智能IGBT在汽车点火系统中的应用

发布时间：2013-03-18  新闻来源：伟兰达科技

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要产生火花，你所需的器件包括电源、电池、变压器(即点火线圈)，以及用于控制变压器初级电流的开关。电子学教科书告诉我们V=Ldi/dt。因此，如果线圈初级绕组中的电流发生瞬间变化(即di/dt值很大)，初级绕组上将产生高压。如果该点火线圈的匝比为N，就能按该绕线匝数比放大原边电压。结果是次级上将产生10kV到20kV的电压，横跨火花塞间隙。一旦该电压超过间隙周围空气的介电常数，将击穿间隙而形成火花。该火花会点燃燃油与空气的混合物，从而产生引擎工作所需的能量(图1)。

除柴油机外，所有的内燃机中都有一个基本电路(汽车点火系统)。用于点火线圈充电的开关元件已经历了很大演变：从单个机械开关、分电器中的多个断电器触点，到安装在分电器中或单独电子控制模块中的高压达林顿双极晶体管，再到直接安装在火花塞上点火线圈中的绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，最后是直接安装在火花塞上点火线圈中的智能IGBT。

很多年前，IGBT就已成为点火应用中的开关。图2所示为IGBT的剖面图。较之于其它技术，IGBT有如下一些重要优点：

1. 大电流下的饱和压降低；
2. 易于构建出能处理高压线圈(400~600V)的电路；
3. 简化的MOS驱动能力；
4. 在线圈异常工作时能承受高能耗(SCIS额定范围内)。

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。

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。

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