JP3762264B2 - 自動車用駆動回路及びそれを用いた内燃機関用点火装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用の電気機器に用いる駆動回路及び該駆動回路を利用した内燃機関用点火装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、内燃機関の点火装置では、エンジンコントロールユニット(内燃機関用電子制御装置、以下、「ECU」と称する)からの点火制御信号により、点火駆動回路のパワースイッチング素子をオン,オフさせて、点火コイルの一次電流を通電,遮断制御している。
【0003】
パワースイッチング素子としては、従来はバイポーラトランジスタが使用されていたが、最近では、消費電流の少ないIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)が使用されている。
【0004】
IGBTは、絶縁ゲートを有する電圧駆動タイプのスイッチング素子であることからECUからの点火制御信号に対し電流をほとんど必要としない。また、電流制限回路を有する場合においても、電流制限がかからない場合はほとんど電流を必要としないため、ECUと点火装置間の接続端子部にはμAオーダーの微少な電流しか流れない。
【0005】
接続端子は通常Snめっきを使用するが、端子間の接触電流が小さい場合、端子の酸化などが起こり接触不良が発生する場合がある。また、通常のECUは、その出力部においてECUと点火装置間の断線検出を行っているが、IGBTの場合には、ECUからの出力電流が微少電流であるために断線検知が困難となる。
【0006】
上記のような端子間の接触不良の問題や断線検知の困難性を解決するために、従来は、例えば、特開平9−228937号公報に開示されるように、IGBTを用いた点火装置において、入力端子とGND間に電流調整用のブリーダ抵抗(プルダウン抵抗)を設定し、故意的に端子接続部に1mA以上の電流を流す技術が提案されている。この端子接続部を通る電流は、ブリーダ抵抗を介してIGBTのゲートをバイパスしGNDに流され、電圧駆動型のIGBTの動作に支障がないようにしてある。ここでは、このブリーダ抵抗(プルダウンインピーダンス)を流れる電流と、端子接続部電流,プルダウン電流、或いは入力電流と称することもある。
【0007】
ブリーダ抵抗を設けた場合、上記入力電流(端子接続部電流,プルダウン電流)は電圧に対する抵抗の比例電流になっている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、IGBTを用いた点火装置であっても、事情によっては、上記入力電流(端子接続部電流,プルダウン電流)を10mA〜20mA以上要求されることもある。この場合には、駆動回路のブリーダ抵抗(プルダウンインピーダンス)を小さくせざるを得ない。
【0009】
しかし、点火装置として得られる入力電圧は、ECUの出力抵抗とブリーダ抵抗の分圧になり、大きな入力電流を得ようとしてブリーダ抵抗を小さくすると、ブリーダ抵抗の電圧ドロップが小さくなり、点火装置の入力電圧が低下してしまう。
【0010】
このような入力電圧の低下は、IGBT(MOSゲートパワースイッチング素子)が電圧駆動形の素子であるため、オン動作に必要な入力電圧を充分に確保できないことになる。
【0011】
本発明は以上の課題を解決して、IGBT使用のパワー素子を使用する自動車用駆動回路(内燃機関用点火装置の駆動回路など)において、入力電流(端子接続部電流,プルダウン電流)を大きくしたい場合にその要求に応えると共に、IGBTのオン動作に必要な入力電圧を充分に確保することができる手段を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、自動車の電子制御装置から出力される制御信号に応じて電気機器の電流を制御し、パワー素子としてIGBTを備える自動車用駆動回路において、
この駆動回路の入力段に流れる電流を意図的にIGBTのゲートをバイパスしてグラウンドに流すプルダウンインピーダンスを設け、プルダウンインピーダンスは制御信号の電圧によって変化する可変インピーダンス回路により構成することで達成される。
【0013】
具体的には、例えば内燃機関用点火装置の駆動回路において上記可変インピーダンス回路を備え、この可変インピーダンス回路(プルダウンインピーダンス)は、IGBT(パワースイッチング素子)が完全にオンするまでは、入力電流(プルダウン電流,端子接触部電流)が少なく且つIGBT動作に必要なゲート電圧を確保できるよう高インピーダンスとなり、IGBTが完全にオンする領域では、入力電流が多くなるよう低インピーダンスとなる。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に基づき説明する。
【0015】
図1は本発明の一実施例に係る回路図、図2は本実施例に用いる駆動回路の入力電流と入力電圧との関係を示す特性図である。本実施例では、内燃機関用の点火システムの構成例を示す。
【0016】
1はECU、2は点火装置である。
【0017】
ECU1は、自動車の運転状態に応じて点火時期などを演算する演算装置(CPU)8を有し、その出力段にNPNトランジスタ10とプルアップ抵抗9が設けてある。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10をオン,オフ制御し、点火装置2にハイレベル,ローレベルのパルスを出力する。
【0018】
点火装置2は、その駆動回路20と点火コイル3及び点火プラグ4により構成される。
【0019】
駆動回路20は、点火コイル3の一次電流を通電・遮断するパワースイッチング素子としてIGBT21を有する。
【0020】
IGBT21のゲートは、ゲート抵抗30および入力端子29を介してEPU1の出力端子と接続され、コレクタが点火コイル3の一次コイルと接続され、エミッタがGNDに接続される。
【0021】
駆動回路20は、一次コイルの電流(一次電流)が過多にならないようにするための保護回路を有する。この保護回路は、サブIGBT28,電流検出抵抗27,電流制限回路部26により構成される。
【0022】
サブIGBT28は、IGBT21と並列に接続されてIGBT21同様に点火制御信号によりオン,オフ制御され、オン動作時に点火コイルの一次電流の一部を電流検出抵抗27に通すようにしてある。電流検出抵抗27は、サブIGBT28のエミッタとGNDとの間に接続される。
【0023】
電流制限回路部26は、抵抗27の検出信号を入力し、一次電流が所定値以上にならないようにIGBT21を制御することで、IGBT21を保護する。
【0024】
駆動回路20の入力段には、意図的に入力電流をIGBT21のゲートをバイパスしてGNDに流すプルダウンインピーダンスを設ける。このプルダウンインピーダンスは、抵抗22,23(R1,R2)、抵抗25(R3),スイッチング素子(例えばMOSトランジスタ)24よりなる可変インピーダンス回路32により構成される。
【0025】
この可変インピーダンス回路32は、IGBT21のゲートに入力される制御信号の電圧によってプルダウンインピーダンスを変化させるものである。具体的には、例えば、分圧抵抗22(R1),23(R2)は駆動回路20の入力端子29とGND間に接続され、また、抵抗25(R3)とスイッチング素子24も直列にして入力端子29とGND間に接続されている。スイッチング素子24のゲートは、分圧抵抗22,23間に接続されている。スイッチング素子24のソースは、GND電位となるIGBT21のエミツタ側に接続され、ドレインは抵抗25を介して入力端子29に接続される。
【0026】
この分圧抵抗22(R1),23(R2)間の電圧が所定値以上になると、スイッチング素子24がオンして、抵抗25(R3)が抵抗22,23(R1,R2)と並列の接続状態になる。
【0027】
本実施例によれば、IGBT21は、ECU1の出力信号がローからハイレベル信号になることでオンし点火コイル3の一次電流を通電させる。IGBT21をオフからオンに変える場合の入力電圧(ゲート電圧)は、ECU1の出力電圧をプルアップ抵抗9と抵抗22,23で分圧して得られるものである。すなわち、ECU1がローからハイレベルに変わる時点(換言すればIGBT21が完全にオンするまでの時点)では、可変インピーダンス回路32のスイッチング素子24がオンする直前であるので、抵抗素子25は、まだ分圧抵抗22,23と並列接続の状態にはなっていない。この場合には、可変抵抗回路32は高インピーダンス状態(高プルダウンインピーダンス)であり、IGBT21のゲート電圧を充分に確保することができる。また、駆動回路20の入力電流(プルダウン電流,端子接続部電流)の流し込み量が少なくなる。
【0028】
上記高インピーダンス領域の入力電流,入力電圧は次式で表せる。
【0029】
[数1]
入力電流=入力電圧/(R22+R23)
ECU1の出力信号がハイレベルとなった後(IGBT21がオンした後)は、分圧抵抗22,23間の電圧値がスイッチング素子24をオンさせるに充分なゲート電圧となり、スイッチング素子24がオンする。これによって、抵抗素子25も通電し、抵抗25が抵抗22,23と並列接続状態になる。
【0030】
この場合には、ECU1の出力(ハイレベル)がプルアップ抵抗9と上記した並列抵抗との分圧値となるが、IGBT21のオン状態を維持するゲート電圧は確保される。また、上記分圧抵抗22,23と抵抗25との並列抵抗回路が形成されることで、可変インピーダンス回路23は低インピーダンス(低プルダウンインピーダンス)となる。
【0031】
上記低インピーダンス領域の入力電流,入力電圧は次式で表せる。
【0032】
[数2]
入力電流=入力電圧/〔(R1+R2+R3)/(R1+R2)R3〕
したがって、駆動回路20の入力電流の流し込み量が多くなる。
【0033】
図2に上記数1,2式による点火装置の入力電圧に対する入力電流の関係を示す。
【0034】
次に、ECU1の出力信号がハイからローレベルに変わることで、IGBT21はオフし、一次電流が遮断され、IGBT21のコレクタ部に電圧が発生し、点火コイル3の二次側に点火コイルの巻き数比倍に相当する高電圧が誘起される。この場合には、スイッチング素子24もオフする。
【0035】
本実施例によれば、駆動回路20のプルダウンインピーダンスに上記したような可変インピーダンス回路32を設けることで、駆動回路の高インピーダンス時の入力電流,入力電圧と低インピーダンス時の入力電流,入力電圧を任意に設定することができる。
【0036】
それにより、ECU1・点火装置2間の端子接触部の酸化を防止する端子接触部電流及び断線検知の自己診断(自己診断回路については図示省略してある)機能を確保できるほかに、さらに必要に応じて所望の入力電流を得ることができ、また、このような大きな入力電流を確保しても、IGBT(点火装置)の動作に必要なゲート電圧を充分に確保することができる。可変インピーダンス回路32は、例えば、高インピーダンス時の入力流し込み電流を4mA以下とし、低インピーダンス時の入力流し込み電流を8mA以上確保するように設定されている。
【0037】
上記実施例では、点火装置の駆動回路20は、IGBT21のモノリシックシリコン基板上に、電流制限回路部26及び可変インピーダンス回路32を集約した1チップ型で構成されている。
【0038】
サブIGBT28は、メインのIGBT21に対してある比をもって小さい面積に形成されている。
【0039】
この回路20を用いることによって、IGBT(パワースイッチング素子)を用いた点火装置のゲート電圧を確保しながら入力電流を大きくと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実現させることができる。
【0040】
図4は、本発明と比較する点火装置の比較例であり、比較例は本発明のようにプルダウンインピーダンスを可変インピーダンス回路で構成しておらず、固定のプルダウン抵抗(ブリーダ抵抗)を設けたものである。図中、図1と同一符号は、同一或いは共通する要素を示す。
【0041】
この場合には、IGBT21のゲートとGNDの間にプルダウン抵抗40を設けて、入力電流を意図的にGNDに流す回路であり、入力電流は入力電圧/入力抵抗で定義されるリニア特性となる。
【0042】
比較例の場合には、入力電流を例えば4mA以上確保しようとしてプルダウン抵抗を小さくすると、抵抗40の電圧ドロップが小さすぎて、IGBT21のゲート電圧が充分確保できず、逆にゲート電圧を確保しようとしてプルダウン抵抗40を大きくすると、所望の入力電流を充分に確保できない。
【0043】
図3は、本発明の他の実施例に係る点火装置の回路図である。
【0044】
本実施例と図1の実施例とは基本的には、同様の回路構成をなすものであるが、相違する点は、駆動回路20に、入力される点火制御信号に対する動作電圧レベルにしきい値及びヒステリシスを持たせる入力制御回路33を設けた点である。
【0045】
本実施例では、電流制限回路31と入力制御回路33をIGBT基板に集約している。入力制御回路33は、駆動回路20の入力信号(ゲート電圧)が第一の設定値以上になると、IGBT21のゲートに電圧を印加するスレツシュホールドレベルを制御し、ゲートに電圧を印加した後、入力電圧が第二の設定値以下になるとIGBTのゲートの電圧を遮断するヒステリシスを有している。
【0046】
なお、本発明の駆動回路20は、点火装置のほかに自動車用のその他のアクチュエータの駆動回路としても適用することができる。
【0047】
【発明の効果】
本発明によれば、IGBT(MOSゲートパワースイッチング素子)を用いた点火装置のゲート電圧を充分に確保しながら入力電流を大きくと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自動車用駆動回路および内燃機関用点火装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る回路構成図。
【図2】上記実施例における点火装置の入力電流と入力電圧との関係を示す特性図。
【図3】本発明の他の実施例に係る回路構成図。
【図4】本発明に対する比較例を示す説明図。
【符号の説明】
1…ECU、2…点火装置、3…点火コイル、20…駆動回路、21…IGBT、32…可変インピーダンス回路(プルダウンインピーダンス)。
Claims (5)
- 内燃機関用の電子制御装置から出力される点火制御信号に応じて点火コイルに流れる一次電流を通電,遮断する駆動回路を有し、この駆動回路は、一次電流を通電,遮断するためのパワースイッチング素子として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、「IGBT」と称する)を有する内燃機関用点火装置において、
前記駆動回路の入力段に流れる電流を意図的に前記IGBTのゲートをバイパスしてGNDに流すプルダウンインピーダンスを設け(以下、この電流を「プルダウン電流」と称する)、このプルダウンインピーダンスは、前記IGBTが完全にオンするまでは高インピーダンスとなり、前記IGBTが完全にオンする領域では低インピーダンスとなる可変インピーダンス回路により構成されていることを特徴とする内燃機関用点火装置。 - 前記可変インピーダンス回路は、前記駆動回路の入力端子とGND間に接続された分圧抵抗R1,R2と、この分圧抵抗R1,R2間の電圧が所定値以上になるとスイッチオンして分圧抵抗R1,R2と並列の接続状態になる抵抗R3とで構成されている請求項1記載の内燃機関用点火装置。
- 前記駆動回路は、前記可変インピーダンス回路及び点火コイルの一次電流を制限する回路を含み、かつ前記IGBTのモノリシックシリコン基板に集積して形成されている1チップ型の回路である請求項1又は2記載の内燃機関用点火装置。
- 前記可変インピーダンス回路は、高インピーダンス時に前記プルダウン電流が4mA以下となり、低インピーダンス時に前記プルダウン電流が8mA以上確保できるように設定されている請求項1ないし3のいずれか1項記載の内燃機関用点火装置。
- 前記駆動回路は、入力される点火制御信号に対する動作電圧レベルにしきい値及びヒステリシスを持たせる入力制御回路を有する請求項1ないし4のいずれか1項記載の内燃機関用点火装置。
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