基于智能IGBTS的分布式點(diǎn)火系統方案設計

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，不僅平穩停機、低噪聲、低震動(dòng)很重要，而且降低燃料消耗和減少排放的要求也要滿(mǎn)足。

　　第一代電子控制模塊著(zhù)重強調了功能的實(shí)現（噴射、點(diǎn)火、lambda控制等），但是現在的焦點(diǎn)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(diǎn)火系統帶來(lái)了很多革新。這篇文章從技術(shù)和市場(chǎng)的角度說(shuō)明了英飛凌科技采用了片上芯片技術(shù)的智能點(diǎn)火IGBT是如何為進(jìn)一步的點(diǎn)火優(yōu)化提供一種全新的解決方案。
　　汽車(chē)點(diǎn)火系統的發(fā)展和演化
　　在很多汽車(chē)子系統里面，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(diǎn)火系統的發(fā)展（表1）。

表1，電子點(diǎn)火系統的發(fā)展

　　對于四缸發(fā)動(dòng)機，早期的基于晶體管的點(diǎn)火系統采用有兩個(gè)功率輸出級的雙點(diǎn)火線(xiàn)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是不夠的?，F代的帶有汽缸交迭和多值控制的內燃機不允許在排氣沖程進(jìn)行點(diǎn)火。這種發(fā)動(dòng)機每個(gè)汽缸都需要單獨的線(xiàn)圈 (插頭線(xiàn)圈)或

筆狀線(xiàn)圈來(lái)點(diǎn)火。
　　進(jìn)一步把功率開(kāi)關(guān)合并到這個(gè)筆狀線(xiàn)圈或者插頭線(xiàn)圈上，這樣就產(chǎn)生了一種性能顯著(zhù)提高的機械電子系統。把點(diǎn)火開(kāi)關(guān)放到筆狀線(xiàn)圈上有下列的優(yōu)點(diǎn)：
　　1、去除了高電流控制線(xiàn)和高壓點(diǎn)火電纜可以降低點(diǎn)火過(guò)程中的電磁干擾；
　　2、去除高電壓點(diǎn)火電纜可以降低成本，提高可靠性；
　　3、去掉點(diǎn)火開(kāi)關(guān)可以降低中央ECU的能量消耗。
　　這種分散式點(diǎn)火模型的驅動(dòng)和診斷可以由來(lái)自中央ECU的低電流驅動(dòng)器或收發(fā)器來(lái)提供。
　　同樣的點(diǎn)火線(xiàn)圈可以使用在任何數量的引擎汽缸上。當使用智能的筆狀線(xiàn)圈或者插頭線(xiàn)圈時(shí)，汽車(chē)制造商就有可能制造出一種標準的點(diǎn)火線(xiàn)圈，而且這種線(xiàn)圈對所有的引擎模型都是適用的。
　　分散式點(diǎn)火輸出級的需求
　　相對于ECU上的點(diǎn)火輸出級，分散式點(diǎn)火輸出級（直接在筆狀線(xiàn)圈或插頭線(xiàn)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(diǎn)火模塊直接安裝在引擎上，所以很容易受周?chē)哌_140℃的環(huán)境溫度（發(fā)動(dòng)機的冷卻劑維持著(zhù)低于140℃的溫度）和很高的震動(dòng)力的影響。這就對點(diǎn)火模塊的使用壽命和可靠性提出了巨大的挑戰。另外，筆狀線(xiàn)圈或者插頭線(xiàn)圈經(jīng)常使用密封的結構，這使得集成的功率開(kāi)關(guān)的冷卻變得非常困難。對于這種應用來(lái)說(shuō)，必須保證在175℃的最高結合溫度下所有電子器件正常工作。
　　由于ECU和點(diǎn)火模塊的距離可能有幾米遠，所以半導體和點(diǎn)火線(xiàn)圈的保護以及診斷就必須由點(diǎn)火模塊來(lái)提供。這就意味著(zhù)在點(diǎn)火模塊中又增加了電路復雜度。為了簡(jiǎn)化電纜以及減少點(diǎn)火模塊接口的數量，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(diǎn)火開(kāi)關(guān)中。所有的這些特點(diǎn)都需要更多的空間來(lái)實(shí)現，于是有限的安放空間就成為分散式點(diǎn)火輸出級的主要設計因素之一。用片上芯片技術(shù)生產(chǎn)的靈巧型IGBT就可能滿(mǎn)足對空間的嚴格要求。

表3，各種點(diǎn)火輸出級的比較


圖1，芯片疊加技術(shù)中的智能型IGBT