智能IGBTS分布式點火系統(tǒng)

近幾十年引擎和變速控制領(lǐng)域發(fā)展非常迅速，在高性能引擎中，不僅平穩(wěn)停機、低噪聲、低震動很重要，而且降低燃料消耗和減少排放的要求也要滿足。

　　第一代電子控制模塊著重強調(diào)了功能的實現(xiàn)（噴射、點火、lambda控制等），但是現(xiàn)在的焦點集中在帶有更高級別集成度和復(fù)雜度的優(yōu)化成本的半導(dǎo)體劃分上。
　　這種集成的趨勢給點火系統(tǒng)帶來了很多革新。這篇文章從技術(shù)和市場的角度說明了英飛凌科技采用了片上芯片技術(shù)的智能點火IGBT是如何為進一步的點火優(yōu)化提供一種全新的解決方案。
　　汽車點火系統(tǒng)的發(fā)展和演化
　　在很多汽車子系統(tǒng)里面，機械解決方案已經(jīng)完全被電子解決方案所取代。這篇文章將詳細(xì)的討論電子點火系統(tǒng)的發(fā)展（表1）。

表1，電子點火系統(tǒng)的發(fā)展

　　對于四缸發(fā)動機，早期的基于晶體管的點火系統(tǒng)采用有兩個功率輸出級的雙點火線圈（這種情況在目前的低檔產(chǎn)品中仍有應(yīng)用）。在某些情況下這種系統(tǒng)是不夠的。現(xiàn)代的帶有汽缸交迭和多值控制的內(nèi)燃機不允許在排氣沖程進行點火。這種發(fā)動機每個汽缸都需要單獨的線圈 (插頭線圈)或

筆狀線圈來點火。
　　進一步把功率開關(guān)合并到這個筆狀線圈或者插頭線圈上，這樣就產(chǎn)生了一種性能顯著提高的機械電子系統(tǒng)。把點火開關(guān)放到筆狀線圈上有下列的優(yōu)點：
　　1、?去除了高電流控制線和高壓點火電纜可以降低點火過程中的電磁干擾；
　　2、?去除高電壓點火電纜可以降低成本，提高可靠性；
　　3、?去掉點火開關(guān)可以降低中央ECU的能量消耗。
　　這種分散式點火模型的驅(qū)動和診斷可以由來自中央ECU的低電流驅(qū)動器或收發(fā)器來提供。
　　同樣的點火線圈可以使用在任何數(shù)量的引擎汽缸上。當(dāng)使用智能的筆狀線圈或者插頭線圈時，汽車制造商就有可能制造出一種標(biāo)準(zhǔn)的點火線圈，而且這種線圈對所有的引擎模型都是適用的。
　　分散式點火輸出級的需求
　　相對于ECU上的點火輸出級，分散式點火輸出級（直接在筆狀線圈或插頭線圈里面或上面）對于功率電子器件不但有不同的要求，而且在很多情況下這種要求更為苛刻（表2）。

表2，ECU上的輸出級和分散式輸出級的比較

　　機械電子式的點火模塊直接安裝在引擎上，所以很容易受周圍高達140℃的環(huán)境溫度（發(fā)動機的冷卻劑維持著低于140℃的溫度）和很高的震動力的影響。這就對點火模塊的使用壽命和可靠性提出了巨大的挑戰(zhàn)。另外，筆狀線圈或者插頭線圈經(jīng)常使用密封的結(jié)構(gòu)，這使得集成的功率開關(guān)的冷卻變得非常困難。對于這種應(yīng)用來說，必須保證在175℃的最高結(jié)合溫度下所有電子器件正常工作。
　　由于ECU和點火模塊的距離可能有幾米遠(yuǎn)，所以半導(dǎo)體和點火線圈的保護以及診斷就必須由點火模塊來提供。這就意味著在點火模塊中又增加了電路復(fù)雜度。為了簡化電纜以及減少點火模塊接口的數(shù)量，多路復(fù)用管腳的使用就成了首選。但是，多路復(fù)用管腳又需要將更多的電子器件集成到點火開關(guān)中。所有的這些特點都需要更多的空間來實現(xiàn)，于是有限的安放空間就成為分散式點火輸出級的主要設(shè)計因素之一。用片上芯片技術(shù)生產(chǎn)的靈巧型IGBT就可能滿足對空間的嚴(yán)格要求。

表3，各種點火輸出級的比較


圖1，芯片疊加技術(shù)中的智能型IGBT

　　智能型IGBT
　　智能型IGBT可以實現(xiàn)單片集成，將功率和控制電路制作在同一個硅片上。功率芯片和控制芯片也可以分別制作，然后再裝進同一個封裝中。目前將附加功能的電路元件集成到IGBT功率開關(guān)電路中的嘗試還很有限，因為這種做法并不是行業(yè)的發(fā)展趨勢。因為功率元件技術(shù)（IGBT）和邏輯電路技術(shù)（BCD）是很不相容的，這兩種技術(shù)的集成將導(dǎo)致半導(dǎo)體制作工藝變得復(fù)雜而且往往更加昂貴。
　　英飛凌選擇了另一種辦法－－使用兩種獨立的技術(shù)。這樣做更適合功率開關(guān)（IGBT技術(shù)）和控制/診斷電路（BCD技術(shù)）的最優(yōu)化、更適合系統(tǒng)以高性價比實現(xiàn)其他必要的功能。依據(jù)不同的應(yīng)用要求，標(biāo)準(zhǔn)的IGBT加上片外的控制/診斷部分，或者智能型IGBT加上集成的控制/診斷電路都可以成為理想的設(shè)計方案。帶保護的達林頓晶體管（智能型雙極晶體管）曾經(jīng)被應(yīng)用在一些早期的點火系統(tǒng)中，但這種技術(shù)并不能滿足先進點火系統(tǒng)對電流和其他方面的要求。
　　芯片疊加技術(shù)在汽車領(lǐng)域已經(jīng)使用了15年以上。通過利用芯片的第三維方向，智能型IGBT可將需要的所有功能電路裝在一個TO-220（或TO-263）封裝中。
　　在現(xiàn)代點火系統(tǒng)中，功率輸出級在實現(xiàn)開關(guān)功能的同時還實現(xiàn)一些保護和診斷功能，以滿足用戶和政府的要求。這些功能使得系統(tǒng)能符合排放標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)燃料節(jié)約，達到更高的舒適度和可靠性。保護和診斷的內(nèi)容包括以下的方面：限流、關(guān)斷定時器、電流反饋、電壓反饋、無火花關(guān)斷、過熱保護、雙向電流接口、離子流信號調(diào)節(jié)。
　　這些功能可以部分或全部實現(xiàn)以滿足最終端用戶的需要和政 府的要求。在上述智能型IGBT中，有源齊納擊穿箝位、靜電保護和功率開關(guān)等基本功能都在底層標(biāo)準(zhǔn)點火IGBT芯片上實現(xiàn)。更為復(fù)雜的功能電路則集成在頂層芯片（用BCD工藝制作）中。作為例子，圖2表示了部分可用到的功能。

圖2，智能型IGBT模塊原理圖

　　系統(tǒng)比較
　　有一些方法可在筆狀線圈中實現(xiàn)“智能”。下面研究了三種不同的智能型點火模塊設(shè)計的例子。
　　● 在陶瓷襯底上的電子器件（混合型）
　　標(biāo)準(zhǔn)的IGBT和實現(xiàn)智能特征所需的所有的附加器件以芯片（未封裝的芯片）的形式被安裝在陶瓷襯底上并連線。完整的系統(tǒng)可以放入合適的封裝，或者直接放入線圈體。
　　● 在PCB上安裝電子器件
　　傳統(tǒng)的方法是將經(jīng)過封裝的標(biāo)準(zhǔn)的IGBT和保護器件安放在高溫的PCB板上，這樣它們就可以按照上面所描述的進行封裝了。
　　● 智能型IGBT
　　使用片上芯片技術(shù)在單個的TO220或TO263封裝里安裝功率開關(guān)和邏輯芯片（為了所有的保護、驅(qū)動和診斷功能）。
　　使用采用片上芯片技術(shù)的智能型IGBT只使用了少數(shù)的無源器件減少了需要的附加電子器件的數(shù)目。相反，標(biāo)準(zhǔn)IGBT則使用外部的驅(qū)動和保護電路。器件的減少增加了系統(tǒng)的可靠性，而且減 少了在點火線圈中實現(xiàn)智能功能所需的空間。
　　點火IGBT具有出色的高壓特性、強度和高電流處理能力，可以非常好的適合于汽車點火應(yīng)用。盡管IGBT和診斷電路的結(jié)合可以使點火系統(tǒng)更加智能化，但是只有在一個單獨的IC封裝里實現(xiàn)開關(guān)和診斷/保護功能才能使它成為一個智能型IGBT。
　　隨著片上芯片技術(shù)的智能型IGBT的實現(xiàn)，使標(biāo)準(zhǔn)SMD封裝(TO263)變?yōu)榭赡堋Ｖ悄苄虸GBT的內(nèi)置保護功能增加了系統(tǒng)的可靠性，而且它的附加診斷功能滿足了用戶和政府的需求。