JP6442889B2 - 内燃機関の点火制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載される内燃機関の点火装置に関する。

この種の内燃機関の点火装置では、例えばバッテリ電圧の低下に起因する着火性が低下した場合に、多重点火を行うことが知られている。(例えば、特許文献１，２参照)。
特許文献１に記載された従来例では、冷間始動時やエンジン水温が低いときに、正規の点火タイミングでの点火の後、引き続いて４ｍｓ毎に通電及び通電カットを繰り返し２回目の点火及び３回目の点火を追加するようにしたエンジンの点火装置が開示されている。

また、特許文献２に記載された従来例では、バッテリ電圧の点火コイル一次側への印加を指令する点火信号がオンに維持される通電時間の後に、この点火信号がオフに維持される放電時間と、点火信号が再びオンに維持される休止時間との組合せを少なくとも１回設けることにより、点火コイル二次側に接続されたスパークプラグでの火花放電を複数回発生させる多重点火を、運転領域に応じて行うようにしている。

特開平７−１０３１２２号公報 特開２０００−３４５９４９号公報

ところで、上記特許文献１及び２に記載された従来例にあっては、低温時やバッテリ電圧が低下したときに、点火装置を複数回点火させるようにしているが、バッテリ電圧のイグニッションコイルの一次側への印加を制御するために、イグニッションコイルの一次側にスイッチング用トランジスタとして絶縁ゲートバイポーラトランジスタやパワーＭＯＳ電界効果トランジスタ等の電圧制御型半導体素子を接続している。この電圧制御型半導体素子のゲートに点火信号を供給してオン・オフ制御し、電圧制御型半導体素子がオン状態からオフ状態となるときにイグニッションコイルの二次側に火花電流を発生させて点火プラグで放電を発生させる。

しかしながら、火花点火を連続的に複数回行う場合には、電圧制御型半導体素子のターンオフ動作時を行わせた後ターンオン動作を行うことを繰り返す必要があるが、電圧制御型半導体素子のターンオフ動作時の応答特性が多重点火信号に追従しない可能性がある。
本発明は、上記従来例の課題に着目してなされたものであり、電圧制御型半導体素子のターンオフ動作時の応答特性を向上させるようにした内燃機関の点火制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成たるために、本発明に係る内燃機関の点火制御装置の一態様は、内燃機関の点火装置に放電電圧を供給するイグニッションコイルと、このイグニッションコイルの一次側に接続された電圧制御型半導体素子と、前記電圧制御型半導体素子のゲートに、ゲート配線を介して点火期間内で当該電圧制御型半導体素子のターンオン動作及びターンオフ動作させるゲート信号を供給し、該ゲート信号が供給されている間に前記ターンオン動作及び前記ターンオフ動作を複数回繰り返させる多重点火動作が可能な点火制御部とを備えている。そして、点火制御部は、多重点火動作時における電圧制御型半導体素子のターンオフ動作時に、この電圧制御型半導体素子に蓄積されたゲート電荷をグランドに放電させる能動素子を備え、ゲート配線を介して能動素子を電圧制御型半導体素子のゲートに接続している。

本発明の一態様によれば、電圧制御型半導体素子のターンオフ動作時に、この電圧制御型半導体素子のゲートに蓄積されたゲート電荷をグランドに放電させる能動素子を電圧制御型半導体素子のゲート寄りのゲート配線に接続したので、電圧制御型半導体素子のターンオフ動作を高応答性で行い、多重点火信号に正確に追従することができる。したがって、点火装置の多重点火を確実に行うことができる。

本発明の第１の実施形態を示す回路図である。 タイマ回路及び複数点火回路の具体的構成を示す回路図である。 点火制御装置をワンチップ化した場合の平面図である。 図３の要部の拡大図である。 第１の実施形態の動作の説明に供する通常動作時のタイムチャートである。 第１の実施形態の動作の説明に供する多重点火動作時のタイムチャートである。 コレクタ電圧とコレクタ・ゲート間電流との関係を示す特性線図である。 本発明の第２の実施形態を示す回路図である。 第２の実施形態のタイマ回路及び複数点火回路の具体的構成を示す回路図である。 第２の実施形態の点火制御装置をワンチップ化した場合の平面図である。 温度検出回路の具体的構成を示す回路図である。 第２の実施形態の変形例を示す点火制御装置をワンチップ化した場合の平面図である。 電圧検出回路の具体的構成を示す回路図である。 本発明の第３の実施形態を示す回路図である。 第３の実施形態の動作の説明に供するタイムチャートである。 第３の実施形態におけるゲート電圧低下検出回路及び複数点火回路の具体的構成を示す回路図である。 本発明の第４の実施形態を示す回路図である。 点火制御装置を２チップ化した場合の回路図である。

本発明に係る内燃機関の点火制御装置の第１の実施形態について図１を伴って説明する。
点火制御装置１０は、図１に示すように、一次側にバッテリ１１から電源電圧が印加され、二次側に点火装置１２が接続されたイグニッションコイル１３を備えている。このイグニッションコイル１３の一次側にはワンチップイグナイタを構成する点火制御部としての半導体装置２０が接続されている。この半導体装置２０にはエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０から点火信号が供給される。

半導体装置２０は、イグニッションコイル１３の一次側巻線のバッテリ１１とは反対側に接続されるコレクタ端子ｔｃと、グランドに接続されるエミッタ端子ｔｅと、エンジンコントロールユニット３０に接続されるゲート端子ｔｇとを備えている。
そして、コレクタ端子ｔｃ及びエミッタ端子ｔｅ間には、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やパワーＭＯＳ電界効果トランジスタで構成される電圧制御型半導体素子２１が接続されている。この電圧制御型半導体素子２１は、高電位側端子となるコレクタがコレクタ端子ｔｃに接続され、低電位側端子となるエミッタがエミッタ端子ｔｅに接続されている。また、電圧制御型半導体素子２１は、制御端子となるゲートがゲート配線２２を介してゲート端子ｔｇに接続されている。ゲート配線２２には、少なくとも２つの抵抗Ｒ１及びＲ２が直列に介挿されている。ゲート端子ｔｇ側の抵抗Ｒ１の抵抗値は電圧制御型半導体素子２１のゲート側の抵抗Ｒ２の抵抗値より大きく設定されている。一例として、抵抗Ｒ１の抵抗値は例えば５ｋΩ程度に設定され、抵抗Ｒ２の抵抗値は例えば５００Ω程度に設定されている。

抵抗Ｒ１には電圧制御型半導体素子２１のターンオフを早めるスピードアップダイオードＤｓが並列に接続されている。このスピードアップダイオードＤｓのカソードは抵抗Ｒ１のゲート端子ｔｇ側に接続され、アノードは抵抗Ｒ１の抵抗Ｒ２側に接続されている。
また、電圧制御型半導体素子２１のゲート・コレクタ間には、クランプダイオードＤｃが電圧制御型半導体素子２１のコレクタ電極と抵抗Ｒ１及びＲ２間との間に接続されている。このクランプダイオードＤｃは、電圧制御型半導体素子２１のゲート・コレクタ間にクランプ電圧（例えば４００Ｖ）以上の電圧が印加されたときに、クランプダイオードＤｃに電流が流れる。この電流は後述するようにグランドに流れる。

また、電圧制御型半導体素子２１のコレクタ電極及びゲート電極間には高耐圧定電流回路２３が接続されている。この高耐圧定電流回路２３は例えばデプレッション型絶縁ゲートバイポーラトランジスタで構成され、電圧制御型半導体素子２１のコレクタ電極及びコレクタ端子ｔｃ間とゲート抵抗Ｒ２及び電圧制御型半導体素子２１のゲート電極間に介挿されている。この高耐圧定電流回路２３は、クランプダイオードＤｃのクランプ時にコレクタ・ゲート間電流の急上昇を緩和する。

また、抵抗Ｒ１及びゲート端子Ｔｇ間のゲート配線とエミッタ端子ｔｅとの間にゲート・エミッタ抵抗Ｒ３が介挿されている。
さらに、ゲート配線２２における電圧制御型半導体素子２１のゲート側の抵抗Ｒ２と電圧制御型半導体素子２１のゲート電極との間で、ゲート電極側とエミッタ端子ｔｅとの間にプルダウン用の第１能動素子２４が接続されている。この第１能動素子２４は、電圧制御型半導体素子２１のターオフ動作を高応答で迅速に行うもので、一例としてｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタで構成されている。

この第１能動素子２４は、電圧制御型半導体素子２１のゲートに蓄積された電荷を素早くグランドに流出させるように、ドレインが電圧制御型半導体素子２１のゲート電極に近いゲート配線２２に接続され、ソースがエミッタ端子ｔｅに接続されている。この能動素子２４のドレインのゲート配線２２との接続はゲート電極に近いほどよく、ゲート配線２２のゲート電極との間の抵抗値が３００ｍΩ以下、好ましくは１００ｍΩ以下、さらに好ましくは５０ｍΩ以下となるゲート電極直近のゲート配線２２に能動素子２４のドレインを接続する。

そして、第１能動素子２４のゲートには放電制御回路としての複数点火回路２５からゲート信号が入力されている。この複数点火回路２５は、抵抗Ｒ１及びスピードアップダイオードＤｓのカソードとの接続点からゲート信号が電源として入力されて動作する。この複数点火回路２５には同様に抵抗Ｒ１及びスピードアップダイオードＤｓのカソードとの接続点からゲート信号が電源として入力されて動作するタイマ回路２６からの作動信号が入力されている。

ここで、複数点火回路２５の具体的構成は、図２に示すように、タイマ回路２６から入力される作動信号が直接セット端子ｓに入力されると共に、遅延回路２５ａを介してリセット端子ｒに入力されるフリップフロップ回路２５ｂを有する。このフリップフロップ回路２５ｂの肯定出力端子ｙから第１能動素子２４に対してゲート信号が出力される。
タイマ回路２６の具体的構成は、図２に示すように、第１タイマ部２６ａ第２タイマ部２６ｂ及び第３タイマ部２６ｃが直列に接続され、各タイマ部２６ａ〜２６ｃから出力される作動信号がオアゲート２６ｄを介して複数点火回路２５に作動信号として出力される。

第１タイマ部２６ａは、エンジンコントロールユニット３０から出力されるゲート信号がハイレベルに立ち上がった時点で起動され、ゲート信号がローレベルに立ち下がる時点の所定時間前までの第１タイマ期間Ｔｍ１が経過したときにタイムアップしてパルス状の第１作動信号を出力する。
第２タイマ部２６ｂは、第１タイマ部２６ａから出力される第１作動信号で起動され、第１タイマ部２６ａの設定期間より短い第２タイマ期間Ｔｍ２でタイムアップして第２作動信号を出力する。

第３タイマ部２６ｃは、第２タイマ部２６ｂから出力される第２作動信号で起動され、第２タイマ部２６ｂの第２タイマ期間Ｔｍ２と等しいタイマ期間でタイムアップして第３作動信号を出力する。
ここで、第１タイマ部２６ａの第１タイマ期間Ｔｍ１は、エンジンコントロールユニット３０から出力されるゲート信号のオン期間Ｔｏｎの例えば８０％の期間に設定され、第２タイマ部２６ｂ及び第３タイマ部２６ｃの第２タイマ期間Ｔｍ２は、ゲート信号のオン期間Ｔｏｎの例えば１０％の期間に設定されている。

また、ゲート配線２２の抵抗Ｒ１及びＲ２間とエミッタ端子ｔｅとの間にプルダウン用の第２能動素子２７が接続されている。この第２能動素子２７のゲートには、制御回路２８からゲート信号が供給される。
制御回路２８はゲート配線２２に印加されるゲート電圧が電源として供給されている。この制御回路２８は、電圧制御型半導体素子２１の過電流保護や過熱保護を行うもので、電圧制御型半導体素子２１の電流センス端子とエミッタ端子ｔｅとの間に接続された電流検出用抵抗Ｒ３の電流センス端子側の検出電圧が入力されて、電圧制御型半導体素子２１が過電流状態となったときに第２能動素子２７をオン状態に制御してゲート配線２２をグランドに接続することにより、ゲート電圧を直ちに低下させて、電圧制御型半導体素子２１をターンオフさせる。また、制御回路２８は、電圧制御型半導体素子２１のコレクタ電流Ｉｃが電流制限値に達したときに、電流制限値を維持するように第２能動素子２７を制御する。第２能動素子２７は過電流保護用、過熱保護用、電流制限用等の複数の能動素子で構成してもよい。

エンジンコントロールユニット３０は、点火装置を点火させる所定点火時期が到来する毎に、所定点火期間ハイレベルとなる電圧信号でなるゲート信号を出力する。
次に、ワンチップイグナイタで構成される半導体装置２０の構成を図３に示す。
図３に示すように、半導体装置２０は、例えばシリコンで形成された半導体基板４１に、電圧制御型半導体素子２１を形成する半導体素子形成領域４２と制御回路３７を形成する制御回路形成領域４３とが隣接して形成されている。

半導体素子形成領域４２と制御回路形成領域４３との境界位置には、第１能動素子形成領域４４が配置されている。これら半導体素子形成領域４２と第１能動素子形成領域４４の詳細は、図４に拡大図示されている。図４において、半導体素子形成領域４２は、半導体基板４１の一方の主面にストライプ状のチャネル領域４５（＝ウェル領域）を配置し、チャネル領域４５の表面層にストライプ状のエミッタ領域４６を配置している。このエミッタ領域４６の上面にＩＧＢＴエミッタ電極４７ｅが形成され、このエミッタ電極４７ｅの制御回路形成領域４３側にＩＧＢＴゲート電極４７ｇが形成されている。

第１能動素子形成領域４４には、ＩＧＢＴゲート電極４７ｇと平行に第１能動素子２４が形成され、その上面側にＭＯＳゲート電極４８ｇを挟んでＭＯＳドレイン電極４８ｄ及びＭＯＳソース電極４８ｓが形成されている。
そして、ＭＯＳドレイン電極４８ｄがＩＧＢＴゲート電極４７ｇにＭＯＳドレイン電極４８ｄより幅狭の電極配線部４９ａによって電気的に接続され、ＭＯＳソース電極４８ｓが電極配線部４９ｂによってＩＧＢＴエミッタ電極４６ｅに電気的に接続されている。

このように、半導体基板４１上に半導体素子形成領域４２に隣接して第１能動素子形成領域４４を形成するので、第１能動素子２４のドレインを電圧制御型半導体素子２１のゲートに近接して配置することが可能となる。このとき、第１能動素子２４のドレインのゲート配線２２への接続点は、電圧制御型半導体素子２１のゲート電極までのゲート配線２２の抵抗値が３００ｍΩ以下、好ましくは１００ｍΩ以下、より好ましくは５０ｍΩ以下となる位置に接続すると良い。

次に、上記第１実施形態の動作について図５を伴って説明する。
先ず、複数点火回路２５およびタイマ回路２６を動作させない通常状態では、エンジンコントロールユニット３０から点火装置の所定点火時期に、図５（ａ）に示す比較的長い所定期間ハイレベルとなる電圧信号でなるゲート信号が半導体装置２０のゲート端子ｔｇに入力される。

このため、ゲート信号がローレベルからハイレベルに立ち上がる時点ｔ１から電圧制御型半導体素子２１がターンオン状態となり、電圧制御型半導体素子２１のコレクタ電流Ｉｃは、図５（ｂ）に示すように、増加を開始する。これと同時に電圧制御型半導体素子２１のコレクタ電圧Ｖｃは、図５（ｃ）に示すように、グランドレベルに近いローレベル（例えば１．３Ｖ）に低下する。その後、電圧制御型半導体素子２１のコレクタ電流Ｉｃが電流制限値に達する時点ｔ２で、コレクタ電圧Ｖｃがイグニッションコイル１３のインダクタンスの変化率Ｌ（ｄｉ／ｄｔ）によってコレクタ電圧Ｖｃが緩やかに立ち上がり、その後時点ｔ３から例えば３〜５Ｖの低電圧で一定電圧を維持する。

そして、電圧制御型半導体素子２１がオン状態に制御されている間、イグニッションコイル１３の一次側巻線に電磁エネルギが蓄積される。その後、ゲート信号が所定の点火期間Ｔｏｎを超えて、図５（ａ）に示すように、時点ｔ４でローレベルに復帰すると、これに応じて電圧制御型半導体素子２１のゲート電圧がスピードアップダイオードＤｓを介して減少し、電圧制御型半導体素子２１がターンオフする。これによって、イグニッションコイル１３に蓄積された電磁エネルギが二次巻線に伝達されて、一次巻線の電流変化に応じた誘起電圧が二次巻線に発生する。これによって、点火装置１２で火花放電を発生させて内燃機関を駆動する。

これに対して、複数点火回路２５およびタイマ回路２６を動作状態としたときには、図６に示す多重点火動作となる。
すなわち、エンジンコントロールユニット３０から入力されるゲート信号がローレベルからハイレベルに転換した時点ｔ１１〜電圧制御型半導体素子２１のコレクタ電流Ｉｃが電流制限値に達する時点ｔ１２までは時点ｔ１１でタイマ回路２６の第１タイマ部２６ａが起動されていることを除いては前述した図５における時点ｔ１〜ｔ２と同様の動作を行う。

そして、時点ｔ１２後の時点ｔ１３で第１タイマ部２６ａがタイムアップして第１作動信号が出力されると、第２タイマ部２６ｂが起動されると同時に第１作動信号がオアゲート２６ｄを介して複数点火回路２５にトリガ信号として入力される。このため、フリップフロップ回路２５ｂがセットされて、その肯定出力端子ｙからハイレベルのゲート信号が第１能動素子２４のゲートに出力される。

このため、第１能動素子２４がオン状態となって、電圧制御型半導体素子２１のゲートに蓄積された電荷が抵抗素子を介することなく瞬間的に第１能動素子２４を通じてグランドに放電される。このため、電圧制御型半導体素子２１がターンオフ状態となり、そのコレクタ電流Ｉｃが遮断されて図６（ｂ）に示すように時点ｔ１３で零まで低下するとともに、電圧制御型半導体素子２１のコレクタ電圧Ｖｃが図６（ｃ）に示すように時点ｔ１３でクランプ電圧となる例えば４００Ｖまで急上昇する。これによって、前述した図５の時点ｔ４と同様に、点火装置１２で火花放電を発生し、内燃機関を駆動する。

このとき、複数点火回路２５及びタイマ回路２６には比較的大きな抵抗値の抵抗Ｒ１とゲート端子ｔｇとの間からゲート信号が電力として供給されているので、第１能動素子２４がオン状態となっても電力供給状態は維持されて複数点火回路２５及びタイマ回路２６の作動状態が継続される。
その後、複数点火回路２５の遅延回路２５ａから時点ｔ１４で第１作動信号の遅延信号が出力されると、フリップフロップ回路２５ｂがリセットされて、その肯定出力端子ｙから出力されるゲート信号がローレベルとなり、第１能動素子２４がオフ状態となる。

このため、ゲート配線２２の抵抗Ｒ１を介して電圧制御型半導体素子２１にゲート信号が供給される状態に復帰し、電圧制御型半導体素子２１がターンオン状態となり、コレクタ電流Ｉｃが急増するとともに、コレクタ電圧Ｖｃが急減する。これによって、イグニッションコイル１３の一次側巻線に電磁エネルギが蓄積される。
その後、時点ｔ１５で第２タイマ期間Ｔｍ２が経過して第２タイマ部２６ｂがタイムアップすると、第２作動信号がオアゲート２６ｄを介して複数点火回路２５に出力される。このため、複数点火回路２５では、前述した時点ｔ１３と同様に、フリップフロップ回路２５ｂがセットされて肯定出力端子ｙからハイレベルのゲート信号が第１能動素子２４のゲートに出力される。このため、第１能動素子２４がオン状態に制御されて、電圧制御型半導体素子２１のゲートに蓄積された電荷が抵抗素子を介することなく瞬間的に第１能動素子２４を通じてグランドに放電される。

したがって、電圧制御型半導体素子２１がターンオフ状態となり、コレクタ電流Ｉｃが急激に低下し、コレクタ電圧Ｖｃがクランプ電圧まで急増する。これによって、前述した時点ｔ１３と同様に、点火装置１２で火花放電を発生し、内燃機関を駆動する。
その後、時点ｔ１６で複数点火回路２５の遅延回路２５ａから第２作動信号の遅延信号がフリップフロップ回路２５ｂのリセット端子ｒに供給されることにより、このフリップフロップ回路２５ｂがリセットされ、第１能動素子２４がオフ状態に復帰し、電圧制御型半導体素子２１がターンオン状態に復帰する。

その後、時点ｔ１７で第３タイマ部２６ｃがタイムアップして第３作動信号が出力されると、前述した時点ｔ１５と同様の動作を行って第１能動素子２４がオン状態となって、電圧制御型半導体素子２１が瞬間的にターンオフ状態となり、点火装置１２で火花放電を発生する。その後、時点ｔ１８で時点ｔ１６と同様に第１能動素子２４がオフ状態となって電圧制御型半導体素子２１がターンオン状態に復帰するがその直後にエンジンコントロールユニット３０から入力されるゲート信号がハイレベルからローレベルに反転するので、電圧制御型半導体素子２１のゲートに蓄積された電荷は抵抗Ｒ２及びスピードアップダイオードＤｓを通ってエンジンコントロールユニット３０側に放電される。このため、電圧制御型半導体素子２１がターンオフ状態となる。

また、本実施形態では、電圧制御型半導体素子２１のコレクタ・ゲート間にクランプダイオードＤｃ及び高耐圧定電流回路２３が並列に接続されている。このため、電圧制御型半導体素子２１がオン状態からターンオフ状態となって、電圧制御型半導体素子２１のコレクタ電圧Ｖｃが急上昇する。このコレクタ電圧ＶｃがクランプダイオードＤｃの設定電圧例えば４００Ｖに達するとクランプダイオードＤｃを介し、スピードアップダイオードＤｓ、ゲート・エミッタ間抵抗Ｒ４を介し、さらにエミッタ端子ｔｅを介してグランドに流れる。これによってコレクタ電圧Ｖｃが４００Ｖに制限される。

このとき、コレクタ・ゲート間電流は、クランプダイオードＤｃのみがコレクタ・ゲート間に介挿されているものとすると、図７における特性線Ｌ１で示すようにコレクタ電圧Ｖｃが設定電圧に達する直前から急激に上昇することになり、コレクタ・ゲート間電流の電流変化率が大きくなって、クランプ電圧が不安定となる。
しかしながら、第１の実施形態では、クランプダイオードＤｃと並列に高耐圧定電流４回路２３が接続されている。この高耐圧定電流回路２３では、コレクタ電圧Ｖｃが０Ｖに近い状態から増加するときに、コレクタ・ゲート間電流を図７において特性線Ｌ２で示すように、双曲線状に増加させ、その後コレクタ電圧の増加にかかわらず電圧制御型半導体素子２１のゲート充填電流に比較して十分に小さい略一定電流値を維持する。

したがって、コレクタ・ゲート間電流は、高耐圧定電流回路２３を通じて流れる電流と、クランプダイオードＤｃを流れる電流との和となることから、図７における特性線Ｌ３で示すように、コレクタ電圧Ｖｃがクランプ電圧まで上昇する際のコレクタ・ゲート間電流の変化率を緩やかとすることができ、クランプ電圧の変動を抑制することができる。
なお、電圧制御型半導体素子２１が過電流状態となったときには、この過電流状態を制御回路２８で検出して第２能動素子２７をオン状態とすることにより、電圧制御型半導体素子２１をターンオフさせて動作を停止させることができる。同様に、電圧制御型半導体素子２１の温度が上昇して過熱状態となったときにも制御回路２８によって、第２能動素子２７をオン状態とすることにより、電圧制御型半導体素子２１の駆動を停止することができる。

このように、第１の実施形態によると、電圧制御型半導体素子２１をオン・オフさせて点火装置１２を複数回続けて多重点火させる場合に、複数点火回路２５で、電圧制御型半導体素子２１ゲートに抵抗素子を介することなく低配線抵抗となる位置で第１能動素子２４のドレインを接続し、この第１能動素子２のソースをグランドに接続する。これにより、多重点火動作時の電圧制御型半導体素子２１のターンオフ動作を、高応答性を持って行うことができ、多重点火時に電圧制御型半導体素子２１の追従性を確保して確実な多重点火動作を行うことができる。

また、第１の実施形態のように、複数点火回路２５及びタイマ回路２６をエンジンコントロールユニット３０から供給されるゲート信号を電源として動作させて多重点火動作を行うことができるので、別途内部電源回路を設ける必要がなく、半導体装置２０の全体構成を簡略化することができる。
さらに、電圧制御型半導体素子２１のコレクタ・ゲート間にクランプダイオードＤｃと並列に高耐圧定電流回路２３を接続したので、コレクタ・ゲート間電流の急激な変化を抑制してコレクタ電圧の変動を抑制することができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図８について説明する。
この第２の実施形態では、複数点火回路２５及びタイマ回路２６を低温時に動作させるようにしたものである。この第２の実施形態で第１の実施形態と同一部材には同一符号を付してその詳細説明はこれを省略する。
すなわち、第２の実施形態では、図８に示すように、半導体装置２０内に温度検出回路５０を設けるようにしている。この温度検出回路５０は、電圧制御型半導体素子２１が寒冷地等で点火装置１２が放電点火しにくい低温時にオン状態となる温度検出信号をタイマ回路２６に出力する。タイマ回路２６は、図９に示すように、オアゲート２６ｄの出力側がアンドゲート２６ｅの一方の入力側に接続され、このアンドゲート２６ｅの他方の入力側に温度検出回路５０から入力される温度検出信号が入力されている。

そして、アンドゲート２６ｅの出力が作動信号として複数点火回路２５に出力される。
ここで、温度検出回路５０は、図１０に示すように、半導体基板４１の半導体素子形成領域４２内に直列に複数段例えば４段直列に接続された温度検出用ダイオードを形成した温度検出領域６０が形成されている。温度検出回路５０の具体的構成は、図１１に示すように、温度検出領域６０に形成された温度検出用ダイオードＤｔのアノードが定電流回路６１を介してゲート配線２２の抵抗Ｒ１及びスピードアップダイオードＤｓのカソードの接続点に接続され、カソードがエミッタ端子ｔｅに接続されている。

そして、温度検出用ダイオードＤｔと定電流回路６１との間の接続点の検出電圧が判定回路６２に接続され、この判定回路６２で検出電圧が低温時の設定温度に対応する設定値以下となったときにハイレベルとなる温度検出信号をタイマ回路２６に出力する。
この第２の実施形態によると、半導体基板４１の電圧制御型半導体素子２１を形成した半導体素子形成領域４２の温度が低温設定温度より高い場合には、温度検出回路５０の定電流回路６１と温度検出用ダイオードＤｔとの接続点の電圧が低温設定電圧より高くなるので、判定回路６２からローレベルの温度検出信号Ｓｔがタイマ回路２６に出力される。

このため、タイマ回路２６では、アンドゲート２６ｅが閉じることにより、アンドゲート２６ｅから作動信号が出力されない。このため、複数点火回路２５のフリップフロップ回路２５ｂはリセット状態を継続し、第１能動素子２４はオフ状態を継続する。
このため、電圧制御型半導体素子２１は、エンジンコントロールユニット３０から入力されるゲート信号がオン状態からオフ状態となったときにターンオフ状態となり、前述した第１の実施形態の図５と同様の通常点火動作を行う。

しかしながら、寒冷地等で車両が停車していたり走行していたりして、半導体基板４１の半導体素子形成領域４２の温度が低い場合には、温度検出用ダイオードＤｔの抵抗分が小さくなることにより、定電流回路６１及び温度検出用ダイオードＤｔとの接続点の電圧が下降し、低温設定電圧より低くなるので、判定回路６２からハイレベルの温度検出信号Ｓｔがタイマ回路２６に出力される。

このため、タイマ回路２６ではアンドゲート２６ｅが開くことにより、タイマ回路２６からの作動信号の複数点火回路２５への出力が可能となる。
このため、エンジンコントロールユニット３０から入力されるゲート信号がハイレベルとなると、タイマ回路２６から第１作動信号、第２作動信号及び第３作動信号がオアゲート２６ｄ及びアンドゲート２６ｅを介して複数点火回路２５のフリップフロップ２６ｂ及び遅延回路２５ａに供給される。このため、複数点火回路２５で、第１実施形態における多重点火動作と同様の多重点火動作を開始し、図６と同様の動作を行って、第１作動信号、第２作動信号及び第３作動信号が入力される毎にフリップフロップ回路２５ｂがセットされてゲート信号を第１能動素子２４に出力する。このため、電圧制御型半導体素子２１が瞬時にターンオフされて、コレクタ電圧がクランプダイオードＤｃによるクランプ電圧まで上昇される。これによって、点火装置１２で火花放電を３回繰り返し発生する多重点火動作が行われる。

この第２の実施形態によると、電圧制御型半導体素子２１が点火動作をしにくい低温状態になるときにのみ多重点火動作を行い、その低温状態以外の状態では、通常点火動作を行うことができる。このため、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができることに加えて、常に多重点火動作を行う場合に比較して点火装置１２の火花放電回数を制限することができ、点火装置１２を長寿命化することができる。

なお、上記第２の実施形態では、電圧制御型半導体素子２１の温度を検出して低温時にのみ多重点火す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い。すなわち、図１２に示すように、バッテリ電圧の低下を検出したときに、多重点火動作を行うようにしてもよい。この場合には、図１２に示すように、半導体基板４１の制御回路形成領域４３に電圧検出領域７１を形成し、この電圧検出領域７１に、図１３に示す回路構成の電圧検出回路７０を構成する。この電圧検出回路７０は、半導体素子形成領域４２の主面とは反対側の面に形成したコレクタ電極に定電流回路７２と分圧抵抗Ｒ１１及びＲ１２の直列回路を形成し、分圧抵抗Ｒ１１及びＲ１２の接続点で得られる検出電圧を判定回路７３に供給する構成を有する。そして、判定回路７３でコレクタ電圧すなわちバッテリ１１のバッテリ電圧が設定電圧以下に低下しているか否かを判定し、バッテリ電圧が設定電圧以下であるときにハイレベルの電圧検出信号を前述した図９のタイマ回路２６のアンドゲート２６ｅに供給する。

この構成によれば、バッテリ１１の電源電圧が設定電圧を超えているときには、電圧検出回路７０の判定回路７３からローレベルの電圧検出信号がタイマ回路２６のアンドゲート２６ｅに出力されることにより、タイマ回路２６及び複数点火回路２５が動作を停止する。しかしながら、バッテリ１１の電源電圧が低下して電圧制御型半導体素子２１のコレクタ電圧が設定電圧以下に低下したときに、電圧検出回路７０の判定回路７３からハイレベルの電圧検出信号をタイマ回路２６のアンドゲート２６ｅに出力することにより、タイマ回路２６及び複数点火回路２５を作動状態として多重点火動作を行わせることができる。

次に、本発明の第３の実施形態を図１４について説明する。
この第３の実施形態では、半導体装置２０にバッテリ１１の電源を供給して内部電源を形成し、この内部電源によって内部回路を駆動するようにしたものである。
すなわち、第３の実施形態では、図１４に示すように、半導体装置２０にバッテリ１１からバッテリ電力が供給されるバッテリ電力入力端子ｔｂを形成するとともに、半導体装置２０内にバッテリ電力入力端子ｔｂに接続された内部電源回路８０が設けられている。

また、半導体装置２０内には、タイマ回路２６に代えてゲート電圧のハイレベルからローレベルへの反転時の電圧低下を検出するゲート電圧低下検出回路８１が設けられている。
内部電源回路８０は、レギュレータの構成を有し、供給されるバッテリ電圧を複数点火回路２５、制御回路２８及びゲート電圧低下検出回路８１を動作させる内部電源電圧に変換して複数点火回路２５及び制御回路２８に供給するようにしている。

このため、複数点火回路２５及びゲート電圧低下検出回路８１はゲート信号から電源供給を受けることがないので、ゲート信号のレベルに関わりなく動作することが可能となる。
したがって、第３実施形態では、エンジンコントロールユニット３０から出力されるゲート信号を、図１５に示すように、多重点火形態とすることにより、前述した第１及び第２の実施形態と同様の多重点火動作を行うことができる。このゲート信号は、第１及び第２の実施形態とは異なり、多重点火用のゲート信号とされている。この多重点火用ゲート信号は、図１５に示すように、複数ハイレベルの期間が第１タイマ期間Ｔｍ１に対応する比較的長い第１矩形波Ｗ１と、この第１矩形波Ｗ１がローレベルに反転してから遅延回路２５ａの遅延時間に相当する短い期間が経過した後にハイレベルとなり、ハイレベルの間が第２タイマ期間Ｔｍ２から遅延時間を減算した期間に設定された第２矩形波Ｗ２と、この第２矩形波Ｗ２がローレベルに反転してから遅延回路２５ａの遅延時間に相当する短い期間が経過した後にハイレベルとなり、ハイレベルの期間が第２矩形波と等しい第３矩形波Ｗ３とで形成されている。

ゲート電圧低下検出回路８１は、図１６に示すように、ゲート信号が入力される分圧抵抗Ｒ２１及びＲ２２を有し、これら分圧抵抗Ｒ２１及びＲ２２の接続点から得られる電圧が判定回路８１ａに供給される。この判定回路８１ａは、多重点火用ゲート信号がハイレベルにある状態で、ローレベルへ状態変化する際に、設定電圧以下に低下したか否かを判定する。したがって、判定回路８１ａは常時はローレベルの判定信号を複数点火回路２５のフリップフロップ回路２５ｂ及び遅延回路２５ａに出力しているが、多重点火用ゲート信号がハイレベルからローレベルに状態変化する際の電圧が、設定電圧以下となったときにハイレベルの判定信号を複数点火回路２５のフリップフロップ回路２５ｂ及び遅延回路２５ａに出力する。

この第３の実施形態によると、エンジンコントロールユニット３０から第１及び第２の実施形態と同様のゲート信号を出力している場合に、ゲート信号がハイレベルからローレベルに反転する際に、ゲート電圧低下検出回路８１の判定回路８２からハイレベルの判定信号が複数点火回路２５のフリップフロップ回路２５ｂ及び遅延回路２５ａに入力されるので、第１能動素子２４が遅延回路２５ａの遅延時間分オン状態となって、電圧制御型半導体素子２１をターンオフ状態として、コレクタ電圧Ｖｃをクランプ電圧まで上昇させて点火装置１２で火花放電を発生させる。

一方、エンジンコントロールユニット３０側で低温状態やバッテリ電圧低下状態を検出したときに、図１５（ａ）に示す多重点火用ゲート信号が出力される。
この多重点火用ゲート信号が半導体装置２０のゲート端子ｔｇに入力されると、第１矩形波Ｗ１がハイレベルとなった時点ｔ２１で、電圧制御型半導体素子２１がターンオン状態となり、コレクタ電流Ｉｃが図１５（ｂ）に示すように徐々に増加し、これに応じてコレクタ電圧Ｖｃがグランドレベルに近い値に低下する。この第１矩形波Ｗ１がハイレベルを継続している状態では、ゲート電圧低下検出回路８１では判定回路８２からローレベルの判定信号が複数点火回路２５のフリップフロップ回路２５ｂ及び遅延回路２５ａに出力しているので、フリップフロップ回路２５ｂはリセット状態を維持し、肯定出力端子ｙから出力されるゲート信号もローレベルを維持している。このため、第１能動素子２４はオフ状態を継続している。

その後時点ｔ２２で、コレクタ電流Ｉｃが電流制限値に達し、その後時点ｔ２３で第１矩形波Ｗ１がハイレベルからローレベルに状態変化すると、このときのゲート電圧が設定電圧以下となると、ゲート電圧低下検出回路８１の判定回路８２からハイレベルの判定信号が複数点火回路２５のフリップフロップ回路２５ｂ及び遅延回路２５ａに供給される。このため、第１及び第２の実施形態と同様に、フリップフロップ回路２５ｂがセットされ、その肯定出力端子ｙからハイレベルのゲート信号が第１能動素子２４のゲートに出力される。したがって第１能動素子２４がオン状態となって、電圧制御型半導体素子２１のゲートに蓄積された電荷が抵抗素子を介することなく最も配線抵抗が小さくなる第１能動素子２４を介してグランドに放電される。これによって、電圧制御型半導体素子２１がターンオフ状態となり、第１実施形態の図６と同様にコレクタ電流Ｉｃが急激に低下するとともに、コレクタ電圧が急激に上昇してクランプ電圧に達する。したがって、点火装置１２で火花放電が発生されて内燃機関が駆動される。

その後、時点ｔ２４で遅延回路２５ａから判定信号が遅延されて出力されるので、フリップフロップ回路２５ｂがリセットされて、第１能動素子２４がオフ状態に復帰する。これと同時に、多重点火ゲート信号では、図１５（ａ）に示すように、第２矩形波Ｗ２がハイレベルとなることにより、電圧制御型半導体素子２１がターンオン状態となる。このため、コレクタ電流Ｉｃが増加するとともに、コレクタ電圧Ｖｃがグランドレベルに近い電圧まで急減し、その後時点ｔ２５でコレクタ電流が電流制限値に達した後時点ｔ２６で第２矩形波Ｗ２がハイレベルからローレベルに状態変化する。

このため、時点ｔ２３と同様に、ゲート電圧が設定電圧以下に低下すると判定回路８２かちハイレベルの判定信号が複数点火回路２５のフリップフロップ回路２５ｂ及び遅延回路２５ａに供給される。このため、フリップフロップ回路２５ｂから出力されるゲート信号がハイレベルとなり、第１能動素子２４がオン状態となって、電圧制御型半導体素子２１のゲートに蓄積された電荷が第１能動素子２４を介して瞬時にグランドに放電される。これによって電圧制御型半導体素子２１がターンオフ状態となって、点火装置１２で火花点火が発生する。

同様に、時点ｔ２７で第３矩形波Ｗ３がハイレベルとなると、以下上記と同様の動作を行って第３矩形波Ｗ３のハイレベルからローレベルに状態変化する際に、第１能動素子２４をオン状態として電圧制御型半導体素子２１が瞬時にターンオフ状態となり、コレクタ電圧がクランプ電圧まで上昇して点火装置１２で火花放電が発生する。
このように第３の実施形態によると、エンジンコントロールユニット３０からの多重点火用ゲート信号によって、多重点火動作を行わせ、この際ゲート電圧がハイレベルからローレベルに状態変化するときに、複数点火回路２５で第１能動素子２４をオン状態に制御するので、電圧制御型半導体素子２１のゲートに蓄積された電荷を、抵抗素子を介することなく最小配線抵抗でグランドに放電することができ、電圧制御型半導体素子２１のターンオフ動作を、高応答性を持って確実に行うことができる。このため、このため、前述した第１及び第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、上記第３の実施形態においては、エンジンコントロールユニット３０から多重点火用ゲート信号を半導体装置２０に供給するようにした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、第１及び第２実施形態と同様のゲート信号を半導体装置２０に供給して、半導体装置２０内に複数点火回路２５及びタイマ回路２６又は複数点火回路２５、タイマ回路２６及び温度又は電圧検出回路を設けるようにしてもよい。この場合には、複数点火回路２５及びタイマ回路２６が内部電源回路８０の内部電源電圧によって駆動されることを除いては前述した第１及び第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

次に、本発明の第４の実施形態を図１７について説明する。
この第４の実施形態では、前述した第２の実施形態において、通常点火動作から多重点火動作に切換える場合に、クランプ電圧も同時に高めるようにしたものである。
すなわち、第４の実施形態では、図１７に示すように、第２の実施形態における図８の構成において、クランプダイオードＤｃと直列に高耐圧のスイッチ素子９０を接続し、これらクランプダイオードＤｃ及びスイッチ素子９０の直列回路と並列にクランプダイオードＤｃのクランプ電圧（例えば４００Ｖ）より高いクランプ電圧（例えば５００Ｖ）のクランプダイオードＤｃ１を接続している。そして、スイッチ素子９０に温度検出回路５０から出力される温度検出信号をインバータ９１を介して供給し、温度検出信号がハイレベルであるときにオフ状態とし、ローレベルであるときにオン状態に制御する。

この第４の実施形態によれば、電圧制御型半導体素子２１の温度が設定温度より高い状態では、温度検出回路５０の判定回路６２からローレベルの温度検出信号が出力されるので、スイッチ素子９０がオン状態となって、電圧制御型半導体素子２１のコレクタ・ゲート間にクランプダイオードＤｃ及びＤｃ１が並列に接続される。
この状態で、電圧制御型半導体素子２１がターンオンされた後にターオフされたときに、電圧制御型半導体素子２１のコレクタ電圧Ｖｃが上昇するが、このコレクタ電圧では２つのクランプダイオードＤｃ及びＤｃ１のうちクランプ電圧が低い方のクランプダイオードＤｃによってクランプされる。このため、第２の実施形態と同様の作用効果を受かることができる。

しかしながら、電圧制御型半導体素子２１の温度が設定電圧以下に低下した場合には、温度検出回路５０の判定回路６２からハイレベルの温度検出信号が出力される。これによって複数点火回路２５及びタイマ回路２６が動作状態となって、多重点火動作が行われることになる。このとき、判定回路６から出力されるハイレベルの温度検出信号がインバータ９１を介してスイッチ素子９０に供給されるので、スイッチ素子９０がオフ状態となり、電圧制御型半導体素子２１のコレクタ・ゲート間に高クランプ電圧のクランプダイオードＤｓ１のみが接続されることになる。このため、電圧制御型半導体素子２１がターンオン後にターンオフしたときにコレクタ電圧Ｖｃは、通常動作時より高いクランプ電圧（例えば５００Ｖ）にクランプされる。このため、点火装置１２に供給される放電電圧が通常時に比較して高くなり、火花放電を確実に行うことができる。

この第４の実施形態によると、電圧制御型半導体素子２１の温度が低い状態で、点火装置１２の火花放電回数を増加させる多重点火動作とする同時に電圧制御型半導体素子２１のコレクタ電圧Ｖｃのクランプ電圧を通常点火動作より高めることができるので、多重点火を確実に行って、内燃機関の駆動に支承を与えることがない。
なお、上記第１〜第４の実施形態においては、多重点火動作で、点火装置１２を通常時に比較して２回分多く火花放電させ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、点火装置１２の火花放電回数は任意に設定することができる。

また、上記第１〜第４の実施形態においては、半導体装置２０をワンチップイグナイタの構成とした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１８に示すように、電圧制御型半導体素子２１と第１能動素子２４とを１つのチップに構成し、複数点火回路２５、タイマ回路２６等を他のチップに構成して、両チップを電気的に接続するようにしてもよい。

１０…点火制御装置
１１…バッテリ
１２…点火装置
１３…イグニッションコイル
２０…半導体装置
２１…電圧制御型半導体素子
２２…ゲート配線
２３…高耐圧定電流回路
Ｄｃ、Ｄｃ１…クランプダイオード
Ｒ１〜Ｒ４…抵抗
２４…第１能動素子
２５…複数点火回路
２６…タイマ回路
２７…第２能動素子
２８…制御回路
３０…エンジンコントロールユニット
４１…半導体基板
４２…半導体素子形成領域
４３…制御回路形成領域
４４…第１能動素子形成領域
５０…温度検出回路
６０…温度検出領域
Ｄｔ…温度検出用ダイオード
６１…定電流回路
６２…判定回路
７０…電圧検出回路
８０…内部電源回路
８１…ゲート電圧低下検出回路
９０…スイッチ素子

Claims (14)

1. 内燃機関の点火装置に放電電圧を供給するイグニッションコイルと、該イグニッションコイルの一次側に接続された電圧制御型半導体素子と、前記電圧制御型半導体素子のゲートに、ゲート配線を介して点火期間内で当該電圧制御型半導体素子のターンオン動作及びターンオフ動作させるゲート信号を供給し、該ゲート信号が供給されている間に前記ターンオン動作及び前記ターンオフ動作を複数回繰り返させる多重点火動作が可能な点火制御部とを備え、
   前記点火制御部は、前記多重点火動作時における前記電圧制御型半導体素子のターンオフ動作時に、当該電圧制御型半導体素子に蓄積されたゲート電荷をグランドに放電させる能動素子を備え、前記ゲート配線を介して前記能動素子を前記電圧制御型半導体素子のゲートに接続したことを特徴とする内燃機関の点火制御装置。
2. 前記ゲート配線における前記能動素子の接続点と前記電圧制御型半導体素子のゲートとの間の抵抗値が３００ｍΩ以下であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火制御装置。
3. 前記ゲート配線における前記能動素子の接続点と前記電圧制御型半導体素子のゲートとの間の抵抗値が１００ｍΩ以下であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火制御装置。
4. 前記ゲート配線における前記能動素子の接続点と前記電圧制御型半導体素子のゲートとの間の抵抗値が５０ｍΩ以下であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火制御装置。
5. 前記能動素子をＮチャネルのＭＯＳＦＥＴで構成し、半導体基板に前記電圧制御型半導体素子を形成する半導体素子形成領域と前記ＭＯＳＦＥＴを形成する能動素子形成領域を隣接して形成し、前記能動素子形成領域のドレイン電極を前記半導体素子形成領域のゲート電極に電極配線部を介して接続したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火制御装置。
6. 前記点火制御部は、前記点火装置の点火期間内に前記電圧制御型半導体素子のターンオン動作及びターンオフ動作を複数回行わせるゲート信号を供給するゲート信号供給回路と、該ゲート信号のオン状態からオフ状態への状態変化時に前記能動素子をオン動作させる放電制御回路とを備えていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の内燃機関の点火制御装置。
7. 前記点火制御部は、前記点火装置の点火期間内に前記電圧制御型半導体素子のターンオン動作及びターンオフ動作を行わせるゲート信号を供給するゲート信号供給回路と、前記ゲート信号がオン状態となってからオフ状態となる前に前記能動素子を複数回繰り返しオン状態とするタイマ信号を出力するタイマ回路と、該タイマ回路のタイマ信号に応じて前記能動素子をオン状態とする放電制御回路とを備えていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の内燃機関の点火制御装置。
8. 前記点火制御部は、温度検出回路を有し、該温度検出回路で検出した温度が設定温度以下であるときに前記電圧制御型半導体素子のターンオン動作及びターンオフ動作を複数回行わせるように構成されていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の内燃機関の点火制御装置。
9. 前記点火制御部は、前記イグニッションコイルに電力を供給する直流電源の電源電圧を検出する電圧検出回路を有し、該電圧検出回路で検出した電源電圧が設定電圧以下であるときに前記電圧制御型半導体素子のターンオン動作及びターンオフ動作を複数回行わせるように構成されていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の内燃機関の点火制御装置。
10. 前記点火制御部は、前記電圧制御型半導体素子が形成されたチップ内に形成されていることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の内燃機関の点火制御装置。
11. 前記点火制御部は、前記電圧制御型半導体素子が形成されたチップとは別のチップに形成されていることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の内燃機関の点火制御装置。
12. 前記点火制御部は、エンジンコントロールユニットから供給されるゲート信号を電源として動作するように構成されていることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載の内燃機関の点火制御装置。
13. 前記点火制御部は、前記イグニッションコイルに電力を供給する直流電源の電源電圧が供給されて内部動作電力を出力する内部電源回路を備えていることを特徴とする請求項１から１２の何れか１項に記載の内燃機関の点火制御装置。
14. 前記点火制御部は、前記電圧制御型半導体素子の高電位側端子とゲート端子との間にクランプダイオードと高耐圧定電流回路とが並列接続されていることを特徴とする請求項１から１３の何れか１項に記載の内燃機関の点火制御装置。

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