IGBT-汽车点火系统中的佼佼者

新一代点火系统IGBT为火花塞系统的线圈度身定制，正快速成为主流点火拓扑结构。几何学和掺杂分布图的进步可使电路小片和封装的尺寸更小型化，且无需牺牲最重要的闩锁电阻和雪崩能量容量的稳健性。

如今，IGBT的产品已经具备高值保护性和适应特性，如有源钳位、ESD保护、逻辑电平栅极阈值和栅极电阻网络。从中期而言，附加的功能会被集成到IGBT芯片中，或作为单独的控制器芯片在多芯片理念中实现，这些功能包括温度过高检测/关闭、电流检测/限制、看门狗定时器、无火花关闭和离子检测接口。每个柱体单线圈(笔形线圈)理念可以完全利用已证明有效驱动关键性能和减低成本的优点：机电一体化和模块化。

对于早期的机械触点断路器和通过无分布器晶体管点火的机械高压分布帽点火，以及后来的双火花线圈(沿用至今)到现在的塞上线圈解决方案来说，这是一个艰难的长期演进过程。“塞上的无源线圈”只在火花塞接头上集成线圈，而开关和预驱动器(每个柱体一个)位于引擎控制模块(ECU)或ECU和线圈之间的独立盒中。对于是否允许开关位于ECU模块以内，各个点火系统的供应商有不同的内部规定。

汽车点火原理

“塞上的有源线圈”包含扩展式火花塞接头上的线圈、预驱动器和开关，每个柱体有一个。它们到ECU的笔形线圈只需要4个低压连接，因此点火系统具备更多功能提供了极高的模块化、机电一体化和灵活性，从而能实现汽车制造商所期望的真正的“即插即点”。

这一原理是在变压器的初级侧产生一个等于LdI/dt的电压，然后变为次级线圈的火花电压。图1所示的是某个柱体的典型笔形线圈电路。只要来自ECU的触发脉冲的上升沿超过了IGBT的阈值电压，电路即打开。初级线圈中的电流根据下式斜升：

dI_CC/dt=-V_bat/L_coilexp(t/()，其中(=R_coil/L_coil

实际上，L_coil的范围是1～3mH，R_coil的范围是300～700m(，结果将得到5-10A/ms的初级电流斜升。在正常工作情况下，线圈充电时间取决于应用-为1～3ms，且关闭之前的初级电流峰值范围是7～15A。

当IGBT被触发信号的下降沿关闭，线圈轴释放。初级线圈中的感生电压(-LdI/dt)会强制IGBT进入雪崩导通。当达到栅极－集电极有源钳位二极管的反击电压(VBRR，350～450V，为安全电压，位于C-E结构的雪崩击穿电压以下)时，IGBT打开，而且反馈能量均匀可靠地分布在IGBT的整个有源区域中。同时，在次级线圈中产生需要的火花电压(40kV左右)，其数值由变压器匝数比确定(一般为1:100到1:150)。基本的波形如图3所示。

初级电流开关的选择

双极型达林顿晶体管依然用于初级电流的开关，尽管使用量已大大减少。几乎所有新点火系统的设计中都使用IGBT。IGBT是在19年前由Frank Wheatly在前RCA发明的，结合了双极型和分离栅极晶体管的优点，并在特定的电压/开关速度域中具明显优势。表1中详细比较了点火应用理念中的达林顿管和IGBT。

点火IGBT的主要电气参数

IGBT非常适用于点火开关，并需要低开关速度的大量脉冲正向电流和雪崩能量能力。比如，根据f_max=n_max/120，用于四冲程引擎的笔形线圈必须在低于100Hz的频率下点火。因此，至少在今天的单周期单火花系统中，开关速度对系统的影响不大。即使是在高达每周期64个火花的恶劣条件下，采用IGBT也可轻松用于改良引擎启动的多火花系统。

初级开关主要要求低V_ceon(I_ceon)的正向特性。在正常工作中，能量主要在初级线圈充电时耗散，值为E_on(t)=(I_c(t)V_ceon (IC)dt。该能量与有效的R_thj-a、最大本地环境温度(目前对笔形线圈来说，大约为130°C)共同决定平均结温。假设有一个小温度纹波，其值由电路小片热量决定，而且部分由Rthj-c和封装标签的热量共同决定。

低V_ceon的第二个驱动力是12V电池在零下40°C时冷启动的低往复电压，它最低会降到6V。因为初级线圈的峰值电压可以表示为I_peak=(V_bat-V_ceon)/ R_coil，所以最低的V_ceon值是确定的。当然，这可以通过有源元件区域的陡峭上升获得，但是对于汽车业普遍推进的减低成本计划来说却有反作用。

安森美半导体的新型第三代点火IGBT、尤其是第四代的点火IGBT，改进了侧面特性尺寸和垂直掺杂分布图，以补偿明显减小的电路小片面积。此外，在I_c增加时，V_ceon的温度系数从负值优化为稍偏正值，改进临界低温工作。

另一个主要参数是阈值电压。它必须低到可使5V驱动MCU提供的输出电压完全导通(V_OUT下降到3.7V)。另一方面，栅极氧化物必须能够承受12V网和栅极短路时潜在的故障模式。新一代的IGBT已经优化了V_GE的传输特性，为相同的I_c 电平降低了大约400mV，并可确保逻辑控制信号电平时的完全饱和。

主要的可靠性参数

点火应用的可靠性是最重要的，尽管因为其内在的冗余性，如有一个笔形线圈发生故障，并不会危及寿命。鉴于它们是和柱体模块紧密接触的，笔形线圈的环境十分严格：环境温度最高为140°C，功耗路径有限，持续震动。此外还有来自正向脉冲工作和反向有源钳位的周期性电应力。虽然数据表清楚地列出了Tj最大值为175°C，但众所周知，特定的工作条件已远远超出了这一限制。未指定的短期温度偏移高达250°C，而且在一个点火IGBT的使用寿命中，可能发生的温度偏移会更大。

但是，现场故障率必须保持在几个ppm的范围内。稳健性可以通过几个SOA(安全工作区域)额定值进行规定，以一种复杂、互动的方式由不同的参数确定：P-tub掺杂分布图，MOSFET几何尺寸，N层中的载流子寿命，NPN/PNP结构的hfe等，不一而足。

正向偏置的SOA被高电流引起的故障模式所限制，其中NPN结构上P-tub偏置中过量的主载流子会造成“寄生”NPNP半导体闸流管的闩锁，在设计时可避免这一效应的产生，但仍然可能在局部区域内由点缺陷(point defect)引起。从根本上杜绝这一效应的方法是通过连续改进项目来消除晶圆生产中的缺陷密度。用大大超过额定值的连续电流在最终测试时进行脉冲测试可确保质量。

反向偏置的SOA受到N层电场持续性的限制，在切换到反向条件中时，MOSFET电子流快速关闭，使N层充满少子，从而可有效降低雪崩击穿电压的可能性。

另一个在点火应用中常见的SOA是UIS(自钳制电感性开关)。开路次级(如开路火花塞连接)会把100%的次级能量(减去线圈损耗)反射回IGBT。数据表规定了“单脉冲集电极到发射极雪崩能量”。安森美半导体可根据芯片尺寸，保证在启动结温为25/150°C时最大能量为500mJ/300mJ。典型值最少为它的两倍。

即使最小的电路小片尺寸也能在所有额定温度范围中保持200mJ的UIS能量，最高温度高达T_J =175°C。目前笔形线圈的实际要求为100～150mJ。

图5显示了第三代IGBT的UIS功能，它具有更平缓的温度依赖性，可以通过细致的优化改进和晶圆制造参数的精密设计获得。为了确保质量，在最终测试中，每个部分需进行2次峰值电流为26A的UIS测试，以便排除任何潜在的损坏部分。并记录测试中的故障，作为可靠性监视。

稳健性还意味着承受主要发生在板流水线前的ESD事件。ESD损害可以是立即发生的，会导致大量可检测的栅极漏电。但是更危险的是由ESD引起的栅极电介质的潜在损害，这会引起较低过压电平下的现场故障。有了栅极到发射极的背靠背多晶硅，就可以确保符合人体/机器模型的8kV/800V ESD保护。

增强型无故障操作可提供集成的V_GE下拉电阻，防止IGBT在没有控制信号连接时意外打开。电阻可以进行定制，以保护外部元件。

可以选择集成一个串联栅极电阻，以限制出现过大的dV_CE/dt，但在某些应用中可能会引起瞬时电流和UIS故障。而且这种集成的R_g可避免非最优预驱动设计的负面作用，从而提供了栅极到地的低阻抗通路。R_g确保IGBT在钳制条件下能安全地打开和关闭。

点火IGBT的发展趋势

塞上线圈将成为近期发展的主流。高性能的系统会转向匝数比在1:100左右的小型化线圈，并需要更高的初级电流(高达18A)和更高的钳制电压(400V左右)，以便提供燃料空气混合物的高火花能量。满足这些应用的第三代器件NGX19N40，具有19A的连续电流和额定值为405V的钳制电压。它有TO-220 和D2PAK两种封装，都有0.9K/W的稳态热电阻结。最近，第四代(NGX820X系列)更进一步改良，采用DPAK封装的IGBT能获得所需的功能和稳健性，从而推动了装配技术的全新自由度，同时还减少板面积(达60%)和成本。

中期发展的趋势尚未成形。对于不同的点火系统，差别很大。其共同的特点是功能 “智能性”的增强。但是在IGBT芯片中集成任何额外的电路都必须与已有元件兼容，并不会改变其优化的IGBT结构：大量N沟道FET和IGBT的N层(在源和地靠近的环境中，唯一可能的电路)、二极管和电阻(有不同的页面阻抗和TC的P+和N+)共享主体。

已能轻易集成的功能有：带有2个背靠背二极管的温度感测，它可以为MCU提供和电路小片温度成正比的压降。与PowerFET原理相同的电流检测：精确的几何比例规定了小镜像电流(主电流的0.3到1%)，可由集成的检测电阻几乎无损地对其进行检测，然后传送到MCU。这两种检测功能的缺点是需要更多的连接，且不能使用高容量、高性价比的3端子电源封装的重负荷。

要集成更复杂的功能是极具挑战性的，或者根本不可能实现。这里，我们讨论的功能包括温度过高关闭、过流检测/标志/限制、可选的钳制电压、停留时间看守、故障模式中的斜升关闭、由42VPowerNet供电的未来点火软打开等。有些要求相互矛盾，如硬OTSD和斜升关闭。而且显然每种智能IGBT类型所匹配的应用有限，因此就丧失了规模经济性。

总之，最佳的解决方案是采用一个优化的、非智能IGBT和一个线性双极性或LinCMOS智能预驱动器，作为MCU和IGBT之间的接口来提供驻留保护和控制特性。

作者：Klaus Reindl

首席应用工程师

安森美半导体