JP3484123B2 - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

内燃機関用点火装置

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JP3484123B2 JP2000006253A JP2000006253A JP3484123B2 JP 3484123 B2 JP3484123 B2 JP 3484123B2 JP 2000006253 A JP2000006253 A JP 2000006253A JP 2000006253 A JP2000006253 A JP 2000006253A JP 3484123 B2 JP3484123 B2 JP 3484123B2
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】内燃機関に用いられる点火装
置に関する。 【0002】 【従来の技術】従来の技術には、特開平8−33552
2のようにパワースイッチング部と保護機能である電流
制限回路と異常発熱時に通電を強制的に遮断するサーマ
ルシャットオフ回路をIGBTのモノリシックシリコン
基板に集積させてなる内燃機関用点火装値がある。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】前記従来の技術は、イ
グナイタに保護機能として電流制限回路とサーマルシャ
ットオフ回路を設けているが、サーマルシャットオフ回
路は異常通電を素子の温度をモニタすることにより間接
的に検出して素子温度が設定温度以上になると強制的に
IGBTのゲート信号をLOWにして点火コイルに流れ
る一次電流を遮断する機能であるためため、この動作に
よりどういうタイミングで点火コイル二次側に高電圧が
誘起され点火プラグに放電が発生するか制御できず、エ
ンジンの吸気工程で着火してバックファイヤー等有害な
燃焼をおこす可能性がある。 【0004】 【課題を解決するための手段】上記課題は、内燃機関用
電子制御装置(以下ECU)から出力される制御信号に
応じて点火コイルに流れる一次電流を通電または遮断制
御して二次側に高電圧を発生させる絶縁ゲート型バイポ
ーラパワートランジスタ(以下IGBT)と、前記一次
電流の過電流を防止する電流制限回路と、一定時間以上
通電を指示する前記制御信号が入力された場合強制的に
一次電流を遮断する異常通電防止回路と、をシリコン基
板に集積してなる1チップ型内燃機関用点火装置であっ
て、前記異常通電防止回路は、点火制御信号が一定時間
以上入力されていることを検出するための基準パルス発
生回路と、前記基準パルス発生回路で発生したパルスを
分周するパルス分周回路と、デジタルタイマー出力信号
によりラッチしてIGBTのゲート電圧を降下させ前記
制御信号オフでリセットするラッチ回路とで構成したこ
によって解決される。 【0005】例えば、点火制御信号のオン時間をカウン
トするタイマーを設けて通電時間を直接検出して一定時
間以上の長い点火制御信号が入力された場合に強制的に
一次電流を遮断し、さらにこの点火制御信号がLOWに
なるまでIGBTを通電させないラッチ制御方式とす
る。また入力段に電位比較回路を設けて点火制御信号に
対する動作電圧に、しきい値及びヒステリシスを持た
せ、これら制御回路とパワーIGBT部とをPウエル層
でアイソレートした自己分離層の中に作ったNMOSト
ランジスタで構成する。 【0006】上記のように、点火制御信号のオン時間を
カウントするタイマーを設けて通電時間を直接検出して
一定時間以上の長い点火制御信号が入力された場合に強
制的に一次電流を遮断し、さらにこの点火制御信号がL
OWになるまでIGBTを通電させないラッチ制御方式
とすることにより、強制遮断させるタイミングを制御で
き、且つ一度動作したら異常通電中は再通電させないた
め有害な燃焼を防止することができ、また入力段に電位
比較回路を設けて点火制御信号に対する動作電圧に、し
きい値及びヒステリシスを持たせることにより外部ノイ
ズに対して余裕をもたせることができ、これら制御回路
とパワーIGBT部とをPウエル層でアイソレートした
自己分離層の中に作ったNMOSトランジスタで構成す
ることにより最少のプロセスでIGBTのモノリシック
シリコン基板に集積することが可能となり動作の安定し
た信頼性の高い多機能な1チップイグナイタを達成する
ことが出来る。 【0007】 【発明の実施の形態】図1に、通常の点火システムの構
成例を示す。1はECU、2は点火装置、3は点火コイ
ル、4は点火プラグを示す。ECU1の出力段は、PN
Pトランジスタ9,NPNトランジスタ10,抵抗11
より構成され、CPU8により算出された適正な点火タ
イミングでトランジスタ9,10をON,OFFし、点
火装置にHIGH,LOWのパルスを出力する。点火装
置2は、パワートランジスタ5とハイブリッドIC13
に実装された電流検出用負荷6,電流制御回路7、およ
び入力抵抗12より構成され、ECU1の出力信号がL
OW→HIGHでパワートランジスタ5は通電を開始
し、HIGH→LOWで遮断することによりパワートラ
ンジスタ5のコレクタ部に電圧が発生し、点火コイルの
巻き数比倍に相当する高電圧が点火コイルの2次側に誘
起する。この点火コイルの2次側に発生する電圧(以下
2次電圧)はエンジンの運転条件によって変化するた
め、コレクタ部に発生する電圧も変化するが、例えば巻
き数比100の点火コイルの2次電圧が15kVの場
合、コレクタには約150Vの電圧が発生する。 【0008】図2に、本発明の一実施例である点火装置
のブロック図を示す。14は点火コイル、16は点火コ
イルの1次コイルに流れる1次電流を通電,遮断する主
回路を構成するメインIGBT、17はIGBTに流れ
る電流を検出するためのシャント回路を構成するセンス
IGBTであり、電圧比較回路で構成される電流制限回
路18を有する。制御回路部の電源はバッテリーからと
り、抵抗20とツェナーダイオード21によって回路電
源電圧VDDが作りだされ、この回路電源電圧VDDは
抵抗23,26を介してIGBTのゲートに接続され
る。ECUに接続される点火装置の入力段は外部サージ
からの保護及びこれに起因するIGBTラッチアップ防
止を目的とした入力保護回路22を備え、ヒステリシス
を持った電圧比較回路で構成される入力電圧制御回路2
4に接続され、入力電圧制御回路24は入力信号レベル
によってトランジスタ25を制御してIGBTのゲート
電圧を制御することにより通電/遮断制御を行う。抵抗
23はトランジスタ25が導通した時でもVDD電圧を
確保する為の抵抗であり、抵抗26はIGBT保護ツェ
ナー15が動作した場合のツェナー電流減少とゲートに
回り込むサージ減少目的の為である。基準電源回路29
は入力電圧制御回路24と電流制限回路18の比較基準
電圧源であり、入力電圧制御回路24と電流制限回路1
8はこの基準電圧と検出電圧の比較動作を行う。パルス
発生回路30,パルス分周回路31,ラッチ回路32は
連続通電を防止するセルフシャットオフ回路を構成し、
パルス発生回路30はVDD電源投入と同時に無安定パ
ルス発生回路として基準パルスを発生し、このパルスを
分周するパルス分周回路31によって一定時間をカウン
トしてタイマーとして動作し、この出力を保持するラッ
チ回路32の出力によってトランジスタ33を動作して
IGBTのゲート電圧を制御する。 【0009】図3に本発明の実装構造を表す一例を示
す。IGBTモノリシックシリコン基板36はコレクタ
端子となるベースプレートにハンダ付けされ、VB端子
38,入力端子39,エミッタ端子はそれぞれボンディ
ングワイヤにて基板にボンディングされ、トランスファ
ーモールド樹脂によってパッケージされている。前記回
路電源VDD用抵抗80とツェナーダイオード81は自
動車用途として十分な耐量を確保しているが、近年信頼
性向上のために電源に過大なサージを印加して試験する
要求仕様があり、内蔵保護素子ではもたない場合も考え
られる。このような場合には図4のように抵抗素子43
をモノリシックシリコン基板の外であるVB端子とVB
ボンディングワイヤの間に設けてこれに対応する。 【0010】図6にて本発明の一実施例の回路構成と動
作を説明する。回路の電源はバッテリー電圧VBからと
り、抵抗80とツェナーダイオード81によって回路電
圧VDDが作られる。本抵抗とツェナーダイオードは自
動車用点火装置の電源に印加されるサージに耐え得る耐
量を確保している。IGBTはパワー部としてのメイン
IBGT51とシャント電流を流すためのサブIGBT
52よりなり、サブIGBTのエミッタにはインピーダ
ンス素子としての抵抗53が接続され、ここで発生する
電圧ドロップと基準電圧を抵抗56,57で分圧した設
定値とを電圧比較回路54で比較し、抵抗53の電圧ド
ロップがこの設定値に達するとトランジスタ55がON
してIGBTのゲート電圧を降下させIGBTを不飽和
状態にすることによって電流制限をかける。基準電圧は
回路電源電圧VDDから抵抗74を介して接続したツェ
ナーダイオードによって構成している。本実施例におい
ては、単純で小さい回路構成で機能を達成することを目
的としているためツェナーダイオードで構成している
が、Vthの異なる2つのNMOSトランジスタを対に
して構成する温度特性の良い基準電圧回路を用いること
によってさらに精度のよい制御が可能となる。入力制御
回路は基準電圧を抵抗67,68で分圧した設定値と入
力信号電圧を抵抗69,70で分圧した電圧とを比較す
る電圧比較回路73とそれによってドライブされるトラ
ンジスタ60により構成され、抵抗68と並列に接続さ
れた抵抗71と電圧比較回路73の動作によってON−
OFFするトランジスタ72によってヒステリシスを作
っている。 【0011】図7に示す回路動作シーケンスにおい
て、点火入力信号の電位はLOWであり、電圧比較回路
73の入力である基準電圧の方が点火入力電圧より高い
値であるため電圧比較回路73の出力はHiでありトラ
ンジスタ60は導通しているためIGBTのゲート電圧
がLOWとなり1次電流は流れない。シーケンスにお
いて、入力電圧が上昇して基準電圧を抵抗67,68で
分圧した設定値以上になると電圧比較回路73の出力は
LOWになり、トランジスタ60がOFFしてIGBT
のゲートに電圧が印加され1次電流がながれる。電圧比
較回路73の出力がLOWになると同時にトランジスタ
72がONするため、設定値は抵抗70と71の並列値
と抵抗67の分圧になり降下する。シーケンスにおい
て、入力電圧が降下して基準電圧を抵抗70と71の並
列値と抵抗67で分圧した設定値以下になると電圧比較
回路73の出力はHiになり、トランジスタ60が再度
ONしてIGBTのゲートに電圧がLOWになり1次電
流が遮断される。入力段は抵抗76,77さらに抵抗7
6と並列に接続されたツェナーダイオード78とVDD
に向かって接続されるダイオード79によって構成され
る入力保護回路を有する。 【0012】点火信号がある一定時間以上Hiであった
場合、強制的に通電を遮断させる機能であるセルフシャ
ットオフ機能は基準パルス発生回路,パルス分周回路,
ラッチ回路よりなり、基準パルス発生回路は2入力NA
NDゲート61,抵抗62,コンデンサ65,66,イ
ンバータ63,64よりなり、2入力NANDゲート6
1の入力の一端はVDDに接続され、もう一端はインバ
ータ64の出力からフィードバックし、その出力は抵抗
62を介してコンデンサ65に電荷をチャージ/ディス
チャージする。NANDゲート61の出力がHiになる
とコンデンサ65は抵抗62との時定数をもって立ち上
がり、インバータ63のスレッシュホールドを超えると
インバータ63がLOWとなりインバータ64がHiに
なる。インバータ64の出力がHiになるとNANDゲ
ート61の入力にHiがフィードバックされこの出力が
LOWとなり、コンデンサ65の電荷は抵抗62との時
定数をもって立ち下がるが、この時コンデンサ66によ
る微分回路よりコンデンサ65の電位を跳ね上げて時間
幅を多くとるようにしている。これの繰り返しにより基
準パルスが発生される。この基準パルスをDフリップ・
フロップをシリーズ接続した分周回路で×2n分周する
カウンターを構成し、電圧比較回路73の出力信号がH
iの間は出力LOWであり、電圧比較回路73の出力信
号がLOWの間動作する回路としてある。この出力がH
iになった時点でHiをホールドするラッチ回路がDフ
リップ・フロップで構成され、この回路も電圧比較回路
73の出力信号がHiの間は出力LOWであり、電圧比
較回路73の出力信号がLOWの間動作する回路として
ある。電圧比較回路73の出力信号のLOWになってい
る時間を基準パルスを分周することによってカウント
し、×2n分周回路出力と同期してラッチ回路出力Hi
になりトランジスタ60を導通させてIGBTのゲート
電圧を降下させることにより電流を遮断する。シーケン
スにおいて、点火入力信号が上昇してONスレッシュ
ホールド電圧以上になると入力制御回路の電圧比較回路
出力がLOWになりIGBTゲート制御電圧がHiにな
り、更にこれと同時に分周回路とラッチ回路が動作を開
始する。なんらかの原因で点火入力信号のHi時間が長
くなると、×2n分周回路がHiを出力し、×2n分周期
でHi−LOWを繰り返すが、×2n分周回路が一度H
iを出力するとラッチ回路が動作してそれをホールド
し、再度電圧比較回路出力がHiになるまでこれを持続
する。この動作により点火入力信号のHi時間が長く続
く異常通電が発生した場合でも或る時間になったら強制
的に電流を遮断しIGBTが破損することを防ぐことが
出来る。 【0013】これら制御を司るNMOSトランジスタ
は、図8に示すように、IGBT基板内にPウエル層で
アイソレートした自己分離形NMOSトランジスタで構
成してあるため誘電体分離等の他分離方法よりマスク枚
数が少なくでき工数が簡略できるメリットがある。これ
により安価な点火装置を供給することが出来る。図5に
請求項2の自己分離形NMOSトランジスタの構成例を
示す。 【0014】請求項7に示すように点火入力信号の電圧
が3V以上確保されるシステムの場合、回路電源をバッ
テリーからとらずに点火入力信号の電圧を用いることに
よりバッテリー電源に重畳する過大なサージの影響を無
視出来るため保護回路等不要になり装置を更にコンパク
ト化することが出来る。図9に電源を持たない多機能1
チップイグナイタの実施例を示す。基本機能としてのI
GBT100,101,IGBT保護ツェナーダイオー
ド117,電流制限回路102,入力電圧制御回路11
3,基準電源回路110,基準パルス発生回路106,
パルス分周回路105,ラッチ回路104,入力保護回
路であるツェナーダイオード108,抵抗107,10
9は請求項1で説明したものと同じであるが、回路電源
をバッテリーからとらずに点火入力信号の電圧を利用す
る方式としている。トランジスタ115の動作スレッシ
ュホールド電圧はIGBT100の動作スレッシュホー
ルド電圧より低く設定し、常にIGBTがONするより
低い電圧でONする。本実施例においては、IGBT1
00のスレッシュホールドを1.5V、トランジスタ1
15のスレッシュホールド電圧を0.5Vに設定してい
るため、点火入力信号電圧が上昇して0.5V以上にな
るとトランジスタ115が導通してIGBT100のゲ
ート電圧をLOWにしてIGBTを非動作にする。入力
電圧制御回路113は電圧比較回路で構成され、そのイ
ンバート端子には基準電源110の電圧を抵抗で分圧し
た値、またノンインバート端子は点火入力信号電圧を抵
抗で分圧した値が入力され、この抵抗分圧比でノンイン
バート電圧の方が低くなるように設定し、且つ入力電圧
制御回路が確実に動作するまでは出力LOWとなる回路
構成とすることによって点火入力信号電圧が充分高くな
るまでトランジスタ115を導通させてIBGTを非動
作とする。点火入力信号電圧が上昇してノンインバート
端子の電圧がインバート端子電圧以上になると電圧比較
回路はHiを出力してトランジスタ114を導通させト
ランジスタ115がOFFしてIGBT100のゲート
に電圧が供給されて通電状態となる。この入力電圧制御
回路の出力によってパルス分周回路105,ラッチ回路
104が動作して異常通電を防止するセルフシャットオ
フ回路が起動する。 【0015】図5は請求項3の内容を説明する実施例で
ある。IGBTはPサブストレートをコレクタにしてp
npnで構成される素子であるため、pnpトランジス
タとnpnトランジスタよりなる寄生サイリスタが存在
する。MOS回路では、負荷電流を微小にするためドレ
インを最大電位につって高抵抗負荷のインバータ等を作
り込むため入力ドレインが常に高電位に維持される必要
がある。例えば、入力端子に負サージが印加されてnp
nトランジスタのVbeがGND電位より低くなるとn
pnトランジスタが導通してpnpトランジスタが導通
することによってpnpnのサイリスタが導通してラッ
チアップを起こす。これを防止するためにツェナーダイ
オード44は、ツェナー電圧をECUから出力される点
火制御信号より高い電圧でクランプするように設定し、
負電圧に対してはシリコンのPN接合順方向電圧分の電
圧ドロップでクランプすることによって入力ドレイン電
位はGNDに対してnpnトランジスタのVbe以下に
なることがなく、さらに抵抗の電圧ドロップ分の電位が
保持されるためラッチアップに対して十分な耐量を確保
することができる。このツェナーダイオードと抵抗4
5,46のネットワークをシリーズに2段以上構成する
ことでサージ耐量をさらにUPさせることが可能とな
る。 【0016】本実施例によれば、一定時間以上の長い点
火制御信号が入力された場合に強制的に一次電流を遮断
して異常な通電信号が入力された場合にも素子が破損す
ることを防ぐことができる。また、点火制御信号に対す
る動作電圧に、しきい値及びヒステリシスを持たせるこ
とにより外部ノイズに対して余裕をもたせることがで
き、これら制御回路を自己分離層の中に作ったNMOS
トランジスタで構成することにより最少のプロセスでI
GBTのモノリシックシリコン基板に集積することが可
能となり動作の安定した信頼性の高い1チップイグナイ
タを達成することが出来る。

【図面の簡単な説明】 【図1】通常の点火装置の構成。 【図2】本発明の実施例を表すブロック図。 【図3】本発明の実施例を表す回路図。 【図4】本発明の実施例を表す動作シーケンス。 【図5】自己分離形NMOSトランジスタの例。 【図6】本発明の実施例を表すブロック図。 【図7】本発明の実施例の信号図。 【図8】本発明の実施例の断面をイメージした図。 【図9】本発明の実施例を表すブロック図。 【符号の説明】 1,50…ECU、2…点火装置、3,14…点火コイ
ル、4…点火プラグ、5,16,51,100…IGB
T、17,52,101…サブIGBT、6,16,1
7,18,53…電流検出用負荷、7,18,102…
電流制限回路、8…CPU、9…PNPトランジスタ、
10…NPNトランジスタ、11,12,20,23,
26,56,57,62,67,68,69,70,7
1,74,77,107,110,112,113,1
17…抵抗、13…ハイブリッドIC基板、79…ダイ
オード、15,21,75,78,81,84,107
…ツェナーダイオード、20…入力保護回路、29,1
11…基準電源回路、85,119…バッファ、54,
73…電圧比較回路、24,114…入力電圧制御回
路、30,106…基準パルス発生回路、31,105
…パルス分周回路、32,104…ラッチ回路、25,
33,55,60,72,103,115,117…N
MOSトランジスタ、61…NAND回路、63,64
…インバータ、65,66…コンデンサ、58,59…
Dフリップフロップ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 良一 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所 自動車機器グル ープ内 (72)発明者 杉浦 登 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所 自動車機器グル ープ内 (56)参考文献 特開 平11−201013(JP,A) 特開 平10−77940(JP,A) 特開 平5−321808(JP,A) 特開 平10−274142(JP,A) 特開 平7−97972(JP,A) 特開 平8−335522(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F02P 3/045 - 3/055 F02P 15/00

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】内燃機関用電子制御装置(以下ECU)か
    ら出力される制御信号に応じて点火コイルに流れる一次
    電流を通電または遮断制御して二次側に高電圧を発生さ
    せる絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタ(以下
    IGBT)と、前記一次電流の過電流を防止する電流制限回路と、 一定時間以上通電を指示する前記制御信号が入力された
    場合強制的に一次電流を遮断する異常通電防止回路と、 をシリコン基板に集積してなる1チップ型内燃機関用点
    火装置であって、 前記異常通電防止回路は、点火制御信号が一定時間以上
    入力されていることを検出するための基準パルス発生回
    路と、前記基準パルス発生回路で発生したパルスを分周
    するパルス分周回路と、デジタルタイマー出力信号によ
    りラッチしてIGBTのゲート電圧を降下させ前記制御
    信号オフでリセットするラッチ回路とで構成したことを
    特徴とする内燃機関用点火装置。 【請求項2】請求項1において、 しきい値及びヒステリシスを有し、入力した前記制御信
    号に応じて、前記IGBTのゲート電圧を制御する入力制御
    回路を備え、 前記入力制御回路と前記異常通電防止回路とが前記制御
    信号のみを電源し、 前記入力制御回路の出力によって、前記異常通電防止回
    路が起動することを特徴とする内燃機関用点火装置。
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