KR100468809B1 - 내연기관용 점화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 안정된 점화코일의 전류차단동작을 할 수 있는 내연기관용 점화장치를 제공하는 것에 있다. 메인 IGBT(110)는 입력하는 점화제어신호에 따라 점화코일에 흐르는 1차 전류를 통전·차단제어하여 점화코일의 2차측에 고전압을 발생시킨다. 메인 IGBT(110) 및 전류제한회로(150)는 절연게이트형 바이폴라파워트랜지스터의 모노리식 실리콘기판에 집적되어 있다. 메인 IGBT의 콜렉터와 게이트는 정전류회로를 구성하는 디프레션 IGBT(152)와, 저항(R4)에 의하여 접속된다. 제너다이오드(ZD2)는 저항(R4)에 발생하는 전압이 제너전압 이상이 된 경우, 이 전류를 메인 IGBT의 에미터에 흘린다.

Description

내연기관용 점화장치{IGNITION DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
최근, 내연기관용 점화장치로서, 파워 IGBT(절연 게이트형 바이폴라트랜지스터)와 전류제한회로와 입력단 보호회로를 모노리식 기판상에 만들어 넣은 1칩 이그나이터가 개발되고 있다. 종래의 1칩 이그나이터로서는 예를 들면 일본국 특개평 9-280147호 공보에 기재되어 있는 바와 같이 콜렉터로부터 게이트에 고압 정전류소자에 의하여 미소 정전류를 흘려 콜렉터전압이 게이트전압보다 높은 경우에 게이트에 전압이 가해지는 구성으로 하고, 전류제한개시 직후의 콜렉터전압의 상승에 의하여 게이트전압을 높여 전류제한개시 직후의 콜렉터전압의 진동을 억제하는 것이고, 또한 이 미소 정전류의 영향에 의하여 전류차단시에 게이트전위를 상승시키는 일이 없도록 게이트전압이 없는 경우에는 게이트전압을 높이는 동작을 해제함으로써 전류제한시의 콜렉터 전압진동을 억제하는 것이 알려져 있다.
본 발명은 내연기관용 점화장치에 관한 것으로, 특히 집적화된 제어회로에 사용하는 데에 적합한 내연기관용 점화장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 의한 내연기관용 점화장치를 사용하는 내연기관용 점화시스템의 시스템구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 의한 내연기관용 점화장치의 설치구조를 나타내는 평면도,
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 의한 점화장치(100)에 있어서의 IGBT 내부에 발생하는 표류전류의 영향 및 그 저감효과에 대하여 설명하는 회로도,
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 의한 점화장치(100)에 있어서의 IGBT 내부에 발생하는 표류전류의 영향 및 그 저감효과의 설명도,
도 5는 IGBT 내부에 발생하는 표류전류에 대하여 설명하는 회로도,
도 6은 IGBT 내부에 발생하는 표류전류의 설명도이다.
그러나 일본국 특개평9-280147호 공보에 기재되어 있는 내연기관용 점화장치에서는 실제의 기판 중에는 표류전류가 발생하여 정전류회로에서 설정한 값 이상의대전류가 이 루트에 흐르고, 이에 의하여 게이트전위가 상승한다는 문제가 있었다. 특히, 자기분리형 소자로 구성하는 경우, 정전류회로에는 세로형의 디프리션 IGBT가 사용되고, IGBT 기판에 자기분리로 구성한 세로형 디프레션 IGBT의 정전류회로에는 PNP 기생 트랜지스터가 존재하고, 여기에 표류전류가 흐르고, 미소 정전류로 게이트전압을 제어하는 목적의 회로에 과대한 전류가 흘러 게이트전압을 필요 이상으로 끌어 올리게 된다. 이 영향에 의하여 이그나이터의 구동방식에 따라서는 점화코일의 전류차단동작이 불안정하게 된다는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 안정된 점화코일의 전류차단동작이 얻어지는 내연기관용 점화장치를 제공하는 것에 있다.
(1) 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 입력하는 점화제어신호에 따라 점화코일에 흐르는 1차 전류를 통전·차단제어하여 점화코일의 2차측에 고전압을 발생시키는 파워스위칭부와, 상기 1차 전류를 제한하는 전류제한회로와, 상기 파워스위칭부의 콜렉터와 게이트를 접속하는 접속회로를 가지고, 상기 파워스위칭부 및 상기 전류제한회로를 절연게이트형 바이폴라 파워 트랜지스터의 모노리식 실리콘 기판에 집적한 내연기관용 점화장치에 있어서, 상기 모노리식 실리콘 기판 내부에 발생하는 표류전류를 상기 파워스위칭부의 에미터에 흘리는 경로를 구비하도록 한 것이다.
이와 같은 구성에 의하여 불필요한 표류를 에미터에 흘려 게이트에 주는 영향을 저감하고, 점화코일의 전류차단동작을 안정화할 수 있게 된다.
(2) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는 상기 접속회로는 임피던스소자를 구비하고 있고, 상기 경로는 상기 임피던스소자의 전압드로프에 의하여 동작하는 제너다이오드를 구비하도록 한 것이다.
(3) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는 상기 접속회로는 상기 모노리식 실리콘 기판상에 형성된 정전류회로를 구성하는 디프레션 절연게이트형 바이폴라 파워 트랜지스터와, 이 디프레션 절연 게이트형 바이폴라 파워 트랜지스터에 접속된 저항으로구성되고, 상기 경로는 상기 디프레션 절연 게이트형 바이폴라 파워 트랜지스터와 상기 저항 사이에 접속됨과 동시에, 상기 저항에 발생하는 전압이 제너전압 이상이된 경우, 이 전류를 상기 파워스위칭부의 에미터에 흘리는 제너다이오드로 구성하 도록 한 것이다.
이하, 도 1 내지 도 6을 사용하여 본 발명의 일 실시형태에 의한 내연기관용 점화장치의 구성 및 동작에 대하여 설명한다.
제일 먼저 도 1을 사용하여 본 실시형태에 의한 내연기관용 점화장치를 사용하는 내연기관용 점화시스템의 시스템구성에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 의한 내연기관용 점화장치를 사용하는 내연기관용 점화시스템의 시스템구성도이다.
본 실시형태에 의한 내연기관용 점화시스템은 점화장치(100)와, ECU(엔진제어유닛)(10)과, 점화코일(20)과, 점화플러그(30)로 구성되어 있다.
ECU(10)는 CPU(12)와, PNP 트랜지스터(14)와, 콘덴서(16)와, 저항(18)으로 구성되어 있다. PNP 트랜지스터(14)와, 콘덴서(16)와, 저항(18)은 ECU(10)의 출력단을 구성하고 있다. CPU(12)는 산출한 적정한 점화타이밍에서 트랜지스터(14)를 온, 오프하여 점화장치(100)의 입력단자(100in)에 HIGH, LOW의 펄스로 이루어지는 점화제어신호를 출력한다.
점화장치(100)의 상세구성에 대해서는 뒤에서 설명하나, 점화장치(100)의 메인 IGBT(110)는 ECU(10)의 출력신호가 LOW →HIGH에서 통전을 개시하여 HIGH →LOW에서 차단함으로써 메인 IGBT(110)의 콜렉터단자(11Oc)에 전압이 발생한다.
점화코일(20)은 1차측 코일(22)과, 2차측 코일(24)을 가지고 있다. 메인 IGBT(110)의 콜렉터단자(110c)에 발생한 전압은, 점화코일(20)의 1차측 코일(22)에 공급되고, 2차측 코일(24)에는 점화코일(20)의 1차측 코일(22)과 2차측 코일(24)과의 권선수 비율 배에 상당하는 고전압이 유기된다. 점화코일(20)의 2차측 코일에 발생하는 전압(이하, 「2차전압」이라 함)은 점화플러그(30)에 공급된다. 또 2차 전압은 엔진의 운전조건에 의하여 변화하기 때문에, 콜렉터단자(100c)에 발생하는 전압도 변화하나, 예를 들면 권선수 비율 100의 점화코일의 2차 전압이 15kV인 경우, 콜렉터단자(110c)측에는 약 150V의 전압이 발생한다.
다음에 점화장치(100)의 구성에 대하여 설명한다.
본 실시형태에 의한 점화장치(100)는 파워 IGBT와, 전류제한회로 및 입력단 보호회로 등의 제어회로를 모노리식 기판상에 집약한 1칩 IGBT 점화장치이다.
점화장치(100)는 메인 IGBT(110)와, 센스 IGBT(120)와, 입력단 보호회로 (130)와, 전류제한회로(140)와, 피드백회로(150)와, 제너다이오드(ZD1, ZD2)와, 저항(R1, R2, R3)을 구비하고 있다.
점화장치(100)의 입력단에 설치된 저항(R1)은 풀다운 저항이고, 입력전압에 대응한 전류를 흘림으로써 입력단자(1OOin)의 접촉전류를 확보하고 있다. 풀다운 저항(R1)의 다음단에는 입력단 보호회로(130)가 접속되어 있다. 입력단 보호회로 (130)는 제너다이오드(ZD3, ZD4)와, 저항(R4, R5)을 네트워크구성으로 한 것으로, 자동차용 전자부품으로서 상정되는 외부 서지 등에 대하여 충분히 여유를 가진 내량을 확보하고 있다.
입력단 보호회로(130)의 출력은 저항(R2, R3)을 거쳐, 메인 IGBT(110)의 게이트에 입력한다. 메인 IGBT(110)는 1차 전류를 통전, 차단하는 주 회로를 구성하는 것이다. 메인 IGBT(110)의 콜렉터는 점화장치(100)의 콜렉터단자(100c)에 접속되고, 다시 점화코일(20)의 1차 코일(22)에 접속되어 있다. 메인 IGBT(110)의 에미터는 점화장치(100)의 에미터단자(1OOe)에 접속되고, 다시 그라운드에 접속되어 있다. 메인 IGBT(110)의 콜렉터 게이트 사이에는 1차 전압 클램프를 목적으로 한 제너다이오드(ZD1)가 접속되어 있다.
센스 IGBT(120)는 메인 IGBT(110)에 흐르는 전류를 검출하기 위한 분로회로를 구성하는 것이다. 센스 IGBT(120)의 게이트는 메인 IGBT(110)의 게이트에 접속되고, 그 콜렉터는 메인 IGBT(110)의 콜렉터에 접속되어 있다. 센스 IGBT(120)의 에미터는 전류검출저항(Rs)을 거쳐, 메인 IGBT(110)의 에미터에 접속되어 있다.
전류제한회로(140)는 전류검출저항(Rs)과, 기준 전압회로(142)와, 전압비교기 (144)와, NMOS 트랜지스터(146)로 구성되어 있다. 기준 전압회로(142)는 기준 전압 (Vref)을 발생한다. 전압비교기(144)는 기준 전압회로(142)가 발생하는 기준 전압 (Vref)과, 전류검출저항(Rs)에 발생하는 전압을 비교한다. 전류검출저항(Rs)의 전압이 기준전압(Vref) 이상이 되면 전압비교기(144)는 NMOS 트랜지스터(146)를 온하여 메인 IGBT(110)의 게이트에 인가되는 전압을 강하시켜, 메인 IGBT(110)를 불포화상태로 함으로써, 콜렉터전류에 전류제한을 인가한다.
피드백회로(150)는 메인 IGBT(110)의 콜렉터와 게이트 사이에 접속되어 있다. 피드백회로(150)는 메인 IGBT(110)의 콜렉터로부터, 메인 IGBT(110)의 게이트에 피드백전류를 흘리는 회로이다. IGBT(110)는 그 소자의 특징으로부터 음귀환기능이 매우 약하기 때문에 전류제한 개시시에 콜렉터전압이 크게 진동한다. 피드백회로(150)는 이 진동을 억제하기 위하여 콜렉터전압이 게이트전압보다 높아진 경우에 콜렉터로부터 게이트에 미소 전류를 흘려 게이트의 전위를 끌어 올리도록 동작한다.
또한 본 실시형태에 있어서는 피드백회로(150)에는 불필요 전류(IGBT 내부에 발생하는 표류전류)를 메인 IGBT(110)의 에미터에 흘리는 누설통과를 구성하는 제너다이오드(ZD2)가 구비되어 있다. 또한 피드백회로(150)의 상세구성에 있어서는 도 3을 사용하여 뒤에서 설명한다.
여기서 도 2를 사용하여, 본 실시형태에 의한 점화장치(100)의 설치구조에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 의한 내연기관용 점화장치의 설치구조를 나타내는 평면도이다.
IGBT 모노리식 기판(100')은 도 1에 나타낸 메인 IGBT(110), 전류제한회로 (140)나 입력단 보호회로(130) 등으로 이루어지는 점화장치(100)를 1칩에 집약하여 형성되어 있는 모노리식 기판이다. 콜렉터단자(200c)를 겸하는 플레이트(200) 위에는 IGBT 모노리식 기판(100')이 땜납재 등을 사용하여 접속 고정되어 있다. 도 1에 나타낸 점화장치(100)의 콜렉터단자(100c)는 플레이트(200)에 접속되어 있다. 입력단자 (200in)는 본딩와이어(BW)를 사용하여, 점화장치(100)의 입력단자(100in)에 본딩접속되어 있다. 에미터단자(200e)는 본딩와이어(BW)를 사용하여 점화장치(100)의 에미터(100e)에 본딩 접속되어 있다. IGBT 모노리식 기판(100'), 플레이트(200), 에미터단자(200e), 입력단자(200in)는 트랜스퍼몰드수지(210)를 사용하여 1칩 패키지로 성형되어 있다.
다음에 도 3 및 도 4를 사용하여, 본 실시형태에 의한 점화장치(100)에 있어서의 IGBT 내부에 발생하는 표류전류의 영향 및 그 저감효과에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 의한 점화장치(100)에 있어서의 IGBT 내부에 발생하는 표류전류의 영향 및 그 저감효과에 대하여 설명하는 회로도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 의한 점화장치(100)에 있어서의 IGBT 내부에 발생하는 표류전류의 영향 및 그 저감효과의 설명도이다. 또한 도 1과 동일부호는 동일부분을 나타내고 있다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 피드백회로(150)는 정전류회로를 구성하는 디프레션 IGBT(152)와, 저항(R4)이 구성되어 있다. 디프레션 IGBT(152)의 콜렉터는 메인 IGBT(110)의 콜렉터에 접속되어 있다. 디프레션 IGBT(152)의 베이스와 에미터는 서로 접속되고, 다시 저항(R4)의 한쪽 끝에 접속되어 있다. 저항(R4)의 다른쪽 끝은 메인 IGBT(110)의 베이스에 접속되어 있다. 메인 IGBT(110)의 콜렉터전위가 상승한 상태에서는 디프레션 IGBT(152)는 정전류를 게이트공급하여 IGBT(54)를 제어함으로써, 전류제한 개시시에 콜렉터전압이 크게 진동하여도 콜렉터로부터 게이트에 미소 전류를 흘려 게이트의 전위를 끌어 올려 이 진동을 억제한다.
여기서 IGBT 모노리식 기판(100')에 자기분리형으로 구성한 세로형 디프레션 IGBT(152)에는 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이 기생 PNP 트랜지스터(Tr)와, IGBT 칩측면에 만들어 넣는 기생저항(Rp)이 존재한다. 기생 PNP 트랜지스터(Tr)는 메인 IGBT(110)의 전류차단시에 IGBT 모노리식 기판내의 N+버퍼층의 전위구배에서발생하는 전자전류에 의하여 베이스가 구동되고, 이 콜렉터에 증폭된 표류전류를 흘리게 된다. 또 칩의 측면에 존재하는 기생저항(Rp)의 대소가 기생 PNP 트랜지스터 (Tr)의 외견상의 Hfe를 흩어지게 하기 때문에, 표류전류를 규정할 수 없어 과대전류가 흐르는 요인이 된다.
따라서 본 실시형태에서는 도 3에 나타내는 바와 같이 디프레션 IGBT(152)와 직렬저항(R4)의 사이에, 제너다이오드(ZD2)를 접속하고 있다. 제너다이오드(ZD2)의 애노드는 메인 IGBT(110)의 에미터에 접속되어 있다. IGBT 모노리식 기판내의 N+버퍼층에 발생하는 전자전류에 의하여 기생 PNP 트랜지스터(Tr)의 베이스가 구동되어, 콜렉터에 증폭된 전류가 흐른다. 그러나 직렬저항(R4)에서 발생하는 전압 드롭이 제너다이오드(ZD2)의 제너전압 이상이 되면, 전류는 불필요한 전류(Ir)로서 모두 IGBT(110)의 에미터에 흐르기 때문에, 이 불필요 전류에 의한 IGBT(110)의 게이트에의 영향이 저감된다.
여기서 참고로 도 5 및 도 6을 사용하여, 제너다이오드(ZD2)를 설치하지 않은 경우의 표류전류에 대하여 설명한다.
도 5는 IGBT 내부에 발생하는 표류전류에 대하여 설명하는 회로도이고, 도 6은 IGBT 내부에 발생하는 표류전류의 설명도이다. 또한 도 3, 도 4와 동일부호는 동일부분을 나타내고 있다.
기생 PNP 트랜지스터(Tr)의 베이스는 메인 IGBT(110)의 전류차단시에 IGBT 기판내의 N+버퍼층의 전위구배에서 발생하는 전자전류에 의하여 구동되고, 기생PNP 트랜지스터(Tr)의 콜렉터에 증폭된 표류전류(Ir')가 메인 IGBT(110)의 게이트에 흘러 게이트의 전위를 불필요하게 상승시키게 된다. 특히 전류차단시의 콜렉터전압 상승에 의하여 과대한 표류전류(Ir')가 발생할 가능성이 있고, 이에 의하여 게이트전위가 끌어 올려져 차단동작이 불안정하게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 실시형태에 의하면 메인 IGBT(110)의 콜렉터로부터의 표류전류의 영향에 의한 불필요 전류를 제너다이오드(ZD2)와 같이 에미터에 흘리는 경로를 설치함으로써, 안정된 점화코일의 전류차단동작이 얻어진다. 따라서 전류제한회로나 입력단 보호회로와 같은 제어회로를 자기분리층속에 만든 트랜지스터로 구성하는 것이 가능하게 된다. 이에 의하여 최소의 프로세스로 IGBT의 모노리식 실리콘 기판에 집적하는 것이 가능하게 되어 동작이 안정된 신뢰성이 높은 1칩 이그나이터를 달성할 수 있다.
본 발명에 의하면 내연기관용 점화장치에 있어서의 점화코일의 전류차단동작을 안정화할 수 있다

Claims (3)

  1. 입력하는 점화제어신호에 따라 점화코일에 흐르는 1차 전류를 통전·차단제어하여 점화코일의 2차측에 고전압을 발생시키는 파워스위칭부(110)와;
    상기 1차 전류를 제한하는 전류제한회로(140)과;
    상기 파워스위칭부의 콜렉터와 게이트를 접속함과 동시에 콜렉터로부터 게이트에 피드백전류를 흘리는 접속회로(150)를 가지고,
    상기 파워스위칭부 및 상기 전류제한회로를 절연 게이트형 바이폴라 파워 트랜지스터의 모노리식 실리콘 기판에 집적한 내연기관용 점화장치에 있어서,
    상기 접속회로에 생기는 표류전류를, 상기 파워스위칭부의 에미터에 흘리는 경로(ZD2)를 구비한 것을 특징으로 한 내연기관용 점화장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 접속회로는 임피던스소자를 구비하고 있고,
    상기 경로는 상기 임피던스소자의 전압 드롭에 의하여 동작하는 제너다이오드 (ZD2)를 구비한 것을 특징으로 하는 내연기관용 점화장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 접속회로는 상기 모노리식 실리콘 기판상에 형성된 정전류회로를 구성하는 디프레션 절연 게이트형 바이폴라 파워트랜지스터(152)와, 이 디프레션 절연 게이트형 바이폴라 파워 트랜지스터에 접속된 저항(R4)으로 구성되고,
    상기 경로는 상기 디프레션 절연 게이트형 바이폴라 파워 트랜지스터와 상기저항 사이에 접속됨과 동시에, 상기 저항에 발생하는 전압이 제너전압 이상이 된 경우, 이 전류를 상기 파워스위칭부의 에미터에 흘리는 제너다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 점화장치
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