世界各國(guó)政府旨在減少溫室氣體和污染物排放的法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格[1]。苛刻的新限制和新條件迫使內(nèi)燃機(jī)製造商製造出體積更小，轉(zhuǎn)速更高，能夠使用稀薄混合氣的發(fā)動(dòng)機(jī)。 總體而言，內(nèi)燃機(jī)的這些變化將影響點(diǎn)火IGBT的工作條件。可以預(yù)見，在這些新設(shè)計(jì)中使用的點(diǎn)火IGBT將需要更高的鉗位元電壓和能量，同時(shí)還要能夠以更高的頻率工作。在這種情況下，熱性能和點(diǎn)火系統(tǒng)有效消散產(chǎn)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(duì)點(diǎn)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(xiàng)分析Littelfuse DPAK封裝的點(diǎn)火IGBT。提供的結(jié)果將展示經(jīng)過深思熟慮的PCB PAD熱設(shè)計(jì)及其對(duì)點(diǎn)火IGBT溫度變化的影響。
下一代內(nèi)燃機(jī)
隨著對(duì)二氧化碳排放（油耗）和污染物排放的限制越來(lái)越嚴(yán)格，新型火花點(diǎn)火式（SI）發(fā)動(dòng)機(jī)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了迎接新的挑戰(zhàn)，SI引擎正按照一些策略和技術(shù)不斷發(fā)展。
在這些趨勢(shì)中，值得一提的是，發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)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(wú)論是新鮮空氣還是廢氣再迴圈（EGR）。為達(dá)到有關(guān)空氣管理的新要求，預(yù)計(jì)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(fā)動(dòng)機(jī)相比，這是火花點(diǎn)火式（SI）發(fā)動(dòng)機(jī)的主要缺點(diǎn)之一。
為了安排新的趨勢(shì)，在不久的將來(lái)，三種主要策略均會(huì)產(chǎn)生極大的影響。 一方面，由於新的測(cè)試程式，需要擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)的工作範(fàn)圍。 另一方面，稀釋混合氣的趨勢(shì)旨在減少發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗，從而減少二氧化碳的排放。 最後，關(guān)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(lái)將混合動(dòng)力視為強(qiáng)制性要求。
發(fā)動(dòng)機(jī)配氣和混合動(dòng)力可能需要使用較小的氣缸，同時(shí)保持相同的輸出功率。 這將導(dǎo)致更高的燃燒迴圈速率，這要求點(diǎn)火系統(tǒng)在更高的開關(guān)頻率下工作，從而導(dǎo)致更高的工作溫度。
在中低負(fù)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(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒醾鬟f。使用更寬的間隙需要更高的電壓額定值來(lái)引發(fā)火花隙中的電弧，因此，點(diǎn)火IGBT和點(diǎn)火系統(tǒng)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(zhì)化，並在保持整體不良的混合物的同時(shí)，在火花附近形成了一個(gè)富燃料區(qū)，從而進(jìn)一步提高了效率。燃油噴射必須在火花產(chǎn)生的時(shí)間和位置為燃燒發(fā)展創(chuàng)造有利條件。然而，火花附近的高局部和時(shí)間變化會(huì)損害點(diǎn)火系統(tǒng)，理想情況下，點(diǎn)火系統(tǒng)應(yīng)覆蓋較寬的點(diǎn)火空間（較大的電極間隙）和較長(zhǎng)的點(diǎn)火時(shí)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(yù)見的是，在下一代點(diǎn)火系統(tǒng)中使用的點(diǎn)火IGBT將需要承受更高的鉗位元電壓和能量（進(jìn)而需要更高的電流），同時(shí)在不可避免地會(huì)增加其散熱的條件下運(yùn)行。 在這種情況下，集電極到發(fā)射極的導(dǎo)通狀態(tài)電壓（Vce（ON））參數(shù)與導(dǎo)通狀態(tài)損耗直接相關(guān)，因此將具有更高的重要性，因?yàn)閷⑿枰哂休^低Vce（ON）的點(diǎn)火IGBT以降低功率損耗，從而降低了結(jié)溫，同時(shí)保持了較小的系統(tǒng)尺寸。
接下來(lái)的部分將展示一些實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，以證明較低的Vce（ON）對(duì)穩(wěn)態(tài)溫度的影響並評(píng)估當(dāng)使用不同的導(dǎo)熱PCB PAD時(shí)對(duì)DPAK封裝的點(diǎn)火IGBT的熱性能的影響。測(cè)試臺(tái)設(shè)置的簡(jiǎn)化方案如圖1所示，其中使用了0.3 mH的負(fù)載電感，以便類比商用點(diǎn)火線圈的漏電感的公共值。開關(guān)頻率設(shè)置為33 Hz、50 Hz、80 Hz、100 Hz或150 Hz。 保持時(shí)間或點(diǎn)火IGBT處?kù)秾?dǎo)通狀態(tài)的時(shí)間設(shè)置為達(dá)到10安培的峰值電流。然後將被測(cè)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(wěn)態(tài)溫度測(cè)量。
| 圖1 : 測(cè)試電路的簡(jiǎn)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 |
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考慮到不同的熱傳導(dǎo)路徑，分析了五種類型的PAD（圖2）。即PCB切口（PAD 0）處沒有從點(diǎn)火IGBT的集電極到PCB的導(dǎo)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(gè)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）。
讓我們首先量化較低的Vce（ON）對(duì)熱性能的影響。在如圖比較中使用的點(diǎn)火IGBT是Littelfuse DPAK封裝的NGD8201A（Vce（ON）typ <1.35V），以及市售的點(diǎn)火IGBT（Vce（ON）typ <1.5V），標(biāo)有「點(diǎn)火IGBT A」。選擇這些設(shè)備是因?yàn)樗鼈兙哂邢嗨频碾姾臀锢砭匦砸约暗刃У碾娏骱湍芰款~定值。
圖3總結(jié)了在不同的PCB PAD情況下，在33 Hz和150 Hz下工作時(shí)獲得的穩(wěn)態(tài)情況下的實(shí)測(cè)溫度。 可以看出，「點(diǎn)火IGBT A」的導(dǎo)通狀態(tài)電壓稍高會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)溫度稍高，而與所使用的PCB PAD無(wú)關(guān)。不出所料，這種影響在高開關(guān)頻率下更為明顯。還要注意，使用不同的PCB PAD會(huì)導(dǎo)致不同的穩(wěn)態(tài)外殼溫度。
| 圖3 : 穩(wěn)態(tài)溫度下較低的Vce（ON）的影響。 |
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在圖4中可以進(jìn)一步分析使用不同PCB PAD的效果，其中當(dāng)考慮不同的開關(guān)溫度和PAD時(shí)，顯示了NGD8201A的穩(wěn)態(tài)外殼溫度。結(jié)果再次表明，使用較高的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致較高的穩(wěn)態(tài)溫度。 然而，特別重要的是，PAD降低了測(cè)得溫度的效果，尤其是在高開關(guān)頻率下工作時(shí)。例如：請(qǐng)注意，當(dāng)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(shí)，在150 Hz下工作時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度是如何從～90 C降低至～70C的。
| 圖4 : 在不同的開關(guān)頻率下使用不同的PCB PAD獲得的NGD8201A頂層穩(wěn)態(tài)溫度 |
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| 圖5 : NGD8201A的穩(wěn)態(tài)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）。 |
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為了更好地進(jìn)行比較，當(dāng)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(shí)，繪製出了在不同頻率下獲得的穩(wěn)態(tài)外殼溫度。 結(jié)果表明，無(wú)論開關(guān)條件如何，這兩個(gè)PAD均可提供相同的平均散熱能力。 這在需要考慮尺寸的點(diǎn)火平臺(tái)中特別重要。
人們對(duì)發(fā)展環(huán)境友好型交通運(yùn)輸系統(tǒng)的日益關(guān)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(guī)。為了遵守這些規(guī)定，汽車工業(yè)必須設(shè)計(jì)確保燃燒效率的發(fā)動(dòng)機(jī)，這又需要點(diǎn)火IGBT，該IGBT能夠維持增加的電壓水準(zhǔn)，同時(shí)在增加的開關(guān)頻率下提供低功耗。 事實(shí)證明，使用具有較低Vce（ON）的Littelfuse點(diǎn)火IGBT器件以及考慮最佳散熱的適當(dāng)PCB設(shè)計(jì)可以確保在汽車行業(yè)固有的惡劣工作條件下安全運(yùn)行。
（本文作者Hugo Guzman為L(zhǎng)ittelfuse（德國(guó)）公司電力半導(dǎo)體應(yīng)用工程師；Jose Padilla為L(zhǎng)ittelfuse（西班牙）公司點(diǎn)火器件全球產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理）
參考文獻(xiàn)
[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(dān)任電力半導(dǎo)體應(yīng)用工程師。他於2015年在馬拉加大學(xué)獲得機(jī)械電子工程博士學(xué)位，專攻電力電子和控制。雨果自2007年以來(lái)一直從事汽車、工業(yè)和可再生能源應(yīng)用領(lǐng)域的一系列研究、諮詢和行業(yè)工作。他位於德國(guó)蘭佩特海姆，聯(lián)絡(luò)信箱：hguzmanjimenez@littelfuse.com。
荷西·帕迪拉（Jose Padilla）於2016年10月加入Littelfuse，擔(dān)任點(diǎn)火器件全球產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理，從2018年11月起將其職責(zé)擴(kuò)展到所有分立IGBT。在加入Littelfuse之前，他是Fairchild的產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理和英飛淩科技的電動(dòng)汽車應(yīng)用工程師。從2007年到2011年，他在西班牙安達(dá)盧西亞的一家研究機(jī)構(gòu)AICIA工作，負(fù)責(zé)改善電網(wǎng)效率的電力電子轉(zhuǎn)換器。Jose位於西班牙巴倫西亞，聯(lián)絡(luò)信箱：jpadilla2@littelfuse.com。
