JP5686197B2

JP5686197B2 - 内燃機関用点火装置

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Publication number: JP5686197B2
Application number: JP2013533502A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　茂樹; 佐藤　　茂樹
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: JPWO2013038665A1; WO2013038665A1

Description

本発明は、点火コイルの一次電流を制御する内燃機関用点火装置に関する。

この種の内燃機関用点火装置としては、たとえば、特許文献１に記載された内燃機関用点火装置が知られている。この特許文献１に記載された従来例では、点火コイルの一次電流を通電／遮断制御するスイッチング回路をコレクタ−ゲート間に電圧クランプ用ツェナーダイオードを有する縦構造の絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）で構成している。そして、ＩＧＢＴと同一チップ内に誘電体分離基板を用いて制御回路を構成する。この制御回路は、駆動信号が入力される入力ヒステリシス回路と、この入力ヒステリシス回路の出力信号に基づいてＩＧＢＴのゲートを制御するドライブ回路と、ＩＧＢＴを流れる電流を検出して当該電流が一定値となるようにＩＧＢＴのゲートを制御する電流制限回路とを備えている。そして、入力ヒステリシス回路及びドライブ回路にバッテリ電圧が供給される定電圧回路から定電圧を供給する。

また、特許文献２に記載されたエンジンの点火回路が知られている。この従来例では、マイクロコンピュータが出力する所定の点火信号に基づいて電源電流を点火コイルの一次電流オンオフ用点火信号としてパワートランジスタに出力する点火駆動回路を備えている。そして、第一の定電圧回路により電源の２４Ｖを１２Ｖに降下させて点火駆動回路に供給することにより、点火駆動回路の高電圧による過熱を生じないようにしている。さらに、第二の定電圧回路で１２Ｖをマイクロコンピュータのための５Ｖに降下させている。

特開平１１−２０１０１３号公報特開平７−３５０１２号公報

ところで、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、１つの定電圧回路で電源電圧を降圧するようにしているので、例えば電源電圧が２４Ｖである場合には、電源電圧の変動幅が大きい定電圧回路で電源電圧２４Ｖから入力ヒステリシス回路及びドライブ回路で使用する５Ｖまで低下させる。この場合に、電源電圧の電圧降下と安定化とを一つの定電圧回路で行うので、入力ヒステリシス回路及びドライブ回路で使用する電圧を正確に生成することができないという未解決の課題がある。

また、特許文献２に記載された従来例にあっては、第一及び第二の定電圧回路を備え、第一の定電圧回路で電源電圧を２４Ｖから１２Ｖに降圧し、第２の定電圧回路で１２Ｖから５Ｖに降圧させて、５Ｖまで低下させるのに２つの定電圧回路で行うようにしている。
このため、各定電圧回路での降圧電圧が少なくなり、定電圧回路の発熱を低減することができる。しかしながら、この特許文献２に記載された発明では、定電圧回路で電源電圧の降圧と安定化との双方の機能を果たすので、上述した特許文献１に記載された発明と同様に、点火駆動回路及びマイクロコンピュータへ供給する電源を正確に安定化することが困難であるという未解決の課題がある。また、特許文献２に記載された発明では、電源電圧２４Ｖを１２Ｖという正確な電圧に降下させる定電圧回路を用いていて、回路構成が比較的複雑となるという未解決の課題がある。

そこで、本発明は、上記第１の従来例及び第２の従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、電源電圧を回路の必要電圧に降圧する場合に、必要電圧を正確に安定化することができる内燃機関用点火装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る内燃機関用点火装置の第１の態様は、点火信号を生成する点火信号生成部から出力される点火信号に基づいて点火コイルの一次側に接続された半導体スイッチング素子の制御端子を制御する制御回路を有する内燃機関用点火装置である。前記制御回路は、前記半導体スイッチング素子の制御端子に駆動信号を供給するドライブ回路と、前記半導体スイッチング素子を流れる電流を検出して当該半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する電流制限回路と、前記ドライブ回路及び前記電流制限回路に電源を供給する電源回路とを少なくとも備えている。また、前記電源回路は、電源電圧を前記ドライブ回路及び前記電流制限回路で必要とする必要電圧に降圧する少なくとも１つの一次降圧回路と、該一次降圧回路で降圧した必要電圧を安定化する少なくとも１つのレギュレータとを備え、前記一次降圧回路を構成する半導体スイッチング素子は、オフセットドレイン構造を有する高耐圧素子で構成され、前記レギュレータを構成する半導体スイッチング素子は、オフセットドレイン構造を有さない低耐圧素子で構成されている。

また、本発明に係る内燃機関用点火装置の第２の態様は、前記一次降圧回路は、電源端子及びグランド間に直列に接続されたオフセットドレイン構造を有する半導体スイッチング素子及び抵抗と、前記半導体スイッチング素子のゲートに定電圧を与えるバイアス回路とで構成され、前記半導体スイッチング素子及び前記抵抗間から降圧電圧を出力する。
また、本発明に係る内燃機関用点火装置の第３の態様は、前記電源回路は、前記一次降圧回路及び前記レギュレータを一つずつ備え、前記レギュレータの安定化電圧を前記ドライブ回路及び前記電流制限回路の双方に供給する。
また、本発明に係る内燃機関用点火装置の第４の態様は、前記電源回路は、前記一次降圧回路及び前記レギュレータを一つずつ備え、前記レギュレータの安定化電圧を前記ドライブ回路及び前記電流制限回路の双方に供給する。

また、本発明に係る内燃機関用点火装置の第５の態様は、前記電源回路が、前記一次降圧回路と前記レギュレータとの直列回路を少なくとも二組備え、各直列回路のレギュレータを前記ドライブ回路及び前記電流制限回路に個別に接続した。

また、本発明に係る内燃機関用点火装置の第６の態様は、前記電流制限回路が、シャント抵抗を用いて前記半導体スイッチング素子を流れる電流を検出する。
また、本発明に係る内燃機関用点火装置の第７の態様は、前記電流制限回路が、前記半導体スイッチング素子に設けた電流センス端子を流れる電流を検出する。

本発明によれば、少なくとも一次降圧回路とレギュレータとを組合せて電源回路を構成し、一次降圧回路で電源電圧変動の影響を受けないように電力供給を必要とするドライブ回路及び電流制限回路の必要電圧に降圧する。この一降圧回路から出力される必要電圧をレギュレータで定電圧化してドライブ回路及び電流制限回路に電源として供給する。このため、電源電圧の変動を一次降圧回路で吸収し、さらにレギュレータで安定化することにより、正確な必要電圧を形成することができる。

本発明の内燃機関用点火装置の一実施形態の全体構成を示す回路図である。電源回路の一次降圧回路の一実施形態を示す回路図である。電源回路の一次降圧回路の別の実施形態を示す回路図である。本発明の変形例の全体構成を示す回路図である。本発明の他の変形例の全体構成を示す回路図である。電流検出部にシャント抵抗を使用した場合の変形例を示す図１と同様の回路図である。電流検出部にシャント抵抗を使用した場合の変形例を示す図４と同様の回路図である。電流検出部にシャント抵抗を使用した場合の変形例を示す図５と同様の回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る内燃機関用点火装置の一実施形態の全体構成を示す回路図である。
図中、２は半導体スイッチング素子としての絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴと称す）である。このＩＧＢＴ２は、ゲートに接続された制御回路３によって駆動制御される。また、ＩＧＢＴ２には、制御回路３内のセンス抵抗ＲｓにＩＧＢＴ２のエミッタ電流に対応する電流を流す電流検出用パワートランジスタ４が並列に接続されている。この電流検出用パワートランジスタ４は、ＩＧＢＴ２に設けた電流センス端子に相当するものであり、ＩＧＢＴ２のエミッタ電流の例えば１／６０００〜１／１００００程度の微小電流をエミッタ電流として出力する。

ＩＧＢＴ２は点火コイル５０を駆動し、点火コイルで発生した高圧電流がスパークプラグ５２に送られる。なおここで一例としてＩＧＢＴ２は縦型素子である。
制御回路３は、ＩＧＢＴ２のゲート信号を形成するドライブ回路３２と、ＩＧＢＴ２の電流を制限する電流制限回路３３と、ドライブ回路３２及び電流制限回路３３に電力を供給する電源回路３５とを備えている。
ドライブ回路３２は、外部から入力される点火信号であるオンオフ信号をゲート電圧に変換したゲート信号ＳｇをＩＧＢＴ２のゲートに供給するタイミング制御回路３４を備えている。

電流制限回路３３は、電流検出用パワートランジスタ４を流れるＩＧＢＴ２のエミッタ電流の例えば１／６０００〜１／１００００程度の微小電流を電流検出用パワートランジスタ４のエミッタ及び接地間に接続されたセンス抵抗ＲｓでＩＧＢＴ２のコレクタ−エミッタ間電流として検出し、ＩＧＢＴ２のコレクタ−エミッタ電流を定電流制御する。この電流制限回路３３は、ドライブ回路３２のタイミング制御回路３４から出力されるゲート信号Ｓｇが非反転入力側に供給されるオペアンプで構成される比較回路３３ａと、センス抵抗Ｒｓで検出した微小電流を増幅して検出電圧Ｖｄとして比較回路３３ａの反転入力側に供給するオペアンプ３３ｂとを備えている。したがって、比較回路３３ａから出力されるゲート信号は、ゲート信号Ｓｇの電圧が検出電圧Ｖｄより大きいときにハイレベルとなり、検出電圧Ｖｄがゲート信号Ｓｇの電圧より大きいときにローレベルとなる。

さらに、電源回路３５は、エンジン始動時に発電機から入力される例えば１４Ｖの電源電圧Ｖｂを、制御回路３内にある電流制限回路３３、及びタイミング制御回路３４で必要とする５Ｖに降圧し且つ定電圧化した必要電圧を形成し、形成した必要電圧を各回路に電源として供給する。電源回路３５は、一次降圧回路３５ａとレギュレータ３５ｃ及び３５ｄとを備えている。
そして、レギュレータ３５ｃ及び３５ｄから出力される安定化された必要電圧Ｖ５Ｐ及びＶ５Ｓがドライブ回路３２及び電流制限回路３３に電源として供給されている。

一次降圧回路３５ａは具体的には、図２に示すような抵抗４４とツェナーダイオード４５とを直列に接続し、抵抗４４とツェナーダイオード４５との接続点から降圧電圧を出力する定電圧回路構成とすることができる。ここで、ツェナーダイオード４５のツェナー電圧は後段のレギュレータが動作するのに十分な電圧、例えば８Ｖである。また、一次降圧回路３５ａは、図３に示すような半導体スイッチング素子としてのＮチャネルのＭＯＳ電界効果トランジスタ４２のソースに抵抗４３を接続し、ＭＯＳＦＥＴ４２のゲートに定電圧を与えるバイアス回路４１を接続し、ＭＯＳＦＥＴのドレイン及び抵抗４３間から降圧電圧を出力する回路構成としてもよい。バイアス回路４１には具体的には図２に示す定電圧回路を用いることができる。
一次降圧回路３５ａは以上の構成を有するが、この一次降圧回路３５ａを構成するＮＭＯＳ電界効果トランジスタはオフセットドレイン構造を有する高耐圧素子で構成できる。

次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
内燃機関用点火装置としての動作は通常の内燃機関用点火装置と同様の動作を行うので、ここでは詳細説明を割愛するが、ドライブ回路３２に入力される点火信号であるオンオフ信号がオン状態となると、ドライブ回路３２は、ハイレベルのゲート信号ＳｇをＩＧＢＴ２のゲートに供給することにより、ＩＧＢＴ２のコレクタが接続された点火コイル５０の一次側コイル５１が通電状態となって、一次電流が流れる。その後、点火信号がオフ状態となると、ＩＧＢＴ２がターンオフして、点火コイル５０の一次側コイル５１の一次電流が遮断されて点火コイルに高電圧が発生し、スパークプラグ５２に火花を飛ばす。

この間に、ＩＧＢＴ２のエミッタ電流が増加して、センス抵抗Ｒｓで検出されるエミッタ電流に対応するセンス電圧が電流制限回路３３のオペアンプ３３ｂで増幅した検出電圧Ｖｄがゲート信号Ｓｇの電圧を超える状態となると比較回路３３ａから出力されるゲート信号がローレベルとなってＩＧＢＴ２がターンオフされて過電流状態となることを防止する。

一方、制御回路３では、エンジン始動前にはバッテリ（図示せず）から１２Ｖの電源電圧Ｖｂが供給され、エンジン始動時には発電機から１４Ｖの電源電圧Ｖｂが供給されている。この電源電圧Ｖｂは、制御回路３の電源回路３５に供給される。この電源回路３５内で、電源電圧Ｖｂが一次降圧回路３５ａに供給される。
この一次降圧回路３５ａでは、降下電圧が電源電圧Ｖｂの変動にかかわらず概ね一定の電圧に制御される。

このときの電源電圧Ｖｂの変動は、エンジン始動時に基準電圧の１４Ｖに対して１４Ｖから８Ｖ程度まで低下する場合があるが、一次降圧回路３５ａで電源電圧Ｖｂの変動の影響をあらかた除去することができる。
そして、一次降圧回路３５ａから出力される必要電圧がレギュレータ３５ｃ及び３５ｄに個別に供給される。レギュレータ３５ｃ及び３５ｄはドライブ回路３２のタイミング制御回路３４及び電流制限回路３３に精度の高い電圧を有する電源を供給する。
したがって、タイミング制御回路３４及び電流制限回路３３を電源電圧Ｖｂの電圧変動の影響を受けることなく正確に動作させることができる。

なお、内燃機関用点火装置では、各種試験を行うようにしており、このなかにはロードダンプ試験のように例えば１３０Ｖもの高電圧を瞬間的にバッテリ端子Ｂに供給してサージ電圧波形を入力する場合がある。このとき、一次降圧回路３５ａが図３に示すものである場合でも、ＭＯＳ電界効果トランジスタ４２がオフセットドレイン構造を有する高耐圧素子で構成されているので、ＭＯＳ電界効果トランジスタ４２が損傷することはなく、確実に動作することができる。このため、ロードダンプ時の高電圧は一次降圧回路３５ａで吸収されることになり、この一次降圧回路３５ａ以降のレギュレータ３５ｃ、３５ｄ、タイミング制御回路３４、電流制限回路３３等では高電圧変動の影響を受けることがない。

このため、一次降圧回路３５ａ以降の各回路を構成する電界効果トランジスタを、オフセットドレイン構造を有さない低耐圧の通常の電界効果トランジスタを適用することができ、これによって、回路全体を小型化することができると共にコストダウンすることができる。また一次降圧回路３５ａは比較的簡単な構成の回路であることも回路全体を小型化及びにコストダウンに寄与する。

なお、上記第１の実施形態においては、電源回路３５を１つの一次降圧回路３５ａと、２つのレギュレータ３５ｃ、３５ｄとで構成する場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、図４に示すように、電源回路３５を１つの一次降圧回路３５ａと、１つのレギュレータ３５ｃとで構成し、レギュレータ３５ｃから出力される安定化された必要電圧Ｖ５Ｓをタイミング制御回路３４及び電流制限回路３３に供給するようにしてもよい。この場合には、レギュレータ３５ｃが１つで済むのでチップ面積を小さくして小型化できると共に、コストダウンを図ることができる。

また、逆に、図５に示すように、一次降圧回路３５ａ及びレギュレータ３５ｃの組を２組設け、一方の組のレギュレータ３５ｃから出力される必要電圧Ｖ５Ｓをドライブ回路３２に供給し、他方の組のレギュレータ３５ｃから出力される必要電圧Ｖ５Ｓを電流制限回路３３に供給するようにしてもよい。この場合に、タイミング制御回路３４と電流制限回路３３とに個別の電源系統で電源供給を行うので、タイミング制御回路３４を電流制限回路３３に流れる電流のノイズの影響を受けることなく駆動することができ、より正確な必要電源を形成することができる。

さらに、上記第１の実施形態においては、ＩＧＢＴ２に電流センス用エミッタを備えている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図１、図４及び図５に対応する図６〜図８に示すように、ＩＧＢＴ２に流れる電流をシャント抵抗Ｒｓを使用して検出し、これを電流制限回路３３に供給するようにしてもよい。
また、上記各実施形態にいては電流制限回路３３として比較回路３３ａを使用した場合について説明したが、比較回路３３ａを省略してタイミング制御回路３４から出力されるゲート信号Ｓｇを接地に逃がす半導体スイッチング素子を配設し、この半導体スイッチング素子をオペアンプ３３ｂの出力で駆動するようにしてもよい。

本発明によれば、電源電圧を回路の必要電圧に降圧する場合に、一次降圧回路及びレギュレータを使用して必要電圧を正確に安定化することができる内燃機関用点火装置を提供することができる。

２…ＩＧＢＴ、３…制御回路、４…電流検出用パワートランジスタ、３２…ドライブ回路、３３…電流制限回路、３４…タイミング制御回路、３５…電源回路、３５ａ…一次降圧回路、３５ｃ，３５ｄ…レギュレータ、４１…バイアス回路、４２…ＭＯＳ電界効果トランジスタ、４３、４４…抵抗、４５…ツェナーダイオード

Claims

点火信号を生成する点火信号生成部から出力される点火信号に基づいて点火コイルの一次側に接続された半導体スイッチング素子の制御端子を制御する制御回路を有する内燃機関用点火装置であって、
前記制御回路は、前記半導体スイッチング素子の制御端子に駆動信号を供給するドライブ回路と、前記半導体スイッチング素子を流れる電流を検出して当該半導体スイッチング素子に流れる電流を制限する電流制限回路と、前記ドライブ回路及び前記電流制限回路に電源を供給する電源回路とを少なくとも備え、
前記電源回路は、電源電圧を前記ドライブ回路及び前記電流制限回路で必要とする必要電圧に降圧する少なくとも１つの一次降圧回路と、該一次降圧回路で降圧した必要電圧を安定化する少なくとも１つのレギュレータとを備え、前記一次降圧回路を構成する半導体スイッチング素子は、オフセットドレイン構造を有する高耐圧素子で構成され、前記レギュレータを構成する半導体スイッチング素子は、オフセットドレイン構造を有さない低耐圧素子で構成されている
ことを特徴とする内燃機関用点火装置。
前記一次降圧回路は、電源端子及びグランド間に直列に接続されたオフセットドレイン構造を有する半導体スイッチング素子及び抵抗と、前記半導体スイッチング素子のゲートに定電圧を与えるバイアス回路とで構成され、前記半導体スイッチング素子及び前記抵抗間から降圧電圧を出力することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
前記電源回路は、前記一次降圧回路及び前記レギュレータを一つずつ備え、前記レギュレータの安定化電圧を前記ドライブ回路及び前記電流制限回路の双方に供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用点火装置。
前記電源回路は、一つの前記一次降圧回路と、該一次降圧回路から出力される必要電圧を前記ドライブ回路及び前記電流制限回路に個別に供給する二つのレギュレータとを少なくとも備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用点火装置。
前記電源回路は、前記一次降圧回路と前記レギュレータとの直列回路を少なくとも二組備え、各直列回路のレギュレータを前記ドライブ回路及び前記電流制限回路に個別に接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用点火装置。
前記電流制限回路は、シャント抵抗を用いて前記半導体スイッチング素子を流れる電流を検出することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の内燃機関用点火装置。
前記電流制限回路は、前記半導体スイッチング素子に設けた電流センス端子を流れる電流を検出することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の内燃機関用点火装置。