IGBT-汽車點(diǎn)火系統(tǒng)中的佼佼者
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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高檢測/關(guān)閉、電流檢測/限制、看門狗定時(shí)器、無火花關(guān)閉和離子檢測接口。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)斷路器和通過無分布器晶體管點(diǎn)火的機(jī)械高壓分布帽點(diǎn)火,以及后來的雙火花線圈(沿用至今)到現(xiàn)在的塞上線圈解決方案來說,這是一個(gè)艱難的長期演進(jìn)過程。“塞上的無源線圈”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。只要來自ECU的觸發(fā)脈沖的上升沿超過了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。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)筆形線圈來說,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)劃來說卻有反作用。
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)的方法是通過連續(xù)改進(jìn)項(xiàng)目來消除晶圓生產(chǎn)中的缺陷密度。用大大超過額定值的連續(xù)電流在最終測試時(shí)進(jìn)行脈沖測試可確保質(zhì)量。
反向偏置的SOA受到N層電場持續(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,在最終測試中,每個(gè)部分需進(jìn)行2次峰值電流為26A的UIS測試,以便排除任何潛在的損壞部分。并記錄測試中的故障,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)引起較低過壓電平下的現(xiàn)場故障。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)型無故障操作可提供集成的VGE下拉電阻,防止IGBT在沒有控制信號(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
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,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:精確的幾何比例規(guī)定了小鏡像電流(主電流的0.3到1%),可由集成的檢測電阻幾乎無損地對(duì)其進(jìn)行檢測,然后傳送到MCU。這兩種檢測功能的缺點(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高關(guān)閉、過流檢測/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之間的接口來提供駐留保護(hù)和控制特性。