為了產生火花，你需要的設備包括電源、電池、變壓器(即點火線圈)和控制變壓器初級電流的開關。電子教科書告訴我們，V=Ldi/dt。因此，如果線圈初級繞組中的電流瞬間發生變化(即di/dt值較大)，初級繞組中就會產生高電壓。如果點火線圈的匝數比是n，初級電壓可以根據繞組匝數比放大。因此，火花塞間隙上會產生10kV至20kV的電壓。一旦電壓超過間隙周圍空氣的介電常數，就會擊穿間隙，形成火花。這個火花將點燃燃料和空氣的混合物，從而產生發動機工作所需的能量(圖1)。
除柴油機外，所有的內燃機都有一個基本電路(汽車點火系統)。用于給點火線圈充電的開關元件經歷了很大的演變:從分電器中的單個機械開關和多個斷路器觸點，到安裝在分電器中的高壓達林頓雙極晶體管或單獨的電子控制模塊，再到直接安裝在火花塞上點火線圈中的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，這是一種直接安裝在火花塞上點火線圈中的智能IGBT。
許多年前，IGBT已經成為點火開關的應用領域。圖2是IGBT的剖視圖。與其他技術相比，IGBT具有以下重要優勢:
1.大電流時飽和電壓降低；
2.很容易構造一個可以處理高壓線圈(400~600V)的電路；
3.簡化的MOS驅動能力；
4.它能承受線圈工作異常時的高能耗(在SCIS的額定范圍內)。
圖2所示的點火IGBT示意圖包括幾個額外的重要元素。從集電極到柵極的雪崩二極管堆建立了“導通”電壓。當線圈的反激脈沖或尖峰脈沖迫使集電極上升到該電壓時，IGBT將開啟。此時，IGBT將消耗線圈在活動區時積累的剩余能量(而不是用來產生火花)。有了這個雪崩“箝位”電路，IGBT可以限制箝位電壓，使其遠低于N型外延摻雜/P基極(N epi/P基極)半導體的擊穿電壓，從而保證其安全工作。這樣，點火IGBT承受自箝位感應開關(SCIS)能量的能力可以顯著提高。這個續航能力是一個評級指標，也就是說， 每次點火線圈中的能量以火花形式釋放時，IGBT吸收的能量。通過限制初級線圈上的電壓，點火線圈本身也被保護免受過壓。
第一代點火IGBT可以大大減少IGBT的芯片面積，同時仍然保持優良的SCIS性能。這一進步催生了多芯片智能IGBT產品。這種智能產品結合了高性能BCD IC技術和高性能功率分立元件IGBT。智能IGBT線圈驅動電路的需求動因在于電源開關的發展方向由外置發動機控制模塊轉變為直接位于發動機火花塞上點火線圈中的元件。當點火線圈位于火花塞上時，這種結構稱為“火花塞上的線圈”；當線圈中包含線圈驅動電路時，這種結構稱為“接通線圈”。
“線圈上開關”結構在系統性能、可靠性和成本方面具有明顯的優勢。它的一些優點如下:
1.不需要高壓火花塞線；
2.發動機控制模塊中不會產生熱量；
3.節省發動機控制模塊的空間；
4.可以監控實際的火花產生以改善發動機控制。
性能優勢刺激了智能IGBT的需求。因此，汽車點火開關的功能正在演變為一種智能裝置，可以監測火花情況，采取限流措施保護線圈，還可以將發動機的點火狀態傳輸到發動機控制系統。
1.發動機控制模塊的信號接口。
發動機控制模塊驅動“線圈開關”智能IGBT存在很多問題。引擎蓋下的電氣環境噪音很擾人。發動機控制模塊的信號接口不僅需要處理這些噪聲，還需要解決發動機控制模塊與線圈位置之間數米長連接的潛在問題。電氣噪聲可能來自EMI輻射信號噪聲或相鄰線路大電流引起的磁感應噪聲。
除了上述噪聲問題之外，發動機控制模塊的實際接地參考點與線圈或發動機所在的接地點之間還有幾伏的電壓差。因此，發動機控制模塊和智能點火線圈驅動電路之間的規定接口必須能夠處理這些問題。
2.保護點火線圈。
圖3中的輸入信號命令IGBT開始給點火線圈充電。正常情況下，線圈停止充電釋放火花時，電流會達到7~10A。但是，當發動機處于低速時，特別是在發動機控制時間內出現突然減速或錯誤時，如果不切斷輸入，IGBT會使線圈充電電流超過額定值，這可能會導致線圈繞組損壞。
智能IGBT采用了幾種電路設計來防止點火線圈在這種情況下被損壞。
一種是限流電路，即直接用檢測電阻測量IGBT的集電極電流，或者用電流傳感IGBT測量。圖4顯示了這兩個電路。
直接測量的優點是可以很好的測量線圈電流，但是成本較高。與發射極引線串聯的檢測電阻通過7~10A線圈充入電流，會顯著增加功率開關的總壓降，會產生額外的能量耗散和發熱，給設計帶來麻煩。另一個負面影響是，與IGBT串聯的電阻會降低線圈的充電速度，從而影響系統的定時。
電流感應IGBT是這樣設計的；它將總電流的一小部分發送到電流監控電路，用于檢測IGBT集電器的總電流。這種IGBT消除了直接測量技術的兩個問題，因為沒有額外的電阻與IGBT的大電流通道串聯。然而，由于這種技術不再直接測量發射極電流，因此在設計中必須考慮一些額外的系統誤差，例如電流檢測比隨溫度或總電流的波動。電流感測IGBT中的一些單元與其主IGBT并聯，但是它們連接到單獨的發射極焊盤。因此，總集電極電流的一部分將流過該感測部分(或控制部分) IGBT的。流經控制部分的電流在總集電極電流中所占的比例，主要取決于控制區分流單元占IGBT剩余有源區單元的比例。但是，如果控制部分和主有源區的工作條件有任何差異，這個電流比就會受到影響，從而影響電流感測的準確性。尤其令人擔憂的是，如何讓IGBT的主體部分和控制部分的發射極保持相同的電位。任何電壓差都會直接改變這部分的柵發射極電壓。
一旦IGBT限制了線圈的充電電流，線圈的過電流問題就可以解決了。但是，此時的IGBT本身還處于極高的能量耗散狀態，不可能長時間保持這種狀態而不損傷IGBT。在限流條件下，IGBT的功率會攀升到60W到100W，安裝在點火線圈中，IGBT對周圍的熱阻可高達60~70oC/W，因為線圈中沒有良好的散熱通道。因此，結溫Tj=Ta+Pd×Rth(ja)，在此條件下，任何半導體器件的結溫都會迅速超過可接受的結溫限值。
上述問題的一個解決方案是給智能IGBT增加一個“最大停留”電路。該電路提供暫停功能，可以在線圈充電一定時間后關閉IGBT，防止IGBT過熱。
與限流電路類似，懸浮電路也可以保護IGBT，但它有負面影響。一旦暫停電路的接管時間超過預設限制，就有可能不加選擇地點燃。通常，暫停電路不受發動機管理系統的控制，其操作取決于IGBT何時開始給點火線圈充電。這樣就有可能在不合適的活塞位置點火，從而損壞發動機。
智能IGBT可以通過增加一個叫做“軟關機”的功能來解決這個問題。當暫停時間達到設定值時，軟啟動電路將生效。它控制IGBT減緩其電流，而不是立即中斷它。因為集電極電流總是減小，所以線圈中產生的電壓可以保持在低水平，從而防止點火事件在發動機管理系統設置的時間之外發生。
智能IGBT還可以監測點火線圈的次級電壓，從而獲得關于火花質量的信息。次級繞組的電壓會通過線圈的匝數比反映在初級繞組上。這些信息可以被捕獲并發送回發動機管理系統，以優化發動機性能，從而提高功率或減少排放。
這些建議只是點火開關放在點火線圈中所帶來的各種功能中的一小部分。不同的發動機控制制造商采用的具體點火功能和特性差異很大；然而，許多新興系統開發反映的總趨勢是采用“線圈上開關”技術，因為它在成本和性能方面具有優勢。
通過采用多芯片封裝技術，這些增加的點火功能可以與IGBT地相結合。汽車環境(尤其是點火環境)通常溫度高，噪聲干擾大。通過將IGBT與控制電路物理隔離，可以提高每個器件的抗噪聲能力，減少溫度引起的各種問題。IGBT的設計和工藝可以集中在IGBT的一些關鍵參數上，比如SCIS和VCE(上)?？刂艻C可以在高性能仿真功能中被優化。
圖5顯示了正在開發的幾種智能IGBT，它們都采用了多芯片封裝技術。這些產品采用EcoSpark IGBT技術，單位面積SCIS能力達到行業水平，Vce(on)極低。使用高性能模擬BICMOS控制芯片，整個智能點火線圈驅動電路可以集成到單個封裝中。
圖5:多芯片智能點火設計
控制芯片和IGBT組合在一個多引腳TO-220或TO-263封裝中。IGBT焊接在封裝的頭部，以降低IGBT和封裝之間的電阻和熱阻?？刂乒苄居媒^緣聚酰亞胺材料粘貼在同一插座上，以將其與IGBT的高壓集電極隔離。
另一種替代結構是將IGBT、控制芯片和其他所需的外部組件安裝在一個小模塊中，該模塊可以放入點火線圈中。
無論采用哪種結構，點火電源開關和控制/監控智能都逐漸融入點火線圈，這一點很清楚。開發這些新型智能點火裝置有許多困難:
1.高壓大電流功率開關和低功率模擬控制電路需要靠在一起；
2.工作溫度高；
3.可能存在各種損壞電池的瞬態現象；
4.更高性能的模擬功能；
5.體積??；
6.散熱條件差，但功耗大。
從安裝在汽車分電器上的機械接觸技術開始，點火系統經歷了一個漫長的發展過程。如今，這些機械觸點和分銷商已經退位?？刂瓶刂凭€圈中電流的IGBT開關不僅僅是一個開關，而是一個與發動機管理系統的其余部分集成在一起的控制元件。線圈開關將包含越來越多的功能，如開發多火花系統以改善燃料燃燒，并增加二次(火花塞)電流監控功能以監控燃燒質量。
點火IGBT、混合信號IC和封裝技術使“線圈上開關”技術所允許的所有系統優勢得以實現。所以，下次你加油提速的時候，你可能想的不是讓發動機工作的火花，而是智能點火IGBT在默默努力，帶你去你想去的地方。