JP2005180771A - 点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 点火コイルの熱焼損を防止することができる点火装置を提供する。
【解決手段】 コイル電流を流すメインセルとコイル電流に応じたセンス電流を流す電流検出セルそれぞれのＩＧＢＴ５が共に形成されたスイッチＩＣ２と、電流検出セル側のＩＧＢＴ５に流れるセンス電流を入力し、コイル電流が所定値となるように、ＩＧＢＴ５に加えられるゲート電圧を調整する定電流制御回路９が備えられた制御回路ＩＣ３とを備えている。これらスイッチＩＣ２と制御回路ＩＣ３とが熱的に分離された構成となるようにし、スイッチＩＣ２と制御回路ＩＣ３の温度差に基づき定電流制御回路９にＩＧＢＴ５に加えられるゲート電圧が調整されるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体スイッチ素子の過昇温を防止する回路が備えられた、内燃機関における点火装置に関するものである。

点火装置では、半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴのオンオフを制御信号によって制御することで、ＩＧＢＴに接続された点火コイルの１次巻線への通電を制御し、プラグ放電が制御されるようになっている。

このような点火装置において、電源ショートや電源供給ラインとの接触などが発生すると、ＥＣＵからの点火信号が長時間ＩＧＢＴをオンさせるための制御信号となり、ＩＧＢＴがずっとオン状態となる。このような状態をロック通電というが、この状態になると、ＩＧＢＴの発熱による高温化により、コレクタ−エミッタ間がショートしてしまう。このため、ＩＧＢＴを熱破損させてしまうだけでなく、点火コイルの一次巻線に長時間通電が行われることになり、点火コイルの熱破損も招いてしまうという問題がある。

このため、例えば特許文献１に示される従来技術では、ＩＧＢＴと制御信号を発生させるための制御回路部とを１チップで形成すると共に、そのチップ内に温度検出回路を備え、所定の高温状態を温度検出回路で検出するようにしている。

そして、温度検出回路により所定の高温状態が検出されると、ＩＧＢＴを強制的にオフさせるようにしている。また、その後チップ内の温度が所定の温度に低下したときに、十分に温度低下が行われていないのに再びＩＧＢＴへの通電が行われてしまうことを防止するために、ラッチ回路にてＩＧＢＴをオフさせる制御信号が維持されるようにしている。これにより、制御回路部から次にＩＧＢＴをオンさせる制御信号が出力されるまで、ＩＧＢＴのオフ状態が維持されるようにしている。

さらに、特許文献１に示される従来技術では、点火コイルへの通電用となるメインセルのＩＧＢＴとは別に設けられた電流検出セルのＩＧＢＴの電流を検知し、その検知された電流値に基づいてメインセルおよび電流検出セルのＩＧＢＴのゲート電圧を制御する定電流制御回路が備えられている。この定電流回路により、点火コイルへの通電量が一定の設定値に保持されるような定電流制御を行っている。
特許第３２１６９７２号公報

しかしながら、外気温の条件、もしくは点火コイルの１次巻線の抵抗値が大きい場合などの条件次第で、点火コイルの発熱がＩＧＢＴよりも早くなることがある。この場合において、点火コイルの１次巻線の温度がＩＧＢＴよりも先に上昇してしまうと、その温度上昇に伴ってコイル巻線抵抗が高くなり、定電流回路による定電流制御が行われるのではなく、コイル巻線抵抗の抵抗値によって点火コイルの１次巻線に流される電流値が決まってしまう。この状態では、ＩＧＢＴがサチュレーション領域で動作することになるため、ＩＧＢＴでの発熱は小さく、ＩＧＢＴが形成されたチップの温度が高温にならない。したがって、温度検出回路によってＩＧＢＴが強制的にオフにされず、点火コイルの１次巻線への通電が継続され、点火コイルを熱焼損させてしまう。

本発明は、上記点に鑑み、点火コイルの熱焼損を防止することができる点火装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１ないし４に記載の発明では、コイル電流のメイン電流を流すメインセルとメイン電流に応じたセンス電流を流す電流検出セルそれぞれの半導体スイッチング素子（５）と半導体スイッチング素子（５）の温度を検出するための温度センサ（７）が共に形成されたスイッチＩＣ（２）と、電流検出セル側の半導体スイッチング素子（５）に流れるセンス電流を入力し、半導体スイッチング素子（５）に流れるコイル電流が所定値となるように、半導体スイッチング素子（５）に加えられる制御信号を調整する定電流制御回路（９）と、温度センサ（７）にてスイッチＩＣ（２）の温度が所定値に達したことが検出されると、半導体スイッチング素子（５）を遮断させるように制御信号を調整する過昇温停止回路（１０）とが備えられた制御回路ＩＣ（３）とを備え、スイッチＩＣ（２）と制御回路ＩＣ（３）とが金属に比べ熱伝導率が低い、樹脂と接着剤の少なくとも一方で分離することにより、熱的に分離された構成とされており、スイッチＩＣ（２）と制御回路ＩＣ（３）の温度差に基づき定電流制御回路（９）にて半導体スイッチング素子（５）に加えられる制御信号を調整するようになっていることを特徴としている。

このように、スイッチＩＣ（２）と制御回路ＩＣ（３）とを熱的に分離された構成としている。そして、それにより発生する制御回路ＩＣ（３）とスイッチＩＣ（２）との温度差を利用することで、点火コイル（４）の発熱よりも先に半導体スイッチング素子（５）で発熱が生じるようにでき、点火コイル（４）に流されるコイル電流が制限されるようにできる。これにより、温度センサ（７）にてスイッチＩＣ（２）の温度が所定値に達したことが確実に検出可能となり、点火装置（１）及び点火コイル（４）の熱焼損を防止することができる。

例えば、請求項２に示されるように、定電流制御回路（９）は、制御回路ＩＣ（３）の温度に応じた温度特性を有するように構成され、この温度特性に基づいて半導体スイッチング素子（５）に加えられる制御信号を調整する。

具体的には、請求項３に示されるように、定電流制御回路（９）は、スイッチＩＣ（２）の方が制御回路ＩＣ（３）よりも温度が高くなる程、センス電流の温度特性と定電流制御回路（９）制御回路ＩＣ（３）の温度に応じた温度特性の補正値の差が発生することにより、コイル電流を制御する所定値が小さくなるように、半導体スイッチング素子（５）に加えられる制御信号を調整する。これにより、半導体スイッチング素子（５）での電圧ドロップが大きくなり、温度センサ（７）にてスイッチＩＣ（２）の温度が所定値に達したことが確実に検出可能となり、点火装置（１）及び点火コイル（４）の熱焼損を防止することができる。

請求項４に記載の発明では、スイッチＩＣ（２）には、センス電流が流される正の温度特性を有した電流検出抵抗（１２）が半導体スイッチング素子（５）に接続されるように備えられ、定電流制御回路（９）には、半導体スイッチング素子（５）と電流検出抵抗（１２）との間（１３）の電位が入力されるように構成されていることを特徴としている。

このように、正の温度特性を有した電流検出抵抗（１２）を備えることにより、センス電流の温度特性だけでなく、電流検出抵抗（１２）における温度特性も加えられた形で、定電流制御回路（９）による制御信号の調整が行われることになる。このため、より半導体スイッチング素子（５）におけるセンス電流の温度特性と、制御回路ＩＣ（３）の温度補正との差を大きくすることができる。したがって、より点火コイル（４）に流されるコイル電流が制限されるようにでき、更に点火コイル（４）の熱焼損を防止することが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の一実施形態が適用された車両用の点火装置について説明する。図１に、本実施形態における点火装置１の回路構成図を示し、この図に基づいて説明する。

図１に示されるように、点火装置１には、スイッチＩＣ２と制御回路ＩＣ３とが備えられている。これらスイッチＩＣ２と制御回路ＩＣ３とは別々のチップで構成され、金属に比べ熱伝導率が低い、樹脂や接着剤で分離することにより、熱的に分離された構成となっている。

スイッチＩＣ２は、点火コイル４の１次巻線４ａへの通電のスイッチング制御を行うためのものである。このスイッチＩＣ２には、ＩＧＢＴ５と抵抗６が備えられている。

ＩＧＢＴ５には、点火コイル４の１次巻線４ａへの通電のスイッチング制御を行うために用いられるメインセル側に形成されたものと、メインセル側のＩＧＢＴ５に流される電流量を検出するために用いられる電流検出セル側に形成されたものとがある。これら各セルのＩＧＢＴ５へのゲート電圧は、抵抗６を介して入力される制御回路ＩＣ３からの制御信号によって行われるようになっている。なお、ここでいうＩＧＢＴ５のうちのメインセル側の部分が本発明のメインスイッチィング部に相当し、電流検出セル側の部分が本発明のセンススイッチング部に相当するものである。

メインセル側のＩＧＢＴ５のコレクタ端子に負荷となる点火コイル４の１次巻線４ａが接続され、エミッタ端子にＧＮＤが接続されている。また、電流検出セル側のＩＧＢＴ５のコレクタ端子は、メインセル側のＩＧＢＴ５のコレクタ端子と共通化されており、エミッタ端子は制御回路ＩＣ３に接続されている。これにより、エミッタ端子から流れる電流検出用のセンス電流、すなわちメインセル側のＩＧＢＴ５に流れる電流に比例する電流が制御回路ＩＣ３にフィードバックされるようになっている。

メインセル側と電流検出セル側に流れる各電流の比率は、スイッチＩＣ２の温度が高くなるほど電流検出セル側の方が高くなるという特性がある。これは、ＩＧＢＴ５のＶＧ−ＩＣ（ベース電圧−コレクタ電流）特性の傾きが高温になるほど緩やかになっており、高温になるほど電流検出セルの抵抗の影響が小さくなるためである。したがって、センス電流は、正の温度特性となる。

抵抗６は、ＩＧＢＴ５のゲートに対してゲート電圧を印加するための入力抵抗である。

また、スイッチＩＣ２には、温度センサ７が備えられている。この温度センサ７は、ＩＧＢＴ５の発熱に伴うスイッチＩＣ２の温度上昇を検出し、制御回路ＩＣ３にフィードバックするものである。

一方、制御回路ＩＣ３は、エンジンＥＣＵ８から送られてくる点火信号をスイッチＩＣ２におけるＩＧＢＴ５の制御信号として伝える役割を果たすものである。この制御回路ＩＣ３には、入力保護回路部１ａと定電流制御回路９と過昇温停止回路１０とが備えられ、これらにより点火コイル４の１次巻線４ａに流されるコイル電流およびスイッチＩＣ２の温度に基づいてＩＧＢＴ５の制御信号を調整できるようになっている。

定電流制御回路９は、電流検出セル側のＩＧＢＴ５から流されるセンス電流を入力し、その大きさに基づいて各ＩＧＢＴ５のゲート電圧を調整するものである。例えば、定電流制御回路９は、回路９内に備えられた図示しない抵抗によってセンス電流を電圧変換し、その電圧の変化に基づいて各ＩＧＢＴ５のゲート電圧を調整する。そして、上述したように、制御回路ＩＣ３とスイッチＩＣ２とが別チップで構成されていることから、定電流制御回路９は、制御回路ＩＣ３を構成するチップの温度に基づいて各ＩＧＢＴ５のゲート電圧を調整できるようになっている。

この定電流制御回路９は、例えば、参照電圧を形成する電源部とコンパレータおよび参照電圧の電圧値を温度補正するための温度特性を有するダイオード等によって構成される。これらの構成により、ダイオードの温度特性によって温度補正された参照電圧と電圧変換されたセンス電流とを比較し、ゲート電圧調整用の出力を発生させる。

過昇温停止回路１０は、スイッチＩＣ２に備えられた温度センサ７の検出信号を入力し、この検出信号に基づき、スイッチＩＣ２の温度が所定温度に達すると、ＩＧＢＴ５を停止させるように各ゲート電圧を調整するものである。

以上のような構成により点火装置１が構成されている。そして、エンジンＥＣＵ８からの点火信号が制御回路ＩＣ３を介してスイッチＩＣ２に伝えられるように構成され、さらに、スイッチＩＣ２におけるメインセル側のＩＧＢＴ５のコレクタ端子に点火コイル４の１次巻線４ａが接続されると共に、点火コイル４の２次巻線４ｂがプラグ１１に接続されることで、点火装置１によるプラグ１１の放電タイミングの制御が行われるようになっている。

続いて、本実施形態における点火装置１の作動について、図２に示すタイミングチャートを参照して説明する。

図２（ａ）は、点火装置１の通常作動時におけるタイミングチャートを示したものであり、図２（ｂ）は、ロック通電時におけるタイミングチャートを示したものである。

まず、通常作動時においては、図２（ａ）に示されるようにエンジンＥＣＵからの点火信号がハイレベルとなると、制御回路ＩＣ３および抵抗を介して各ＩＧＢＴ５に高いゲート電圧が印加され、各ＩＧＢＴ５がオン状態とされる。これにより、各ＩＧＢＴ５のコレクタ−エミッタ間に電流が流れ、点火コイル４の１次巻線４ａに流されるコイル電流が上昇していく。

そして、点火信号がローレベルとなると、各ＩＧＢＴ５のゲート電圧が低下するため、各ＩＧＢＴ５がオフ状態とされ、点火コイル４の１次巻線４ａへのコイル電流が遮断される。

この期間中、コイル電流が流される時間に応じたＩＧＢＴ５の発熱により、ＩＧＢＴ５での電圧ドロップが大きくなり、コレクタ−エミッタ間電圧が大きくなっていく。また、コイル電流も徐々に大きくなっていき、所定の電流量を超えるような場合には、定電流制御回路９による制限を受け、定電流制御値に制御されることになる。

しかしながら、通常、点火信号がハイレベルとなる時間が短いため、定電流制御回路９によって電流制限を受けることはほとんどなく、ＩＧＢＴ５での発熱により、若干スイッチＩＣ２の温度が上昇する程度である。このため、点火装置１は、スイッチＩＣ２と制御回路ＩＣ３とがほぼ同一温度となる条件下で作動することになり、電流検出セルのＩＧＢＴ５に流れるセンス電流の出力特性と、制御回路ＩＣ３の定電流制御の温度補正の差は小さくなる。このため、定電流制御回路９によって定電流制御値が設定される場合には、高い精度で設定されるようにすることができる。

一方、ロック通電時においては、図２（ｂ）に示されるようにエンジンＥＣＵ８からの点火信号がハイレベルになったままの状態が長時間続くことになる。この場合、まずは、エンジンＥＣＵ８からの点火信号がハイレベルになったことから、各ＩＧＢＴ５をオンさせるべくゲート電圧が印加される。これにより、各ＩＧＢＴ５のコレクタ−エミッタ間に電流が流れ、点火コイル４の１次巻線４ａに流されるコイル電流が上昇していく。

そして、その後もエンジンＥＣＵ８からの点火信号がハイレベルの状態のまま続くため、コイル電流が上昇しつづけ、所定の電流量を超えるような場合には、定電流制御回路９による制限を受け、定電流制御値に制御される。

このとき、コイル電流が長時間流されることからＩＧＢＴ５での発熱量が非常に大きくなり、スイッチＩＣ２と制御回路ＩＣ３との温度差が大きくなる。このため、ＩＧＢＴ５におけるセンス電流の正温度特性が大きくなる一方、制御回路ＩＣ３の温度補正は小さいままの状態となる。したがって、定電流制御回路９で設定される定電流制御値が時間と共に小さくなるように各ＩＧＢＴ５のゲート電圧が調整される。つまり、スイッチＩＣ２の温度上昇に対して定電流制御回路９で出力される定電流制御値は負の温度特性となる。

これにより、各ＩＧＢＴ５がピンチオフ領域で動作することになる。ＩＧＢＴ５での電圧ドロップがより大きくなり、さらにＩＧＢＴ５が発熱し易くなる。したがって、コイル電流に基づく点火コイル４での発熱よりも先にＩＧＢＴ５で発熱し、コイル電流が大きくなることを抑制することが可能となって、点火コイル４の発熱を抑制することが可能となる。

そして、この後、ＩＧＢＴ５の発熱によってスイッチＩＣ２が高温化し、所定温度に達すると、温度センサ７によってそれが検知され、過昇温停止回路からＩＧＢＴ５を構成的にオフさせるようにゲート電圧が調整される。

以上説明したように、本実施形態では、制御回路ＩＣ３とスイッチＩＣ２それぞれのチップを別構成とし、熱的に分離された構成としている。そして、それにより発生する制御回路ＩＣ３とスイッチＩＣ２との温度差を利用して点火コイル４の発熱よりも先にＩＧＢＴ５での発熱が生じるようにし、点火コイル４に流されるコイル電流が制限されるようにしている。これにより、点火コイル４の熱焼損を防止することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に示した点火装置１の構成を若干異なるものとしたものであり、主な構成については第１実施形態と同様である。したがって、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図３は、本実施形態における点火装置１の回路構成図を示したものである。この図に示されるように、本実施形態の点火装置１では、スイッチＩＣ２に電流検出抵抗１２が備えられている。この電流検出抵抗１２は、電流検出セル側のＩＧＢＴ５のエミッタ端子に接続されている。電流検出抵抗１２によって電流検出セル側のＩＧＢＴ５に流れるセンス電流を検出することで、それに比例するメインセルのＩＧＢＴ５に流れる電流量の検出を行う。

電流検出抵抗１２は、正の温度特性を有するように構成され、例えば拡散抵抗によって構成される。この電流検出抵抗１２とＩＧＢＴ５のエミッタ端子の間、つまり図中接続点１３の電位を制御回路ＩＣ３にフィードバックすることで、メインセル側のＩＧＢＴ５に流れる電流量を制御回路ＩＣ３に伝えられるように構成されている。

以上のような構成によると、センス電流の正の温度特性だけでなく、電流検出抵抗１２における正の温度特性も加えられた形で、接続点１３の電位が定電流制御回路９に入力されることになる。このため、よりＩＧＢＴ５におけるセンス電流の温度特性と、制御回路ＩＣ３の温度補正との差を大きくすることができ、より定電流制御回路９で設定される定電流制御値を低下させることが可能となる。

したがって、より点火コイル４に流されるコイル電流が制限されるようにでき、更に点火コイル４の熱焼損を防止することが可能となる。

本発明の第１実施形態における点火装置１の回路構成図である。 （ａ）は通常作動時、（ｂ）はロック通電時のタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態における点火装置１の回路構成図である。

符号の説明

１…点火装置、２…スイッチＩＣ、３…制御回路ＩＣ、４…点火コイル、４ａ…１次巻線、４ｂ…２次巻線、５…ＩＧＢＴ、７…温度センサ、９…定電流制御回路、１０…過昇温停止回路、１２…温度検出抵抗。

Claims (4)

1. 点火コイル（４）に流されるコイル電流を制御するための点火装置であって、
   前記コイル電流のメイン電流を流すメインスイッチング部と前記メイン電流を検出する為にこのメイン電流に応じたセンス電流を流すセンススイッチング部それぞれの半導体スイッチング素子（５）と半導体スイッチング素子（５）の温度を検出するための温度センサ（７）が共に形成されたスイッチＩＣ（２）と、
   前記電流検出セル側の半導体スイッチング素子（５）に流れるセンス電流を入力し、前記半導体スイッチング素子（５）に流れるコイル電流が所定値となるように、前記半導体スイッチング素子（５）に加えられる制御信号を調整する定電流制御回路（９）と前記温度センサ（７）にて前記スイッチＩＣ（２）の温度が所定値に達したことが検出されると前記半導体スイッチング素子（５）を遮断させるように前記制御信号を調整する過昇温停止回路（１０）とが備えられた制御回路ＩＣ（３）とを備え、
   前記スイッチＩＣ（２）と前記制御回路ＩＣ（３）とが金属に比べ熱伝導率が低い、樹脂と接着剤の少なくとも一方で分離することにより、熱的に分離された構成とされており、前記スイッチＩＣ（２）と前記制御回路ＩＣ（３）の温度差に基づき前記定電流制御回路（９）にて前記半導体スイッチング素子（５）に加えられる制御信号を調整するようになっていることを特徴とする点火装置。
2. 前記定電流制御回路（９）は、前記制御回路ＩＣ（３）の温度に応じた温度特性を有しており、この温度特性に基づいて前記半導体スイッチング素子（５）に加えられる制御信号を調整するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
3. 前記定電流制御回路（９）は、前記スイッチＩＣ（２）の方が前記制御回路ＩＣ（３）よりも温度が高くなる程、前記コイル電流を制御する前記所定値が小さくなるように、前記半導体スイッチング素子（５）に加えられる前記制御信号を調整するようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の点火装置。
4. 前記スイッチＩＣ（２）には、前記センス電流が流される正の温度特性を有した電流検出抵抗（１２）が前記半導体スイッチング素子（５）に接続されるように備えられ、前記定電流制御回路（９）には、前記半導体スイッチング素子（５）と前記電流検出抵抗（１２）との間（１３）の電位が入力されるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の点火装置。
   
   

Images