電動車正處於方興未艾階段。目前,全球只有1%的汽車(約550,000輛)使用電力。市場滲透率低且進展緩慢的原因是:電池供電行駛距離較短、相同動力的傳統汽車價格較低,以及市場上現有的電動車型較少。

此外,為這種應用提供服務的電網基礎設施還不完善,充電樁數量不足,無法為大量電動車充電。

據美國能源部(DOE)估計,在可預見的將來,所有新車中有82%將繼續使用石化燃料。不僅如此,為了減少汽車對環境的影響,必須把重點放在使石化燃料車輛更「環保」上,換言之,需要最佳化引擎的效率,電子點火系統的良好設計成為控制、安全和最佳化燃燒的最佳保證。

感應放電式點火系統(IDI)

為了更好瞭解車輛的電子點火系統,本文製作了一個簡化的點火系統圖,附有IDI系統的詳細說明。

在詳細討論IDI之前,請記住:汽油引擎燃燒室內的火花事件是由點火系統控制。點火系統的核心是點火絕緣閘雙極型電晶體(點火IGBT),其可靠性、精確性和適當工作決定了整個系統的效率。

20180914TA31P1 圖1 感應放電式點火系統。

點火IGBT接通時,它會關閉點火線圈接地的回路原電池。隨著點火線圈一次繞組電流逐漸增加,能量會儲存在一次側電感和變壓器鐵芯中。

當點火IGBT關斷時,急驟的電流變化率(di/dt)會在點火IGBT的集電極-發射極上激發一個高電壓峰值。儲存在變壓器鐵芯中的能量使二次側電感器上的電壓激增,引發火花事件。另外,漏電感的能量必須由點火IGBT吸收。

點火系統的保護

集電極-發射極中的高壓尖峰可能對點火IGBT造成損壞。由此,點火IGBT必須箝位於350~450V。此外,閘極必須防止靜電放電(ESD)尖峰。

在過電流情況下,保險絲將斷開電子元件與電池的連接。該保險絲定期經受週期性脈衝,並且必須具有較高的熔化熱能值(I2t),以延長使用壽命。由於變壓器的開關操作,保險絲兩端的電壓可能很高,這些保險絲應該能夠應對惡劣的環境和較高的工作溫度。

點火系統的另一個重要元件是TVS二極體。點火系統連接到提供不同負載的汽車電池,交流發電機中的電感負載甚至瞬態可能會導致沿電力線產生電壓尖峰。這些傳輸尖峰可能會導致電子設備故障或對點火電子系統造成嚴重損壞,暫態電壓抑制器(TVS)二極體保護電路可免受這些事件的影響。

在某些類型的點火系統中,應監測點火系統的正常工作狀況並將回饋發送至控制單元。如果監測儀與控制單元物理分離,可重定保險絲可提供幫助,在這種情況下,如果過電流流過發送回饋的電纜,則電子控制單元(ECU)將受到保護。

點火IGBT功能

Littelfuse是汽車防護設備的製造商,在點火系統方面擁有強大的實力。每年有超過2,000萬輛新車使用該公司的點火IGBT。

點火IGBT管理和控制線圈兩端的電流,以產生精確的火花。它們包含一個整合箝位元結構和矽中閘極ESD保護裝置,點火IGBT可提供極低的飽和電壓。另外,點火IGBT可經受高達300mJ的雪崩效應能量,足以應對最糟糕的狀況(如二次側開路或火花塞損壞)。

點火IGBT的功能包括DPAK和D2PAK選項,選擇箝位元電壓,以及符合AEC-Q101標準的汽車合格品。點火IGBT適用於線圈插頭應用和其他汽車緊湊型應用,也適用於其他點火應用,如摩托車、園林工具、休閒車等。

用於點火應用的汽車保險絲

例如Littelfuse 437A和440A保險絲100%無鉛,符合RoHS標準,無鹵素保險絲系列專為在高達150℃的高工作環境溫度和高浪湧電流下工作的電路提供過電流保護。

總體設計確保了卓越的溫度穩定性和性能可靠性。這些高熔化熱能值保險絲系列設計具有超高的浪湧電流耐受能力,以避免滋擾保險絲斷開。

保險絲可提供高熔化熱能值,可靠、使用壽命長,這對於點火系統中的週期性脈衝、惡劣環境和高工作溫度必不可少。

鑒於以下原因,客戶信賴這些保險絲:

· 它們被評為車規級品質等級;

· 它們還能耐受點火線圈開關的高電壓;

· Littelfuse為客戶提供各種汽車應用解決方案。

用於點火應用和PPTC的TVS二極體

如上所述,TVS二極體TPSMB/C/D和SLD8S專門用於保護敏感電子設備免受雷電和其他瞬態電壓事件引起的電壓瞬變。它們可提供瞬態浪湧保護:負載突降、點火線圈中斷和其他開關尖峰。

TVS二極體具有快速回應時間和卓越的箝位能力。它們也是符合 AEC-Q101要求的汽車合格品。此外,整合在點火IGBT中的電壓箝位元結構可以用離散元件完成。兩種這樣的情況包括:

· 用於C-G箝位:離散高電壓TVS二極體。TPSMB系列可以保護高達500V的電壓範圍。其為汽車級合格品;

· 用於G-E保護:雙向TVS二極體。

表面黏貼可重定保險絲PPTC可為需要空間和可重定保護的應用提供過電流保護。

結語

汽車點火系統隨著對效率和安全性要求的逐步提高而不斷發展。作為點火系統的核心,選擇合適的IGBT必不可少。為了高效駕駛,謹記採取保護措施。

透過保護點火系統免受外部電壓和電流尖峰的損壞,可對點火系統設計提供安全防護,重要保護元件包括表面黏貼自恢復保險絲和TVS二極體。