汽車(chē)點(diǎn)火系統中的智能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(diǎn)火線(xiàn)圈），以及用于控制變壓器初級電流的開(kāi)關(guān)。電子學(xué)教科書(shū)告訴我們V=Ldi/dt。因此，如果線(xiàn)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(diǎn)火線(xiàn)圈的匝比為N，就能按該繞線(xiàn)匝數比放大原邊電壓。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(guò)間隙周?chē)諝獾慕殡姵?，將擊穿間隙而形成火花。該火花會(huì )點(diǎn)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，所有的內燃機中都有一個(gè)基本電路（汽車(chē)點(diǎn)火系統）。用于點(diǎn)火線(xiàn)圈充電的開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變：從單個(gè)機械開(kāi)關(guān)、分電器中的多個(gè)斷電器觸點(diǎn)，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(diǎn)火線(xiàn)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(diǎn)火線(xiàn)圈中的智能IGBT。

　　圖1：汽車(chē)點(diǎn)火系統架構示意圖

　　IGBT的優(yōu)點(diǎn)

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

　　1. 大電流下的飽和壓降低；

　　2. 易于構建出能處理高壓線(xiàn)圈（400~600V）的電路；

　　3. 簡(jiǎn)化的MOS驅動(dòng)能力；

　　4. 在線(xiàn)圈異常工作時(shí)能承受高能耗（SCIS額定范圍內）。

　　圖2所示的點(diǎn)火IGBT示意圖包括了幾個(gè)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(lái)自線(xiàn)圈的反激或尖峰脈沖強迫提升到該電壓時(shí)，IGBT將導通，此時(shí)IGBT會(huì )消耗其處于活動(dòng)區時(shí)在線(xiàn)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(zhù)提高點(diǎn)火IGBT對自箝位電感開(kāi)關(guān)（SCIS）能量的承受能力。而這承受能力是一個(gè)額定指標，即點(diǎn)火線(xiàn)圈中的能量每次被釋放為火花時(shí)IGBT所吸收的能量。通過(guò)限制初級線(xiàn)圈上的電壓，點(diǎn)火線(xiàn)圈本身也得到過(guò)壓保護。

　　圖2：IGBT剖面圖

　　最新一代點(diǎn)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(jìn)步正在催生多裸片智能IGBT產(chǎn)品。這類(lèi)智能產(chǎn)品將高性能BCD IC技術(shù)與高性能功率分立元件IGBT相結合。智能IGBT線(xiàn)圈驅動(dòng)電路的需求動(dòng)因在于：功率開(kāi)關(guān)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(diǎn)火線(xiàn)圈內的構件。當點(diǎn)火線(xiàn)圈位于火花塞上，這種結構稱(chēng)為“火花塞上線(xiàn)圈（coil on plug）”；當線(xiàn)圈驅動(dòng)電路包括在線(xiàn)圈中，這種結構則稱(chēng)為“線(xiàn)圈上開(kāi)關(guān)（switch on coil）”。

　　“線(xiàn)圈上開(kāi)關(guān)”的結構在系統性能、可靠性和成本方面具有顯著(zhù)的優(yōu)勢。其部分優(yōu)點(diǎn)如下：

　　1. 無(wú)需高壓火花塞線(xiàn)；

　　2. 引擎控制模塊中不會(huì )產(chǎn)生熱；

　　3. 節省引擎控制模塊中的空間；

　　4. 可監視實(shí)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(chē)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)功能正在演化為智能器件，能夠監視火花情況、采取限流措施保護線(xiàn)圈，還能向引擎控制系統傳遞引擎的點(diǎn)火狀態(tài)。

　　“線(xiàn)圈上開(kāi)關(guān)”應用中的理想智能IGBT功能

　　1. 引擎控制模塊的信號接口

　　由引擎控制模塊驅動(dòng)“線(xiàn)圈上開(kāi)關(guān)”智能IGBT存在許多問(wèn)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(xiàn)圈位置間數米長(cháng)的連線(xiàn)的潛在問(wèn)題。電氣噪聲可能來(lái)自EMI輻射信號噪聲，也可能是鄰近線(xiàn)路中大電流所導致的磁感應噪聲。

　　除上述噪聲問(wèn)題外，引擎控制模塊的實(shí)際接地參考點(diǎn)與線(xiàn)圈或引擎所處的接地點(diǎn)存在數伏的壓差。因此，引擎控制模塊和智能點(diǎn)火線(xiàn)圈驅動(dòng)電路間的定義接口必須能夠應對這些問(wèn)題。

　　2. 保護點(diǎn)火線(xiàn)圈

　　圖3中的輸入信號命令I(lǐng)GBT開(kāi)始向點(diǎn)火線(xiàn)圈充電。在正常情況下，線(xiàn)圈在停止充電并釋放火花時(shí)，電流將達到7~10A。然而在引擎處于低轉速，尤其是急減速或引擎控制時(shí)間內發(fā)生錯誤時(shí)，如果輸入未切斷，IGBT便會(huì )使線(xiàn)圈充電電流超過(guò)額定值，從而可能造成線(xiàn)圈繞組損壞。

　　圖3：典型的點(diǎn)火波形

　　智能IGBT已采用好幾種電路設計，以防止點(diǎn)火線(xiàn)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(lái)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(diǎn)是能非常精確地測量線(xiàn)圈電流，但成本較高。串聯(lián)在發(fā)射極引線(xiàn)上的檢測電阻通過(guò)7~10A的線(xiàn)圈充電電流，會(huì )顯著(zhù)增加功率開(kāi)關(guān)的總壓降，而且會(huì )產(chǎn)生額外的能量耗散和發(fā)熱，這些都會(huì )給設計帶來(lái)麻煩。另一個(gè)負面效應是與IGBT串聯(lián)的電阻會(huì )降低線(xiàn)圈的充電速度，從而影響系統的時(shí)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視電路中。這種IGBT消除了直接測量技術(shù)的那兩個(gè)問(wèn)題，原因沒(méi)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(shù)不再是直接測量發(fā)射極電流，設計時(shí)就得考慮一些額外的系統誤差，如分出的電流傳感比例隨溫度或總電流而波動(dòng)。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(pán)上。因此，總集電極電流中有一部分將流經(jīng)IGBT的這個(gè)傳感部分（或者說(shuō)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域的分流單元與IGBT中剩余活動(dòng)區域單元的比例。不過(guò)，若控制部分和主活動(dòng)區域的工作條件存在任何差異，都將影響這個(gè)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。任何壓差的出現都會(huì )直接改變該部分的柵極至發(fā)射極電壓。

　　一旦IGBT限制了線(xiàn)圈充電電流，線(xiàn)圈的過(guò)流問(wèn)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(cháng)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。當安裝在點(diǎn)火線(xiàn)圈中時(shí)，IGBT對周?chē)臒嶙杩筛哌_60~70oC/W，因為線(xiàn)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(huì )迅速超過(guò)可接受的結溫限制。

　　解決上述問(wèn)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(xiàn)圈充電一定時(shí)間后將IGBT關(guān)斷，以防止IGBT過(guò)熱。

　　類(lèi)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(shí)間一超過(guò)預設限度時(shí)，就不加以區分地點(diǎn)火。通常，最大暫停電路不受引擎管理系統的控制，它的運作取決于IGBT何時(shí)開(kāi)始對點(diǎn)火線(xiàn)圈充電。這樣就有可能在不恰當的活塞位置進(jìn)行點(diǎn)火，從而損壞引擎。

　　智能IGBT便能解決這個(gè)問(wèn)題，即增加稱(chēng)為“軟關(guān)斷”的功能。軟關(guān)斷電路會(huì )在最大暫停時(shí)間達到設定值時(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(xiàn)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設定的時(shí)刻外發(fā)生點(diǎn)火事件。

　　智能IGBT還能監視點(diǎn)火線(xiàn)圈的次級電壓，從而獲得有關(guān)火花質(zhì)量的信息。次級線(xiàn)圈電壓會(huì )通過(guò)線(xiàn)圈的繞線(xiàn)圈數比反映到初級繞組上。而這個(gè)信息可被捕捉，并被傳送回引擎管理系統，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(kāi)關(guān)置于點(diǎn)火線(xiàn)圈內時(shí)帶來(lái)各種功能中的一小部分。不同引擎控制廠(chǎng)家采用的具體點(diǎn)火功能和特點(diǎn)差別很大；但許多新興的系統開(kāi)發(fā)所反映的總體趨勢是采用“線(xiàn)圈上開(kāi)關(guān)”技術(shù)，因為該技術(shù)在成本和性能方面都有優(yōu)勢。

　　智能IGBT的多裸片封裝技術(shù)

　　通過(guò)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最佳地結合在一起。汽車(chē)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(kāi)來(lái)，就能提高各器件的抗噪能力和減少溫度誘發(fā)的種種問(wèn)題。IGBT的設計和工藝重點(diǎn)可以集中在IGBT的一些關(guān)鍵參數上，如SCIS和Vce（on）；而對控制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(kāi)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(xiàn)圈驅動(dòng)電路納入單個(gè)封裝中。

　　圖5：多裸片智能點(diǎn)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(gè)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(diǎn)火線(xiàn)圈內的小模塊中。圖6給出了這種