智能IGBTS分布式點火系統(tǒng)方案設(shè)計

近幾十年引擎和變速控制領(lǐng)域發(fā)展非常迅速，在高性能引擎中，不僅平穩(wěn)停機、低噪聲、低震動很重要，而且降低燃料消耗和減少排放的要求也要滿足。

　　第一代電子控制模塊著重強調(diào)了功能的實現(xiàn)（噴射、點火、lambda控制等），但是現(xiàn)在的焦點集中在帶有更高級別集成度和復雜度的優(yōu)化成本的半導體劃分上。
　　這種集成的趨勢給點火系統(tǒng)帶來了很多革新。這篇文章從技術(shù)和市場的角度說明了英飛凌科技采用了片上芯片技術(shù)的智能點火IGBT是如何為進一步的點火優(yōu)化提供一種全新的解決方案。
　　汽車點火系統(tǒng)的發(fā)展和演化
　　在很多汽車子系統(tǒng)里面，機械解決方案已經(jīng)完全被電子解決方案所取代。這篇文章將詳細的討論電子點火系統(tǒng)的發(fā)展（表1）。

表1，電子點火系統(tǒng)的發(fā)展

　　對于四缸發(fā)動機，早期的基于晶體管的點火系統(tǒng)采用有兩個功率輸出級的雙點火線圈（這種情況在目前的低檔產(chǎn)品中仍有應用）。在某些情況下這種系統(tǒng)是不夠的?，F(xiàn)代的帶有汽缸交迭和多值控制的內(nèi)燃機不允許在排氣沖程進行點火。這種發(fā)動機每個汽缸都需要單獨的線圈 (插頭線圈)或

筆狀線圈來點火。
　　進一步把功率開關(guān)合并到這個筆狀線圈或者插頭線圈上，這樣就產(chǎn)生了一種性能顯著提高的機械電子系統(tǒng)。把點火開關(guān)放到筆狀線圈上有下列的優(yōu)點：
　　1、去除了高電流控制線和高壓點火電纜可以降低點火過程中的電磁干擾；
　　2、去除高電壓點火電纜可以降低成本，提高可靠性；
　　3、去掉點火開關(guān)可以降低中央ECU的能量消耗。
　　這種分散式點火模型的驅(qū)動和診斷可以由來自中央ECU的低電流驅(qū)動器或收發(fā)器來提供。
　　同樣的點火線圈可以使用在任何數(shù)量的引擎汽缸上。當使用智能的筆狀線圈或者插頭線圈時，汽車制造商就有可能制造出一種標準的點火線圈，而且這種線圈對所有的引擎模型都是適用的。
　　分散式點火輸出級的需求
　　相對于ECU上的點火輸出級，分散式點火輸出級（直接在筆狀線圈或插頭線圈里面或上面）對于功率電子器件不但有不同的要求，而且在很多情況下這種要求更為苛刻（表2）。

表2，ECU上的輸出級和分散式輸出級的比較

　　機械電子式的點火模塊直接安裝在引擎上，所以很容易受周圍高達140℃的環(huán)境溫度（發(fā)動機的冷卻劑維持著低于140℃的溫度）和很高的震動力的影響。這就對點火模塊的使用壽命和可靠性提出了巨大的挑戰(zhàn)。另外，筆狀線圈或者插頭線圈經(jīng)常使用密封的結(jié)構(gòu)，這使得集成的功率開關(guān)的冷卻變得非常困難。對于這種應用來說，必須保證在175℃的最高結(jié)合溫度下所有電子器件正常工作。
　　由于ECU和點火模塊的距離可能有幾米遠，所以半導體和點火線圈的保護以及診斷就必須由點火模塊來提供。這就意味著在點火模塊中又增加了電路復雜度。為了簡化電纜以及減少點火模塊接口的數(shù)量，多路復用管腳的使用就成了首選。但是，多路復用管腳又需要將更多的電子器件集成到點火開關(guān)中。所有的這些特點都需要更多的空間來實現(xiàn)，于是有限的安放空間就成為分散式點火輸出級的主要設(shè)計因素之一。用片上芯片技術(shù)生產(chǎn)的靈巧型IGBT就可能滿足對空間的嚴格要求。

表3，各種點火輸出級的比較


圖1，芯片疊加技術(shù)中的智能型IGBT