【经验】不同的热PCB PAD对点火IGBT热性能的影响

时间： 2020-03-08 来源：Littelfuse

技术问答

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。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。提供的结果将向读者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。

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于充气分层、新燃料和均匀混合物的稀释，无论是新鲜空气还是废气再循环（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，由于新的测试程序，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。最后，关于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循环速率，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））参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，以便模拟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处于导通状态的时间设置为达到10安培的峰值电流。然后将被测器件（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

考虑到不同的热传导路径，分析了五种类型的PAD（图2）。即，PCB切口（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，用于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。

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芯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。

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（两倍于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平，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器件以及考虑最佳散热的适当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。

发送到邮箱 |
+1 赞 0
收藏
评论 0
| 转发至：

本文由焦虑盐转载自Littelfuse，原文标题为:点火IGBT：PCB设计对点火IGBT热性能的影响，本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。

全部评论（0）

暂无评论

【经验】以NGD8201A为例介绍如何提高点火IGBT的热性能

新的发动机改进将需要能够维持更高能量和更高电压的点火系统，以点燃更稀薄的燃料混合物。点火IGBT将需要能够以更高的开关频率和更高的电压来支持更高的能量，以产生火花。因此，IGBT将承受更高的工作温度。本文以Littelfuse NGD8201A为例，介绍了如何提高点火IGBT的热性能。选择具有较低Vce(ON)的IGBT并使用提供良好散热的适当PCB焊盘布局可以确保在内燃机恶劣环境下可靠运行。

设计经验发布时间 : 2020-06-09

Littelfuse（力特）IXYS功率半导体选型指南

目录- Introduction of Littelfuse Index Symbols and Terms/Nomenclature New Pressfit Pin packages ISOPLUS™ family IGBT Discretes IGBT Modules Power MOSFETs Diodes Thyristors Rectifier Bridges Protection Devices Gate Drivers/Power Relays Diode & Thyristor（IXYS Chippenham） Power Semiconductor Chips/Direct Copper Bonded Ceramic Substrates Application Notes Highlights Outline Drawings

型号- R1280NC25M,MCD 26-16IO1B,N2055HE420,IXTT 30N50L2,R1280NC25K,R1280NC25L,MCD 56-18IO8B,IXBOD 2-52R,R1280NC25J,IXTQ 52N30P,MCK 200-18IO1,IXYR 100N120C3,LSIC2SD120C05,MDC600-22IO1W,IXYH 16N250CV1HV,LSIC2SD120C08,M0863LC360,IXTP 100N15X4,VBO 125-08NO7,DPG 15I200PA,F1600NC080,IXTH 1N450HV,T0600TB45A,LSIC2SD065E40CCA,DSEP 2X91-03A,IXBOD 2-51R,IXTX 4N300P3HV,IXTA 36N30P,VBO 72-18NO7,M4305TJ240,IXFR 64N60P,N6405EA240,IXYR 50N120C3D1,MCD580-28IO7,VUO 25-14NO8,0440 007.WRA,IXFY 36N20X3,VBO 25-12NO2,IXTT 120N15P,M1010NC400,IXBH 6N170,MCC 56-14IO1,VBE 26-06NO7,MCD160-30IO3,SXB4869G,IXTJ 3N150,DHG 10I1200PM,IXTH 120P065T,VTO 39-08HO7,IXFN 32N80P,IXTL 2N450,DMA 30P1600HR,IXBOD 2-54R,MDK950-18N1W,CS 20-25MOT1,IXBOD 2-55R,IXTK 140N20P,IXTR 48P20P,DH 20-18A,W2115MC560,IXTP 05N100P,IXFT 18N90P,QJ8030LH4TP,N4340TJ180,DMA 30P1600HB,W3841VC340,MKH 17RP650DCGLB 11,,SXB4649HEXT,IXBOD 2-17RD,DSEP 40-03AS,IXFH 42N50P2,Q8025K6TP,IXFH 22N50P,DPG 30C200HB,DSI 30-12AS,MCMA 240UI1600ED,IXBOD 2-53R,M0367WC220,VUM 25-05E,CPC1786J,IXYT 80N90C3,T0840NC17E,CLA 100E1200HB,N3533ZD180,R0717LC16H,IXTR 140P10T,R0717LC16G,IXFT 60N50P3,VUM 33-06PH,IXFA 22N65X2,VUO 84-16NO7,MIXA 60W1200TED,MDD275-30N3,IXA 70I1200NA,IXYH 80N90C3,IXTQ 86N25T,IXFN 80N60P3,MDMA 65P1600TG,IXTL 2N470,IXTT 88N30P,XAA170,MCR500-30IO7,N6405EA280,DSA 30I100PA,IXGX 55N120A3H1,E0770HF65F,IXFR 40N90P,W7045MC030,IXTQ 44N50P,XK2000SA114M,IX4351NE 130,MDNA 660U2200PTEH,MIXG 180W1200TEH,LOC210,IXFK 120N25P,LOC211,IXGH 20N120A3,DSB 15IM30UC,IXTQ 26N50P,IXTP 450P2,IXFH 86N30T,IXFK 120N65X2,N2086NC060,IXTP 60N20T,MDD 142-12N1,IXXH 30N60B3D1,XSK4400DA116M076,CPC1788J,IXFB 40N110P,N2055HE450,IXBOD 2-56R,DHG 10I1200PA,M4305TJ280,DSA 60C60HB,IXFK 240N25X3,MCD720-18IO7,F1300NC45P,R0717LC14H,W121CEC180,W4205TE520,R0717LC14G,XW180GC34B,MMIX 1G75N250,XW180GC34A,IXBOD 1-30R,IXTY 1R4N100P,MDO 500-18N1,XSK3400DA076038,VBO 25-16AO2,VBO 50-16NO7,K1947ZC400,IXFQ 26N50P3,DSEP 2X91-06A,MEO 450-12DA,S0500YC25Y,IXYQ 30N65B3D1,W3842MC240,S6004DS2RP,G4000EF250,CLA 100E1200KB,IXTT 1N450HV,VUB 116-16NOXT,H0700KC140,VW 2X60-12IO1,MCMA 265P1600KA,DPG 10I200PA,IXFT 46N30T,IXYP 10N65C3D1,IXTH 440N055T2,N3533ZD140,DPG 10I200PM,Q8015LTP,DSA 70C200HB,DPG 30I300HA,DSA 50C100QB,IXTH 30N50L2,R3047TC28M,R3047TC28N,MCC 44-14IO8B,R3047TC28K,MCNA 180PD2200YB,MCD 255-16IO1,N2172ZD450,MCO 500-16IO1,DCG 20C1200HR,MCD 162-18IO1,VVZB-16IOXT,DSSK 40-006B,IXGH 10N170A,VUO 62-14NO7,M0710LC600,Ø IXTP 130N15X4,N4472HK180,IXBOD 1-32RD,DHH 55-36N1F,DSSK 18-0025BS,MCD 56-18IO1B,IXFK 220N20X3,Ø IXG 70IF1200NA,F0900VF520,IXBOD 2-35RD,IXTA 90N075T2,R2475ZD28R,VUB 120-16NOX,IXYP 20N120C4,R2475ZD28N,M0367WC280,IXYP 20N120C3,M1609NC260,R2475ZD28M,IXXH 40N65B4,MDD 26-14N1B,VUO 98-16NO7,MDD 310-18N1,MCD 26-16IO8B,MITA 300RF1700PTED,H0700KC14Y,MDC500-22IO1,VBO 52-08NO7,XAA117,DSEP 2X61-12B,DSEP 2X61-12A,IXFX 180N15P,S8055RTP,VUO 68-08NO7,MCNA 120PD2200TB-NI,MIXA 41W1200ED,IXTH 06N220P3HV,IXTP 10P50P,MCD500-18IO1,MMO 140-12IO7,IXYP 20N120B4,MCC500-22IO1,IXFH 50N85X,W3842MC280,DSSK 40-008B,DSSK 60-02A,IXFR 102N30P,N4472HK160,IXFH 12N120P,H0700KC17Y,MCC320-36IO2,M1494NK250,XSL300C2WS,DSEP 2X25-12C,IXFH 100N25P,IXTK 200N10L2,DSEP 12-12B,MMIX 1B20N300C,DSEP 12-12A,IXTH 50N25T,IXFN 140N30P,H0700KC17D,W3842MC28A,DSEI 60-06A,MCD 225-12IO1,LSIC2SD065D06A,M0451YC120,DSEI 2X161-12P,DHG 50X650NA,MCMA 35PD1200TB,MDC550-12IO1,DSI 2X55-12A,IXTY 8N65X2,MCC 255-16IO1,IXYP 20N120A4,IXTH 460P2,LCA220,MDD 56-18N1B,MDC580-28IO7,W9830TJ150MBR,R1280NC21J,CLA 100E1200TZ,IXTP 230N04T4,R1280NC21M,VBE 17-06NO7,R1280NC21K,R1280NC21L,M1609NC200,IXGX 120N60A3,MMO 175-16IO7,IXGK 82N120A3,DSSK 48-0025B,CS 19-08HO1S,DSEC 30-12A,MCD501-16IO2,MIXG 240W1200PTEH,LSIC2SD120E30CC,SJ6012DRP,VUO 105-18NO7,R1280NC22J,MCD 72-18IO1B,VUO 160-18NO7,IX4310T,R1280NC22K,R1280NC22L,R1280NC22M,F0900VC450,MEO 500-06DA,SXB2167FB,IXTQ 60N10T,IXFN 30N120P,VUO 30-08NO3,M0334RJ200,DSA 60C60PB,MDD 255-16N1,IXFH 18N65X2,MCC 225-12IO1,R2620ZC22L,MDA 810-18N2,R2620ZC22K,IXBH 10N170,R2620ZC22J,MDMA 140P1200TG,MDA950-18N1W,NANOASMDC016F-2,IXFN 40N110P,IXFX 250N10P,MCD320-30IO2,IXTY 10P15T,IXBOD 2-50R,DPG 30I300PA,IXFN 50N120SK,CPC3902,N2172ZD420,IXTT 16N20D2,MDD 710-26N2,W3841VC300,N4340TJ180MBR,IXTP 12N65X2,N3175HE160,SV6020R2TP,DSEI 60-02A,DPG 60C400QB,CPC3909,W2115MC520,DSEC 60-06B,DSEC 60-06A,MCMA 450UH1600TEH,DSSK 30-018A,IXYP 10N65C3,IXBH 22N300HV,IXTA 62N15P,CNE 60E2200TZ,DSI 2X55-16A,IXFR 180N15P,F1500NC200,LSIC2SD120C10,IXFP 220N06T3,MCD600-22IO1W,IXTA 36P15P,MIXG 360PF1200PSTED,F1500NC250,IXFH 80N65X2-4,MDD 175-28N1,IXBT 32N300HV,DSA 35-12A,IXTX 60N50L2,M0710LC560,R5145FA42V,IXTH 30N50P,R5145FA42W,DHG 100X650NA,IXGT 10N170A,IXFA 10N80P,MMIX 1T132N50P3,FMM 22-06PF,DMA 30P1200HB,DSA 75-16B,W5130MK280,IXTH 2R4N120P,LSIC1MO120T0080,IXTX 80N30L2,IXYN 75N65C3D1,MDD630-36N2,DSEI 2X161-06P,W5838ZD220,DSEI 60-12A,IXYH 40N65C3H1,W5282ZC240,IXTR 210P10T,MDMA 425P1600PTSF,IXXK 300N60C3,P0848YC06B,P0848YC06C,DHG 60C600HB,DPG 30P300PJ,LSIC1MO120E0040,S0700KC14Y,IXFK 220N15P,MCC 26-16IO1B,IXGK 55N120A3H1,DSA 1

选型指南 - LITTELFUSE - 2021/06/01 PDF 英文下载

LITTELFUSE收购ONSEMI，产品线再增点火IGBT、TVS和开关型晶闸管

2016年8月25日，安森美半导体(ON Semiconductor)已就关于出售点火IGBT业务给Littelfuse达成最终协议，出售其瞬态电压抑制(“TVS”)二极管和开关型晶闸管产品线，售价共1.04亿美元现金。

行业资讯发布时间 : 2018-07-12

Off-highway Electric Vehicle Solutions

型号- SZP6SMB,DHG,K12S,MDB,08010100,CG3,HC20EV,CG2,SZ1SMB,AQ24CANA,438A,SZ1SMC,HWB60,08099100,PNP,SLD8S,IX442X,KC,FHZ,DSEP,IX4340NE,LSICIMOXX,LSIC2SD,SHEV,DSR,DCNHR,HWB18,TPSMC,441A,DCNLR,TPSMB,DCNEVT,V-SERIES,MDB5,AP,95060,APB,LSIC1MOXX,LC,526,527,VM-SERIES,IX4351NE,MIXA450PF1200TSF,PXXX0FNL,IXD 6XXSI,TR,828

应用及方案 - LITTELFUSE - 2023/3/10 PDF 英文下载

【产品】20A、450V N通道点火IGBT，点火线圈和驱动线圈应用的理想选择

Littelfuse推出的NGB8245系列电源半导体，这款逻辑电平绝缘栅双极晶体管（IGBT）配有集成ESD与过压箝位保护装置的单片电路，可用于感应线圈驱动器应用。主要用于点火、直接燃油喷射或需要高电压与高电流切换的应用。

新产品发布时间 : 2018-07-20

【产品】20A、400V！N通道IGBT，应用于汽车点火系统

Littelfuse的NGD8201A 系列新产品是一款N沟道的绝缘栅双极晶体管，其配有集成ESD与过压箝位保护装置的单片电路，这使它可用于感应线圈驱动器应用。其主要用途包括点火、直接燃油喷射或需要高压与高电流切换的应用。

新产品发布时间 : 2018-04-19

Empowering a sustainable, connected, and safer world

技术文档 - LITTELFUSE - 2023/3/7 PDF 英文下载

Littelfuse力特功率半导体及驱动产品介绍 | 功率器件专场世强硬创新产品研讨会

型号- IX_600,IX4351NE

商品及供应商介绍 - LITTELFUSE - 2021.3.26 PDF 中文下载

Littelfuse（力特）收购安森美半导体TO263/TO252封装点火IGBT产品线的通知（LFIGNITION_01）

描述- Acquired ON Semiconductor TO263/TO252 Package PCN（LFIGNITION_01）

型号- NGD8201TH,NGB15N41ACLT4G,LGD8205ATI,NGB8245NT4G,NGB8207BNT4G,LGB8207BTH,LGD18N40ATH,LGD8201ATI,NGB18N40ACLBT4G,XGB8206ARI,LGB18N40ATH,XGB8206ATI,NGB8206ANSL3G,LGD15N41ATI,LGB8207TH,NGB8204ANT4G,NGD18N40ACLBT4G,SGB8206ANT4G,NGD18N45CLBT4G,LGB8245TI,NGB8206ANTF4G,SGD8290NT4G,SGB8206ANSL3G,NGD8209NT4G,NGD15N41ACLT4G,NGD8201BNT4G,NGD8205ANT4G,NGB8206ANT4G,LGS8206AUI,SGB8206ANTF4G,LGB8206ATI,LGD18N45TH,LGB15N41ATI,NGD8201ANT4G,XGD8290TI,LGB8202ATI,LGB8206ARI,LGB8204ATI,LGD8209TI,NGB8202ANT4G,LGB8202ARI,NGB8202ANTF4G,XGS8206AUI

产品变更通知及停产信息 - LITTELFUSE - 2019年12月3日 RAR 英文下载

Change of Inner-Box Packing Label for IGNITION IGBTs (LFPCNIGBT2023-002)

型号- XGB8206AI,LGD8201TH,LGD8205ATI,LGD18N40ATH,LGD18N45TH,LGB15N41ATI,LGD8201ATI,LGB8202ATI,LGB8204ATH,LGB18N40ATH,XGS8206AUI,LGD15N41ATI,LGB8207TH,XGD8201CTI,LGB8245TI

产品变更通知及停产信息 - LITTELFUSE - April 24 , 2023 PDF 英文下载

【PCN】Littelfuse The TO263 & TO252 Ignition IGBTs transfer from ON Semiconductor facilities to Littelfuse' s Product Change Notification

型号- NGD8201TH,NGB15N41ACLT4G,NGB8245NT4G,LGD8205ATI,NGB8207BNT4G,LGB8207BTH,LGD18N40ATH,NGB18N40ACLBT4G,LGD8201ATI,XGB8206ARI,LGB18N40ATH,XGB8206ATI,NGB8206ANSL3G,LGD15N41ATI,LGB8207TH,NGB8204ANT4G,NGD18N40ACLBT4G,SGB8206ANT4G,NGD18N45CLBT4G,LGB8245TI,NGB8206ANTF4G,SGD8290NT4G,SGB8206ANSL3G,NGD8209NT4G,NGD15N41ACLT4G,NGD8201BNT4G,NGD8205ANT4G,NGB8206ANT4G,SGB8206ANTF4G,LGS8206AUI,LGB8206ATI,LGD18N45TH,LGB15N41ATI,NGD8201ANT4G,XGD8290TI,LGB8202ATI,LGB8206ARI,NGB8202ANT4G,LGB8204ATI,LGD8209TI,LGB8202ARI,NGB8202ANTF4G,XGS8206AUI

产品变更通知及停产信息 - LITTELFUSE - 3nd of December 2019 RAR 英文下载

PTN2022-01: Product Termination Notice (PTN) for Littelfuse Ignition IGBT

型号- LGS8206AUI,LGD8201TH,LGD8205ATI,LGB8206ATI,LGB8206AUI,LGD18N40ATH,LGB8207ATH,LGB15N41ATI,LGD18N45TH,XGD8290TI,XGB8206ARI,LGD8201ATI,LGB8202ATI,LGB8204ATH,LGB8206ARI,LGD8209TI,LGB8202ARI,LGB18N40ATH,XGB8206ATI,XGS8206AUI,LGB8207TH,LGD15N41ATI,XGD8201CTI,LGB8245TI

产品变更通知及停产信息 - LITTELFUSE - January 10, 2022 PDF 英文下载