在你不注意的時候，你汽車的引擎蓋下正經(jīng)歷著巨變。無論你駕駛的是小巧的經(jīng)濟(jì)型汽車、還是豪華房車或運(yùn)動型轎車，如果沒有火花越過火花塞中的間隙，你哪里也去不了。除了關(guān)注汽車百公里耗油量外，大家都認(rèn)為燃油在燃燒室中燃燒是理所當(dāng)然的事。
本篇文章介紹引擎控制系統(tǒng)如何產(chǎn)生火花，以及一些最新的點(diǎn)火系統(tǒng)和點(diǎn)火電路的發(fā)展。
要產(chǎn)生火花，你所需的器件包括電源、電池、變壓器(即點(diǎn)火線圈)，以及用于控制變壓器初級電流的開關(guān)。電子學(xué)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(fā)生瞬間變化(即di/dt值很大)，初級繞組上將產(chǎn)生高壓。如果該點(diǎn)火線圈的匝比為N，就能按該繞線匝數(shù)比放大原邊電壓。結(jié)果是次級上將產(chǎn)生10KV到20KV的電壓，橫跨火花塞間隙。一旦該電壓超過間隙周圍空氣的介電常數(shù)，將擊穿間隙而形成火花。該火花會點(diǎn)燃燃油與空氣的混合物，從而產(chǎn)生引擎工作所需的能量。(圖1：汽車點(diǎn)火系統(tǒng))
除柴油機(jī)外，所有的內(nèi)燃機(jī)中都有一個基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電的開關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變：從單個機(jī)械開關(guān)、分電器中的多個斷電器觸點(diǎn)，到安裝在分電器中或單獨(dú)電子控制模塊中的高壓達(dá)林頓雙極晶體管，再到直接安裝在火花塞上點(diǎn)火線圈中的絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)，最后是直接安裝在火花塞上點(diǎn)火線圈中的智能IGBT。
很多年前，IGBT就已成為點(diǎn)火應(yīng)用中的開關(guān)。圖2*所示為IGBT的剖面圖。較之于其他技術(shù)，IGBT有如下一些重要優(yōu)點(diǎn)：
*大電流下的飽和壓降低
*易于構(gòu)建出能處理高壓線圈(400V到600V)的電路
*簡化的MOS驅(qū)動能力
*在線圈異常工作時能承受高能耗(SCIS額定范圍內(nèi))
“線圈上開關(guān)”的結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)性能、可靠性和成本方面具有顯著的優(yōu)勢。其部分優(yōu)點(diǎn)如下：
*無需高壓火花塞線；
*引擎控制模塊中不會產(chǎn)生熱；
*節(jié)省引擎控制模塊中的空間；
*可監(jiān)視實(shí)際的火花產(chǎn)生情況，從而改善引擎控制。
最后一項(xiàng)性能優(yōu)勢激發(fā)了對智能IGBT的需求。因此，汽車點(diǎn)火開關(guān)功能正在演化為智能器件，能夠監(jiān)視火花情況、采取限流措施保護(hù)線圈，還能向引擎控制系統(tǒng)傳遞引擎的點(diǎn)火狀態(tài)。
“線圈上開關(guān)”應(yīng)用中的理想智能IGBT功能
a)引擎控制模塊的信號接口。
由引擎控制模塊驅(qū)動“線圈上開關(guān)”智能IGBT存在許多問題。引擎蓋下的電氣環(huán)境噪聲干擾很大。引擎控制模塊的信號接口不但需要應(yīng)對這些噪聲，而且還得解決引擎控制模塊和線圈位置間數(shù)米長的連線的潛在問題。電氣噪聲可能來自EMI輻射信號噪聲，也可能是鄰近線路中大電流所導(dǎo)致的磁感應(yīng)噪聲。
除上述噪聲問題外，引擎控制模塊的實(shí)際接地參考點(diǎn)與線圈或引擎所處的接地點(diǎn)存在數(shù)伏的壓差。因此，引擎控制模塊和智能點(diǎn)火線圈驅(qū)動電路間的定義接口必須能夠應(yīng)對這些問題。
b)保護(hù)點(diǎn)火線圈。
圖3*中的輸入信號命令I(lǐng)GBT開始向點(diǎn)火線圈充電。在正常情況下，線圈在停止充電并釋放火花時，電流將達(dá)到7A到10A。然而，在引擎處于低轉(zhuǎn)速，尤其是急減速或引擎控制時間內(nèi)發(fā)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，從而可能造成線圈繞組損壞。
智能IGBT已采用好幾種電路設(shè)計，以防止點(diǎn)火線圈在這種情況下?lián)p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，或用電流傳感IGBT來測量。圖4*給出了這兩種電路。
直接測量的優(yōu)點(diǎn)是能非常精確地測量線圈電流，但成本較高。串聯(lián)在發(fā)射極引線上的檢測電阻通過7到10A的線圈充電電流，會顯著增加功率開關(guān)的總壓降，而且會產(chǎn)生額外的能量耗散和發(fā)熱，這些都會給設(shè)計帶來麻煩。另一個負(fù)面效應(yīng)是與IGBT串聯(lián)的電阻會降低線圈的充電速度，從而影響系統(tǒng)的時序。
電流傳感IGBT是這樣設(shè)計的；它在總電流中分出一小部分，送到用于檢測IGBT集電極總電流的電流監(jiān)視電路中。這種IGBT消除了直接測量技術(shù)的那兩個問題，原因沒有額外的電阻串聯(lián)在IGBT的大電流通道上。但是，由于這種技術(shù)不再是直接測量發(fā)射極電流，設(shè)計時就得考慮一些額外的系統(tǒng)誤差，如分出的電流傳感比例隨溫度或總電流而波動。電流傳感IGBT中有一部分單元與其主IGBT部分相并聯(lián)，但卻接在單獨(dú)的發(fā)射極焊盤上。因此，總集電極電流中有一部分將流經(jīng)IGBT的這個傳感部分(或者說控制部分)?？偧姌O電流中流經(jīng)該控制部分的電流比例，主要取決于該控制區(qū)域的分流單元與IGBT中剩余活動區(qū)域單元的比例。不過，若控制部分和主活動區(qū)域的工作條件存在任何差異，都將影響這個電流比例，從而影響電流傳感的精度。尤其令人擔(dān)心的是如何保持IGBT的主體部分和控制部分的發(fā)射極具有相同的電位。任何壓差的出現(xiàn)都會直接改變該部分的柵極至發(fā)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本身還是處于能量耗散極高的狀態(tài)，而且不可能長時間處于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(dāng)安裝在點(diǎn)火線圈中時，IGBT對周圍的熱阻可高達(dá)60?to70?C/W，因?yàn)榫€圈中缺乏良好的散熱通道。因此，結(jié)溫Tj=TaPd*Rth(ja)，在這種條件下，任何半導(dǎo)體器件的結(jié)溫都會迅速超過可接受的結(jié)溫限制。
解決上述問題的一個方案是在智能IGBT中添加“最大暫停”(MaximumDwell)電路。這種電路提供暫停功能，可在線圈充電一定時間后將IGBT關(guān)斷，以防止IGBT過熱。
類似于限流電路，最大暫停電路也能保護(hù)IGBT，但卻有負(fù)面作用。有可能在最大暫停電路接管時間一超過預(yù)設(shè)限度時，就不加以區(qū)分地點(diǎn)火。通常，最大暫停電路不受引擎管理系統(tǒng)的控制，它的運(yùn)作取決于IGBT何時開始對點(diǎn)火線圈充電。這樣就有可能在不恰當(dāng)?shù)幕钊恢眠M(jìn)行點(diǎn)火，從而損壞引擎。
智能IGBT便能解決這個問題：即增加稱為“軟關(guān)斷”的功能。軟關(guān)斷電路會在最大暫停時間達(dá)到設(shè)定值時生效。它控制IGBT，使其電流緩減，而不是立即中斷。由于集電極電流始終采用緩減方式，線圈中產(chǎn)生的電壓就能保持在低水平，從而防止在引擎管理系統(tǒng)設(shè)定的時刻外發(fā)生點(diǎn)火事件。
智能IGBT還能監(jiān)視點(diǎn)火線圈的次級電壓，從而獲得有關(guān)火花質(zhì)量的信息。次級線圈電壓會通過線圈的繞線圈數(shù)比反映到初級繞組上。而這個信息可被捕捉，并被傳送回引擎管理系統(tǒng)，用于優(yōu)化引擎性能，進(jìn)而提高功率或降低排放。
上述這些建議僅僅是點(diǎn)火開關(guān)置于點(diǎn)火線圈內(nèi)時帶來各種功能中的一小部分。不同引擎控制廠家采用的具體點(diǎn)火功能和特點(diǎn)差別很大；但許多新興的系統(tǒng)開發(fā)所反映的總體趨勢是采用“線圈上開關(guān)”技術(shù)，因?yàn)樵摷夹g(shù)在成本和性能方面都有優(yōu)勢。
通過采用多裸片封裝技術(shù)，可以將這些添加的點(diǎn)火功能與IGBT最佳地結(jié)合在一起。汽車環(huán)境-尤其是點(diǎn)火環(huán)境-通常的溫度都很高、噪聲干擾極大。將IGBT和控制電路物理地隔離開來，就能提高各器件的抗噪能力和減少溫度誘發(fā)的種種問題。IGBT的設(shè)計和工藝重點(diǎn)可以集中在IGBT的一些關(guān)鍵參數(shù)上，如SCIS和Vce(on)；而對控制IC則可在高性能模擬功能方面進(jìn)行優(yōu)化。
圖5*給出了幾種正在開發(fā)中的智能IGBT，都采用了多裸片封裝技術(shù)。這些產(chǎn)品采用最新的EcoSparkTMIGBT技術(shù)，具有業(yè)界最高水平的單位面積SCIS能力，同時其Vce(on)極低。采用高性能的模擬BICMOS控制裸片，就可將整個智能點(diǎn)火線圈驅(qū)動電路納入單個封裝中。
控制裸片和IGBT結(jié)合在多引腳的TO-220或TO-263封裝中。IGBT焊接在封裝件的管座(header)上，以最大限度降低IGBT與封裝件間的電阻和熱阻?？刂坡闫媒^緣的聚酰亞胺材料粘貼在同一管座上，使其與IGBT的高壓集電極隔離。
另一個可選擇的構(gòu)造是將IGBT和控制裸片以及其它所需的外接部件，安裝在可放入點(diǎn)火線圈內(nèi)的小模塊中。圖6給出了這種構(gòu)造的幾個例子。
無論采用什么樣的構(gòu)造，有一點(diǎn)很清楚：點(diǎn)火功率開關(guān)和控制/監(jiān)視智能化均逐漸納入點(diǎn)火線圈中。開發(fā)這些新的智能點(diǎn)火裝置存在很多困難：
*高壓、大電流功率開關(guān)與低功率模擬控制電路需要緊靠在一起；
*高的工作溫度；
*可能存在損壞電池的各種瞬態(tài)現(xiàn)象；
*更高性能的模擬功能
*小尺寸
*散熱條件差，但功率耗散大。
若從安裝在汽車分電器中的機(jī)械觸點(diǎn)技術(shù)算起，點(diǎn)火系統(tǒng)經(jīng)已走過一段很長的發(fā)展歷程。今天，這些機(jī)械觸點(diǎn)和分電器已經(jīng)退位?？刂凭€圈中電流的IGBT開關(guān)已不僅僅是一個開關(guān)，而是與引擎管理系統(tǒng)其余部分集成在一起的控制元件。線圈開關(guān)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(fā)出多火花系統(tǒng)，以及為了監(jiān)視燃燒質(zhì)量而添加次級(火花塞)電流監(jiān)視功能。
最新的點(diǎn)火IGBT、混合信號IC及封裝技術(shù)，使“線圈上開關(guān)”技術(shù)所允許的種種系統(tǒng)優(yōu)勢得以實(shí)現(xiàn)。因此，下次當(dāng)你加油提速時，可能不會想到令引擎工作的火花，但智能點(diǎn)火IGBT正默默地在努力工作，將你帶到想去的地方。
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