WO2001090572A1

WO2001090572A1 - Dispositif d'allumage pour moteur à combustion interne

Info

Publication number: WO2001090572A1
Application number: PCT/JP2000/003387
Authority: WO
Inventors: Takashi Ito; Ryoichi Kobayashi; Noboru Sugiura; Katsuaki Fukatsu
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2002-11-26
Also published as: EP1284362B1; US6595194B1; CN1229573C; CN1423729A; KR100468809B1; DE60021618D1; KR20020080453A; DE60021618T2; JP3917865B2; EP1284362A1; EP1284362A4

Description

明細書

内燃機関用点火装置技術分野

本発明は、内燃機関用点火装置に係り、特に、集積化された制御回路に用いるに好適な内燃機関用点火装置に関する。背景技術

最近、内燃機関用点火装置として、パワー I G B T (絶縁ゲート型パイポーラと電流制限回路と入力段保護回路とをモノリシック基板上に作り込んだ 1チッブイグナイ夕が開発されている。従来の 1チップィグナイ夕としては、例えば、特開平 9一 2 8 0 1 4 7号公報に記載されているように、コレク夕からゲートに高圧定電流素子によって微少定電流を流し、コレクタ電圧がゲート電圧より高い場合にゲートに電圧が加わる構成とし、電流制限開始直後のコレクタ電圧の上昇によりゲート電圧を高めて電流制限開始直後のコレク夕電圧の振動を抑制するものであり、さらに、この微小定電流の影響によって電流遮断時にゲ一ト電位を上昇させることのないようにゲート電圧がない場合にはゲート電圧を高める動作を解除することにより、電流制限時のコレクタ電圧振動を抑制するものが知られている。発明の開示

しかしながら、特開平 9一 2 8 0 1 4 7号公報に記載されている内燃機関用点火装置では、実際の基板の中には廻り込み電流が発生し、定電流回路で設定した値以上の大電流がこのルートに流れ、これによつてゲート電位が上昇するという問題があった。特に、自己分離型素子で構成する場合、定電流回路には縦形のデプリーシヨン I G B Tが用いられ、 I G B T基板に自己分離で構成した縦形デブレション I GB Tの定電流回路には P N P寄生トランジスタが存在し、ここに廻り込み電流が流れ、微小定電流でゲート電圧を制御する目的の回路に過大な電流が流れ、ゲート電圧を必要以上に引き上げることになる。この影響より、ィグナィ夕の駆動方式によっては、点火コィルの電流遮断動作が不安定になるという問題があった。

本発明の目的は、安定した点火コィルの電流遮断動作が得られる内燃機関用点火装置を提供することにある。

( 1 ) 上記目的を達成するために、本発明は、入力する点火制御信号に応じて点火コイルに流れる一次電流を通電 ·遮断制御して点火コイルの二次側に高電圧を発生させるパワースィツチング部と、上記一次電流を制限する電流制限回路と、上記パワースイッチング部のコレクタとゲートを接続する接続回路とを有し、上記パワースィツチング部及び上記電流制限回路を絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタのモノリシックシリコン基板に集積した内燃機関用点火装置において、上記モノリシックシリコン基板内部に発生する廻り込み電流を、上記パワースイッチング部のェミッタに流す経路を備えるようにしたものである。

力る構成により、不要な廻り込みをェミッタに流して、ゲートに与える影響を低減し、点火コイルの電流遮断動作を安定化し得るものとなる。

( 2 ) 上記（1 ) において、好ましくは、上記接続回路は、インピーダンス素子を備えており、上記経路は、上記インピーダンス素子の電圧ドロップによって動作するツエナーダイオードを備えるようにしたものである。

( 3 ) 上記（1 ) において、好ましくは、上記接続回路は、上記モノリシックシリコン基板上に形成された定電流回路を構成するデプレシヨン絶縁ゲート型バイポーラパヮ一トランジスタと、このデプレション絶縁ゲート型バイポ一ラパヮ一トランジスタに接続された抵抗とで構成され、上記経路は、上記デプレシヨン絶縁ゲート型バイポーラパワートランジス夕と上記抵抗間に接続されるとともに、上記抵抗に発生する電圧がツエナ一電圧以上となった場合、この電流を上記パヮ一スイッチング部のェミッタに流すツエナーダイオードとから構成するようにしたものである。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置を用いる内燃機関用点火システムのシステム構成図である。図 2は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の実装構造を示す平面図である。

図 3は、本発明の一実施形態による点火装置 100における I GBT内部に発生する廻り込み電流の影響及びその低減効果について説明する回路図である。図 4は、本発明の一実施形態による点火装置 100における I GBT内部に発生する廻り込み電流の影響及びその低減効果の説明図である。

図 5は、 I GBT内部に発生する廻り込み電流について説明する回路図である。図 6は、 I GBT内部に発生する廻り込み電流の説明図である。発明を実施するための最良の形態

以下、図 1〜図 6を用いて、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の構成及び動作について説明する。

最初に、図 1を用いて、本実施形態による内燃機関用点火装置を用いる内燃機関用点火システムのシステム構成について説明する。

図 1は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置を用いる内燃機関用点火システムのシステム構成図である。

本実施形態による内燃機関用点火システムは、点火装置 100と、 ECU (ェンジンコントロールユニット） 10と、点火コイル 20と、点火プラグ 30とから構成されている。

ECU10は、 CPU12と、 PNPトランジスタ 14と、コンデンサ 16と、抵抗 18とから構成されている。 PNPトランジスタ 14と、コンデンサ 16と、抵抗 18とは、 ECU 10の出力段を構成している。 CPU 12は、算出した適正な点火タイミングで、トランジスタ 14を ON, OFFし、点火装置 100の入力端子 100 i nに H I GH， L〇Wのパルスからなる点火制御信号を出力する。

点火装置 100の詳細構成については、後述するが、点火装置 100のメイン I GBT110は、 ECU10の出力信号が LOW—H I GHで通電を開始し、 H I GH→LOWで遮断することにより、メイン I GBT 110のコレクタ端子 110 cに電圧が発生する。点火コイル 20は、 1次側コイル 22と、 2次側コイル 24とを有している。メイン I GBT 110のコレクタ端子 110 cに発生した電圧は、点火コイル 2 0の 1次側コイル 22に供給され、 2次側コイル 24には、点火コイル 20の 1 次側コイル 22と 2次側コイル 24との巻き数比倍に相当する高電圧が誘起される。点火コイル 20の 2次側コイルに発生する電圧（以下、「2次電圧」と称する）は、点火プラグ 30に供給される。また、 2次電圧は、エンジンの運転条件によって変化するため、コレクタ端子 100 cに発生する電圧も変化するが、例えば、巻き数比 100の点火コイルの 2次電圧が 15 kVの場合、コレクタ端子 110 cの側には約 150 Vの電圧が発生する。

次に、点火装置 100の構成について説明する。

本実施形態による点火装置 100は、パワー I GBTと、電流制限回路及び入力段保護回路等の制御回路をモノリシック基板上に集約した 1チップ I G B T点火装置である。

点火装置 100は、メイン I GBT 110と、センス I GBT 120と、入力段保護回路 130と、電流制限回路 140と、フィードバック回路 150と、ッェナーダイオード ZD 1， ZD2と、抵抗 Rl， R 2, R3とを備えている。点火装置 100の入力段に設けられた抵抗 R 1は、プルダウン抵抗であり、入力電圧に対応した電流を流すことで入力端子 100 inの接触電流を確保している。プルダウン抵抗 R1の次段には、入力段保護回路 130が接続されている。入力段保護回路 130は、ツエナーダイオード ZD3, ZD4と、抵抗 R 4, R 5をネットワーク構成としたものであり、自動車用電子部品として想定される外部サージ等に対して十分余裕をもった耐量を確保している。

入力段保護回路 130の出力は、抵抗 R2， R3を介して、メイン I GBT1 10のゲートに入力する。メイン I GBT110は、 1次電流を通電，遮断する主回路を構成するものである。メイン I GBT 110のコレクタは、点火装置 1

00のコレクタ端子 100 cに接続され、さらに、点火コイル 20の一次コイル 22に接続されている。メイン I GBT 110のェミッタは、点火装置 100のエミッ夕端子 100 eに接続され、さらに、グランドに接続されている。メイン

1 GBT 110のコレクタ一ゲート間には、 1次電圧クランプを目的としたツエナーダイオード ZD 1が接続されている。

センス I GBT 120は、メイン I GBT 1 10に流れる電流を検出するためのシャント回路を構成するものである。センス I GBT 120のゲートは、メイン I GBT 1 10のゲートに接続され、そのコレクタは、メイン I GBT 110 のコレクタに接続されている。センス I GBT 120のェミッタは、電流検出抵抗 Rsを介して、メイン I GBT110のェミッタに接続されている。

電流制限回路 140は、電流検出抵抗 R sと、基準電圧回路 142と、電圧比較器 144と、 NMOSトランジスタ 146とから構成されている。基準電圧回路 142は、基準電圧 Vrefを発生する。電圧比較器 144は、基準電圧回路 1 42が発生する基準電圧 Vrefと、電流検出抵抗 R sに発生する電圧とを比較する。電流検出抵抗 R sの電圧が基準電圧 Vref以上となると、電圧比較器 144 は、 NMOSトランジスタ 146を ONして、メイン I G B T 110のゲートに印加される電圧を降下させ、メイン I GBT110を不飽和状態にすることで、コレクタ電流に電流制限をかける。

フィードバック回路 150は、メイン I GBT 110のコレクタとゲート間に接続されている。フィードバック回路 150は、メイン I GBT 110のコレク夕から、メイン I GBT 110のゲートにフィードバック電流を流す回路である。 I GBT110は、その素子の特徴から負帰還機能が極めて弱いため、電流制限開始時にコレクタ電圧が大きく振動する。フィードバック回路 150は、この振動を抑制するために、コレクタ電圧がゲート電圧より高くなつた場合に、コレク夕からゲートに微小電流を流してゲートの電位を持ち上げるように動作する。さらに、本実施形態においては、フィードバック回路 150には、不要電流 ( I GBT内部に発生する廻り込み電流）をメイン I GBT 110のェミッタに流すリークパスを構成するツエナーダイオード Z D 2が備えられている。なお、フィードバック回路 150の詳細構成については、図 3を用いて後述する。

ここで、図 2を用いて、本実施形態による点火装置 100の実装構造について説明する。

図 2は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の実装構造を示す平面図である。 I GBTモノリシック基板 100 ' は、図 1に示したメイン I GBT110, 電流制限回路 140や入力段保護回路 130などからなる点火装置 100を 1チップに集約して形成されているモノリシック基板である。コレクタ端子 200 c を兼ねるプレート 200上には、 I GBTモノリシック基板 100，がハンダ材等を用いて接続固定されている。図 1に示した点火装置 100のコレクタ端子 1 00 cは、プレート 200に接続されている。入力端子 200 inは、ボンディングワイヤ BWを用いて、点火装置 100の入力端子 100 inにボンディング接続されている。ェミッタ端子 200 eは、ボンディングワイヤ BWを用いて、点火装置 100のェミッタ 100 eにボンディング接続されている。 I GBTモノリシック基板 100，，プレート 200, ェミッタ端子 200 e, 入力端子 200 inは、トランスファモールド樹脂 210を用いて、 1チップパッケージに成形されている。

次に、図 3及び図 4を用いて、本実施形態による点火装置 100における I G BT内部に発生する廻り込み電流の影響及びその低減効果について説明する。図 3は、本発明の一実施形態による点火装置 100における I GB T内部に発生する廻り込み電流の影響及びその低減効果について説明する回路図であり、図 4は、本発明の一実施形態による点火装置 100における I GBT内部に発生する廻り込み電流の影響及びその低減効果の説明図である。なお、図 1と同一符号は、同一部分を示している。

図 3に示すように、フィードバック回路 150は、定電流回路を構成するデブレツシヨン I GBT 152と、抵抗 R 4とか構成されている。デプレッション I GBT152のコレクタは、メイン I GBT110のコレクタに接続されている。デプレッション I GBT 152のべ一スとェミツ夕は互いに接続され、さらに、抵抗 R 4の一端に接続されている。抵抗 R 4の他端は、メイン I GBT110のベースに接続されている。メイン I GBT110のコレクタ電位が上昇した状態では、デプレッション I GBT 152は、定電流をゲート供給して I GBT 54 を制御することにより、電流制限開始時にコレクタ電圧が大きく振動しても、コレク夕からゲートに微小電流を流してゲートの電位を持ち上げて、この振動を抑制する。ここで、 I GBTモノリシック基板 100' に自己分離型で構成した縦形デブレシヨン I GBT 152には、図 3及び図 4に示すように、寄生 PNPトランジス夕 Trと、 I GBTチップ側面に作り込まれる寄生抵抗 Rpが存在する。寄生 PNPトランジスタ T rは、メイン I GBT 110の電流遮断時に、 I GBTモノリシック基板内の N+バッファー層の電位勾配で発生する電子電流によりベースが駆動され、このコレクタに増幅された廻り込み電流を流すことになる。また、チップの側面に存在する寄生抵抗 Rpの大小が、寄生 PNPトランジスタ Trの見かけ上の Hf eをばらっかせるため、廻り込み電流を規定できず、過大電流が流れる要因となる。 '

そこで、本実施形態では、図 3に示すように、デプレシヨン I GBT152とシリーズ抵抗 R 4の間に、ツエナ一ダイオード ZD 2を接続している。ツエナーダイオード ZD 2のアノードは、メイン I GBT 110のェミッタに接続されている。 I GBTモノリシック基板内の N+バッファ一層に発生する電子電流により寄生 PNP卜ランジス夕 T rのベースが駆動され、コレクタに増幅された電流が流れる。しかし、シリーズ抵抗 R 4で発生する電圧ドロップが、ツエナ一ダイオード ZD 2のツエナー電圧以上になると、電流は不要な電流 I rとして全て I GBT 110のェミッタに流されるため、この不要電流による I GBT 110のゲー卜への影響が低減される。

ここで、参考までに、図 5及び図 6を用いて、ツエナーダイオード ZD 2を設けない場合の廻り込み電流について説明する。

図 5は、 I GBT内部に発生する廻り込み電流について説明する回路図であり、図 6は、 I GBT内部に発生する廻り込み電流の説明図である。なお、図 3, 図 4と同一符号は、同一部分を示している。

寄生 PNPトランジスタ T rのベースは、メイン I GBT 110の電流遮断時に I GBT基板内の N+バッファ一層の電位勾配で発生する電子電流により駆動され、寄生 PNPトランジスタ Trのコレクタに増幅された廻り込み電流 I r，が、メイン I GBT110のゲートに流れ、ゲートの電位を不必要に上昇させることになる。特に、電流遮断時のコレクタ電圧上昇によって過大な廻り込み電流 I r ' が発生する可能性があり、これによつてゲート電位が持ち上げられ、遮断動作が不安定になる。

以上説明したように、本実施形態によれば、メイン I G B T 1 1 0のコレクタからの廻り込み電流の影響による不要電流を、ツエナ一ダイオード Z D 2のようにエミッ夕に流す径路を設けることにより、安定した点火コイルの電流遮断動作が得られる。したがって、電流制限回路や入力段保護回路のような制御回路を自己分離層の中に作ったトランジスタで構成することが可能となる。これによつて、最少のプロセスで I G B Tのモノリシックシリコン基板に集積することが可能となり、動作の安定した信頼性の高い 1チッブイグナイ夕を達成することができる。産業上の利用の可能性

本発明によれば、内燃機関用点火装置における点火コイルの電流遮断動作を安定化することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 入力する点火制御信号に応じて点火コイルに流れる一次電流を通電 ·遮断制御して点火コイルの二次側に高電圧を発生させるパワースィツチング部（110)と、上記一次電流を制限する電流制限回路 α4ο)と、上記パワースィツチング部のコレク夕とゲートを接続する接続回路（150)とを有し、上記パワースイッチング部及び上記電流制限回路を絶縁ゲ一ト型バイポーラパワートランジスタのモノリシックシリコン基板に集積した内燃機関用点火装置において、

上記モノリシックシリコン基板内部に発生する廻り込み電流を、上記パワースィツチング部のエミッ夕に流す経路 (ZD2)を備えたことを特徴とした内燃機関用点火装置。

2 . 請求項 1記載の内燃機関用点火装置において、

上記接続回路は、インピーダンス素子を備えており、

上記経路は、上記インピーダンス素子の電圧ド口ップによって動作するツエナ一ダイォード（ZD2)を備えたことを特徴とする内燃機関用点火装置。

3 . 請求項 1記載の内燃機関用点火装置において、

上記接続回路は、上記モノリシックシリコン基板上に形成された定電流回路を構成するデプレション絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタ（152)と、このデプレション絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタに接続された抵抗 (R4)とで構成され、

上記経路は、上記デプレシヨン絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタと上記抵抗間に接続されるとともに、上記抵抗に発生する電圧がツエナ一電圧以上となった場合、この電流を上記パワースィツチング部のエミッ夕に流すツエナ一ダイォードとから構成されることを特徴とする内燃機関用点火装置。