DE3935379A1 - Hochspannungsschaltung mit hochspannungsschalter aus optoelektrischen halbleiterelementen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsschaltung mit Hochspannungsschalter, insbesondere als Zünd­ spannungsverteiler für die Zündspannung einer Brennkraftmaschine, der eine aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten optoelektrischen Halbleiter­ elementen bestehende Kaskadenschaltung aufweist.

Hochspannungschaltungen der eingangs genannten Art kommen insbesondere in der Kraftfahrzeugelektronik zum Einsatz. Sie weisen für jede anzusteuernde Zündkerze der Brennkraftmaschine einen Hochspan­ nungsschalter auf, der aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten, optoelektrischen Halbleiter­ elementen besteht. Diese können durch Bestrahlung mit Licht in ihren leitenden Zustand versetzt wer­ den. Die Ansteuerung übernimmt ein Steuergerät, daß in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brenn­ kraftmaschine stets den für den jeweils vorliegen­ den Betriebszustand optimalen Zündzeitpunkt berech­ net. Die Lichteinstrahlung zu den optoelektrischen Halbleiterelementen kann mittels Leuchtdioden er­ folgen.

Es ist bekannt, die in Reihe geschalteten optoelek­ trischen Halbleiterelemente in Hybridtechnik als Kaskadenschaltung auszubilden. Auf einer Substrat­ platte sind die Halbleiterelemente reihenförmig ne­ beneinanderliegend angeordnet, wobei ihnen in ge­ ringem Abstand eine entsprechende Anzahl lichtemit­ tierender Dioden (LED = Leuchtdioden) gegenüber­ liegt. Zwischen den Leuchtdioden und den Halb­ leiterelementen befindet sich ein lichtdurchläs­ siger Isolator. Die Halbleiterelemente sind über Leiterbahnen miteinander verbunden, wobei die Lei­ terbahnenden zu Hochspannungs-Anschlußfahnen füh­ ren. Die Leuchtdioden sind an gemeinsame Steueran­ schlüsse angeschlossen. Die Gesamtanordnung befin­ det sich in einem aus Kunststoff bestehenden Ge­ häuse, das mit Vergußmasse ausgegossen ist. Diese bekannte Kaskadenschaltung benötigt relativ viel Raum und besitzt einen komplizierten Aufbau, insbe­ sondere ist eine Vielzahl von Bauelementen erfor­ derlich.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Hochspannungsschaltung mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen hat demgegen­ über den Vorteil, daß die den Hochspannungsschalter bildende Kaskadenschaltung selbst bei einer sehr großen Anzahl von in Reihe geschalteten optoelek­ trischen Halbleiterelementen nur sehr wenig Raum einnimmt und dabei für die Ansteuerung nicht eine der Anzahl der Halbleiterelemente entsprechende Zahl von lichtemittierenden Elementen, wie Leucht­ dioden, benötigt. Vielmehr ist vorzugsweise ledig­ lich ein lichtemittierendes Element für die erfin­ dungsgemäße Kaskadenschaltung ausreichend. Zur Er­ zielung dieser Vorteile ist die der Erfindung zu­ grundeliegende Kaskadenschaltung von aufgestapelten Halbleiterchips gebildet, die an ihren eine Außen­ seite des Chipstapels bildenden Umfangsflächen lichtempfindliche Steuerbereiche aufweisen. Mithin liegen die Halbleiterchips - im Gegensatz zum Stand der Technik - nicht nebeneinander auf einem Sub­ strat, sondern bilden einen Chipstapel, bei dem die Grundflächen benachbarter Chips aneinander liegen. Auf diese Art und Weise ist es ohne weiteres mög­ lich, z. B. 40 Halbleiterchips in einem 10 mm hohen Chipstapel zusammenzufassen. Die Sperrspannung der­ artiger Chips liegt jeweils etwa zwischen 600 und 800 Volt, so daß ein derart kleiner Hochspannungs­ schalter z. B. ohne weiteres 30 kV schalten kann, wo­ bei dieses Spannungspotential für den Betrieb von Zündkerzen der Brennkraftmaschine bei weitem aus­ reicht. Da die lichtempfindlichen Steuerbereiche der Halbleiterchips an ihren Umfangsflächen und da­ mit an der Außenseite des Chipsstapels angeordnet sind, kann eine separate Ansteuerung jedes einzel­ nen Halbleiterchips entfallen, denn die Lichtstärke und der Lichtkegel einer einzigen Leuchtdiode reicht aus, um sämtliche Elemente des Chipstapels für ein Durchsteuern zu erfassen. Der Erfinder ist daher zwei entscheidende Schritte gegangen, indem er zum einen die scheibenförmigen Halbleiterchips mit ihren Grundflächen übereinander gestapelt und zum anderen die lichtempfindlichen Steuerbereiche an der Außenseite des Chipstapels zusammengefaßt hat.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Steuerbereiche eine Steuerfläche mit von der Lichtemission einer im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle erfaßbaren Abmessungen bilden. Hieraus ergibt sich, daß - wie bereits erwähnt - eine einzige Lichtquelle, die insbesondere als Leuchtdiode ausgebildet sein kann, für die Ansteuerung der gesamten Kaskadenschaltung ausreicht.

Der Einsatz einer Leuchtdiode ist nicht zwingend, denn es können selbstverständlich auch andere lichtemittierende Elemente verwendet werden. Dabei kann das lichtemittierende Element direkt mit den Steuerbereichen der Halbleiterchips zusammenwirken oder - nach einer besonderen Ausgestaltung der Er­ findung - über eine Lichtleitfaser-Verbindung, die zwischen Leuchtdiode und der von den Steuerbe­ reichen gebildeten Steuerfläche liegt. Letzteres führt zu einer besonders guten galvanischen Ent­ kopplung.

Bevorzugt ist vorgesehen, daß die Leuchtdiode von einem Opto-Schalter ein- und ausschaltbar ist, der von einem Steuergerät der Brennkraftmaschine be­ trieben wird. Das Steuergerät nimmt also nicht di­ rekt die Ansteuerung der Hochspannungskaskade vor, sondern betreibt den Opto-Schalter, der die mit der Steuerfläche zusammenwirkende Leuchtdiode ein- und ausschaltet. Mithin sind zwischen Steuergerät und Hochspannungsschalter zwei optische Steuerstrecken ausgebildet.

Nach einer besonderen Ausführungsform wird ein Teil der im Zündstromkreis der Brennkraftmaschine vor­ handenen Energie zum Betrieb der Leuchtdiode ver­ wendet. Hierzu ist eine Zündspule des Hochspan­ nungskreises mit ihrem Sekundärausgang über einen Kondensator an die zu einer Zündkerze der Brenn­ kraftmaschine führende Kaskadenschaltung ange­ schlossen, wobei parallel zum Kondensator eine aus der Leuchtdiode und dem Opto-Schalter gebildete Reihenschaltung liegt. Die Ladespannung des Konden­ sators wird zum Betrieb der Leuchtdiode verwendet. Dieses hat den Vorteil, daß die Steuerenergie des Opto-Schalters wesentlich niedriger sein kann.

Als Halbleiterchips werden vorzugsweise Fotothy­ ristoren eingesetzt. Ebenso wird für den Opto- Schalter ein Fotothyristor verwendet.

Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Hochspannungs­ schaltung und

Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Hochspannungsschaltung.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Die Fig. 1 zeigt eine Hochspannungsschaltung 1 mit einem Hochspannungsschalter 2, der als Zündspan­ nungsverteiler für die Zündspannung einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine dient. Die Primär­ wicklung 3 einer Zündspule 4 ist in bekannter Weise angeschlossen, so daß hierauf nicht näher einge­ gangen zu werden braucht. Der eine Anschluß 5 der Sekundärseite der Zündspule 4 ist an den Eingang des als Kaskadenschaltung 6 ausgebildeten Hochspan­ nungsschalters 2 angeschlossen. Der andere Anschluß 7 steht mit einer übrigen, hier nicht näher darge­ stellten Schaltung in Verbindung, deren Aufbau für das Verständnis der Erfindung nicht von Bedeutung ist. Insbesondere kann der Anschluß 7 mit Masse 18 verbunden sein.

Die Kaskadenschaltung 6 wird von einer Vielzahl von in Reihe geschalteten optoelektrischen Halbleiter­ elementen 8 gebildet. Es handelt sich hierbei um Fotothyristoren, die mit ihren jeweiligen Grund­ flächen stapelförmig aufeinanderliegend angeordnet sind, insbesondere können die die Grundflächen auf­ weisenden p- oder n-Zonen benachbarter Halbleiter­ chips 9 unmittelbar aneinandergrenzen.

Die als Halbleiterchips 9 ausgebildeten optoelek­ trischen Halbleiterelemente 8 weisen an ihren eine Außenseite 10 des Chipstapels 11 bildenden Umfangs­ flächen 12 lichtempfindliche Steuerbereiche 13 auf. Die Steuerbereiche 13 sämtlicher Halbleiterchips 9 bilden eine Steuerfläche 14, die für die Ansteue­ rung der Kaskadenschaltung 6 von der Lichtemission einer im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle 15 beaufschlagbar ist. Die Lichtquelle 15 wird von ei­ nem Steuergerät 16 der Brennkraftmaschine be­ trieben.

Die Lichtquelle 15 ist vorzugsweise als Leuchtdiode 17 (LED) ausgebildet. Diese kann entweder direkt oder aber unter Zwischenschaltung einer Lichtleit­ faser-Verbindung mit der Steuerfläche 14 der Kaska­ denschaltung 6 zusammenwirken (Fig. 2) .

Der Ausgang des Hochspannungsschalters 2 führt zu einer Elektrode einer Zündkerze ZK, deren Gegen­ elektrode mit Masse 18 in Verbindung steht.

Sobald sich ein Zündspannungsimpuls auf der Sekun­ därseite der Zündspule 4 aufgebaut hat, steuert das Steuergerät 16 zum berechneten Zeitpunkt die Licht­ quelle 15 an, deren Licht auf die Steuerfläche 14 des Chipstapels 11 fällt. Dadurch wird der Halb­ leiterschalter 2 durchgeschaltet und an der Zünd­ kerze ZK ein Zündfunke erzeugt.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. In Abweichung zum Ausführungsbei­ spiel der Fig. 1 führt der Anschluß 5 der Sekun­ därseite der Zündspule 4 nicht direkt, sondern über einen Kondensator C zum Hochspannungsschalter 2. Parallel zum Kondensator C liegt eine Reihenschal­ tung 19, die aus der Leuchtdiode 17 (LED) und einem Opto-Schalter 20 gebildet ist. Der Opto-Schalter 20 ist als Fotothyristor TH ausgebildet. Die Halblei­ terchips 9 des Chipstapels 11 sind ebenfalls als Fotothyristoren ausgebildet. Die Leuchtdiode 17 ist derart positioniert, daß ihr emittiertes Licht auf die Steuerfläche 14 des Hochspannungsschalters 2 fällt. Dieses ist in der Fig. 2 durch eine Wirk­ verbindung 21 schematisch angedeutet. Eine weitere, ebenfalls nur schematisch angedeutete Wirkverbin­ dung 22 besteht zwischen dem Steuergerät 16 und dem Fotothyristor TH. Die Wirkverbindung 22 verdeut­ licht, daß ein vom Steuergerät 16 erzeugter Lichtimpuls auf die lichtempfindliche Fläche des Fotothyristors TH gelangt, wodurch dieser in seinen leitenden Zustand versetzt wird.

Im Betrieb wird der Kondensator C entsprechend der in Fig. 2 wiedergegebenen Polarität durch die Zündspule 4 aufgeladen. Sobald auf der Sekundär­ seite der Zündspule 4 der Zündspannungsimpuls etwa die Hälfte seiner Maximalhöhe erreicht hat, wird durch einen Lichtimpuls (Länge etwa 5 µs) des Steuergeräts 16 der Fotothyristor TH gezündet. Hierdurch entlädt sich der Kondensator C über die Leuchtdiode 17, so daß diese Licht emittiert, das auf die Steuerfläche 14 der Kaskadenschaltung 16 fällt. Dieses bringt die Halbleiterchips 9 des Hochspannungsschalters 2 in ihre leitfähigen Zu­ stände, so daß die Hochspannungskaskade durchschal­ tet und der Zündspannungsimpuls zur Ausbildung eines Zündfunks an die Zündkerze ZK angelegt wird.

Claims (8)

1. Hochspannungsschaltung mit Hochspannungsschal­ ter, insbesondere als Zündspannungsverteiler für die Zündspannung einer Brennkraftmaschine, der eine aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten opto­ elektrischen Halbleiterelementen bestehende Kaska­ denschaltung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaskadenschaltung (6) von aufgestapelten Halb­ leiterchips (9) gebildet wird, die an ihren eine Außenseite (10) des Chipstapels (11) bildenden Um­ fangsflächen (12) lichtempfindliche Steuerbereiche (13) aufweisen.

2. Hochspannungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerbereiche (13) eine Steuerfläche (14) mit von der Lichtemission einer im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle (15) er­ faßbaren Abmessungen bilden.

3. Hochspannungsschaltung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (15) eine Leuchtdiode (17) ist.

4. Hochspannungsschaltung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Leuchtdiode (17) und Steuerfläche (14) eine Lichtleitfaser-Verbindung befindet.

5. Hochspannungsschaltung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdiode (17) von einem Opto-Schalter (20) ein- und ausschaltbar ist, der von einem Steuergerät (16) der Brennkraftmaschine betrieben wird.

6. Hochspannungsschaltung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zünd­ spule (4), deren Sekundärausgang über einen Konden­ sator (C) an die zu einer Zündkerze (ZK) der Brenn­ kraftmaschine führende Kaskadenschaltung (6) ange­ schlossen ist, wobei parallel zum Kondensator (C) eine aus Leuchtdiode (17) und Opto-Schalter (20) gebildete Reihenschaltung (19) liegt.

7. Hochspannungsschaltung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterchips (9) als Fotothyristoren ausgebildet sind.

8. Hochspannungsschaltung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Opto-Schalter (20) ein Fotothyristor (TH) ist.