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IGBT在溫度傳感器領(lǐng)域的工作原理與設(shè)計(jì),IGBT是如何做到讓汽車自動(dòng)點(diǎn)火的

2017年05月16日 14:17 網(wǎng)絡(luò)整理 作者: 用戶評(píng)論(0

  IGBT溫度傳感器中起到什么作用?

  在IGBT模塊應(yīng)用技術(shù)中,最關(guān)鍵的參數(shù)之一是IGBT芯片的溫度。直接測(cè)量的辦法是將溫度傳感器安裝在芯片上或者成為芯片的一部分。如此做將會(huì)減少承載芯片電流能力的有效區(qū)域。一個(gè)可行的替代方案用來(lái)確定芯片的溫度,從測(cè)量基板的溫度作為一個(gè)已知點(diǎn)開(kāi)始,使用熱模型計(jì)算IGBT溫度。在許多英飛凌的電力電子模塊中,通常集成了熱敏電阻,也稱之為NTC,作為一個(gè)溫度傳感器以簡(jiǎn)化精確的溫度測(cè)量的設(shè)計(jì)。

  IGBT一些新封裝結(jié)構(gòu)的模塊中,內(nèi)部封裝有溫度傳感器(NTC)。如功率集成模塊(PIM);六單元(EconoPACK)FS系列;三相整流橋(Econobridge);EasyPIM;EasyPACK;Easybridge;四單元H-橋(Econo-FourPACk);增強(qiáng)型半橋(Econodual+)等模塊內(nèi)均封裝有NTC溫度傳感器。NTC是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻,它可以有效地檢測(cè)功率模塊的穩(wěn)態(tài)殼溫(Tc)。模塊內(nèi)封裝的NTC熱敏電阻參數(shù)完全相同。NTC是安裝在硅片的附近以實(shí)現(xiàn)緊密的熱耦合,根據(jù)不同的模塊,可將用于測(cè)量模塊殼溫的溫度傳感器與芯片直接封裝在同一個(gè)陶瓷基板(DCB)上,也可以將NTC安裝在一個(gè)單獨(dú)的基板上,大大簡(jiǎn)化模塊殼溫的測(cè)量過(guò)程,如下圖所示。

  圖1:英飛凌EconoDUAL?3 模塊中的NTC溫度傳感器

  圖2所示,NTC與IGB或二極管芯片位于同一陶瓷基板上,模塊內(nèi)使用隔離用硅膠填充,在正常運(yùn)行條件下,它是滿足隔離電壓的要求。EUPEC在IGBT模塊最終測(cè)試中,對(duì)NTC進(jìn)行2.5KV交流,1分鐘100%的隔離能力測(cè)試。但根據(jù)EN50178的要求,必須滿足可能出現(xiàn)的任何故障期間保持安全隔離。由于IBGT模塊內(nèi)NTC可能暴露在高壓下(例如:短路期間或模塊燒毀后),用戶還須從外部進(jìn)行安全隔離。

除柴油機(jī)外,所有的內(nèi)燃機(jī)中都有一個(gè)基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電 的開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變:從單個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)、分電器中的多個(gè)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。

  圖2 IGBT模塊陶瓷基板橫切面

  如圖3所示,當(dāng)模塊內(nèi)部短路過(guò)流,或燒毀的過(guò)程中連線會(huì)熔化,并產(chǎn)生高能量的等離子區(qū),而所有連線的等離子區(qū)的擴(kuò)展方向都無(wú)法預(yù)期,如等離子區(qū)接觸到NTC,NTC熱敏電阻就會(huì)暴露在高壓下,這就是用戶需在外部進(jìn)行安全隔離的必要性。

除柴油機(jī)外,所有的內(nèi)燃機(jī)中都有一個(gè)基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電 的開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變:從單個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)、分電器中的多個(gè)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。

  圖3 質(zhì)量不好的IGBT模塊故障管殼

  1 可靠隔離的措施

  要實(shí)現(xiàn)可靠隔離,可以采用多種不同的方法,在某些應(yīng)用中,NTC傳感器本身的隔離能力已經(jīng)足夠。由于每個(gè)應(yīng)用情況不同,而且用戶內(nèi)部設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也各不相同,因此,應(yīng)根據(jù)各自的用途,設(shè)計(jì)符合要求的隔離。最常用的外部隔離方法是:將NTC與比較電路,通過(guò)光耦與控制邏輯隔離開(kāi),如圖4所示。

除柴油機(jī)外,所有的內(nèi)燃機(jī)中都有一個(gè)基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電 的開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變:從單個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)、分電器中的多個(gè)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。

  圖4 應(yīng)用光耦IL300進(jìn)行安全隔離

  在隔離失效的情況下,可能會(huì)在高壓與NTC之間產(chǎn)生一個(gè)通路,如下圖所示:

除柴油機(jī)外,所有的內(nèi)燃機(jī)中都有一個(gè)基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電 的開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變:從單個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)、分電器中的多個(gè)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。

  圖5 隔離失效下產(chǎn)生的通路

  該通路可能是在失效事件中移動(dòng)的鍵合線改變位置造成,或者失效事件中電弧放電產(chǎn)生的等離子體通道。因此,內(nèi)部NTC的隔離只能滿足功能隔離。如果需要加強(qiáng)隔離,需要在外部添加額外的隔離層。在最近幾年中,以下幾種方法已被證明是可行的選擇,其中:

  ·具有控制設(shè)計(jì)參照高壓加隔離屏障之間的接觸部分和整體控制的電子;

  ·使用模擬放大器內(nèi)部隔離屏障的電壓來(lái)檢測(cè)在NTC;

  ·轉(zhuǎn)移NTC的電壓給數(shù)字信息可以通過(guò)隔離像磁或光耦合器元件輸送到控制器。

  盡管在一般應(yīng)用中,NTC的功能性隔離已經(jīng)足夠,但是在特殊場(chǎng)合設(shè)計(jì)中應(yīng)該檢查所有的隔離要求是否都可以滿足。

  2 應(yīng)用NTC進(jìn)行溫度測(cè)量

  NTC安裝在IGBT模塊的DCB上,在模塊內(nèi)的熱量流通如下圖描述。

除柴油機(jī)外,所有的內(nèi)燃機(jī)中都有一個(gè)基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電 的開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變:從單個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)、分電器中的多個(gè)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。

  圖6 NTC安裝后,IGBT模塊內(nèi)的熱量流通

  芯片產(chǎn)生的熱量大部分直接流到散熱器然后從散熱器散發(fā)到環(huán)境中。此外,熱流量通過(guò)DCB材料及基板流向NTC的位置。因?yàn)闊崃坎荒芩查g流動(dòng),NTC只適用于表征穩(wěn)定工作狀態(tài)下的IGBT模塊外殼溫度。瞬態(tài)現(xiàn)象如短路條件下產(chǎn)生的熱量不能通過(guò)NTC監(jiān)測(cè),因?yàn)橄嚓P(guān)的時(shí)間常數(shù)太小,因此,NTC不能用于IGBT短路保護(hù)!表示熱量流通路徑的等效電路如下圖所示:

除柴油機(jī)外,所有的內(nèi)燃機(jī)中都有一個(gè)基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電 的開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變:從單個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)、分電器中的多個(gè)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。
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  圖7 熱量流通路徑的等效電路圖

  從這一概述,得出兩點(diǎn)結(jié)論:

  1. 有沿著小路rthjntc連接芯片的結(jié)溫降的NTC熱敏電阻的溫度,不能有低于結(jié)溫Tjunction。

  2.出于同樣的原因,對(duì)NTC溫度要高于溫度,可以在散熱器的檢測(cè)。

  從經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,散熱片的溫度和NTC的溫度之間的差異約10K溫度水平常用電力電子器件。

  知道第鏈正確價(jià)值觀是強(qiáng)制性的,如果溫度不能直接測(cè)量從這些值的計(jì)算。對(duì)于一個(gè)給定的模塊,根據(jù)值的承受和rthch可以讀取數(shù)據(jù)表中的IGBT和二極管的溫度。

  r值作為英飛凌提供資料的電力電子模塊的數(shù)據(jù)表與這些值的熱狀況,現(xiàn)在可以計(jì)算:

除柴油機(jī)外,所有的內(nèi)燃機(jī)中都有一個(gè)基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電 的開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變:從單個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)、分電器中的多個(gè)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。

  NTC測(cè)量溫度幾乎與管殼溫度相同,在較高的溫度水平上,NTC測(cè)量溫度大概比散熱器的溫度高10℃左右,這取決于散熱器的冷卻效率和模塊與散熱器的接觸熱阻。通過(guò)NTC的溫度值TT,還可以利用最靠近NTC的IGBT芯片的最大功耗估算其結(jié)溫Tj。

除柴油機(jī)外,所有的內(nèi)燃機(jī)中都有一個(gè)基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電 的開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變:從單個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)、分電器中的多個(gè)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。

  由于檢測(cè)電流通過(guò)NTC會(huì)加熱溫度傳感器本身,例如:TT=100℃,在NTC的溫度曲線中查到其阻值為RthT=500Ω,NTC的熱傳導(dǎo)率為145K/W,通過(guò)此值可定義上拉電阻:

除柴油機(jī)外,所有的內(nèi)燃機(jī)中都有一個(gè)基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電 的開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變:從單個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)、分電器中的多個(gè)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。

  如果把NTC的本身溫度上升限制在ΔTT=1K,則可允許的最大功耗為7mW是可以接受的,若外加反饋電壓U0為5V,則計(jì)算出上拉電阻的阻值為837Ω,因此可選擇阻值為820Ω的電阻代替上拉電阻。這時(shí),I=5V/(520+500)Ω=3.8mA就可以選擇V<3.8mA×500V=1.9V的電阻值為電壓比較器的關(guān)斷閥值,過(guò)熱保護(hù)功能可以通過(guò)模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果流過(guò)NTC的電流過(guò)小,則檢測(cè)到NTC上的電壓值也比較小,因而檢測(cè)的準(zhǔn)確性也會(huì)降低。若檢測(cè)電流過(guò)高,NTC本身的溫度上升也過(guò)高,影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。因此建議檢測(cè)電流的最佳值設(shè)定在3~4mA之間。

除柴油機(jī)外,所有的內(nèi)燃機(jī)中都有一個(gè)基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電 的開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變:從單個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)、分電器中的多個(gè)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。

  圖9:NTC電阻-溫度曲線圖

  溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)是2秒,由于芯片熱時(shí)間常數(shù)非常小,而整個(gè)散熱系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)又非常大,因此,NTC檢測(cè)到的溫變是時(shí)間比較長(zhǎng)的過(guò)載情況。上圖以曲線的形式顯示了溫度與電阻值的關(guān)系,也可以使用下面的解析函數(shù)來(lái)描述曲線:

除柴油機(jī)外,所有的內(nèi)燃機(jī)中都有一個(gè)基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電 的開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變:從單個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)、分電器中的多個(gè)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。

  其中:B=3375K,R1=5KΩ,T1=298K,

  T2是檢測(cè)溫度(開(kāi)氏溫標(biāo)),R2在T2溫度時(shí)NTC的阻值。

  IGBT在汽車點(diǎn)火系統(tǒng)中起到什么作用?

  要產(chǎn)生火花,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(jí)電流的開(kāi)關(guān)。電子學(xué)教科書告訴我們V=Ldi/dt。因此,如果線圈初級(jí)繞組中 的電流發(fā)生瞬間變化(即di/dt值很大),初級(jí)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(jí)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(guò)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(huì)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(如圖1)。

除柴油機(jī)外,所有的內(nèi)燃機(jī)中都有一個(gè)基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電 的開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變:從單個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)、分電器中的多個(gè)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。

  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(gè)基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電 的開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變:從單個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)、分電器中的多個(gè)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(kāi)關(guān)。圖2所示為IGBT的剖面圖。較之于其 它技術(shù),IGBT有如下一些重要優(yōu)點(diǎn):

  1.大電流下的飽和壓降低;

  2.易于構(gòu)建出能處理高壓線圈(400~600V)的電路;

  3.簡(jiǎn)化的MOS驅(qū)動(dòng)能力;

  4.在線圈異常工作時(shí)能承受高能耗(SCIS額定范圍內(nèi))。
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  圖2:IGBT剖面圖
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  圖2所示的點(diǎn)火IGBT示意圖包括了幾個(gè)額外的重要元素。集電極到柵極的雪崩二極管 堆建立起“導(dǎo)通”電壓,當(dāng)集電極被來(lái)自線圈的反激或尖峰脈沖強(qiáng)迫提升到該電壓時(shí),IGBT 將導(dǎo)通,此時(shí)IGBT會(huì)消耗其處于活動(dòng)區(qū)時(shí)在線圈中積蓄的剩余能量(而不是將其用于產(chǎn)生 火花)。采用這種雪崩“箝位”電路后,IGBT可限制箝位電壓,使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于N型外延摻雜/P 形基(Nepi/Pbase)半導(dǎo)體的擊穿電壓,以確保其安全運(yùn)行。這樣就能顯著提高點(diǎn)火IGBT 對(duì)自箝位電感開(kāi)關(guān)(SCIS)能量的承受能力。而這承受能力是一個(gè)額定指標(biāo),即點(diǎn)火線圈 中的能量每次被釋放為火花時(shí)IGBT所吸收的能量。通過(guò)限制初級(jí)線圈上的電壓,點(diǎn)火線圈 本身也得到過(guò)壓保護(hù)。

  最新一代點(diǎn)火IGBT已能大大減小IGBT中的裸片面積,且仍保持出色的SCIS能力。這一 進(jìn)步正在催生多裸片智能IGBT產(chǎn)品。這類智能產(chǎn)品將高性能BCDIC技術(shù)與高性能功率分立 元件IGBT相結(jié)合。智能IGBT線圈驅(qū)動(dòng)電路的需求動(dòng)因在于:功率開(kāi)關(guān)的發(fā)展方向由外置的 引擎控制模塊變?yōu)橹苯游挥谝嬷谢鸹ㄈ系狞c(diǎn)火線圈內(nèi)的構(gòu)件。當(dāng)點(diǎn)火線圈位于火花塞 上,這種結(jié)構(gòu)稱為“火花塞上線圈(coilonplug)”;當(dāng)線圈驅(qū)動(dòng)電路包括在線圈中,這種結(jié) 構(gòu)則稱為“線圈上開(kāi)關(guān)(switchoncoil)”。

  “線圈上開(kāi)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(shì)。其部分優(yōu)點(diǎn)如下:

  1.無(wú)需高壓火花塞線;

  2.引擎控制模塊中不會(huì)產(chǎn)生熱;

  3.節(jié)省引擎控制模塊中的空間;

  4.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(shì)激發(fā)了對(duì)智能IGBT的需求。因此,汽車點(diǎn)火開(kāi)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(kāi)關(guān)”應(yīng)用中的理想智能IGBT功能

  1.引擎控制模塊的信號(hào)接口

  由引擎控制模塊驅(qū)動(dòng)“線圈上開(kāi)關(guān)”智能IGBT存在許多問(wèn)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(hào)接口不但需要應(yīng)對(duì)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(zhǎng)的連線的潛在問(wèn)題。電氣噪聲可能來(lái)自EMI輻射信號(hào)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(wèn)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(dòng)電路間的定義接口必須能夠應(yīng)對(duì)這些問(wèn) 題。

  2.保護(hù)點(diǎn)火線圈

  圖3中的輸入信號(hào)命令I(lǐng)GBT開(kāi)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(shí),電流將達(dá)到7~10A。然而在引擎處于低速,尤其是急減速或引擎控制時(shí)間內(nèi) 發(fā)生錯(cuò)誤時(shí),如果輸入未切斷,IGBT便會(huì)使線圈充電電流超過(guò)額定值,從而可能造成線圈 繞組損壞。

除柴油機(jī)外,所有的內(nèi)燃機(jī)中都有一個(gè)基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電 的開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變:從單個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)、分電器中的多個(gè)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。

  圖3:典型的點(diǎn)火波形

  智能IGBT已采用好幾種電路設(shè)計(jì),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(cè)電阻直接測(cè)量IGBT集電極電流,或用電流傳感IGBT來(lái)測(cè) 量。圖4給出了這兩種電路。

除柴油機(jī)外,所有的內(nèi)燃機(jī)中都有一個(gè)基本電路(汽車點(diǎn)火系統(tǒng))。用于點(diǎn)火線圈充電 的開(kāi)關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變:從單個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)、分電器中的多個(gè)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。

  圖4 限流電路

  直接測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是能非常精確地測(cè)量線圈電流,但成本較高。串聯(lián)在發(fā)射極引線上的檢 測(cè)電阻通過(guò)7~10A的線圈充電電流,會(huì)顯著增加功率開(kāi)關(guān)的總壓降,而且會(huì)產(chǎn)生額外的能 量耗散和發(fā)熱,這些都會(huì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)麻煩。另一個(gè)負(fù)面效應(yīng)是與IGBT串聯(lián)的電阻會(huì)降低線 圈的充電速度,從而影響系統(tǒng)的時(shí)序。

  電流傳感IGBT是這樣設(shè)計(jì)的;它在總電流中分出一小部分送到用于檢測(cè)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(cè)量技術(shù)的那兩個(gè)問(wèn)題,原因沒(méi)有額外的 電阻串聯(lián)在IGBT的大電流通道上。但由于這種技術(shù)不再是直接測(cè)量發(fā)射極電流,設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)。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(gè)傳感部分(或者說(shuō)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(dòng)區(qū)域單元的比 例。不過(guò),若控制部分和主活動(dòng)區(qū)域的工作條件存在任何差異,都將影響這個(gè)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(huì)直接改變?cè)摬糠值臇艠O至發(fā)射極電壓。

  一旦IGBT限制了線圈充電電流,線圈的過(guò)流問(wèn)題就得以解決。然而,此時(shí)IGBT本身 還是處于能量耗散極高的狀態(tài),而且不可能長(zhǎng)時(shí)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(shí),IGBT對(duì)周圍的 熱阻可高達(dá)60~70oC/W,因?yàn)榫€圈中缺乏良好的散熱通道。因此,結(jié)溫Tj=Ta+Pd×Rth(ja), 在這種條件下,任何半導(dǎo)體器件的結(jié)溫都會(huì)迅速超過(guò)可接受的結(jié)溫限制。

  解決上述問(wèn)題的一個(gè)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(shí)間后將IGBT關(guān)斷,以防止IGBT過(guò)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(shí)間一超過(guò)預(yù)設(shè)限度時(shí),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(shí)開(kāi)始對(duì)點(diǎn)火線圈充電。這樣就有可能在不恰當(dāng)?shù)?活塞位置進(jìn)行點(diǎn)火,從而損壞引擎。

  智能IGBT便能解決這個(gè)問(wèn)題,即增加稱為“軟關(guān)斷”的功能。軟關(guān)斷電路會(huì)在最大暫停 時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)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(shí)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(jí)電壓,從而獲得有關(guān)火花質(zhì)量的信息。次級(jí)線圈電 壓會(huì)通過(guò)線圈的繞線圈數(shù)比反映到初級(jí)繞組上。而這個(gè)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(kāi)關(guān)置于點(diǎn)火線圈內(nèi)時(shí)帶來(lái)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(kāi)發(fā)所反映的總體趨勢(shì)是 采用“線圈上開(kāi)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(shì)。

  通過(guò)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(kāi)來(lái),就能提高各器件的抗噪能力和減少溫度誘發(fā)的種種問(wèn)題。IGBT的設(shè)計(jì)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(duì)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(kāi)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EcoSparkIGBT技術(shù),具有業(yè)界最高水平的單位面積SCIS能力,同時(shí)其Vce(on) 極低。采用高性能的模擬BICMOS控制裸片,就可將整個(gè)智能點(diǎn)火線圈驅(qū)動(dòng)電路納入單個(gè)封裝中。

  圖5:多裸片智能點(diǎn)火設(shè)計(jì)

  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。控制裸片用絕緣的聚 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(gè)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(gè)例子。

  圖6:在印刷電路板上開(kāi)發(fā)的智能點(diǎn)火系統(tǒng)

  無(wú)論采用什么樣的構(gòu)造,有一點(diǎn)很清楚:點(diǎn)火功率開(kāi)關(guān)和控制/監(jiān)視智能化均逐漸納入 點(diǎn)火線圈中。開(kāi)發(fā)這些新的智能點(diǎn)火裝置存在很多困難:

  1.高壓、大電流功率開(kāi)關(guān)與低功率模擬控制電路需要緊靠在一起;

  2.高的工作溫度;

  3.可能存在損壞電池的各種瞬態(tài)現(xiàn)象;

  4.更高性能的模擬功能;

  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(jī)械觸點(diǎn)技術(shù)算起,點(diǎn)火系統(tǒng)經(jīng)已走過(guò)一段很長(zhǎng)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(kāi)關(guān)已不僅僅是一個(gè) 開(kāi)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(kāi)關(guān)中需要包含的功能將 變得越來(lái)越多,例如為改善燃油燃燒而開(kāi)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(jí)(火花塞)電流監(jiān)視功能。

  最新的點(diǎn)火IGBT、混合信號(hào)IC及封裝技術(shù),使“線圈上開(kāi)關(guān)”技術(shù)所允許的種種系統(tǒng)優(yōu) 勢(shì)得以實(shí)現(xiàn)。因此,下次當(dāng)你加油提速時(shí),可能不會(huì)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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