JP5289075B2 - ディーゼルエンジン始動補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気負荷（以下、負荷と称する。）に電流を供給し、負荷を加熱することによりディーゼルエンジンを始動させるディーゼルエンジン始動補助装置に関する。

従来、ディーゼルエンジン始動補助装置には、グローシステムとインテークヒーター方式がある。一般的にグローシステムは副燃焼室式ディーゼルエンジンに使用され、インテークヒーター方式は排気量の大きい直接噴射式ディーゼルエンジンに搭載されている。グローシステム方式の特徴は、優れた速熱性にあり、乗用車などに多く採用されている。

従来のグローシステムには、リレー方式がある。このリレー方式は、例えば、図４に示すように、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット)１０７が図示しないエンジンシステムの水温を検出し、水温に応じてバッテリ１０１からヒューズ１０２、スイッチ１０３、リレー１０４を介してグロープラグ１０５に電流を流して、ディーゼルエンジンのシリンダー１０６内を加熱し、特に冬季のエンジンの始動性を向上させるものである。

しかし、リレー方式のままでは、リレー接点の耐久性や作動音、応答性の問題があり、オンオフスイッチングによる制御は行えず、ディーゼルエンジンのシリンダー内の温度を適切に調整しにくい。また、リレー方式は機械的接点のため、リレーの寿命による故障が発生するなどの課題を有していた。

一方、電装品として半導体スイッチング素子を使用し、燃料噴射装置であるインジェクションを駆動する負荷駆動回路が知られている（特許文献１）。この負荷駆動回路をグローシステムに採用することにより前記課題を解決することができる。

この負荷駆動回路には、負荷に通電する電流の過電流を検出する機能を備えたものがある。例えば、負荷への通電経路を通電・遮断するｎチャネル型パワーＭＯＳＦＥＴ等からなる第１スイッチング素子と、第１スイッチング素子よりも小さい電流を通電するｎチャネル型パワーＭＯＳＦＥＴ等からなる第２スイッチング素子とにより構成されるカレントミラー回路を用いて過電流を検出するものがある。

なお、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子は、同一の駆動指令信号により制御され、第２スイッチング素子は、第１スイッチング素子に比例した電流（例えば、第１スイッチング素子：第２スイッチング素子＝１００００：１）を通電するように構成されている。

このように構成された過電流検出機能を有する負荷駆動回路では、例えば、負荷においてグランドショート（接地短絡）などの異常が発生して、第１スイッチング素子に過電流が流れた場合、第２スイッチング素子にはその過電流に比例した電流が流れる。このため、第２スイッチング素子に流れる電流が、第１スイッチング素子の過電流に対応する電流値を越えると、第１スイッチング素子に流れる過電流を検出し、第１スイッチング素子を停止させて第１スイッチング素子を保護する過電流保護手段が設けられている。

また、従来のディーゼルエンジン始動補助装置は、複数の負荷と、複数の負荷に対応して設けられた複数の第１スイッチング素子及び複数の第２スイッチング素子と、複数の第１スイッチング素子を保護する複数の保護手段とを有し、複数の負荷の少なくとも１つの負荷に通電が行われたとき、通電された少なくとも１つの負荷の発熱によりディーゼルエンジンを始動できるように構成されている。

第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とをパワー素子とし、複数の第１スイッチング素子と複数の第２スイッチング素子とからなる複数のパワー素子が１パッケージのＩＣ（集積回路）に内蔵される場合、複数のパワー素子内蔵ＩＣが電力消費に伴い発熱する。半導体からなるＩＣは、高温環境下（例えば）では正常動作が困難であることから、電力消費に伴う発熱によりＩＣが誤操作しないように、発熱量を考慮して許容電力消費量が決定されている。この許容電力消費量は、ＩＣの熱抵抗に基づいて決定され、熱抵抗とは電力消費量に対する温度上昇の割合のことである。

ここで、熱抵抗が小さいＩＣにおいては、許容電力消費量を大きくするために、内蔵された複数対のパワー素子が搭載されるフレームを単一にすることで、放熱面積を拡げて熱抵抗を少しでも小さくしていた。

特許３５９６４１５号公報

しかしながら、反面、ＩＣチップ内での温度勾配が均一化してしまう。つまり、ＩＣに内蔵された複数のパワー素子は、各パワー素子間の電力消費に対する温度上昇の割合が異なっても、フレームの発熱が均一化することにより、他のパワー素子との温度差がなくなり、隣接するパワー素子から熱干渉を受けることになる。

例えば、１つの負荷に短絡などの異常が発生した場合、異常が発生した負荷に対応するパワー素子が異常に発熱するため、異常に発熱したパワー素子に隣接するパワー素子は、正常に動作していても異常に発熱したパワー素子と同じ温度にさらされる。この場合、負荷の異常を検出し、異常が検出された負荷に対応する異常なパワー素子を停止させても、異常なパワー素子に隣接するパワー素子が正常にも関わらず、誤った過熱検出がなされてオフし、システム性能がさらに悪化する。

本発明は、パワー素子に流れる電流を検出する際に、パワー素子内蔵ＩＣにおけるパワー素子間の温度干渉の影響を抑制し、発熱により停止されたパワー素子以外のパワー素子で動作を継続できるディーゼルエンジン始動補助装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、請求項１は、直流電源から電気負荷への第１通電経路に設けられ、制御端子に入力される駆動指令信号に基づき第１通電経路をオン・オフする第１スイッチング手段、外部の制御部から入力され且つ電気負荷への通電制御を行うための制御指令信号に応じて第１スイッチング手段を駆動するための駆動指令信号を出力する駆動手段、直流電源からの電流を所定の負荷に供給する第２通電経路に設けられ、制御端子が第１スイッチング手段に接続され、第１スイッチング手段に比例した電流を流す第２スイッチング手段、第２通電経路に流れる電流を検出する電流検出手段、第２通電経路に流れる電流に比例して減少させた電流を出力する電流出力手段、電流検出手段で検出した電流検出信号が所定値を越えた時、過電流として判定し通電停止信号を駆動手段に送出して第１通電経路における通電を停止させて第１スイッチング手段を保護する過電流保護手段を有する始動補助部を複数個備え、制御指令信号を複数の始動補助部に供給し、複数の電流出力手段で検出した複数の電流出力信号を制御部に出力して制御部に制御指令信号を生成させる入出力手段を有し、複数の電気負荷の少なくとも１つの電気負荷に通電が行われたときディーゼルエンジンを始動できるディーゼルエンジン始動補助装置であって、前記複数の始動補助部と前記入出力手段とをリードフレームを有する１つのパッケージに集積化し、前記第１スイッチング手段及び前記第２スイッチング手段を１対のスイッチング手段とし、複数の１対のスイッチング手段を前記リードフレームに併設し、前記リードフレームは、隣接する２対のスイッチング手段の間に切欠部を有し、前記１対のスイッチング手段は、該１対のスイッチング手段の発熱を検出する熱検出手段を有し、前記始動補助部は、前記熱検出手段で検出した熱検出信号がしきい値を越えた時、過熱として判定し通電停止信号を前記駆動手段に送出して前記第１通電経路における通電を停止させて前記１対のスイッチング手段を保護する過熱保護手段を有する。

請求項２では、切欠部が、パッケージ内の駆動手段、電流検出手段、電流出力手段、過電流保護手段を配置した側に形成されている。

請求項３では、第１スイッチング手段及び第２スイッチング手段が、ＭＯＳＦＥＴからなる。

請求項４では、電気負荷がグロープラグである。

本発明によれば、リードフレームは、隣接する２対のスイッチング手段の間に切欠部を形成したので、２対のスイッチング手段であるパワー素子間の温度干渉の影響を抑制し、パワー素子の発熱異常時に該当するパワー素子のみ停止して、正常なパワー素子のみで動作を継続させることができる。

また、駆動手段、電流検出手段、電流出力手段、過電流保護手段は、切欠部を介して放熱するので、温度干渉の影響を抑制できる。

また、過熱保護手段により、過熱と判定された場合には通電を停止させて１対のスイッチング手段を保護することができる。

実施例１のディーゼルエンジン始動補助装置の構成図である。 図１に示すディーゼルエンジン始動補助装置に設けられた各始動補助部の回路構成図である。 図１に示すディーゼルエンジン始動補助装置を１パッケージに集積化して実装した図である。 従来のリレー方式のグローシステムを用いたディーゼルエンジン始動補助装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態のディーゼルエンジン始動補助装置を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は実施例１のディーゼルエンジン始動補助装置の構成図である。ディーゼルエンジン始動補助装置は、直流電源２、４つの第１及び第２スイッチング素子１１ａ〜１１ｄ、グロープラグからなる４つの負荷３ａ〜３ｄ、４つの始動補助本体部１０ａ〜１０ｄ、入出力部（Ｉ／Ｏ）７を有し、４つの負荷３ａ〜３ｄの少なくとも１つの負荷に通電が行われたときディーゼルエンジンを始動する。

４つの第１及び第２スイッチング素子１１ａ〜１１ｄは、４つの負荷３ａ〜３ｄへの通電経路を通電・遮断するｎチャネル型パワーＭＯＳＦＥＴ等からなり、ドレインが直流電源２の正極に接続され、ソースが４つの負荷３ａ〜３ｄに接続されている。

４つの始動補助本体部１０ａ〜１０ｄと４つの第１及び第２スイッチング素子１１ａ〜１１ｄとは、４つの始動補助部１を構成している。図２は図１に示すディーゼルエンジン始動補助装置に設けられた各始動補助部の回路構成図である。

各始動補助部１は、図２に示すように、第１スイッチング素子Ｑ１、第２スイッチング素子Ｑ２、駆動回路１２、オペアンプ１３、トランジスタＱ３、電流検出回路１４、過電流保護回路１５、電流出力回路１６、過熱保護回路１７を有し、駆動回路１２からの駆動指令信号により第１スイッチング素子Ｑ１をオンさせて、負荷に電流を供給し、負荷を加熱することによりディーゼルエンジンを始動させるものである。４つの始動補助本体部１０ａ〜１０ｄは、図２に示すように、駆動回路１２、電流検出回路１４、過電流保護回路１５、電流出力回路１６、過熱保護回路１７を有している。

第１スイッチング素子Ｑ１は、直流電源２から負荷３への第１通電経路に設けられ、駆動回路１２からゲートに入力される駆動指令信号に基づき第１通電経路をオン・オフする。第２スイッチング素子Ｑ２は、直流電源２からの電流を供給する第２通電経路に設けられ、ゲートが第１スイッチング素子Ｑ１のゲートに接続されて第１スイッチング素子Ｑ１と同一の駆動指令信号により制御され、第１スイッチング素子Ｑ１に比例した電流（例えば、第１スイッチング素子Ｑ１：第２スイッチング素子Ｑ２＝１００００：１）を通電するように構成されている。トランジスタＱ３は、ｎチャネル型パワーＭＯＳＦＥＴ等からなり、第２スイッチング素子Ｑ２と直列に接続されている。

オペアンプ１３は、非反転入力端子が第２スイッチング素子Ｑ２のソースに接続され、反転入力端子が第１スイッチング素子Ｑ１のソースに接続され、第１スイッチング素子Ｑ１のソース電位が第２スイッチング素子Ｑ２のソース電位と同電位となるように、トランジスタＱ３をオンさせて、第２通電経路に電流を流す。

電流検出回路１４は、第２通電経路上の第２スイッチング素子Ｑ２に直列に接続されたトランジスタＱ３に流れる電流を検出する。過電流保護回路１５は、コンパレータからなり、非反転入力端子が基準電源Ｖｒｅｆに接続され、反転入力端子が電流検出回路１４に接続され、電流検出回路１４で検出した電流に比例した検出電圧が基準電源Ｖｒｅｆの基準電圧を越えたとき、過電流と判定し通電停止信号としてＬレベル（ローレベル）を駆動回路１２に送出して第１通電経路における通電を停止させて第１スイッチング素子Ｑ１を保護する。

例えば、接地短絡などの異常が負荷３に発生すると、第１スイッチング素子Ｑ１に過電流が流れ、第１スイッチング素子Ｑ１のソースが略０Ｖとなるため、オペアンプ１３の非反転入力端子と反転入力端子との電位差がより大きくなる。このため、トランジスタＱ３に流れる電流が大きくなり、電流検出回路１４で検出される電流に比例した電圧が基準電源Ｖｒｅｆの基準電圧を越えるため、過電流保護回路１５がＬレベルを駆動回路１２に出力する。

また、第１及び第２スイッチング素子１１ａ〜１１ｄは、第１及び第２スイッチング素子１１ａ〜１１ｄの発熱を検出する熱検出素子１１１ａ〜１１１ｄを有している。

過熱保護回路１７は、熱検出素子１１１ａ〜１１１ｄで検出した熱検出信号ＴＳＤがしきい値を越えた時、過熱として判定し通電停止信号を駆動回路１２に送出して第１通電経路における通電を停止させて第１及び第２スイッチング素子１１ａ〜１１ｄを個別に保護する。

電流出力回路１６は、トランジスタＱ３に流れる電流に比例して減少させた電流を電流出力信号ＩｓｏとしてＩ／Ｏ７を介して外部エンジンコントロールユニット（外部ＥＣＵ）２０に出力する。

図１に示すＩ／Ｏ７は、外部ＥＣＵ２０からの制御指令信号Ｄｒｉを４つの始動補助本体部１０ａ〜１０ｄ内の駆動回路１２に供給し、また、各々の電流出力回路１６で検出した電流出力信号Ｉｓｏを外部ＥＣＵ２０に出力して外部ＥＣＵ２０に制御指令信号を生成させる。

駆動回路１２は、外部ＥＣＵ２０からＩ／Ｏ７を介して入力され且つ負荷３ａ〜３ｄへの通電制御を行うための制御指令信号に応じて第１スイッチング素子Ｑ１を駆動するための駆動指令信号を第１スイッチング素子Ｑ１に出力する。また、駆動回路１２は、過電流保護回路１５からの通電停止信号により第１スイッチング素子Ｑ１をオフさせて第１通電経路の通電を停止させる。

また、図１に示す第２ダイパッド２２には、４つの始動補助本体部１０ａ〜１０ｄが併設されるとともに、Ｉ／Ｏ７が設けられている。４つの第１及び第２スイッチング素子１１ａ〜１１ｄは、４つの始動補助本体部１０ａ〜１０ｄに対応させて近接して配置されている。４つの第１及び第２スイッチング素子１１ａ〜１１ｄと４つの始動補助本体部１０ａ〜１０ｄとＩ／Ｏ７とは、１つのパッケージに集積化され、グローコントロールユニット（ＧＣＵ）５を構成している。

図３は図１に示すディーゼルエンジン始動補助装置を１パッケージに集積化して実装した図である。

ＧＣＵ５は、第１ダイパッド２１（リードフレームに対応）と、第１ダイパッド２１の表面上に配設された第１及び第２スイッチング素子１１ａ〜１１ｄと、第１ダイパッド２１の第１側面２１Ｃ１から第１側面２２Ｃ１が離間された第２ダイパッド２２と、第２ダイパッド２２の表面上に配設された始動補助本体部１０ａ〜１０ｄと、第１ダイパッド２１の第２側面２１Ｃ２に沿って配列された複数のリード２３と、第２ダイパッド２２の第２の側面２２Ｃ２に沿って配設された複数のリード２４と、樹脂封止体５ａとを備えている。

第１ダイパッド２１は、第１及び第２スイッチング素子１１ａと第１及び第２スイッチング素子１１ｂとの間に第１切欠部２１１を有し、第１及び第２スイッチング素子１１ｃと第１及び第２スイッチング素子１１ｄとの間に第２の切欠部２１２を有し、第１及び第２スイッチング素子１１ｂと第１及び第２スイッチング素子１１ｃとの間に第３の切欠部２１３を有する。

第１切欠部２１１は、第１及び第２スイッチング素子１１ａと第１及び第２スイッチング素子１１ｂとの互いの温度干渉を減少し、双方の動作特性を安定化させる機能を有する。第２切欠部２１２は、第１及び第２スイッチング素子１１ｃと第１及び第２スイッチング素子１１ｄとの互いの温度干渉を減少し、双方の動作特性を安定化させる機能を有する。第３切欠部２１３は、第１及び第２スイッチング素子１１ｂと第１及び第２スイッチング素子１１ｄとの互いの温度干渉を減少し、双方の動作特性を安定化させる機能を有する。

第１ダイパッド２１は第１及び第２スイッチング素子１１ａ〜１１ｄのそれぞれの裏面電極に電気的に接続される。第１及び第２スイッチング素子１１ａ〜１１ｄのそれぞれには第１ダイパッド２１を通して主電流（ここではドレイン電流）が供給されている。

第１ダイパッド２１の第２の側面２１Ｃ２に沿って配列されたリード２３（Ｄ１）、リード２３（Ｄ２）、リード２３（Ｄ３）はいずれも第１ダイパッド２１に一体に構成されている（電気的に接続されている）。リード２３（Ｓ１）−２３（Ｓ４）はいずれも第１ダイパッド２１の第２の側面２１Ｃ２から離間されている（電気的に分離されている）。リード２３（Ｓ１）は第１及び第２スイッチング素子１１ａの電極パッド（ソース電極パッド）にワイヤ４１を通して電気的に接続されている。リード２３（Ｓ２）は第１及び第２スイッチング素子１１ｂの電極パッド（ソース電極パッド）にワイヤ４１を通して電気的に接続されている。リード２３（Ｓ３）は第１及び第２スイッチング素子１１ｃの電極パッド（ソース電極パッド）にワイヤ４１を通して電気的に接続されている。リード２３（Ｓ４）は第１及び第２スイッチング素子１１ｄの電極パッド（ソース電極パッド）にワイヤ４１を通して電気的に接続されている。

第１及び第２スイッチング素子１１ａの電極パッド（ここではゲート電極パッド）、各種センス用電極パッドは、第２ダイパッド２２の表面上において始動補助本体部１０ａ〜１０ｄの左側に配設された配線基板３６を通して始動補助本体部１０ａ〜１０ｄに電気的に接続されている。

第１及び第２スイッチング素子１１ｂの電極パッド、各種センス用電極パッドは、直接、ワイヤ４２を通して始動補助本体部１０ａ〜１０ｄの電極パッドに電気的に接続されている。

第１及び第２スイッチング素子１１ｃの電極パッド、各種センス用電極パッドは、直接、ワイヤ４２を通して始動補助本体部１０ａ〜１０ｄの電極パッドに電気的に接続されている。

第１及び第２スイッチング素子１１ｄの電極パッド、各種センス用電極パッドは、第２ダイパッド２２の表面上において始動補助本体部１０ａ〜１０ｄの右側に配設された配線基板３６を通して始動補助本体部１０ａ〜１０ｄに電気的に接続されている。

また、始動補助本体部１０ａ〜１０ｄの電極パッドは、ワイヤ４２を通して第２ダイパッド２２の第２の側面２２Ｃ２に沿って配列されたリード２４に電気的に接続され、或いはワイヤ４２及び配線基板３６を通してリード２４に電気的に接続されている。

樹脂封止体５ａは、第１ダイパッド２１、第１及び第２スイッチング素子１１ａ〜１１ｄ、第２ダイパッド２２、始動補助本体部１０ａ〜１０ｄ、リード２３及び２４のインナー部を覆い、これらを気密封止している。樹脂封止体５ａは例えばトランスファーモールド法により成形されている。

このように構成された実施例１のディーゼルエンジン始動補助装置によれば、 第１ダイパッド２１は、隣接する２対の第１及び第２スイッチング素子の間に切欠部２１１〜２１３を形成したので、２対の第１及び第２スイッチング素子であるパワー素子間の温度干渉の影響を抑制できる。

また、切欠部２１１〜２１３が始動補助本体部１０ａ〜１０ｄを有する側に形成されているので、始動補助本体部１０ａ〜１０ｄは、切欠部２１１〜２１３を介して放熱するので、温度干渉の影響を抑制できる。

本発明は、ディーゼルエンジンを使用した車両に利用することができる。

１ 始動補助部
２ 直流電源
３ａ〜３ｄ 負荷
５ グローコントロールユニット（ＧＣＵ）
７ Ｉ／Ｏ
１０ａ〜１０ｄ 始動補助本体部
１１ａ〜１１ｄ 第１及び第２スイッチング素子
１２ 駆動回路
１３ コンパレータ
１４ 電流検出回路
１５ 過電流保護回路
１６ 電流出力回路
１７ 過熱保護回路
２０ 外部ＥＣＵ
２１ 第１ダイパッド
２２ 第２ダイパッド
１１１，１１１ａ〜１１１ｄ 熱検出素子
２１１〜２１３ 切欠部
Ｑ１ 第１スイッチング素子
Ｑ２ 第２スイッチング素子
Ｑ３ トランジスタ

Claims (4)

1. 直流電源から電気負荷への第１通電経路に設けられ、制御端子に入力される駆動指令信号に基づき該第１通電経路をオン・オフする第１スイッチング手段、外部の制御部から入力され且つ前記電気負荷への通電制御を行うための制御指令信号に応じて前記第１スイッチング手段を駆動するための前記駆動指令信号を出力する駆動手段、前記直流電源からの電流を所定の負荷に供給する第２通電経路に設けられ、制御端子が前記第１スイッチング手段に接続され、前記第１スイッチング手段に比例した電流を流す第２スイッチング手段、前記第２通電経路に流れる電流を検出する電流検出手段、前記第２通電経路に流れる電流に比例して減少させた電流を出力する電流出力手段、前記電流検出手段で検出した電流検出信号が所定値を越えた時、過電流として判定し通電停止信号を前記駆動手段に送出して前記第１通電経路における通電を停止させて前記第１スイッチング手段を保護する過電流保護手段を有する始動補助部を複数個備え、
   前記制御指令信号を前記複数の始動補助部に供給し、前記複数の電流出力手段で検出した複数の電流出力信号を前記制御部に出力して前記制御部に前記制御指令信号を生成させる入出力手段を有し、
   前記複数の電気負荷の少なくとも１つの電気負荷に通電が行われたときディーゼルエンジンを始動できるディーゼルエンジン始動補助装置であって、
   前記複数の始動補助部と前記入出力手段とをリードフレームを有する１つのパッケージに集積化し、
   前記第１スイッチング手段及び前記第２スイッチング手段を１対のスイッチング手段とし、複数の１対のスイッチング手段を前記リードフレームに併設し、前記リードフレームは、隣接する２対のスイッチング手段の間に切欠部を有し、
   前記１対のスイッチング手段は、該１対のスイッチング手段の発熱を検出する熱検出手段を有し、
   前記始動補助部は、前記熱検出手段で検出した熱検出信号がしきい値を越えた時、過熱として判定し通電停止信号を前記駆動手段に送出して前記第１通電経路における通電を停止させて前記１対のスイッチング手段を保護する過熱保護手段を有することを特徴とするディーゼルエンジン始動補助装置。
2. 前記切欠部は、前記パッケージ内の前記駆動手段、前記電流検出手段、前記電流出力手段、前記過電流保護手段を配置した側に形成されていることを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジン始動補助装置。
3. 前記第１スイッチング手段及び前記第２スイッチング手段は、ＭＯＳＦＥＴからなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のディーゼルエンジン始動補助装置。
4. 前記電気負荷がグロープラグであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のディーゼルエンジン始動補助装置。

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