智能IGBT在汽車點(diǎn)火系統(tǒng)中的應(yīng)用

要產(chǎn)生火花，你所需的器件包括電源、電池、變壓器(即點(diǎn)火線圈)，以及用于控制變壓器初級電流的開關(guān)。電子學(xué)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(diǎn)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(jié)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(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(jī)外，所有的內(nèi)燃機(jī)中都有一個(gè)基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電的開關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變：從單個(gè)機(jī)械開關(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(dú)電子控制模塊中的高壓達(dá)林頓雙極晶體管，再到直接安裝在火花塞上點(diǎn)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(diǎn)火線圈中的智能IGBT。

很多年前，IGBT就已成為點(diǎn)火應(yīng)用中的開關(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)：

大電流下的飽和壓降低；

易于構(gòu)建出能處理高壓線圈(400~600V)的電路；

簡化的MOS驅(qū)動能力；

在線圈異常工作時(shí)能承受高能耗(SCIS額定范圍內(nèi))。

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(dǎo)通”電壓，當(dāng)集電極被來自線圈的反激或尖峰脈沖強(qiáng)迫提升到該電壓時(shí)，IGBT將導(dǎo)通，此時(shí)IGBT會消耗其處于活動區(qū)時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于N型外延摻雜/P形基(N epi/P base)半導(dǎo)體的擊穿電壓，以確保其安全運(yùn)行。這樣就能顯著提高點(diǎn)火IGBT對自箝位電感開關(guān)(SCIS)能量的承受能力。而這承受能力是一個(gè)額定指標(biāo)，即點(diǎn)火線圈中的能量每次被釋放為火花時(shí)IGBT所吸收的能量。通過限制初級線圈上的電壓，點(diǎn)火線圈本身也得到過壓保護(hù)。

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(jié)合。智能IGBT線圈驅(qū)動電路的需求動因在于：功率開關(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)火線圈內(nèi)的構(gòu)件。當(dāng)點(diǎn)火線圈位于火花塞上，這種結(jié)構(gòu)稱為“火花塞上線圈(coil on plug)”；當(dāng)線圈驅(qū)動電路包括在線圈中，這種結(jié)構(gòu)則稱為“線圈上開關(guān)(switch on coil)”。

“線圈上開關(guān)”的結(jié)構(gòu)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(diǎn)如下：

無需高壓火花塞線；

引擎控制模塊中不會產(chǎn)生熱；

節(jié)省引擎控制模塊中的空間；

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

最后一項(xiàng)性能優(yōu)勢激發(fā)了對智能IGBT的需求。因此，汽車點(diǎn)火開關(guān)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(hù)線圈，還能向引擎控制系統(tǒng)傳遞引擎的點(diǎn)火狀態(tài)。

圖1：汽車點(diǎn)火系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖2：IGBT剖面圖

“線圈上開關(guān)”應(yīng)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(guān)”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(yīng)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(dǎo)致的磁感應(yīng)噪聲。

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

2. 保護(hù)點(diǎn)火線圈。

圖3中的輸入信號命令I(lǐng)GBT開始向點(diǎn)火線圈充電。在正常情況下，線圈在停止充電并釋放火花時(shí)，電流將達(dá)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(shí)間內(nèi)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，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(diǎn)火波形

智能IGBT已采用好幾種電路設(shè)計(jì)，以防止點(diǎn)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(diǎn)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(guān)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(shè)計(jì)帶來麻煩。另一個(gè)負(fù)面效應(yīng)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(shí)序。

電流傳感IGBT是這樣設(shè)計(jì)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(shù)的那兩個(gè)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(shù)不再是直接測量發(fā)射極電流，設(shè)計(jì)時(shí)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(dú)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(gè)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(gè)電流比例，從而影響電流傳感的精度。尤其令人擔(dān)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(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)火線圈的次級電壓，從而獲得有關(guān)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(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?？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(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?？刂凭€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(火花塞)電流監(jiān)視功能。

最新的點(diǎn)火IGBT、混合信號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。