气候变化和社会对环境问题的日益敏感要求开发针对化石燃料的车辆的技术解决方案。逐步减少排放的法规要求决定了内燃机的设计，该内燃机应具有较小的体积，较高的发动机转速以及以较少的浓混合气运行的能力。

这些技术要求不可避免地会影响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：这些设备必须获得更高的钳位电压和开关频率，并具有散发多余热量的能力。在这里，我们考虑在不同的工作条件下使用不同的导热PCB焊盘对IGBT的热性能的影响。

IGBT和热性能

工作结温（Tvj（op））是器件工作的基础，应视为实用值。当使用传导损耗，开关损耗和热阻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）的规定最小值和最大值之间。

实际上，在最后的切换事件之前，接头的温度必须保持低于Tvj（op）max。如果在安全的工作区域内使用该设备且Tvj不超过Tvj max，则可以忽略由于开关事件中的开关损耗而导致的瞬态温度升高。由于IGBT在应用中的热量损失增加，因此热管理和冷却解决方案已成为IGBT日益关注的问题。热损耗分为两类：传导损耗和开关损耗。

导通损耗会在通过IGBT的开关状态压降期间发生，并取决于所传导的电流。开关功率的损失发生在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。

内燃机的发展历程

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，车辆制造商采取了以下三种基本策略：

发动机尺寸调整和混合动力。这些技术会根据车辆类别调整发动机的大小，并保持相同的功率值。结果，获得更高的转数，这进而涉及喷射系统的更高的开关频率和更高的工作温度。

稀释混合物。这种方法需要使用更大的间隙（适当的散热所必需）和更高的电压来触发火花塞。因此，有必要使用工作电压更高的IGBT。

在压缩冲程中直接喷射。这种技术会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。但是，火花塞周围发生的高局部和时间变化可能会损害喷射系统，而喷射系统旨在以更长的点火时间覆盖更多的空间。该解决方案需要击穿电压非常高的IGBT。

因此，点火系统中使用的IGBT在工作条件下必须承受高电流并具有高钳位电压，这将不可避免地产生大量热量。

特别地，将需要具有低集电极-发射极导通电压（Vce（ON））值的IGBT，以减少功率损耗和结温。

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）。在此，电感模拟了市售点火线圈的电气特性。

图1：测试电路的简化图（图片：Littelfuse）

图2：在热分析过程中考虑的PCB焊盘（图片：Littelfuse）

图3：较低的Vce（ON）对稳态温度的影响（图片：Littelfuse）

通过改变开关频率和停留时间，被测设备（DUT）可以与PCB上制成的不同类型的焊盘相对应地放置（图2），并在足以达到稳定温度的时间内保持工作状态。

该测试是使用具有五种焊盘的PCB进行的，每种焊盘具有自己的导热性（图2）。更准确地说，使用的测试是：

从IGBT的集电极到PCB的导热路径不存在的焊盘（PAD 0）;

焊盘面积与IGBT封装（PAD 1）相同的焊盘；

与IGBT（PAD 2）面积相同的焊盘;和两个具有特定设备推荐焊盘面积的焊盘，不带（PAD 3），并且热量从PCB的顶部到底部散布（PAD 4）。

为了量化归因于较低Vce（ON）的热性能的改善，研究人员比较了使用Littelfuse DPAK封装的NGD8201A（Vce（ON）典型值<1.35 V）和采用市售点火IGBT（Vce）获得的测量结果。 （ON）典型值<1.5 V，在图3中标为Ignition IGBT A。

图4：NGD8201A在不同开关条件下获得的稳态温度

频率和PCB焊盘（图片：Littelfuse）

图中显示的获得结果表明，不管使用哪种PCB焊盘，稍高的Vce（ON）都会导致稍高的稳态温度。不出所料，这种影响在高开关频率下更为明显。

图4显示了使用不同的PCB焊盘产生的效果。结果表明，较高的开关频率会导致较高的稳态温度。更令人感兴趣的是，PCB焊盘可降低测得的温度，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

使用PCB PAD2和PAD3（图5）在不同频率下的稳态外壳温度得到的曲线图（图5）表明，这两个焊盘具有相同的平均散热能力。该结果与点火平台有关，在点火平台中，尺寸是至关重要的因素。

本文编译自powerelectronicsnews。