JP3524454B2

JP3524454B2 - 内燃機関点火装置

Info

Publication number: JP3524454B2
Application number: JP33928799A
Authority: JP
Inventors: 克明深津; 登杉浦; 太加志伊藤; 良一小林
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2004-05-10
Anticipated expiration: 2019-11-30
Also published as: JP2001153011A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用点火装
置に係わり、特には絶縁ゲート型バイポーラトランジス
タをスイッチング素子として使用した内燃機関用点火装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術には、ＩＧＢＴ素子単体として
の過電圧保護としてコレクタ電極−ゲート電極間に双方
向ツェナーダイオードを複数個直列に構成することは公
知として広くしられている。また、特開平10−321857号
のように、ＩＧＢＴで過電圧保護としてＩＧＢＴのコレ
クタ電極とゲート電極双方向ツェナーダイオードと直列
に第二のＩＧＢＴをコレクタとゲートを短絡させて接続
し、ＩＧＢＴ素子の破壊耐量を改善する方法も公開され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術では、
単体のＩＧＢＴ素子の一般的な保護について述べられて
おり、内燃機関特有の火花放電時に発生するサージの発
生原理などについて明確にされておらず、その保護につ
いての明確な数値などの設定がなされていなかった。

【０００４】例えば図１８に示す点火システム図におい
て点火コイル３と点火装置を別置きとした場合、点火コ
イルと点火装置の間には配線８１が存在する。ここでＶ
２が放電時、ＩＧＢＴのコレクタ電極には以下の式で表
されるサージ電圧ＶＣＥが発生する。

【０００５】

【０００６】Ｌ１は配線８１のインダクタンスであり、
通常この時のＶＣＥは数十Ｖ程度に減衰され、ＩＧＢＴ
素子のバルク耐圧、ツェナー電圧に比べてはるかに小さ
い。一方、本発明で述べているように点火コイル３と点
火装置を一体または点火コイル３に点火装置を内蔵した
場合は、配線８１が存在しないか又は非常に短く配線の
インダクタンスＬ１が非常に小さい。この場合、Ｖ２が
放電する時にＩＧＢＴのコレクタ電極には、以下の式で
表されるサージ電圧ＶＣＥ′が発生する。

【０００７】

【０００８】ＣＣＥはＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間
容量、ＣＬは点火コイルの一次と二次の間の浮遊容量で
ある。例えば、この時のＶＣＥ′を求めると、ＣＣＥ≒
２０ｐＦ，ＣＬ≒３０ｐＦ，Ｖ２＝２５ＫＶ放電とする
と、ＶＣＥは１５ＫＶとなる。しかし、実際には、点火
コイルの一次とＩＧＢＴのコレクタ間の配線とＧＮＤ
間、すなわちＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間容量ＣＣ
Ｅと並列に配線容量Ｃ′が存在する。また、点火コイル
の一次と二次の間の浮遊容量は、一次と二次の間の分布
容量であり、トータル３０ｐＦの内、点火プラグの火花
放電時の高周波のサージに影響するのは約５ｐＦ程度で
ある。これらを盛り込み再計算すると

【０００９】となり、ＩＧＢＴのバルク耐圧、コレクタ
−ゲート間のツェナー電圧を超えてしまう。通常このよ
うなバルク耐圧を超えるサージはＩＧＢＴのコレクタ−
ゲート間のツェナーダイオードによりクランプされる
が、火花放電によりＩＧＢＴのコレクタ電極に発生する
サージは、nsecオーダーの高周波サージのためツェナー
電流によるＩＧＢＴの動作が追従しきれず、ＩＧＢＴが
バルク破壊に至る可能性が高くなる。また、ＩＧＢＴに
電流制限回路などの制御回路をインテリジェントし、そ
の制御回路部を自己分離型の接合方式により構成した場
合、制御回路部もＩＧＢＴ部と同様な接合となっている
ため、上記のような高周波サージに対し、破壊・誤動作
する可能性が高くなる。しかし、インテリジェントタイ
プのIGBTを作る場合、コストを低減するために、チップ
製造上のトータルマスクを減らすことができる自己分離
型の接合方式を用いて制御回路を構成することが有効で
ある。このような課題に対し、従来は火花放電により発
生する高周波サージに対し、等価試験による素子のスク
リーニングなどによる対応が必要であった。本発明の目
的は、ＩＧＢＴに電流制限回路などの制御回路を自己分
離方式によりインテリジェント化した内燃機関用点火装
置の二次電圧の放電時に発生するイグニションサージに
よる素子の破壊（バルク破壊など）に対する耐量を改善
し、安価で信頼性の高いＩＧＢＴを用いたインテリジェ
ントタイプの内燃機関用点火装置を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、一次コイル
と二次コイルとを有する点火コイルの一次コイル側に流
れる電流を通電または遮断制御する絶縁ゲート型バイポ
ーラトランジスタ ( 以下ＩＧＢＴと称す ) と、前記ＩＧＢ
Ｔチップ内に設けられたメイン電流を流すメインＩＧＢ
Ｔと前記メイン電流を検出する電流検出用のセンスＩＧ
ＢＴと、前記ＩＧＢＴのコレクタ電極側とゲート電極間
に直列に設けられたツェナーダイオードと備えた内燃機
関用点火装置であって、前記ＩＧＢＴの素子耐圧（以下
バルク耐圧と称す）をＶ _BU 、コレクタ電極側とゲート電
極間のツェナーダイオードのツェナー電圧をＶ z ，動作
抵抗をＲ z 、ゲート電極とエミッタ電極間の容量を
Ｃ _GE ，コレクタ電流をドライブするためのゲート−エミ
ッタ間電圧（スレッシュホールド電圧）をＶ th 、前記コ
レクタ電極とゲート電極間のツェナーダイオードを介し
て流れるツェナー電流がＶ th に到達する時間をＴＣＨ on
とすると、が満たされることにより解決される。

【００１１】

【発明の実施の形態】まず、本願実施例の作用について
説明する。

【００１２】ＩＧＢＴの素子の仕様を以下とする。ＩＧ
ＢＴの素子耐圧（以下バルク耐圧と称す）をＶ_BU，コレ
クタ電極側とゲート電極間のツェナーダイオードのツェ
ナー電圧をＶz ，動作抵抗をＲz ，ゲート電極とエミッ
タ電極間の容量をＣ_GE，コレクタ電流をドライブするた
めのゲート−エミッタ間電圧（スレッシュホールド電
圧）をＶthとし、前記コレクタ電極−ゲート電極間のツ
ェナーダイオードを介して流れるツェナー電流Ｉz がＶ
thに到達する時間をＴＣＨonとした時

【００１３】が成立する素子仕様とする。点火装置を点
火コイルに内蔵または一体とした時、火花放電によりコ
レクタ電極に発生するサージ電圧は

【００１４】で表され、上記〔課題〕の欄で説明したよ
うに、ＩＧＢＴのバルク耐圧Ｖ_BUを超えたサージ電圧が
発生することがある。Ｖ_BUに達するサージは、Ｖ_BUによ
りクランプ（バルクのブレークダウン）され、実際には
バルク耐圧に応じた値しか見られない。この時、ＩＧＢ
Ｔのコレクタ電極側とゲート電極間に配したツェナーダ
イオードに流れるツェナー電流Ｉzは

【００１５】で表される。ここで、Ｖzはツェナー電
圧、Ｒzはツェナーの動作抵抗である。また、図１８に
示すようにＩＧＢＴのゲート−エミッタ間にはＩＧＢＴ
のチップサイズに応じた容量Ｃ_GEが存在する。火花放電
によるサージ電圧がＩＧＢＴのコレクタ電極に発生した
時、上記Ｉz はゲート抵抗ＲＧには、僅かしか流れず、
ほとんどがＩＧＢＴのゲート−エミッタ間容量Ｃ_GEに流
れ込み、Ｃ_GEは充電される。ＩＧＢＴのゲート−エミッ
タ間容量Ｃ_GEにツェナー電流Ｉz が流れ込み充電される
ことで、ＩＧＢＴのゲート電圧ＶＧは上昇し、ＩＧＢＴ
のスレッシュホールド電圧Ｖthに到達すると、ＩＧＢＴ
が通電しコレクタ電流Ｉc をドライブする。

【００１６】ＩＧＢＴが通電しコレクタ電流Ｉc が流れ
ることで、ＩＧＢＴのコレクタ電極に重畳した火花放電
によるサージ電圧ＶＣＥ′はクランプされる。ＩＧＢＴ
のコレクタ電極側とゲート電極間のツェナーダイオード
に流れるツェナー電流によるＩＧＢＴ動作が追従しない
高周波のサージの場合でも、上記のようにＩＧＢＴを再
通流するまでの時間がサージ電圧が立ち上がる時間に対
し、一定の時間より早ければ、ＩＧＢＴのコレクタ電極
側とゲート電極間のツェナーダイオードのクランプに頼
らず、素子の耐圧保護が可能となる。

【００１７】ここで、火花放電によりＩＧＢＴのコレク
タ電極に発生するサージがツェナー電圧を超えてツェナ
ーに流れるツェナー電流によりＩＧＢＴのスレッシュホ
ールド電圧Ｖthに到達するまでの時間ＴＣＨonは、

【００１８】で表される。よって、火花放電によりＩＧ
ＢＴのコレクタ端子に発生するサージ電圧に対するＩＧ
ＢＴ各要素の関係は

【００１９】で表される。ここでバルク耐圧Ｖ_BUはウエ
ハの仕様で決まるため、標準品を使用することが、コス
ト的に有利であることは言うまでもない。また、ゲート
−エミッタ間容量Ｃ_GEはチップの面積、スレッシュホー
ルド電圧ＶthもＩＧＢＴの他の特性とのトレードオフに
なっており、自由に設定できる要素ではない。よって、
コストや他の性能などに影響を及ぼさず耐サージ性を改
善するには、必然的にツェナー電圧Ｖzとツェナーの動
作抵抗Ｒzとなり、本発明のように、そのツェナー電圧
とバルク耐圧との関係、具体的なツェナーの動作抵抗等
を明確にすることで解決できる。

【００２０】次に、本発明の実施の形態を詳細に説明す
る。図１には、本発明の内燃機関用点火装置を用いた点
火システム構成を示す。ＥＣＵ１の点火信号出力部は、
PNPトランジスタ１ｂのベースがＬＯＷとなりＰＮＰト
ランジスタ１ｂがＯＮすると、エミッタが接続された定
電圧ライン１ａからＰＮＰトランジスタ１ｂのコレクタ
が接続された抵抗１ｃを介し、点火制御信号ライン９を
介して点火装置２に点火信号を出力する。点火制御信号
ライン９を通して入力された点火信号は、制御回路２ａ
を介しＩＧＢＴのゲートに入力される。ＩＧＢＴは点火
コイルの一次コイル３を介して流れる一次電流Ｉｃを通
電・遮断するメインIGBT4aと一次電流Ｉｃの数百〜数千
分の１の電流を流す様にセル比を構成したセンスＩＧＢ
Ｔ４ｂにより構成されている。センスＩＧＢＴ４ｂのエ
ミッタは電流検出抵抗１２を介してＧＮＤに接続され
る。電流検出抵抗１２はセンスＩＧＢＴ４ｂに流す電流
が小さいため高抵抗化（例えばＫΩオーダー）が可能と
なるためインテリジェント化がしやすい。従来の、メイ
ンとセンスの構造を持たないＩＧＢＴは、一つのＩＧＢ
Ｔに流れる一次電流(例えば約１０Ａ)を直接検出する抵
抗が必要となるため、電流検出抵抗の低抵抗化（約１Ω
以下）が必要となり、抵抗の面積，耐量を大きくする必
要があり、事実上インテリジェント化ができない。セン
スIGBT4bを介して流れる電流により抵抗１２で起きた電
圧降下は、電流値を電圧変換して電流制限回路２ｂに入
力される。電流制限回路２ｂは抵抗１２の降下電圧が既
定値以上になるとＩＧＢＴのゲート電圧を制御し、一次
電流Ｉｃを制限する。これによって、一次電流を直接検
出せずに、小消費電力の電流検出が可能となるため、Ｉ
ＧＢＴチップに回路をインテリジェント化することが可
能となり、また、インテリジェント化した時、余分な発
熱による温度上昇を低減することが可能となっている。
ここで、６は電源ライン、８は＋火花発生防止用のダイ
オード、５は点火プラグを示す。ここで、ダイオード８
は、図のように点火コイル３の二次の高圧側（点火プラ
グ側）に設ける場合のほかに、二次コイルの低圧側（電
源ライン側）に設ける場合もあり、同様の効果がある。
または、コイルの巻数比などの構成により発生する＋火
花が放電に至らない値にできる場合は、ダイオードを設
けない場合もある。ＩＧＢＴを用いたインテリジェント
タイプの点火装置は、低電流で駆動できることが特徴の
一つであり、その為に高抵抗を用いて回路を構成できる
ことから、インテリジェント化がしやすい。そのため
ＥＣＵ１と点火装置抵抗２の間の接続部（通常はコネク
タを用いて端子接触で接続される）にも、微小電流しか
流れないため、確実な接続を行うための接触電流が確保
できない場合が多い。そこで、インテリジェントＩＧＢ
Ｔの入力電流を制御するための抵抗１１を入力とＧＮＤ
間に設け、入力インピーダンスを調整し、接触電流を確
保し、接続を完全なものとしている。また、入力とＧＮ
Ｄ間にツェナーダイオード７を設け、各種サージに対す
る保護をしている。ＩＧＢＴのコレクタとゲート電極間
に設けたツェナーダイオード１０は一次電流Ｉｃが遮断
された時に発生する一次電圧が素子の耐圧を超えない様
にクランプすることが目的であり、設定したツェナー電
圧を超えた一次電圧が発生すると、ブレークダウンし、
ゲートをたたきＩＧＢＴをＯＮさせ、再通電すること
で、過大なエネルギーが印加されることも防いでいる。

【００２１】次に、図２を用いて点火装置の動作を説明
する。入力信号は、図１の点火制御信号ライン９の信号
を表す。信号のＬＯＷは必ずしも「０」ではなく、配線
のドロップやＥＣＵ１と点火装置２のＧＮＤ電位の差に
より浮き上がることがある。一次電流Ｉｃは、点火信号
がＬＯＷ→ＨＩＧＨとなると、点火コイル３の抵抗，イ
ンダクタンスなどにより決まる傾きで通電が立ち上が
る。一次電流Ｉｃが決められた値に達すると電流制限回
路が働き一次電流がＩCLで制限される。一次電流Ｉｃ
は、入力信号がＨＩＧＨ→ＬＯＷで遮断する。一次電流
が遮断すると、そのｄＩ／ｄｔによりＩＧＢＴのコレク
タ−エミッタ間には約数百Ｖの電圧Ｖceが発生する。こ
の部分Ａを拡大すると、Ｖceの電圧は、実線の様にな
り、点火コイルの二次電圧が点火プラグで放電すると、
エネルギーが放出されＬＯＷになる。図１での説明のＩ
ＧＢＴのコレクタ−ゲート間のツェナーダイオードのツ
ェナー電圧はＶｚで表したように、一次電圧をクランプ
する。これは、常時クランプされるわけではなく、動作
条件や点火コイルの二次側の負荷条件などによりクラン
プされることがある。本発明で言っている、点火プラグ
の火花放電時に発生する高周波サージとは、図２で言う
ところの、Ｖｐである。火花放電時に発生する高周波サ
ージＶｐがＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間に発生する
とＩＧＢＴとしては、図２のＶｐに耐える仕様としなけ
ればならない。

【００２２】次に図３を用いて火花放電による高周波サ
ージの発生に付いて説明する。まず符号の説明をする。
４１は電源、Ｃ１はＩＧＢＴのコレクタ−ゲート間容
量、Ｃ２はＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間容量、ＣＬ
は点火コイル３の一次と二次の間の浮遊容量のトータル
を総称して表す。Ｖ２は点火プラグ５が火花放電した時
の二次電圧である。Ｂは過電圧保護を持つＩＧＢＴを等
価回路で表した図である。Ｂ部の回路構成を正式に表し
た図を図４に示す。図４の回路構成は、参考文献として
用いるコロナ社１９９６年７月３０日初版代刷発行の
「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック」Ｐ.１６
４図７．１２寄生サイリスタ内蔵MOSFET 駆動ｐｎｐト
ランジスタモデルを参考に、コレクタ−ゲート間ツェナ
ーダイオードと容量及びコレクタ−エミッタ間容量を書
き込んだものである。図５には図４のＩＧＢＴ及びコレ
クタ−エミッタ間ツェナーダイオードの構造図を示す。
さて、点火プラグ５の火花放電電圧Ｖ２により、ＩＧＢ
Ｔのコレクタ部に発生する高周波サージＶｐについて説
明する。火花放電電圧Ｖ２発生時、ＩＧＢＴコレクタ部
に発生する電圧Ｖｐは、以下の基本式により表される。

【００２３】

【００２４】これは、コイルの構造やその他配線などの
寄生のインダクタンスなどの影響を受け、必ずしも実験
結果とは一致しないことがあることを述べておく。基本
式に沿って一例を上げると、ＣＬは通常３０ｐＦ、（Ｃ
１＋Ｃ２）は２０ｐＦであるとすると、Ｖ２が２５ＫＶ
で火花放電した時点火プラグにおける火花放電時に点火
コイルの一次と二次の浮遊容量により容量結合してＩＧ
ＢＴのコレクタ部に発生する高周波サージの値Ｖｐは

【００２５】となる。しかし、実際には〔課題を解決す
るための手段〕の欄で述べたように、図１８のように点
火コイル３と点火装置が別置きの場合、配線８１のイン
ダクタンスＬ１により、サージ電圧は数十Ｖ程度しか発
生しない。しかし、図１９のように本発明の点火装置８
２を点火コイルに内蔵した場合は、配線のインダクタン
スＬ１の影響がほとんど無くなり、約１ＫＶの高周波サ
ージが発生する。図１９で、８３は点火コイルの外装ケ
ース、８４は端子、８５は一次コイル８７と点火装置８
２を繋ぐ端子、８８は二次コイル、８９は鉄心であり、
点火装置８２は、端子８４に溶接又ははんだ付け等によ
り接続され、点火コイルの絶縁用のエポキシ８６により
点火コイル内部に封止される。火花放電電圧Ｖ２とその
火花放電電圧Ｖ２によりＩＧＢＴのコレクタに発生する
高周波サージＶｐのタイミングを図６に示す。

【００２６】火花放電電圧により発生する高周波ノイズ
は、実際に捕らえることは非常にむずかしい。内燃機関
を実際に動かして測定すると、運転の状態により放電電
圧の要求二次電圧のバラツキが大きくなってしまう。ま
た、定量的に机上で放電ギャップ（３針又は２針ギャッ
プ）を使い気中放電を行い測定する方法が一般的である
が、本発明で述べているような約２０ＫＶ以上の高電圧
を発生させる場合、放電ギャップの仕様にもよるが、ギ
ャップを約１０〜１５mmと広げることが必要なため、ギ
ャップ間の放電経路がバラツキ、安定した放電電圧が確
保できない。図７に本発明品の評価・確認をした実験方
法について示す。本発明の点火装置２はＩＧＢＴ部のコ
レクタを点火コイル３の一次コイル側に接続している。
点火コイルの一次コイルのもう一方は二次コイルと接続
すると共に、電源４１の＋側に接続する。点火コイルの
二次コイルのもう一方はハイテンションコード４７を介
し、点火プラグ４６に接続する。点火装置２のＧＮＤは
電源４１の−（ＧＮＤ）に接続する。点火装置２は疑似
の点火信号を発生する発振器４３の信号で通電・遮断の
動作を行う。点火プラグ４６は安定した火花放電を行う
ため、金属製のチャンバ４４に、放電部を挿入し固定さ
れる。チャンバ４４は、密閉されコンプレッサ４５によ
り、その内部の気圧をコントロールできるようにしてい
る。測定は、オシロスコープ５１を用いて、二次電圧を
高圧プローブ４８を用いて測定すると同時に、放電電圧
により点火装置のＩＧＢＴコレクタ部に発生する高周波
サージを電圧プローブ４９にシールド５０を施し測定す
る。シールド５０により、電圧プローブ４９に重畳する
ノイズを低減し、放電電圧が点火コイル３の一次と二次
の間の浮遊容量により容量結合され発生する高周波のサ
ージを、より正確に測定することができるようになる。
この実験方法によれば、チャンバ４４の気圧を上げるこ
とで点火プラグ４６の放電要求二次電圧を上げるため、
点火プラグ４６の放電ギャップは、そのチャンバ４４内
の気圧にもよるが、１〜３mmと小さくしても高電圧を発
生できる環境を作れるため、安定した放電電圧を定量的
に発生させることができる。また、チャンバ４４を金属
製とすることで、放電部をシールドし、測定機器，配線
等に放電ノイズが重畳しにくくできるため、より正確な
測定が可能となる。この実験方法を用いて測定した火花
放電時に発生する高周波ノイズの実測波形を図８に示
す。

【００２７】図８の実測波形について説明する。一次電
流が遮断するに伴い、二次電圧は負側に、一次電圧は正
側に増加して行く。二次電圧が点火プラグの絶縁破壊電
圧に達すると、点火プラグの電極間は放電され、−→０
へ瞬時に変化する。その時、一次電圧も＋→０へ変化す
るが、二次電圧の放電によるエネルギーの放出により、
点火コイルの一次と二次間の浮遊容量を介して一次電圧
に高周波（約ｆ＝１０ＭＨｚ以上）のサージＶｓｐが発
生する。次に、ＩＧＢＴの素子仕様を変えた時のＶｓｐ
の実測波形を図９〜図１１に示す。図９は、サンプル
で、ＩＧＢＴ素子のバルク耐圧が約６００Ｖ、コレクタ
−ゲート電極間のツェナーダイオードの動作抵抗（ツェ
ナー電流Ｉｚ＝１０ｍＡ時）が約７ｋΩ。図１０は、バ
ルク耐圧が約６００Ｖ、ツェナーの動作抵抗が約２.６
ｋΩ 。図１１は、バルク耐圧が約７５０Ｖ、ツェナー
の動作抵抗が約２.６ｋΩ である。また、放電電圧は、
全て２５ｋＶである。この、実測波形より、それぞれの
Ｖｓｐを比較すると、Ｖｓｐの発生原理は以下である。
先に説明したように火花放電により発生する二次電圧
は、点火コイルの一次と二次の間の浮遊容量による容量
結合により、ＩＧＢＴのコレクタ電極に高周波サージと
して印加される。図１２により、火花放電によりＩＧＢ
Ｔのコレクタ電極に発生する放電電流Ｉｚは、ｐ⁺→ｎ
⁺→ｎ^-→ｎ⁺→コンタクト３６→ツェナーダイオード
３８→ゲート−エミッタ間容量Ｃ_GEにチャージされる。
ツェナーダイオード３８には動作抵抗Ｒｚが存在する。

【００２８】コレクタ電極に発生した高周波サージはコ
レクタ電極側のｐ⁺→ｎ⁺と同電位となり、ｎ^-層容量
Ｃceによりｐ層（ｐベース領域）と容量結合されること
によって、ｐ⁺→ｎ⁺→ｐ→エミッタ電極に大電流が流
れる。この時、ゲート電極には電圧がバイアスされてい
ないため図１４，図１５に示すMOS FET21 を介して流れ
るチャンネル電流Ｉc は流れていない。ツェナーダイオ
ード３８を介して流れるツェナー電流Ｉz により、ゲー
ト−エミッタ間容量Ｃ_GEがチャージアップされＩＧＢＴ
のスレッシュホールド電圧Ｖthに達するとMOS FET21 は
ＯＮしチャンネル電流を流し、Ｖspの上昇を抑制する。
サンプル〜のＶspがそれぞれ異なるのは、上記の動
作原理に基づくと次のように言える。サンプルとは
同じバルク耐圧であるがツェナーダイオードの動作抵抗
Ｒz が異なるサンプルである。サンプルはＲzが大き
いため、Ｃ_GEでのチャージアップがＶthに達するにはＩ
zの上昇が必要であり、そのために、コレクタ電極に発
生するサージ電圧値が上昇するためＶspがサンプルよ
りも大きくなる。逆にサンプルはＲｚが小さいため、
低いコレクタ電圧でのＩz でＣ_GEのチャージアップがＶ
thに達するためＶspがサンプルより小さくなる。一
方、サンプルはサンプルと同じＲｚであるが、素子
のバルク耐圧が異なる。図１３に示すようにＩＧＢＴ素
子はｎ^-層を厚くするとバルク耐圧が上がる。ｎ^-が厚
くなると、ｎ^-層の容量Ｃceは小さくなり、火花放電電
圧によりＩＧＢＴのコレクタ電極に発生する高周波サー
ジが大きくなるためサンプルはサンプルよりＶspが
大きくなっている。

【００２９】参考までに、バルク耐圧は約５０μｍのｎ
^-層厚さで約６００Ｖ±１０％が通常の仕様であるが、
本発明品はｎ^-層厚さを約６０μｍとすることでバルク
耐圧を７００Ｖ以上としている。

【００３０】図１２に本発明を用いたインテリジェント
タイプのＩＧＢＴのＩＧＢＴ部とコレクタ−ゲート電極
間に配置したツェナーダイオード部の構造図を示す。IG
BTのゲート電極（Ｇ）３１は、ｐｎ接合されたツェナー
ダイオード３８のｎ側にコンタクトされ、ツェナーダイ
オード３８はｎとｐが交互に複数直列に配列され構成さ
れている。ツェナーダイオード３８のゲート電極に接続
されていない側はをコンタクト材料３６によりチップ内
のｎ⁺層と接合される。このｎ⁺層はコレクタ電極Ｃ部
からｐ層を介し、接続されるため、回路的にはｐ−ｎ間
でダイオード３７が形成されている。３２，３４，３５
は絶縁酸化膜であり、各電極，配線間を絶縁している。
３５はチップとツェナーダイオード間の絶縁酸化膜であ
る。

【００３１】３３はエミッタ電極である。通常、ｎ^-層
がコレクタ電位となるため酸化膜３５にサージ耐圧がか
かるが、ｄＶ／ｄｔの小さな、速度の遅いサージであれ
ばｐ層から空乏層３９が矢印の方向に徐々に広がって行
くため、酸化膜３５の厚み以上に耐圧が保てる。しか
し、前文で述べている様に、点火プラグの火花電圧によ
り発生する高周波サージはｄＶ／ｄｔが速く、空乏層の
広がりが追従しない。その為に、酸化膜３５はサージ電
圧により破壊しない厚みが必要であり、一般的な酸化膜
の絶縁破壊電界強度である８ＭＶ／cmより、前述のバル
ク耐圧ＭＩＮ５５０Ｖ相当の耐圧を持たせるには約０.
７μｍ(７０００オングストローム）以上の酸化膜厚み
が必要となる。本発明のツェナーダイオードの動作抵抗
の低減はツェナーダイオード３８の動作抵抗を低減する
ことであり、具体的にはツェナーダイオードの面積を大
きくすることや距離を短くするなどの達成方法がある。
また、素子のバルク耐圧はｎ^-層の厚みが支配的であ
り、ｎ^-層を厚くすることにより素子のバルク耐圧を上
げることができる。

【００３２】一般的にＩＧＢＴはラッチアップがし易い
ｐｎｐｎのサイリスタ構造となっている。よって本発明
で述べている様にサージ電圧が大きくなると、ＩＧＢＴ
素子は破壊し易くなる。特に、本発明で、特出している
電流制限回路などの制御回路をＩＧＢＴチップにインテ
リジェント化した点火装置で且つ、その制御回路を自己
分離型で作り込んだものは、ＩＧＢＴ部の他に制御回路
がラッチアップし破壊に至りやすい。単体のＩＧＢＴと
別回路をＨｙＩＣなどを用いて構成した点火装置は１回
のノイズでラッチアップしても次の駆動パルスでゼロリ
セットされ破壊に至らない可能性があるが、前に述べた
自己分離型の制御回路をインテリジェントしたタイプの
ＩＧＢＴは、その制御回路の機能にもよるがパワー部の
ＩＧＢＴのみならず、制御回路部も誤動作，破壊に至る
可能性がある。そこで、次にIGBTのラッチアップ現象を
図１４と図１５を用いて説明する。図１４はＩＧＢＴの
構造図、図１５は図１４に示した構造図の回路構成であ
る。ＩＧＢＴはｐｎｐｎのサイリスタ構成になってお
り、実際にはｐウエル層よりｎ^-領域内に成長する空乏
層がコレクタのｐ⁺に接触してしまうパンチ・スルー現
象の防止や、ｐ⁺よりｎ^-へのホール注入量の制限など
の目的のためにｎ⁺バッファ層を設けている。２５はゲ
ート電極、２６はエミッタ電極、２４は絶縁酸化膜であ
る。通常ゲート−エミッタ間に正の電圧が印加されると
表面のMOS FET21 がＯＮし、コレクタ側からｐ⁺→ｎ⁺
→ｎ^-とチャンネル電流ＩcがMOS FET21に向かって流れ
ＩＧＢＴはＯＮする。ＩＧＢＴではＯＮ動作時Ｉc 以外
にｐベース領域を介してエミッタに流れる電流成分Ｉｄ
が存在する。Ｉｄは一般的にＩｃの約３０％と言われて
いる。ｎ^-（ｎドリフト領域）とｐベース領域，ｎソー
ス領域にはｎｐｎトランジスタ２３が構成される。ま
た、ｐベース領域の抵抗成分Ｒｓはｎｐｎトランジスタ
２３のベースとエミッタ間に存在する。電流Ｉｄが増加
するとｐベース領域の抵抗Ｒｓのドロップ電圧により、
ｎｐｎトランジスタ２３がＯＮしｐｎｐトランジスタの
ベースを引き込みつづけるため、MOS FET21 のコントロ
ールに関係なくＩＧＢＴはコレクタからエミッタに電流
を流しつづける。この現象をラッチアップと言う。以上
は、ＩＧＢＴ部のラッチアップについて説明したが、前
述のように制御回路部を自己分離型で作ると、図１７の
７２のようにＩＧＢＴ部と同じようにｐｎｐｎのサイリ
スタ構造となっているためＩＧＢＴに流れる電流が制御
回路部に流れラッチアップし、制御回路部の誤動作，破
壊に至る可能性がある。

【００３３】図１６には本発明を用いた１チップタイプ
の点火装置のパッケージ形態の一例を示す。リードと一
体となったＣｕのフレーム６１に１チップタイプの点火
装置６２をＳｎ／Ｓｂ系はんだ６３を用いて接合してい
る。１チップタイプの点火装置６２は、入力端子６７と
ＧＮＤ端子６６にΦ３００μｍの線形を持ったＡＬワイ
ヤ６５を超音波ボンディングにより接合し、エポキシ系
樹脂６４によりトランスファーモールドされている。図
１７は１チップタイプの点火装置の構造例である。７１
はＩＧＢＴ本体部、７２は電流制限回路などの制御回路
部を構成する素子の自己分離接合方式によるＮ−ＭＯＳ
トランジスタの構造の一例を示す。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、ＩＧＢＴに電流制限回
路などの制御回路を自己分離方式によりインテリジェン
ト化した内燃機関用点火装置の二次電圧の放電時に発生
するイグニションサージによる素子の破壊（バルク破壊
など）に対する耐量を大幅に改善できることから、安価
で信頼性の高いＩＧＢＴを用いたインテリジェントタイ
プの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】本発明の内燃機関用点火装置を用いた点火シス
テム構成。

【図２】図１の内燃機関用点火装置の動作タイミング。

【図３】本発明の内燃機関用点火装置の構成詳細。

【図４】ＩＧＢＴ部の構成詳細。

【図５】ＩＧＢＴ部の構造詳細。

【図６】高周波サージの発生タイミング。

【図７】本発明の実験方法の構成。

【図８】実測波形（１）。

【図９】実測波形（２）。

【図１０】実測波形（３）。

【図１１】実測波形（４）。

【図１２】本発明のＩＧＢＴ部の構造詳細。

【図１３】ＩＧＢＴ素子のバルク耐圧とｎ^-層厚さの関
係。

【図１４】ＩＧＢＴ部の構造詳細。

【図１５】図１４の回路構成。

【図１６】本発明のパッケージング形態。

【図１７】本発明のチップ構造図。

【図１８】点火システム図。

【図１９】本発明の点火装置の点火コイル内蔵例。

【符号の説明】

１…ＥＣＵ、２…内燃機関用点火装置、２ａ…制御回路
部、２ｂ…電流制限回路、３…点火コイル、４ａ…メイ
ンＩＧＢＴ、４ｂ…センスＩＧＢＴ、５…点火プラグ、
６…電源ライン、７…入力保護用ツェナーダイオード、
８…逆電圧防止用ダイオード、９…点火制御信号ライ
ン、１０…ＩＧＢＴコレクタ−ゲート間ツェナーダイオ
ード、１１…入力電流制御用抵抗、１２…電流検出用抵
抗、１ａ…定電圧ライン、１ｂ…ＰＮＰトランジスタ、
１ｃ…抵抗。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤太加志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 (56)参考文献特開平10−247843（ＪＰ，Ａ) 特開平11−201013（ＪＰ，Ａ) 特開平７−77149（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02P 3/04 - 3/055 H01L 29/78

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一次コイルと二次コイルとを有する点火コ
イルの一次コイル側に流れる電流を通電または遮断制御
する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下ＩＧＢ
Ｔと称す）と、前記ＩＧＢＴチップ内に設けられたメイン電流を流すメ
インＩＧＢＴと前記メイン電流を検出する電流検出用の
センスＩＧＢＴと、前記ＩＧＢＴのコレクタ電極側とゲート電極間に直列に
設けられたツェナーダイオードと備えた内燃機関用点火
装置であって、前記ＩＧＢＴの素子耐圧（以下バルク耐圧と称す）をＶ
_BU、コレクタ電極側とゲート電極間のツェナーダイオードの
ツェナー電圧をＶz ，動作抵抗をＲz 、ゲート電極とエミッタ電極間の容量をＣ_GE，コレクタ電
流をドライブするためのゲート−エミッタ間電圧（スレ
ッシュホールド電圧）をＶth、前記コレクタ電極とゲート電極間のツェナーダイオード
を介して流れるツェナー電流がＶthに到達する時間をＴ
ＣＨonとすると、が満たされることを特徴とした内燃機関用点火装置。
【請求項２】請求項１において、前記点火コイルに一体
または内蔵されていることを特徴とした内燃機関用点火
装置。
【請求項３】請求項１において、前記ＩＧＢＴのバルク
耐圧を７００Ｖ以上とし、且つ、前記ツェナーダイオー
ドのツェナー電圧を前記バルク耐圧より１００Ｖ以上小
さくしたことを特徴とした内燃機関用点火装置。
【請求項４】請求項３において、前記ツェナーダイオー
ドはツェナー動作時におけるツェナー電流値が１０ｍＡ
〜２０ｍＡのとき、動作抵抗が５ｋΩ以下であることを
特徴とする内燃機関用点火装置。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかにおいて、前記ツ
ェナーダイオードはポリシリコンで形成されたツェナー
ダイオードが結ばれたものであって、前記ＩＧＢＴチッ
プの表面上に酸化膜を介して直列に配されたことを特徴
とする内燃機関用点火装置。
【請求項６】請求項５において、前記ツェナーダイオー
ドは１個のツェナー電圧が４〜１０Ｖのツェナーダイオ
ードと順方向ダイオードを直列接続に複数個接続してな
ることを特徴とする内燃機関用点火装置。
【請求項７】請求項１において、制御回路を前記ＩＧＢ
Ｔチップ内にＮ−ＭＯＳトランジスタを自己分離型の分
離接合方法で構成してなるインテリジェントタイプであ
ることを特徴とする内燃機関用点火装置。
【請求項８】請求項７において、外部端子と一体となっ
たＣｕまたはＦｅＮｉ系またはＣｕ合金系などの金属性
フレームに、Ｓｎ／Ｓｂ系のはんだ、またはＰｂ／Ｓｎ
系のはんだ、またはＳｎ／Ａｇ系のはんだで接合され、
入力信号及びＧＮＤはＡＬなどのワイヤで別の外部の端
子に接続され、かつ、その全体または１部を線膨張係数
が３０×１０^-6以下のエポキシ系樹脂によりトランスフ
ァーモールドされてなることを特徴とした内燃機関用点
火装置。