JP3834761B2 - 交流点火装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一次巻線及び二次巻線を持つ点火コイル、一次巻線に対して直列に接続される半導体スイツチ、双極の交流を発生するため一次巻線と共に振動回路を形成する振動回路コンデンサ、及び半導体スイツチに対して並列に設けられるエネルギ回収ダイオードから成る少なくとも１つの点火最終段を有する交流点火装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような交流点火装置はドイツ連邦共和国特許出願公開第３９２８７２６号明細書から公知であり、従来の点火装置例えば常に高電圧が分布されるいわゆるトランジスタ点火装置に対して、小さく従つて安価な点火コイルを使用できるという利点を持つている。それによりμｓ範囲で点火時点へ速やかに達する。更に上記の刊行物によれば、全燃焼期間にわたつて点火装置が回転数に関係なく作用し、その間点火装置が双極の火花電流を発生することによつて、最適な点火が保証される。
【０００３】
前記刊行物から公知の交流点火装置が図１に示されている。ここで符号Ｚを付けられている点火最終段は、一次巻線及び二次巻線を持つ点火コイルＴｒ、一次巻線に対して直列に接続される半導体スイツチＴ、振動回路コンデンサＣ、及び一次巻線に対して直列に接続されるエネルギ回収ダイオードＤから成っている。更に半導体スイツチＴに対して直列に、一次巻線電流の実際値を検出する電流測定抵抗Ｒ_１が設けられている。制御回路１は制御電極を介して半導体スイツチＴの制御を引き受け、そのため抵抗Ｒ_１の電圧降下及び半導体スイツチＴに現れる電圧Ｕ_Ｔが接続点Ａを介して制御回路１へ供給される。制御回路１には、点火信号を含む制御信号が端子Ｕ_ｓｔを介して供給される。図１に示されてない回路網部分が１８０Ｖの供給電圧Ｕ_Ｂを発生し、この供給電圧が点火コイルＴｒの一次巻線へ印加される。この回路網部分は車載蓄電池から給電される。
【０００４】
点火最終段Ｚは電流モードで運転され、即ち一次巻線を通る電流が特定の値に達するまで、半導体スイツチＴがターンオンされる。この特定の値に達した時点に半導体スイツチＴがターンオフされるので、一次巻線に蓄えられているエネルギがコンデンサＣを充電することができる。これにより半導体スイツチＴにかかる電圧はほぼ正弦波状に推移する。その際振動の負の半波はダイオードＤにより小さい電圧振幅に制限される。ダイオードＤを電流が通るこの段階中に、半導体スイツチＴが再びターンオンされるようにする。この時点に半導体スイツチにかかる電圧はほぼ零の値を持っているので、ターンオン損失も非常に小さい。
【０００５】
一次巻線を通る電流の実際値は、通常は抵抗Ｒ_１の電圧降下を介して測定される。電流が目標値に達した後、半導体スイツチがターンオフされるので、抵抗Ｒ_１の電圧は非常に速く低下する。半導体スイツチが直ちに再びターンオンされるのを防止するため、種々の手段が公知である。
【０００６】
公知の手段の１つは、半導体スイツチＴに生ずる電圧Ｕ_Ｔの値を求めることである。このため図１によれは、半導体スイツチＴと点火コイルＴｒの一次巻線との接続点Ａが制御回路１へ導かれて、そこで値を求められる。しかしこの手段は、供給電圧Ｕ_Ｂより大きい電圧Ｕ_Ｔの値で始めて半導体スイツチの再ターンオンを防止できるという欠点を持っている。従って電圧Ｕ_Ｔが供給電圧Ｕ_Ｂの値に達するまでの期間振動を防止するため、例えば時限素子を介して付加的な阻止を行わねばならない。しかしこのように簡単に実現される時限素子の欠点は、一次電流のターンオフ閾値が影響を受けることである。複数の一次回路が存在すると、別の欠点として、点火装置全体について１回だけ一次電流の値が求められても、半導体スイツチＴに生ずる電圧Ｕ_Ｔの検出を、一次回路毎に少なくとも１回行わねばならない。
【０００７】
別の公知の手段は、所定の期間半導体スイツチＴの再ターンオンを阻止するため、単安定トリガ回賂（モノフロツプ）を使用することである。所定の時間遅れを持つこの手段は、選ばれる時間遅れが、選ばれる一次電流に関係すると共に、点火コイルの二次側で火花間隙の閃絡が起ったか否かにも関係するという、欠点を持っている。時間を決定するすべての時定数素子例えばコンデンサ及び抵抗の公差も、前記の選ばれる時間遅れに影響を及ぼす。従ってこの手段では、すべての場合に点火最終段へ確実な運転を保証することはできない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、半導体スイツチを制御する簡単な回路を持ちかつ点火装置の確実な運転を保証する、最初にあげた種類の交流点火装置を提示することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するため本発明によれば、エネルギ回収ダイオードを通る通電が半導体スイツチの制御信号として使用される。従つてエネルギ回収ダイオードを通つて始まる通電が半導体スイツチの再ターンオン用のトリガ信号として役立つ。この時点に小さい電圧しか半導体スイツチにかからず、それによりターンオンを電気的損失なしに行うことかできる。それから電流は、コンデンサ及び一次巻線により生ずる振動の零点通過の際半導体スイツチに引継がれる。
【００１０】
エネルギ回収ダイオードを通る通電がエネルギ回収ダイオードに対して直列に接続される抵抗により検出されるのがよい。
【００１１】
本発明による交流点火装置の実施態様では、振動回路コンデンサが半導体スイツチに対して並列に接続されている。
【００１２】
振動回路コンデンサが点火コイルに対して並列に接続されていると、特に有利な実施態様が得られる。それによりコンデンサにかかる電圧は約２０％減少するので、安価な素子を使用可能である。
【００１３】
一般に交流点火装置は複数の点火最終段を持ち、すべての点火最終段がそれぞれエネルギ回収ダイオードを持つている。本発明のこのような実施態様では、ダイオードがワイヤードＯＲ回路を形成するように接続されて、そのダイオード電流をただ１つの抵抗に導き、この抵抗の電圧降下を半導体スイツチの再ターンオン用トリガ信号として使用することができる。それにより点火装置全体について１回だけダイオード電流を求めればよく、個々のチヤネルについて求める必要がない。
【００１４】
更に本発明の好ましい構成では、半導体スイツチにかかる電圧を制限するためクランプ回路が設けられ、このクランブ回路が分圧器とその後に接続される比較器とから構成され、この分圧器が、半導体スイツチと一次巻線とを接続する接続点に接続され、比較器の出力端が半導体スイツチの制御電極へ導かれている。このようなクランプ回路により、半導体スイツチ、エネルギ回収ダイオード及び振動回路コンデンサにおける最大許容電圧の超過を碓実に防止することができる。なぜならば、このようなクランプ回路がないと、公差を補償するため、最大許容値からそれに応じた大きい安全間隔を維持せねばならず、その結果使用される素子に関して不利になるからである。クランプ回路により、半導体スイツチにかかる電圧は最大許容値より僅かだけ小さい値に制限される。それにより使用される素子をその負荷限界の近くまで利用することができる。
【００１５】
更にこのようなクランブ回路は、ツエナダイオードの使用に比較して、集積回路技術で回路を実現する際、わずかなチツプ面積しか使用しないという利点を生ずる。なぜならば、交流点火装置に生ずるｋＶ範囲の高い電圧では、非常に多くのツエナダイオードが必要になるので、大きいチツプ面積を使用することになるからである。
【００１６】
点火装置において、半導体スイツチとしてバイポーラトランジスタ、電力用ＭＯＳ電界効果トランジスタ又はＩＧＢＴトランジスタ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を使用することが公知である。本発明の有利な実施態様は、半導体スイツチとしてのＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）によつても得られる。このようなＭＣＴは、高い絶縁耐力、僅かな導通損失及び大きい電流負担能力のような有利な性質と、これまで使用された電力用半導体のターンオフ能力の性質とを合わせ持つている。
【００１７】
【実施例】
本発明の実施例を図について以下に説明する。
図２による交流点火装置の回路図は、図１による回路図に比較して、エネルギ回収ダイオードＤに対して直列に接続される抵抗Ｒ_２を示している。このダイオードを通る電流は、コンデンサＣと点火コイルＴｒの一次巻線とにより生ずる電圧振動の負の半波で流れ始める。その時この抵抗Ｒ_２に生ずる電圧降下は制御回路１へ供給されるので、この電圧信号は半導体スイツチの再ターンオン用のトリガ信号として使用することができる。この時点には半導体スイツチＴに小さい電圧しか加わらないので、電気的損失なしにターンオンを行うことができる。振動の零点通過の際、電流は半導体スイツチＴに引継がれる。抵抗Ｒ_２の値は低オーム値に定められるので、この抵抗にかかる電圧は電子スイツチ例えばバイポーラトランジスタを駆動するのに充分である。従って図１による回路に対して、半導体スイツチＴを一次巻線に接続する接続点と制御回路１との間の導線をなくすことができる。
【００１８】
図３による実施例と図２による実施例とは、振動回路コンデンサＣが点火コイルＴｒの一次巻線に対して並列に接続され、更に半導体スイツチＴとしてＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）が使用されるという点で、相違している。このようなＭＣＴは、高い絶縁耐力、僅かな導通損失及び大きい電流負担能力のような有利な性質と、例えばバイポーラトランジスタ、電力用ＭＯＳ電界効果トランジスタ又はＩＧＢＴトランジスタのようなこれまで使用された電力用半導体のターンオン能力の性質とを合わせ持つている。
【００１９】
振動回路コンデンサＣと一次巻線との並列接続により得られる利点は、このコンデンサに加わる電圧が約２０％減少するので、安価な素子を使用可能なことである。
【００２０】
図２及び３による回路では、抵折Ｒ_１の電圧降下が制御回路１へ供給されて、一次巻線電流の実際値を検出する。
【００２１】
図４は４つの点火最終段Ｚ_１〜Ｚ_４を持つ交流点火装置を示している。これらの点火最終段の各々は、点火コイルＴｒ_１〜Ｔｒ_４、一次巻線に対して並列に接続される振動回路コンデンサＣ_１〜Ｃ_４、一次巻線に対して直列に接続される半導体スイツチＴ_１〜Ｔ_４、及び半導体スイツチに対して並列に接続されるエネルギ回収ダイオードＤ_１〜Ｄ_４を持っている。これらのダイオードＤ_１〜Ｄ_４の陰極は、半導体スイツチを一次巻線に接続する接続点に接続され、それらの陽極はただ１つの抵抗Ｒ_２へ導かれ、この抵抗は基準電位に接続されている。ダイオードＤ_１〜Ｄ_４により実現されるワイヤードＯＲ回路により、ダイオード電流は交流点火装置全体について１回だけ求めればよく、各チヤネルについて個々に求める必要はない。
【００２２】
ワイヤードＯＲ回路は、ただ１つの抵抗Ｒ_１により半導体スイツチＴ_１〜Ｔ_４のソース電極についても実現され、この抵抗の電圧降下はすべての点火最終段Ｚ_１〜Ｚ_４の一次巻線電流の実際値を求めるのに役立つ。
【００２３】
振動回路コンデンサＣ_１〜Ｃ_４は、一次巻線に対して並列接続する代りに、符号Ｃ_１′〜Ｃ_４′で示すように、半導体スイツチＴ_１〜Ｔ_４に対しても並列に接続することができる。
【００２４】
図５は、半導体スイツチＴに対して並列に設けられる振動回路コンデンサＣ′を持つか又は図３のように一次巻線に対して並列に設けられる振動回路コンデンサＣを持つ交流点穴装置を示している。図２及び３による交流点火装置とは異なり、この図５による交流点火装置は半導体スイツチＴにかかる電圧を制限するクランプ回路２を含んでいる。このクランプ回路２は、ダイオードＤ及び振動回路コンデンサＣ又はＣ′の半導体スイツチＴにかかる電圧が最大許容値を超過するのを防止する。このようなクランプ回路がないと、公差を補償するため、それに応じた高い安全間隔を最大許容値に対して維持せねばならない。その際振動回路コンデンサＣ又はＣ′の容量公差、点火コイルＴｒのインダクタンスの公差、電流制御の公差、及び点火コイルの二次側における負荷条件の公差のような主要な公差を考慮せねばならない。これらの公差をすべて考慮すると、非常に大きい安全間隔従つてそれに応じた高い費用になる。従つてクランプ回路２により、例えば半導体スイツチＴに生ずる電圧Ｕ_Ｔが最大許容値より僅かだけ小さい値に制限される。それにより高価な素子従つて半導体スイツチＴ、振動回路コンデンサＣ又はＣ′及びエネルギ回収ダイオードＤをその負荷限界の近くまで利用することができる。
【００２５】
図５に示すクランプ回路２は、分圧器Ｒ_４，Ｒ_５とこの後に接続される比較器Ｋとから構成されている。分圧器Ｒ_４，Ｒ_５は、半導体スイツチＴを一次巻線に接続する接続点Ａに接続され、比較器Ｋの出力端は半導体スイツチＴの制御電極へ直接接続されると共に、抵抗Ｒ_６を介して制御回路１の出力端に接続されている。精確で温度に対して安定な基準電圧Ｕ_ｒｅｆは、比較器Ｋの非反転入力端へ供給されることにより、半導体スイツチＴに生ずる電圧Ｕ_Ｔを制限するための比較基準として役立つ。比較器Ｋの反転入力端には、分圧器Ｒ_４，Ｒ_５のタツプが接続されている。半導体スイツチＴに生じる電圧Ｕ_Ｔはこの分圧器Ｒ_４，Ｒ_５により分圧され、比較器Ｋにより基準電圧Ｕ_ｒｅｆと比較される。比較器Ｋの出力端は半導体スイツチＴを制御し、それにより制限電圧の高い精度及び長い時定数が得られる。
【００２６】
図５によるクランプ回路の回路技術的構成が図６に示され、ここで比較器ＫはｎｐｎトランジスタＴ_５とｐｎｐトランジスタＴ_６とにより構成されている。トランジスタＴ_５のベース電極は分圧器Ｒ_４，Ｒ_５に接続され、そのエミツタ電極は抵抗Ｒ_７を介して基準電圧Ｕ_ｒｅｆに接続され、そのコレクタ電極はトランジスタＴ_６のベース電極に接続されている。更にトランジスタＴ_６のベース電極は、一方では抵抗Ｒ_８にを介して基準電位に接続され、他方では抵抗Ｒ_９を介してトランジスタＴ_６のコレクタ電極に接続されている。更にトランジスタＴ_６のエミツタ電極は電池電圧Ｕ_Ｂａｔに接続されている。トランジスタＴ_６のコレクタ電極は比較器Ｋの出力端を形成している。トランジスタＴ_５のベース電圧が、そのベース−エミツタ電圧と基準電圧Ｕ_ｒｅｆとの和より大きい値に上昇すると、このトランジスタＴ_５が導通する。それによりトランジスタＴ_５のコレクタ電流がトランジスタＴ_６をトリガし、このトランジスタＴ_６が電流を増幅し、それにより半導体スイツチＴをトリガする。抵抗Ｒ_７〜Ｒ_９を持つ抵抗回路は、オーバシユート及びアンダシユートなしに急速な応答が行われるように構成されている。
【００２７】
図６によるこのクランプ回路２が集積回路として構成されると、ツエナダイオードの通常の使用に比較して、僅かなチツプ面積しか使用しないという利点を与える。なぜならば、ツエナダイオードを使用すると、交流点火の際生ずるｋＶ範囲の高い電圧のため、非常に多くのツエナダイオードが必要になるからである。集積回路技術によりこのツエナダイオードを実現すると、大きいチツプ面積を必要とする。
【００２８】
図４及び５による交流点火装置においても、半導体スイツチＴのためにＭＯＳ制御サイリスタを使用することができる。更に４による点火装置において、すべての点火最終段Ｚ_１〜Ｚ_４のために、図５又は６によるクランプ回路２をそれぞれ設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の交流点火装置の回路図である。
【図２】本発明による交流点火装置の第１実施例の接続図である。
【図３】半導体スイツチとしてＭＯＳ制御サイリスタを持つ交流点火装置の第２実施例の接続図である。
【図４】４つの点火最終段を持つ交流点火装置の第３実施例の接続図である。
【図５】クランプ回路を持つ交流点火装置の第４実施例の接続図である。
【図６】図５によるクランプ回路の詳細な接続図である。
【符号の説明】
Ｃ，Ｃ_１〜Ｃ_４ 振動回路コンデンサ
Ｄ，Ｄ_１〜Ｄ_４ エネルギ回路ダイオード
Ｔ，Ｔ_１〜Ｔ_４ 半導体スイツチ
Ｔｒ，Ｔｒ_１〜Ｔｒ_４ 点火コイル
Ｚ，Ｚ_１〜Ｚ_４ 点火最終段

Claims (7)

1. 一次巻線及び二次巻線を持つ点火コイル（Ｔｒ，Ｔｒ_１〜Ｔｒ_４）、一次巻線に対して直列に接続される半導体スイッチ（Ｔ，Ｔ_１〜Ｔ_４）、双極の交流を発生するため一次巻線と共に振動回路を形成する振動回路コンデンサ（Ｃ，Ｃ_１〜Ｃ_４）、及び半導体スイツチ（Ｔ，Ｔ_１〜Ｔ_４）に対して並列に設けられるエネルギ回収ダイオード（Ｄ，Ｄ_１〜Ｄ_４）から成る少なくとも１つの点火最終段（Ｚ，Ｚ_１〜Ｚ_４）を有するものにおいて、エネルギ回収ダイオード（Ｄ，Ｄ_１〜Ｄ_４）を通る通電が半導体スイツチ（Ｔ，Ｔ_１〜Ｔ_４）の制御信号として使用されることを特徴とする、交流点火装置。
2. 通電がエネルギ回収ダイオード（Ｄ，Ｄ_１〜Ｄ_４）に対して直列に接続される抵抗（Ｒ_２）により検出されることを特徴とする、請求項１に記載の交流点火装置。
3. 振励回路コンデンサ（Ｄ，Ｃ_１〜Ｃ_４）が半導体スイツチ（Ｔ，Ｔ_１〜Ｔ_４）に対して並列に接続されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の交流点穴装置。
4. 振動回路コンデンサ（Ｃ，Ｃ_１〜Ｃ_４）が点火コイル（Ｔ，Ｔ_１〜Ｔ_４）に対して並列に接続されていることを持徴とする、請求項_１又は２に記載の交流点火装置。
5. 少なくとも２つの点火最終段（Ｚ_１〜Ｚ_４）を有し、エネルギ回収ダイオード（Ｄ_１〜Ｄ_４）が共通な接続点に接続され、これらのエネルギ回収ダイオードを通る電流の値が、エネルギ回収ダイオードの接続点に接続されるただ１つの抵抗（Ｒ_２）により求められることを特徴とする、請求項１ないし４の１つに記載の交流点火装置。
6. 半導体スイツチ（Ｔ，Ｔ_１〜Ｔ_４）にかかる電圧（Ｕ_Ｔ）を制限するためクランプ回路（２）が設けられ、このクランプ回路（２）が分圧器（Ｒ_４，Ｒ_５）とその後に接続される比較器（Ｋ）とから構成され、この分圧器（Ｒ_４，Ｒ_５）が、半導体スイッチ（Ｔ，Ｔ_１〜Ｔ_４）と一次巻線とを接続する接続点に接続され、比較器（Ｋ）の出力端が半導体スイツチ（Ｔ，Ｔ_１〜Ｔ_４）の制御電極へ導かれていることを特徴とする、請求項１ないし５の１つに記載の交流点火装置。
7. 半導体スイツチ（Ｔ，Ｔ_１〜Ｔ_４）としてＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）が使用されることを特徴とする、請求項１ないし６の１つに記載の交流点火装置。

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