WO1991007014A1 - Hochspannungsschaltung mit hochspannungsschalter aus optoelektrischen halbleiterelementen - Google Patents

Hochspannungsschaltung mit hochspannungsschalter aus optoelektrischen halbleiterelementen Download PDF

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Werner Herden
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Robert Bosch Gmbh
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    • H03K17/10—Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage
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    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/78—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled

Definitions

  • the invention relates to a high-voltage circuit with a high-voltage switch, in particular as an ignition voltage distributor for the ignition voltage of an internal combustion engine, which has a cascade circuit consisting of a large number of optoelectric semiconductor elements connected in series.
  • High-voltage circuits of the type mentioned at the outset are used in particular in automotive electronics.
  • a high-voltage switch which consists of a large number of optoelectric semiconductor elements connected in series. These can be brought into their conductive state by irradiation with light.
  • the control takes over a control unit that depending on the operating parameters of the internal combustion engine, the optimum ignition timing for the respective operating state is always calculated.
  • the light irradiation to the optoelectric semiconductor elements can take place by means of light-emitting diodes.
  • a translucent insulator is located between the light-emitting diodes and the semiconductor elements.
  • the semiconductor elements are connected to one another via conductor tracks, the ends of the conductor tracks leading to high-voltage connection lugs.
  • the light-emitting diodes are connected to common control connections.
  • the overall arrangement is located in a housing made of plastic, which is poured with potting compound.
  • the high-voltage circuit according to the invention with the features mentioned in the main claim has the advantage over the fact that the cascade circuit forming the high-voltage switch even with a large number of optoelectrical semiconductor elements connected in series takes up very little space and does not require a number of light-emitting elements, such as light-emitting diodes, corresponding to the number of semiconductor elements. Rather, only one light-emitting element is preferably sufficient for the cascade circuit according to the invention.
  • the cascade circuit on which the invention is based is formed by stacked semiconductor chips which have light-sensitive control areas on their peripheral surfaces forming an outside of the chip stack.
  • the semiconductor chips are -in contrast to the prior technology does not • next to each other on a strat Sub ⁇ , but form a stack, wherein the bases of adjacent chips abut each other.
  • the blocking voltage of such chips is in each case approximately between 600 and 800 volts, so that such a small high-voltage switch can, for example, easily switch 30 kV, whereby this voltage potential is by far sufficient for the operation of spark plugs of the internal combustion engine.
  • the inventor Since the light-sensitive control areas of the semiconductor chips are arranged on their peripheral surfaces and thus on the outside of the chip stack, a separate control of each individual semiconductor chip can be omitted, since the light intensity and the light cone of a single light-emitting diode are sufficient to cover all elements of the chip stack to detect a steering.
  • the inventor has therefore taken two crucial steps by: on the one hand he stacked the disk-shaped semiconductor chips with their base areas on top of one another and on the other hand he combined the light-sensitive control areas on the outside of the chip stack.
  • control areas form a control surface with dimensions that can be detected by the light emission of an essentially point-shaped light source. It follows from this that, as already mentioned, a single light source, which can be designed in particular as a light-emitting diode, is sufficient for driving the entire cascade circuit.
  • the use of a light-emitting diode is not mandatory, since other light-emitting elements can of course also be used.
  • the light-emitting element can interact directly with the control areas of the semiconductor chips or — according to a special embodiment of the invention — via an optical fiber connection which lies between the light-emitting diode and the control surface formed by the control areas. The latter leads to a particularly good galvanic decoupling.
  • the light-emitting diode can be switched on and off by an opto-switch which is operated by a control unit of the internal combustion engine.
  • the control device therefore does not directly control the high-voltage cascade, but rather operates the opto-switch, which switches the light-emitting diode interacting with the control surface on and off turns off. Consequently, two optical control sections are formed between the control device and the high-voltage switch.
  • part of the energy present in the ignition circuit of the internal combustion engine is used to operate the light-emitting diode.
  • an ignition coil of the high-voltage circuit with its secondary output is connected via a capacitor to the cascade circuit leading to a spark plug of the internal combustion engine, a series circuit formed from the light-emitting diode and the opto-switch lying parallel to the capacitor.
  • the charging voltage of the capacitor is used to operate the light-emitting diode.
  • Photo thyristors are preferably used as semiconductor chips. A photothyristor is also used for the opto switch.
  • FIG. 1 shows a basic circuit diagram of a high-voltage circuit
  • Figure 2 shows a preferred embodiment of the high voltage circuit. Description of exemplary embodiments
  • connection 7 is connected to another circuit, not shown here, the construction of which for the Understanding of the invention is not important, in particular the connection 7 can be connected to ground 18.
  • the cascade circuit 6 is formed by a multiplicity of optoelectric semiconductor elements 8 connected in series. These are photothyristors which are arranged with their respective base areas stacked on top of one another, in particular the p or n zones of adjacent semiconductor chips 9 which have the base areas can directly adjoin one another.
  • the optoelectrical semiconductor elements 8 designed as semiconductor chips 9 have light-sensitive control areas 13 on their peripheral surfaces 12 forming an outer side 10 of the chip stack 11.
  • the control areas 13 of all the semiconductor chips 9 form a control surface 14, which is used for the control of the cascade circuit 6 by the light emission an essentially point-shaped light source 15 can be acted upon.
  • the light source 15 is operated by a control unit 16 of the internal combustion engine.
  • the light source 15 is preferably designed as a light-emitting diode 17 (LED). This can interact either directly or with the interposition of an optical fiber connection with the control surface 14 of the cascade circuit 6 (FIG. 2).
  • LED light-emitting diode
  • the output of the high-voltage switch 2 leads to an electrode of a spark plug ZK, the counter electrode of which is connected to ground 18.
  • the control device 16 controls the light source 15 at the calculated point in time, the light of which strikes the control surface 14 of the chip stack 11.
  • the semiconductor switch 2 is thereby switched through and an ignition spark is generated on the spark plug ZK.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment, in which the same parts are provided with the same reference symbols.
  • the connection 5 on the secondary side of the ignition coil 4 does not lead directly, but via a capacitor C to the high-voltage switch 2.
  • a series circuit 19 which consists of the LED 17 (LED ) and an opto-switch 20 is formed.
  • the opto-switch 20 is designed as a photothistor TH.
  • the semiconductor chips 9 of the chip stack 11 are likewise designed as photothyristors.
  • the light emitting diode 17 is positioned so that their emitted light falls on the control surface 14 of the high-voltage switch 2. This is indicated schematically in FIG. 2 by an active connection 21.
  • Another active connection 22 also indicated only schematically, exists between the control unit 16 and the photothyristor TH.
  • the active connection 22 clarifies that a light pulse generated by the control device 16 reaches the light-sensitive surface of the photothyristor TH, as a result of which the photothyristor TH is brought into its conductive state.
  • the capacitor C is charged by the ignition coil 4 in accordance with the polarity shown in FIG.
  • the photothyristor TH is ignited by a light pulse (length approximately 5 ⁇ s) from the control unit 16.
  • the capacitor C discharges via the light-emitting diode 17, so that it emits light which falls on the control surface 14 of the cascade circuit 16.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsschaltung mit Hochspannungsschalter, insbesondere als Zündspannungsverteiler für die Zündspannung einer Brennkraftmaschine, der eine aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten optoelektrischen Halbleiterelementen bestehende Kaskadenschaltung aufweist. Für einen einfachen und platzsparenden Aufbau ist vorgesehen, daß die Kaskadenschaltung (6) von aufgestapelten Halbleiterchips (9) gebildet wird, die an ihren eine Außenseite (10) des Chipstapels (11) bildenden Umfangsflächen (12) lichtempfindliche Steuerbereiche (13) aufweisen.

Description

Hochspannuncrsschaltuncr mit Hochspannunqsschalter aus optoelektrischen Halbleiterelementen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Hochspannungsschaltung mit Hochspannungsschalter, insbesondere als Zünd¬ spannungsverteiler für die Zündspannung einer Brennkraftmaschine, der eine aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten optoelektrischen Halbleiter¬ elementen bestehende Kaskadenschaltung aufweist.
Hochspannungschaltungen der eingangs genannten Art kommen insbesondere in der Kraftfahrzeugelektronik zum Einsatz. Sie weisen für jede anzusteuernde Zündkerze der Brennkraftmaschine einen Hochspan¬ nungsschalter auf, der aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten, optoelektrischen Halbleiter¬ elementen besteht. Diese können durch Bestrahlung mit Licht in ihren leitenden Zustand versetzt wer¬ den. Die Ansteuerung übernimmt ein Steuergerät, daß in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brenn¬ kraftmaschine stets den für den jeweils vorliegen¬ den Betriebszustand optimalen Zündzeitpunkt berech¬ net. Die Lichteinstrahlung zu den optoelektrischen Halbleiterelementen kann mittels Leuchtdioden er¬ folgen.
Es ist bekannt, die in Reihe geschalteten optoelek¬ trischen Halbleiterelemente in Hybridtechnik als Kaskadenschaltung auszubilden. Auf einer Substrat¬ platte sind die Halbleiterelemente reihenförmig ne¬ beneinanderliegend angeordnet, wobei ihnen in ge¬ ringem Abstand eine entsprechende Anzahl lichtemit¬ tierender Dioden (LED = Leuchtdioden) gegenüber¬ liegt. Zwischen den Leuchtdioden und den Halb¬ leiterelementen befindet sich ein lichtdurchläs¬ siger Isolator. Die Halbleiterelemente sind über Leiterbahnen miteinander verbunden, wobei die Lei¬ terbahnenden zu Hochspannungs-Anschlußfahnen füh¬ ren. Die Leuchtdioden sind an gemeinsame Steueran¬ schlüsse angeschlossen. Die Gesamtanordnung befin¬ det sich in einem aus Kunststoff bestehenden Ge¬ häuse, das mit Vergußmasse ausgegossen ist. Diese bekannte Kaskadenschaltung benötigt relativ viel Raum und besitzt einen komplizierten Aufbau, insbe¬ sondere ist eine Vielzahl von Bauelementen erfor¬ derlich.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Hochspannungsschaltung mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen hat demgegen¬ über den Vorteil, daß die den Hochspannungsschalter bildende Kaskadenschaltung selbst bei einer sehr großen Anzahl von in Reihe geschalteten optoelek¬ trischen Halbleiterelementen nur sehr wenig Raum einnimmt und dabei für die Ansteuerung nicht eine der Anzahl der Halbleiterelemente entsprechende Zahl von lichtemittierenden Elementen, wie Leucht¬ dioden, benötigt. Vielmehr ist vorzugsweise ledig¬ lich ein lichtemittierendes Element für die erfin¬ dungsgemäße Kaskadenschaltung ausreichend. Zur Er¬ zielung dieser Vorteile ist die der Erfindung zu¬ grundeliegende Kaskadenschaltung von aufgestapelten Halbleiterchips gebildet, die an ihren eine Außen¬ seite des Chipstapels bildenden Umfangsflächen lichtempfindliche Steuerbereiche aufweisen. Mithin liegen die Halbleiterchips -im Gegensatz zum Stand der Technik- nicht • nebeneinander auf einem Sub¬ strat, sondern bilden einen Chipstapel, bei dem die Grundflächen benachbarter Chips aneinander liegen. Auf diese Art und Weise ist es ohne weiteres mög¬ lich, z.B. 40 Halbleiterchips in einem 10mm hohen Chipstapel zusammenzufassen. Die Sperrspannung der¬ artiger Chips liegt jeweils etwa zwischen 600 und 800 Volt, so daß ein derart kleiner Hochspannungs¬ schalter z.B. ohne weiteres 30kV schalten kann, wo¬ bei dieses Spannungspotential für den Betrieb von Zündkerzen der Brennkraftmaschine bei weitem aus¬ reicht. Da die lichtempfindlichen Steuerbereiche der Halbleiterchips an ihren Umfangsflächen und da¬ mit an der Außenseite des Chipsstapels angeordnet sind, kann eine separate Ansteuerung jedes einzel¬ nen Halbleiterchips entfallen, denn die Lichtstärke und der Lichtkegel einer einzigen Leuchtdiode reicht aus, um sämtliche Elemente des Chipstapels für ein Durchsteuern zu erfassen. Der Erfinder ist daher zwei entscheidende Schritte gegangen, indem er zum einen die scheibenförmigen Halbleiterchips mit ihren Grundflächen übereinander gestapelt und zum anderen die lichtempfindlichen Steuerbereiche an der Außenseite des Chipstapels zusammengefaßt hat.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Steuerbereiche eine Steuerfläche mit von der Lichtemission einer im wesentlichen punktformigen Lichtquelle erfaßbaren Abmessungen bilden. Hieraus ergibt sich, daß -wie bereits erwähnt- eine einzige Lichtquelle, die insbesondere als Leuchtdiode ausgebildet sein kann, für die Ansteuerung der gesamten Kaskadenschaltung ausreicht.
Der Einsatz einer Leuchtdiode ist nicht zwingend, denn es können selbstverständlich auch andere lichtemittierende Elemente verwendet werden. Dabei kann das lichtemittierende Element direkt mit den Steuerbereichen der Halbleiterchips zusammenwirken oder -nach einer besonderen Ausgestaltung der Er¬ findung- über eine Lichtleitfaser-Verbindung, die zwischen Leuchtdiode und der von den Steuerbe¬ reichen gebildeten Steuerfläche liegt. Letzteres führt zu einer besonders guten galvanischen Ent¬ kopplung.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß die Leuchtdiode von einem Opto-Schalter ein- und ausschaltbar ist, der von einem Steuergerät der Brennkraftmaschine be¬ trieben wird. Das Steuergerät nimmt also nicht di¬ rekt die Ansteuerung der Hochspannungskaskade vor, sondern betreibt den Opto-Schalter, der die mit der Steuerfläche zusammenwirkende Leuchtdiode ein- und ausschaltet. Mithin sind zwischen Steuergerät und Hochspannungsschalter zwei optische Steuerstrecken ausgebildet.
Nach einer besonderen Ausführungsform wird ein Teil der im Zündstromkreis der Brennkraftmaschine vor¬ handenen Energie zum Betrieb der Leuchtdiode ver¬ wendet. Hierzu ist eine Zündspule des Hochspan¬ nungskreises mit ihrem Sekundärausgang über einen Kondensator an die zu einer Zündkerze der Brenn¬ kraftmaschine führende Kaskadenschaltung ange¬ schlossen, wobei parallel zum Kondensator eine aus der Leuchtdiode und dem Opto-Schalter gebildete Reihenschaltung liegt. Die Ladespannung des Konden¬ sators wird zum Betrieb der Leuchtdiode verwendet. Dieses hat den Vorteil, daß die Steuerenergie des Opto-Schalters wesentlich niedriger sein kann.
Als Halbleiterchips werden vorzugsweise Fotothy¬ ristoren eingesetzt. Ebenso wird für den Opto- Schalter ein Fotothyristor verwendet.
Zeichnung
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Prinzipschaltbild einer Hochspannungs¬ schaltung und
Figur 2 ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel der Hochspannungsschaltung. Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die Figur 1 zeigt eine Hochspannungsschaltung" 1 mit einem Hochspannungsschalter 2, der als Zündspan- nungsverteiler für die Zündspannung einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine dient. Die Primär¬ wicklung 3 einer Zündspule 4 ist in bekannter Weise angeschlossen, so daß hierauf nicht näher einge¬ gangen zu werden braucht. Der eine Anschluß 5 der Sekundärseite der Zündspule 4 ist an den Eingang des als Kaskadenschaltung 6 ausgebildeten Hochspan¬ nungsschalters 2 angeschlossen. Der andere Anschluß 7 steht mit einer übrigen, hier nicht näher darge¬ stellten Schaltung in Verbindung, deren Aufbau für das Verständnis der Erfindung nicht von Bedeutung ist. Insbesondere kann der Anschluß 7 mit Masse 18 verbunden sein.
Die Kaskadenschaltung 6 wird von einer Vielzahl von in Reihe geschalteten optoelektrischen Halbleiter¬ elementen 8 gebildet. Es handelt sich hierbei um Fotothyristoren, die mit ihren jeweiligen Grund¬ flächen stapeiförmig aufeinander!iegend angeordnet sind, insbesondere können die die Grundflächen auf¬ weisenden p- oder n-Zonen benachbarter Halbleiter¬ chips 9 unmittelbar aneinandergrenzen.
Die als Halbleiterchips 9 ausgebildeten optoelek¬ trischen Halbleiterelemente 8 weisen an ihren eine Außenseite 10 des Chipstapels 11 bildenden Umfangs¬ flächen 12 lichtempfindliche Steuerbereiche 13 auf. Die Steuerbereiche 13 sämtlicher Halbleiterchips 9 bilden eine Steuerfläche 14, die für die Ansteue¬ rung der Kaskadenschaltung 6 von der Lichtemission einer im wesentlichen punktformigen Lichtquelle 15 beaufschlagbar ist. Die Lichtquelle 15 wird von ei¬ nem Steuergerät 16 der Brennkraftmaschine be¬ trieben.
Die Lichtquelle 15 ist vorzugsweise als Leuchtdiode 17 (LED) ausgebildet. Diese kann entweder direkt oder aber unter Zwischenschaltung einer Lichtleit¬ faser-Verbindung mit der Steuerfläche 14 der Kaska¬ denschaltung 6 zusammenwirken (Figur 2) .
Der Ausgang des Hochspannungsschalters 2 führt zu einer Elektrode einer Zündkerze ZK, deren Gegen¬ elektrode mit Masse 18 in Verbindung steht.
Sobald sich ein Zündspannungsimpuls auf der Sekun¬ därseite der Zündspule 4 aufgebaut hat, steuert das Steuergerät 16 zum berechneten Zeitpunkt die Licht¬ quelle 15 an, deren Licht auf die Steuerfläche 14 des Chipstapels 11 fällt. Dadurch wird der Halb¬ leiterschalter 2 durchgeschaltet und an der Zünd¬ kerze ZK ein Zündfunke erzeugt.
Die Figur 2 zeigt ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel, bei dem gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. In Abweichung zum Ausführungsbei¬ spiel der Figur 1 führt der Anschluß 5 der Sekun¬ därseite der Zündspule 4 nicht direkt, sondern über einen Kondensator C zum Hochspannungsschalter 2. Parallel zum Kondensator C liegt eine Reihenschal¬ tung 19, die aus der Leuchtdiode 17 (LED) und einem Opto-Schalter 20 gebildet ist. Der Opto-Schalter 20 ist als Fotothyistor TH ausgebildet. Die Halblei¬ terchips 9 des Chipstapels 11 sind ebenfalls als Fotothyristoren ausgebildet. Die Leuchtdiode 17 ist derart positioniert, daß ihr emittiertes Licht auf die Steuerfläche 14 des Hochspannungsschalters 2 fällt. Dieses ist in der Figur 2 durch eine Wirk¬ verbindung 21 schematisch angedeutet. Eine weitere, ebenfalls nur schematisch angedeutete Wirkverbin¬ dung 22 besteht zwischen dem Steuergerät 16 und dem Fotothyristor TH. Die Wirkverbindung 22 verdeut¬ licht, daß ein vom Steuergerät 16 erzeugter Lichtimpuls auf die lichtempfindliche Fläche des Fotothyristors TH gelangt, wodurch dieser in seinen leitenden Zustand versetzt wird.
Im Betrieb wird der Kondensator C entsprechend der in Figur 2 wiedergegebenen Polarität durch die Zündspule 4 aufgeladen. Sobald auf der Sekundär¬ seite der Zündspule 4 der Zündspannungsimpuls etwa die Hälfte seiner Maximalhöhe erreicht hat, wird durch einen Lichtimpuls (Länge etwa 5μs) des Steuergeräts 16 der Fotothyristor TH gezündet. Hierdurch entlädt sich der Kondensator C über die Leuchtdiode 17, so daß diese Licht emittiert, das auf die Steuerfläche 14 der Kaskadenschaltung 16 fällt. Dieses bringt die Halbleiterchips 9 des Hochspannungsschalters 2 in ihrer leitfähigen Zu¬ stände, so daß die Hochspannungskaskade durchschal¬ tet und der Zundspannungsimpuls zur Ausbildung eines Zündfunks an die Zündkerze ZK angelegt wird.

Claims

Ansprüche
1. Hochspannungsschaltung mit Hochspannungsschal¬ ter, insbesondere als Zündspannungsverteiler für die Zündspannung einer Brennkraftmaschine, der eine aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten opto¬ elektrischen Halbleiterelementen bestehende Kaska¬ denschaltung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaskadenschaltung (6) von aufgestapelten Halb¬ leiterchips (9) gebildet wird, die an ihren eine Außenseite (10) des Chipstapels (11) bildenden Um¬ fangsflächen (12) lichtempfindliche Steuerbereiche (13) aufweisen.
2. Hochspannungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerbereiche (13) eine Steuerfläche (14) mit von der Lichtemission einer im wesentlichen punktformigen Lichtquelle (15) er¬ faßbaren Abmessungen bilden.
3. HochspannungsSchaltung nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (15) eine Leuchtdiode (17) ist.
4. Hochspannungsschaltung nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Leuchtdiode (17) und Steuerfläche (14) eine Lichtleitfaser-Verbindung befindet.
5. Hochspannungsschaltung nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdiode (17) von einem Opto-Schalter (20) ein- und ausschaltbar ist, der von einem Steuergerät (16) der Brennkraftmaschine betrieben wird.
6. Hochspannungsschaltung nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zünd¬ spule (4) , deren Sekundärausgang über einen Konden¬ sator (C) an die zu einer Zündkerze (ZK) der Brenn¬ kraftmaschine führende Kaskadenschaltung (6) ange¬ schlossen ist, wobei parallel zum Kondensator (C) eine aus Leuchtdiode (17) und Opto-Schalter (20) gebildete Reihenschaltung (19) liegt.
7. Hochspannungsschaltung nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterchips (9) als Fotothyristoren ausgebildet sind.
8. Hochspannungsschaltung nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Opto-Schalter (20) ein Fotothyristor (TH) ist.
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