IGBT-汽車點火系統(tǒng)中的佼佼者

新一代點火系統(tǒng)IGBT為火花塞系統(tǒng)的線圈度身定制，正快速成為主流點火拓撲結(jié)構(gòu)。幾何學(xué)和摻雜分布圖的進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)具備高值保護性和適應(yīng)特性，如有源鉗位、ESD保護、邏輯電平柵極閾值和柵極電阻網(wǎng)絡(luò)。從中期而言，附加的功能會被集成到IGBT芯片中，或作為單獨的控制器芯片在多芯片理念中實現(xiàn)，這些功能包括溫度過高檢測/關(guān)閉、電流檢測/限制、看門狗定時器、無火花關(guān)閉和離子檢測接口。每個柱體單線圈(筆形線圈)理念可以完全利用已證明有效驅(qū)動關(guān)鍵性能和減低成本的優(yōu)點：機電一體化和模塊化。

對于早期的機械觸點斷路器和通過無分布器晶體管點火的機械高壓分布帽點火，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，這是一個艱難的長期演進過程。“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)動器(每個柱體一個)位于引擎控制模塊(ECU)或ECU和線圈之間的獨立盒中。對于是否允許開關(guān)位于ECU模塊以內(nèi)，各個點火系統(tǒng)的供應(yīng)商有不同的內(nèi)部規(guī)定。

圖1：感應(yīng)點火的基本電路

汽車點火原理

“塞上的有源線圈”包含擴展式火花塞接頭上的線圈、預(yù)驅(qū)動器和開關(guān)，每個柱體有一個。它們到ECU的筆形線圈只需要4個低壓連接，因此點火系統(tǒng)具備更多功能提供了極高的模塊化、機電一體化和靈活性，從而能實現(xiàn)汽車制造商所期望的真正的“即插即點”。

這一原理是在變壓器的初級側(cè)產(chǎn)生一個等于LdI/dt的電壓，然后變?yōu)榇渭壘€圈的火花電壓。圖1所示的是某個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。初級線圈中的電流根據(jù)下式斜升：

dICC/dt=-Vbat/Lcoilexp(t/()，其中(=Rcoil/Lcoil

實際上，Lcoil的范圍是1～3mH，Rcoil的范圍是300～700m(，結(jié)果將得到5-10A/ms的初級電流斜升。在正常工作情況下，線圈充電時間取決于應(yīng)用-為1～3ms，且關(guān)閉之前的初級電流峰值范圍是7～15A。

當(dāng)IGBT被觸發(fā)信號的下降沿關(guān)閉，線圈軸釋放。初級線圈中的感生電壓(-LdI/dt)會強制IGBT進入雪崩導(dǎo)通。當(dāng)達到柵極－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，IGBT打開，而且反饋能量均勻可靠地分布在IGBT的整個有源區(qū)域中。同時，在次級線圈中產(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。

初級電流開關(guān)的選擇

雙極型達林頓晶體管依然用于初級電流的開關(guān)，盡管使用量已大大減少。幾乎所有新點火系統(tǒng)的設(shè)計中都使用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，并在特定的電壓/開關(guān)速度域中具明顯優(yōu)勢。表1中詳細比較了點火應(yīng)用理念中的達林頓管和IGBT。

點火IGBT的主要電氣參數(shù)

IGBT非常適用于點火開關(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)速度對系統(tǒng)的影響不大。即使是在高達每周期64個火花的惡劣條件下，采用IGBT也可輕松用于改良引擎啟動的多火花系統(tǒng)。

初級開關(guān)主要要求低Vceon(Iceon)的正向特性。在正常工作中，能量主要在初級線圈充電時耗散，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的第二個驅(qū)動力是12V電池在零下40°C時冷啟動的低往復(fù)電壓，它最低會降到6V。因為初級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，但是對于汽車業(yè)普遍推進的減低成本計劃來說卻有反作用。

安森美半導(dǎo)體的新型第三代點火IGBT、尤其是第四代的點火IGBT，改進了側(cè)面特性尺寸和垂直摻雜分布圖，以補償明顯減小的電路小片面積。此外，在Ic增加時，Vceon的溫度系數(shù)從負值優(yōu)化為稍偏正值，改進臨界低溫工作。

另一個主要參數(shù)是閾值電壓。它必須低到可使5V驅(qū)動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電平時的完全飽和。

主要的可靠性參數(shù)

點火應(yīng)用的可靠性是最重要的，盡管因為其內(nèi)在的冗余性，如有一個筆形線圈發(fā)生故障，并不會危及壽命。鑒于它們是和柱體模塊緊密接觸的，筆形線圈的環(huán)境十分嚴格：環(huán)境溫度最高為140°C，功耗路徑有限，持續(xù)震動。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遠超出了這一限制。未指定的短期溫度偏移高達250°C，而且在一個點火IGBT的使用壽命中，可能發(fā)生的溫度偏移會更大。

但是，現(xiàn)場故障率必須保持在幾個ppm的范圍內(nèi)。穩(wěn)健性可以通過幾個SOA(安全工作區(qū)域)額定值進行規(guī)定，以一種復(fù)雜、互動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造成“寄生”NPNP半導(dǎo)體閘流管的閂鎖，在設(shè)計時可避免這一效應(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)改進項目來消除晶圓生產(chǎn)中的缺陷密度。用大大超過額定值的連續(xù)電流在最終測試時進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，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。

另一個在點火應(yīng)用中常見的SOA是UIS(自鉗制電感性開關(guān))。開路次級(如開路火花塞連接)會把100%的次級能量(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，保證在啟動結(jié)溫為25/150°C時最大能量為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TJ =175°C。目前筆形線圈的實際要求為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，可以通過細致的優(yōu)化改進和晶圓制造參數(shù)的精密設(shè)計獲得。為了確保質(zhì)量，在最終測試中，每個部分需進行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，會導(dǎo)致大量可檢測的柵極漏電。但是更危險的是由ESD引起的柵極電介質(zhì)的潛在損害，這會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/機器模型的8kV/800V ESD保護。

增強型無故障操作可提供集成的VGE下拉電阻，防止IGBT在沒有控制信號連接時意外打開。電阻可以進行定制，以保護外部元件。

可以選擇集成一個串聯(lián)柵極電阻，以限制出現(xiàn)過大的dVCE/dt，但在某些應(yīng)用中可能會引起瞬時電流和UIS故障。而且這種集成的Rg可避免非最優(yōu)預(yù)驅(qū)動設(shè)計的負面作用，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，并需要更高的初級電流(高達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，從而推動了裝配技術(shù)的全新自由度，同時還減少板面積(達60%)和成本。

中期發(fā)展的趨勢尚未成形。對于不同的點火系統(tǒng)，差別很大。其共同的特點是功能 “智能性”的增強。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其進行檢測，然后傳送到MCU。這兩種檢測功能的缺點是需要更多的連接，且不能使用高容量、高性價比的3端子電源封裝的重負荷。

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、停留時間看守、故障模式中的斜升關(guān)閉、由42VPowerNet供電的未來點火軟打開等。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)濟性。

總之，最佳的解決方案是采用一個優(yōu)化的、非智能IGBT和一個線性雙極性或LinCMOS智能預(yù)驅(qū)動器，作為MCU和IGBT之間的接口來提供駐留保護和控制特性。