IGBT-汽車點(diǎn)火系統(tǒng)中的佼佼者

新一代點(diǎn)火系統(tǒng)IGBT為火花塞系統(tǒng)的線圈度身定制，正快速成為主流點(diǎn)火拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。幾何學(xué)和摻雜分布圖的進(jìn)步可使電路小片和封裝的尺寸更小型化，且無(wú)需犧牲最重要的閂鎖電阻和雪崩能量容量的穩(wěn)健性。

如今，IGBT的產(chǎn)品已經(jīng)具備高值保護(hù)性和適應(yīng)特性，如有源鉗位、ESD保護(hù)、邏輯電平柵極閾值和柵極電阻網(wǎng)絡(luò)。從中期而言，附加的功能會(huì)被集成到IGBT芯片中，或作為單獨(dú)的控制器芯片在多芯片理念中實(shí)現(xiàn)，這些功能包括溫度過(guò)高檢測(cè)/關(guān)閉、電流檢測(cè)/限制、看門狗定時(shí)器、無(wú)火花關(guān)閉和離子檢測(cè)接口。每個(gè)柱體單線圈(筆形線圈)理念可以完全利用已證明有效驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵性能和減低成本的優(yōu)點(diǎn)：機(jī)電一體化和模塊化。

對(duì)于早期的機(jī)械觸點(diǎn)斷路器和通過(guò)無(wú)分布器晶體管點(diǎn)火的機(jī)械高壓分布帽點(diǎn)火，以及后來(lái)的雙火花線圈(沿用至今)到現(xiàn)在的塞上線圈解決方案來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)艱難的長(zhǎng)期演進(jìn)過(guò)程。“塞上的無(wú)源線圈”只在火花塞接頭上集成線圈，而開關(guān)和預(yù)驅(qū)動(dòng)器(每個(gè)柱體一個(gè))位于引擎控制模塊(ECU)或ECU和線圈之間的獨(dú)立盒中。對(duì)于是否允許開關(guān)位于ECU模塊以內(nèi)，各個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)的供應(yīng)商有不同的內(nèi)部規(guī)定。

圖1：感應(yīng)點(diǎn)火的基本電路

汽車點(diǎn)火原理

“塞上的有源線圈”包含擴(kuò)展式火花塞接頭上的線圈、預(yù)驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)，每個(gè)柱體有一個(gè)。它們到ECU的筆形線圈只需要4個(gè)低壓連接，因此點(diǎn)火系統(tǒng)具備更多功能提供了極高的模塊化、機(jī)電一體化和靈活性，從而能實(shí)現(xiàn)汽車制造商所期望的真正的“即插即點(diǎn)”。

這一原理是在變壓器的初級(jí)側(cè)產(chǎn)生一個(gè)等于LdI/dt的電壓，然后變?yōu)榇渭?jí)線圈的火花電壓。圖1所示的是某個(gè)柱體的典型筆形線圈電路。只要來(lái)自ECU的觸發(fā)脈沖的上升沿超過(guò)了IGBT的閾值電壓，電路即打開。初級(jí)線圈中的電流根據(jù)下式斜升：

dICC/dt=-Vbat/Lcoilexp(t/()，其中(=Rcoil/Lcoil

實(shí)際上，Lcoil的范圍是1～3mH，Rcoil的范圍是300～700m(，結(jié)果將得到5-10A/ms的初級(jí)電流斜升。在正常工作情況下，線圈充電時(shí)間取決于應(yīng)用-為1～3ms，且關(guān)閉之前的初級(jí)電流峰值范圍是7～15A。

當(dāng)IGBT被觸發(fā)信號(hào)的下降沿關(guān)閉，線圈軸釋放。初級(jí)線圈中的感生電壓(-LdI/dt)會(huì)強(qiáng)制IGBT進(jìn)入雪崩導(dǎo)通。當(dāng)達(dá)到柵極－集電極有源鉗位二極管的反擊電壓(VBRR，350～450V，為安全電壓，位于C-E結(jié)構(gòu)的雪崩擊穿電壓以下)時(shí)，IGBT打開，而且反饋能量均勻可靠地分布在IGBT的整個(gè)有源區(qū)域中。同時(shí)，在次級(jí)線圈中產(chǎn)生需要的火花電壓(40kV左右)，其數(shù)值由變壓器匝數(shù)比確定(一般為1:100到1:150)。基本的波形如圖3所示。

初級(jí)電流開關(guān)的選擇

雙極型達(dá)林頓晶體管依然用于初級(jí)電流的開關(guān)，盡管使用量已大大減少。幾乎所有新點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中都使用IGBT。IGBT是在19年前由Frank Wheatly在前RCA發(fā)明的，結(jié)合了雙極型和分離柵極晶體管的優(yōu)點(diǎn)，并在特定的電壓/開關(guān)速度域中具明顯優(yōu)勢(shì)。表1中詳細(xì)比較了點(diǎn)火應(yīng)用理念中的達(dá)林頓管和IGBT。

點(diǎn)火IGBT的主要電氣參數(shù)

IGBT非常適用于點(diǎn)火開關(guān)，并需要低開關(guān)速度的大量脈沖正向電流和雪崩能量能力。比如，根據(jù)fmax=nmax/120，用于四沖程引擎的筆形線圈必須在低于100Hz的頻率下點(diǎn)火。因此，至少在今天的單周期單火花系統(tǒng)中，開關(guān)速度對(duì)系統(tǒng)的影響不大。即使是在高達(dá)每周期64個(gè)火花的惡劣條件下，采用IGBT也可輕松用于改良引擎啟動(dòng)的多火花系統(tǒng)。

初級(jí)開關(guān)主要要求低Vceon(Iceon)的正向特性。在正常工作中，能量主要在初級(jí)線圈充電時(shí)耗散，值為Eon(t)=(Ic(t)Vceon (IC)dt。該能量與有效的Rthj-a、最大本地環(huán)境溫度(目前對(duì)筆形線圈來(lái)說(shuō)，大約為130°C)共同決定平均結(jié)溫。假設(shè)有一個(gè)小溫度紋波，其值由電路小片熱量決定，而且部分由Rthj-c和封裝標(biāo)簽的熱量共同決定。

低Vceon的第二個(gè)驅(qū)動(dòng)力是12V電池在零下40°C時(shí)冷啟動(dòng)的低往復(fù)電壓，它最低會(huì)降到6V。因?yàn)槌跫?jí)線圈的峰值電壓可以表示為Ipeak=(Vbat-Vceon)/ Rcoil，所以最低的Vceon值是確定的。當(dāng)然，這可以通過(guò)有源元件區(qū)域的陡峭上升獲得，但是對(duì)于汽車業(yè)普遍推進(jìn)的減低成本計(jì)劃來(lái)說(shuō)卻有反作用。

安森美半導(dǎo)體的新型第三代點(diǎn)火IGBT、尤其是第四代的點(diǎn)火IGBT，改進(jìn)了側(cè)面特性尺寸和垂直摻雜分布圖，以補(bǔ)償明顯減小的電路小片面積。此外，在Ic增加時(shí)，Vceon的溫度系數(shù)從負(fù)值優(yōu)化為稍偏正值，改進(jìn)臨界低溫工作。

另一個(gè)主要參數(shù)是閾值電壓。它必須低到可使5V驅(qū)動(dòng)MCU提供的輸出電壓完全導(dǎo)通(VOUT下降到3.7V)。另一方面，柵極氧化物必須能夠承受12V網(wǎng)和柵極短路時(shí)潛在的故障模式。新一代的IGBT已經(jīng)優(yōu)化了VGE的傳輸特性，為相同的Ic 電平降低了大約400mV，并可確保邏輯控制信號(hào)電平時(shí)的完全飽和。

主要的可靠性參數(shù)

點(diǎn)火應(yīng)用的可靠性是最重要的，盡管因?yàn)槠鋬?nèi)在的冗余性，如有一個(gè)筆形線圈發(fā)生故障，并不會(huì)危及壽命。鑒于它們是和柱體模塊緊密接觸的，筆形線圈的環(huán)境十分嚴(yán)格：環(huán)境溫度最高為140°C，功耗路徑有限，持續(xù)震動(dòng)。此外還有來(lái)自正向脈沖工作和反向有源鉗位的周期性電應(yīng)力。雖然數(shù)據(jù)表清楚地列出了Tj最大值為175°C，但眾所周知，特定的工作條件已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這一限制。未指定的短期溫度偏移高達(dá)250°C，而且在一個(gè)點(diǎn)火IGBT的使用壽命中，可能發(fā)生的溫度偏移會(huì)更大。

但是，現(xiàn)場(chǎng)故障率必須保持在幾個(gè)ppm的范圍內(nèi)。穩(wěn)健性可以通過(guò)幾個(gè)SOA(安全工作區(qū)域)額定值進(jìn)行規(guī)定，以一種復(fù)雜、互動(dòng)的方式由不同的參數(shù)確定：P-tub摻雜分布圖，MOSFET幾何尺寸，N層中的載流子壽命，NPN/PNP結(jié)構(gòu)的hfe等，不一而足。

正向偏置的SOA被高電流引起的故障模式所限制，其中NPN結(jié)構(gòu)上P-tub偏置中過(guò)量的主載流子會(huì)造成“寄生”NPNP半導(dǎo)體閘流管的閂鎖，在設(shè)計(jì)時(shí)可避免這一效應(yīng)的產(chǎn)生，但仍然可能在局部區(qū)域內(nèi)由點(diǎn)缺陷(point defect)引起。從根本上杜絕這一效應(yīng)的方法是通過(guò)連續(xù)改進(jìn)項(xiàng)目來(lái)消除晶圓生產(chǎn)中的缺陷密度。用大大超過(guò)額定值的連續(xù)電流在最終測(cè)試時(shí)進(jìn)行脈沖測(cè)試可確保質(zhì)量。

反向偏置的SOA受到N層電場(chǎng)持續(xù)性的限制，在切換到反向條件中時(shí)，MOSFET電子流快速關(guān)閉，使N層充滿少子，從而可有效降低雪崩擊穿電壓的可能性。

另一個(gè)在點(diǎn)火應(yīng)用中常見的SOA是UIS(自鉗制電感性開關(guān))。開路次級(jí)(如開路火花塞連接)會(huì)把100%的次級(jí)能量(減去線圈損耗)反射回IGBT。數(shù)據(jù)表規(guī)定了“單脈沖集電極到發(fā)射極雪崩能量”。安森美半導(dǎo)體可根據(jù)芯片尺寸，保證在啟動(dòng)結(jié)溫為25/150°C時(shí)最大能量為500mJ/300mJ。典型值最少為它的兩倍。

即使最小的電路小片尺寸也能在所有額定溫度范圍中保持200mJ的UIS能量，最高溫度高達(dá)TJ =175°C。目前筆形線圈的實(shí)際要求為100～150mJ。

圖5顯示了第三代IGBT的UIS功能，它具有更平緩的溫度依賴性，可以通過(guò)細(xì)致的優(yōu)化改進(jìn)和晶圓制造參數(shù)的精密設(shè)計(jì)獲得。為了確保質(zhì)量，在最終測(cè)試中，每個(gè)部分需進(jìn)行2次峰值電流為26A的UIS測(cè)試，以便排除任何潛在的損壞部分。并記錄測(cè)試中的故障，作為可靠性監(jiān)視。

穩(wěn)健性還意味著承受主要發(fā)生在板流水線前的ESD事件。ESD損害可以是立即發(fā)生的，會(huì)導(dǎo)致大量可檢測(cè)的柵極漏電。但是更危險(xiǎn)的是由ESD引起的柵極電介質(zhì)的潛在損害，這會(huì)引起較低過(guò)壓電平下的現(xiàn)場(chǎng)故障。有了柵極到發(fā)射極的背靠背多晶硅，就可以確保符合人體/機(jī)器模型的8kV/800V ESD保護(hù)。

增強(qiáng)型無(wú)故障操作可提供集成的VGE下拉電阻，防止IGBT在沒(méi)有控制信號(hào)連接時(shí)意外打開。電阻可以進(jìn)行定制，以保護(hù)外部元件。

可以選擇集成一個(gè)串聯(lián)柵極電阻，以限制出現(xiàn)過(guò)大的dVCE/dt，但在某些應(yīng)用中可能會(huì)引起瞬時(shí)電流和UIS故障。而且這種集成的Rg可避免非最優(yōu)預(yù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的負(fù)面作用，從而提供了柵極到地的低阻抗通路。Rg確保IGBT在鉗制條件下能安全地打開和關(guān)閉。

點(diǎn)火IGBT的發(fā)展趨勢(shì)

塞上線圈將成為近期發(fā)展的主流。高性能的系統(tǒng)會(huì)轉(zhuǎn)向匝數(shù)比在1:100左右的小型化線圈，并需要更高的初級(jí)電流(高達(dá)18A)和更高的鉗制電壓(400V左右)，以便提供燃料空氣混合物的高火花能量。滿足這些應(yīng)用的第三代器件NGX19N40，具有19A的連續(xù)電流和額定值為405V的鉗制電壓。它有TO-220 和D2PAK兩種封裝，都有0.9K/W的穩(wěn)態(tài)熱電阻結(jié)。最近，第四代(NGX820X系列)更進(jìn)一步改良，采用DPAK封裝的IGBT能獲得所需的功能和穩(wěn)健性，從而推動(dòng)了裝配技術(shù)的全新自由度，同時(shí)還減少板面積(達(dá)60%)和成本。

中期發(fā)展的趨勢(shì)尚未成形。對(duì)于不同的點(diǎn)火系統(tǒng)，差別很大。其共同的特點(diǎn)是功能 “智能性”的增強(qiáng)。但是在IGBT芯片中集成任何額外的電路都必須與已有元件兼容，并不會(huì)改變其優(yōu)化的IGBT結(jié)構(gòu)：大量N溝道FET和IGBT的N層(在源和地靠近的環(huán)境中，唯一可能的電路)、二極管和電阻(有不同的頁(yè)面阻抗和TC的P+和N+)共享主體。

已能輕易集成的功能有：帶有2個(gè)背靠背二極管的溫度感測(cè)，它可以為MCU提供和電路小片溫度成正比的壓降。與PowerFET原理相同的電流檢測(cè)：精確的幾何比例規(guī)定了小鏡像電流(主電流的0.3到1%)，可由集成的檢測(cè)電阻幾乎無(wú)損地對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，然后傳送到MCU。這兩種檢測(cè)功能的缺點(diǎn)是需要更多的連接，且不能使用高容量、高性價(jià)比的3端子電源封裝的重負(fù)荷。

要集成更復(fù)雜的功能是極具挑戰(zhàn)性的，或者根本不可能實(shí)現(xiàn)。這里，我們討論的功能包括溫度過(guò)高關(guān)閉、過(guò)流檢測(cè)/標(biāo)志/限制、可選的鉗制電壓、停留時(shí)間看守、故障模式中的斜升關(guān)閉、由42VPowerNet供電的未來(lái)點(diǎn)火軟打開等。有些要求相互矛盾，如硬OTSD和斜升關(guān)閉。而且顯然每種智能IGBT類型所匹配的應(yīng)用有限，因此就喪失了規(guī)模經(jīng)濟(jì)性。

總之，最佳的解決方案是采用一個(gè)優(yōu)化的、非智能IGBT和一個(gè)線性雙極性或LinCMOS智能預(yù)驅(qū)動(dòng)器，作為MCU和IGBT之間的接口來(lái)提供駐留保護(hù)和控制特性。