汽车点火装置向小型化和智能化方向发展

过去10多年来，绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 已成为汽车点火装置的首选功率开关。点火装置经历的演变包括从采用分布器的机械触点，到采用达林顿双极晶体管的电子点火系统，以及现在采用专用点火IGBT实现的全引擎管理系统，带来更加紧凑、精确和可靠控制的点火线圈。 最初，使用分立功率组件的晶体管开关作为线圈驱动器的做法是将双极达林顿晶体管用作独立点火模块中的专用功率开关。该模块位于引擎仓内或安装在分布器上，将火花导引到正确的汽缸。为了获得更精确的点火定时，分布器被移除而创造了无分布器点火系统 (DIS)。在DIS中，每对汽缸使用一个点火线圈同时点燃两个火花塞—一个在处于功率输出冲程的汽缸中；另一个在处于排气冲程的汽缸中。视乎引擎汽缸数量的不同，可使用2、3、4或更多的点火线圈，而每个线圈都需要一个功率开关来驱动。

图1 点火IGBT示意图

用于点火线圈控制的功率开关从双极达林顿晶体管至现在专用点火IGBT的演变，乃是汽车系统设计人员希望在更加复杂和紧凑的模块中提供更好火花控制的结果。点火IGBT的开发结合了成熟可靠的汽车质量功率场效应管 (MOSFET) 技术和传统的IGBT结构。以下是这些MOSFET技术的示例： 1)“逻辑电平”栅极技术，可由ECU (引擎控制模块) 中的微处理器直接驱动。 2)内置ESD二极管，保护其不受恶劣的汽车瞬变环境所影响。 3)集电极-栅极钳位，采用与ESD保护二极管相同的技术，限制点火线圈的初级电压，以保护线圈在点燃火花塞的过程中免遭损坏。 4)专门设计的内部结构，能够承受开路次级产生的反射能量，同时又能维持低导通电压，以便在任何电池条件下实现线圈快速充电。 现今大多数ECU模块都有几个点火IGBT，是模块中功耗最高、PCB占用面积最大的器件。 点火器的发展趋势是将点火线圈装在各汽缸的火花塞上。这种被称之为“火花塞叠加点火线圈”(COP) 的应用技术可省去汽车上那些为人熟悉的昂贵高压点火线。这些点火线是目前点火系统中故障率最高的部件。然而，由于点火功率开关仍然安装在引擎控制模块上，无论是电流测量、电流控制还是诊断等功能均受到限制，这是因为需要使用线缆将功率开关连接到点火线圈上。COP方案需要单独的线圈驱动器件，这使得模块中线圈驱动器件的数量增加了一倍，进而额外占用宝贵的电路板空间；并产生大量的热量，使模块设计变得复杂。 所以人们自然想到将点火功率开关放入汽缸的点火线圈中，即“点火线圈叠加开关”(SOC) 技术。由于功率开关包含在线圈中，那么纳入直接测量线圈电流和控制实际点火条件的控制电子器件就没问题了。测量信息可传送给引擎控制模块，用来优化燃油经济性和汽车排放性能。“点火线圈叠加智能开关”(ISOC) 的新技术因此而诞生。 但要将这些电子器件装入ISOC环境还必须克服几方面的困难：成本、尺寸、温度、系统智能。 当点火系统从单一双极达林顿晶体管和点火线圈演化成每个汽缸使用一个点火IGBT和线圈后，器件成本问题就显得严重。过去几年中已开发出几代点火IGBT，每一代产品都着眼于改进IGBT的成本/性能比。其中，一个关注要点是IGBT的能量处理能力。由于线圈设计的改善，线圈的开路次级能量逐年降低，已降到0.3焦耳左右。随着点火IGBT的演化，器件结构也随之优化至能处理这个量级的能量。降低分立功率器件的成本，主要通过在相同电气性能的前提下减少硅片的面积来实现。而当所有功率器件的硅片面积最小化后，器件的热性能下降，这就要求器件拥有更完善的系统热能管理、更低的功耗、或更稳定的功率结构来承受增加的热应力。 图2所示为过去几年来点火IGBT器件在减少硅用量上取得的代表性进展。

图2 具有代表性的几代IGBT芯片

影响尺寸和成本的第二个因素是IGBT的封装。随着新型点火IGBT芯片不断变小，封装尺寸和成本也随之减小。图3所示为最新、也是最小的点火IGBT封装。这种名为功率四方扁平无引脚封装 (PQFN) 或Power QFN封装的尺寸相当于SO-8封装，但却能容纳采用最新半导体技术、额定开路次级能量为0.3焦耳的IGBT。图4所示为IGBT芯片尺寸不断减小促使封装成本和尺寸也相应减小的演变情况。最初的点火IGBT封装在如图4左边的TO-263 (D2Pak) 中。随着封装和半导体技术的改进，产品封装也演变为TO-251 (D Pak)，现为SO-8尺寸的PQFN。PQFN封装可采用标准的功率组装技术包括： 1）焊接芯片附着； 2）高铝含量粘合线，用于维持电流处理能力； 3）更细的封装头，用于维持相似的热容量。

图4 IGBT芯片尺寸不断减小，促使封装成本和尺寸也相应减小

减小尺寸是由优化系统成本及COP应用的体积所要求。COP应用所要求的电气电路必须装在新一代的笔型线圈中。这类线圈比传统的汽车点火线圈小很多，因而对其电气部件有着更高的要求。 图5所示为几种COP或笔型线圈设计。

图5 几种COP或笔型线圈设计

元件在变小的同时，还需装入处于引擎高温环境下且几乎无散热可言的线圈中。视乎线圈功耗的不同，控制电子器件的工作温度可能很容易达到175�C。这个温度对于点火驱动器的功率开关部分还不成问题，但随着更多智能技术引入SOC应用中，就需要应对更高的工作温度。 一旦功率开关装入线圈，自然就希望把其它的附加电路也加入点火IGBT中，以增加系统的功能，改善系统的性能，并实现“ISOC”设计理念。这些附加功能包括：输入栅极驱动控制/缓冲；线圈电流/电压监控；最大停留时间限制；故障检测/故障报告；电池过压/欠压操作控制。 实现这些功能的方法之一是增加一个控制IC与IGBT配合。这种IC最好能够与IGBT封装在一起。PQFN封装有一项优势：很容易提供第二个支架(paddle)用于安装控制芯片，从而方便地增加功能。图6所示为PQFN器件系列，着重突出这种封装容纳多支架和多芯片的能力。这种双芯片技术的另一个优势是：IGBT与控制芯片结合后，对于电气瞬变的敏感度大大降低，而这种瞬变对单片器件却能造成灾难性的损害。将功率和数/模电路集成在一个芯片上时，设计人员需要在结构上增加散热装置，将低压IC部分与高压IGBT部分隔离。IC工艺采用横向器件结构，而且一般使用反偏压结进行隔离。这种结构的工艺技术现已开发完成，而且在集成电路较低的电压和功率水平下非常稳定。然而，功率器件往往是垂直传导器件。这迫使芯片背面对该部件形成漏极或集电极电势。对于点火IGBT来说，这种集电极电压通常超过300伏，在某些应用中还会超过500伏。这导致需要隔离极高的电压，以及在恶劣且多噪声干扰的汽车环境中可能造成单片器件中的可控硅整流器 (SCR) 结构导通造成栓锁等问题。

图6 为PQFN器件系列

通过这种合适的封装技术，控制芯片和IGBT就能封装在一起。在这种封装中，控制芯片在物理上与IGBT隔离，不存在会导致这两个器件相互影响的任何意外或不需要的结点。组装方法之一是使用能够提供芯片间电气隔离的绝缘芯片附着，将控制芯片和IGBT粘合在专用功率封装中。在这种方法中，控制芯片以“芯片堆叠”的方式安装，即控制芯片被附着在IGBT的正面 (发射器一面)。另一种方法是将芯片相邻平放安装。控制芯片也采用绝缘芯片附着，与TO-220或TO-263 (D2-Pak) 封装的背面或头部隔离。飞兆半导体便使用这两种方法来生产“智能化”功率器件。 图7所示为“芯片堆叠”和相邻平放安装的控制和功率芯片示例。

图7“芯片堆叠”和相邻平放安装的控制和功率芯片示例。

今天，新型功率器件半导体技术与新型封装和芯片附着材料的结合正不断推动汽车点火装置演变。越来越小的功率器件结合简单的模拟信号/混合信号 IC 技术，孕育出汽车市场中称之为 ISOC 的新一代点火装置。这些新的多芯片封装技术提供具成本效益的组件，备有恶劣汽车引擎应用环境所需的高可靠性水平。因此，正如我们日常使用的其它电子设备像手机、计算机、PDA等一样，即使是汽车中的点火开关装置也在更新换代中变得越来越小、越来越具智能。 信息来源于：中国汽车电子网