智能IGBTS分布式點(diǎn)火系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]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(jī)、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?！ 〉谝淮娮涌刂颇K著重強(qiáng)調(diào)了功能的實(shí)現(xiàn)（噴射、點(diǎn)火、lambda控制
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(jī)、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(qiáng)調(diào)了功能的實(shí)現(xiàn)（噴射、點(diǎn)火、lambda控制等），但是現(xiàn)在的焦點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)火IGBT是如何為進(jìn)一步的點(diǎn)火優(yōu)化提供一種全新的解決方案。
汽車點(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)展和演化
在很多汽車子系統(tǒng)里面，機(jī)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(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)展（表1）。
表1，電子點(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)展
對于四缸發(fā)動機(jī)，早期的基于晶體管的點(diǎn)火系統(tǒng)采用有兩個功率輸出級的雙點(diǎn)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?，F(xiàn)代的帶有汽缸交迭和多值控制的內(nèi)燃機(jī)不允許在排氣沖程進(jìn)行點(diǎn)火。這種發(fā)動機(jī)每個汽缸都需要單獨(dú)的線圈 (插頭線圈)或
進(jìn)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(jī)械電子系統(tǒng)。把點(diǎn)火開關(guān)放到筆狀線圈上有下列的優(yōu)點(diǎn)：
1、 去除了高電流控制線和高壓點(diǎn)火電纜可以降低點(diǎn)火過程中的電磁干擾；
2、 去除高電壓點(diǎn)火電纜可以降低成本，提高可靠性；
3、 去掉點(diǎn)火開關(guān)可以降低中央ECU的能量消耗。
這種分散式點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)火輸出級的需求
相對于ECU上的點(diǎn)火輸出級，分散式點(diǎn)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(jī)械電子式的點(diǎn)火模塊直接安裝在引擎上，所以很容易受周圍高達(dá)140℃的環(huán)境溫度（發(fā)動機(jī)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(diǎn)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(diǎn)火模塊的距離可能有幾米遠(yuǎn)，所以半導(dǎo)體和點(diǎn)火線圈的保護(hù)以及診斷就必須由點(diǎn)火模塊來提供。這就意味著在點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)火開關(guān)中。所有的這些特點(diǎn)都需要更多的空間來實(shí)現(xiàn)，于是有限的安放空間就成為分散式點(diǎn)火輸出級的主要設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shí)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(jìn)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?yàn)檫@種做法并不是行業(yè)的發(fā)展趨勢。因?yàn)楣β试夹g(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(dú)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(shí)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(jì)方案。帶保護(hù)的達(dá)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(diǎn)火系統(tǒng)中，但這種技術(shù)并不能滿足先進(jìn)點(diǎn)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(diǎn)火系統(tǒng)中，功率輸出級在實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能的同時還實(shí)現(xiàn)一些保護(hù)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(shí)現(xiàn)燃料節(jié)約，達(dá)到更高的舒適度和可靠性。保護(hù)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(hù)、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(shí)現(xiàn)以滿足最終端用戶的需要和政<-- 2007-12-5 23:55:12--> 府的要求。在上述智能型IGBT中，有源齊納擊穿箝位、靜電保護(hù)和功率開關(guān)等基本功能都在底層標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)火IGBT芯片上實(shí)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(shí)現(xiàn)“智能”。下面研究了三種不同的智能型點(diǎn)火模塊設(shè)計(jì)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(shí)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(hù)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(jìn)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(hù)、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(hù)電路。器件的減少增加了系統(tǒng)的可靠性，而且減
點(diǎn)火IGBT具有出色的高壓特性、強(qiáng)度和高電流處理能力，可以非常好的適合于汽車點(diǎn)火應(yīng)用。盡管IGBT和診斷電路的結(jié)合可以使點(diǎn)火系統(tǒng)更加智能化，但是只有在一個單獨(dú)的IC封裝里實(shí)現(xiàn)開關(guān)和診斷/保護(hù)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(shí)現(xiàn)，使標(biāo)準(zhǔn)SMD封裝(TO263)變?yōu)榭赡?。智能?strong>IGBT的內(nèi)置保護(hù)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。
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