智能IGBT在汽車點(diǎn)火系統(tǒng)中的應(yīng)用

一旦IGBT限制了線圈充電電流，線圈的過流問題就得以解決。然而，此時(shí)IGBT本身還是處于能量耗散極高的狀態(tài)，而且不可能長時(shí)間處于這種條件下而不損壞IGBT。在限流條件下，IGBT中的功率將攀升到60W到100W。當(dāng)安裝在點(diǎn)火線圈中時(shí)，IGBT對(duì)周圍的熱阻可高達(dá)60~70oC/W，因?yàn)榫€圈中缺乏良好的散熱通道。因此，結(jié)溫Tj=Ta+Pd×Rth(ja)，在這種條件下，任何半導(dǎo)體器件的結(jié)溫都會(huì)迅速超過可接受的結(jié)溫限制。

解決上述問題的一個(gè)方案是在智能IGBT中添加“最大暫停(Maximum Dwell)”電路。這種電路提供暫停功能，可在線圈充電一定時(shí)間后將IGBT關(guān)斷，以防止IGBT過熱。

類似于限流電路，最大暫停電路也能保護(hù)IGBT，但卻有負(fù)面作用。有可能在最大暫停電路接管時(shí)間一超過預(yù)設(shè)限度時(shí)，就不加以區(qū)分地點(diǎn)火。通常，最大暫停電路不受引擎管理系統(tǒng)的控制，它的運(yùn)作取決于IGBT何時(shí)開始對(duì)點(diǎn)火線圈充電。這樣就有可能在不恰當(dāng)?shù)幕钊恢眠M(jìn)行點(diǎn)火，從而損壞引擎。

智能IGBT便能解決這個(gè)問題，即增加稱為“軟關(guān)斷”的功能。軟關(guān)斷電路會(huì)在最大暫停時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)生效。它控制IGBT，使其電流緩減，而不是立即中斷。由于集電極電流始終采用緩減方式，線圈中產(chǎn)生的電壓就能保持在低水平，從而防止在引擎管理系統(tǒng)設(shè)定的時(shí)刻外發(fā)生點(diǎn)火事件。

智能IGBT還能監(jiān)視點(diǎn)火線圈的次級(jí)電壓，從而獲得有關(guān)火花質(zhì)量的信息。次級(jí)線圈電壓會(huì)通過線圈的繞線圈數(shù)比反映到初級(jí)繞組上。而這個(gè)信息可被捕捉，并被傳送回引擎管理系統(tǒng)，用于優(yōu)化引擎性能，進(jìn)而提高功率或降低排放。

上述這些建議僅僅是點(diǎn)火開關(guān)置于點(diǎn)火線圈內(nèi)時(shí)帶來各種功能中的一小部分。不同引擎控制廠家采用的具體點(diǎn)火功能和特點(diǎn)差別很大；但許多新興的系統(tǒng)開發(fā)所反映的總體趨勢是采用“線圈上開關(guān)”技術(shù)，因?yàn)樵摷夹g(shù)在成本和性能方面都有優(yōu)勢。

通過采用多裸片封裝技術(shù)，可以將這些添加的點(diǎn)火功能與IGBT最佳地結(jié)合在一起。汽車環(huán)境(尤其是點(diǎn)火環(huán)境)通常的溫度都很高、噪聲干擾極大。將IGBT和控制電路物理地隔離開來，就能提高各器件的抗噪能力和減少溫度誘發(fā)的種種問題。IGBT的設(shè)計(jì)和工藝重點(diǎn)可以集中在IGBT的一些關(guān)鍵參數(shù)上，如SCIS和Vce(on)；而對(duì)控制IC則可在高性能模擬功能方面進(jìn)行優(yōu)化。

圖5給出了幾種正在開發(fā)中的智能IGBT，都采用了多裸片封裝技術(shù)。這些產(chǎn)品采用最新的EcoSpark IGBT技術(shù)，具有業(yè)界最高水平的單位面積SCIS能力，同時(shí)其Vce(on)極低。采用高性能的模擬BICMOS控制裸片，就可將整個(gè)智能點(diǎn)火線圈驅(qū)動(dòng)電路納入單個(gè)封裝中。

圖5：多裸片智能點(diǎn)火設(shè)計(jì)

控制裸片和IGBT結(jié)合在多引腳的TO-220或TO-263封裝中。IGBT焊接在封裝件的管座(header)上，以最大限度降低IGBT與封裝件間的電阻和熱阻。控制裸片用絕緣的聚酰亞胺材料粘貼在同一管座上，使其與IGBT的高壓集電極隔離。

另一個(gè)可選擇的構(gòu)造是將IGBT和控制裸片以及其它所需的外接部件，安裝在可放入點(diǎn)火線圈內(nèi)的小模塊中。圖6給出了這種構(gòu)造的幾個(gè)例子。

圖6：在印刷電路板上開發(fā)的智能點(diǎn)火系統(tǒng)

無論采用什么樣的構(gòu)造，有一點(diǎn)很清楚：點(diǎn)火功率開關(guān)和控制/監(jiān)視智能化均逐漸納入點(diǎn)火線圈中。開發(fā)這些新的智能點(diǎn)火裝置存在很多困難：

高壓、大電流功率開關(guān)與低功率模擬控制電路需要緊靠在一起；

高的工作溫度；

可能存在損壞電池的各種瞬態(tài)現(xiàn)象；

更高性能的模擬功能；

小尺寸；

散熱條件差，但功率耗散大。

若從安裝在汽車分電器中的機(jī)械觸點(diǎn)技術(shù)算起，點(diǎn)火系統(tǒng)經(jīng)已走過一段很長的發(fā)展歷程。今天，這些機(jī)械觸點(diǎn)和分電器已經(jīng)退位。控制線圈中電流的IGBT開關(guān)已不僅僅是一個(gè)開關(guān)，而是與引擎管理系統(tǒng)其余部分集成在一起的控制元件。線圈開關(guān)中需要包含的功能將變得越來越多，例如為改善燃油燃燒而開發(fā)出多火花系統(tǒng)，以及為了監(jiān)視燃燒質(zhì)量而添加次級(jí)(火花塞)電流監(jiān)視功能。

最新的點(diǎn)火IGBT、混合信號(hào)IC及封裝技術(shù)，使“線圈上開關(guān)”技術(shù)所允許的種種系統(tǒng)優(yōu)勢得以實(shí)現(xiàn)。因此，下次當(dāng)你加油提速時(shí)，可能不會(huì)想到令引擎工作的火花，但智能點(diǎn)火IGBT正默默地在努力工作，將你帶到想去的地方。