為了產(chǎn)生火花，你需要的設(shè)備包括電源、電池、變壓器(即點火線圈)和控制變壓器初級電流的開關(guān)。電子教科書告訴我們，V=Ldi/dt。因此，如果線圈初級繞組中的電流瞬間發(fā)生變化(即di/dt值較大)，初級繞組中就會產(chǎn)生高電壓。如果點火線圈的匝數(shù)比是n，初級電壓可以根據(jù)繞組匝數(shù)比放大。因此，火花塞間隙上會產(chǎn)生10kV至20kV的電壓。一旦電壓超過間隙周圍空氣的介電常數(shù)，就會擊穿間隙，形成火花。這個火花將點燃燃料和空氣的混合物，從而產(chǎn)生發(fā)動機工作所需的能量(圖1)。
除柴油機外，所有的內(nèi)燃機都有一個基本電路(汽車點火系統(tǒng))。用于給點火線圈充電的開關(guān)元件經(jīng)歷了很大的演變:從分電器中的單個機械開關(guān)和多個斷路器觸點，到安裝在分電器中的高壓達(dá)林頓雙極晶體管或單獨的電子控制模塊，再到直接安裝在火花塞上點火線圈中的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，這是一種直接安裝在火花塞上點火線圈中的智能IGBT。
許多年前，IGBT已經(jīng)成為點火開關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域。圖2是IGBT的剖視圖。與其他技術(shù)相比，IGBT具有以下重要優(yōu)勢:
1.大電流時飽和電壓降低；
2.很容易構(gòu)造一個可以處理高壓線圈(400~600V)的電路；
3.簡化的MOS驅(qū)動能力；
4.它能承受線圈工作異常時的高能耗(在SCIS的額定范圍內(nèi))。
圖2所示的點火IGBT示意圖包括幾個額外的重要元素。從集電極到柵極的雪崩二極管堆建立了“導(dǎo)通”電壓。當(dāng)線圈的反激脈沖或尖峰脈沖迫使集電極上升到該電壓時，IGBT將開啟。此時，IGBT將消耗線圈在活動區(qū)時積累的剩余能量(而不是用來產(chǎn)生火花)。有了這個雪崩“箝位”電路，IGBT可以限制箝位電壓，使其遠(yuǎn)低于N型外延摻雜/P基極(N epi/P基極)半導(dǎo)體的擊穿電壓，從而保證其安全工作。這樣，點火IGBT承受自箝位感應(yīng)開關(guān)(SCIS)能量的能力可以顯著提高。這個續(xù)航能力是一個評級指標(biāo)，也就是說， 每次點火線圈中的能量以火花形式釋放時，IGBT吸收的能量。通過限制初級線圈上的電壓，點火線圈本身也被保護(hù)免受過壓。
第一代點火IGBT可以大大減少IGBT的芯片面積，同時仍然保持優(yōu)良的SCIS性能。這一進(jìn)步催生了多芯片智能IGBT產(chǎn)品。這種智能產(chǎn)品結(jié)合了高性能BCD IC技術(shù)和高性能功率分立元件IGBT。智能IGBT線圈驅(qū)動電路的需求動因在于電源開關(guān)的發(fā)展方向由外置發(fā)動機控制模塊轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯游挥诎l(fā)動機火花塞上點火線圈中的元件。當(dāng)點火線圈位于火花塞上時，這種結(jié)構(gòu)稱為“火花塞上的線圈”；當(dāng)線圈中包含線圈驅(qū)動電路時，這種結(jié)構(gòu)稱為“接通線圈”。
“線圈上開關(guān)”結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)性能、可靠性和成本方面具有明顯的優(yōu)勢。它的一些優(yōu)點如下:
1.不需要高壓火花塞線；
2.發(fā)動機控制模塊中不會產(chǎn)生熱量；
3.節(jié)省發(fā)動機控制模塊的空間；
4.可以監(jiān)控實際的火花產(chǎn)生以改善發(fā)動機控制。
性能優(yōu)勢刺激了智能IGBT的需求。因此，汽車點火開關(guān)的功能正在演變?yōu)橐环N智能裝置，可以監(jiān)測火花情況，采取限流措施保護(hù)線圈，還可以將發(fā)動機的點火狀態(tài)傳輸?shù)桨l(fā)動機控制系統(tǒng)。
1.發(fā)動機控制模塊的信號接口。
發(fā)動機控制模塊驅(qū)動“線圈開關(guān)”智能IGBT存在很多問題。引擎蓋下的電氣環(huán)境噪音很擾人。發(fā)動機控制模塊的信號接口不僅需要處理這些噪聲，還需要解決發(fā)動機控制模塊與線圈位置之間數(shù)米長連接的潛在問題。電氣噪聲可能來自EMI輻射信號噪聲或相鄰線路大電流引起的磁感應(yīng)噪聲。
除了上述噪聲問題之外，發(fā)動機控制模塊的實際接地參考點與線圈或發(fā)動機所在的接地點之間還有幾伏的電壓差。因此，發(fā)動機控制模塊和智能點火線圈驅(qū)動電路之間的規(guī)定接口必須能夠處理這些問題。
2.保護(hù)點火線圈。
圖3中的輸入信號命令I(lǐng)GBT開始給點火線圈充電。正常情況下，線圈停止充電釋放火花時，電流會達(dá)到7~10A。但是，當(dāng)發(fā)動機處于低速時，特別是在發(fā)動機控制時間內(nèi)出現(xiàn)突然減速或錯誤時，如果不切斷輸入，IGBT會使線圈充電電流超過額定值，這可能會導(dǎo)致線圈繞組損壞。
智能IGBT采用了幾種電路設(shè)計來防止點火線圈在這種情況下被損壞。
一種是限流電路，即直接用檢測電阻測量IGBT的集電極電流，或者用電流傳感IGBT測量。圖4顯示了這兩個電路。
直接測量的優(yōu)點是可以很好的測量線圈電流，但是成本較高。與發(fā)射極引線串聯(lián)的檢測電阻通過7~10A線圈充入電流，會顯著增加功率開關(guān)的總壓降，會產(chǎn)生額外的能量耗散和發(fā)熱，給設(shè)計帶來麻煩。另一個負(fù)面影響是，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)的定時。
電流感應(yīng)IGBT是這樣設(shè)計的；它將總電流的一小部分發(fā)送到電流監(jiān)控電路，用于檢測IGBT集電器的總電流。這種IGBT消除了直接測量技術(shù)的兩個問題，因為沒有額外的電阻與IGBT的大電流通道串聯(lián)。然而，由于這種技術(shù)不再直接測量發(fā)射極電流，因此在設(shè)計中必須考慮一些額外的系統(tǒng)誤差，例如電流檢測比隨溫度或總電流的波動。電流感測IGBT中的一些單元與其主IGBT并聯(lián)，但是它們連接到單獨的發(fā)射極焊盤。因此，總集電極電流的一部分將流過該感測部分(或控制部分) IGBT的。流經(jīng)控制部分的電流在總集電極電流中所占的比例，主要取決于控制區(qū)分流單元占IGBT剩余有源區(qū)單元的比例。但是，如果控制部分和主有源區(qū)的工作條件有任何差異，這個電流比就會受到影響，從而影響電流感測的準(zhǔn)確性。尤其令人擔(dān)憂的是，如何讓IGBT的主體部分和控制部分的發(fā)射極保持相同的電位。任何電壓差都會直接改變這部分的柵發(fā)射極電壓。
一旦IGBT限制了線圈的充電電流，線圈的過電流問題就可以解決了。但是，此時的IGBT本身還處于極高的能量耗散狀態(tài)，不可能長時間保持這種狀態(tài)而不損傷IGBT。在限流條件下，IGBT的功率會攀升到60W到100W，安裝在點火線圈中，IGBT對周圍的熱阻可高達(dá)60~70oC/W，因為線圈中沒有良好的散熱通道。因此，結(jié)溫Tj=Ta+Pd×Rth(ja)，在此條件下，任何半導(dǎo)體器件的結(jié)溫都會迅速超過可接受的結(jié)溫限值。
上述問題的一個解決方案是給智能IGBT增加一個“最大停留”電路。該電路提供暫停功能，可以在線圈充電一定時間后關(guān)閉IGBT，防止IGBT過熱。
與限流電路類似，懸浮電路也可以保護(hù)IGBT，但它有負(fù)面影響。一旦暫停電路的接管時間超過預(yù)設(shè)限制，就有可能不加選擇地點燃。通常，暫停電路不受發(fā)動機管理系統(tǒng)的控制，其操作取決于IGBT何時開始給點火線圈充電。這樣就有可能在不合適的活塞位置點火，從而損壞發(fā)動機。
智能IGBT可以通過增加一個叫做“軟關(guān)機”的功能來解決這個問題。當(dāng)暫停時間達(dá)到設(shè)定值時，軟啟動電路將生效。它控制IGBT減緩其電流，而不是立即中斷它。因為集電極電流總是減小，所以線圈中產(chǎn)生的電壓可以保持在低水平，從而防止點火事件在發(fā)動機管理系統(tǒng)設(shè)置的時間之外發(fā)生。
智能IGBT還可以監(jiān)測點火線圈的次級電壓，從而獲得關(guān)于火花質(zhì)量的信息。次級繞組的電壓會通過線圈的匝數(shù)比反映在初級繞組上。這些信息可以被捕獲并發(fā)送回發(fā)動機管理系統(tǒng)，以優(yōu)化發(fā)動機性能，從而提高功率或減少排放。
這些建議只是點火開關(guān)放在點火線圈中所帶來的各種功能中的一小部分。不同的發(fā)動機控制制造商采用的具體點火功能和特性差異很大；然而，許多新興系統(tǒng)開發(fā)反映的總趨勢是采用“線圈上開關(guān)”技術(shù)，因為它在成本和性能方面具有優(yōu)勢。
通過采用多芯片封裝技術(shù)，這些增加的點火功能可以與IGBT地相結(jié)合。汽車環(huán)境(尤其是點火環(huán)境)通常溫度高，噪聲干擾大。通過將IGBT與控制電路物理隔離，可以提高每個器件的抗噪聲能力，減少溫度引起的各種問題。IGBT的設(shè)計和工藝可以集中在IGBT的一些關(guān)鍵參數(shù)上，比如SCIS和VCE(上)?？刂艻C可以在高性能仿真功能中被優(yōu)化。
圖5顯示了正在開發(fā)的幾種智能IGBT，它們都采用了多芯片封裝技術(shù)。這些產(chǎn)品采用EcoSpark IGBT技術(shù)，單位面積SCIS能力達(dá)到行業(yè)水平，Vce(on)極低。使用高性能模擬BICMOS控制芯片，整個智能點火線圈驅(qū)動電路可以集成到單個封裝中。
圖5:多芯片智能點火設(shè)計
控制芯片和IGBT組合在一個多引腳TO-220或TO-263封裝中。IGBT焊接在封裝的頭部，以降低IGBT和封裝之間的電阻和熱阻。控制管芯用絕緣聚酰亞胺材料粘貼在同一插座上，以將其與IGBT的高壓集電極隔離。
另一種替代結(jié)構(gòu)是將IGBT、控制芯片和其他所需的外部組件安裝在一個小模塊中，該模塊可以放入點火線圈中。
無論采用哪種結(jié)構(gòu)，點火電源開關(guān)和控制/監(jiān)控智能都逐漸融入點火線圈，這一點很清楚。開發(fā)這些新型智能點火裝置有許多困難:
1.高壓大電流功率開關(guān)和低功率模擬控制電路需要靠在一起；
2.工作溫度高；
3.可能存在各種損壞電池的瞬態(tài)現(xiàn)象；
4.更高性能的模擬功能；
5.體積?。?/p>
6.散熱條件差，但功耗大。
從安裝在汽車分電器上的機械接觸技術(shù)開始，點火系統(tǒng)經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程。如今，這些機械觸點和分銷商已經(jīng)退位?？刂瓶刂凭€圈中電流的IGBT開關(guān)不僅僅是一個開關(guān)，而是一個與發(fā)動機管理系統(tǒng)的其余部分集成在一起的控制元件。線圈開關(guān)將包含越來越多的功能，如開發(fā)多火花系統(tǒng)以改善燃料燃燒，并增加二次(火花塞)電流監(jiān)控功能以監(jiān)控燃燒質(zhì)量。
點火IGBT、混合信號IC和封裝技術(shù)使“線圈上開關(guān)”技術(shù)所允許的所有系統(tǒng)優(yōu)勢得以實現(xiàn)。所以，下次你加油提速的時候，你可能想的不是讓發(fā)動機工作的火花，而是智能點火IGBT在默默努力，帶你去你想去的地方。