JP3152040B2 - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

内燃機関用点火装置

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JP3152040B2 JP30691693A JP30691693A JP3152040B2 JP 3152040 B2 JP3152040 B2 JP 3152040B2 JP 30691693 A JP30691693 A JP 30691693A JP 30691693 A JP30691693 A JP 30691693A JP 3152040 B2 JP3152040 B2 JP 3152040B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、自動車などの内燃機
関の点火に使用される電子式の内燃機関用点火装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】図は従来の内燃機関用点火装置を模式
化して示す接続図であり、点火装置は一端が接地された
電源3と、その非接地端に一次巻線1Aおよび二次巻線
1Bそれぞれの一方端が接続された点火コイル1と、二
次巻線1Bの他方端に非接地側が接続された点火プラグ
5と、一次巻線1Aを介して電源に直列接続されたスイ
ッチング素子2と、このスイッチング素子2のオンオフ
タイミングを制御する点火制御装置4とを含み、点火コ
イル1の1次巻線1Aに流れる電流をスイッチング素子
2によって断続的に遮断したとき、2次巻線1Bに生ず
る高電圧を点火プラグ5に印加し、点火プラグ5で発生
する火花放電により内燃機関内の燃料ガスに着火し、内
燃機関を駆動する。また、スイッチング素子2をオンす
る際二次巻線に逆電圧が発生するが、この逆電圧は電源
3側に放電し、例えば電源側に設けた図示しないコンデ
ンサ等に吸収される。
【0003】このように構成された内燃機関用点火装置
において、スイッチング素子2には従来バイポ−ラトラ
ンジスタが用いられているが、バイポ−ラトランジスタ
が電流駆動型の素子であるため、これを駆動する点火制
御装置4での消費電力が大きく、かつスイッチング損失
も大きいこと、およびバイポ−ラトランジスタのストレ
−ジタイムが大きいために進角制御の微妙コントロ−ル
など点火タイミングの制御が難しいという問題があっ
た。そこで、これらの問題を解決するために、電圧駆動
型で高速スイッチング特性に優れ,低飽和電圧特性でス
イッチング損失の少ないMOSFET,IGBTなどの
絶縁ゲ−ト型トランジスタをスイッチング素子2として
使用した内燃機関用点火装置が提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】市販のMOSFET,
IGBTなどをスイッチング素子2として使用した内燃
機関用点火装置についてその性能試験を行ったところ、
スイッチング素子が異常発熱を起こし、ときにはスイッ
チング素子が破壊するという問題点のあることが判明し
た。その原因について検討した結果、点火プラグ5の火
花放電時に発生する過電圧、および急峻なdv /dt が
点火コイル1を介してスイッチング素子2に印加される
ことが原因であることが判明した。
【0005】この発明の目的は、火花放電時にスイッチ
ング素子に印加される過電圧およびdv /dt を緩和し
て素子を保護するとともに、素子特性を改善して耐電圧
性能を向上することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、一端が接地された電源と、その
電源の他端に一次巻線および二次巻線それぞれの一方端
が接続された点火コイルと、二次巻線の他方端に一端
接続され他端が接地された点火プラグと、一次巻線を介
して電源の他端に直列接続されたスイッチング素子とを
含み、このスイッチング素子をオンオフすることにより
二次巻線に生ずる高電圧を点火プラグに印加するものに
おいて、前記スイッチング素子コレクタが一次巻線に
接続された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IG
BT)であり、そのコレクタとエミッタ間にカソードを
コレクタ側に接続し、アノードをエミッタ側に接続した
アバランシェ電圧を有する保護ダイオードからなる保護
回路を備えてなるものとする。
【0007】保護ダイオードのアバランシェ電圧値をI
GBTのコレクタ・エミッタ間耐電圧値より10〜10
0V低く設定してなるものとする。一端が接地された電
源と、その電源の他端に一次巻線および二次巻線それぞ
れの一方端が接続された点火コイルと、二次巻線の他方
端に一端が接続され他端が 接地された点火プラグと、一
次巻線を介して電源の他端に直列接続されたスイッチン
グ素子とを含み、このスイッチング素子をオンオフする
ことにより二次巻線に生ずる高電圧を点火プラグに印加
するものにおいて、前記スイッチング素子コレクタが
一次巻線に接続され、コレクタがp型、エミッタがn型
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)
あり、そのn型のエミッタを覆うpベースが形成される
- 層の比抵抗値が10Ω−cm以上,40Ω−cm以下で
あるものとする。
【0008】絶縁ゲ−ト型バイポ−ラトランジスタ(I
GBT)が250mj以上のエネルギ−耐量を有するも
のとする。絶縁ゲ−ト型バイポ−ラトランジスタ(IG
BT)が300V以上の耐電圧性能を有するものとす
る。
【0009】
【作用】この発明において、スイッチング素子としてコ
レクタが一次巻線に接続された絶縁ゲート型バイポーラ
トランジスタ(IGBT)を用い、そのコレクタとエミ
ッタ間にカソードをコレクタ側に接続し、アノードをエ
ミッタ側に接続したアバランシェ電圧を有する保護ダイ
オードからなる保護回路を設けるとともに、そのアバラ
ンシェ電圧をIGBTのコレクタ・エミッタ間耐電圧値
より10〜100V低く設定するよう構成したことによ
り、IGBTのコレクタ・エミッタ間耐電圧値を越える
急峻なdv /dtを有する過電圧はその大きさおよび急
峻度が緩和され、従って、素子の破壊を防止する保護機
能が得られるとともに、保護回路の構成を簡素化する機
能が得られる。
【0010】さらに、スイッチング素子としてコレクタ
が一次巻線に接続された絶縁ゲ−ト型バイポ−ラトラン
ジスタ(IGBT)を用い、そのシリコンウエハのn-
層部分の比抵抗値を10Ω−cm以上,40Ω−cm以下の
低い範囲に抑えるよう構成すれば、過電圧によってn-
層内に生ずる電界を緩和し、そのエネルギ−耐量を向上
できるので、急峻なdv /dt に対する破壊耐量を向上
させ、過電圧によるスイッチング素子を防止することが
可能となり、例えば、過電圧に対して250mj以上の
エネルギ−耐量,および300V以上の耐電圧性能を有
する絶縁ゲ−ト型バイポ−ラトランジスタ(IGBT)
を得ることができる。
【0011】
【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて説明す
る。図1はこの発明の参考例になる内燃機関用点火装置
を模式化して示す要部の接続図であり、従来技術と同じ
構成部分には同一参照符号を付すことにより、重複した
説明を省略する。図において、一端が接地された電源3
と、その非接地端に一次巻線1Aおよび二次巻線1Bそ
れぞれの一方端が接続された点火コイル1と、二次巻線
の他方端に非接地側が接続された点火プラグ5と、一次
巻線を介して電源に直列接続されたスイッチング素子1
2とを含む内燃機関用点火装置において、スイッチング
素子12がコレクタCが一次巻線に接続され,エミッタ
Eが接地された絶縁ゲ−ト型バイポ−ラトランジスタ
(IGBT)からなり、そのコレクタCとゲ−トGとの
間にアバランシェ電圧を有する保護ダイオ−ド22、お
よび逆阻止ダイオ−ド23の直列体からなる保護回路2
1を、保護ダイオ−ド22はそのカソ−ドをコレクタ側
に,逆阻止ダイオ−ド23はそのカソ−ドをゲ−ト側に
して接続するよう構成される。
【0012】このように構成された内燃機関用点火装置
の保護回路21において、点火制御装置4により一次巻
線1Aに流れる電流を断続制御されるIGBT12がオ
フする際、二次巻線1Bに高電圧(10〜20kv)が
発生し、この高電圧によって点火プラグ5が放電して点
火プラグ5が火花放電によって短絡状態となり、エミッ
タ接地されたIGBT12との間に点火コイル1を介し
て並列回路が形成されると、タ−ンオフした直後のIG
BT12のコレクタ・エミッタ間にその耐電圧値を遙か
に越える過電圧が印加される。このとき、過電圧によっ
て保護ダイオ−ド22にアバランシェ電流が流れ、この
電流によってIGBTのゲ−ト電位が上昇してIGBT
を瞬間的にオンさせるので、過電圧による放電エネルギ
−の大部分は導通状態となったIGBTのエミッタ電流
として大地側に放流され、かつアバランシェ電流が流れ
止むと同時にIGBTはオフ状態を回復する。従って、
コレクタ・エミッタ間に加わる過電圧が大幅に低減され
て急峻なdv /dt および発生損失は減少し、IGBT
の異常発熱およびこれに起因するIGBTの破壊を防止
する保護動作をIGBTのスイッチング機能に影響を及
ぼすことなく達成することができる。
【0013】また、保護ダイオ−ド22のアバランシェ
電圧がIGBT12のコレクタ・エミッタ間耐電圧値よ
り10〜100V低く、このアバランシェ電圧と逆阻止
ダイオ−ド23の耐電圧値との和がIGBTのコレクタ
・エミッタ間耐電圧値とほぼ同等になるよう構成すれ
ば、過電圧をIGBTのコレクタ・エミッタ間耐電圧値
より10〜100V低いアバランシェ電圧にまで抑制し
て素子の破壊を防止できるとともに、耐電圧値の低い逆
阻止ダイオ−ドを用いて保護回路21を小型に構成でき
る利点が得られる。
【0014】図2はこの発明の実施例になる内燃機関用
点火装置の保護装置を模式化して示す接続図であり、保
護回路31をIGBT12のコレクタ・エミッタ間にカ
ソ−ドをコレクタ側にして接続したアバランシェ電圧を
有する保護ダイオ−ドで構成した点が前述の参考例と異
なっており、そのアバランシェ電圧をIGBTのコレク
タ・エミッタ間耐電圧値より10〜100V低く設定す
るよう構成すれば、IGBTのコレクタ・エミッタ間耐
電圧値を越える過電圧をアバランシェ電圧にまで低減
し、かつその急峻なdv /dt を緩和できるので、過電
圧によるIGBTの破壊を防止できるとともに、保護回
路31の構成を簡素化できる利点が得られる。
【0015】ところで、内燃機関用点火装置にスイッチ
ング素子12としてIGBTを使用した場合、点火コイ
ル1に流れる電流(7〜8Apeak) を遮断する際、コレ
クタ端子側に発生するサ−ジ電圧を吸収する必要がある
が、この吸収すべきエネルギ−耐量は種々の点火コイル
についての実験結果から250mj 以上必要であること
が判明している。また、内燃機関用点火装置では点火コ
イルに流れる電流をスイッチング素子12としてのIG
BTで遮断し、この際点火コイルの2次側に発生する1
0〜20kvの高電圧を発生で点火プラグに火花放電を
発生させるが、その際点火コイルの一次側に最低300
Vの電圧を必要とする。従って、スイッチング素子12
としてのIGBTに過電圧保護回路21,31等を設け
たとしても、IGBTは250mj 以上のエネルギ−耐
量と,最低300V以上の耐電圧性能とを有することが
求められる。
【0016】図3はこの発明の他の実施例を説明するた
めのIGBTの基本構造図、図4は図3に示すIGBT
のn-層の比抵抗を変えて得られた特性線図であり、図
4はシリコンウエハにエピタキシャル層として形成され
るn-層の厚みを変え、n-層部分の比抵抗が10〜90
Ω−cmの範囲内で互いに異なるIGBT8種類を製作
し、そのエネルギ−耐量,および耐電圧(降伏電圧)特
性値を測定した結果を示しており、耐電圧特性曲線10
2はn-層部分の比抵抗に比例して増加するのに対し、
エネルギ−耐量曲線101はn-層部分の比抵抗に逆比
例して減少する傾向を示しており、この結果から内燃機
関用点火装置のスイッチング素子12に要求されるエネ
ルギ−耐量および耐電圧値をともに満たすn-層部分の
比抵抗値に許容範囲が存在することが明らかになった。
【0017】以上の実験的検討結果から、スイッチング
素子としてコレクタが一次巻線に接続された絶縁ゲ−ト
型バイポ−ラトランジスタ(IGBT)12を用い、そ
のシリコンウエハのnエミッタを覆うpベースが形成さ
れるn - 層の比抵抗値を10Ω−cm以上,40Ω−cm以
下の低い範囲に抑えるよう構成すれば、過電圧によって
-層内に生ずる電界を緩和し、そのエネルギ−耐量を
向上できるので、例えば、過電圧に対して250mj以
上のエネルギ−耐量,および300V以上の耐電圧性能
を有する絶縁ゲ−ト型バイポ−ラトランジスタ(IGB
T)を得ることができる。従って、このように構成され
たIGBTを前述の保護回路21または31と組み合わ
せて使用することにより、急峻なdv /dt に対する破
壊耐量を向上させ、過電圧によるスイッチング素子の破
壊を防止することが可能となり、点火プラグの放電によ
って発生する過電圧に耐える信頼性がより優れた保護回
路を備えた内燃機関用点火装置が得られる。
【0018】
【発明の効果】この発明は前述のように、保護回路をス
イッチング素子としてのIGBTのコレクタとエミッタ
間にカソードをコレクタ側に接続し、アノードをエミッ
タ側に接続したアバランシェ電圧を有する保護ダイオ−
ドで構成した、その結果、点火プラグの火花放電時に発
生する過電圧、および急峻なdv /dt が点火コイルを
介してIGBTに印加され、これによりスイッチング素
子が異常発熱を起こし、破壊事故に至るという従来の問
題点が排除され、バイポ−ラトランジスタに比べてスイ
ッチング損失が少なく、高速スイッチング性能に優れた
IGBTをスイッチング素子として用いた内燃機関用点
火装置を提供するとができる。
【0019】また、IGBTに使用するシリコンウエハ
に形成されるn-層部分の比抵抗値を10Ω−cm以上4
0Ω−cm以下とすることにより、過電圧によってn-
内に生ずる電界を緩和して耐電圧性能を300V以上に
向上できるとともに、そのエネルギ−耐量を250mj
以上に向上し、急峻なdv /dt に対する破壊耐量を向
上させる機能を、IGBTの内部構造の改善により得る
ことができる。従って、このように構成されたIGBT
をこの発明の保護回路と組み合わせて使用することによ
り、点火プラグの放電によって発生する過電圧に耐える
信頼性がより優れた保護回路を備えた内燃機関用点火装
置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の参考例になる内燃機関用点火装置を
模式化して示す要部の接続図
【図2】この発明の実施例になる内燃機関用点火装置の
保護装置を模式化して示す接続図
【図3】この発明の他の実施例を説明するためのIGB
Tの基本構造図
【図4】図3に示すIGBTのn-層の比抵抗を変えて
得られた特性線図
【図5】従来の内燃機関用点火装置を模式化して示す接
続図
【符号の説明】
1 点火コイル 1A 一次巻線 1B 二次巻線 2 スイッチング素子(バイポ−ラトランジスタ) 3 電源 4 点火制御装置 5 点火プラグ 12 スイッチング素子(IGBT) 21 保護回路 22 保護ダイオ−ド(アバランシェダイオ−ド) 23 逆阻止ダイオ−ド 31 保護回路(アバランシェダイオ−ド)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F02P 11/00 F02P 3/055

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一端が接地された電源と、その電源の他端
    に一次巻線および二次巻線それぞれの一方端が接続され
    た点火コイルと、二次巻線の他方端に一端が接続され
    端が接地された点火プラグと、一次巻線を介して電源
    他端に直列接続されたスイッチング素子とを含み、この
    スイッチング素子をオンオフすることにより二次巻線に
    生ずる高電圧を点火プラグに印加するものにおいて、前
    記スイッチング素子コレクタが一次巻線に接続された
    絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)であ
    、そのコレクタとエミッタ間にカソードをコレクタ側
    に接続し、アノードをエミッタ側に接続したアバランシ
    ェ電圧を有する保護ダイオードからなる保護回路を備え
    てなることを特徴とする内燃機関用点火装置。
  2. 【請求項2】保護ダイオードのアバランシェ電圧値をI
    GBTのコレクタ・エミッタ間耐電圧値より10〜10
    0V低く設定してなることを特徴とする請求項記載の
    内燃機関用点火装置。
  3. 【請求項3】一端が接地された電源と、その電源の他端
    に一次巻線および二次巻線それぞれの一方端が接続され
    た点火コイルと、二次巻線の他方端に一端が接続され
    端が接地された点火プラグと、一次巻線を介して電源
    他端に直列接続されたスイッチング素子とを含み、この
    スイッチング素子をオンオフすることにより二次巻線に
    生ずる高電圧を点火プラグに印加するものにおいて、前
    記スイッチング素子コレクタが一次巻線に接続され
    コレクタがp型、エミッタがn型の絶縁ゲート型バイポ
    ーラトランジスタ(IGBT)であり、そのn型のエミ
    ッタを覆うpベースが形成されるn - 層の比抵抗値が1
    0Ω−cm以上,40Ω−cm以下であることを特徴とする
    内燃機関用点火装置。
  4. 【請求項4】絶縁ゲ−ト型バイポ−ラトランジスタ(I
    GBT)が250mj以上のエネルギ−耐量を有するこ
    とを特徴とする請求項記載の内燃機関用点火装置。
  5. 【請求項5】絶縁ゲ−ト型バイポ−ラトランジスタ(I
    GBT)が300V以上の耐電圧性能を有することを特
    徴とする請求項記載の内燃機関用点火装置。
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