IGBT транзисторы в системе электронного зажигания

[dimmich]

Заимел я как-то давно один из первых номеров журнала "Схемотехника". Прочел статью "IGBT транзисторы в системе электронного зажигания". Очень заинтересовался! Купил недешевые (в то время) детальки. Но руки так и не дошли собрать идеальное конденсаторное зажигание. С тех пор не выходит из головы эта статья.

Вот она, ознакомьтесь:
http://www.freelook.ru/index.php?opt...=85&Itemid=321
Также в инете встречается несколько видоизмененная похожая статья, с немного другой схемой (я считаю она хуже):
http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/igbt/igbt_mega.htm

Предлагаю в этой теме обсудить вопросы, которые возникли у меня и может возникнут у вас после прочтения этой статьи по поводу применения IGBT транзисторов.

Сейчас у меня энтузиазм снова на высоте, выложил из ящичка детальки, буду собирать эту схемку, ставить на мотоцикл "Урал". Где-то между датчиком холла и выходным транзистором мне надо будет еще воткнуть схемку на микроконтроллере для регулировки угла опережения зажигания. Требуется разложить всё по полочкам у себя в голове, чтобы составить правильную схему.

1) Цитата из оригинальной статьи: "...в штатных коммутаторах автомобилей ВАЗ 2108-09 полевой транзистор оконечного каскада можно заменить на IGBT, не делая никаких доработок в принципиальной схеме и конструкции". Какой полевой?! Там же вроде биполярный ставится! Также в статье написано, что IGBT транзистор будет полностью открываться только при напряжении на затворе больше 10 вольт (хотя они ж наверное разные бывают, напряжения эти для разных транзисторов?...)

Штатные коммутаторы зажигания для ВАЗ 2109 делаются на основе микросхемки L497 (русский аналог КР1055ХП1, ХП2, ХП4). Она своим выходом управляет NPN транзистором BU931 или аналогичным. А в статье про IGBT силовым транзистором управляет специализированная микросхема-драйвер IR2125.

Собственно вопрос. Будет ли полноценно (быстро и полностью) открываться и закрываться IGBT транзистор, если управлять его затвором будет L497? Или для правильного построения схемы всё же надо между L497 и IGBT транзистором поставить IR2125?

2) Неужели действительно требуется принимать меры при построении схемы для защиты этого мощного IGBT транзистора от статического электричества?

3) С трудом верится, что летом в сильную жару, и когда железо раскаляется от солнца до бешеных температур, IGBT транзистор нормально будет работать в схеме зажигания без радиатора, как предлагается в статье. Плюс учитываем "аварийные режимы" работы системы зажигания...

[igorm_]

см. схему 0529.

[dimmich]

За схему спасибо, есть что на ус намотать. Но вопросы остались.

Как я понял из даташита на stgb10nb37lz он открывается при гораздо меньшем напряжении (при 5 вольтах точно открыт), и ток коллетор-эмиттер у него 10 ампер. Я же выбрал (и уже купил) irg4pc50f ради хорошего запаса по надежности. А для него похоже необходим драйвер...

[Edinolichnik]

1) Цитата из оригинальной статьи: "...в штатных коммутаторах автомобилей ВАЗ 2108-09 полевой транзистор оконечного каскада можно заменить на IGBT, не делая никаких доработок в принципиальной схеме и конструкции". Какой полевой?! Там же вроде биполярный ставится!

+1, не было в зубильных коммутаторах полевиков!

Также в статье написано, что IGBT транзистор будет полностью открываться только при напряжении на затворе больше 10 вольт (хотя они ж наверное разные бывают, напряжения эти для разных транзисторов?...)

Правильно, разные бывают - ниже упомянутый stgb10nb37lz , применяющийся в том числе в блоках управления двигателем ВАЗов, имеет там логическое управление не более 5В, и идёт на затвор через 1кОм ( http://forum.autodata.ru/47/13496/ пост 26)

Штатные коммутаторы зажигания для ВАЗ 2109 делаются на основе микросхемки L497 (русский аналог КР1055ХП1, ХП2, ХП4). Она своим выходом управляет NPN транзистором BU931 или аналогичным. А в статье про IGBT силовым транзистором управляет специализированная микросхема-драйвер IR2125.
Собственно вопрос. Будет ли полноценно (быстро и полностью) открываться и закрываться IGBT транзистор, если управлять его затвором будет L497? Или для правильного построения схемы всё же надо между L497 и IGBT транзистором поставить IR2125?

Лениво досконально изучать вопрос и копать даташиты, но L497 так же управляет током накопления в катушке зажигания, а "прикрутив" IR2125 я так полагаю, получится фигня - ограничения тока накопления не будет, и транзистор пыхнет при первом включении. Но это относится к варианту замены транзистора в системе с восьмёрочной катушкой, а не про упомянутую конденсаторную схему, где транзистор работает чисто в роли ключа on/off.

Я же выбрал (и уже купил) irg4pc50f ради хорошего запаса по надежности.

Я так и не понял - чего строим то? Прикручиваем этот транзюк к "восьмёрочной" системе на L497, или это конденсаторное поджигание?

[dimmich]

Лениво стало собирать и отлаживать по осциллограммам конденсаторную схему. Старею наверно... Выбрал вариант восьмерочной катушки и этого транзюка чисто для повышения надежности транзюка, т.к. я идеалист, но ленивый ))) Да, хочу к L497 прикрутить IR2125 и IRG4PC50F.

- Хочу оставить L497 ради ее функции отключения напряжения с катушки зажигания по истечении нескольких секунд, если нет сигнала с датчика холла.

- Хочу поставить IR2125 ради функции высоковольтного управления IGBT при снижении напряжения на акумуляторе, и увеличу емкость C6 в схеме по первой ссылке первого поста. И еще ради защиты транзистора по току.

- Хочу поставить IGBT транзистор IRG4PC50F ради хорошего запаса по току ну и соответственно по температуре.

Что касается IR2125, вот цитата из статьи, ради чего хочу поставить этот драйвер:

В данной схеме защита организована по напряжению насыщения транзистора, которое пропорционально току коллектора. Такая защита не требует использования мощного резистора в цепи эмиттера транзистора, создающего дополнительные потери. При включении транзистора сумма прямого падения напряжения на диоде VD7 и на открытом транзисторе Q3 через делитель R16, R17 поступает на вход защиты CS. Если это напряжение превышает пороговый уровень (0.24В), транзистор отключается. Драйвер выполняет еще одну очень важную функцию. Для полного открывания IGBT транзистора на его затвор необходимо подать напряжение не менее 10В. В противном случае он может перейти в линейный режим, при котором резко возрастают потери мощности и транзистор может выйти из строя. Такая ситуация возможна при падении напряжения аккумулятора (например, при работе стартера). При этом питание выходного каскада драйвера осуществляется от так называемой бутстрепной емкости С6, которая заряжается через диод VD6. Поскольку токи управления очень малы, емкости 20мкФ хватает для управления транзистором в течение около 5с. При падении напряжения на емкости С6 ниже 9В, драйвер отключает транзистор. Сбрасывается защита при нулевом входном сигнале драйвера.

[Alex9797]

Да, хочу к L497 прикрутить IR2125 и IRG4PC50F

Этот гибрид не решит ни одной проблемы, но зато создаст кучу новых.
Edinolichnik уже упоминал об этом.

L497 рассчитана на работу с биполярным транзистором, поэтому уровень сигнала с ее выхода не сможет раскачать IGBT. Но драйвер не поможет, потому что он не рассчитан на работу в линейном режиме. Поэтому транзистор будет только полностью выключен, или полностью включен. А L497 предусматривает обратную связь по току транзистора, и ограничение этого тока на уровне 6...7 ампер. С драйвером это будет невозможно, и ток ограничиваться не будет.
В принципе, это не смертельно. Так работают тысячи блоков электронного зажигания, в которых нет микросхемы L497, а только транзистор, тупо повторяющий состояние контактов. Но для таких блоков зажигания используются соответствующие катушки, у которых сопротивление первичной обмотки большее, чем у восьмерочных. А восьмерочная катушка будет жрать увеличенный ток, особенно на малых оборотах. Впрочем, на средних и больших оборотах режим ее работы будет неотличим от работы с классическим блоком, в котором стоит L497. Потому что ток через нее просто не будет успевать достигать больших значений.

Вывод - связка L497 + IR2125 + IRG4PC50F вполне работоспособна. Из недостатков - ток через катушку неуправляем, на малых оборотах катушка будет греться, при длительной работе на холостых (в городских пробках) АКБ будет быстрее разряжаться.
Из достоинств перечислять нечего, это правильнее назвать не достоинствами, а правами на существование этой схемы - да, транзистор более живучий по току, микросхема будет разгружена по выходному току, микросхема не позволит взорваться катушке зажигания при длительно неработающем двигателе и включенном зажигании.

Кроме того, надо не забыть закоротить токовый резистор, который стоит в эмиттере силового транзистора. Вернее, проще закоротить на землю сигнал с этого резистора, который приходит на вход микросхемы. Иначе, при включении транзистора, как только ток через него превысит уровень ограничения тока, микросхема попытается уменьшить этот ток, и напряжение на ее управляющем выходе уменьшится. При этом транзистор выключится, что может привести к несанкционированному искрообразованию, и вообще к неработоспособности всей схемы.

[dimmich]

Может я туплю, но мне казалось что биполярный транзистор в классической схеме 2108 тоже либо полностью открыт либо полностью закрыт, т.е. ключевой режим. Думал что ограничение по току работает только в аварийных режимах, не на низких оборотах двигателя. Значит я был не прав?

И еще вопросик. Если идея прикрутить L494 + IR2125 + IRG4PC50F плохая, то меняю свои мысли в сторону конденсаторной схемы + PIC для регулировки УОЗ. В статье из журнала в отличие от статьи по первой ссылке есть табличка какие детали применяются в схеме. Я совсем не разбираюсь в магнитопроводах. Там написано что в качестве трансформатора TV1 используется сердечник 40x25x12 из электротехнической стали Э350 с зазором 0,5мм. Обмотка 1: 60вит ПЭВ-2 0,56, обмотка 2: 600вит ПЭВ-2 0,1.

Это кольцо, судя по трем размерам. Подскажите где такой купить или на какой из доступных в продаже можно заменить. Тут ведь насколько я понимаю важно подобрать сердечник с подходящим насыщением по частоте, энергии... Так? Если посоветуете сердечник с другими параметрами, то еще и скажите нужно ли у этого другого сердечника делать зазор, какой именно зазор или как его рассчитать, нужно ли перерассчитывать количество витков трансформатора.

Вроде в продаже можно найти ферритовые кольца. Феррит подобрать можно взамен оригинального железного? Какой магнитной проницаемости выбрать феррит? Можно ли применить Ш-образный сердечник? У Ш-образного проще сделать зазор. И остается вопрос с перерасчетом обмоток.

Если я заменю сердечник, да и если найду оригинальный и е буду менять, как мне проверить осциллографом, уходит ли сердечник в насыщение? Он ведь в этой схеме не должен насыщаться? Зависит ли уход в насыщение от нагрузки ВВ преобразователя?

[Edinolichnik]

Может я туплю, но мне казалось что биполярный транзистор в классической схеме 2108 тоже либо полностью открыт либо полностью закрыт, т.е. ключевой режим. Думал что ограничение по току работает только в аварийных режимах, не на низких оборотах двигателя. Значит я был не прав?

Да, ошибались: транзистор полностью открыт только в начальный момент времени, пока заряжается катушка и ток не достигнет порога ограничения, а далее транзистор переходит в линейный режим и ток в катушке поддерживается на заданном уровне (обычно 6-9А). При, так сказать "аварийном режиме", ток в катушке плавно (чтобы не было "ложной" искры) отключается просто по таймауту отсутствия сигнала на входе. Почитайте внимательнее даташит на L497.
Сопротивление первичной обмотки "восьмёрочной" катушки - 0,4-0,6Ом: ток при ключевом режиме и питании 12В посчитаете? Последствия представляете?

[dimmich]

Ок!
Ответьте про магнитопровод трансформатора конденсаторной схемы. В ней как я понимаю нужно будет использовать катушку с высокоомной первичной обмоткой. Возьму тогда родную "ураловскую".

[Alex9797]

Ответьте про магнитопровод трансформатора конденсаторной схемы. В ней как я понимаю нужно будет использовать катушку с высокоомной первичной обмоткой. Возьму тогда родную "ураловскую".

Да, с конденсаторной системой лучше использовать высокоомные катушки, предназначенные для обычной контактной схемы зажигания. У них индуктивность первички повыше, и длительность искры будет длиннее. И лучше используется энергия конденсатора.

Про магнитопровод:

Он ведь в этой схеме не должен насыщаться? Зависит ли уход в насыщение от нагрузки ВВ преобразователя?

В этой схеме сердечник не должен насыщаться, потому что она с внешним возбуждением. Уход в насыщение не зависит от нагрузки. Но есть нюансы.

Дело в том, что в промышленных конденсаторных блоках зажигания мне не встречалась схема с внешним возбуждением. Во всех применяется блокинг-генератор. Поначалу мне это казалось анахронизмом. И казалось, что будет лучше применить ШИМ, ведь это такая классная штука! Но все попытки закончились неудачей. Нет, схемы с ШИМом работали неплохо, и надежно. Но они не имели никакого преимущества перед блокингами! Более того, блокинги побеждали сразу по нескольким параметрам:
1. Предельная простота схемы.
2. Автоматическое изменение режима блокинга, в зависимости от напряжения питания, от тока в нагрузке, от параметров трансформатора, и проч.
3. Работоспособность в очень широком диапазоне питающего напряжения. Некоторые экземпляры могли работать при снижении питания до трех вольт! Клиентов особо впечатляло, когда двигатель можно было завести ручкой, с полностью севшей АКБ, подключив блок зажигания к обычной квадратной батарейке с напряжением 4,5 вольт.
4. Сердечник трансформатора был железный, поэтому частота преобразователя была низкой, что позволяло применить очень дешевый низкочастотный транзистор.

А с ШИМ все заметно хуже. В первую очередь - менее эффективно используется сердечник трансформатора. Поэтому или его габариты приходится увеличивать, или мириться с меньшей отдаваемой мощностью. Это сказывается на высоких оборотах, когда накопительный конденсатор может не успевать полностью заряжаться.