DE10109853A1 - Zündvorrichtung für Brennkraftmaschine und Einchip-Halbleiter für Brennkraftmaschinen-Zündung - Google Patents

Abstract

Eine Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine besitzt einen Aufbau, der ein Leistungsteil und ein Steuerteil umfaßt, die auf einem einzigen Chip in einem monolithischen IGBT-Siliciumsubstrat kombiniert sind. Der Steuerschaltungsabschnitt besitzt eine Funktion zum Begrenzen des Stroms, die das Fließen jeglichen Stroms oberhalb eines vorgegebenen Werts verhindert, sowie die Funktion der Erfassung einer fehlerhalften Wärmeerzeugung, durch die ein elektrischer Primärstrom zwangsläufig blockiert wird. die Sekundärspannung einer Zündspule, die unter einer Kerzenentladungsspannung liegt, wird wiederholt erzeugt, um keine Funkenentladung in der Zündkerze zu erzeugen, wenn die zwangsläufige Sperrung des elektrischen Stroms erfolgt, wobei Energie, die in die Zündspule geladen worden ist, abgegeben oder abgeführt wird. Mit diesem Aufbau kann eine Einchip-Zündvorrichtung mit hoher Zuverlässigkeit erhalten werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine und auf einen Einchip-Halbleiter hierfür.

In der japanischen Offenlegungsschrift Nr. Hei 8-335522 ist als ein Stand der Technik eine Zündvorrichtung für eine Brennkraft­ maschine beschrieben, in der ein Leistungsschaltteil, eine Strom­ begrenzungsschaltung, die als eine Schutzschaltung wirkt, sowie eine thermische Abschaltschaltung, die den Stromfluß zwangsläu­ fig unterbricht oder sperrt, wenn eine anomale Wärmeerzeugung stattfindet, sämtlich auf einem monolithischen IGBT- Siliciumsubstrat integriert sind. Außerdem wird ein Unterdrüc­ kungsverfahren vorgeschlagen, das eine Kollektor-Klemmspan­ nung aufbaut, die mehrere zehn Volt beträgt, das als Verfahren zur Nichterzeugung einer hohen Spannung auf der Sekundärseite einer Zündspule während der Zeit, in der der Strom durch eine Spannungserzeugung in einer Anzahl, die dem Windungsverhält­ nis entspricht, zwangsläufig abgeschaltet wird, dient. In der japa­ nischen Offenlegungsschrift Nr. Sho 53-118781 ist als weiterer Stand der Technik eine Zündvorrichtung für eine Brennkraftma­ schine beschrieben. In dieser Zündvorrichtung wird ein Hybrid-IC, der mit elektronischen Bauteilen auf einem Keramiksubstrat und dergleichen ausgerüstet ist, verwendet. Diese Zündvorrichtung besitzt die Funktion, daß sie den elektrischen Primärstrom auf­ grund des Miller-Integrationseffekts unter Verwendung eines Kon­ densators durch Erfassung der Fehlfunktion des Zündsignals langsam unterbricht. Der Stand der Technik, der in der japani­ schen Offenlegungsschrift Nr. Hei 8-335522 gezeigt ist, weist in der Zündvorrichtung als Sicherheits- oder Schutzfunktion eine Strombegrenzungsschaltung und eine thermische Abschaltschal­ tung auf. Wenn jedoch die Bauelementtemperatur höher als eine bestimmte Temperatur ist, setzt eine solche einfache thermische Abschaltschaltung das Gate-Signal des Leistungstransistors zwangsläufig auf TIEF, so daß durch diesen Vorgang auf der Se­ kundärseite der Zündspule eine Hochspannung erzeugt wird, weil der Primärstrom, der durch die Zündspule fließt, schnell unter­ brochen wird, so daß in der Zündkerze eine elektrische Entladung erfolgt. Daher besteht entsprechend dem Zustand des Motors die Möglichkeit einer nachteiligen Verbrennung wie etwa einer Fehl­ zündung oder dergleichen. Es ist notwendig, die Erzeugung einer Hochspannung auf der Sekundärseite der Zündspule zu verhin­ dern, um diese nachteilige Verbrennung beim zwangsläufigen Ab­ schalten des Stroms zu verhindern. Als einfachstes Verhinde­ rungsverfahren wird ein Unterdrückungsverfahren vorgeschlagen, das die Kollektor-Klemmspannung von einigen zehn Volt durch eine Spannungserzeugung in einer Anzahl, die dem Windungsver­ hältnis entspricht, absenkt. Gewöhnlich ist es jedoch uner­ wünscht, daß mit 24 V + α der Batteriereihenschaltung gearbeitet wird und die Kollektor-Klemmspannung auf 30 V oder weniger für die Fahrzeug-Zündvorrichtung eingestellt wird. Wenn das Spu­ lenwindungsverhältnis der Zündspule beispielsweise 100 und die Kollektor-Klemmspannung 30 V beträgt und wenn die Spannung Vce während der Strombegrenzung 7 V betragen soll, weil auf der Sekundärseite der Zündspule eine Spannung erzeugt wird, die sich aus dem Produkt des Windungsverhältnisses und der Kollek­ torspannung ergibt, wird eine Hochspannung von 2,3 kV erzeugt, die gleich dem 100fachen von 30 V - 7 V = 23 V ist. Die an der Zündkerze erzeugte Funkenentladungsspannung ist je nach Be­ triebszustand des Motors unterschiedlich, wobei im Fall eines ho­ hen Drucks und hoher Luftdichte die Funkenentladungsspannung hoch ist und umgekehrt bei niedrigem Druck und geringer Luft­ dichte die Entladungsspannung niedrig ist. Das heißt, da im Ver­ dichtungsprozeß des Motors der Druck ansteigt, ist eine hohe Se­ kundärspannung erforderlich, und da bei geringer Luftdurch­ flußmenge während des Motorluftansaugprozesses ein Unterdruck entsteht, wird eine Funkenentladung mit niedriger Sekundär­ spannung erzeugt. Ein hoher Unterdruck wird erzeugt, wenn der Motor mit hoher Drehzahl betrieben wird und daher die Kolbenge­ schwindigkeit hoch ist und dabei die Drosselklappe schnell ge­ schlossen wird. Dieser allgemeine Wert entspricht einem absolu­ ten Druck von 13-14 kPa (Atmosphärendruck: 106,7 kPa). Wenn der Primärstrom zwangsläufig gesperrt wird, muß, da die Funken­ entladung in keinem Zustand des Motors erzeugt werden darf, ei­ ne Sekundärspannung oberhalb eines Wertes, bei dem eine Fun­ kenentladung auftritt, unterdrückt werden, selbst wenn die Fun­ kenentladung durch den Unterdruck einfach erzeugt werden könnte. Vor allem dann, wenn im Motor im Ansaugprozeß ein Unterdruck herrscht, bewirkt eine Zündung in einem solchen Zu­ stand eine nachteilige Verbrennung im Motor wie etwa eine Fehl­ zündung oder dergleichen. Die Beziehung zwischen dem Unter­ druck und der Funkenentladung, die experimentell ermittelt wur­ de, ist in Fig. 1 gezeigt. In diesem Experiment wurde eine Zünd­ kerze F7LTCR von BOSCH (Spaltbreite: 1,2 mm), die in einer Aluminiumkammer montiert war, deren Innendruck durch eine äußere Unterdruckpumpe abgesenkt wurde, verwendet, wobei der Druck und die Sekundärspannung, bei denen die Funkentladung zu diesem Zeitpunkt entsteht, gemessen wurden. 1a, 1b, 1c und 1d zeigen Entladungsspannung-Signalformen bei Atmosphären­ druck (106,7 kPa), bei 40 kPa, 20 kPa bzw. 13 kPa. Aus den Er­ gebnissen dieses Experiments geht hervor, daß die Kerzenentla­ dungsspannung zum Zeitpunkt des absoluten Drucks von 13 kPa den Wert von 1,5 kV hat, so daß für die Vermeidung der Erzeu­ gung einer Funkenentladung an der Zündkerze die Sekundär­ spannung unter einen Wert von etwa 1 kV gedrückt werden muß. Die Signalform 1e zeigt die Tatsache, daß die Entladung bei 1 kV selbst bei einem absoluten Druck von 1,3 kV nicht auftritt. Das bedeutet, daß die Kerzenentladung bei dem System, in dem die Kollektor-Klemmspannung auf 30 V gesetzt ist, nicht vermieden werden kann.

Um darüber hinaus bei der Technik, die eine elektrische Entla­ dung an der Zündkerze durch langsames Unterbrechen des pri­ mären elektrischen Stroms unter Ausnutzung des Miller- Integrationseffekts mit dem Kondensator und durch Steuern einer auf der Sekundärseite der Zündspule erzeugten Hochspannung verhindert, wie in der obenerwähnten japanischen Offenlegungs­ schrift Nr. Sho 53-118781-A gezeigt ist, um den primären elektri­ schen Strom langsam zu unterbrechen, damit die elektrische Entladung an der Zündkerze verhindert wird, ist ein Kondensator mit großer Kapazität erforderlich. Daher ist es im Hinblick auf die Größe äußerst nachteilig, ihn auf einem Siliciumsubstrat auszu­ bilden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung werden diese Probleme des obenerwähnten Standes der Technik gelöst, wenn der Kollektorstrom eines Lei­ stungstransistors zum Zeitpunkt einer anomalen Wärmeerzeu­ gung zwangsläufig gesperrt wird, indem der Kollektorstrom geän­ dert wird, so daß die Sekundärspannung unter der Kerzenentla­ dungsspannung liegt, um keine Funkenentladung aufgrund der auf der Sekundärseite der Zündspule erzeugten Sekundärspan­ nung zu erzeugen, wobei die Sekundärspannung durch Wiederho­ len dieser Steuerung wiederholt erzeugt wird und Energie, die in die Zündspule geladen worden ist, emittiert wird. Experimentelle Signalformen der Schaltung, mit der die Erfindung erzielt wird, sind in Fig. 2 gezeigt. Aus diesen Signalformen geht hervor, daß eine nachteilige Zündung verhindert werden kann, indem die elektrische Entladung der Kerze nicht bewirkt wird, weil die er­ zeugte Sekundärspannung wiederholt mit 800 V (Spitze) entladen wird. Durch die Steuerung der Gate-Spannung auf diese Weise und die Steuerung des Änderungsbetrags des elektrischen Pri­ märstroms ist es möglich, den primären elektrischen Strom zwangsläufig zu unterbrechen und dabei die auf der Sekundärsei­ te der Zündspule erzeugte Spannung auf 1 kV oder weniger zu steuern.

Als Mittel zum wiederholten Erzeugen der Sekundärspannung unterhalb dieser Kerzenentladungsspannung wird eine digitale Steuerschaltung verwendet, die den elektrischen Kollektorstrom unter Verwendung einer Impulssignalform schrittweise ändert. Im Ergebnis ist es möglich, die Steuerschaltung einfach auf einem Si­ liciumsubstrat auszubilden, ohne daß ein Kondensator mit großer Kapazität notwendig ist. Darüber hinaus ist eine Zwischenspei­ cherschaltung installiert, die nach einmaliger Ausführung der zwangsläufigen Unterbrechung keinen Stromfluß bewirkt, bis das Zündsteuersignal erneut TIEF wird. Im Ergebnis wird ein Betrieb mit anomalem Stromfluß durch die Steuerung, die keinen erneu­ ten Stromfluß hervorruft, verhindert, selbst wenn die Chiptempe­ ratur unter einen Sollwert sinkt und ein fehlerhafter Stromfluß er­ zeugt wird. Diese Steuerschaltungskomponenten sind in das mo­ nolithische Substrat des Leistungstransistors integriert.

Wie oben erwähnt worden ist, können fliegende Funken zur Zündkerze verhindert werden, indem die Gate-Spannung des Lei­ stungstransistors so gesteuert wird, daß der elektrische Strom schrittweise unterbrochen wird, so daß die auf der Sekundärseite der Zündspule erzeugte Sekundärspannung unter die Kerzenent­ ladungsspannung gedrückt wird, wenn die Zündvorrichtung an­ omal Wärme erzeugt und den Primärstrom zwangsläufig unter­ bricht. Durch Integration dieser Steuerschaltungen und des Lei­ stungsteils auf dem monolithischen Siliciumsubstrat des Lei­ stungstransistors kann eine Multifunktions-Einchip-Zündvorrich­ tung mit hoher Betriebsstabilität und -zuverlässigkeit geschaffen werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt Signalformen, die die Beziehung zwischen dem Unter­ druck und der Funkenentladungsspannung zeigen;

Fig. 2 zeigt experimentelle Signalformen, die anhand der vorlie­ genden Erfindung erzeugt wurden;

Fig. 3 ist eine Anordnung einer üblichen Zündvorrichtung;

Fig. 4 ist ein Beispiel einer typischen Treiberschaltung;

Fig. 5 ist ein Blockschaltplan, der eine Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung zeigt;

Fig. 6 ist ein Beispiel einer Strombegrenzungsschaltung;

Fig. 7 ist eine Anordnung einer Eingangsstufe und eines Schutz­ netzwerks;

Fig. 8 ist ein Beispiel einer Überhitzungs-Erfassungsschaltung und einer Zwischenspeicherschaltung;

Fig. 9 ist ein Beispiel einer Impulserzeugungsschaltung;

Fig. 10 ist ein Beispiel einer Zählerschaltung;

Fig. 11 ist ein Beispiel einer Stufensignalform-Erzeugungs­ schaltung;

Fig. 12 zeigt eine Impulssignalform, eine Zähler-Signalform und eine Stufensignalform; und

Fig. 13 ist ein Funktionsablauf, durch den eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert wird.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜH­ RUNGSFORMEN

In Fig. 1 ist der beispielhafte Aufbau eines gewöhnlichen Zündsy­ stems gezeigt. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine ECU (Motorsteuereinheit), das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Zünd­ vorrichtung, das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Zündspule und das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Zündkerze. Die Ausgangsstu­ fe der ECU 1 ist aus einem Widerstand 11, einem PNP-Transistor 9 und einem NPN-Transistor 10 aufgebaut. Die Transistoren 9 und 10 werden entsprechend dem geeigneten Zündzeitpunkt, der durch eine CPU (Zentraleinheit) 8 berechnet wird, durchgeschaltet oder gesperrt, wobei ein Impuls mit HOCH-Pegel oder TIEF-Pegel an die Zündvorrichtung 2 ausgegeben wird. Die Zündvorrichtung 2 umfaßt einen Leistungstransistor 5, einen Stromerfassungswi­ derstand 6, eine Stromsteuerungsschaltung 7 und einen Ein­ gangswiderstand 12, die auf einem Hybrid-IC 13 montiert sind. Auf der Sekundärseite der Zündspule wird durch Erzeugen einer Spannung am Kollektor des Leistungstransistors 5 eine Hoch­ spannung erzeugt, die dem Spulenwindungsverhältnis zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung der Zündspule entspricht, indem das Durchschalten des Transistors durch TIEF → HOCH des Ausgangssignals der ECU 1 begonnen wird und in­ dem der Stromfluß durch HOCH → TIEF unterbrochen oder ge­ sperrt wird, wodurch eine Funkenentladung zwischen den Elek­ troden der Zündkerze erzeugt wird und das Gemisch verbrannt wird. Weiterhin ist in Fig. 4 eine typische Treiberschaltung gezeigt. Das Bezugszeichen 4a zeigt PMOS- und NMOS-Transistoren, die zusammengefügt sind, um eine komplementäre Kombination zu bilden, während das Bezugszeichen 4b eine Anordnung bezeich­ net, die aus einem Pull-up-Widerstand und einem NPN-Transistor aufgebaut ist. Außerdem bezeichnet das Bezugszeichen 4c ein Verfahren, mit dem ein elektrischer Strom durch einen PNP- Transistor geschickt wird. Obwohl sich die Schaltungen hinsicht­ lich ihrer Schaltungssysteme unterscheiden, gibt jede Schaltung einen elektrischen Strom und eine Spannung aus, die zum An­ steuern der Zündung notwendig sind, um zum optimalen Zünd­ zeitpunkt, der durch die ECU erhalten wird und zu dem eine Fun­ kenentladung in der Zündkerze erzeugt wird, Energie in die Zünd­ spule zu laden.

Der Blockschaltplan einer Zündvorrichtung, die eine Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung bildet, ist in Fig. 5 gezeigt. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Zündspule, das Bezugszeichen 15 bezeichnet eine Zündvorrichtung gemäß dieser Erfindung, das Bezugszeichen 16 bezeichnet einen Haupt-IGBT, der die Haupt­ schaltung zum Durchschalten und Sperren des Primärstroms durch die Primärwicklung der Zündspule bildet, und das Bezugs­ zeichen 17 bezeichnet einen Lese-IGBT, der eine Nebenschluß­ schaltung für die Erfassung des Stroms durch den IGBT 16 bildet. An den Emitter 17 des IGBT 17 ist ein Widerstand 18 angeschlos­ sen, der als Stromerfassungselement wirkt. Er ist außerdem an eine Strombegrenzungsschaltung 19 angeschlossen. Die Ein­ gangsstufe der Zündvorrichtung, die mit einer ECU 35 verbunden ist, besitzt eine Schutzschaltung 22. Eine Steuerschaltung umfaßt eine Impulserzeugungsschaltung 23, eine Zählerschaltung 24, ei­ ne Überhitzungs-Erfassungsschaltung 25, eine Zwischenspeicher­ schaltung 26, ein logisches UND-Gatter 27, eine Stufensignalform- Erzeugungsschaltung 28, einen Puffer 29, einen MOS-Transistor 30 und einen Widerstand 31. Der Pegel des Zündsteuersignals von der Schaltung 22 wird als Betriebsspannung an die Schaltungen 23, 24, 25, 26 und 28 angelegt.

In Fig. 6 ist ein Beispiel der Strombegrenzungsschaltung 19 ge­ zeigt. Diese Schaltung vergleicht die am Stromerfassungswider­ stand 18 erzeugte Spannung durch eine Differenzverstärkerschal­ tung 36 mit einer Vref1-Spannung 37. Wenn die Spannung des Stromerfassungswiderstandes 18 wenigstens gleich der Vref1- Spannung 37 ist, gibt die Differenzverstärkerschaltung 36 einen Ausgang mit HOCH-Pegel aus, wodurch der Transistor 38 durch­ schaltet und die Spannung des Gates des IGBT 16 abgesenkt wird, wodurch der Strom begrenzt wird, indem der IGBT in den nichtgesättigten Zustand versetzt wird. In dieser Schaltung wird durch stufenweises Absenken der Vref1-Spannung die auf der Se­ kundärseite der Zündspule erzeugte Sekundärspannung durch die Kerzenentladungsspannung wiederholt gesperrt, wodurch Energie, die in die Zündspule geladen worden ist, emittiert wird.

In Fig. 7 ist eine Anordnung der Eingangsstufe und der Schutz­ schaltung gezeigt. Ein Widerstand 40 ist ein Pull-down-Wider­ stand, der so wirkt, daß er den elektrischen Kontaktstrom des Eingangsanschlusses sichert, indem er einen bestimmten elektri­ schen Strom mit einem konstanten Wert in die Schaltung abführt. Weiterhin wird durch Bilden eines Netzwerks, das aus Durch­ bruch- oder Zener-Dioden 41 und 42 sowie aus Widerständen 43 und 44 gebildet ist, ein Betrag für verschiedene Stromstöße, von denen angenommen wird, daß sie im Fahrzeug auftreten, aufge­ fangen.

In Fig. 8 ist ein Beispiel der Überhitzungs-Erfassungsschaltung gezeigt. Diese Schaltung verwendet den Temperaturkoeffizienten der Durchlaßspannung einer Diode. Die Diode 48 empfängt von einer Konstantstromschaltung 49 einen konstanten Strom und er­ zeugt eine Durchlaßspannung, die in einer Differenzverstärkungs­ schaltung 45 mit der Vref2-Spannung verglichen wird. Die Durchlaßspannung der Diode besitzt einen negativen Tempera­ turkoeffizienten von ungefähr 2 mV/°C. Daher kann eine Fehl­ funktion oder eine anomale Überhitzung durch Vergleichen der Durchlaßspannung der Diode mit der gesetzten Spannung Vref2 in der Differenzverstärkungsschaltung beurteilt werden. Darüber hinaus kann durch Vorsehen derselben Funktion ein Verfahren vorgeschlagen werden, bei dem die Temperaturcharakteristik der Betriebsspannung Vth eines MOS-Transistors verwendet wird. Die Zwischenspeicherschaltung kann die Zwischenspeicherungsfunk­ tion mit einem D-Flipflop 50 ausführen, wie in Fig. 8 gezeigt ist.

Fig. 9 zeigt ein Beispiel der Impulserzeugungsschaltung. Diese Schaltung ist eine Freilauf-Impulserzeugungsschaltung, in der das Ausgangssignal des NAND-Gatters 51 in einen Inverter 54 einge­ geben wird, nachdem es durch einen Widerstand 52 und einen Kondensator 53 integriert worden ist, außerdem wird es über ei­ nen Inverter 55 in den Eingang des NAND-Gatters 51 rückgekop­ pelt. Im Ergebnis erfolgt eine Selbstoszillation. Ein Kondensator 56 differenziert das Ausgangssignal des Inverters 55, wobei die sich ergebende Signalform in die Integrationsschaltung eingege­ ben wird, die den Widerstand 52 und den Kondensator 53 umfaßt, so daß eine integrierte Signalform mit großer Amplitude geschaf­ fen werden kann. Eine Zeitgeberschaltung wird durch eine 2ⁿ- Teilerschaltung unter Verwendung von Flipflops wie in Fig. 10 ge­ zeigt ermöglicht. Der Eingang der ersten Stufe und der Ausgang der letzten Stufe werden UND-verknüpft, mit dem Ergebnis, daß eine Impulsform in einem bestimmten Zyklus ausgegeben wird, indem die Flipflops zurückgesetzt werden.

Fig. 11 ist ein Beispiel der Stufensignalform-Erzeugungsschal­ tung, die einen Integrationsbetrieb unter Verwendung eines OP- Verstärkers 57, eines Eingangswiderstandes 58 und eines Kon­ densators 59 ausführt. Der Signalausgang von der Zählerschal­ tung wird in den invertierenden Anschluß des OP-Verstärkers 57 über den Widerstand 58 eingegeben. Der elektrische Strom I = Signalspannung/Widerstand fließt virtuell, weil der nichtinver­ tierende Anschluß des OP-Verstärkers 57 auf Massepegel liegt, wobei die durch den Ausdruck V = (1 × T)/C gegebene Span­ nungsänderung, die proportional hierzu ist, am Ausgang des OP- Verstärkers 57 auftritt. Im Ergebnis ist es möglich, die Spannung schrittweise bei jedem angelegten Impuls zu ändern. Die Bezie­ hung zwischen der Signalform des Impulserzeugungszählers und der Stufensignalform ist in Fig. 12 gezeigt.

Die Funktionsweise jeder Schaltung wird durch die Betriebssignal­ formen von Fig. 13 erläutert. Bei der Sequenz in Fig. 14 wird die Gate-Steuerspannung 3b in den Haupt-IGBT durch das Zündsteuersignal 3a, das von der ECU 35 ausgegeben wird, ein­ geprägt, so daß der elektrische Primärstrom 3f fließt. Die Sekun­ därspannung 3g wird auf der Sekundärseite der Zündspule auf­ grund einer schnellen Änderung des magnetischen Flusses zu dem Zeitpunkt, zu dem dieser elektrische Strom unterbrochen oder gesperrt wird, erzeugt. Wenn das Zündsteuersignal HOCH ist, wirkt die Impulserzeugungsschaltung als Freilauf-Oszilla­ tionsschaltung, die den Impuls ständig erzeugt. Dieser Referen­ zimpuls wird in die Zählerschaltung 24 eingegeben und dann ge­ teilt. Im Ergebnis wird während einer vorgegebenen Zeitperiode ein Impuls ausgegeben, wie in Fig. 12 gezeigt ist. In der Sequenz in Fig. 13 wird das Zündsteuersignal 3a HOCH, wird die Gate- Steuerspannung 3b durchgeschaltet und fließt der elektrische Primärstrom 3f. Wenn der elektrische Primärstrom einen festge­ legten Wert annimmt, arbeitet die Strombegrenzungsschaltung, wodurch die Gate-Steuerspannung absinkt. Im Ergebnis wird der Haupt-IGBT in einen nicht gesättigten Zustand gesetzt und wird der elektrische Primärstrom 3g unverändert auf dem Wert gehal­ ten. In der Sequenz in Fig. 14 fließt, wenn das Zündsteuersignal unverändert HOCH ist, weiterhin der elektrische Primärstrom 3g mit dem Strombegrenzungswert, wodurch die Wärmeerzeugung im IGBT-Element anwächst. Wenn die Betriebstemperatur der Über­ hitzungs-Erfassungsschaltung 25 überschritten wird, wird von der Überhitzungs-Erfassungsschaltung 25 ein Signal ausgegeben. Die Zwischenspeicherschaltung 26 gibt als Antwort auf den Ausgang der Überhitzungs-Erfassungsschaltung 25 ein Ausgangssignal mit HOCH-Pegel aus. Sobald das Signal ausgegeben worden ist, gibt diese Zwischenspeicherschaltung 26 den HOCH-Pegel solange aus, wie das Zündsteuersignal 3a nicht TIEF-Pegel annimmt, selbst wenn das Ausgangssignal der Überhitzungs-Erfassungs­ schaltung 25 ausgeschaltet wird. Das logische Produkt aus dem Zwischenspeicherausgang 3e und dem Zählerausgang 3c wird durch die logische UND-Schaltung 27 gebildet, wobei das sich er­ gebende Ausgangssignal in die Stufensignalform-Erzeugungs­ schaltung 28 eingegeben wird. Diese Stufensignalform steuert das Gate des Transistors 30 über den Puffer 29 an, so daß die Gate- Spannung des Haupt-IGBT schrittweise gesenkt wird. In der Se­ quenz in Fig. 13 nimmt der primäre elektrische Strom 3f stu­ fenweise ab, wobei der Haupt-IGBT 16 aktiv gehalten wird, indem die Gate-Steuerspannung 3b stufenweise abgesenkt wird. Daher wird der Änderungsbetrag der Gate-Steuerspannung 3d so ge­ setzt, daß die erzeugte Sekundärspannung 1 kV oder weniger an­ nehmen kann. Die Sekundärspannung V2, die durch die Ände­ rung dieses elektrischen Primärstroms erzeugt wird, nimmt einen Wert an, der durch V2 = a × L1 × (di/dt) definiert ist, wobei L1 die Primärinduktivität der Zündspule ist, a das Windungsverhältnis ist und di/dt der Änderungsbetrag des primären elektrischen Stroms ist. Eine solche Steuerung der Gate-Spannung zum Steu­ ern des Änderungsbetrags des Primärstroms ermöglicht die Steue­ rung der auf der Sekundärseite der Zündspule erzeugten Span­ nung auf höchstens 1 kV. Durch Wiederholen dieser Steuerung nimmt der elektrische Primärstrom allmählich ab und wird schließlich null, so daß die zwangsläufige Sperrung abgeschlossen ist. Danach bleibt der Primärstrom fortgesetzt im Null-Zustand, bis das Zündsteuersignal TIEF wird.

Gemäß dieser Erfindung ist es durch zwangsläufiges Sperren des primären Stroms bei Auftreten einer anomalen Wärmeerzeugung möglich, eine Beschädigung der Elemente zu vermeiden, außer­ dem ist es durch schrittweises Absenken des Stroms, um die Er­ zeugung einer Funkenentladung an der Zündkerze zu verhindern, wenn der primäre Strom zwangsläufig gesperrt wird, möglich, den Strom sicher zu sperren, weiterhin ist es durch Integrieren dieser Schaltung in ein monolithisches Substrat für den Leistungstran­ sistor möglich, eine Einchip-Zündvorrichtung mit hoher Zuverläs­ sigkeit zu schaffen.

Claims (8)

1. Zündvorrichtung des Einchip-Typs für eine Brennkraft­ maschine, mit einem Leistungsschaltteil, der als Antwort auf ein Zündsteuersignal, das von einer elektronischen Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine ausgegeben wird, eine Stromfluß­ steuerung und eine Sperrsteuerung für den durch eine Zündspule fließenden Primärstrom ausführt, wodurch auf der Sekundärseite der Zündspule eine Hochspannung erzeugt wird, und einem Ele­ mentschutzschaltungsteil, der auf einem monolithischen Silicium­ substrat eines Leistungstransistors zusammen mit dem Lei­ stungsschaltteil integriert ist, wobei die Zündvorrichtung eine Funktion zum Begrenzen des Stroms sowie eine Funktion zum zwangsläufigen Sperren eines Kollektorstroms bei Erfassung eines anomalen Zustandes während des Kollektorstromflusses aufweist und wobei während der Zeit, in der der Kollektorstrom Zwangs­ läufig gesperrt ist, Energie, die in der Zündspule geladen worden ist, durch wiederholtes Erzeugen einer Sekundärspannung der Zündspule, die unter der Kerzenentladungsspannung liegt, abge­ geben wird.

2. Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach An­ spruch 1, die ein Kollektorstrom-Zwangssperrmittel umfaßt, das den Strom schrittweise sperrt, dabei den Leistungstransistor in einem aktiven Zustand hält und die Gate-Spannung des Lei­ stungstransistors in der Weise steuert, daß die auf der Sekundär­ seite der Zündspule wiederholt erzeugte Sekundärspannung unter der Kerzenentladungsspannung liegt.

3. Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach An­ spruch 1 oder 2, die Anomalieerfassungsmittel umfaßt, die eine auf einer Leistungstransistorkarte integrierte Überhitzungs- Erfassungsschaltung besitzen und während der Zeit, in der der Kollektorstrom zwangsläufig gesperrt ist, bei einer anomalen Wärmeerzeugung Energie, die in der Zündspule geladen worden ist, abgeben, indem die Sekundärspannung der Zündspule, deren Wert unter der Kerzenentladungsspannung liegt, wiederholt er­ zeugt wird.

4. Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach An­ spruch 2, wobei für den Änderungsbetrag des Primärstroms ein Wert gewählt wird, der unter 0,5 A liegt, und für die Zeitperiode, während der der Strom gehalten wird, ein Wert gewählt wird, der über 100 µs liegt, und wobei diese Operationen wiederholt wer­ den, um den Primärstrom schrittweise zu sperren.

5. Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach An­ spruch 1, die eine Zwischenspeicherschaltung umfaßt, die einen Stromfluß verhindert, sobald die zwangsläufige Sperrung erfolgt, bis das Zündsteuersignal erneut einen tiefen Pegel annimmt.

6. Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach An­ spruch 2, wobei die Steuerung in der Weise ausgeführt wird, daß die Referenzspannung der Strombegrenzungs-Steuerschaltung schrittweise gesenkt wird, so daß der Strombegrenzungswert, der ihr entspricht, schrittweise gesenkt wird, um den Kollektorstrom schrittweise zu sperren.

7. Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach An­ spruch 1, wobei als Leistungstransistor ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) verwendet wird und die Steuerschaltung ein NMOS-Element des Selbsttrenntyps umfaßt.

8. Einchip-Halbleiter für die Zündung in einer Brennkraft­ maschine, der einen Leistungstransistor, der als Antwort auf ein Eingangssignal den Primärstrom einer Zündspule liefert, sowie Mittel zum schrittweisen Absenken des Kollektorstroms des Lei­ stungstransistors, wenn ein anomaler Zustand vorliegt, umfaßt.