DE10040161B4

DE10040161B4 - Halbleiter-Zündvorrichtung

Info

Publication number: DE10040161B4
Application number: DE10040161A
Authority: DE
Inventors: Shoichi Furuhata; Minoru Nishio
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 2000-08-17
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2020-08-18
Also published as: DE10040161A1; US6336448B1

Abstract

Halbleiter-Zündvorrichtung, umfassend
eine in Reihe mit einer Zündspule (16) geschaltete Schaltvorrichtung (2; 2a) zum gesteuerten Ein- und Ausschalten eines Stroms durch die Zündspule (16), und
eine Strombegrenzungsschaltung (4–6, 8, 9, 12, 13; 24–26; 40) zur Steuerung der Schaltvorrichtung (2; 2a) derart, daß der Strom durch die Zündspule (16) begrenzt wird, und
gekennzeichnet durch
eine Spannungsbegrenzungsschaltung (3) zum Begrenzen der von der Zündspule (16) ausgegebenen Spannung,
eine Zeitgeberschaltung (14; 14a), die mit dem Anlegen eines Eingangssignals an einen Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2; 2a) zu arbeiten beginnt und nach einer festgelegten Zeitspanne nach dem Anlegen des Eingangssignals (19) ein Ausgangssignal ausgibt, und
eine Hauptstromabsenkschaltung (10, 11, 14, 15; 14, 20–23; 14, 27, 28), die auf das Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung (14; 14a) reagiert, um den durch die Schaltvorrichtung (2; 2a) fließenden Strom ungeachtet des kontinuierlichen Anlegens des Eingangssignals (19) abzusenken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter-Zündvorrichtung, insbesondere zur Anwendung bei Zündanlagen von Verbrennungsmotoren in Automobilen.
Bekannte Zündsysteme für Verbrennungsmotoren in Automobilen schließen ein verteilerloses Zündsystem ein, das für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors eine Zündspule und eine Halbleiter-Zündvorrichtung enthält. Die bei diesem System eingesetzten Halbleiter-Zündvorrichtungen umfassen eine Schaltvorrichtung zum Ein- und Ausschalten des Primärstroms der Zündspule.
Die für die einzelnen Zylinder gesondert vorgesehenen Halbleiter-Zündvorrichtungen werden von einer Motorsteuereinheit einzeln ein- und ausgeschaltet, wobei jedoch diese Ein/Aus-Steuerung unter Umständen nicht richtig arbeitet, beispielsweise dann nicht, wenn der Motor steht. Wenn der Schaltvorrichtung ein anhaltendes Treibersignal geliefert wird, fließt kontinuierlich Strom durch die Primärseite der Zündspule, wodurch diese zerstört werden kann oder unkontrolliert der zugehörige Zylinder gezündet werden kann, was zu einer anomalen Motorvibration führt.
Eine Vorrichtung zur Korrektur solch eines anomalen Verhaltens ist beispielsweise in der JP 8-28415 A beschrieben. Bei diesem Stand der Technik ist eine Schutzschaltung vorgesehen, die dafür sorgt, daß, wenn durch die Schaltvorrichtung infolge eines Treibersignals von der Motorsteuereinheit eine vorbestimmte Zeitlang Strom geflossen ist, das Treibersignal am Eingang der Schaltvorrichtung zwangsweise abgeschaltet wird, um den Treiberzustand der Schaltvorrichtung zu beenden. Dies verhindert Schäden an der Schaltvorrichtung und der Zündspule, die bei anhaltender Stromleitung auftreten könnten.
Die bekannte Halbleiter-Zündvorrichtung weist auch eine Strombegrenzungsschaltung auf, um das Treibersignal an die Schaltvorrichtung zu begrenzen und deren Zerstörung zu verhindern, wenn in der Schaltvorrichtung ein Überstrom festgestellt wird.
Bei der herkömmlichen Halbleiter-Zündvorrichtung verhindert die Strombegrenzungsschaltung Überströme durch Verwendung eines Ausgangsstufenelements und vermeidet damit eine thermische Zerstörung der Halbleiter-Zündvorrichtung und der Zündspule; dabei schaltet die Schutzschaltung das Treibersignal und damit das Ausgangsstufenelement der Halbleiter-Zündvorrichtung ab, wenn ein Treibersignal kontinuierlich für eine vorbestimmte Zeitdauer oder länger anliegt. Der Abschaltvorgang nach der festgelegten Zeitdauer wird jedoch mit derselben Geschwindigkeit wie beim Normalbetrieb ausgeführt, so daß, wie beim normalen Betrieb, an der Sekundärwicklung der Zündspule eine hohe Spannung auftritt, durch die im Zylinder verbliebenes Brennstoffgemisch gezündet wird und der Motor einer anomalen Drehkraft ausgesetzt wird.
Aus der Patentschrift US5,775,310 ist eine Halbleiter-Zündvorrichtung bekannt, die eine in Reihe mit einer Zündspule geschaltete Schaltvorrichtung zum gesteuerten Ein- und Ausschalten eines Stroms durch die Zündspule, und eine Strombegrenzungsschaltung zur Steuerung der Schaltvorrichtung derart, daß der Strom durch die Zündspule (16) begrenzt wird, aufweist. Das voranstehend genannte Problem eines Dauerstroms durch die Schaltvorrichtung und die Zündspule in in dieser Druckschrift nicht angesprochen, geschweige denn gelöst.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleiter-Zündvorrichtung zu schaffen, die einen Ausgangsstufenanschluß nach kontinuierlichem Anlegen eines Treibersignals abschaltet und dabei verhindert, daß eine unerwünschte hohe Spannung in der Sekundärwicklung der Zündspule während dieses Abschaltvorgangs erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Halbleiter-Zündvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Wenn bei der erfindungsgemäßen Halbleiter-Zündvorrichtung ein Eingangssignal zum Einschalten der Schaltvorrichtung kontinuierlich anliegt, gibt der Zeitgeber ein Zeitablaufsignal ab, und als Folge davon verringert die Hauptstromabsenkschaltung den Strom durch die Schaltvorrichtung. Demgemäß wird die Schaltvorrichtung langsamer abgeschaltet als dies beim normalen Betrieb der Fall ist, um den durch die Primärwicklung der Zündspule fließenden Strom langsam abzuschalten und dadurch die in der Sekundärwicklung der Zündspule erzeugte Spannung zu begrenzen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Halbleiter-Zündvorrichtung gemäß der Erfindung,
2(A) schematisch die Anschaltung einer Zündspule,
2(B) die Änderungen von Strom und Spannung in der Primärwicklung der Zündspule,
2(C) Änderungen der Sekundärspannung der Zündspule,
3–7 Schaltbilder jeweils eines zweiten, dritten, vierten, fünften bzw. sechsten Ausführungsbeispiels der Halbleiter-Zündvorrichtung gemäß der Erfindung,
8 das Schaltbild von 7 mit detaillierterer Darstellung des Blocks 47, und
9 ein Beispiel einer Halbleiter-Zündvorrichtung, die unter Verwendung eines einzelnen Chips aufgebaut ist.
1 zeigt das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Halbleiter-Zündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Zündvorrichtung 1 verwendet einen IGBT 2 (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) als Schaltvorrichtung, welches ein Ausgangsstufenelement darstellt. Eine Zenerdiode 3 ist zwischen den Kollektor und das Gate des IGBT 2 geschaltet, um die von einer Zündspule abgegebene Spannung zu klemmen. Der Emitter des IGBT 2 liegt über einen Emitterwiderstand 4 an Masse, während sein Gate über Widerstände 5 und 6 mit einem Eingangsanschluß 7 verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwischen dem Emitter des IGBT 2 und dem Emitterwiderstand 4 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 8 verbunden. Der invertierende Eingang dieses Operationsverstärkers 8 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen Widerständen 9 und 10, einem Kondensator 11 sowie einem Konstantstromelement 12 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 8 ist mit dem Gate eines Feldeffekttransistors 13 (FET) verbunden. Die Drain des FET 13 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 5 und 6 verbunden, während seine Source geerdet ist. Der Eingangsanschluß 7 ist mit einem Betriebsspannungsanschluß des Operationsverstärkers 8, dem Konstantstromelement 12 und einem Zeitgeber 14 verbunden. Der Ausgang des Zeitgebers 14 ist mit dem Gate eines FET 15 verbunden. Die Drain des FET 15 ist mit dem dem Widerstand 9 abgewandten Ende des Widerstands 10 verbunden, während seine Source an Masse liegt. Der Kollektor des IGBT 2 ist mit der Primärwicklung einer Zündspule 16 verbunden, deren anderes Ende an eine Batterie 17 angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung der Zündspule 16 liegt über den Luftspalt einer Zündkerze an Masse.
Der Emitterwiderstand 4, der Operationsverstärker 8, der FET 13, der Widerstand 5, der Widerstand 9, das Konstantstromelement 12 und der Widerstand 6 bilden eine Strombegrenzungsschaltung zur Begrenzung des Laststroms durch den IGBT 2. Das Konstantstromelement 12 dient zur Erzeugung einer Referenzspannung für den Operationsverstärker 8, die durch das Produkt aus dem das Konstantstromelement 12 durchfließenden Strom und dem Widerstandswert des Widerstands 9 gegeben ist und der Klemmenspannung über dem Emitterwiderstand 4 entspricht, die gemessen wird, wenn der Strom vom IGBT 2 zum Emitterwiderstand 4 den Grenzwert aufweist.
Der Kondensator 11, der Widerstand 10, der FET 15 und der Zeitgeber 14, die mit dem Widerstand 9 parallel geschaltet sind, bilden einen Selbstabschaltkreis zum Abschalten des IGBT 2 für den Fall, daß ein Eingangssignal 19 andauernd am Eingangsanschluß 7 ansteht. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Selbstabschaltkreis eine Hauptstromabsenkschaltung, die den IGBT 2 allmählich, d. h. mit niedriger Geschwindigkeit abschaltet. Der Zeitgeber 14 liefert an das Gate des FET 15 zu einer festgelegten Zeitspanne nach dem Anlegen des Eingangssignals 19 ein Treibersignal.
Wenn bei dem oben beschriebenen Aufbau das Eingangssignal 19 an den Eingangsanschluß 7 angelegt wird, wird der IGBT 2 eingeschaltet und veranlaßt einen Stromfluß von der Batterie 17 über die Primärwicklung der Zündspule 16 zu dem IGBT 2. Wenn dann das Eingangssignal 19 innerhalb einer Zeitspanne abgeschaltet wird, die kürzer als die Betriebszeit des Zeitgebers 14 ist, wird der IGBT 2 abgeschaltet, um den Strom durch die Primärwicklung der Zündspule 16 abzuschalten. Dabei führt die in der Primärwicklung der Zündspule 16 gespeicherte Energie zur Induktion einer hohen Spannung in der Sekundärwicklung, was einen Zündfunken im Luftspalt 18 bewirkt und das Brennstoffgemisch in einem Zylinder zündet. Die Geschwindigkeit dieses Abschaltvorgangs des IGBT 2 bei normalem Betrieb hängt von der Eingangskapazität des IGBT 2 und den Widerstandswerten der Widerstände 5 und 6 sowie der Eingangssignalschaltung ab und erfolgt allgemein innerhalb von 50 μs oder weniger.
Wenn das Eingangssignal 19 an den Eingangsanschluß 7 angelegt wird, wird die Spannung des Eingangssignals 19 als Betriebsspannung für den Operationsverstärker 8 verwendet, und das Konstantstromelement 12 liefert einen konstanten Strom über den Widerstand 9, um eine Referenzspannung für den invertierten Eingang des Operationsverstärkers 8 bereitzustellen. Dementsprechend wird die Strombegrenzungsschaltung dieser Zündvorrichtung 1 in Betrieb gesetzt. Wenn der IGBT 2 eingeschaltet wird, fließt Strom durch den Emitterwiderstand 4. Wenn der Strom anomal ansteigt, so daß die Klemmenspannung am Emitterwiderstand 4 die Referenzspannung übersteigt, wird das Ausgangspotential des Operationsverstärkers 8 invertiert, um den FET 13 einzuschalten. Hierdurch wird der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 5 und 6 an Masse gelegt und dadurch das Eingangssignal 19 zum Gate des IGBT 2 abgeschaltet, um diesen zwangsweise abzuschalten.
Unter Bezugnahme auf 2 soll nun der Betrieb der Zündvorrichtung 1 für den Fall beschrieben werden, daß das Eingangssignal 19 kontinuierlich am Eingangsanschluß 7 anliegt, beispielsweise infolge eines Stillstands des Motors.
2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Sekundärspannung und dem Primärstrom und der Primärspannung der Zündspule. In 2(A) ist der IGBT 2 durch einen Schalter dargestellt, der Stromfluß durch die Primärwicklung der Zündspule 16 ist mit I_L bezeichnet, die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 2 ist mit V_SW bezeichnet, und die Spannung am Luftspalt 18 der Zündkerze, die von der Sekundärwicklung erzeugt wird, ist mit V_C2 bezeichnet.
Zunächst soll der normale Betrieb der Zündvorrichtung 1 erläutert werden. Wenn der IGBT 2 eingeschaltet wird, fällt die Spannung V_SW von der Batteriespannung auf Massepotential bzw. Null, während der Strom I_L durch die Primärwicklung der Zündspule 16 allmählich ansteigt, wie in 2(B) gezeigt. Wenn dann der Strom I_L einen vorbestimmten Wert erreicht hat, setzt die Wirkung der Strombegrenzungsschaltung ein und begrenzt den Strom bei leichtem Ansteigen der Spannung V_SW. Wenn der IGBT 2 abgeschaltet wird, fällt der Strom I_L auf Null, während die Spannung V_SW rasch ansteigt. Wenn die Spannung V_SW durch die Zenerdiode 3 auf die Zenerspannung geklemmt wird, induziert die Spannung V_SW Energie von der Primärwicklung in die Sekundärwicklung und fällt dann ab. Die induzierte Energie erzeugt ein negatives Potential in der Sekundärwicklung, und die Spannung V_C2 am Luftspalt 18 nimmt in negativer Richtung zu, wie in 2(C) gezeigt. Die in der Sekundärwicklung erzeugte Spannung wirkt mit einer gewissen Phasenverzögerung auf die Primärwicklung zurück, wodurch die Spannung V_SW die gefallen war, wieder ansteigt. Nachdem die Spannung an der Sekundärwicklung, d. h. die Spannung V_C2 am Luftspalt 18 bis zu einem bestimmten Wert angestiegen ist, tritt am Luftspalt 18 eine Entladung auf, was die Spannungen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung der Zündspule 16 absenkt. Die Spannung V_SW wird gleich der Batteriespannung während die Spannung V_C2 am Luftspalt 18 null wird.
Als nächstes wird der Fall beschrieben, daß der Motor steht, was ein andauerndes Anlegen des Eingangssignal 19 zur Folge hat. Nachdem das Eingangssignal 19 für eine feste Zeitdauer angestanden hat, gibt der Zeitgeber 14 sein Zeitablaufsignal an das Gate des FET 15. Der FET 15 wird dann eingeschaltet und entlädt über den Widerstand 10 den Kondensator 11. Die Entla dungsgeschwindigkeit wird von der Zeitkonstante aus Kondensator 11 und Widerstand 10 bestimmt.
Wenn der Zeitgeber 14 sein Treibersignal an den FET 15 abgibt, ist der Strom des IGBT 2 durch den Operationsverstärker 8, den FET 13 und die zugehörigen anderen Elemente begrenzt. Wenn in diesem Zustand der Kondensator 11 entladen wird, fällt die Bezugsspannung am Operationsverstärker 8 allmählich ab. Da der IGBT 2 den Strom so stellt, daß die Klemmenspannung am Emitterwiderstand 4 gleich der Referenzspannung am Operationsverstärker 8 ist, sinkt mit der Referenzspannung der Strom I_L allmählich ab, wie durch die gestrichelte Linie in 2(B) gezeigt. Dabei steigt die Spannung V_SW von dem Potential, das sich bei der Strombegrenzung eingestellt hatte, langsam an, wie durch die gestrichelte Linie dargestellt, während sich die Spannung V_C2 am Luftspalt 18 gemäß Darstellung in 2(C) ändert. Auf diese Weise wird der Strombegrenzungswert des IGBT 2 zum Abschalten des IGBT 2 mit niedriger Geschwindigkeit verändert, damit verhindert wird, daß die Spannung V_C2 am Luftspalt 18 auf einen Wert ansteigt, bei dem eine Entladung auftritt. Hierdurch werden unerwünschte Zündungen verhindert.
Die oben beschriebene Halbleiter-Zündvorrichtung 1, die eine Strombegrenzungsschaltung zur Begrenzung des den IGBT 2 durchfließenden Laststroms und eine Hauptstromabsenkschaltung zum allmählichen Absenken des Hauptstroms bzw. zum Abschalten des IGBT 2 mit niedriger Geschwindigkeit aufweist, kann als integrierte Hybridschaltung mit einer Kombination dieser Komponenten aufgebaut werden. Beispielsweise können die Komponenten in einem einzelnen Gehäuse untergebracht werden, wobei beispielsweise auf einem Keramiksubstrat Siliciumchips, die den IGBT 2, den Operationsverstärker 8, das Konstantstromelement 12, den Zeitgeber 14, die FETs 13 und 15 und andere Komponenten darstellen, montiert werden, weiterhin gedruckte Widerstände oder Widerstandschips als Widerstände 5, 6, 9 und 10, ein Widerstandschip als Emitterwiderstand 4 und ein Kondensatorchip als Kondensator 11 montiert werden und diese Chips mit Drähten untereinander verbunden werden und dann mit Harz vergossen werden.
Alternativ kann die Halbleiter-Zündvorrichtung 1 dadurch in einem einzigen Gehäuse untergebracht werden, daß sie unter Verwendung lediglich mehrerer Halbleiterchips (bare chips), die den IGBT 2, die Strombegrenzungsschaltung und die Hauptstromabsenkschaltung bilden, aufgebaut wird.
Außerdem kann die Halbleiter-Zündvorrichtung 1 unter Verwendung eines einzigen Chips aufgebaut werden, indem alle Funktionen der Zündvorrichtung auf einem einzelnen Siliciumsubstrat implementiert werden.
3 zeigt ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Halbleiter-Zündvorrichtung. Gleiche Elemente in den 1 und 3 sind mit denselben Bezugszahlen versehen und werden nicht noch einmal beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Hauptstromabsenkschaltung einen Zeitgeber 14, einen Oszillator 20, eine Schieberschaltung bzw. ein Schieberegister 21, und n Sätze aus jeweils einem Widerstand 22-1 bis 22-n und einem FET 23-1 bis 23-n.
Der Zeitgeber 14, dessen Ausgang mit dem Oszillator 20 verbunden ist, gibt nach einer festgelegten Zeitspanne nach Anlegen des Eingangssignals 19 sein Zeitablaufsignal als Startsignal für die Hauptstromabsenkschaltung aus. Der Oszillator 20 ist mit dem Schieberegister 21 verbunden, dessen n Ausgänge mit dem Gate eines jeweiligen der FETs 23-1 bis 23-n verbunden sind. Die Reihenschaltungen jeweils aus einem der Widerstände 22-1 bis 22-n und einem zugehörigen der FETs 23-1 bis 23-n liegen parallel zu dem Widerstand 9, der die Referenzspannung für den Operationsverstärker 8 erzeugt. Die Parallelschaltung aus dem Widerstand 9 und den Widerständen 22-1 bis 22-n erlaubt eine schrittweise Verringerung der Referenzspannung für den Operationsverstärker 8.
Der Oszillator 20 bestimmt die Geschwindigkeit der schrittweisen Verringerung, und das Schieberegister 21 legt fest, welcher oder welche FETs anzusteuern sind, der FET 23-1, der FET 23-n oder entweder einer oder beide FETs 23-1 und 23-n (bzw. einer der anderen FETs). Wenn die Widerstände 22-1 bis 22-n alle den gleichen Widerstandswert aufweisen und das Treibersignal nacheinander an den ersten FET 23-1 bis zum n-ten FET 23-n angelegt wird, tritt zwischen den beiden Enden des Widerstands 9 ein Widerstandswert auf, der der Parallelschaltung des Widerstands 9 mit i Widerständen 22-1 bis 22-i gleicht und mit zunehmendem i von 2 bis n allmählich abnimmt. Die Klemmenspannung über dem Widerstand 9 ergibt sich aus dem Ohmschen Gesetz (Spannung = Widerstand × Strom), was bedeutet, daß der Kollektorstrom durch den IGBT 2 allmählich verringert wird. Dies wiederum verhindert, daß eine hohe Spannung an der Sekundärwicklung der Zündspule 16 erzeugt wird.
4 zeigt ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der Halbleiter-Zündvorrichtung. Gleiche Elemente in den 1 und 4 sind mit denselben Bezugszahlen versehen und werden nicht noch einmal beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Strombegrenzungsschaltung Widerstände 24 und 25 und einen Transistor 26, und die Hauptstromabsenkschaltung umfaßt den Zeitgeber 14, einen Widerstand 27 und einen FET 28.
Bei der Strombegrenzungsschaltung ist der Verbindungspunkt zwischen dem Emitter des IGBT 2 und dem Emitterwiderstand 4 über den Widerstand 24 mit der Basis des Transistors 26 verbunden. Der Kollektor des Transistors 26 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 5 und 6 verbunden. Der Emitter des Transistors 26 liegt über den Widerstand 25 an Masse. Bei der Hauptstromabsenkschaltung ist der Ausgang des Zeitgebers 14 mit dem Gate des FET 28 verbunden, dessen Drain über den Widerstand 27 mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 5 und 6 verbunden ist und dessen Source an Masse liegt.
Wenn das Eingangssignal 19 an den Eingangsanschluß 7 angelegt wird, wird der IGBT 2 eingeschaltet. Wenn der Hauptstrom ansteigt und dabei die Klemmenspannung des Emitterwiderstands 24, die von dem Hauptstrom herrührt bzw. diesem proportional ist, die Durchlaßspannung des Transistors 26 übersteigt, wird dieser eingeschaltet. Dadurch gelangt das Potential am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 5 und 6 näher zum Massepotential, was die Gatespannung des IGBT 2 verringert und dadurch den Hauptstrom auf einen vorbestimmten Wert reduziert bzw. begrenzt.
Wenn das Eingangssignal 19 kontinuierlich an den Eingangsanschluß 7 angelegt wird, gibt der Zeitgeber 14 nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach Anlegen des Eingangssignals 19 das Zeitablaufsignal aus. Davon wird der FET 28 eingeschaltet und öffnet einen Nebenschluß für das Eingangssignal 19 über den Widerstand 27, um die Gatespannung des IGBT 2 zum Verschwinden zu bringen. Zusätzlich wird im Gate des IGBT 2 gespeicherte Ladung über die Widerstände 5 und 27 abgeführt, wodurch ein Abschaltbetrieb des IGBT 2 eingeleitet wird. Die Abschaltgeschwindigkeit des IGBT 2 wird von den Widerständen 5 und 27 bestimmt. Durch Erhöhen des Widerstandswerts des Widerstands 27 kann sie verringert werden. Auf diese Weise kann der den IGBT 2 und die Primärwicklung der Zündspule 16 durchfließende Strom langsam verringert werden, um die Erzeugung einer hohen Spannung in der Sekundärwicklung der Zündspule 16 einzuschränken oder zu unterbinden.
5 zeigt ein Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der Halbleiter-Zündvorrichtung. Gleiche Elemente in den 1 und 5 sind mit denselben Bezugszahlen versehen und werden nicht noch einmal erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Hauptstromabsenkschaltung ein Konstantstromelement 12, den Widerstand 9, eine Diode 35, den Kondensator 11, den Zeitgeber 14 und FETs 31, 32 und 33.
Der Kondensator 11 der Hauptstromabsenkschaltung ist so angeschlossen, daß ein Teil des vom Konstantstromelement 12 zum Widerstand 9 fließenden Stroms über die Diode 35 den Kondensator 11 lädt. Außerdem ist der Kondensator 11 mit der Drain des FET 32 verbunden, um mittels eines Konstantstroms entladen zu werden. Die Source des FET 32 liegt an Masse, während sein Gate mit Gate und Drain des FET 33 verbunden ist. Die Drain des FET 33 ist mit einem Konstantstromelement 34 verbunden, während seine Source an Masse liegt. Die FETs 32 und 33 bilden einen Stromspiegel, von dem der Kondensator 11 mit einem von dem Konstantstromelement 34 bestimmten konstanten Strom entladen werden kann. Der Ausgang des Zeitgebers 14 ist mit dem Gate des FET 31 verbunden, dessen Drain mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 9 und der Diode 35 verbunden ist, während seine Source an Masse liegt.
Wenn das Eingangssignal 19 an den Eingangsanschluß 7 angelegt wird, wird der IGBT 2 eingeschaltet. Wenn der Hauptstrom ansteigt und die Klemmenspannung des Emitterwiderstands 4, die von dem Hauptstrom herrührt, die von dem Konstantstromelement 12 und dem Widerstand 9 bestimmte Referenzspannung übersteigt, wird der FET 13 eingeschaltet. Dadurch wird das Potential am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 5 und 6 näher an Masse gebracht, was die Gatespannung des IGBT 2 verringert, wodurch der Hauptstrom verringert und auf einen vorbestimmten Wert begrenzt wird.
Wenn das Eingangssignal 19 kontinuierlich am Eingangsanschluß 7 anliegt, gibt der Zeitgeber 14 nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach Anlegen des Eingangssignals 19 das Zeitablaufsignal aus, was den FET 31 einschaltet und die Anode der Diode 35 auf Massepotential legt. Die Diode 35 verhindert nun, daß der Kondensator 11 geladen wird und verhindert außerdem, daß ein Entladestrom von dem Kondensator 11 zum Widerstand 9 und zum FET 31 fließt. Demzufolge entlädt der FET 32 mit konstantem Strom den Kondensator 11.
Wenn der Zeitgeber 14 das Zeitablaufsignal an den FET 31 ausgibt, ist der Strom des IGBT 2 durch den Operationsverstärker 8, den FET 13 und die anderen Element begrenzt. Wenn in diesem Zustand der Kondensator 11 entladen wird, fließt ein konstanter Strom durch den FET 32, der vom Verhältnis zwischen dem FET 32 und dem FET 33 bestimmt wird, wobei durch letzteren ein vom Konstantstromelement 34 bestimmter konstanter Strom fließt. Demzufolge wird der Kondensator 11 langsam entladen, womit die Referenzspannung des Operationsverstärkers 8 allmählich verringert wird. Als Folge davon wird der durch den IGBT 2 und die Primärwicklung der Zündspule 16 fließende Strom langsam abgesenkt und die Erzeugung einer hohen Spannung in der Sekundärwicklung der Zündspule 16 begrenzt oder unterbunden.
Die meisten Automobile verwenden eine 12-V-Batterie. In kalten Gegenden werden teilweise zwei Batterien in Reihe geschaltet, um den Motor zu starten. Selbst im Sommer kann, wenn die Batterie z. B. infolge Alterung zum Starten des Motors nicht mehr ausreicht, die Stromquelle eines anderen Automobils zum Starten des Motors eingesetzt werden. 12-V-Automobile können natürlich die Stromquelle eines 24-V-Automobils verwenden. Wenn in solchem Fall das Eingangssignal 19 kontinuierlich an den Eingangsanschluß 7 angelegt wird, kann der IGBT 2 als Schaltvorrichtung während des Strombegrenzungsvorgangs einer hohen Spannung ausgesetzt sein und thermisch zerstört werden.
Wenn beispielsweise die Batteriespannung 12 V beträgt, der Strombegrenzungswert (Grenzwert) bei 20 A liegt und der Zündspulenwiderstand 0,5 Ω beträgt, ergibt sich der Kollektorverlust des IGBT 2 zu 20 A × (12 V – 20 A × 0,5 Ω) = 40 W. Wenn andererseits eine 24-V-Stromquelle für die im übrigen gleiche Schaltung verwendet wird, dann steigt der Kollektorverlust auf 20 A × (24 V – 20 A × 0,5 Ohm) = 280 W.
Der als Schaltvorrichtung dienende IGBT 2 muß deshalb vor thermischer Zerstörung auch dann geschützt werden, wenn die Betriebsspannung höher ist als bei Normalbetrieb. Eine Halbleiter-Zündvorrichtung, die eine solche Funktion aufweist, wird nachfolgend beschrieben.
6 ist ein Schaltbild eines fünften Ausführungsbeispiels der Halbleiter-Zündvorrichtung. Gleiche Elemente in den 1 und 6 sind mit denselben Bezugszahlen versehen und werden nicht noch einmal erläutert. Dieses Ausführungsbeispiel umfaßt eine Strombegrenzungs/Hauptstromabsenkschaltung 40 mit einem Strombegrenzungsschaltungsteil und einem Hauptstromabsenkschaltungsteil sowie eine Hauptstromabschaltschaltung zum Abschalten des Hauptstroms durch den IGBT 2 mit hoher Geschwindigkeit, wenn die Spannung der Batterie 17 auf oder über einem bestimmten Wert liegt und das Eingangssignal 19 kontinuierlich anliegt.
Die Hauptstromabschaltschaltung umfaßt Spannungsteilerwiderstände 41 und 42 zum Messen der Kollektorspannung des IGBT 2, eine Referenzspannungsquelle 43 zum Einstellen einer bestimmten Spannung, einen Operationsverstärker 44, einen mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 44 verbundenen Widerstand 45 und einen FET 46. Der nicht invertierte Eingang des Operationsverstärkers 44 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 41 und 42 verbunden, während der invertierte Eingang mit der Referenzspannungsquelle 43 verbunden ist. Die Drain des FETs 46 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen zwei Widerständen 5a und 5b verbunden, die mit dem Gate des IGBT 2 in Reihe geschaltet sind. Die Source des FETs 46 liegt an Masse, und sein Gate ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 44 über den Widerstand 45 verbunden. Der Stromversorgungsanschluß des Operationsverstärkers 44 ist mit dem Eingangsanschluß 7 verbunden. Auf diese Weise wird eine Schaltung gebildet, die das Eingangssignal 19 und die Kollektorspannung des IGBT 2 überwacht und zwangsweise die Gatespannung des IGBT 2 auf einen Wert absenkt, bei dem der IGBT 2 den Leitzustand nicht aufrechterhalten kann, wenn das Eingangssignal 19 kontinuierlich anliegt und die Kollektorspannung einen bestimmten Wert erreicht oder überschreitet.
Wenn bei diesem Aufbau das Eingangssignal 19 kontinuierlich anliegt, bewirkt die Strombegrenzungs/Hauptstromabsenkschaltung 40 zunächst einen begrenzten Hauptstromfluß und dann ein langsames Verringern des Hauptstroms. In diesem Fall gleicht die Kollektorspannung des IGBT 2 während des Strombegrenzungsbetriebs der Spannung der Batterie 17 minus dem Produkt aus Widerstand der Zündspule und Wert des begrenzten Stroms, d. h. V_CE = V_B – RCA × Ic1, wobei V_CE die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 2 ist, V_B die Batteriespannung ist, RCA den Widerstand der Zündspule darstellt und I_c1 den Strombegrenzungswert repräsentiert.
Da in diesem Fall der Strombegrenzungswert nicht merklich ansteigt, selbst wenn die Batteriespannung hoch ist, steigt die Kollektorspannung des IGBT 2 proportional zur Batteriespannung an.
Bei dem beschriebenen Aufbau erzeugt der Operationsverstärker 44 ein Ausgangssignal auf der Basis der von den Widerständen 41 und 42 gemessenen Kollektorspannung und der Spannung der Referenzspannungsquelle 43, um den FET 46 anzusteuern. Da der FET 46 quasi parallel zur Gate-Emitter-Strecke des IGBT 2 geschaltet ist, verringert er zwangsweise die Gatespannung des IGBT 2 bis auf Masse, und zwar ungeachtet des Betriebs der Strombegrenzungs/Hauptstromabsenkschaltung 40, um den IGBT 2 rasch in den Abschaltzustand zu bringen.
Die Kollektorteilspannung, die an den nicht-invertierten Eingang des Operationsverstärkers 44 angelegt wird, kann auch mittels einer Zenerdiode anstelle des Widerstands 41 gewonnen werden. Alternativ können eine Zenerdiode und der Widerstand 41 in Reihe geschaltet werden. Außerdem kann ein Konstantstromelement in Reihe mit dem Widerstand 41 geschaltet werden, so daß die Kollektorspannung vom Konstantstromelement mit übernommen wird, wenn sie einen festgelegten Wert erreicht.
Die Strombegrenzungs/Hauptstromabsenkschaltung 40 kann die Strombegrenzungsschaltung und die Hauptstromabsenkschaltung enthalten, die in den 1, 4 bzw. 5 dargestellt sind.
Wie oben schon beschrieben, kann die Spannung der bei den meisten Automobilen eingesetzten 12 V-Batterie bei großer Kälte oder schlechtem Batteriezustand zum Motorstart nicht ausreichen. In diesem Fall kann das Eingangssignal 19 zum Ein- oder Ausschalten der Schaltvorrichtung so gesteuert werden, daß es eine längere Einschaltdauer aufweist (länger anliegt) als bei normaler Batteriespannung. Anders ausgedrückt, die oben beschriebene Hauptstromabsenkschaltung, die als Schutzschaltung wirkt, wenn das Eingangssignal 19 außergewöhnlich lang anliegt, kann so ausgestaltet werden, daß sie anspricht, wenn das Eingangssignal für eine längere Zeitspanne anliegt als bei normaler Batteriespannung, wenn die Dauer des tatsächlichen Anliegens des Eingangssignals, diesen verlängerten Wert übersteigt. Bei dieser Ausgestaltung kann jedoch, wenn die Batteriespannung zunimmt, die Schaltvorrichtung thermisch zerstört werden. Um zu verhindern, daß dies auftritt, muß die Zeitablaufzeit verringert werden, nach der der Zeitgeber das Zeitablaufsignal ausgibt um zu bewirken, daß die Hauptstromabsenkschaltung den allmählichen Absenkbetrieb ausführt, wenn die Batteriespannung auf oder über einem bestimmten Wert liegt. Um dies zu erreichen, muß die Schaltvorrichtung die Batteriespannung überwachen.
Generell kann ein Schaltungsaufbau, bei dem ein Ende des Hauptstromkreises der Schalterschaltung über die Primärwicklung der Zündspule 16 als Last mit der Batterie verbunden ist, während das andere Ende an Masse liegt, die Batteriespannung nicht direkt überwachen. Dementsprechend ist zur Überwachung der Batteriespannung eine zusätzliche Anschlußklemme erforderlich, an der die Batteriespannung direkt anliegt. Nachfolgend wird eine Halbleiter-Zündvorrichtung beschrieben, die mit einer Funktion zur Überwachung der Batteriespannung versehen ist, um eine thermische Zerstörung der Schaltvorrichtung zu verhindern, ohne daß eine solche zusätzliche Anschlußklemme erforderlich wäre.
7 zeigt das Schaltbild eines sechsten Ausführungsbeispiels der Halbleitervorrichtung. Gleiche Elemente in den 1 und 7 sind mit denselben Bezugszahlen versehen und werden nicht noch einmal erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt eine Schaltung zur Überwachung der Spannung der Batterie 17 eine Halteschaltung 47 zum Messen und Halten der Sperrspannung V_CE zwischen Kollektor und Emitter des IGBT 2, d. h. wenn dieser abgeschaltet ist, einen Operationsverstärker 48 zur Ermittlung, ob die Spannung der Batterie 17 höher als die einer Referenzspannungsquelle ist, und eine Referenzspannungsquelle 49 zur Durchführung dieses Vergleichs. Diese Elemente bilden eine Zeitgebersteuerschaltung. Zu Erläuterungszwecken zeigt die Figur den Zeitgeber, der an sich Bestandteil der Hauptstromabsenkschaltung ist als gesonderten Zeitgeber 14a zusätzlich zu der Strombegrenzungs/Hauptstromabsenkschaltung 40a.
In der Zeitgebersteuerschaltung ist die Halteschaltung 47 mit dem Kollektor des IGBT 2 verbunden und so ausgestaltet, daß sie die Spannung mißt, die am Kollektor des IGBT 2 anliegt, wenn dieser abgeschaltet ist, d. h. die Spannung der Batterie 17. Diese Batteriespannung wird gespeichert, damit Änderungen erkannt werden. Wenn das Eingangssignal 19 zum Einschalten des IGBT 2 an den Eingangsanschluß 7 angelegt wird, hält die Halteschaltung 47 den unmittelbar vor dem Anlegen des Eingangssignals 19 gespeicherten Spannungswert und gibt ihn aus. Durch Überwachung der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE des IGBT 2 in dessen Ausschaltzustand kann die Spannung der Batterie 17 genau gemessen werden. Der Operationsverstärker 48 ist so aufgebaut, daß er arbeitet, wenn das Eingangssignal 19 zum Einschalten des IGBT 2 dem Eingangsanschluß 7 eingegeben wird, um die Spannung der Batterie 17, die von der Halteschaltung 47 an den nicht-invertierten Eingang des Operationsverstärkers 48 angelegt wird, mit der Spannung der Referenzspannungsquelle 49 am invertierten Eingang zu vergleichen und das Vergleichsergebnis an den Zeitgeber 14a auszugeben. Der Zeitgeber 14a ist so ausgestaltet, daß er sein Zeitablaufsignal an die Strombegrenzungs/Hauptstromabsenkschaltung 40a als Startsignal für die Hauptstromabsenkung ausgibt, wenn nach dem Anlegen des Eingangssignals 19 eine feste Zeitspanne verstrichen ist; wenn das Vergleichsergebnisses vom Operationsverstärker 48 eine höhere Batteriespannung anzeigt, verringert der Zeitgeber 14a den Wert seiner Zeitkonstanten, um die Dauer der Zeit vom Anlegen des Eingangssignals 19 bis zur Ausgabe des Zeitablaufsignals, d. h. des für den Hauptstromabsenkvorgang, zu verkürzen.
Bevor bei dieser Schaltung das Eingangssignal 19 an den Eingangsanschluß 7 angelegt wird hält die Halteschaltung 47 die vor dem Anlegen des Eingangssignals 19 gemessene Spannung V_CE, d. h. die Spannung der Batterie 17. Mit dem Anlegen des Eingangssignals 19 wird zugleich der Operationsverstärker 48 in Betrieb gesetzt und gibt das Ergebnis des Vergleichs zwischen dem von der Halteschaltung 47 gehaltenen Spannungswert V_CE und dem Spannungswert der Referenzspannungsquelle 49 aus. Ein entsprechendes Spannungsvergleichssignal wird dem Zeitgeber 14a geliefert. Nach Empfang des Spannungsvergleichssignals gibt der Zeitgeber 14a das Startsignal für den Hauptstromabsenkvorgang aus. Die Länge der Zeit vom Anlegen des Eingangssignals 19 bis zur Ausgabe dieses Startsignals hängt vom Spannungsvergleichssignal ab. Anders ausgedrückt, der Zeitgeber 14a gibt dieses Startsignal nach kurzer Zeit aus, wenn das Ergebnis des Spannungsvergleichs anzeigt, daß die Spannung der Batterie 17 erhöht ist.
8 zeigt die Schaltung von 7 mit einer Detaildarstellung einer möglichen Ausführungsform der Halteschaltung 47. Letztere enthält zwei Verarmungs-IGBTs 50 und 51, Widerstände 52 bis 55, zwei MOSFETs 56 und 57 und einen Kondensator 58.
Die Kollektoren der beiden IGBTs 50 und 51 sind mit dem Kollektor des IGBT 2 verbunden. Gate und Emitter sind bei beiden IGBTs 50 und 51 jeweils zusammengeschaltet und über Widerstände 52 und 53 bzw. 54 und 55 an Masse gelegt. Das Gate des MOSFET 56 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 54 und 55 verbunden, während seine Drain mit einem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 52 und 53 verbunden ist. Die Source des MOSFETs 56 ist mit dem Kondensator 58 und dem nicht-invertierten Eingang des Operationsverstärkers 48 verbunden. Das Gate des MOSFETs 57 ist mit dem Eingangsanschluß 7 verbunden, während seine Drain mit dem Verbindungspunkt zwischen Gate und Emitter des IGBT 51 einerseits und dem Widerstand 54 andererseits verbunden ist. Die Source des MOSFETs 57 liegt an Masse. Der Stromversorgungsanschluß des Operationsverstärkers 48 ist mit dem Eingangsanschluß 7 verbunden. Sein nicht-invertierter Eingang ist mit der Referenzspannungsquelle 49 verbunden, und sein Ausgang ist mit dem Zeitgeber 14a verbunden.
Wenn bei diesem Schaltungsaufbau das Eingangssignal 19 bewirkt, daß der IGBT 2 abgeschaltet wird, fließt ein Strom proportional der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE des IGBT 2 durch den IGBT 50, was zu einer Teilspannung am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 52 und 53 führt. Eine am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 54 und 55 infolge eines Stroms durch den IGBT 51 und die Widerstände 54 und 55 auftretende Spannung schaltet den MOSFET 56 ein, so daß die am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 52 und 53 erzeugte Teilspannung über den MOSFET 56 an den Kondensator 58 geliefert und von diesem gehalten wird.
Wenn das Eingangssignal 19 an den Eingangsanschluß 7 angelegt wird, wird der MOSFET 57 eingeschaltet, wodurch die Gatespannung des MOSFET 56 näher zum Massepotential kommt und der MOSFET 56 gesperrt wird. Auf diese Weise hält der Kondensator 58 eine Spannung entsprechend der Spannung der Batterie 17, die unmittelbar vor dem Anlegen des Eingangssignals 19 "gemessen" wird. Zugleich mit dem Anlegen des Eingangssignals 19 wird der Operationsverstärker 48 in Betrieb gesetzt, dem das Eingangssignal 19 als Betriebsspannung dient, um die Spannung am Kondensator 58 mit der Spannung der Referenzspannungsquelle 49 zu vergleichen und das Ergebnis des Vergleichs an den Zeitgeber 14a zu liefern. Wenn der Zeitgeber 14a das Signal vom Operationsverstärker 48 erhält, und das Ergebnis des Spannungsvergleichs durch den Operationsverstärker 48 anzeigt, daß die Spannung der Batterie 17 erhöht ist, gibt der Zeitgeber 14a das Startsignal für den Hauptstromabsenkvorgang schneller an die Strombegrenzungs/Hauptstromabsenkschaltung 40a aus als dies bei niedrigerer Spannung der Batterie 17 der Fall ist, wodurch verhindert wird, daß die Schaltvorrichtung thermisch zerstört wird.
Bei dem oben beschriebenen Beispiel sind der Operationsverstärker 48 und die Referenzspannungsquelle 49 dazu vorgesehen zu ermitteln, ob die Spannung der Batterie 17 über oder unter einem speziellen Wert liegt. Wenn die Spannung über diesem Wert liegt, wird das Startsignal für den Hauptstromabsenkvorgang schneller ausgegeben als in dem Fall, wo die Spannung unter diesem Wert liegt. Mehrere Sätze aus Operationsverstärker und Referenzspannungsquelle können vorgesehen sein, um den Zeitgeber 14a in einer solchen Weise zu steuern, daß die Dauer bis zur Ausgabe des Startsignals für den Hauptstromabsenkvorgang nach Maßgabe der Spannung der Batterie 17 immer mehr verkürzt wird.
Die Strombegrenzungs/Hauptstromabsenkschaltung 40 (14a und 40a) kann unter Verwendung der Strombegrenzungsschaltung und der Hauptstromabsenkschaltung aufgebaut sein, wie sie in den 1, 4 oder 5 dargestellt sind.
9 zeigt ein Beispiel einer Halbleiter-Zündvorrichtung, die unter Verwendung eines einzigen Chips aufgebaut ist. Gleiche Elemente in den 4 und 9 sind mit denselben Bezugszahlen versehen und werden nicht noch einmal erläutert. Die Halbleiter-Zündvorrichtung 1 ist hier eine monolithisch integrierte Schaltung mit einem IGBT 2a als Ausgangsstufenelement zur Steuerung des Hauptstroms durch die Zündspule 16, einem IGBT 2b zur Messung des Hauptstroms, einer Strombegrenzungsschaltung zur Begrenzung des Hauptstroms, einer Zenerdiode 3 zur Begrenzung (Klemmung) der von der Zündspule abgegebenen Spannung, und einer Hauptstromabsenkschaltung. Alle diese Elemente sind auf einem einzigen Siliciumsubstrat ausgebildet. Die Halbleiter-Zündvorrichtung 1 enthält einen Eingangsanschluß 7, einen Ausgangsanschluß 59 und einen Masseanschluß 60. Da diese Schaltung nicht zuläßt, daß ein Emitterwiderstand 4 hoher Leistung auf dem Siliciumsubstrat ausgebildet wird, ist der Strommeß-IGBT 2b parallel zum IGBT 2a zur Steuerung des Hauptstroms geschaltet, so daß ein Teil des Hauptstroms im Nebenschluß durch den IGBT 2b fließt und zur Ermittlung des Werts des Hauptstroms gemessen wird.
Bei dem dargestellten Beispiel kann es sich bei der Strombegrenzungsschaltung und der Hauptstromabsenkschaltung um die in 4 dargestellten handeln. Jene der 1, 3 oder 5 können indes ebenso verwendet werden. Alternativ kann die Vorrichtung auch so ausgebildet werden, daß sie die Hauptstromabschaltschaltung gemäß 6 oder die Zeitgebersteuerschaltung gemäß 8 enthält.
Wie voranstehend beschrieben, ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Selbstabschaltschaltung vorgesehen, die aktiv wird, wenn das Eingangssignal kontinuierlich zu lange eingegeben wird, um den Zündspulenstrom abzuschalten, und zwar selbst wenn das Eingangssignal so ausgebildet ist, daß es das Ausgangsstufenelement mit niedriger Geschwindigkeit abschaltet. Dementsprechend kommt beim Selbstabschalten das Ausgangsstufenelement langsamer in den Ausschaltzustand, als dies bei normalem Abschaltbetrieb der Fall ist, um die Erzeugung einer Hochspannung in der Zündspule zu beschränken oder zu unterbinden und dadurch zu verhindern, daß der Motor einer ungewöhnlichen Drehkraft ausgesetzt wird. Dieses Verhindern einer ungewöhnlichen Drehkraft vermeidet anomale Geräusche oder Vibrationen im Motor und führt somit zu einem leiseren Fahrzeug.
Es ist außerdem eine Schaltung vorgesehen, die zwangsweise den Hauptstrom durch die Schaltvorrichtung mit hoher Geschwindigkeit abschaltet, wenn die Batteriespannung hoch ist und das Treiber- bzw. Eingangssignal kontinuierlich anliegt. Dies kann eine thermische Zerstörung verhindern, die andernfalls durch Anlegen einer Überspannung an die Schaltvorrichtung bewirkt würde.
Weiterhin ist eine Einrichtung zum Speichern und Halten der Batteriespannung vorgesehen, die an der Schaltvorrichtung anliegt, wenn die Schaltvorrichtung ausgeschaltet ist. Eine Zeitgebersteuerschaltung steuert die Länge der Zeit, nach der ein Zeitablaufsignal als Startsignal für das allmähliche Absenken des Hauptstroms ausgegeben wird, nach Maßgabe der Batteriespannung. Als Folge davon kann die Halbleiter-Zündvorrichtung als herkömmliches, mit drei Anschlüssen versehenes Gehäuse mit einem Eingangsanschluß, einem Ausgangsanschluß für den Anschluß der Zündspule und einem Masseanschluß ohne einen zusätzlichen Anschluß zur Überwachung der Batteriespannung ausgebildet werden. Da außerdem die Länge der Zeit bis zur Ausgabe des Zeitablaufsignals nach Maßgabe der Batteriespannung gesteuert wird, kann die Schaltvorrichtung vor einer thermischen Zerstörung geschützt werden.

Claims

Halbleiter-Zündvorrichtung, umfassend eine in Reihe mit einer Zündspule (16) geschaltete Schaltvorrichtung (2; 2a) zum gesteuerten Ein- und Ausschalten eines Stroms durch die Zündspule (16), und eine Strombegrenzungsschaltung (4–6, 8, 9, 12, 13; 24–26; 40) zur Steuerung der Schaltvorrichtung (2; 2a) derart, daß der Strom durch die Zündspule (16) begrenzt wird, und gekennzeichnet durch eine Spannungsbegrenzungsschaltung (3) zum Begrenzen der von der Zündspule (16) ausgegebenen Spannung, eine Zeitgeberschaltung (14; 14a), die mit dem Anlegen eines Eingangssignals an einen Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2; 2a) zu arbeiten beginnt und nach einer festgelegten Zeitspanne nach dem Anlegen des Eingangssignals (19) ein Ausgangssignal ausgibt, und eine Hauptstromabsenkschaltung (10, 11, 14, 15; 14, 20–23; 14, 27, 28), die auf das Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung (14; 14a) reagiert, um den durch die Schaltvorrichtung (2; 2a) fließenden Strom ungeachtet des kontinuierlichen Anlegens des Eingangssignals (19) abzusenken.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstromabsenkschaltung allmählich den von der Strombegrenzungsschaltung (4–6, 8, 9, 12, 13; 24–26; 40) bewirkten Strombegrenzungswert verringert, um die Schaltvorrichtung (2; 2a) abzuschalten.
Zündvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungsschaltung umfaßt: einen Nebenschlußwiderstand (4), der mit der Schaltvorrichtung (2) in Reihe geschaltet ist, um einen dem Strom durch die Schaltvorrichtung proportionalen Ist-Spannungswert messen zu können, eine Referenzspannungsschaltung (12, 9) zur Erzeugung eines Referenzspannungswerts entsprechend dem Strombegrenzungswert, einen Operationsverstärker (8), der den Ist-Spannungswert und den Referenzspannungswert als Eingangssignale erhält, und einen ersten Transistor (13) zur Steuerung der Spannung des an den Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2) angelegten Eingangssignals (19) auf der Basis des Ausgangssignals vom Operationsverstärker (8), und daß die Hauptstromabsenkschaltung umfaßt: einen parallel zur Referenzspannungsschaltung (9) geschalteten Kondensator (11), einen zweiten Transistor (15), der als Antwort auf das Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung (14) eingeschaltet wird, und einen Widerstand (10), der mit dem Kondensator (11) und dem zweiten Transistor (15) in Reihe geschaltet ist, um den Kondensator zu entladen, wenn der zweite Transistor (15) eingeschaltet ist.
Zündvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungsschaltung umfaßt: einen Nebenschlußwiderstand (4), der mit der Schaltvorrichtung (2) in Reihe geschaltet ist, um einen Ist-Spannungswert proportional dem die Schaltvorrichtung (2) durchfließenden Strom zu messen, eine Referenzspannungsschaltung (9, 12) zur Erzeugung eines Referenzspannungswerts entsprechend dem Strombegrenzungswert, einen Operationsverstärker (8), der den Ist-Spannungswert (4) und den Referenzspannungswert als Eingangssignale erhält, und einen ersten Transistor (13) zur Steuerung der Spannung des an den Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2) angelegten Eingangssignals (19) auf der Basis des Ausgangssignals vom Operationsverstärker (8), und daß die Hauptstromabsenkschaltung umfaßt: eine Oszillatorschaltung (20), die als Antwort auf das Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung (14) arbeitet, eine Schiebeschaltung (21), die das Schwingungssignal von der Oszillatorschaltung (20) empfängt, mehrere zweite Transistoren (23-1–23-n), die als Antwort auf die jeweiligen Ausgangssignale von der Schiebeschaltung (21) eingeschaltet werden, und mehrere Widerstände (22-1–22-n), deren eines Ende zur Bildung einer jeweiligen Reihenschaltung mit einem entsprechenden der zweiten Transistoren verbunden ist, während das andere Ende dieser Widerstände gemeinsam mit der Referenzspannungsschaltung (9) verbunden ist, um den Referenzspannungswert stufenweise abzusenken.
Zündschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstromabsenkschaltung umfaßt: einen Transistor (28), der als Antwort auf das Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung (14) eingeschaltet wird, und einen Widerstand (27), der mit dem Transistor (28) in Reihe geschaltet ist, um einen Nebenschluß für das Eingangssignal zu bilden und die Spannung abzusenken, die an den Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2) angelegt wird, wenn der Transistor (28) eingeschaltet ist, wobei der Widerstand (27) parallel zum Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2) geschaltet ist, um die Eingangskapazität der Schaltvorrichtung (2) zu entladen.
Zündvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungsschaltung umfaßt: einen Nebenschlußwiderstand (4), der mit der Schaltvorrichtung (2) in Reihe geschaltet ist, um einen Ist-Spannungswert proportional dem durch die Schaltvorrichtung (2) fließenden Strom zu messen, eine Referenzspannungsschaltung (9, 12) zur Erzeugung eines Referenzspannungswerts entsprechend dem Strombegrenzungswert, einen Operationsverstärker (8), der als Eingangssignale den Ist-Spannungswert und, über eine Diode (35), den Referenzspannungswert erhält, und einen ersten Transistor (13) zur Steuerung der Spannung des an dem Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2) anliegenden Eingangssignals auf der Basis des Ausgangssignals des Operationsverstärkers (8), und daß die Hauptstromabsenkschaltung umfaßt: einen parallel mit dem Eingangsanschluß des Operationsverstärkers zur Eingabe des Referenzspannungswerts geschalteten Kondensator (11), einen zweiten Transistor (31), der als Antwort auf das Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung (14) eingeschaltet wird, um das Ausgangssignal der Referenzspannungsschaltung abzuschalten, und eine Konstantstromentladeschaltung (32–34), die parallel zu dem Kondensator (11) geschaltet ist, um diesen zu entladen.
Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch eine Hauptstromabschaltschaltung zur Überwachung der Klemmenspannung zwischen den Hauptanschlüssen der Schaltvorrichtung (2) und der Spannung des an den Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2) angelegten Eingangssignals und zur Steuerung des Eingangssignals zum Abschalten des Hauptstroms ungeachtet des Betriebs der Hauptstromabsenkschaltung, wenn die Klemmenspannung zwischen den Hauptanschlüssen der Schaltvorrichtung einen bestimmten Wert erreicht oder übersteigt, während die Strombegrenzungsschaltung einen Strombegrenzungsbetrieb ausführt.
Zündvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstromabschaltschaltung umfaßt: einen zweiten Operationsverstärker (44), der als Eingangssignale eine Spannung proportional der Klemmenspannung zwischen den Hauptanschlüssen der Schaltvorrichtung (2) und eine zweite Referenzspannung entsprechend der bestimmten Spannung erhält und als Betriebsspannung die Spannung des Eingangssignals verwendet, die an den Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2) angelegt wird, und einen dritten Transistor (46) zur Steuerung der Spannung des Eingangssignals auf der Basis des Ausgangssignals des zweiten Operationsverstärkers (44) zum schnellen Abschalten der Schaltvorrichtung.
Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, ferner gekennzeichnet durch: eine Spannungshalteschaltung zum Messen der Spannung zwischen den Hauptanschlüssen der Schaltvorrichtung (2) während deren Ausschaltzustand und zum Halten des gemessenen Spannungswerts zur Überwachung der Spannung der über die Zündspule (16) angeschlossenen Batterie (17), eine Referenzspannungsquelle (43) zur Erzeugung einer Referenzspannung, und einen zweiten Operationsverstärker (44), der als Betriebsspannung die Spannung des Eingangssignals verwendet, das an den Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2) angelegt wird, um den von der Spannungshalteschaltung (47) gehaltenen Spannungswert mit der Referenzspannung zu vergleichen und ein Signal an die Zeitgeberschaltung (14a) auszugeben und die Dauer der Zeit vom Anlegen des Eingangssignals bis zur Ausgabe eines Ausgangssignals durch die Zeitgeberschaltung zu verringern, wenn der von der Spannungshalteschaltung gehaltene Spannungswert die Referenzspannung übersteigt.
Zündvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungshalteschaltung (47) umfaßt: eine erste und eine zweite Spannungsteilerschaltung (50–55) zum Teilen der Spannung an dem Hauptanschluß der Schaltvorrichtung (2) der mit der Zündspule (16) verbunden ist, einen dritten Transistor (56), der mittels der Ausgangsspannung der zweiten Spannungsteilerschaltung (51, 54, 55) eingeschaltet wird, einen zweiten Kondensator (58), der von der ersten Spannungsteilerschaltung (50, 52, 53) nach Maßgabe des Einschaltbetriebs des dritten Transistors (56) aufladbar ist, und einen vierten Transistor (57) zum Abschalten des dritten Transistors (56), wenn ersterer von der Spannung des an den Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2) angelegten Eingangssignals eingeschaltet wird.
Zündvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Sätze aus zweitem Operationsverstärker (48) und Referenzspannungsquelle (49) jeweils unterschiedlicher Referenzspannung aufweist, wobei die Zeitgeberschaltung (14a) die Zeitdauer, die die Zeitgeberschaltung bis zur Ausgabe eines Ausgangssignals verstreichen läßt, nach Maßgabe der Spannung der Batterie (17) verändert.
Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine integrierte Hybridschaltung aus einer Kombination mehrerer Teile handelt, die Schaltvorrichtung (2), die Strombegrenzungsschaltung, die Spannungsbegrenzungsschaltung, die Zeitgeberschaltung und die Hauptstromabsenkschaltung umfassend.
Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine monolithisch integrierte Schaltung umfassend die Schaltvorrichtung, die Strombegrenzungsschaltung, die Spannungsbegrenzungsschaltung, die Zeitgeberschaltung und die Hauptstrom-Absenkschaltung, handelt, die auf einem einzigen Siliciumsubstrat ausgebildet sind.
Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem einzigen Gehäuse mehrere Halbleiterchips enthält, die die Schaltvorrichtung, die Strombegrenzungsschaltung, die Spannungsbegrenzungsschaltung, die Zeitgeberschaltung und die Hauptstromabsenkschaltung darstellen.
Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Hauptstromabschaltschaltung zur Überwachung der Klemmenspannung zwischen den Hauptanschlüssen der Schaltvorrichtung (2a) sowie der Spannung des an den Steueranschluß der Schaltvorrichtung (2a) angelegten Eingangssignals und zur Steuerung des Eingangssignals derart, daß Hauptstrom ungeachtet des Betriebs der Hauptstromabsenkschaltung schnell abgeschaltet wird, wenn die Klemmenspannung einen vorbestimmten Wert oder mehr aufweist, während die Strombegrenzungsschaltung die Strombegrenzungsfunktion ausübt.