顶部到底部的散热器(PAD 2),以及两个具有建议PAD面积的DPD,用於DPAK封装的器件(器件面积的两倍),不带(PAD 3)以及从PCB顶部到底部的散热器(PAD 4)。


图2 : 在热分析过程中考虑的不同PCB焊盘。
图2 : 在热分析过程中考虑的不同PCB焊盘。

让我们首先量化较低的Vce(ON)对热性能的影响。在如图比较中使用的点火IGBT是Littelfuse DPAK封装的NGD8201A(Vce(ON)typ <1.35V),以及市售的点火IGBT(Vce(ON)typ <1.5V),标有「点火IGBT A」。选择这些设备是因为它们具有相似的电和物理晶片特性以及等效的电流和能量额定值。


图3总结了在不同的PCB PAD情况下,在33 Hz和150 Hz下工作时获得的稳态情况下的实测温度。 可以看出,「点火IGBT A」的导通状态电压稍高会导致稳态温度稍高,而与所使用的PCB PAD无关。不出所料,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 PAD会导致不同的稳态外壳温度。


图3 : 稳态温度下较低的Vce(ON)的影响。
图3 : 稳态温度下较低的Vce(ON)的影响。

在图4中可以进一步分析使用不同PCB PAD的效果,其中当考虑不同的开关温度和PAD时,显示了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,特别重要的是,PAD降低了测得温度的效果,尤其是在高开关频率下工作时。例如:请注意,当在顶层和底层之间有散热片的最小PAD(PAD 2)或具有推荐面积(两倍於DPAK的面积,PAD3)的PAD时,在150 Hz下工作时的稳态温度是如何从~90 C降低至~70C的。


图4 : 在不同的开关频率下使用不同的PCB PAD获得的NGD8201A顶层稳态温度
图4 : 在不同的开关频率下使用不同的PCB PAD获得的NGD8201A顶层稳态温度
图5 : NGD8201A的稳态外壳温度,使用的PCB的PAD面积最小,在顶层和底层之间有散热器(PAD 2),而PAD的面积则为推荐面积(PAD 3)。
图5 : NGD8201A的稳态外壳温度,使用的PCB的PAD面积最小,在顶层和底层之间有散热器(PAD 2),而PAD的面积则为推荐面积(PAD 3)。

为了更好地进行比较,当使用最小的PAD且在PCB顶部和底部之间有散热器(PAD 2)和建议的PAD为DPAK面积的两倍(PAD 3)时,绘制出了在不同频率下获得的稳态外壳温度。 结果表明,无论开关条件如何,这两个PAD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。


人们对发展环境友好型交通运输系统的日益关注,促使政府颁布了旨在减少车辆二氧化碳排放和燃料消耗的苛刻法规。为了遵守这些规定,汽车工业必须设计确保燃烧效率的发动机,这又需要点火IGBT,该IGBT能够维持增加的电压水准,同时在增加的开关频率下提供低功耗。 事实证明,使用具有较低Vce(ON)的Littelfuse点火IGBT器件以及考虑最隹散热的适当PCB设计可以确保在汽车行业固有的恶劣工作条件下安全运行。


(本文作者Hugo Guzman为Littelfuse(德国)公司电力半导体应用工程师;Jose Padilla为Littelfuse(西班牙)公司点火器件全球产品市场经理)


叁考文献


[1] Worldwide Emission Standards and Related Regulations. Pas-senger Cars / Light and Medium Duty Vehicles. Continental Automotive, CPT Group GmbH, May 2019.


[2] Terrence Lyle Williamson, “Ignition System Requirements and their Application to the Design of Capacitor Discharge Ignition Systems”, MSc. In Electrical Engineering Thesis, Naval Postgrad-uate School.


【作者介绍】


雨果·古兹曼博士(Dr.Hugo Guzman)於2017年6月加入Littelfuse,担任电力半导体应用工程师。他於2015年在马拉加大学获得机械电子工程博士学位,专攻电力电子和控制。雨果自2007年以来一直从事汽车、工业和可再生能源应用领域的一系列研究、谘询和行业工作。他位於德国兰佩特海姆,联络信箱:hguzmanjimenez@littelfuse.com。


荷西·帕迪拉(Jose Padilla)於2016年10月加入Littelfuse,担任点火器件全球产品市场经理,从2018年11月起将其职责扩展到所有分立IGBT。在加入Littelfuse之前,他是Fairchild的产品市场经理和英飞??科技的电动汽车应用工程师。从2007年到2011年,他在西班牙安达卢西亚的一家研究机构AICIA工作,负责改善电网效率的电力电子转换器。Jose位於西班牙巴伦西亚,联络信箱:jpadilla2@littelfuse.com。


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