汽车点火装置的最新进展
日期：2008-11-27 23:06:12 来源：中国自动化网
点击： 作者：
点击： 作者：
点击【 大 中 小 】放大字体.
在你不注意的时候，你汽车的引擎盖下正经历着巨变。无论你驾驶的是小巧的经济型汽车、还是豪华房车或运动型轿车，如果没有火花越过火花塞中的间隙，你哪里也去不了。除了关注汽车百公里耗油量外，大家都认为燃油在燃烧室中燃烧是理所当然的事。
本篇文章介绍引擎控制系统如何产生火花，以及一些最新的点火系统和点火电路的发展。
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=L di/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：汽车点火系统)
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。
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。较之于其他技术，IGBT有如下一些重要优点：
* 大电流下的饱和压降低
* 易于构建出能处理高压线圈 (400V到600V) 的电路
* 简化的MOS驱动能力
* 在线圈异常工作时能承受高能耗(SCIS额定范围内)
“线圈上开关”的结构在系统性能、可靠性和成本方面具有显著的优势。其部分优点如下：
* 无需高压火花塞线；
* 引擎控制模块中不会产生热；
* 节省引擎控制模块中的空间；
* 可监视实际的火花产生情况，从而改善引擎控制。
最后一项性能优势激发了对智能IGBT的需求。因此，汽车点火开关功能正在演化为智能器件，能够监视火花情况、采取限流措施保护线圈，还能向引擎控制系统传递引擎的点火状态。
“线圈上开关”应用中的理想智能 IGBT功能
a) 引擎控制模块的信号接口。
由引擎控制模块驱动“线圈上开关”智能IGBT存在许多问题。引擎盖下的电气环境噪声干扰很大。引擎控制模块的信号接口不但需要应对这些噪声，而且还得解决引擎控制模块和线圈位置间数米长的连线的潜在问题。电气噪声可能来自EMI辐射信号噪声，也可能是邻近线路中大电流所导致的磁感应噪声。
除上述噪声问题外，引擎控制模块的实际接地参考点与线圈或引擎所处的接地点存在数伏的压差。因此，引擎控制模块和智能点火线圈驱动电路间的定义接口必须能够应对这些问题。
b) 保护点火线圈。
图3*中的输入信号命令IGBT 开始向点火线圈充电。在正常情况下，线圈在停止充电并释放火花时，电流将达到7A到10A。然而，在引擎处于低转速，尤其是急减速或引擎控制时间内发生错误时，如果输入未切断，IGBT便会使线圈充电电流超过额定值，从而可能造成线圈绕组损坏。
智能IGBT已采用好几种电路设计，以防止点火线圈在这种情况下损坏。
第一种是限流电路，即用检测电阻直接测量IGBT集电极电流，或用电流传感IGBT来测量。图4*给出了这两种电路。
直接测量的优点是能非常精确地测量线圈电流，但成本较高。串联在发射极引线上的检测电阻通过7到10A的线圈充电电流，会显著增加功率开关的总压降，而且会产生额外的能量耗散和发热，这些都会给设计带来麻烦。另一个负面效应是与IGBT串联的电阻会降低线圈的充电速度，从而影响系统的时序。
电流传感IGBT是这样设计的；它在总电流中分出一小部分，送到用于检测IGBT集电极总电流的电流监视电路中。这种IGBT消除了直接测量技术的那两个问题，原因没有额外的电阻串联在IGBT的大电流通道上。但是，由于这种技术不再是直接测量发射极电流，设计时就得考虑一些额外的系统误差，如分出的电流传感比例随温度或总电流而波动。电流传感IGBT中有一部分单元与其主IGBT部分相并联，但却接在单独的发射极焊盘上。因此，总集电极电流中有一部分将流经IGBT的这个传感部分 (或者说控制部分)。总集电极电流中流经该控制部分的电流比例，主要取决于该控制区域的分流单元与IGBT中剩余活动区域单元的比例。不过，若控制部分和主活动区域的工作条件存在任何差异，都将影响这个电流比例，从而影响电流传感的精度。尤其令人担心的是如何保持IGBT的主体部分和控制部分的发射极具有相同的电位。任何压差的出现都会直接改变该部分的栅极至发射极电压。
一旦IGBT限制了线圈充电电流，线圈的过流问题就得以解决。然而， 此时IGBT 本身还是处于能量耗散极高的状态，而且不可能长时间处于这种条件下而不损坏IGBT。在限流条件下，IGBT中的功率将攀升到 60W到100W。当安装在点火线圈中时，IGBT 对周围的热阻可高达60? to 70? C/W，因为线圈中缺乏良好的散热通道。因此，结温Tj=Ta+Pd*Rth(ja)，在这种条件下，任何半导体器件的结温都会迅速超过可接受的结温限制。
解决上述问题的一个方案是在智能IGBT中添加“最大暂停”(Maximum Dwell) 电路。这种电路提供暂停功能，可在线圈充电一定时间后将IGBT关断，以防止IGBT过热。
类似于限流电路，最大暂停电路也能保护IGBT，但却有负面作用。有可能在最大暂停电路接管时间一超过预设限度时，就不加以区分地点火。通常，最大暂停电路不受引擎管理系统的控制，它的运作取决于IGBT何时开始对点火线圈充电。这样就有可能在不恰当的活塞位置进行点火，从而损坏引擎。
智能IGBT便能解决这个问题：即增加称为“软关断”的功能。软关断电路会在最大暂停时间达到设定值时生效。它控制IGBT，使其电流缓减，而不是立即中断。由于集电极电流始终采用缓减方式，线圈中产生的电压就能保持在低水平，从而防止在引擎管理系统设定的时刻外发生点火事件。
智能IGBT还能监视点火线圈的次级电压，从而获得有关火花质量的信息。次级 线圈电压会通过线圈的绕线圈数比反映到初级绕组上。而这个信息可被捕捉，并被传送回引擎管理系统，用于优化引擎性能，进而提高功率或降低排放。
上述这些建议仅仅是点火开关置于点火线圈内时带来各种功能中的一小部分。不同引擎控制厂家采用的具体点火功能和特点差别很大；但许多新兴的系统开发所反映的总体趋势是采用“线圈上开关”技术，因为该技术在成本和性能方面都有优势。
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
在你不注意的时候，你汽车的引擎盖下正经历着巨变。无论你驾驶的是小巧的经济型汽车、还是豪华房车或运动型轿车，如果没有火花越过火花塞中的间隙，你哪里也去不了。除了关注汽车百公里耗油量外，大家都认为燃油在燃烧室中燃烧是理所当然的事。
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
本篇文章介绍引擎控制系统如何产生火花，以及一些最新的点火系统和点火电路的发展。
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
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=L di/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：汽车点火系统)
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
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。
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
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。较之于其他技术，IGBT有如下一些重要优点：
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
* 大电流下的饱和压降低
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
* 易于构建出能处理高压线圈 (400V到600V) 的电路
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
* 简化的MOS驱动能力
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
* 在线圈异常工作时能承受高能耗(SCIS额定范围内)
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
“线圈上开关”的结构在系统性能、可靠性和成本方面具有显著的优势。其部分优点如下：
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
* 无需高压火花塞线；
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
* 引擎控制模块中不会产生热；
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
* 节省引擎控制模块中的空间；
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
* 可监视实际的火花产生情况，从而改善引擎控制。
WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
最后一项性能优势激发了对智能IGBT的需求。因此，汽车点火开关功能正在演化为智能器件，能够监视火花情况、采取限流措施保护线圈，还能向引擎控制系统传递引擎的点火状态。
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
“线圈上开关”应用中的理想智能 IGBT功能
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
a) 引擎控制模块的信号接口。
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
由引擎控制模块驱动“线圈上开关”智能IGBT存在许多问题。引擎盖下的电气环境噪声干扰很大。引擎控制模块的信号接口不但需要应对这些噪声，而且还得解决引擎控制模块和线圈位置间数米长的连线的潜在问题。电气噪声可能来自EMI辐射信号噪声，也可能是邻近线路中大电流所导致的磁感应噪声。
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
除上述噪声问题外，引擎控制模块的实际接地参考点与线圈或引擎所处的接地点存在数伏的压差。因此，引擎控制模块和智能点火线圈驱动电路间的定义接口必须能够应对这些问题。
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
b) 保护点火线圈。
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
图3*中的输入信号命令IGBT 开始向点火线圈充电。在正常情况下，线圈在停止充电并释放火花时，电流将达到7A到10A。然而，在引擎处于低转速，尤其是急减速或引擎控制时间内发生错误时，如果输入未切断，IGBT便会使线圈充电电流超过额定值，从而可能造成线圈绕组损坏。
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
智能IGBT已采用好几种电路设计，以防止点火线圈在这种情况下损坏。
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
第一种是限流电路，即用检测电阻直接测量IGBT集电极电流，或用电流传感IGBT来测量。图4*给出了这两种电路。
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
直接测量的优点是能非常精确地测量线圈电流，但成本较高。串联在发射极引线上的检测电阻通过7到10A的线圈充电电流，会显著增加功率开关的总压降，而且会产生额外的能量耗散和发热，这些都会给设计带来麻烦。另一个负面效应是与IGBT串联的电阻会降低线圈的充电速度，从而影响系统的时序。
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
电流传感IGBT是这样设计的；它在总电流中分出一小部分，送到用于检测IGBT集电极总电流的电流监视电路中。这种IGBT消除了直接测量技术的那两个问题，原因没有额外的电阻串联在IGBT的大电流通道上。但是，由于这种技术不再是直接测量发射极电流，设计时就得考虑一些额外的系统误差，如分出的电流传感比例随温度或总电流而波动。电流传感IGBT中有一部分单元与其主IGBT部分相并联，但却接在单独的发射极焊盘上。因此，总集电极电流中有一部分将流经IGBT的这个传感部分 (或者说控制部分)。总集电极电流中流经该控制部分的电流比例，主要取决于该控制区域的分流单元与IGBT中剩余活动区域单元的比例。不过，若控制部分和主活动区域的工作条件存在任何差异，都将影响这个电流比例，从而影响电流传感的精度。尤其令人担心的是如何保持IGBT的主体部分和控制部分的发射极具有相同的电位。任何压差的出现都会直接改变该部分的栅极至发射极电压。
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
一旦IGBT限制了线圈充电电流，线圈的过流问题就得以解决。然而， 此时IGBT 本身还是处于能量耗散极高的状态，而且不可能长时间处于这种条件下而不损坏IGBT。在限流条件下，IGBT中的功率将攀升到 60W到100W。当安装在点火线圈中时，IGBT 对周围的热阻可高达60? to 70? C/W，因为线圈中缺乏良好的散热通道。因此，结温Tj=Ta+Pd*Rth(ja)，在这种条件下，任何半导体器件的结温都会迅速超过可接受的结温限制。
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
解决上述问题的一个方案是在智能IGBT中添加“最大暂停”(Maximum Dwell) 电路。这种电路提供暂停功能，可在线圈充电一定时间后将IGBT关断，以防止IGBT过热。
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
类似于限流电路，最大暂停电路也能保护IGBT，但却有负面作用。有可能在最大暂停电路接管时间一超过预设限度时，就不加以区分地点火。通常，最大暂停电路不受引擎管理系统的控制，它的运作取决于IGBT何时开始对点火线圈充电。这样就有可能在不恰当的活塞位置进行点火，从而损坏引擎。
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
智能IGBT便能解决这个问题：即增加称为“软关断”的功能。软关断电路会在最大暂停时间达到设定值时生效。它控制IGBT，使其电流缓减，而不是立即中断。由于集电极电流始终采用缓减方式，线圈中产生的电压就能保持在低水平，从而防止在引擎管理系统设定的时刻外发生点火事件。
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
智能IGBT还能监视点火线圈的次级电压，从而获得有关火花质量的信息。次级 线圈电压会通过线圈的绕线圈数比反映到初级绕组上。而这个信息可被捕捉，并被传送回引擎管理系统，用于优化引擎性能，进而提高功率或降低排放。
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
上述这些建议仅仅是点火开关置于点火线圈内时带来各种功能中的一小部分。不同引擎控制厂家采用的具体点火功能和特点差别很大；但许多新兴的系统开发所反映的总体趋势是采用“线圈上开关”技术，因为该技术在成本和性能方面都有优势。
本新闻共2页,当前在第1页1 2
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
上一篇: 基于仿真的设计集成提高混合动力车辆的可靠性下一篇: 没有了
评论内容
载入中...
载入中...
P
L
C
技
术
网
|
可
编
程
控
制
器
技
术
门
户
|
十
万
P
L
C
工
程
师
的
共
同
选
择
！
L
C
技
术
网
|
可
编
程
控
制
器
技
术
门
户
|
十
万
P
L
C
工
程
师
的
共
同
选
择
！
·最新招聘信息
·最新求职信息
·推荐产品
·推荐厂商
·栏目热门排行
·站内热门排行