智能IGBT在汽車點火系統中的應用

一旦IGBT限制了線圈充電電流，線圈的過流問題就得以解決。然而，此時IGBT本身還是處于能量耗散極高的狀態，而且不可能長時間處于這種條件下而不損壞IGBT。在限流條件下，IGBT中的功率將攀升到60W到100W。當安裝在點火線圈中時，IGBT對周圍的熱阻可高達60~70oC/W，因為線圈中缺乏良好的散熱通道。因此，結溫Tj=Ta+Pd×Rth(ja)，在這種條件下，任何半導體器件的結溫都會迅速超過可接受的結溫限制。

解決上述問題的一個方案是在智能IGBT中添加“最大暫停(Maximum Dwell)”電路。這種電路提供暫停功能，可在線圈充電一定時間后將IGBT關斷，以防止IGBT過熱。

類似于限流電路，最大暫停電路也能保護IGBT，但卻有負面作用。有可能在最大暫停電路接管時間一超過預設限度時，就不加以區分地點火。通常，最大暫停電路不受引擎管理系統的控制，它的運作取決于IGBT何時開始對點火線圈充電。這樣就有可能在不恰當的活塞位置進行點火，從而損壞引擎。

智能IGBT便能解決這個問題，即增加稱為“軟關斷”的功能。軟關斷電路會在最大暫停時間達到設定值時生效。它控制IGBT，使其電流緩減，而不是立即中斷。由于集電極電流始終采用緩減方式，線圈中產生的電壓就能保持在低水平，從而防止在引擎管理系統設定的時刻外發生點火事件。

智能IGBT還能監視點火線圈的次級電壓，從而獲得有關火花質量的信息。次級線圈電壓會通過線圈的繞線圈數比反映到初級繞組上。而這個信息可被捕捉，并被傳送回引擎管理系統，用于優化引擎性能，進而提高功率或降低排放。

上述這些建議僅僅是點火開關置于點火線圈內時帶來各種功能中的一小部分。不同引擎控制廠家采用的具體點火功能和特點差別很大；但許多新興的系統開發所反映的總體趨勢是采用“線圈上開關”技術，因為該技術在成本和性能方面都有優勢。

通過采用多裸片封裝技術，可以將這些添加的點火功能與IGBT最佳地結合在一起。汽車環境(尤其是點火環境)通常的溫度都很高、噪聲干擾極大。將IGBT和控制電路物理地隔離開來，就能提高各器件的抗噪能力和減少溫度誘發的種種問題。IGBT的設計和工藝重點可以集中在IGBT的一些關鍵參數上，如SCIS和Vce(on)；而對控制IC則可在高性能模擬功能方面進行優化。

圖5給出了幾種正在開發中的智能IGBT，都采用了多裸片封裝技術。這些產品采用最新的EcoSpark IGBT技術，具有業界最高水平的單位面積SCIS能力，同時其Vce(on)極低。采用高性能的模擬BICMOS控制裸片，就可將整個智能點火線圈驅動電路納入單個封裝中。

圖5：多裸片智能點火設計

控制裸片和IGBT結合在多引腳的TO-220或TO-263封裝中。IGBT焊接在封裝件的管座(header)上，以最大限度降低IGBT與封裝件間的電阻和熱阻。控制裸片用絕緣的聚酰亞胺材料粘貼在同一管座上，使其與IGBT的高壓集電極隔離。

另一個可選擇的構造是將IGBT和控制裸片以及其它所需的外接部件，安裝在可放入點火線圈內的小模塊中。圖6給出了這種構造的幾個例子。

圖6：在印刷電路板上開發的智能點火系統

無論采用什么樣的構造，有一點很清楚：點火功率開關和控制/監視智能化均逐漸納入點火線圈中。開發這些新的智能點火裝置存在很多困難：

高壓、大電流功率開關與低功率模擬控制電路需要緊靠在一起；

高的工作溫度；

可能存在損壞電池的各種瞬態現象；

更高性能的模擬功能；

小尺寸；

散熱條件差，但功率耗散大。

若從安裝在汽車分電器中的機械觸點技術算起，點火系統經已走過一段很長的發展歷程。今天，這些機械觸點和分電器已經退位。控制線圈中電流的IGBT開關已不僅僅是一個開關，而是與引擎管理系統其余部分集成在一起的控制元件。線圈開關中需要包含的功能將變得越來越多，例如為改善燃油燃燒而開發出多火花系統，以及為了監視燃燒質量而添加次級(火花塞)電流監視功能。

最新的點火IGBT、混合信號IC及封裝技術，使“線圈上開關”技術所允許的種種系統優勢得以實現。因此，下次當你加油提速時，可能不會想到令引擎工作的火花，但智能點火IGBT正默默地在努力工作，將你帶到想去的地方。