淺析汽車點(diǎn)火系統(tǒng)中對(duì)智能IGBT技術(shù)的需求

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(zhǎng)的發(fā)展歷程。最新的點(diǎn)火IGBT、混合信號(hào)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(shì)得以實(shí)現(xiàn)。因此，本文分析了汽車點(diǎn)火系統(tǒng)，探討了汽車點(diǎn)火系統(tǒng)中對(duì)智能IGBT技術(shù)的需求。
　　1汽車點(diǎn)火系統(tǒng)
　　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）。
　　
　　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)火線圈充電的開關(guān)元件已經(jīng)歷了很大演變：從單個(gè)機(jī)械開關(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.
　　2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)）。
　　
　　圖2：IGBT剖面圖
　　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。通過限制初級(jí)線圈上的電壓，點(diǎn)火線圈本身也得到過壓保護(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“線圈上開關(guān)（switchoncoil）”。