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。

图1：感应点火的基本电路

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：

dICC/dt=-Vbat/Lcoilexp(t/()，其中(=Rcoil/Lcoil

实际上，Lcoil的范围是1～3mH，Rcoil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fmax=nmax/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Vceon(Iceon)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Eon(t)=(Ic(t)Vceon (IC)dt。该能量与有效的Rthj-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Vceon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Ipeak=(Vbat-Vceon)/ Rcoil，所以最低的Vceon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Ic增加时，Vceon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(VOUT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VGE的传输特性，为相同的Ic 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。