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(jí)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(jí)繞組中的電流發(fā)生瞬間變化(即di/dt值很大)，初級(jí)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(jí)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(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(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(dòng)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(huì)消耗其處于活動(dòng)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(duì)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(jí)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(dòng)電路的需求動(dòng)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(dòng)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(shì)。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(huì)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(shì)激發(fā)了對(duì)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(hào)接口。

由引擎控制模塊驅(qū)動(dòng)“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(hào)接口不但需要應(yīng)對(duì)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(hào)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(dòng)電路間的定義接口必須能夠應(yīng)對(duì)這些問題。

2. 保護(hù)點(diǎn)火線圈。

圖3中的輸入信號(hào)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(huì)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(cè)電阻直接測(cè)量IGBT集電極電流，或用電流傳感IGBT來測(cè)量。圖4給出了這兩種電路。

圖4：限流電路

直接測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是能非常精確地測(cè)量線圈電流，但成本較高。串聯(lián)在發(fā)射極引線上的檢測(cè)電阻通過7~10A的線圈充電電流，會(huì)顯著增加功率開關(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(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(huì)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(cè)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(cè)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(cè)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(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(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(dòng)區(qū)域單元的比例。不過，若控制部分和主活動(dòng)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(huì)直接改變?cè)摬糠值臇艠O至發(fā)射極電壓。