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點火IGBT:PCB設計對點火IGBT熱性能的影響
 

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

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世界各國政府旨在減少溫室氣體和污染物排放的法規越來越嚴格[1]。苛刻的新限制和新條件迫使內燃機製造商製造出體積更小,轉速更高,能夠使用稀薄混合氣的發動機。 總體而言,內燃機的這些變化將影響點火IGBT的工作條件。可以預見,在這些新設計中使用的點火IGBT將需要更高的鉗位元電壓和能量,同時還要能夠以更高的頻率工作。在這種情況下,熱性能和點火系統有效消散產生的熱量的能力將變得更加重要。


在本文中,將介紹使用不同的熱PCB PAD對點火IGBT的熱性能的影響。特別是,考慮到多種工作條件,將使用不同的PCB PAD選項分析Littelfuse DPAK封裝的點火IGBT。提供的結果將展示經過深思熟慮的PCB PAD熱設計及其對點火IGBT溫度變化的影響。


下一代內燃機

隨著對二氧化碳排放(油耗)和污染物排放的限制越來越嚴格,新型火花點火式(SI)發動機面臨著嚴峻的挑戰。為了迎接新的挑戰,SI引擎正按照一些策略和技術不斷發展。


在這些趨勢中,值得一提的是,發動機的優化和替代燃燒過程將主要基於充氣分層、新燃料和均勻混合物的稀釋,無論是新鮮空氣還是廢氣再迴圈(EGR)。為達到有關空氣管理的新要求,預計氣體交換策略將有所改變,其中一些策略還可以通過減少泵送工作,為燃油消耗提供額外的好處,與效率更高的壓燃式(CI)發動機相比,這是火花點火式(SI)發動機的主要缺點之一。


為了安排新的趨勢,在不久的將來,三種主要策略均會產生極大的影響。 一方面,由於新的測試程式,需要擴大發動機的工作範圍。 另一方面,稀釋混合氣的趨勢旨在減少發動機的燃油消耗,從而減少二氧化碳的排放。 最後,關於減少二氧化碳排放和公共政策的新要求迫使製造商在未來將混合動力視為強制性要求。


發動機配氣和混合動力可能需要使用較小的氣缸,同時保持相同的輸出功率。 這將導致更高的燃燒迴圈速率,這要求點火系統在更高的開關頻率下工作,從而導致更高的工作溫度。


在中低負荷下稀釋的混合物可能需要使用更大的間隙,以確保在燃燒過程開始時進行適當的熱傳遞。使用更寬的間隙需要更高的電壓額定值來引發火花隙中的電弧,因此,點火IGBT和點火系統中使用的元件需要更高的電壓額定值。


在壓縮衝程期間的直接噴射避免了混合物的均質化,並在保持整體不良的混合物的同時,在火花附近形成了一個富燃料區,從而進一步提高了效率。燃油噴射必須在火花產生的時間和位置為燃燒發展創造有利條件。然而,火花附近的高局部和時間變化會損害點火系統,理想情況下,點火系統應覆蓋較寬的點火空間(較大的電極間隙)和較長的點火時間。這些條件需要更高的擊穿電壓和火花中的能量釋放。


總體而言,可以預見的是,在下一代點火系統中使用的點火IGBT將需要承受更高的鉗位元電壓和能量(進而需要更高的電流),同時在不可避免地會增加其散熱的條件下運行。 在這種情況下,集電極到發射極的導通狀態電壓(Vce(ON))參數與導通狀態損耗直接相關,因此將具有更高的重要性,因為將需要具有較低Vce(ON)的點火IGBT以降低功率損耗,從而降低了結溫,同時保持了較小的系統尺寸。


接下來的部分將展示一些實驗測試結果,以證明較低的Vce(ON)對穩態溫度的影響並評估當使用不同的導熱PCB PAD時對DPAK封裝的點火IGBT的熱性能的影響。測試台設置的簡化方案如圖1所示,其中使用了0.3 mH的負載電感,以便類比商用點火線圈的漏電感的公共值。開關頻率設置為33 Hz、50 Hz、80 Hz、100 Hz或150 Hz。 保持時間或點火IGBT處於導通狀態的時間設置為達到10安培的峰值電流。然後將被測器件(DUT)放置在圖2所示的不同PCB PAD之一中,並保持工作10分鐘,以確保穩態溫度測量。


圖1 : 測試電路的簡化示意圖以及柵極電壓,集電極電流和耗散功率的指示波形
圖1 : 測試電路的簡化示意圖以及柵極電壓,集電極電流和耗散功率的指示波形

考慮到不同的熱傳導路徑,分析了五種類型的PAD(圖2)。即PCB切口(PAD 0)處沒有從點火IGBT的集電極到PCB的導熱路徑,PAD的面積與DPAK封裝的IGBT(PAD 1)的面積相同,PAD的面積與DPAK封裝的IGBT的面積相同但包括從PCB的頂部到底部的散熱器(PAD 2),以及兩個具有建議PAD面積的DPD,用於DPAK封裝的器件(器件面積的兩倍),不帶(PAD 3)以及從PCB頂部到底部的散熱器(PAD 4)。


圖2 : 在熱分析過程中考慮的不同PCB焊盤。
圖2 : 在熱分析過程中考慮的不同PCB焊盤。

讓我們首先量化較低的Vce(ON)對熱性能的影響。在如圖比較中使用的點火IGBT是Littelfuse DPAK封裝的NGD8201A(Vce(ON)typ <1.35V),以及市售的點火IGBT(Vce(ON)typ <1.5V),標有「點火IGBT A」。選擇這些設備是因為它們具有相似的電和物理晶片特性以及等效的電流和能量額定值。


圖3總結了在不同的PCB PAD情況下,在33 Hz和150 Hz下工作時獲得的穩態情況下的實測溫度。 可以看出,「點火IGBT A」的導通狀態電壓稍高會導致穩態溫度稍高,而與所使用的PCB PAD無關。不出所料,這種影響在高開關頻率下更為明顯。還要注意,使用不同的PCB PAD會導致不同的穩態外殼溫度。


圖3 : 穩態溫度下較低的Vce(ON)的影響。
圖3 : 穩態溫度下較低的Vce(ON)的影響。

在圖4中可以進一步分析使用不同PCB PAD的效果,其中當考慮不同的開關溫度和PAD時,顯示了NGD8201A的穩態外殼溫度。結果再次表明,使用較高的開關頻率會導致較高的穩態溫度。 然而,特別重要的是,PAD降低了測得溫度的效果,尤其是在高開關頻率下工作時。例如:請注意,當在頂層和底層之間有散熱片的最小PAD(PAD 2)或具有推薦面積(兩倍於DPAK的面積,PAD3)的PAD時,在150 Hz下工作時的穩態溫度是如何從~90 C降低至~70C的。


圖4 : 在不同的開關頻率下使用不同的PCB PAD獲得的NGD8201A頂層穩態溫度
圖4 : 在不同的開關頻率下使用不同的PCB PAD獲得的NGD8201A頂層穩態溫度
圖5 : NGD8201A的穩態外殼溫度,使用的PCB的PAD面積最小,在頂層和底層之間有散熱器(PAD 2),而PAD的面積則為推薦面積(PAD 3)。
圖5 : NGD8201A的穩態外殼溫度,使用的PCB的PAD面積最小,在頂層和底層之間有散熱器(PAD 2),而PAD的面積則為推薦面積(PAD 3)。

為了更好地進行比較,當使用最小的PAD且在PCB頂部和底部之間有散熱器(PAD 2)和建議的PAD為DPAK面積的兩倍(PAD 3)時,繪製出了在不同頻率下獲得的穩態外殼溫度。 結果表明,無論開關條件如何,這兩個PAD均可提供相同的平均散熱能力。 這在需要考慮尺寸的點火平臺中特別重要。


人們對發展環境友好型交通運輸系統的日益關注,促使政府頒佈了旨在減少車輛二氧化碳排放和燃料消耗的苛刻法規。為了遵守這些規定,汽車工業必須設計確保燃燒效率的發動機,這又需要點火IGBT,該IGBT能夠維持增加的電壓水準,同時在增加的開關頻率下提供低功耗。 事實證明,使用具有較低Vce(ON)的Littelfuse點火IGBT器件以及考慮最佳散熱的適當PCB設計可以確保在汽車行業固有的惡劣工作條件下安全運行。


(本文作者Hugo Guzman為Littelfuse(德國)公司電力半導體應用工程師;Jose Padilla為Littelfuse(西班牙)公司點火器件全球產品市場經理)


參考文獻


[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.


【作者介紹】


雨果·古茲曼博士(Dr.Hugo Guzman)於2017年6月加入Littelfuse,擔任電力半導體應用工程師。他於2015年在馬拉加大學獲得機械電子工程博士學位,專攻電力電子和控制。雨果自2007年以來一直從事汽車、工業和可再生能源應用領域的一系列研究、諮詢和行業工作。他位於德國蘭佩特海姆,聯絡信箱:hguzmanjimenez@littelfuse.com。


荷西·帕迪拉(Jose Padilla)於2016年10月加入Littelfuse,擔任點火器件全球產品市場經理,從2018年11月起將其職責擴展到所有分立IGBT。在加入Littelfuse之前,他是Fairchild的產品市場經理和英飛淩科技的電動汽車應用工程師。從2007年到2011年,他在西班牙安達盧西亞的一家研究機構AICIA工作,負責改善電網效率的電力電子轉換器。Jose位於西班牙巴倫西亞,聯絡信箱:jpadilla2@littelfuse.com。


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