JP3917865B2 - 内燃機関用点火装置 - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関用点火装置に係り、特に、集積化された制御回路に用いるに好適な内燃機関用点火装置に関する。
背景技術
最近、内燃機関用点火装置として、パワーIGBT(絶縁ゲート型パイポーラトランジスタ)と電流制限回路と入力段保護回路とをモノリシック基板上に作り込んだ1チップイグナイタが開発されている。従来の1チップイグナイタとしては、例えば、特開平9−280147号公報に記載されているように、コレクタからゲートに高圧定電流素子によって微少定電流を流し、コレクタ電圧がゲート電圧より高い場合にゲートに電圧が加わる構成とし、電流制限開始直後のコレクタ電圧の上昇によりゲート電圧を高めて電流制限開始直後のコレクタ電圧の振動を抑制するものであり、さらに、この微小定電流の影響によって電流遮断時にゲート電位を上昇させることのないようにゲート電圧がない場合にはゲート電圧を高める動作を解除することにより、電流制限時のコレクタ電圧振動を抑制するものが知られている。
発明の開示
しかしながら、特開平9−280147号公報に記載されている内燃機関用点火装置では、実際の基板の中には廻り込み電流が発生し、定電流回路で設定した値以上の大電流がこのルートに流れ、これによってゲート電位が上昇するという問題があった。特に、自己分離型素子で構成する場合、定電流回路には縦形のデプリーションIGBTが用いられ、IGBT基板に自己分離で構成した縦形デプレションIGBTの定電流回路にはPNP寄生トランジスタが存在し、ここに廻り込み電流が流れ、微小定電流でゲート電圧を制御する目的の回路に過大な電流が流れ、ゲート電圧を必要以上に引き上げることになる。この影響より、イグナイタの駆動方式によっては、点火コイルの電流遮断動作が不安定になるという問題があった。
本発明の目的は、安定した点火コイルの電流遮断動作が得られる内燃機関用点火装置を提供することにある。
(1)上記目的を達成するために、本発明は、入力す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・遮断制御して点火コイルの二次側に高電圧を発生させるパワースイッチング部と、上記一次電流を制限する電流制限回路と、上記パワースイッチング部のコレクタとゲートを接続する接続回路とを有し、上記パワースイッチング部及び上記電流制限回路を絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタのモノリシックシリコン基板に集積した内燃機関用点火装置において、上記モノリシックシリコン基板内部に発生する廻り込み電流を、上記パワースイッチング部のエミッタに流す経路を備えるようにしたものである。
かかる構成により、不要な廻り込みをエミッタに流して、ゲートに与える影響を低減し、点火コイルの電流遮断動作を安定化し得るものとなる。
(2)上記(1)において、好ましくは、上記接続回路は、インピーダンス素子を備えており、上記経路は、上記インピーダンス素子の電圧ドロップによって動作するツェナーダイオードを備えるようにしたものである。
(3)上記(1)において、好ましくは、上記接続回路は、上記モノリシックシリコン基板上に形成された定電流回路を構成するデプレション絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタと、このデプレション絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタに接続された抵抗とで構成され、上記経路は、上記デプレション絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタと上記抵抗間に接続されるとともに、上記抵抗に発生する電圧がツェナー電圧以上となった場合、この電流を上記パワースイッチング部のエミッタに流すツェナーダイオードとから構成するようにしたものである。
発明を実施するための最良の形態
以下、図1〜図6を用いて、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図1を用いて、本実施形態による内燃機関用点火装置を用いる内燃機関用点火システムのシステム構成について説明する。
図1は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置を用いる内燃機関用点火システムのシステム構成図である。
本実施形態による内燃機関用点火システムは、点火装置100と、ECU(エンジンコントロールユニット)10と、点火コイル20と、点火プラグ30とから構成されている。
ECU10は、CPU12と、PNPトランジスタ14と、コンデンサ16と、抵抗18とから構成されている。PNPトランジスタ14と、コンデンサ16と、抵抗18とは、ECU10の出力段を構成している。CPU12は、算出した適正な点火タイミングで、トランジスタ14をON,OFFし、点火装置100の入力端子100inにHIGH,LOWのパルスからなる点火制御信号を出力する。
点火装置100の詳細構成については、後述するが、点火装置100のメインIGBT110は、ECU10の出力信号がLOW→HIGHで通電を開始し、HIGH→LOWで遮断することにより、メインIGBT110のコレクタ端子110cに電圧が発生する。
点火コイル20は、1次側コイル22と、2次側コイル24とを有している。メインIGBT110のコレクタ端子110cに発生した電圧は、点火コイル20の1次側コイル22に供給され、2次側コイル24には、点火コイル20の1次側コイル22と2次側コイル24との巻き数比倍に相当する高電圧が誘起される。点火コイル20の2次側コイルに発生する電圧(以下、「2次電圧」と称する)は、点火プラグ30に供給される。また、2次電圧は、エンジンの運転条件によって変化するため、コレクタ端子100c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、コレクタ端子110cの側には約150Vの電圧が発生する。
次に、点火装置100の構成について説明する。
本実施形態による点火装置100は、パワーIGBTと、電流制限回路及び入力段保護回路等の制御回路をモノリシック基板上に集約した1チップIGBT点火装置である。
点火装置100は、メインIGBT110と、センスIGBT120と、入力段保護回路130と、電流制限回路140と、フィードバック回路150と、ツェナーダイオードZD1,ZD2と、抵抗R1,R2,R3とを備えている。
点火装置100の入力段に設けられた抵抗R1は、プルダウン抵抗であり、入力電圧に対応した電流を流すことで入力端子100inの接触電流を確保している。プルダウン抵抗R1の次段には、入力段保護回路130が接続されている。入力段保護回路130は、ツェナーダイオードZD3,ZD4と、抵抗R4,R5をネットワーク構成としたものであり、自動車用電子部品として想定される外部サージ等に対して十分余裕をもった耐量を確保している。
入力段保護回路130の出力は、抵抗R2,R3を介して、メインIGBT110のゲートに入力する。メインIGBT110は、1次電流を通電,遮断する主回路を構成するものである。メインIGBT110のコレクタは、点火装置100のコレクタ端子100cに接続され、さらに、点火コイル20の一次コイル22に接続されている。メインIGBT110のエミッタは、点火装置100のエミッタ端子100eに接続され、さらに、グランドに接続されている。メインIGBT110のコレクターゲート間には、1次電圧クランプを目的としたツェナーダイオードZD1が接続されている。
センスIGBT120は、メインIGBT110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ものである。センスIGBT120のゲートは、メインIGBT110のゲートに接続され、そのコレクタは、メインIGBT110のコレクタに接続されている。センスIGBT120のエミッタは、電流検出抵抗Rsを介して、メインIGBT110のエミッタに接続されている。
電流制限回路140は、電流検出抵抗Rsと、基準電圧回路142と、電圧比較器144と、NMOSトランジスタ146とから構成されている。基準電圧回路142は、基準電圧Vrefを発生する。電圧比較器144は、基準電圧回路142が発生する基準電圧Vrefと、電流検出抵抗Rsに発生する電圧とを比較する。電流検出抵抗Rsの電圧が基準電圧Vref以上となると、電圧比較器144は、NMOSトランジスタ146をONして、メインIGBT110のゲートに印加される電圧を降下させ、メインIGBT110を不飽和状態にすることで、コレクタ電流に電流制限をかける。
フィードバック回路150は、メインIGBT110のコレクタとゲート間に接続されている。フィードバック回路150は、メインIGBT110のコレクタから、メインIGBT110のゲートにフィードバック電流を流す回路である。IGBT110は、その素子の特徴から負帰還機能が極めて弱いため、電流制限開始時にコレクタ電圧が大きく振動する。フィードバック回路150は、この振動を抑制するために、コレクタ電圧がゲート電圧より高くなった場合に、コレクタからゲートに微小電流を流してゲートの電位を持ち上げるように動作する。
さらに、本実施形態においては、フィードバック回路150には、不要電流(IGBT内部に発生する廻り込み電流)をメインIGBT110のエミッタに流すリークパスを構成するツェナーダイオードZD2が備えられている。なお、フィードバック回路150の詳細構成については、図3を用いて後述する。
ここで、図2を用いて、本実施形態による点火装置100の実装構造について説明する。
図2は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の実装構造を示す平面図である。
IGBTモノリシック基板100’は、図1に示したメインIGBT110,電流制限回路140や入力段保護回路130などからなる点火装置100を1チップに集約して形成されているモノリシック基板である。コレクタ端子200cを兼ねるプレート200上には、IGBTモノリシック基板100’がハンダ材等を用いて接続固定されている。図1に示した点火装置100のコレクタ端子100cは、プレート200に接続されている。入力端子200inは、ボンディングワイヤBWを用いて、点火装置100の入力端子100inにボンディング接続されている。エミッタ端子200eは、ボンディングワイヤBWを用いて、点火装置100のエミッタ100eにボンディング接続されている。IGBTモノリシック基板100’,プレート200,エミッタ端子200e,入力端子200inは、トランスファーモールド樹脂210を用いて、1チップパッケージに成形されている。
次に、図3及び図4を用いて、本実施形態による点火装置100におけるIGBT内部に発生する廻り込み電流の影響及びその低減効果について説明する。
図3は、本発明の一実施形態による点火装置100におけるIGBT内部に発生する廻り込み電流の影響及びその低減効果について説明する回路図であり、図4は、本発明の一実施形態による点火装置100におけるIGBT内部に発生する廻り込み電流の影響及びその低減効果の説明図である。なお、図1と同一符号は、同一部分を示している。
図3に示すように、フィードバック回路150は、定電流回路を構成するデプレッションIGBT152と、抵抗R4とか構成されている。デプレッションIGBT152のコレクタは、メインIGBT110のコレクタに接続されている。デプレッションIGBT152のベースとエミッタは互いに接続され、さらに、抵抗R4の一端に接続されている。抵抗R4の他端は、メインIGBT110のベースに接続されている。メインIGBT110のコレクタ電位が上昇した状態では、デプレッションIGBT152は、定電流をゲート供給してIGBT54を制御することにより、電流制限開始時にコレクタ電圧が大きく振動しても、コレクタからゲートに微小電流を流してゲートの電位を持ち上げて、この振動を抑制する。
ここで、IGBTモノリシック基板100’に自己分離型で構成した縦形デプレションIGBT152には、図3及び図4に示すように、寄生PNPトランジスタTrと、IGBTチップ側面に作り込まれる寄生抵抗Rpが存在する。寄生PNPトランジスタTrは、メインIGBT110の電流遮断時に、IGBTモノリシック基板内のN+バッファー層の電位勾配で発生する電子電流によりベースが駆動され、このコレクタに増幅された廻り込み電流を流すことになる。また、チップの側面に存在する寄生抵抗Rpの大小が、寄生PNPトランジスタTrの見かけ上のHfeをばらつかせるため、廻り込み電流を規定できず、過大電流が流れる要因となる。
そこで、本実施形態では、図3に示すように、デプレションIGBT152とシリーズ抵抗R4の間に、ツェナーダイオードZD2を接続している。ツェナーダイオードZD2のアノードは、メインIGBT110のエミッタに接続されている。IGBTモノリシック基板内のN+バッファー層に発生する電子電流により寄生PNPトランジスタTrのベースが駆動され、コレクタに増幅された電流が流れる。しかし、シリーズ抵抗R4で発生する電圧ドロップが、ツェナーダイオードZD2のツェナー電圧以上になると、電流は不要な電流Irとして全てIGBT110のエミッタに流されるため、この不要電流によるIGBT110のゲートへの影響が低減される。
ここで、参考までに、図5及び図6を用いて、ツェナーダイオードZD2を設けない場合の廻り込み電流について説明する。
図5は、IGBT内部に発生する廻り込み電流について説明する回路図であり、図6は、IGBT内部に発生する廻り込み電流の説明図である。なお、図3,図4と同一符号は、同一部分を示している。
寄生PNPトランジスタTrのベースは、メインIGBT110の電流遮断時にIGBT基板内のN+バッファー層の電位勾配で発生する電子電流により駆動され、寄生PNPトランジスタTrのコレクタに増幅された廻り込み電流Ir’が、メインIGBT110のゲートに流れ、ゲートの電位を不必要に上昇させることになる。特に、電流遮断時のコレクタ電圧上昇によって過大な廻り込み電流Ir’が発生する可能性があり、これによってゲート電位が持ち上げられ、遮断動作が不安定になる。
以上説明したように、本実施形態によれば、メインIGBT110のコレクタからの廻り込み電流の影響による不要電流を、ツェナーダイオードZD2のようにエミッタに流す径路を設けることにより、安定した点火コイルの電流遮断動作が得られる。したがって、電流制限回路や入力段保護回路のような制御回路を自己分離層の中に作ったトランジスタで構成することが可能となる。これによって、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1チップイグナイタを達成することができる。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、内燃機関用点火装置における点火コイルの電流遮断動作を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置を用いる内燃機関用点火システムのシステム構成図である。
図2は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の実装構造を示す平面図である。
図3は、本発明の一実施形態による点火装置100におけるIGBT内部に発生する廻り込み電流の影響及びその低減効果について説明する回路図である。
図4は、本発明の一実施形態による点火装置100におけるIGBT内部に発生する廻り込み電流の影響及びその低減効果の説明図である。
図5は、IGBT内部に発生する廻り込み電流について説明する回路図である。
図6は、IGBT内部に発生する廻り込み電流の説明図である。
Claims (3)
- 入力す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・遮断制御して点火コイルの二次側に高電圧を発生させるパワースイッチング部(110)と、上記一次電流を制限する電流制限回路(140)と、上記パワーズイッチング部のコレクタとゲートを接続するとともに、コレクタからゲートにフィードバック電流を流す接続回路(150)とを有し、上記パワースイッチング部及び上記電流制限回路を絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタのモノリシックシリコン基板に集積した内燃機関用点火装置において、
上記接続回路に生ずる廻り込み電流を、上記パワースイッチング部のエミッタに流す経路(ZD2)を備えたことを特徴とした内燃機関用点火装置。 - 請求項1記載の内燃機関用点火装置において、
上記接続回路は、インピーダンス素子を備えており、
上記経路は、上記インピーダンス素子の電圧ドロップによって動作するツェナーダイオード(ZD2)を備えたことを特徴とする丙燃機関用点火装置。 - 請求項1記載の内燃機関用点火装置において、
上記接続回路は、上記モノリシックシリコン基板上に形成された定電流回路を構成するデプレション絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタ(152)と、このデプレション絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタに接続された抵抗(R4)とで構成され、
上記経路は、上記デプレション絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタと上記抵抗間に接続されるとともに、上記抵抗に発生する電圧がツェナー電圧以上となった場合、この電流を上記パワースイツチング部のエミッタに流すツェナーダイオードとから構成されることを特徴とする内燃機関用点火装置。
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