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标题: 智能IGBT在汽车点火系统中的应用2 [打印本页]

作者: rise_ming 时间: 2013-7-29 22:12 标题: 智能IGBT在汽车点火系统中的应用2

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。
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：
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；
高的工作温度；
可能存在损坏电池的各种瞬态现象；
更高性能的模拟功能；
小尺寸；
散热条件差，但功率耗散大。
若从安装在汽车分电器中的机械触点技术算起，点火系统经已走过一段很长的发展历程。今天，这些机械触点和分电器已经退位。控制线圈中电流的IGBT开关已不仅仅是一个开关，而是与引擎管理系统其余部分集成在一起的控制元件。线圈开关中需要包含的功能将变得越来越多，例如为改善燃油燃烧而开发出多火花系统，以及为了监视燃烧质量而添加次级(火花塞)电流监视功能。
最新的点火IGBT、混合信号IC及封装技术，使“线圈上开关”技术所允许的种种系统优势得以实现。因此，下次当你加油提速时，可能不会想到令引擎工作的火花，但智能点火IGBT正默默地在努力工作，将你带到想去的地方。

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