基于智能IGBTS的分布式点火系统方案设计

近几十年引擎和变速控制领域发展非常迅速，在高性能引擎中，不仅平稳停机、低噪声、低震动很重要，而且降低燃料消耗和减少排放的要求也要满足。

　　第一代电子控制模块着重强调了功能的实现（喷射、点火、lambda控制等），但是现在的焦点集中在带有更高级别集成度和复杂度的优化成本的半导体划分上。
　　这种集成的趋势给点火系统带来了很多革新。这篇文章从技术和市场的角度说明了英飞凌科技采用了片上芯片技术的智能点火IGBT是如何为进一步的点火优化提供一种全新的解决方案。
　　汽车点火系统的发展和演化
　　在很多汽车子系统里面，机械解决方案已经完全被电子解决方案所取代。这篇文章将详细的讨论电子点火系统的发展（表1）。

表1，电子点火系统的发展

　　对于四缸发动机，早期的基于晶体管的点火系统采用有两个功率输出级的双点火线圈（这种情况在目前的低档产品中仍有应用）。在某些情况下这种系统是不够的。现代的带有汽缸交迭和多值控制的内燃机不允许在排气冲程进行点火。这种发动机每个汽缸都需要单独的线圈 (插头线圈)或

笔状线圈来点火。
　　进一步把功率开关合并到这个笔状线圈或者插头线圈上，这样就产生了一种性能显著提高的机械电子系统。把点火开关放到笔状线圈上有下列的优点：
　　1、去除了高电流控制线和高压点火电缆可以降低点火过程中的电磁干扰；
　　2、去除高电压点火电缆可以降低成本，提高可靠性；
　　3、去掉点火开关可以降低中央ECU的能量消耗。
　　这种分散式点火模型的驱动和诊断可以由来自中央ECU的低电流驱动器或收发器来提供。
　　同样的点火线圈可以使用在任何数量的引擎汽缸上。当使用智能的笔状线圈或者插头线圈时，汽车制造商就有可能制造出一种标准的点火线圈，而且这种线圈对所有的引擎模型都是适用的。
　　分散式点火输出级的需求
　　相对于ECU上的点火输出级，分散式点火输出级（直接在笔状线圈或插头线圈里面或上面）对于功率电子器件不但有不同的要求，而且在很多情况下这种要求更为苛刻（表2）。

表2，ECU上的输出级和分散式输出级的比较

　　机械电子式的点火模块直接安装在引擎上，所以很容易受周围高达140℃的环境温度（发动机的冷却剂维持着低于140℃的温度）和很高的震动力的影响。这就对点火模块的使用寿命和可靠性提出了巨大的挑战。另外，笔状线圈或者插头线圈经常使用密封的结构，这使得集成的功率开关的冷却变得非常困难。对于这种应用来说，必须保证在175℃的最高结合温度下所有电子器件正常工作。
　　由于ECU和点火模块的距离可能有几米远，所以半导体和点火线圈的保护以及诊断就必须由点火模块来提供。这就意味着在点火模块中又增加了电路复杂度。为了简化电缆以及减少点火模块接口的数量，多路复用管脚的使用就成了首选。但是，多路复用管脚又需要将更多的电子器件集成到点火开关中。所有的这些特点都需要更多的空间来实现，于是有限的安放空间就成为分散式点火输出级的主要设计因素之一。用片上芯片技术生产的灵巧型IGBT就可能满足对空间的严格要求。

表3，各种点火输出级的比较


图1，芯片叠加技术中的智能型IGBT[p]
智能型IGBT
　　智能型IGBT可以实现单片集成，将功率和控制电路制作在同一个硅片上。功率芯片和控制芯片也可以分别制作，然后再装进同一个封装中。目前将附加功能的电路元件集成到IGBT功率开关电路中的尝试还很有限，因为这种做法并不是行业的发展趋势。因为功率元件技术（IGBT）和逻辑电路技术（BCD）是很不相容的，这两种技术的集成将导致半导体制作工艺变得复杂而且往往更加昂贵。
　　英飞凌选择了另一种办法－－使用两种独立的技术。这样做更适合功率开关（IGBT技术）和控制/诊断电路（BCD技术）的最优化、更适合系统以高性价比实现其他必要的功能。依据不同的应用要求，标准的IGBT加上片外的控制/诊断部分，或者智能型IGBT加上集成的控制/诊断电路都可以成为理想的设计方案。带保护的达林顿晶体管（智能型双极晶体管）曾经被应用在一些早期的点火系统中，但这种技术并不能满足先进点火系统对电流和其他方面的要求。
　　芯片叠加技术在汽车领域已经使用了15年以上。通过利用芯片的第三维方向，智能型IGBT可将需要的所有功能电路装在一个TO-220（或TO-263）封装中。
　　在现代点火系统中，功率输出级在实现开关功能的同时还实现一些保护和诊断功能，以满足用户和政府的要求。这些功能使得系统能符合排放标准，实现燃料节约，达到更高的舒适度和可靠性。保护和诊断的内容包括以下的方面：限流、关断定时器、电流反馈、电压反馈、无火花关断、过热保护、双向电流接口、离子流信号调节。
　　这些功能可以部分或全部实现以满足最终端用户的需要和政-- 2007-12-5 23:55:12--> 府的要求。在上述智能型IGBT中，有源齐纳击穿箝位、静电保护和功率开关等基本功能都在底层标准点火IGBT芯片上实现。更为复杂的功能电路则集成在顶层芯片（用BCD工艺制作）中。作为例子，图2表示了部分可用到的功能。

图2，智能型IGBT模块原理图

　　系统比较
　　有一些方法可在笔状线圈中实现“智能”。下面研究了三种不同的智能型点火模块设计的例子。
　　● 在陶瓷衬底上的电子器件（混合型）
　　标准的IGBT和实现智能特征所需的所有的附加器件以芯片（未封装的芯片）的形式被安装在陶瓷衬底上并连线。完整的系统可以放入合适的封装，或者直接放入线圈体。
　　● 在PCB上安装电子器件
　　传统的方法是将经过封装的标准的IGBT和保护器件安放在高温的PCB板上，这样它们就可以按照上面所描述的进行封装了。
　　● 智能型IGBT
　　使用片上芯片技术在单个的TO220或TO263封装里安装功率开关和逻辑芯片（为了所有的保护、驱动和诊断功能）。
　　使用采用片上芯片技术的智能型IGBT只使用了少数的无源器件减少了需要的附加电子器件的数目。相反，标准IGBT则使用外部的驱动和保护电路。器件的减少增加了系统的可靠性，而且减少了在点火线圈中实现智能功能所需的空间。
　　点火IGBT具有出色的高压特性、强度和高电流处理能力，可以非常好的适合于汽车点火应用。尽管IGBT和诊断电路的结合可以使点火系统更加智能化，但是只有在一个单独的IC封装里实现开关和诊断/保护功能才能使它成为一个智能型IGBT。
　　随着片上芯片技术的智能型IGBT的实现，使标准SMD封装(TO263)变为可能。智能型IGBT的内置保护功能增加了系统的可靠性，而且它的附加诊断功能满足了用户和政府的需求。