JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
Krav på exaktare och tillförlitligare styrning av tändspolar och krympande storlekar har lett till en trend att placera cylinderspolarna direkt vid tändstiftet. Metoden kallas "Coil on Plug" (COP) och har fördelen att den eliminerar de dyra högspända tändkablarna - med sin höga felfrekvens är de tändsystemets sista problembarn.
Jack E. Wojslawowicz är teknikspecialist på Fairchilds Power Discrete Products Group med erfarenhet både från fordon, TV, audio, high rel, hybrid, tyristor och telekom. Han har sex patent och har skrivit och medförfattat ett 30-tal artiklar och rapporter om effektkomponenter.

Jim Gillberg chefar på Fairchild över utveckling och tillämpningar på fordonsmarknaden. Karriären började på RCA och fortsatte på Engineering, Engineering Management och Business Management på GE, Harris och Intersil. Han har åtta patent.

Image Även med COP är möjligheterna till strömmätning, strömstyrning och diagnostiska funktioner begränsade av det kablage som ansluter tändspolen till switchen - som fortfarande sitter i motorstyrningen.

Det naturliga steget blir då att flytta tändswitchen till tändspolen vid cylindern. Det kallas "Switch on Coil" (SOC). På köpet blir det då också enklare att addera elektronik som mäter tändström och styr gnistförhållanden. Den elektroniken kan dessutom generera information till motorstyrningen och därmed hjälpa till att optimera bränsleekonomi och utsläpp.

Med styrelektroniken på plats har vi något vi skulle kunna kalla för en intelligent Switch on Coil (ISOC).

Det finns ett antal utmaningar för den som vill utveckla en ISOC, nämligen kostnad, dimensioner, temperaturkrav och intelligens.

Krafthalvledaren IGBT (insulated gate bipolar transistor) är populär i tändsystem. Generation efter generation av IGBT-system har tagits i bruk i jakt på en bättre pris-prestandarelation.

Energihanteringen är en av de viktiga prestandafrågorna. Spolens öppna sekundära energi har minskat över åren i takt med bättre spolkonstruktioner. Nivån har planat ut vid ungefär 300 mJ.

Kostnaden har sänkts huvudsakligen genom att man använt mindre kisel utan att ge avkall på elektriska prestanda.

Allteftersom kiselytan minskat har termiska prestanda blivit sämre. Det har lett till krav på förbättrad termisk hantering, lägre effektförluster och robustare effektstrukturer.

Kapslingen är ytterligare en faktor som påverkar både kostnader och dimensioner. Den senaste och minsta IGBT-kapseln är PQFN (power QFN). Den har samma fotavtryck som en SO-8 men innehåller en IGBT som kan hantera 300 mJ öppen sekundär energi.

Minskningen av kiselytan har lett till motsvarande minskning av kapselyta och kapselkostnader. De första IGBT-tändsystemen kapslades i TO-263 (D2Pak). Men allteftersom kapsel- och kiselteknik förbättrats har de kunnat flyttats till en TO-251 (DPak) och idag som sagt till en PQFN (se figur 3).

I en PQFN-kapsel är det möjligt att använda standardteknik för att sätta fast chipet. Man kan också använda tjocka aluminiumbondningar som klarar strömmarna. Och tunna headers som bibehåller den termiska förmågan.

Switch-on-Coillösningar måste kunna få plats även i den nya generationen spolar av "pencil"-typ som är betydligt mindre än traditionella tändspolar. Det innebär ytterligare ett storlekskrav på de komponenterna.

Samtidigt som komponenterna krymper placeras de i spolar nästan utan tillgång till termisk kylning. Och strax ovanför en het motor. Arbetstemperaturen kan lätt gå upp till 175 grader C.

Det problemet handlar inte om switchdelen av drivkretsen. Men det kräver ändå en lösning eftersom Switch on Coil-tillämpningarna får allt mer intelligens, som:

o Styrning och buffring av input gate drive

o Övervakning av spolens ström och spänning

o Begränsning av maximal dwell time

o Feldetektering och -rapportering

o Kontroll av över- och underspänning i batteriet

Dessa funktioner kan man implementera med hjälp av ytterligare styrelektronik, idealt ett styrchip som man plockar in direkt i IGBT-kapseln.

För en PQFN-kapsel är den tillökningen inget problem - styrchipet kan monteras med hjälp av en extra paddel. En bonus med en tvåchipskrets är också att den lätt klarar elektriska transienter som i en enchipskrets skulle orsaka katastrofala fel.

Att kombinera analogt, digitalt och kraft på ett och samma chip kräver dock ytterligare diffunderingar i strukturen för att isolera den lågspända IC-delen från den högspända IGBT-delen. IC-processer har laterala strukturer och är vanligen isolerade med hjälp av backspända PN-övergångar - en teknik som är ganska robust vid låga spännings- och effektnivåer. Effektkretsar är däremot vertikalt ledande strukturer vilket betyder att undersidan av substratet måste fungera som komponentens drain- alternativt kollektorpotential.

Vad gäller IGBT:er för tändsystem överstiger kollektorspänningen normalt 300 V och kan stiga till över 500 V i vissa tillämpningar. Det krav som finns på att isolera extremt höga spänningar och möjligheten att förspänna SCR-liknande strukturer i framriktningen i en monolitisk komponent, kan leda till latch-up i hårda och störande fordonsmiljöer.

När man lägger ett styrchip och en IGBT i samma kapsel kan man hålla dem åtskilda rent fysiskt. Det finns inga oväntade eller oönskade övergångar, så interaktionsproblem kan inte uppstå.

Ett sätt att kombinera styrchip och IGBT i samma effektkapsel är att använda en isolerande fastsättning av chipet. Styrchipet monteras "chip-on-chip" fysiskt fäst på ovansidan (emittersidan) av IGBT:n.

En annan möjlighet (Fairchild använder båda) är att montera chipen sida vid sida. Också då används en isolerande fastsättning av chipet för att isolera styrchipet från baksidan av TO-220- eller TO-263-kapseln. Flerchipslösningar av det här slaget leder till bättre effektstyrning och systemgränssnitt, mindre effektförluster och ett ökat skydd av komponenter och system. Smartpowerteknik hjälper också till att möta en del andra konstruktionsbivillkor som handlar om yta och effektförluster.

För att inte tala om kostnadsbesparingar, särskilt i den senaste generationens kraftkomponenter inriktade på låga effektförluster.

Halvledarkomponenterna blir mindre och smartare för varje år som går. Det gäller inte bara mobiltelefoner, datorer och handdatorer. Utan också de switchar som det slår gnistor om i din bil.
MER LÄSNING:
 
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus