JPWO2002059478A1 - 内燃機関用点火装置 - Google Patents
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Abstract
制御回路１３０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／遮断制御する。制御回路１３０と、絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタ（ＩＧＢＴ）１１０は、モノリシックシリコン基板に集積して形成されている。制御回路１３０としては、複数の異なる機能を有する制御回路ブロックをシリコン基板上に形成する。そして、配線パターンの変更により、制御回路ブロックの回路機能を有効／無効にする。
Description
技術分野
本発明は、内燃機関用点火装置に係り、特に、ＩＧＢＴシリコンチップに回路を集積した１チップ型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
従来、絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタ（ＩＧＢＴ）のモノリシックシリコン基板に回路を集積させた内燃機関用点火装置としては、例えば、特開平９−１７７６４７号公報，特開平８−３３５５２２号公報，特開平２０００−６２５３号公報に記載されたものが知られている。特開平９−１７７６４７号公報に記載されたものは、ＩＧＢＴのモノリシックシリコン基板に電流制限回路を集積させたものである。特開平９−１７７６４７号公報に記載されたものは、ＩＧＢＴのモノリシックシリコン基板に電流制限回路と、異常発熱時に通電を強制的に遮断するサーマルシャットオフ回路を集積させたものである。特開平２０００−６２５３号公報に記載されたものは、ＩＧＢＴのモノリシックシリコン基板に電流制限回路と、一定時間以上の通電を禁止するセルフシャットオフ回路を集積させたものである。
発明の開示
従来の内燃機関用点火装置においては、上述した各制御回路を、それぞれ顧客要求仕様に合せて設計し、個々の内燃機関用点火装置として製造しているものである。そのため、その都度開発期間がかかり顧客の要求にタイムリーに対応できないという問題があった。
本発明の目的は、開発期間を短縮可能な内燃機関用点火装置を提供することにある。
上述の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／遮断制御する制御回路及び絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタを有すると共に、上記制御回路を上記トランジスタのモノリシックシリコン基板に集積して形成した内燃機関用点火装置において、上記制御回路として、複数の異なる機能を有する制御回路ブロックを上記シリコン基板上に形成するとともに、配線パターンの変更により、上記制御回路ブロックの回路機能を有効／無効にするようにしたものである。
かかる構成により、顧客要求仕様に応じた制御回路を配線パターンの変更で簡単に行えるため、開発期間を短縮し得るものとなる。
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た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た点火システムのシステム構成を示すブロック図である。
本実施形態による点火システムは、内燃機関用電子制御装置（ＥＣＵ）１０と、点火コイル２０と、点火プラグ３０と、点火装置１００とから構成されている。ＥＣＵ１０の出力段は、ＰＮＰトランジスタ１２と、ＮＰＮトランジスタ１４と、抵抗１６とから構成されている。ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ１８により算出された適正な点火タイミングで、トランジスタ１２，１４をＯＮ・ＯＦＦし、点火装置１００に、ＨＩＧＨ，ＬＯＷのパルスを出力する。
点火装置１００は、ＩＧＢＴ等のパワートランジスタ１１０と、電流検出回路１２０と、制御回路１３０とを備えている。制御回路１３０は、ハイブリッドＩＣによって構成され、パワートランジスタ１１０のＩＧＢＴ基板に集約されて形成されている。点火装置１００は、ＥＣＵ１０の出力信号がＬＯＷ→ＨＩＧＨになると、パワートランジスタ１１０は通電を開始し、ＨＩＧＨ→ＬＯＷでパワートランジスタ１１０を遮断する。パワートランジスタ１１０を遮断することにより、パワートランジスタ１１０のコレクタ部に電圧が発生し、点火コイ２０の巻き数比倍に相当する高電圧が、点火コイル２０の２次側に誘起する。点火プラグ３０は、点火コイル２０の２次側誘起電圧によって、放電して、内燃機関の気筒内の燃料噴霧に着火する。
次に、図２を用いて、本実施形態による内燃機関用点火装置に用いる自己分離形集積回路を持つ１チップＩＧＢＴの構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置に用いる自己分離形集積回路を持つ１チップＩＧＢＴの構成を示す断面図である。
ＩＧＢＴパワー部１１０は、Ｐ＋サブストレート部（Ｐ＋ｓｕｂ）をコレクタ（Ｃ）に有している。コレクタ電流は、ｎ＋バッファー層（ｎ＋ｂｕｆ）、ｎ−ドリフト層（ｎ−ｄｒｆ）から複数個のＮチャンネルをゲート（Ｇ）に持つＮ−ＭＯＳトランジスタを通して、エミッタ（Ｅ）に電流を流す構成となっている。
制御回路１３０を構成するＮ−ＭＯＳトランジスタ（デプレッションＮＭＯＳ（Ｄｅｐ−ＮＭＯＳ），エンハンスメントＮＭＯＳ（Ｅｎｈ−ＮＯＭＳ））は、ｎ一層（ｎ−ｄｒｆ）に打ち込んだｐウエル層（ｐ−ｗｅｌ）の中に構成する。制御回路１３０を構成するＮ−ＭＯＳトランジスタは、ｐウエル層（ｐ−ｗｅｌ）によって、パワー部１１０からアイソレートする自己分離構造である。これによって、マスク枚数を減少でき、低コストの１チップＩＧＢＴイグナイタを達成することができる。
次に、図３を用いて、本実施形態による内燃機関用点火装置の基本構成について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の基本構成を示すブロック図である。
点火装置１００は、パワートランジスタであるメインＩＧＢＴ１１０と、電流検出回路１２０と、制御回路１３０とを備えている。電流検出回路１２０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センスＩＧＢＴ１２０Ａと、センスＩＧＢＴ１２０Ａのエミッタに設けた電流検知抵抗１２０Ｂとから構成されている。制御回路１３０は、自己分離構造のＮＭＯＳトランジスタによって構成されており、メインＩＧＢＴ１１０やセンスＩＧＢＴ１２０Ａの形成されたシリコン基板に集約して形成されている。
制御回路１３０は、電流制限回路１３１と、基準電源回路１３２と、過熱検知回路１３３と、異常通電検知回路１３４と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６と、入力回路１３７と、入力電圧制御回路１３８とを有している。これらの各回路の組合せにより、複数の制御機能を有している。入力端子Ｓｉｎには、図１に示したＥＣＵ１０が出力するＨＩＧＨ，ＬＯＷのパルスが入力する。
電流制限回路１３１と、基準電源回路１３２によって、「電流制限機能」を備えるようにしている。電流制限回路１３１は、センスＩＧＢＴ１２０Ａのエミッタに設けた電流検知抵抗１２０Ｂの電圧ドロップを検出して、設定値に達した時点でコレクタ電流にリミットをかける。電流制限回路１３１は、入力端子１３１Ｉと、出力端子１３１Ｏと、電源端子１３１Ｖと、接地端子１３１Ｇとを備えている。入力端子１３１Ｉは、センスＩＧＢＴ１２０Ａのエミッタと電流検知抵抗１２０Ｂの接続点に接続されている。出力端子１３１Ｏは、メインＩＧＢＴ１１０のゲートに接続されている。電源端子１３１Ｖは、基準電源回路１３２の出力端子１３２Ｏに接続されている。接地端子１３１Ｇは、接地電位ＧＮＤに接続されている。
基準電源回路１３２は、制御回路の基準電圧を作るものである。基準電圧回路１３２は、出力端子１３２Ｏと、電源端子１３２Ｖと、接地端子１３２Ｇとを備えている。出力端子１３２Ｏは、電流制限回路１３１に基準電圧を供給する。電源端子１３２Ｖからは、電源電圧が供給される。接地端子１３２Ｇは、接地電位ＧＮＤに接続されている。
過熱検知回路１３３と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６によって、「過熱保護（サーマルシャットオフ）機能」を備えるようにしている。過熱検知回路１３３は、ＩＧＢＴ素子１１０の異常過熱を検知するものである。過熱検知回路１３３は、例えば、サーミスタから構成されており、メインＩＧＢＴ１１０の近傍に配置されている。サーミスタの抵抗値は温度によって変化することから、ＩＧＢＴ１１０の温度を検知して、設定温度以上になったことを検知すると出力信号を出力する。ラッチ回路１３５は、過熱検知回路１３３の出力信号をトリガーにして出力をセットし、ＥＣＵの点火信号がＬｏｗになるまで出力を維持する。シャットオフ回路１３６は、ラッチ回路１３５の出力によって、トランジスタＴＲ１を制御して、ＩＧＢＴ１１０のゲート電圧を制御することにより、ＩＧＢＴ１１０を通電／遮断制御する。
過熱検知回路１３３は、出力端子１３３Ｏと、電源端子１３３Ｖと、接地端子１３３Ｇとを備えている。出力端子１３３Ｏは、ラッチ回路１３５に出力信号を供給する。電源端子１３３Ｖには、電源電圧が供給される。接地端子１３３Ｇは、接地電位ＧＮＤに接続されている。ラッチ回路１３５は、入力端子１３５Ｉ１，１３５Ｉ２と、出力端子１３５Ｏと、電源端子１３５Ｖと、接地端子１３５Ｇとを備えている。入力端子１３５Ｉ１には、過熱検知回路１３２からの出力信号が入力する。出力端子１３５Ｏは、シャットオフ回路１３６に出力信号を供給する。電源端子１３５Ｖには、電源電圧が供給される。接地端子１３５Ｇは、接地電位ＧＮＤに接続されている。シャットオフ回路１３６は、入力端子１３６Ｉと、出力端子１３６Ｏと、電源端子１３６Ｖと、接地端子１３６Ｇとを備えている。入力端子１３６には、ラッチ回路１３５からのラッチ出力信号が入力する。出力端子１３６Ｏは、トランジスタＴＲ１のベースに出力信号を供給する。電源端子１３６Ｖには、電源電圧が供給される。接地端子１３６Ｇは、接地電位ＧＮＤに接続されている。
異常通電検知回路１３４と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６によって、「異常通電保護（セルフシャットオフ）機能」を備えるようにしている。異常通電検知回路１３４は、ＥＣＵ１０からの通電信号が設定値以上の長い信号を異常通電と判断する。ラッチ回路１３５は、異常通電検知回路１３４の出力信号をトリガーにして出力をセットし、ＥＣＵの点火信号がＬｏｗになるまで出力を維持する。シャットオフ回路１３６は、ラッチ回路１３５の出力によって、トランジスタＴＲ１を制御して、ＩＧＢＴ１１０のゲート電圧を制御することにより、ＩＧＢＴ１１０を通電／遮断制御する。
異常通電検知回路１３４は、入力端子１３４Ｉと、出力端子１３４Ｏと、電源端子１３４Ｖと、接地端子１３４Ｇとを備えている。入力端子１３４Ｉには、ＥＣＵ１０からの通電信号が入力する。出力端子１３４Ｏは、ラッチ回路１３５に出力信号を供給する。電源端子１３４Ｖには、電源電圧が供給される。接地端子１３４Ｇは、接地電位ＧＮＤに接続されている。
入力回路１３７は、外乱サージに対して充分な耐量を確保して、制御回路１３０の内部の各素子を破壊から守る。入力回路１３７は、外部サージからの保護及びこれに起因するＩＧＢＴラッチアップを防止する。
入力電圧制御回路１３８によって、「電圧制御機能」を備えるようにしている。入力電圧制御回路１３８は、入力信号レベルによってトランジスタＴＲ２を制御して、ＩＧＢＴ１１０のゲート電圧を制御することにより、ＩＧＢＴ１１０を通電／遮断制御する。入力電圧制御回路１３８は、ヒステリシス特性を有している。即ち、例えば、入力電圧がＶ１以上のとき、ＩＧＢＴ１１０を通電するとし、入力電圧がＶ２以下になると、ＩＧＢＴ１１０を遮断するものとして、Ｖ１＞Ｖ２となる特性を有している。入力電圧制御回路１３８は、入力端子１３８Ｉと、出力端子１３８Ｏと、接地端子１３８Ｇとを備えている。入力端子１３８Ｉには、ＥＣＵ１０からの通電信号が入力する。なお、この入力端子１３８Ｉは、電源端子も兼ね備えている。出力端子１３８Ｏは、トランジスタＴＲ２のベースに出力信号を供給する。接地端子１３８Ｇは、接地電位ＧＮＤに接続されている。
なお、抵抗Ｒ１は、ＩＧＢＴ１１０のゲート電位を降下させた状態で、制御回路１３０の電圧を維持するためものである。抵抗Ｒ２は、ツェナーダイオードＺＤが動作した場合に、ツェナー電流によって、ＩＧＢＴ１１０のゲート電圧が上昇して、ＩＧＢＴ１１０をＯＮさせるためのゲート抵抗である。
以上説明したように、制御回路１３０は、電流制限回路１３１と、基準電源回路１３２と、過熱検知回路１３３と、異常通電検知回路１３４と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６と、入力回路１３７と、入力電圧制御回路１３８と、トランジスタＴＲ１，ＴＲ２と、抵抗Ｒ１，Ｒ２を有している。これらの各回路１３１，…，１３７は、自己分離構造のＮＭＯＳトランジスタによって構成されており、メインＩＧＢＴ１１０やセンスＩＧＢＴ１２０Ａの形成されたシリコン基板に集約して形成されている。さらに、各回路１３１，…，１３７の端子間を接続する配線や、回路とトランジスタＴＲ１，ＴＲ２や、抵抗Ｒ１，Ｒ２を接続する配線（図中の各回路や素子を接続する実線部分）は、アルミ配線が用いられている。アルミ配線は、各回路や素子が形成された後、最後に、ウェハー基板の上に配線用マスクを設置して、アルミの蒸着等によって形成される。従って、配線用マスクのパターンを変えることによって、配線を容易に変えることができる。
以上説明したように、本実施形態による制御回路１３０は、１）電流制限機能と、２）サーマルシャットオフ機能と、３）セルフシャットオフ機能と、４）電圧制御機能とに対応する各回路を備えている。そして、図３に示すように、各回路が配線によって接続されている状態では、上述した１）〜４）の全ての機能を有効にすることができる。
従来の内燃機関用点火装置においては、制御回路を、それぞれ顧客要求仕様に合せて設計し、個々の内燃機関用点火装置として製造している。そのため、その都度開発期間がかかり顧客の要求にタイムリーに対応できないものであった。例えば、ある顧客仕様では、１）〜４）の全ての機能を備えた制御回路が要求され、また、別の顧客仕様としては、３）の機能が不要で、１），２），４）の機能を備えた制御回路が要求されるというようにである。
そこで、本実施形態では、制御回路１３０の基本構成は、図３に示したものとしている。そして、顧客要求に応じて、各機能回路の内不要なものを「無効」とすることで、順客要求に応じるようにしている。なお、一部の機能回路を無効にするには、配線用マスクのパターンを変えることで、配線を変えることで達成している。
ここで、図４を用いて、本実施形態による内燃機関用点火装置の第１の構成例について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の第１の構成例を示すブロック図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態による制御回路１３０Ａでは、１）電流制限機能と、２）サーマルシャットオフ機能と、４）電圧制御機能とに対応する各回路は、「有効」としているが、３）セルフシャットオフ機能に対応する回路は、「無効」としている。即ち、図４に示すように、制御回路１３０Ａは、電流制限回路１３１と、基準電源回路１３２と、過熱検知回路１３３と、異常通電検知回路１３４と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６と、入力回路１３７と、入力電圧制御回路１３８とを有している。しかしながら、セルフシャットオフ機能に対応する異常通電検知回路１３４は、備えられているが、動作しないようにしている。異常通電検知回路１３４を「無効」とするために、本実施形態では、異常通電検知回路１３４の電源端子１３４Ｖと、入力端子１３４Ｉと、出力端子１３４Ｏを、接地電位に接続している。この構成によって、異常通電時に強制的にコレクタ電流を遮断する機能を持たせない１チップＩＧＢＴイグナイタにすることができる。異常通電検知回路１３４の電源端子１３４Ｖと、入力端子１３４Ｉと、出力端子１３４Ｏを、接地電位に接続するためには、アルミ配線用マスクのパターンを、図３に示した制御回路１３０のアルミ配線時と異ならせている。この構成において、ＩＧＢＴに集積される回路そのものは、図３に示した点火装置１００と同じであるが、ＡＬ配線の変更のみで対応しているため、顧客要求に応じた制御回路を備えた点火装置を容易に提供することができる。なお、ウェハー基板そのものは同じであり、配線工程前までのマスクは同じものを使用している。
次に、図５を用いて、本実施形態による内燃機関用点火装置の第２の構成例について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の第２の構成例を示すブロック図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態による制御回路１３０Ｂでは、１）電流制限機能と、４）電圧制御機能とに対応する各回路は、「有効」としているが、２）サーマルシャットオフ機能と、３）セルフシャットオフ機能に対応する回路は、「無効」としている。即ち、本実施形態では、図３と同様に、制御回路１３０Ｂは、電流制限回路１３１と、基準電源回路１３２と、過熱検知回路１３３と、異常通電検知回路１３４と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６と、入力回路１３７と、入力電圧制御回路１３８とを有している。しかしながら、図４と同様に、セルフシャットオフ機能に対応する異常通電検知回路１３４は備えられているが、動作しないようにしているとともに、サーマルシャットオフ機能に対応する過熱検知回路１３３と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６も備えられているが、動作しないようにしている。
異常通電検知回路１３４を「無効」とするために、本実施形態では、異常通電検知回路１３４の電源端子１３４Ｖと、入力端子１３４Ｉと、出力端子１３４Ｏを、接地電位に接続している。また、過熱検知回路１３３と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６を「無効」とするために、本実施形態では、過熱検知回路１３３の電源端子１３３Ｖと、ラッチ回路１３５の電源端子１３５Ｖと、シャットオフ回路１３６の電源端子１３６Ｖを、接地電位に接続し、また、出力段にあるトランジスタＴＲ１のドレインＴＲ１−Ｄをオープンにしている。この構成によって、異常過熱および異常通電時に強制的にコレクタ電流を遮断する機能を持たせない１チップＩＧＢＴイグナイタにすることができる。この構成において、ＩＧＢＴに集積される回路そのものは、図３に示した点火装置１００と同じであるが、ＡＬ配線の変更のみで対応しているため、顧客要求に応じた制御回路を備えた点火装置を容易に提供することができる。なお、ウェハー基板そのものは同じであり、配線工程前までのマスクは同じものを使用している。
次に、図６を用いて、本実施形態による内燃機関用点火装置の第３の構成例について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の第３の構成例を示すブロック図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態による制御回路１３０Ｂでは、１）電流制限機能に対応する各回路は、「有効」としているが、２）サーマルシャットオフ機能と、３）セルフシャットオフ機能と、４）電圧制御機能に対応する回路は、「無効」としている。即ち、本実施形態では、図３と同様に、制御回路１３０Ｃは、電流制限回路１３１と、基準電源回路１３２と、過熱検知回路１３３と、異常通電検知回路１３４と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６と、入力回路１３７と、入力電圧制御回路１３８とを有している。しかしながら、図５と同様に、セルフシャットオフ機能に対応する異常通電検知回路１３４や、サーマルシャットオフ機能に対応する過熱検知回路１３３と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６も備えられているが、動作しないようにしている。さらに、電圧制御機能に対応する入力電圧制御回路１３８も備えられているが、動作しないようにしている。
異常通電検知回路１３４及び過熱検知回路１３３と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６を「無効」とする構成は、図５と同様である。さらに、本実施形態では、入力電圧制御回路１３８を、「無効」とするために、入力電圧制御回路１３８の電源端子１３８Ｖを、接地電位に接続し、また、出力段にあるトランジスタＴＲ２のドレインＴＲ２−Ｄをオープンにしている。この構成によって、異常過熱，異常通電時及び入力電圧異常時に強制的にコレクタ電流を遮断する機能を持たせない１チップＩＧＢＴイグナイタにすることができる。この構成において、ＩＧＢＴに集積される回路そのものは、図３に示した点火装置１００と同じであるが、ＡＬ配線の変更のみで対応しているため、顧客要求に応じた制御回路を備えた点火装置を容易に提供することができる。なお、ウェハー基板そのものは同じであり、配線工程前までのマスクは同じものを使用している。
なお、以上の説明では、Ａ）３）セルフシャットオフ機能に対応する回路のみ無効にする例（図４）、Ｂ）２）サーマルシャットオフ機能と、３）セルフシャットオフ機能に対応する回路を無効にする例（図５）、Ｃ）２）サーマルシャットオフ機能と、３）セルフシャットオフ機能と、４）電圧制御機能に対応する回路を無効とする例（図６）について説明したが、Ｄ）４）電圧制御機能に対応する回路を無効とする構成、Ｅ）２）サーマルシャットオフ機能に対応する回路を無効とする構成、Ｆ）２）サーマルシャットオフ機能と、４）電圧制御機能とに対応する回路を無効とする構成、Ｇ）３）セルフシャットオフ機能と、４）電圧制御機能に対応する回路を無効とする構成とすることもできる。このとき、無効にする回路については、電源端子を接地電位に接続し、出力端子は接地電位に接続するか、オープンとし、入力端子があるばあいには、その入力端子を接地電位に接続する。
以上説明したように、本実施形態では、制御回路では、１）電流制限機能と、２）サーマルシャットオフ機能と、３）セルフシャットオフ機能と、４）電圧制御機能とに対応する各回路は備えているが、その一部を「有効」としたり、その一部を「無効」とすることによって、顧客要求に応じた制御回路を備えた点火装置を容易に提供することができる。また、回路を無効にするには、アルミ配線を代えるだけであるため、容易に無効化することができる。したがって、点火装置の開発期間を短縮することができる。
また、シリコン基板をの共有化によるコストメリットで安価な点火装置をスピーディーに供給することが可能となる。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、内燃機関用点火装の開発期間を短縮することができる。
【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た点火システムのシステム構成を示すブロック図である。
図２は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置に用いる自己分離形集積回路を持つ１チップＩＧＢＴの構成を示す断面図である。
図３は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の基本構成を示すブロック図である。
図４は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の第１の構成例を示すブロック図である。
図５は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の第２の構成例を示すブロック図である。
図６は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の第３の構成例を示すブロック図である。
本発明は、内燃機関用点火装置に係り、特に、ＩＧＢＴシリコンチップに回路を集積した１チップ型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
従来、絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタ（ＩＧＢＴ）のモノリシックシリコン基板に回路を集積させた内燃機関用点火装置としては、例えば、特開平９−１７７６４７号公報，特開平８−３３５５２２号公報，特開平２０００−６２５３号公報に記載されたものが知られている。特開平９−１７７６４７号公報に記載されたものは、ＩＧＢＴのモノリシックシリコン基板に電流制限回路を集積させたものである。特開平９−１７７６４７号公報に記載されたものは、ＩＧＢＴのモノリシックシリコン基板に電流制限回路と、異常発熱時に通電を強制的に遮断するサーマルシャットオフ回路を集積させたものである。特開平２０００−６２５３号公報に記載されたものは、ＩＧＢＴのモノリシックシリコン基板に電流制限回路と、一定時間以上の通電を禁止するセルフシャットオフ回路を集積させたものである。
発明の開示
従来の内燃機関用点火装置においては、上述した各制御回路を、それぞれ顧客要求仕様に合せて設計し、個々の内燃機関用点火装置として製造しているものである。そのため、その都度開発期間がかかり顧客の要求にタイムリーに対応できないという問題があった。
本発明の目的は、開発期間を短縮可能な内燃機関用点火装置を提供することにある。
上述の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／遮断制御する制御回路及び絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタを有すると共に、上記制御回路を上記トランジスタのモノリシックシリコン基板に集積して形成した内燃機関用点火装置において、上記制御回路として、複数の異なる機能を有する制御回路ブロックを上記シリコン基板上に形成するとともに、配線パターンの変更により、上記制御回路ブロックの回路機能を有効／無効にするようにしたものである。
かかる構成により、顧客要求仕様に応じた制御回路を配線パターンの変更で簡単に行えるため、開発期間を短縮し得るものとなる。
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た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た点火システムのシステム構成を示すブロック図である。
本実施形態による点火システムは、内燃機関用電子制御装置（ＥＣＵ）１０と、点火コイル２０と、点火プラグ３０と、点火装置１００とから構成されている。ＥＣＵ１０の出力段は、ＰＮＰトランジスタ１２と、ＮＰＮトランジスタ１４と、抵抗１６とから構成されている。ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ１８により算出された適正な点火タイミングで、トランジスタ１２，１４をＯＮ・ＯＦＦし、点火装置１００に、ＨＩＧＨ，ＬＯＷのパルスを出力する。
点火装置１００は、ＩＧＢＴ等のパワートランジスタ１１０と、電流検出回路１２０と、制御回路１３０とを備えている。制御回路１３０は、ハイブリッドＩＣによって構成され、パワートランジスタ１１０のＩＧＢＴ基板に集約されて形成されている。点火装置１００は、ＥＣＵ１０の出力信号がＬＯＷ→ＨＩＧＨになると、パワートランジスタ１１０は通電を開始し、ＨＩＧＨ→ＬＯＷでパワートランジスタ１１０を遮断する。パワートランジスタ１１０を遮断することにより、パワートランジスタ１１０のコレクタ部に電圧が発生し、点火コイ２０の巻き数比倍に相当する高電圧が、点火コイル２０の２次側に誘起する。点火プラグ３０は、点火コイル２０の２次側誘起電圧によって、放電して、内燃機関の気筒内の燃料噴霧に着火する。
次に、図２を用いて、本実施形態による内燃機関用点火装置に用いる自己分離形集積回路を持つ１チップＩＧＢＴの構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置に用いる自己分離形集積回路を持つ１チップＩＧＢＴの構成を示す断面図である。
ＩＧＢＴパワー部１１０は、Ｐ＋サブストレート部（Ｐ＋ｓｕｂ）をコレクタ（Ｃ）に有している。コレクタ電流は、ｎ＋バッファー層（ｎ＋ｂｕｆ）、ｎ−ドリフト層（ｎ−ｄｒｆ）から複数個のＮチャンネルをゲート（Ｇ）に持つＮ−ＭＯＳトランジスタを通して、エミッタ（Ｅ）に電流を流す構成となっている。
制御回路１３０を構成するＮ−ＭＯＳトランジスタ（デプレッションＮＭＯＳ（Ｄｅｐ−ＮＭＯＳ），エンハンスメントＮＭＯＳ（Ｅｎｈ−ＮＯＭＳ））は、ｎ一層（ｎ−ｄｒｆ）に打ち込んだｐウエル層（ｐ−ｗｅｌ）の中に構成する。制御回路１３０を構成するＮ−ＭＯＳトランジスタは、ｐウエル層（ｐ−ｗｅｌ）によって、パワー部１１０からアイソレートする自己分離構造である。これによって、マスク枚数を減少でき、低コストの１チップＩＧＢＴイグナイタを達成することができる。
次に、図３を用いて、本実施形態による内燃機関用点火装置の基本構成について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の基本構成を示すブロック図である。
点火装置１００は、パワートランジスタであるメインＩＧＢＴ１１０と、電流検出回路１２０と、制御回路１３０とを備えている。電流検出回路１２０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センスＩＧＢＴ１２０Ａと、センスＩＧＢＴ１２０Ａのエミッタに設けた電流検知抵抗１２０Ｂとから構成されている。制御回路１３０は、自己分離構造のＮＭＯＳトランジスタによって構成されており、メインＩＧＢＴ１１０やセンスＩＧＢＴ１２０Ａの形成されたシリコン基板に集約して形成されている。
制御回路１３０は、電流制限回路１３１と、基準電源回路１３２と、過熱検知回路１３３と、異常通電検知回路１３４と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６と、入力回路１３７と、入力電圧制御回路１３８とを有している。これらの各回路の組合せにより、複数の制御機能を有している。入力端子Ｓｉｎには、図１に示したＥＣＵ１０が出力するＨＩＧＨ，ＬＯＷのパルスが入力する。
電流制限回路１３１と、基準電源回路１３２によって、「電流制限機能」を備えるようにしている。電流制限回路１３１は、センスＩＧＢＴ１２０Ａのエミッタに設けた電流検知抵抗１２０Ｂの電圧ドロップを検出して、設定値に達した時点でコレクタ電流にリミットをかける。電流制限回路１３１は、入力端子１３１Ｉと、出力端子１３１Ｏと、電源端子１３１Ｖと、接地端子１３１Ｇとを備えている。入力端子１３１Ｉは、センスＩＧＢＴ１２０Ａのエミッタと電流検知抵抗１２０Ｂの接続点に接続されている。出力端子１３１Ｏは、メインＩＧＢＴ１１０のゲートに接続されている。電源端子１３１Ｖは、基準電源回路１３２の出力端子１３２Ｏに接続されている。接地端子１３１Ｇは、接地電位ＧＮＤに接続されている。
基準電源回路１３２は、制御回路の基準電圧を作るものである。基準電圧回路１３２は、出力端子１３２Ｏと、電源端子１３２Ｖと、接地端子１３２Ｇとを備えている。出力端子１３２Ｏは、電流制限回路１３１に基準電圧を供給する。電源端子１３２Ｖからは、電源電圧が供給される。接地端子１３２Ｇは、接地電位ＧＮＤに接続されている。
過熱検知回路１３３と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６によって、「過熱保護（サーマルシャットオフ）機能」を備えるようにしている。過熱検知回路１３３は、ＩＧＢＴ素子１１０の異常過熱を検知するものである。過熱検知回路１３３は、例えば、サーミスタから構成されており、メインＩＧＢＴ１１０の近傍に配置されている。サーミスタの抵抗値は温度によって変化することから、ＩＧＢＴ１１０の温度を検知して、設定温度以上になったことを検知すると出力信号を出力する。ラッチ回路１３５は、過熱検知回路１３３の出力信号をトリガーにして出力をセットし、ＥＣＵの点火信号がＬｏｗになるまで出力を維持する。シャットオフ回路１３６は、ラッチ回路１３５の出力によって、トランジスタＴＲ１を制御して、ＩＧＢＴ１１０のゲート電圧を制御することにより、ＩＧＢＴ１１０を通電／遮断制御する。
過熱検知回路１３３は、出力端子１３３Ｏと、電源端子１３３Ｖと、接地端子１３３Ｇとを備えている。出力端子１３３Ｏは、ラッチ回路１３５に出力信号を供給する。電源端子１３３Ｖには、電源電圧が供給される。接地端子１３３Ｇは、接地電位ＧＮＤに接続されている。ラッチ回路１３５は、入力端子１３５Ｉ１，１３５Ｉ２と、出力端子１３５Ｏと、電源端子１３５Ｖと、接地端子１３５Ｇとを備えている。入力端子１３５Ｉ１には、過熱検知回路１３２からの出力信号が入力する。出力端子１３５Ｏは、シャットオフ回路１３６に出力信号を供給する。電源端子１３５Ｖには、電源電圧が供給される。接地端子１３５Ｇは、接地電位ＧＮＤに接続されている。シャットオフ回路１３６は、入力端子１３６Ｉと、出力端子１３６Ｏと、電源端子１３６Ｖと、接地端子１３６Ｇとを備えている。入力端子１３６には、ラッチ回路１３５からのラッチ出力信号が入力する。出力端子１３６Ｏは、トランジスタＴＲ１のベースに出力信号を供給する。電源端子１３６Ｖには、電源電圧が供給される。接地端子１３６Ｇは、接地電位ＧＮＤに接続されている。
異常通電検知回路１３４と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６によって、「異常通電保護（セルフシャットオフ）機能」を備えるようにしている。異常通電検知回路１３４は、ＥＣＵ１０からの通電信号が設定値以上の長い信号を異常通電と判断する。ラッチ回路１３５は、異常通電検知回路１３４の出力信号をトリガーにして出力をセットし、ＥＣＵの点火信号がＬｏｗになるまで出力を維持する。シャットオフ回路１３６は、ラッチ回路１３５の出力によって、トランジスタＴＲ１を制御して、ＩＧＢＴ１１０のゲート電圧を制御することにより、ＩＧＢＴ１１０を通電／遮断制御する。
異常通電検知回路１３４は、入力端子１３４Ｉと、出力端子１３４Ｏと、電源端子１３４Ｖと、接地端子１３４Ｇとを備えている。入力端子１３４Ｉには、ＥＣＵ１０からの通電信号が入力する。出力端子１３４Ｏは、ラッチ回路１３５に出力信号を供給する。電源端子１３４Ｖには、電源電圧が供給される。接地端子１３４Ｇは、接地電位ＧＮＤに接続されている。
入力回路１３７は、外乱サージに対して充分な耐量を確保して、制御回路１３０の内部の各素子を破壊から守る。入力回路１３７は、外部サージからの保護及びこれに起因するＩＧＢＴラッチアップを防止する。
入力電圧制御回路１３８によって、「電圧制御機能」を備えるようにしている。入力電圧制御回路１３８は、入力信号レベルによってトランジスタＴＲ２を制御して、ＩＧＢＴ１１０のゲート電圧を制御することにより、ＩＧＢＴ１１０を通電／遮断制御する。入力電圧制御回路１３８は、ヒステリシス特性を有している。即ち、例えば、入力電圧がＶ１以上のとき、ＩＧＢＴ１１０を通電するとし、入力電圧がＶ２以下になると、ＩＧＢＴ１１０を遮断するものとして、Ｖ１＞Ｖ２となる特性を有している。入力電圧制御回路１３８は、入力端子１３８Ｉと、出力端子１３８Ｏと、接地端子１３８Ｇとを備えている。入力端子１３８Ｉには、ＥＣＵ１０からの通電信号が入力する。なお、この入力端子１３８Ｉは、電源端子も兼ね備えている。出力端子１３８Ｏは、トランジスタＴＲ２のベースに出力信号を供給する。接地端子１３８Ｇは、接地電位ＧＮＤに接続されている。
なお、抵抗Ｒ１は、ＩＧＢＴ１１０のゲート電位を降下させた状態で、制御回路１３０の電圧を維持するためものである。抵抗Ｒ２は、ツェナーダイオードＺＤが動作した場合に、ツェナー電流によって、ＩＧＢＴ１１０のゲート電圧が上昇して、ＩＧＢＴ１１０をＯＮさせるためのゲート抵抗である。
以上説明したように、制御回路１３０は、電流制限回路１３１と、基準電源回路１３２と、過熱検知回路１３３と、異常通電検知回路１３４と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６と、入力回路１３７と、入力電圧制御回路１３８と、トランジスタＴＲ１，ＴＲ２と、抵抗Ｒ１，Ｒ２を有している。これらの各回路１３１，…，１３７は、自己分離構造のＮＭＯＳトランジスタによって構成されており、メインＩＧＢＴ１１０やセンスＩＧＢＴ１２０Ａの形成されたシリコン基板に集約して形成されている。さらに、各回路１３１，…，１３７の端子間を接続する配線や、回路とトランジスタＴＲ１，ＴＲ２や、抵抗Ｒ１，Ｒ２を接続する配線（図中の各回路や素子を接続する実線部分）は、アルミ配線が用いられている。アルミ配線は、各回路や素子が形成された後、最後に、ウェハー基板の上に配線用マスクを設置して、アルミの蒸着等によって形成される。従って、配線用マスクのパターンを変えることによって、配線を容易に変えることができる。
以上説明したように、本実施形態による制御回路１３０は、１）電流制限機能と、２）サーマルシャットオフ機能と、３）セルフシャットオフ機能と、４）電圧制御機能とに対応する各回路を備えている。そして、図３に示すように、各回路が配線によって接続されている状態では、上述した１）〜４）の全ての機能を有効にすることができる。
従来の内燃機関用点火装置においては、制御回路を、それぞれ顧客要求仕様に合せて設計し、個々の内燃機関用点火装置として製造している。そのため、その都度開発期間がかかり顧客の要求にタイムリーに対応できないものであった。例えば、ある顧客仕様では、１）〜４）の全ての機能を備えた制御回路が要求され、また、別の顧客仕様としては、３）の機能が不要で、１），２），４）の機能を備えた制御回路が要求されるというようにである。
そこで、本実施形態では、制御回路１３０の基本構成は、図３に示したものとしている。そして、顧客要求に応じて、各機能回路の内不要なものを「無効」とすることで、順客要求に応じるようにしている。なお、一部の機能回路を無効にするには、配線用マスクのパターンを変えることで、配線を変えることで達成している。
ここで、図４を用いて、本実施形態による内燃機関用点火装置の第１の構成例について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の第１の構成例を示すブロック図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態による制御回路１３０Ａでは、１）電流制限機能と、２）サーマルシャットオフ機能と、４）電圧制御機能とに対応する各回路は、「有効」としているが、３）セルフシャットオフ機能に対応する回路は、「無効」としている。即ち、図４に示すように、制御回路１３０Ａは、電流制限回路１３１と、基準電源回路１３２と、過熱検知回路１３３と、異常通電検知回路１３４と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６と、入力回路１３７と、入力電圧制御回路１３８とを有している。しかしながら、セルフシャットオフ機能に対応する異常通電検知回路１３４は、備えられているが、動作しないようにしている。異常通電検知回路１３４を「無効」とするために、本実施形態では、異常通電検知回路１３４の電源端子１３４Ｖと、入力端子１３４Ｉと、出力端子１３４Ｏを、接地電位に接続している。この構成によって、異常通電時に強制的にコレクタ電流を遮断する機能を持たせない１チップＩＧＢＴイグナイタにすることができる。異常通電検知回路１３４の電源端子１３４Ｖと、入力端子１３４Ｉと、出力端子１３４Ｏを、接地電位に接続するためには、アルミ配線用マスクのパターンを、図３に示した制御回路１３０のアルミ配線時と異ならせている。この構成において、ＩＧＢＴに集積される回路そのものは、図３に示した点火装置１００と同じであるが、ＡＬ配線の変更のみで対応しているため、顧客要求に応じた制御回路を備えた点火装置を容易に提供することができる。なお、ウェハー基板そのものは同じであり、配線工程前までのマスクは同じものを使用している。
次に、図５を用いて、本実施形態による内燃機関用点火装置の第２の構成例について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の第２の構成例を示すブロック図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態による制御回路１３０Ｂでは、１）電流制限機能と、４）電圧制御機能とに対応する各回路は、「有効」としているが、２）サーマルシャットオフ機能と、３）セルフシャットオフ機能に対応する回路は、「無効」としている。即ち、本実施形態では、図３と同様に、制御回路１３０Ｂは、電流制限回路１３１と、基準電源回路１３２と、過熱検知回路１３３と、異常通電検知回路１３４と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６と、入力回路１３７と、入力電圧制御回路１３８とを有している。しかしながら、図４と同様に、セルフシャットオフ機能に対応する異常通電検知回路１３４は備えられているが、動作しないようにしているとともに、サーマルシャットオフ機能に対応する過熱検知回路１３３と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６も備えられているが、動作しないようにしている。
異常通電検知回路１３４を「無効」とするために、本実施形態では、異常通電検知回路１３４の電源端子１３４Ｖと、入力端子１３４Ｉと、出力端子１３４Ｏを、接地電位に接続している。また、過熱検知回路１３３と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６を「無効」とするために、本実施形態では、過熱検知回路１３３の電源端子１３３Ｖと、ラッチ回路１３５の電源端子１３５Ｖと、シャットオフ回路１３６の電源端子１３６Ｖを、接地電位に接続し、また、出力段にあるトランジスタＴＲ１のドレインＴＲ１−Ｄをオープンにしている。この構成によって、異常過熱および異常通電時に強制的にコレクタ電流を遮断する機能を持たせない１チップＩＧＢＴイグナイタにすることができる。この構成において、ＩＧＢＴに集積される回路そのものは、図３に示した点火装置１００と同じであるが、ＡＬ配線の変更のみで対応しているため、顧客要求に応じた制御回路を備えた点火装置を容易に提供することができる。なお、ウェハー基板そのものは同じであり、配線工程前までのマスクは同じものを使用している。
次に、図６を用いて、本実施形態による内燃機関用点火装置の第３の構成例について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の第３の構成例を示すブロック図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態による制御回路１３０Ｂでは、１）電流制限機能に対応する各回路は、「有効」としているが、２）サーマルシャットオフ機能と、３）セルフシャットオフ機能と、４）電圧制御機能に対応する回路は、「無効」としている。即ち、本実施形態では、図３と同様に、制御回路１３０Ｃは、電流制限回路１３１と、基準電源回路１３２と、過熱検知回路１３３と、異常通電検知回路１３４と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６と、入力回路１３７と、入力電圧制御回路１３８とを有している。しかしながら、図５と同様に、セルフシャットオフ機能に対応する異常通電検知回路１３４や、サーマルシャットオフ機能に対応する過熱検知回路１３３と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６も備えられているが、動作しないようにしている。さらに、電圧制御機能に対応する入力電圧制御回路１３８も備えられているが、動作しないようにしている。
異常通電検知回路１３４及び過熱検知回路１３３と、ラッチ回路１３５と、シャットオフ回路１３６を「無効」とする構成は、図５と同様である。さらに、本実施形態では、入力電圧制御回路１３８を、「無効」とするために、入力電圧制御回路１３８の電源端子１３８Ｖを、接地電位に接続し、また、出力段にあるトランジスタＴＲ２のドレインＴＲ２−Ｄをオープンにしている。この構成によって、異常過熱，異常通電時及び入力電圧異常時に強制的にコレクタ電流を遮断する機能を持たせない１チップＩＧＢＴイグナイタにすることができる。この構成において、ＩＧＢＴに集積される回路そのものは、図３に示した点火装置１００と同じであるが、ＡＬ配線の変更のみで対応しているため、顧客要求に応じた制御回路を備えた点火装置を容易に提供することができる。なお、ウェハー基板そのものは同じであり、配線工程前までのマスクは同じものを使用している。
なお、以上の説明では、Ａ）３）セルフシャットオフ機能に対応する回路のみ無効にする例（図４）、Ｂ）２）サーマルシャットオフ機能と、３）セルフシャットオフ機能に対応する回路を無効にする例（図５）、Ｃ）２）サーマルシャットオフ機能と、３）セルフシャットオフ機能と、４）電圧制御機能に対応する回路を無効とする例（図６）について説明したが、Ｄ）４）電圧制御機能に対応する回路を無効とする構成、Ｅ）２）サーマルシャットオフ機能に対応する回路を無効とする構成、Ｆ）２）サーマルシャットオフ機能と、４）電圧制御機能とに対応する回路を無効とする構成、Ｇ）３）セルフシャットオフ機能と、４）電圧制御機能に対応する回路を無効とする構成とすることもできる。このとき、無効にする回路については、電源端子を接地電位に接続し、出力端子は接地電位に接続するか、オープンとし、入力端子があるばあいには、その入力端子を接地電位に接続する。
以上説明したように、本実施形態では、制御回路では、１）電流制限機能と、２）サーマルシャットオフ機能と、３）セルフシャットオフ機能と、４）電圧制御機能とに対応する各回路は備えているが、その一部を「有効」としたり、その一部を「無効」とすることによって、顧客要求に応じた制御回路を備えた点火装置を容易に提供することができる。また、回路を無効にするには、アルミ配線を代えるだけであるため、容易に無効化することができる。したがって、点火装置の開発期間を短縮することができる。
また、シリコン基板をの共有化によるコストメリットで安価な点火装置をスピーディーに供給することが可能となる。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、内燃機関用点火装の開発期間を短縮することができる。
【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た点火システムのシステム構成を示すブロック図である。
図２は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置に用いる自己分離形集積回路を持つ１チップＩＧＢＴの構成を示す断面図である。
図３は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の基本構成を示すブロック図である。
図４は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の第１の構成例を示すブロック図である。
図５は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の第２の構成例を示すブロック図である。
図６は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の第３の構成例を示すブロック図である。
Claims (4)
- 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／遮断制御する制御回路及び絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタを有すると共に、上記制御回路を上記トランジスタのモノリシックシリコン基板に集積して形成した内燃機関用点火装置において、
上記制御回路として、複数の異なる機能を有する制御回路ブロックを上記シリコン基板上に形成するとともに、
配線パターンの変更により、上記制御回路ブロックの回路機能を有効／無効にすることを特徴とする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、
上記制御回路は、上記シリコン基板内に設けたＰウエル層により上記トランジスタとアイソレートして自己分離して、Ｐウエル層中に形成したＮＭＯＳトランジスタにより構成する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、
上記制御回路の配線パターンをアルミ蒸着で形成し、このパターン形成プロセスにて配線パターンを変更して回路機能を有効／無効にする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、
上記制御回路の入力端子と電源端子を接地電位に接続し、出力端子を接地電位に接続するか出力段をオープンにして、回路を無効にすることを特徴とする内燃機関用点火装置。
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