被愛才知情重,酒醒方知酒濃----- 被愛才知情重,酒醒方知酒濃-----

16愛的鼓勵 2訂閱站台

汽車點火裝置最新的發展

      在人們不注意的時候，有一些重大的改變正悄悄地在汽車的引擎蓋下進行。無論駕駛的是小巧經濟型汽車，還是豪華型的房車或運動型跑車，如果沒有火星塞間隙中的火花，哪裡也去不了。除了計算汽車百公里所消耗的燃油量之外，也要把在燃燒室中燃燒的油料列入考慮範圍。

      要產生火花，所需的器件包括電源、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。電子學叢書列出Electronics 101：V＝L di∕dt。因此，如果讓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數比為N，就能依照該繞線匝數比放大該電壓。結果是次級上將產生10KV到20KV的電壓，這將橫跨火星塞的間隙。一旦該電壓超過間隙周遭空氣的介電常數，將擊穿間隙而產生出火花。該火花會點燃油料與空氣的混合物，從而產生引擎工作所需的能量。

      汽車點火系統
      除柴油引擎外，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；從一個機械的開關、配電盤中的多個斷電觸點，到安裝在配電盤中或單獨電子控制模組中的高壓達靈頓雙極性電晶體，再到直接安裝在火星塞上點火線圈中的絕緣柵雙極性電晶體，最後是直接安裝在火星塞上點火線圈中的智能IGBT。

      最新一代點火IGBT
      新的IGBT已能大幅地縮小IGBT中裸晶的面積，且仍能保持出色的SCIS能力。此一進展也帶來了多裸晶智能IGBT產品。這類智能產品將高性能雙極CMOS數碼IC技術與高性能功率分立元件IGBT相結合。智能IGBT線圈驅動電路需求的驅動原因是在於：功率開關的發展方向是由外部的引擎控制模組變為直接位於引擎中火星塞上點火線圈內的構件。當點火線圈位於火星塞上時，這種結構稱為「火星塞上線圈」；當線圈驅動電路包括在線圈中時，這種技術稱為「鼻式線圈」。

      SOC技術在系統性能、可靠性和成本方面均具有顯著的優勢。它不需要高壓火星塞線。引擎控制模組中沒有發熱源，有效節省引擎控制模組中的空間，更可監控實際的火花產生情況，從而改善引擎控制。汽車點火開關功能正在朝智能器件的方向發展，能夠監控火花的情況，採取限流措施保護線圈，還能朝引擎控制系統傳遞引擎的點火狀態。

      SOC應用的理想智能IGBT功能
      引擎控制模組的信號界面由引擎控制模組驅動SOC智能IGBT有許多問題。引擎蓋下的電氣環境雜訊干擾很大。引擎控制模組的信號界面不但需要應付這些雜訊，而且還要解決引擎控制模組和線圈位置間數公尺長連線的潛在問題。電氣雜訊可能來自EMI輻射信號雜訊，也可能是鄰近線路中大電流所導致的磁感應雜訊。

      除上述雜訊問題外，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間有數伏的壓差。因此，引擎控制模組和智能點火線圈驅動電路間的定義界面必須能夠應付這些問題。

      智能IGBT軟關斷功能
      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傷害到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對周遭的熱阻可高達60℃－70℃ C∕W，因為線圈中缺乏良好的散熱通
道。因此，接面溫度（junction temperature） Tj＝Ta＋Pd*Rth（ja），從中可以發現，在這種條件下，任何半導體器件的接面溫度都會迅速超過可接受的接面溫度限制。

      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。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，從而損壞引擎。

      智能IGBT便能解決這個問題：即增加稱為「軟關斷」的功能。軟關斷電路會在最大暫停時間達到設定值時生效。它控制IGBT，使其電流緩緩地減少，而不是立即地中斷。智能IGBT還能監控點火線圈的次級電壓，從而獲得有關火花品質的資訊。次級線圈電壓會經由線圈的繞線圈數比反映到初級繞組上。而這個資訊可以被擷取，並被傳送回引擎管理系統，用來優化引擎性能，進而提高功率或降低排放。

      不同引擎控制廠家採用的具體點火功能和特點有很大的差別；但許多新興的系統開發所反映的整體趨勢是採用SOC技術，因該技術具有成本和性能方面的優勢。透過採用多裸晶封裝技術，可以將這些添加的點火功能與IGBT適當地結合在一起。汽車環境中，將IGBT和控制電路實體地隔離開來，就能提高各器件的抗噪能力和減少溫度誘發的種種問題。

      最新的點火IGBT、混合信號IC及封裝技術，使SOC技術所允許的種種系統優勢得以實現。因此，下次當對引擎加速時，可能不會想到令引擎工作的火花，但智能點火IGBT正默默地在努力工作，將帶到各用戶想去的地方。
      圖中所示的點火IGBT示意圖包括了幾個額外的重要元素。從集電極到柵極的齊納二極體堆 建立起一「導通」電壓，當集電極被來自線圈的反馳式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）。採用這種齊納「箝位」電路後，IGBT可限制箝位電壓，使其遠遠低於N型外延摻雜（N epi）∕P形基（P base）半導體
的擊穿電壓，以確保其安全運行。這樣就能顯著地提高點火IGBT對自箝位電感開關能量的承受能力。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成火花時，IGBT所吸收的能量。藉由限制初級線圈上的電壓，點火線圈本身也得到過電壓的保護。
      圖為典型的點火波形 。圖中輸入信號命令IGBT開始為點火線圈充電。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，在引擎處於低轉速時，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，從而可能造成線圈繞組的損壞。智能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的集電極電流，或用電流檢測IGBT來測量。
      圖中的電路就是這兩種電路。直接測量的優點是能夠非常精確地測量線圈電流，但成本較高。串聯在發射極引線上的檢測電阻透過7到10A的線圈充電電流，會顯著地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，這些都會為設計帶來困擾。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，從而影響系統的時序。
      圖中是幾種正在開發中的智能IGBT，採用了多裸晶封裝技術。這些產品採用最新的EcoSparkTM 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。採用高性能的模擬BICMOS控制裸晶，就可將整個智能點火線圈驅動電路納入單一的封裝中。
      在印刷電路板上開發的智能點火系統：另一個可選擇的結構是將IGBT和控制裸晶以及其他所需的外接部件，安裝在可納入點火線圈內的小模組中。以上便是這種結構的幾個例子。無論採用什麼樣的結構，有一點很清楚：點火功率開關和控制∕監控智能化均逐漸納入點火線圈中。若從安裝在汽車配電盤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，這些機械觸點和配電盤已經退位。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分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的多火花系統，以及為了監控燃燒品質而添加的次級（火星塞）電流監控功能。