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多晶片智慧IGBT提升汽車點火裝置效能

上網時間: 2006年11月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:點火線圈  引擎  IGBT  汽車電子  Fairchild 

要產生火花,你所需的元件包括電源、電池、變壓器(即點火線圈),以及用於控制變壓器初級電流的開關。電子學教科書告訴我們V=Ldi/dt。因此,如果線圈初級繞組中的電流發生瞬間變化(即di/dt值很大),初級繞組上將產生高壓。如果該點火線圈的匝比為N,就能按該繞線匝數比放大原邊電壓。結果是次級上將產生10kV到20kV的電壓,橫跨火星塞間隙。一旦該電壓超過間隙周圍空氣的介電常數,將擊穿間隙而形成火花。該火花會點燃燃油與空氣的混合物,因而產生引擎工作所需的能量(圖1)。


圖1:汽車點火系統

除柴油機外,所有的內燃機中都有一個基本電路(汽車點火系統)。用於點火線圈充電的開關元件已經歷了很大演變:從單個機械開關、分電器中的多個斷電器觸點,到安裝在分電器中或單獨電子控制模組中的高壓達靈頓雙載子電晶體,再到直接安裝在火星塞上點火線圈中的絕緣閘雙載子性電晶體(IGBT),最後是直接安裝在火星塞上點火線圈中的智慧IGBT。

很多年前,IGBT就已成為點火應用中的開關。圖2*所示為IGBT的剖面圖。較之於其它技術,IGBT有如下一些重要優點:


圖2:IGBT剖面圖

1. 大電流下的飽和壓降低;

2. 易於建構出能處理高壓線圈(400~600V)的電路;

3. 簡化的MOS驅動能力;

4. 在線圈異常工作時能承受高能耗(SCIS額定範圍內)。

圖2*所示的點火IGBT示意圖包括了幾個額外的重要元素。集電極到閘極的雪崩二極體堆設立起‘導通’電壓,當集電極被來自線圈的反激或尖峰脈衝強迫提升到該電壓時,IGBT將導通,此時IGBT會消耗其處於活動區時在線圈中積蓄的剩餘能量(而不是將其用於產生火花)。採用這種雪崩‘箝位’電路後,IGBT可限制箝位電壓,使其遠遠低於N型磊晶摻雜/P形基(N epi/P base)半導體的擊穿電壓,以確保其安全執行。這樣就能顯著提高點火IGBT對自箝位電感開關(SCIS)能量的承受能力。而這承受能力是一個額定指標,就是點火線圈中的能量每次被釋放為火花時IGBT所吸收的能量。透過限制初級線圈上的電壓,點火線圈本身也得到過壓保護。

最新一代點火IGBT已能大幅減少IGBT中的晶片面積,且仍保持出色的SCIS能力。這一進步正催生多晶片智慧IGBT產品。這類智慧產品將高性能BCD IC技術與高性能功率分離式元件IGBT相結合。智慧IGBT線圈驅動電路的需求動因在於:功率開關的發展方向由外置的引擎控制模組變為直接位於引擎中火星塞上的點火線圈內的構件。當點火線圈位於火星塞上,這種結構稱為‘火星塞上線圈(coil on plug)’;當線圈驅動電路包括在線圈中,這種結構則稱為‘線圈上開關(switch on coil)’。

‘線圈上開關’的結構在系統性能、可靠性和成本方面具有顯著的優勢。其部份優點如下:

1. 無需高壓火星塞線;

2. 引擎控制模組中不會產生熱;

3. 節省引擎控制模組中的空間;

4. 可監視實際的火花產生情況,因而改善引擎控制。

最後一項性能優勢激發了對智慧IGBT的需求。因此,汽車點火開關功能正演化為智慧元件,能夠監視火花情況、採取限流措施保護線圈,還能向引擎控制系統傳遞引擎的點火狀態。

‘線圈上開關’應用中的理想智慧IGBT功能

1. 引擎控制模組的訊號介面。

由引擎控制模組驅動‘線圈上開關’智慧IGBT存在許多問題。引擎蓋下的電氣環境噪音干擾很大。引擎控制模組的訊號介面不但需要應對這些噪音,而且還得解決引擎控制模組和線圈位置間數公尺長的連線的潛在問題。電氣噪音可能來自EMI輻射訊號噪音,也可能是鄰近線路中大電流所導致的磁感應噪音。

除上述噪音問題外,引擎控制模組的實際接地參考點與線圈或引擎所處的接地點存在數伏的壓差。因此,引擎控制模組和智慧點火線圈驅動電路間的定義介面必須能夠應對這些問題。

2. 保護點火線圈。

圖3*中的輸入訊號命令IGBT開始向點火線圈充電。在正常情況下,線圈在停止充電並釋放火花時,電流將達到7A到10A。然而,在引擎處於低轉速,尤其是急減速或引擎控制時間內發生錯誤時,如果輸入未切斷,IGBT便會使線圈充電電流超過額定值,因而可能造成線圈繞組損壞。


圖3:典型的點火波形

智慧IGBT已採用好幾種電路設計,以防止點火線圈在這種情況下損壞。

第一種是限流電路,即用檢測電阻直接測量IGBT集電極電流,或用電流感測IGBT來測量。圖4*顯示了這兩種電路。



圖4:限流電路

直接測量的優點是能非常精確地測量線圈電流,但成本較高。串聯在射極接腳上的檢測電阻通過7到10A的線圈充電電流,會顯著增加功率開關的總壓降,而且會產生額外的能量耗散和發熱,這些都會給設計帶來麻煩。另一個負面效應是與IGBT串聯的電阻會降低線圈的充電速度,因而影響系統的時序。

電流感測IGBT的設計是在總電流中分出一小部份,送到用於檢測IGBT集電極總電流的電流監視電路中。這種IGBT消除了直接測量技術的那兩個問題,原因沒有額外的電阻串聯在IGBT的大電流通道上。但是,由於這種技術不再是直接測量射極電流,設計時就得考慮一些額外的系統誤差,如分出的電流感測比例隨溫度或總電流而波動。電流感測IGBT中有一部份單元與其主IGBT部份相並聯,但卻接在單獨的射極焊盤上。因此,總集電極電流中有一部份將流經IGBT的這個感測部份(或者說控制部份)。總集電極電流中流經該控制部份的電流比例,主要取決於該控制區域的分流單元與IGBT中剩餘活動區域單元的比例。不過,若控制部份和主活動區域的工作條件存在任何差異,都將影響這個電流比例,因而影響電流感測的精密度。尤其令人擔心的是如何保持IGBT的主體部份和控制部份的射極具有相同的電位。任何壓差的出現都會直接改變該部份的閘極至射極電壓。

一旦IGBT限制了線圈充電電流,線圈的過流問題就得以解決。然而,此時IGBT本身還是處於能量耗散極高的狀態,而且不可能長時間處於這種條件下而不損壞IGBT。在限流條件下,IGBT中的功率將攀升到60W到100W。當安裝在點火線圈中時,IGBT對周圍的熱阻可高達60~70oC/W,因為線圈中缺乏良好的散熱通道。因此,接點溫度Tj=Ta+Pd×Rth(ja),在這種條件下,任何半導體元件的接點溫度都會迅速超過可接受的接點溫度限制。

解決上述問題的一個方案是在智慧IGBT中添加‘最大暫停(Maximum Dwell)’電路。這種電路提供暫停功能,可在線圈充電一定時間後將IGBT切斷,以防止IGBT過熱。

類似於限流電路,最大暫停電路也能保護IGBT,但卻有負面作用。有可能在最大暫停電路接管時間一超過預設限度時,就不加以區分地點火。通常,最大暫停電路不受引擎管理系統的控制,它的運作取決於IGBT何時開始對點火線圈充電。這樣就有可能在不恰當的活塞位置進行點火,因而損壞引擎。

智慧IGBT便能解決這個問題:即增加稱為‘軟切斷’的功能。軟切斷電路會在最大暫停時間達到設定值時生效。它控制IGBT,使其電流緩減,而不是立即中斷。由於集電極電流始終採用緩減方式,線圈中產生的電壓就能保持在低水準,因而防止在引擎管理系統設定的時刻外發生點火事件。

智慧IGBT還能監視點火線圈的次級電壓,因而獲得有關火花品質的資訊。次級線圈電壓會透過線圈的繞線圈數比反映到初級繞組上。而這個資訊可被捕捉,並被傳送回引擎管理系統,用於最佳化引擎性能,進而提高功率或降低排放。

上述這些建議僅僅是點火開關置於點火線圈內時帶來各種功能中的一小部份。不同引擎控制廠家採用的具體點火功能和特點差別很大;但許多新興的系統開發所反映的整體趨勢是採用‘線圈上開關’技術,因為該技術在成本和性能方面都有優勢。

透過採用多晶片封裝技術,可以將這些添加的點火功能與IGBT最佳地結合在一起。汽車環境-尤其是點火環境-通常的溫度都很高、噪音干擾極大。將IGBT和控制電路實體地隔離開來,就能提高各元件的抗噪能力和減少溫度誘發的種種問題。IGBT的設計和製程重點可以集中在IGBT的一些關鍵參數上,如SCIS和Vce(on);而對控制IC則可在高性功能方面進行最佳化。

圖5*給出了幾種正開發中的智慧IGBT,都採用了多晶片封裝技術。這些產品採用最新的EcoSpark IGBT技術,具有業界最高水準的單位面積SCIS能力,同時其Vce(on)極低。採用高性能的類比BICMOS控制晶片,就可將整個智慧點火線圈驅動電路納入單個封裝中。


圖5:多晶片智慧點火設計

控制晶片和IGBT結合在多接腳的TO-220或TO-263封裝中。IGBT焊接在封裝件的管座(header)上,以大幅降低IGBT與封裝件間的電阻和熱阻。控制晶片用絕緣的聚醯亞胺材料黏著在同一管座上,使其與IGBT的高壓集電極隔離。

另一個可選擇的構造是將IGBT和控制晶片以及其它所需的外接元件,安裝在可放入點火線圈內的小模組中。圖6給出了這種構造的幾個例子。


圖6:在印刷電路板上開發的智慧點火系統

無論採用什麼樣的構造,有一點很清楚:點火功率開關和控制/監視智慧化均逐漸納入點火線圈中。開發這些新的智慧點火裝置存在很多困難:

1. 高壓、大電流功率開關與低功率類比控制電路需緊靠在一起;

2. 高的工作溫度;

3. 可能存在損壞電池的各種瞬態現象;

4. 更高性能的類比功能;

5. 小尺寸;

6. 散熱條件差,但功率耗散大。

若從安裝在汽車分電器中的機械觸點技術算起,點火系統經已走過一段很長的發展歷程。今天,這些機械觸點和分電器已經退位。控制線圈中電流的IGBT開關已不僅僅是一個開關,而是與引擎管理系統其餘部份整合在一起的控制元件。線圈開關中需要包含的功能將變得越來越多,例如為改善燃油燃燒而開發出多火花系統,以及為了監視燃燒品質而添加次級(火星塞)電流監視功能。

最新的點火IGBT、混合訊號IC及封裝技術,使‘線圈上開關’技術所允許的種種系統優勢得以實現。因此,下次當你加油提速時,可能不會想到令引擎工作的火花,但智慧點火IGBT正默默地在努力工作,將你帶到想去的地方。

作者:Jim Gillberg

Jack Wojslawowicz

Fairchild公司




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