JP6070425B2 - インジェクタ駆動装置のサージ保護回路 - Google Patents

Description

本発明は、インジェクタの電磁コイルを駆動するための駆動装置に関し当該駆動装置内の電界効果トランジスタを保護するインジェクタ駆動装置のサージ保護回路に関する。

駆動装置が誘導性負荷に通電制御するときには、スイッチング素子を当該誘導性負荷に直列接続し、このスイッチング素子をオンオフ制御することによって誘導性負荷に通電制御する。駆動装置がスイッチング素子をオンからオフに切換制御すると誘導性負荷に高電圧を生じる。従来、誘導性負荷に並列に還流ダイオードを接続したり、スイッチング素子のゲートソース間にツェナーダイオードを接続したりすることで高電圧の発生を抑制している（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載の技術によれば、電界効果トランジスタのソースに誘導性負荷を接続すると共に、ゲートソース間にツェナーダイオードを互いに逆方向接続して構成されている。これにより、電界効果トランジスタの保護を図っている。

特開２００３−２９９３４５号公報

しかし、還流ダイオードを構成するとフライバック電圧を低く抑えることができるが、負荷からの電流が流れ続けるため電流停止するまでの時間を多大に要してしまう。インジェクタの電磁コイルを駆動する場合には、インジェクタの燃料噴射処理を適切に停止するため、インジェクタの電磁コイルに適度なフライバックエネルギーを発生させることが望ましい。

還流ダイオードを用いると当該ダイオードの順方向電圧が低くなるため、フライバックエネルギーを電磁コイルに適度に生じさせることができずダイナミックレンジを確保することができない。また、例えばツェナーダイオードのみを用いた保護回路では、ツェナー電圧の高い素子を採用する必要があり、高耐圧プロセス等を要してしまうことから好ましくない。さらに、オフ時における通電電流による過渡的な熱を生じてしまうため、回路集積化の妨げとなる。

本発明の目的は、インジェクタの電磁コイルに対しオンからオフに切換通電するときに従来同等にインジェクタの噴射処理を素早く停止しつつ、高耐圧プロセス等を用いずに、インジェクタの電磁コイルのサージ電圧により発生する過渡的な熱を分散し、電界効果トランジスタを適切に保護できるようにしたインジェクタ駆動装置のサージ保護回路を提供することにある。

請求項１記載の発明によれば、第１電界効果トランジスタがオンからオフに切換えられサージ電圧が第１電界効果トランジスタのドレインに発生すると、サージ電圧が、ダイオード、逆方向接続されたツェナーダイオード、分圧抵抗を通じて印加される。ツェナーダイオードはこのサージ電圧をクランプするが、サージ電圧がツェナーダイオードのツェナー電圧を超えると、分圧抵抗を通じて第２電界効果トランジスタのゲートに電圧が印加される。

電圧が第２電界効果トランジスタのゲートに印加されると、このトランジスタはオンし、電流が第１の抵抗、第２の抵抗を通じて流れる。したがって、フライバックエネルギーは主に第１の抵抗、第２の抵抗により消費されエネルギーを分散消費できる。

これにより、電磁コイルへの通電をオンからオフに切換制御するときにサージ電圧によって発生する過渡的な熱を分散し第１電界効果トランジスタを適切に保護できる。しかも、インジェクタの電磁コイルにフライバックエネルギーのサージ電圧を適度に印加でき、従来同等にインジェクタの噴射処理を素早く停止させることができる。

第１実施形態に係るインジェクタ駆動装置のサージ保護回路を概略的に示す電気的構成図 （ａ）は電磁コイルに生じる電圧を概略的に示すタイミングチャート、（ｂ）は誘導起電圧が高く生じたときのクランプ電圧を拡大して示すタイミングチャート 第２実施形態に係るインジェクタ駆動装置のサージ保護回路を概略的に示す電気的構成図（図１相当図） 各ノードの電圧の時間変化を概略的に示すタイミングチャート 第３実施形態に係るインジェクタ駆動装置のサージ保護回路を概略的に示す電気的構成図（図１、図３相当図） （ａ）は電磁コイルに生じる電圧を概略的に示すタイミングチャート（図２（ａ）相当図）、（ｂ）は誘導起電圧が高く生じたときのクランプ電圧を拡大して示すタイミングチャート（図２（ｂ）相当図）

以下、サージ保護回路の幾つかの実施形態について図面を参照しながら説明する。各実施形態間において、同一又は類似機能を有する部分には同一又は類似符号を付して必要に応じて説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）に搭載されるインジェクタの駆動装置の一部分を示す。この駆動装置１は、制御回路２、駆動回路３、電界効果トランジスタとしてのＮチャネル型のＭＯＳトランジスタＭ１、などを備え、例えば自動車のインジェクタ４の電磁コイルＬ１を駆動する。この駆動装置１は、半導体集積回路を用いて構成される。

バッテリ電圧ＶＢ（例えば１２Ｖ）の供給端子とグランドとの間には、インジェクタ４の電磁コイルＬ１とＭＯＳトランジスタＭ１のドレインソース間とが直列接続されている。制御回路２はオン制御信号を駆動回路３に出力し、駆動回路３がＭＯＳトランジスタＭ１をオン駆動することでインジェクタ４の電磁コイルＬ１に通電する。

また、制御回路２がオフ制御信号を駆動回路３に出力すると、駆動回路３がＭＯＳトランジスタＭ１をオフすることでインジェクタ４の電磁コイルＬ１の通電を停止する。このとき、インジェクタ４の電磁コイルＬ１にはフライバックによる高電圧と熱を生じる。

そこで、このフライバックエネルギーから回路（特にＭＯＳトランジスタＭ１）を保護するため、保護回路５が電磁コイルＬ１とＭＯＳトランジスタＭ１のドレインとの共通接続ノードＮ１に接続されている。この保護回路５は、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ１〜Ｒ５、ツェナーダイオードＤｚ１〜Ｄｚ３、および、Ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタＭ２を備える。なお、後述説明の便宜上、図１中には、この保護回路５からダイオードＤ１を除いた構成について保護回路５ａとして符号を付している。

この保護回路５の電気的結線関係を説明する。ノードＮ１とグランドとの間には、ダイオードＤ１の順方向、抵抗Ｒ１、ＭＯＳトランジスタＭ２のドレインソース間、抵抗Ｒ２が直列接続されている。また、ダイオードＤ１とＭＯＳトランジスタＭ２のゲートとの間には、逆方向ツェナーダイオードＤｚ１〜Ｄｚ３、抵抗Ｒ３およびＲ４が直列接続されており、さらに、ＭＯＳトランジスタＭ２のゲートとグランドとの間には抵抗Ｒ５が接続されている。

抵抗Ｒ１及びＲ２は、それぞれ数十Ω（例えば６０Ω）程度の抵抗値に設定されている。また、抵抗Ｒ３〜Ｒ５はそれぞれ数ｋ〜十数ｋΩ（例えば１０ｋΩ）程度の抵抗値に設定され、これらの抵抗Ｒ３〜Ｒ５の分圧電圧により、ＭＯＳトランジスタＭ２のゲート印加電圧を１／３程度に分圧している。また、ツェナーダイオードＤｚ１〜Ｄｚ３のツェナー電圧Ｖｚは、それぞれ数十Ｖ（例えば４０Ｖ）程度に設定されている。

上記構成の作用を説明する。図２（ａ）はＭＯＳトランジスタＭ１のオンオフ時において電磁コイルＬ１に生じる電圧を概略的なタイミングチャートにより示している。制御回路２がインジェクタ４の噴射指令を受けて図２（ａ）に示すようにＭＯＳトランジスタＭ１をオフ状態からオン制御すると電磁コイルＬ１に通電される。このときノードＮ１の電圧Ｖはバッテリ電圧ＶＢからほぼ０Ｖになる。

その後、制御回路２がインジェクタ４の噴射停止指令を受けてＭＯＳトランジスタＭ１をオン状態からオフ制御する。このとき電磁コイルＬ１は誘導性を有するため、ＭＯＳトランジスタＭ１をオフしても電流が電磁コイルＬ１に流れ続けようとする。

電磁コイルＬ１に電流が流れ続けると、インジェクタ４の噴射処理を素早く停止できない。このため、本実施形態の回路構成では、還流ダイオードなどの回路を採用せず、電磁コイルＬ１に誘導起電圧を故意に高く生じさせることによってフライバックエネルギーを極力素早く消費させるようにしている。これにより、インジェクタ４の噴射処理を極力素早く停止できるようになる。

図２（ｂ）は誘導起電圧が高く生じるときのクランプ電圧を図２（ａ）に示す時間範囲Ｔについて拡大して示している。
保護回路５は、駆動装置１内の各素子の耐圧レベル、耐電流レベルなどを考慮して設計されている。ＭＯＳトランジスタＭ１がオン状態からオフすると、図２（ａ）に示すようにノードＮ１の電圧Ｖは急上昇する。この電圧Ｖは、ダイオードＤ１、ツェナーダイオードＤｚ１〜Ｄｚ３、抵抗Ｒ３〜Ｒ５に印加される。

このとき、ＭＯＳトランジスタＭ２のゲート印加電圧Ｖｇは、ノードＮ１の電圧Ｖ（Ｎ１）、ダイオードＤ１の順方向電圧をＶｆ、ツェナーダイオードＤｚ１〜Ｄｚ３のツェナー電圧を３×Ｖｚ、とすれば、Ｖｇ＝（Ｖ（Ｎ１）−Ｖｆ−３×Ｖｚ）／３となる。

このゲート電圧ＶｇがＭＯＳトランジスタＭ２の閾値電圧より高くなるとＭＯＳトランジスタＭ２がオンする。ＭＯＳトランジスタＭ２がオンすると、サージ電流は、抵抗Ｒ１、ＭＯＳトランジスタＭ２、抵抗Ｒ２を通じて流れる。すると、フライバックエネルギーは、主に抵抗Ｒ１、Ｒ２により消費されることになりエネルギーを分散消費できる。

これにより、図２（ｂ）に示すように、ノードＮ１の電圧Ｖをピーク電圧Ｖｐでクランプでき、誘導起電圧により生じるサージ電流を主に抵抗Ｒ１、Ｒ２で効率良く分散消費できる。本実施形態では、ピーク電圧Ｖｐは百数十Ｖ程度（例えば１１５〜１２０Ｖ）に調整されている。

抵抗Ｒ１及びＲ２の抵抗値が例えば４５〜６０Ω程度に設定されていると、それぞれ瞬間的に６０〜８０Ｗ程度の消費電力になるが、耐パルス抵抗素子（定格電力１／２Ｗ）を採用することで実使用上の信頼性を確保できる。

また、ゲート分圧抵抗Ｒ３〜Ｒ５はその抵抗値を１０ｋΩ程度と設定している。抵抗Ｒ３〜Ｒ５に印加される瞬間最大電圧は０．１６Ｗ程度のため、特殊な抵抗素子を採用する必要なく、通常の抵抗素子を採用して構成でき、実使用上の信頼性を確保できる。

この駆動装置１は、所定の半導体プロセスを用いた半導体集積回路を使用して構成することになるが、例えば高耐圧プロセスを用いて構成するとコストアップの要因となる。
本実施形態ではツェナー電圧Ｖｚ＝４０Ｖ程度のツェナーダイオードＤｚ１〜Ｄｚ３を３個程度直列接続することで高耐圧プロセスを不要にしつつ保護回路５を構成できる。

また、ツェナーダイオードＤｚ１〜Ｄｚ３のツェナー電圧Ｖｚ、その接続個数、分圧抵抗Ｒ３〜Ｒ５の抵抗比を調整することで、インジェクタ４の電磁コイルＬ１にサージ電圧を適度に印加できる。これにより、インジェクタ４の電磁コイルＬ１をオン状態からオフに切換制御するときに発生するサージ電圧からＭＯＳトランジスタＭ１などの回路を保護しつつ、インジェクタ４の噴射処理を素早く停止させることができる。

（第２実施形態）
図３および図４は第２実施形態を示している。この第２実施形態では、複数のインジェクタ４ａ〜４ｃの電磁コイルＬ１〜Ｌ３に１つの保護回路５ｂを用いて保護するところを特徴としている。

図３に回路構成例を示すように、インジェクタ４ａ〜４ｃは複数気筒分設けられ、駆動装置１に代わる駆動装置１１は、駆動回路３ａ〜３ｃおよびＭＯＳトランジスタＭ１ａ〜Ｍ１ｃをそれぞれ気筒数分備える。インジェクタ４ａ〜４ｃの電磁コイルＬ１ａ〜Ｌ１ｃにはそれぞれＭＯＳトランジスタＭ１ａ〜Ｍ１ｃが直列接続されている。保護回路５ｂは、ダイオードＤ１ａ〜Ｄ１ｃを気筒数分備え、その他の保護回路５ａは前述実施形態と同様の回路構成となっている。

電磁コイルＬ１ａとＭＯＳトランジスタＭ１ａのドレインの共通接続ノードをノードＮ１ａ、電磁コイルＬ１ｂとＭＯＳトランジスタＭ１ｂのドレインの共通接続ノードをノードＮ１ｂ、電磁コイルＬ１ｃとＭＯＳトランジスタＭ１ｃのドレインの共通接続ノードをノードＮ１ｃ、とすると、これらのダイオードＤ１ａ〜Ｄ１ｃのカソードはノードＮ２において共通接続されている。

ダイオードＤ１ａはノードＮ１ａ−Ｎ２間、ダイオードＤ２ｂはノードＮ１ｂ−Ｎ２間、ダイオードＤ１ｃはノードＮ１ｃ−Ｎ２間にそれぞれ順方向接続されている。このノードＮ２とグランドとの間には逆方向接続のツェナーダイオードＤｚ１〜Ｄｚ３と抵抗Ｒ３〜Ｒ５の直列回路が接続されている。

そして抵抗Ｒ４とＲ５の共通接続ノードがＭＯＳトランジスタＭ２のゲートに接続され、ノードＮ２とグランドとの間には、抵抗Ｒ１、ＭＯＳトランジスタＭ２のドレインソース間、抵抗Ｒ２が直列接続されている。制御回路２が、駆動回路３ａ〜３ｃを通じてＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ３を順次オン制御すると、ノードＮ１ａ〜Ｎ１ｃの電圧はそれぞれ図４に示すように順次変化する。

例えば、ＭＯＳトランジスタＭ１がオン状態からオフに遷移すると、電磁コイルＬ１ａの誘導起電圧に応じたサージ電流は、ダイオードＤ１ａを通じてノードＮ２からツェナーダイオードＤｚ１〜Ｄｚ３、抵抗Ｒ１〜Ｒ５側に流れることになり、ダイオードＤ１ｂ、Ｄ１ｃの逆流防止作用に応じて他の電磁コイルＬ１ｂ、Ｌ１ｃ側には流れない。また、他のＭＯＳトランジスタＭ２、Ｍ３がオン状態からオフに遷移したときも同様にサージ電流は他の電磁コイル側に流れない。これにより、サージ電圧から回路（特にＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ３）を保護できる。

本実施形態によれば、複数のダイオードＤ１ａ〜Ｄ１ｃのカソードが共通接続されると共にこの共通接続ノードＮ２が保護回路５ａに接続されており、保護回路５ａがこれらの複数のインジェクタ４ａ〜４ｃの電磁コイルＬ１ａ〜Ｌ１ｃに生じるサージ電圧から素子を保護する。これにより、保護回路５ａを複数組設けることなく構成でき、部品点数の増加を抑制できる。

（第３実施形態）
図５および図６は第３実施形態を示している。この第３実施形態では、ＭＯＳトランジスタＭ２のドレイン、ソースに接続される抵抗Ｒ１、Ｒ２が、それぞれ複数並列接続されているところを特徴としている。

図５に示すように、駆動装置１に代わる駆動装置２１は保護回路５ｃを備える。この保護回路５ｃは、第１実施形態で説明した保護回路５を基礎として構成される。この保護回路５ｃは、抵抗Ｒ１に代えて抵抗Ｒ１ａおよびＲ１ｂが複数並列接続されると共に、抵抗Ｒ２に代えて抵抗Ｒ２ａおよびＲ２ｂが複数並列接続される。

すると、図６（ａ）の期間Ｔに対応した拡大図を図６（ｂ）に示すように、ノードＮ１の電圧Ｖはピーク電圧Ｖｐでクランプされた後、この過渡電圧が抵抗Ｒ１ａ、Ｒ１ｂ、抵抗Ｒ２ａ、Ｒ２ｂにかかり、当該電圧Ｖはバッテリ電圧ＶＢまで漸近して低下することになる。このとき、抵抗Ｒ１ａ、Ｒ１ｂ、及び、抵抗Ｒ２ａ、Ｒ２ｂが、それぞれＭＯＳトランジスタＭ２のドレイン、ソースに並列接続されているため、電圧Ｖの低下度が前述実施形態に比較して素早くなる。これにより、インジェクタ４の電磁コイルＬ１のフライバックエネルギーをより速やかに消孤できる。

このような構成を採用することで、部品点数の増加を極力抑制した上で高耐圧プロセスを用いることなく構成でき、過渡的に生じるフライバックエネルギーについて保護回路５ｃを用いて分散消費できる。

（他の実施形態）
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に示す変形または拡張が可能である。
４０Ｖ程度のツェナー電圧Ｖｚ特性を備えたツェナーダイオードＤｚ１〜Ｄｚ３を用いて構成したが、１００ボルト未満のツェナー電圧特性を備えたツェナーダイオードＤｚ１〜Ｄｚ３を採用すると良い。すると高耐圧プロセスを利用することなくツェナーダイオードＤｚ１〜Ｄｚ３を構成できる。

抵抗Ｒ１、Ｒ１ａ、Ｒ１ｂ、抵抗Ｒ２、Ｒ２ａ、Ｒ２ｂの抵抗値は、サージ電圧による電流を消費可能な値で且つサージパルス通電時に動作保証可能な値に設定されていると良い。すると、フライバックエネルギーを効率良く消費できると共に、各抵抗Ｒ１、Ｒ１ａ、Ｒ１ｂ、抵抗Ｒ２、Ｒ２ａ、Ｒ２ｂによる消費電力を定格未満に抑制でき、信頼性高く動作保証できる。

また、分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５の抵抗値は、ツェナーダイオードＤｚ１〜Ｄｚ３を通じて通電されたときの消費電力が定格未満となる抵抗値に設定されていると良い。すると信頼性の高い回路を構成でき動作保証できる。

図面中、５、５ｂ、５ｃは保護回路（インジェクタ駆動装置のサージ保護回路）、Ｌ１，Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃはインジェクタの電磁コイル、Ｍ１，Ｍ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ１ｃはＭＯＳトランジスタ（電界効果トランジスタ）、Ｄ１，Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃはダイオード、Ｄｚ１，Ｄｚ２，Ｄｚ３はツェナーダイオード、Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５は抵抗（分圧抵抗）、Ｒ１、Ｒ１ａ、Ｒ１ｂは抵抗（第１の抵抗）、Ｒ２、Ｒ２ａ、Ｒ２ｂは抵抗（第２の抵抗）を示す。

Claims (6)

1. 電源端子からインジェクタの電磁コイル（Ｌ１，Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ）を通じてドレインが接続され当該電磁コイルを駆動する第１電界効果トランジスタ（Ｍ１，Ｍ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ１ｃ）を保護するサージ保護回路であって、
   第２電界効果トランジスタ（Ｍ２）と、
   前記第１電界効果トランジスタのドレインと前記電磁コイルとの共通接続点にアノードが接続されるダイオード（Ｄ１，Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃ）と、
   前記ダイオードのカソードに逆方向接続される１又は複数のツェナーダイオード（Ｄｚ１，Ｄｚ２，Ｄｚ３）と、
   前記ツェナーダイオードのアノード電圧を分圧し前記第２電界効果トランジスタのゲートに分圧電圧を入力させる分圧抵抗（Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５）と、
   前記ダイオードのカソードおよび前記ツェナーダイオードのカソードの共通接続点と前記第２電界効果トランジスタのドレインとの間に接続される第１の抵抗（Ｒ１，Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ）と、
   前記第２電界効果トランジスタのソースとグランドとの間に接続される第２の抵抗（Ｒ２，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ）と、を備えたことを特徴とするインジェクタ駆動装置のサージ保護回路。
2. 請求項１記載のサージ保護回路において、
   前記電磁コイル（Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ）、前記第１電界効果トランジスタ（Ｍ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ１ｃ）、および前記ダイオード（Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃ）は、それぞれ複数設けられ、
   前記複数の第１電界効果トランジスタ（Ｍ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ１ｃ）は、それぞれの電磁コイル（Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ）を駆動するトランジスタであり、
   前記複数のダイオード（Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃ）のそれぞれのアノードが、前記複数の第１電界効果トランジスタ（Ｍ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ１ｃ）のそれぞれのドレインと前記電磁コイル（Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ）のそれぞれとの間に接続されると共に、
   前記複数のダイオード（Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃ）のカソードが共通接続され、これらの共通接続点と前記分圧抵抗の一端との間に前記１又は複数のツェナーダイオード（Ｄｚ１，Ｄｚ２，Ｄｚ３）が逆方向接続されることを特徴とするインジェクタ駆動装置のサージ保護回路。
3. 請求項１または２記載のサージ保護回路において、
   前記ツェナーダイオード（Ｄｚ１，Ｄｚ２，Ｄｚ３）は、それぞれ１００ボルト未満のツェナー電圧特性を備えて複数直列接続されていることを特徴とするインジェクタ駆動装置のサージ保護回路。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のサージ保護回路において、
   前記第１の抵抗（Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ）及び前記第２の抵抗（Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ）は、それぞれの抵抗値が前記サージ電圧による電流を消費可能な値で、且つ、サージパルス通電時に動作保証可能な値に設定されていることを特徴とするインジェクタ駆動装置のサージ保護回路。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のサージ保護回路において、
   前記第１の抵抗（Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ）及び前記第２の抵抗（Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ）は、それぞれ複数並列接続されていることを特徴とするインジェクタ駆動装置のサージ保護回路。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載のサージ保護回路において、
   前記分圧抵抗（Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５）の抵抗値は、前記ツェナーダイオード（Ｄｚ１，Ｄｚ２，Ｄｚ３）を通じて通電されたときの消費電力が定格未満となる抵抗値に設定されていることを特徴とするインジェクタ駆動装置のサージ保護回路。

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