Электронное зажигание IGBT – преимущественный пусковой момент автомобиля

Электронное зажигание IGBT – преимущественный пусковой момент автомобиля

Если для переключения тока катушки зажигания используется электронный компонент, контактный прерыватель коммутирует небольшой ток индуктивности. Либо контактный прерыватель за ненадобностью попросту удаляется из схемы в пользу более надежных электронных датчиков (датчики с эффектом Холла, магнитные и т.п.). Такой подход позволяет применять катушку зажигания низкой индуктивности, рассчитанную на более высокий пиковый ток. Соответственно, электронное зажигание IGBT улучшает характеристики двигателя на высоких оборотах, обеспечивает качественное зажигание даже на загрязнённых свечах. Рассмотрим тему.

Зажигание IGBT — спецификация выключателя зажигания

Переключатель зажигания автомобиля предусматривает соответствие определённым техническим спецификациям. Эти спецификации касаются:

  1. Значений напряжения и тока,
  2. Минимальной мощности передачи энергии в случае отсоединения свечи зажигания.
  3. Требований на управление в полном диапазоне температур.

Импульсной составляющей 250-300 вольт на первичной стороне обычно вполне достаточно для активации искры. Конечно, пик напряжения на свече зажигания достигнет 20 кВ или более по причине передаточного отношения, прежде чем формируется искра. Сразу после этого импульса, как первичное, так и вторичное напряжения падают. В момент явления искры эти параметры остаются значительно ниже пикового значения.

Следовательно, защитный стабилитрон нельзя заставить работать ниже напряжения 350 вольт, тем самым гарантируя, что импульс напряжения будет достаточно высоким. Напряжение переключателя, которое недопустимо завышать, должно быть как минимум на 50 вольт выше значения пробоя диода Зенера.

Так обеспечивается разумный безопасный запас. В настоящее время доступны полевые транзисторы IGBT, охватывающие диапазон BVCES от 400 до 1500 вольт

BVCES – аббревиатура, читается как: напряжение пробоя коллектор-эмиттер, короткое замыкание базы на эмиттер.

Электронное зажигание IGBT — ток и напряжение насыщения

Максимально допустимая плотность тока транзистора IGBT номиналом 500В на ток 8А в два раза больше, чем показывает биполярный транзистор, сопоставимый по номиналам. Преимущества полевого транзистора для зажигания очевидны не только с точки зрения напряжения пробоя и насыщения, но также с точки зрения безопасной рабочей зоны.

Следовательно, вполне допустимо достижение аналогичных характеристик электронного зажигания, что показывает схема стандартного зажигания на транзисторах Дарлингтона, причём с лучшим термическим сопротивлением.

Электронное зажигание IGBT: структурная схема + исполнение полупроводника
Структурная схема полупроводникового элемента IGBT системы электронного зажигания + типичное исполнение: З – затвор; К – коллектор; Э – эмиттер; А – транзистор (типа STGP10N50L); Б — полупроводник модуль

Область безопасной эксплуатации описывает способность транзистора одновременно выдерживать высокие уровни напряжения и тока. Есть два основных условия, при которых замок зажигания автомобиля может подвергаться этой комбинированной нагрузке:

  1. В нормальном рабочем состоянии спад тока коллектора в момент выключения вызывает повышение напряжения коллектора до возникновения искры. В момент этой фазы переключатель зажигания должен одновременно выдерживать высокие уровни напряжения и тока без повреждений или снижения надёжности работы.

Такое состояние достигается только в том случае, если уровни напряжения и тока находятся в пределах гарантированной зоны безопасной эксплуатации при отключении (обратное смещение). В противном случае потребуется вспомогательная сеть для формирования сигналов напряжения и тока.

Современная технология позволяет изготавливать транзисторы IGBT с областью RBSOA (Reverse Bias Safe Operating Area) — безопасная рабочая зона с обратным смещением. Граница напряжения здесь соответствует параметрам BVCES, а ограничение тока как минимум в два раза превышает номинальный ток устройства. Таким образом, исключается необходимость формировать вспомогательную сеть.

  1. В случае отсоединения свечи зажигания, ключ зажигания автомобиля должен иметь возможность поглощать энергию, которую катушка не может выделить при генерации искры. Вся накопленная электромагнитная энергия имеет тенденцию концентрироваться на паразитных ёмкостях цепи, заряжая цепи до высокого напряжения. Вызывается лавинообразное движение устройства с риском повторного пробоя и выхода из строя.

Эта проблема решается путём рассеивания энергии на переключателе мощности через защитный стабилитрон, расположенный между коллектором и основанием устройства. Стабилитроном включается устройство, как только напряжение коллектора превышает номинальное напряжение стабилитрона.

Способы расчёта энергии переключателя электронного зажигания

Обычный способ рассчитать минимальную энергию, которую переключатель электронного зажигания пропускает без повреждений, очевиден. Требуется указать:

  • напряжение батареи,
  • индуктивность катушки,
  • ток катушки,
  • напряжение фиксации для стабилитрона,
  • ёмкость коллектора-эмиттера (по возможности).

С разумным запасом по току, например 8A, переключатель электронного зажигания должен выдержать отключение без нагрузки на вторичной обмотке катушки. Тогда рассеиваемая энергия:

E = 0,5 * L кат. * I2 кат. * (Vcl / Vcl – Vb);

где: Iкат. = 8А; Lкат. = 7 мГн; Vb = 14 вольт (параметры для примера).

Если принимать во внимание напряжение срабатывания 400В, общая энергия составит:

E = 232mJ

Такой вид спецификации обычно называют «тестом на эксплуатацию», который гарантирует возможности IGBT транзисторов для электронного зажигания автомобилей.

Входные характеристики, диапазон температур, рассеиваемая мощность

Переключатель электронного зажигания двигателя автомобиля необходимо подбирать с учётом определённых параметров. Чтобы ток и напряжение, поступающие от ступени привода, были достаточными для включения и выключения системы при любых температурных условиях. Входные характеристики IGBT транзисторов электронного зажигания автомобилей аналогичны характеристикам MOS (Металл-Оксид-Полупроводник).

Полевым полупроводникам требуется небольшое количество энергии для переключения. Так, IGBT полупроводники логического уровня, подобные STGP10N50L, способны включаться при напряжении на затворе около трёх вольт.

Вполне ожидаемым видится момент, когда электронные компоненты автомобильной системы зажигания работают в условиях диапазона температур под капотом от -40°C до 100°C. Однако предпочтительно указывать критические параметры не только при комнатной температуре, но и при температуре перехода. Предельные значения -40°C и 150°C по причинам повышения температуры, вызванным рассеиванием электроэнергии в самом устройстве.

Электронное зажигание IGBT: схема старого образца на биполярных транзисторах для сравнения
Пример схемы электронного зажигания старого образца, выполненной на основе биполярных полупроводников, которая существенно уступает схемам на основе IGBT

Рассеивание мощности переключателем электронного зажигания в составе высокоэнергетической системы достигает максимума в течение интервала ограничения тока. Исключение составляет короткий, очень высокий пик в конце, когда имеет место фаза выключения.

Поскольку устройство используется в линейном режиме, более низкий потенциал напряжения питания имеет небольшое влияние на рассеивание мощности. Температура перехода поддерживается ниже максимально допустимого значения с помощью радиатора, тепловое сопротивление которого необходимо рассчитывать с учетом:

  • максимальной температуры окружающей среды (под капотом),
  • максимального теплового сопротивления переходника относительно корпуса переключателя,
  • теплового сопротивления корпуса относительно радиатора за счёт контакта.

Последний критерий нельзя игнорировать, так как в некоторых случаях этот критерий сопоставим с тепловым сопротивлением самого устройства.

Технология и характеристики транзисторов IGBT

За исключением подложки P +, поперечное сечение кремния полупроводника IGBT практически идентично поперечному сечению стандартного силового MOSFET транзистора. Оба устройства имеют одинаковую сотовую конструкцию:

  • подложка P- / P +,
  • исток типа N +,
  • структуру затвора на основе поликремния.

В обоих устройствах N-материал под P-корпусами имеет размер по толщине и удельному сопротивлению, позволяющий выдерживать полное номинальное напряжение устройства.

Несмотря на схожесть структуры, физическая работа IGBT сильно отличается от работы MOSFET. Полупроводник IGBT — это устройство с неосновной несущей, поведение которого практически аналогично поведению биполярного транзистора. Это происходит по причине подложки P +, которая во время проводимости вводит дырки в N-область, значительно снижая удельное сопротивление этой области.

Скорость переключения полупроводника IGBT, как правило, меньше скорости, какую демонстрирует полупроводник типа MOSFET. Однако для системы зажигания двигателя автомобиля это не критерий, так как здесь используется низкая частота переключения. По причине конструкции наслоения устройства область с дополнительным слоем P + образует биполярный транзистор типа PNP, который определяет время спада полупроводника IGBT.

Электронное зажигание IGBT -классическая схема для современных автомобилей
Схема на электронное зажигание автомобиля современного образца, построенная на основе IGBT полупроводника, отличается простым и надёжным исполнением: 1 – модуль контроля зажигания; 2 – защитные полидиодные матрицы; 3 – полупроводник IGBT; 4 – катушка зажигания; 5 – свеча зажигания

В момент выключения BJT-часть имеет открытое основание, переключение завершается только тогда, когда все избыточные неосновные носители базы рекомбинируют. Для BJT допустимо увеличить скорость переключения, извлекая несущие из базы, но с IGBT невозможно получить доступ к основанию биполярной секции.

Следовательно, на выключение влияет время жизни неосновных носителей заряда в n-области. Чтобы уменьшить время спада для IGBT, управление временем жизни неосновных носителей осуществляется методами, подобными облучению электронным пучком и легирование примесями, сокращающими время жизни неоновых носителей заряда.

Также вносятся структурные изменения конструкции, например, добавление буферного слоя N +. Оптимизация этими методами структуры IGBT полупроводников позволила настроить спад и напряжение между коллектором эмиттером, что позволило достичь наилучшего компромисса между скоростью переключения, потерями мощности и надежностью в широком диапазоне применений.

Характеристики выхода полупроводника IGBT

В первом приближении IGBT можно смоделировать как pnp-транзистор, управляемый n-канальным силовым MOSFET полупроводником. Эта модель очень проста и не учитывает эффекты второго порядка, связанные с общим стоком силового полевого МОП-транзистора и базовой областью биполярного транзистора. Но такая модель полезна для объяснения характеристик IGBT транзистора.

Как видно из эквивалентной схемы, падение напряжения на IGBT является суммой двух компонентов:

  1. диодное падение на P-N переходе.
  2. падение напряжения на управляющем силовом MOSFET.

Таким образом, как и в случае с транзистором Дарлингтона, падение напряжения в открытом состоянии на IGBT никогда не опускается ниже порогового значения диода. Как вторая ступень псевдодарлингтона, PNP никогда не находится в сильном насыщении. Падение напряжения выше, чем то, которое может быть получено от того же PNP в условиях сильного насыщения.

Однако следует отметить, что эмиттер IGBT покрывает всю площадь кристалла, следовательно, эффективность инжекции эмиттера и падение проводимости намного выше, чем у биполярного транзистора того же размера. Температурный коэффициент и фактор переключения

Температурный коэффициент IGBT аналогичен таковому у биполярного транзистора примерно до уровня максимального тока коллектора. В этот момент температурный коэффициент становится равным нулю.

При токах коллектора, превышающих максимальное значение, температурный коэффициент становится положительным и выглядит аналогично силовому полевому МОП-транзистору. Типичный температурный коэффициент, как функция тока коллектора для двух температурных областей перехода, демонстрируется на диаграмме ниже.

Электронное зажигание IGBT + диаграмма температурного коэффициента
Диаграмма для демонстрации температурного коэффициента, в зависимости от параметров напряжения / тока

Из-за схожей структуры поведение переключения IGBT в некоторых аспектах выглядит таким же, как у мощного MOSFET полупроводника с добавлением неизбежных собственных ёмкостей устройства. Точно так же основными параметрами, определяющими поведение переключения, являются:

  • смещение затвора,
  • импеданс возбуждения,
  • заряд затвора,
  • паразитные индуктивности.

Правда, в отличие от силового полупроводника MOSFET, влияние схемы возбуждения на время спада тока IGBT незначительно.


При помощи информации: ST