汽车点火系统中的智能IGBT设计案例

，而且会产生额外的能量耗散和发热，这些都会给设计带来麻烦。另一个负面效应是与IGBT串联的电阻会降低线圈的充电速度，从而影响系统的时序。

　　电流传感IGBT是这样设计的；它在总电流中分出一小部分送到用于检测IGBT集电极总电流的电流监视电路中。这种IGBT消除了直接测量技术的那两个问题，原因没有额外的电阻串联在IGBT的大电流通道上。但由于这种技术不再是直接测量发射极电流，设计时就得考虑一些额外的系统误差，如分出的电流传感比例随温度或总电流而波动。电流传感IGBT中有一部分单元与其主IGBT部分相并联，但却接在单独的发射极焊盘上。因此，总集电极电流中有一部分将流经IGBT的这个传感部分（或者说控制部分）。总集电极电流中流经该控制部分的电流比例，主要取决于该控制区域的分流单元与IGBT中剩余活动区域单元的比例。不过，若控制部分和主活动区域的工作条件存在任何差异，都将影响这个电流比例，从而影响电流传感的精度。尤其令人担心的是如何保持IGBT的主体部分和控制部分的发射极具有相同的电位。任何压差的出现都会直接改变该部分的栅极至发射极电压。

　　一旦IGBT限制了线圈充电电流，线圈的过流问题就得以解决。然而，此时IGBT本身还是处于能量耗散极高的状态，而且不可能长时间处于这种条件下而不损坏IGBT。在限流条件下，IGBT中的功率将攀升到60W到100W。当安装在点火线圈中时，IGBT对周围的热阻可高达60~70oC/W，因为线圈中缺乏良好的散热通道。因此，结温Tj=Ta+Pd×Rth（ja），在这种条件下，任何半导体器件的结温都会迅速超过可接受的结温限制。
　　解决上述问题的一个方案是在智能IGBT中添加"最大暂停（Maximum Dwell）"电路。这种电路提供暂停功能，可在线圈充电一定时间后将IGBT关断，以防止IGBT过热。

　　类似于限流电路，最大暂停电路也能保护IGBT，但却有负面作用。有可能在最大暂停电路接管时间一超过预设限度时，就不加以区分地点火。通常，最大暂停电路不受引擎管理系统的控制，它的运作取决于IGBT何时开始对点火线圈充电。这样就有可能在不恰当的活塞位置进行点火，从而损坏引擎。

　　智能IGBT便能解决这个问题，即增加称为"软关断"的功能。软关断电路会在最大暂停时间达到设定值时生效。它控制IGBT，使其电流缓减，而不是立即中断。由于集电极电流始终采用缓减方式，线圈中产生的电压就能保持在低水平，从而防止在引擎管理系统设定的时刻外发生点火事件。

　　智能IGBT还能监视点火线圈的次级电压，从而获得有关火花质量的信息。次级线圈电压会通过线圈的绕线圈数比反映到初级绕组上。而这个信息可被捕捉，并被传送回引擎管理系统，用于优化引擎性能，进而提高功率或降低排放。

　　上述这些建议仅仅是点火开关置于点火线圈内时带来各种功能中的一小部分。不同引擎控制厂家采用的具体点火功能和特点差别很大；但许多新兴的系统开发所反映的总体趋势是采用"线圈上开关"技术，因为该技术在成本和性能方面都有优势。

　　智能IGBT的多裸片封装技术

　　通过采用多裸片封装技术，可以将这些添加的点火功能与IGBT最佳地结合在一起。汽车环境（尤其是点火环境）通常的温度都很高、噪声干扰极大。将IGBT和控制电路物理地隔离开来，就能提高各器件的抗噪能力和减少温度诱发的种种问题。IGBT的设计和工艺重点可以集中在IGBT的一些关键参数上，如SCIS和Vce（on）；而对控制IC则可在高性能模拟功能方面进行优化。

　　图5给出了几种正在开发中的智能IGBT，都采用了多裸片封装技术。这些产品采用最新的EcoSpark IGBT技术，具有业界最高水平的单位面积SCIS能力，同时其Vce（on）极低。采用高性能的模拟BICMOS控制裸片，就可将整个智能点火线圈驱动电路纳入单个封装中。

　　图5：多裸片智能点火设计

　　控制裸片和IGBT结合在多引脚的TO-220或TO-263封装中。IGBT焊接在封装件的管座（header）上，以最大限度降低IGBT与封装件间的电阻和热阻。控制裸片用绝缘的聚酰亚胺材料粘贴在同一管座上，使其与IGBT的高压集电极隔离。

　　另一个可选择的构造是将IGBT和控制裸片以及其它所需的外接部件，安装在可放入点火线圈内的小模块中。图6给出了这种构造的几个例子。

　　图6：在印刷电路板上开发的智能点火系统

　　无论采用什么样的构造，有一点很清楚：点火功率开关和控制/监视智能化均逐渐纳入点火线圈中。开发这些新的智能点火装置存在很多困难：

　　1. 高压、大电流功率开关与低功率模拟控制电路需要紧靠在一起；

　　2. 高的工作温度；

3. 可能存在损坏电池