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汽车点火系统中的智能IGBT设计案例

2014-01-23 11:45
水墨黯月
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  要产生火花,你所需的器件包括电源、电池、变压器(即点火线圈),以及用于控制变压器初级电流的开关。电子学教科书告诉我们V=Ldi/dt。因此,如果线圈初级绕组中的电流发生瞬间变化(即di/dt值很大),初级绕组上将产生高压。如果该点火线圈的匝比为N,就能按该绕线匝数比放大原边电压。结果是次级上将产生10kV到20kV的电压,横跨火花塞间隙。一旦该电压超过间隙周围空气的介电常数,将击穿间隙而形成火花。该火花会点燃燃油与空气的混合物,从而产生引擎工作所需的能量(图1)。

  除柴油机外,所有的内燃机中都有一个基本电路(汽车点火系统)。用于点火线圈充电的开关元件已经历了很大演变:从单个机械开关、分电器中的多个断电器触点,到安装在分电器中或单独电子控制模块中的高压达林顿双极晶体管,再到直接安装在火花塞上点火线圈中的绝缘栅双极性晶体管(IGBT),最后是直接安装在火花塞上点火线圈中的智能IGBT。

汽车点火系统中的智能IGBT设计案例

图1:汽车点火系统架构示意图

  IGBT的优点

  很多年前,IGBT就已成为点火应用中的开关。图2所示为IGBT的剖面图。较之于其它技术,IGBT有如下一些重要优点:

  1. 大电流下的饱和压降低;

  2. 易于构建出能处理高压线圈(400~600V)的电路;

  3. 简化的MOS驱动能力;

  4. 在线圈异常工作时能承受高能耗(SCIS额定范围内)。

  图2所示的点火IGBT示意图包括了几个额外的重要元素。集电极到栅极的雪崩二极管堆建立起“导通”电压,当集电极被来自线圈的反激或尖峰脉冲强迫提升到该电压时,IGBT将导通,此时IGBT会消耗其处于活动区时在线圈中积蓄的剩余能量(而不是将其用于产生火花)。采用这种雪崩“箝位”电路后,IGBT可限制箝位电压,使其远远低于N型外延掺杂/P形基(N epi/P base)半导体的击穿电压,以确保其安全运行。这样就能显着提高点火IGBT对自箝位电感开关(SCIS)能量的承受能力。而这承受能力是一个额定指标,即点火线圈中的能量每次被释放为火花时IGBT所吸收的能量。通过限制初级线圈上的电压,点火线圈本身也得到过压保护。

汽车点火系统中的智能IGBT设计案例

图2:IGBT剖面图

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