汽車點火系統(tǒng)中的智能IGBT設計案例

要產(chǎn)生火花，你所需的器件包括電源、電池、變壓器（即點火線圈），以及用于控制變壓器初級電流的開關。電子學教科書告訴我們V=Ldi/dt。因此，如果線圈初級繞組中的電流發(fā)生瞬間變化（即di/dt值很大），初級繞組上將產(chǎn)生高壓。如果該點火線圈的匝比為N，就能按該繞線匝數(shù)比放大原邊電壓。結果是次級上將產(chǎn)生10kV到20kV的電壓，橫跨火花塞間隙。一旦該電壓超過間隙周圍空氣的介電常數(shù)，將擊穿間隙而形成火花。該火花會點燃燃油與空氣的混合物，從而產(chǎn)生引擎工作所需的能量（圖1）。

　　除柴油機外，所有的內(nèi)燃機中都有一個基本電路（汽車點火系統(tǒng)）。用于點火線圈充電的開關元件已經(jīng)歷了很大演變：從單個機械開關、分電器中的多個斷電器觸點，到安裝在分電器中或單獨電子控制模塊中的高壓達林頓雙極晶體管，再到直接安裝在火花塞上點火線圈中的絕緣柵雙極性晶體管（IGBT），最后是直接安裝在火花塞上點火線圈中的智能IGBT。

　　圖1：汽車點火系統(tǒng)架構示意圖

　　IGBT的優(yōu)點

　　很多年前，IGBT就已成為點火應用中的開關。圖2所示為IGBT的剖面圖。較之于其它技術，IGBT有如下一些重要優(yōu)點：

　　1. 大電流下的飽和壓降低；

　　2. 易于構建出能處理高壓線圈（400~600V）的電路；

　　3. 簡化的MOS驅(qū)動能力；

　　4. 在線圈異常工作時能承受高能耗（SCIS額定范圍內(nèi)）。

　　圖2所示的點火IGBT示意圖包括了幾個額外的重要元素。集電極到柵極的雪崩二極管堆建立起“導通”電壓，當集電極被來自線圈的反激或尖峰脈沖強迫提升到該電壓時，IGBT將導通，此時IGBT會消耗其處于活動區(qū)時在線圈中積蓄的剩余能量（而不是將其用于產(chǎn)生火花）。采用這種雪崩“箝位”電路后，IGBT可限制箝位電壓，使其遠遠低于N型外延摻雜/P形基（N epi/P base）半導體的擊穿電壓，以確保其安全運行。這樣就能顯著提高點火IGBT對自箝位電感開關（SCIS）能量的承受能力。而這承受能力是一個額定指標，即點火線圈中的能量每次被釋放為火花時IGBT所吸收的能量。通過限制初級線圈上的電壓，點火線圈本身也得到過壓保護。

　　圖2：IGBT剖面圖

　　最新一代點火IGBT已能大大減小IGBT中的裸片面積，且仍保持出色的SCIS能力。這一進步正在催生多裸片智能IGBT產(chǎn)品。這類智能產(chǎn)品將高性能BCD IC技術與高性能功率分立元件IGBT相結合。智能IGBT線圈驅(qū)動電路的需求動因在于：功率開關的發(fā)展方向由外置的引擎控制模塊變?yōu)橹苯游挥谝嬷谢鸹ㄈ系狞c火線圈內(nèi)的構件。當點火線圈位于火花塞上，這種結構稱為“火花塞上線圈（coil on plug）”；當線圈驅(qū)動電路包括在線圈中，這種結構則稱為“線圈上開關（switch on coil）”。

　　“線圈上開關”的結構在系統(tǒng)性能、可靠性和成本方面具有顯著的優(yōu)勢。其部分優(yōu)點如下：

　　1. 無需高壓火花塞線；

　　2. 引擎控制模塊中不會產(chǎn)生熱；

　　3. 節(jié)省引擎控制模塊中的空間；

　　4. 可監(jiān)視實際的火花產(chǎn)生情況，從而改善引擎控制。

　　最后一項性能優(yōu)勢激發(fā)了對智能IGBT的需求。因此，汽車點火開關功能正在演化為智能器件，能夠監(jiān)視火花情況、采取限流措施保護線圈，還能向引擎控制系統(tǒng)傳遞引擎的點火狀態(tài)。

　　“線圈上開關”應用中的理想智能IGBT功能

　　1. 引擎控制模塊的信號接口

　　由引擎控制模塊驅(qū)動“線圈上開關”智能IGBT存在許多問題。引擎蓋下的電氣環(huán)境噪聲干擾很大。引擎控制模塊的信號接口不但需要應對這些噪聲，而且還得解決引擎控制模塊和線圈位置間數(shù)米長的連線的潛在問題。電氣噪聲可能來自EMI輻射信號噪聲，也可能是鄰近線路中大電流所導致的磁感應噪聲。

　　除上述噪聲問題外，引擎控制模塊的實際接地參考點與線圈或引擎所處的接地點存在數(shù)伏的壓差。因此，引擎控制模塊和智能點火線圈驅(qū)動電路間的定義接口必須能夠應對這些問題。

　　2. 保護點火線圈

　　圖3中的輸入信號命令IGBT開始向點火線圈充電。在正常情況下，線圈在停止充電并釋放火花時，電流將達到7~10A。然而在引擎處于低轉(zhuǎn)速，尤其是急減速或引擎控制時間內(nèi)發(fā)生錯誤時，如果輸入未切斷，IGBT便會使線圈充電電流超過額定值，從而可能造成線圈繞組損壞。

　　圖3：典型的點火波形

　　智能IGBT已采用好幾種電路設計，以防止點火線圈在這種情況下?lián)p壞。

　　第一種是限流電路，即用檢測電阻直接測量IGBT集電極電流，或用電流傳感IGBT來測量。圖4給出了這兩種電路。

　　圖4：限流電路

　　直接測量的優(yōu)點是能非常精確地測量線圈電流，但成本較高。串聯(lián)在發(fā)射極引線上的檢測電阻通過7~10A的線圈充電電流，會顯著增加功率開關的總壓降，而且會產(chǎn)生額外的能量耗散和發(fā)熱，這些都會給設計帶來麻煩。另一個負面效應是與IGBT串聯(lián)的電阻會降低線圈的充電速度，從而影響系統(tǒng)的時序。

　　電流傳感IGBT是這樣設計的；它在總電流中分出一小部分送到用于檢測IGBT集電極總電流的電流監(jiān)視電路中。這種IGBT消除了直接測量技術的那兩個問題，原因沒有額外的電阻串聯(lián)在IGBT的大電流通道上。但由于這種技術不再是直接測量發(fā)射極電流，設計時就得考慮一些額外的系統(tǒng)誤差，如分出的電流傳感比例隨溫度或總電流而波動。電流傳感IGBT中有一部分單元與其主IGBT部分相并聯(lián)，但卻接在單獨的發(fā)射極焊盤上。因此，總集電極電流中有一部分將流經(jīng)IGBT的這個傳感部分（或者說控制部分）?？偧姌O電流中流經(jīng)該控制部分的電流比例，主要取決于該控制區(qū)域的分流單元與IGBT中剩余活動區(qū)域單元的比例。不過，若控制部分和主活動區(qū)域的工作條件存在任何差異，都將影響這個電流比例，從而影響電流傳感的精度。尤其令人擔心的是如何保持IGBT的主體部分和控制部分的發(fā)射極具有相同的電位。任何壓差的出現(xiàn)都會直接改變該部分的柵極至發(fā)射極電壓。

　　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IGBT本身還是處于能量耗散極高的狀態(tài)，而且不可能長時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。當安裝在點火線圈中時，IGBT對周圍的熱阻可高達60~70oC/W，因為線圈中缺乏良好的散熱通道。因此，結溫Tj=Ta+Pd×Rth（ja），在這種條件下，任何半導體器件的結溫都會迅速超過可接受的結溫限制。

　　解決上述問題的一個方案是在智能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間后將IGBT關斷，以防止IGBT過熱。

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

　　智能IGBT便能解決這個問題，即增加稱為“軟關斷”的功能。軟關斷電路會在最大暫停時間達到設定值時生效。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)設定的時刻外發(fā)生點火事件。

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

　　上述這些建議僅僅是點火開關置于點火線圈內(nèi)時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火功能和特點差別很大；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”技術，因為該技術在成本和性能方面都有優(yōu)勢。

　　智能IGBT的多裸片封裝技術

　　通過采用多裸片封裝技術，可以將這些添加的點火功能與IGBT最佳地結合在一起。汽車環(huán)境（尤其是點火環(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的設計和工藝重點可以集中在IGBT的一些關鍵參數(shù)上，如SCIS和Vce（on）；而對控制IC則可在高性能模擬功能方面進行優(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。這些產(chǎn)品采用最新的EcoSpark IGBT技術，具有業(yè)界最高水平的單位面積SCIS能力，同時其Vce（on）極低。采用高性能的模擬BICMOS控制裸片，就可將整個智能點火線圈驅(qū)動電路納入單個封裝中。

　　圖5：多裸片智能點火設計

　　控制裸片和IGBT結合在多引腳的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?？刂坡闫媒^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。

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