JP2001248529A - 内燃機関用点火装置および内燃機関点火用１チップ半導体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】信頼性の高い１チップイグナイタを達成するこ
とができる。 【解決手段】ＩＧＢＴモノリシックシリコン基板内にパ
ワー部と制御部を１チップ集積した構成。制御回路部は
電流を設定値以上流さない電流制限回路，異常発熱を検
出し１次電流を強制的に遮断する機能を有する。電流強
制遮断時に点火プラグに火花放電が発生しないように、
点火コイルの２次電圧をプラグ放電電圧以下で繰り返し
発生させて点火コイルにチャージされたエネルギーを放
出させることを特徴とした内燃機関用点火装置。 【効果】信頼性の高い１チップイグナイタを達成するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】内燃機関用点火装置および１
チップ半導体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術には、特開平8−335522 号の
ようにパワースイッチング部と保護機能である電流制限
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ＩＧＢＴのモノリシックシリコン基板
に集積させてなる内燃機関用点火装置がある。また、強
制電流遮断時に点火コイルの２次側に高電圧を発生させ
ない方法としては、コレクタクランプ電圧を数十Ｖとと
して、その巻数比倍分の電圧発生に押さえる方法が考え
られる。さらに、セラミック基板等に電子部品を搭載し
てなるＨｙｂｒｉｄＩＣを用いた点火装置においては、
特開昭53−118781号のように点火信号の異常を検出し、
コンデンサによるミラー積分効果が１次電流の遮断を緩
慢に遮断する機能がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の技術特開平
8−335522 号は、イグナイタに保護機能として電流制限
回路とサーマルシャットオフ回路を設けているが、単純
なサーマルシャットオフ回路は素子温度が設定温度以上
になると強制的にパワートランジスタのゲート信号をＬ
ＯＷにして点火コイルに流れる一次電流をすばやく遮断
する機能であるため、この動作により点火コイル二次側
に高電圧が誘起され点火プラグに放電が発生するため、
エンジンの工程によってはバックファイヤー等有害な燃
焼をおこす可能性がある。この有害な燃焼を防止するた
めに、強制電流遮断時に点火コイルの２次側に高電圧を
発生させないことが必要であり、最も単純な方法として
はコレクタクランプ電圧を数十Ｖに落として、その巻数
比倍分の電圧発生に押さえる方法が考えられるが、通常
自動車用点火装置としてはバッテリー直列の２４Ｖ＋α
で動作することが必要であり、コレクタクランプ電圧を
３０Ｖ以下にすることは望ましくない。点火コイルの２
次側にコレクタ電圧の巻数比倍の電圧が発生するため、
たとえばコイル巻数比が１００の点火コイルでコレクタ
クランプ電圧が３０Ｖの場合、電流制限中のＶｃｅ電圧
を７Ｖと考えると３０Ｖ−７Ｖ＝２３Ｖの１００倍であ
る２.３ｋＶ という高電圧が発生する。点火プラグに発
生する火花放電電圧はエンジンの運転条件によって異な
り、圧力が高く空気密度が濃い状態での放電電圧は高く
なり、逆に圧力が低く空気密度の薄い状態での放電電圧
は低くなる。すなわち、エンジンの圧縮工程で空気を多
く取り込んだ状態では圧力が上がるため高い２次電圧が
要求され、エンジンが吸気工程で空気流量が少ない状態
では負圧になるため低い２次電圧で火花放電が発生す
る。この負圧は、エンジンが高回転で運転され、ピスト
ンスピードが早い状態で急激にスロットルバルブを閉じ
た場合に高い負圧が発生し、一般的な数値としては絶対
圧１３〜１４ｋＰａ(大気圧：１０６.７ｋＰａ）の負圧
が発生する。１次電流を強制的に遮断する場合、エンジ
ンがいかなる状態でも点火プラグに火花放電が起こらな
いことが必要となるため、負圧で火花放電が起こりやす
い状態でも火花放電が起こらない２次電圧以上に抑える
必要がある。特に、エンジンが負圧であるということは
吸気工程であるため、この状態で着火するとバックファ
イヤーといったエンジンに有害な燃焼をきたす原因とな
る。図１に負圧と火花放電の関係を実験により求めたも
のを示す。本実験はＢＯＳＣＨ社製点火プラグＦ７ＬＴ
ＣＲ（ＧＡＰ幅１.２mm ）をアルミのチャンバーに装着
し、外部から負圧ポンプによりチャンバー内圧力を減圧
して圧力とその時火花放電が発生する２次電圧を測定し
たものである。１ａ：大気圧（１０６.７ｋＰａ)，１
ｂ：４０ｋＰａ，１ｃ：２０ｋＰａ，１ｄ：１３ｋＰａ
時の放電電圧波形である。本実験結果により、絶対圧１
３ｋＰａ時のプラグ放電電圧は１.５ｋＶ であるため、
点火プラグに火花放電を発生させないためには２次電圧
を概略１ｋＶ以下に抑える必要がある。波形１ｅは絶対
圧１.３ｋＰａ でも１ｋＶでは放電しないことを示して
いる。このことから、前記コレクタクランプ電圧を３０
Ｖとする方式ではプラグ放電が阻止できないこととな
る。

【０００４】また、特開昭53−118781号のようにコンデ
ンサによるミラー積分効果を利用して１次電流を緩慢に
遮断し点火コイルの２次側に発生する高電圧を抑制して
点火プラグへの放電を防止する技術が考えられている
が、点火プラグへの放電が防止できるように１次電流を
緩慢に遮断させるためには容量の大きいコンデンサが必
要となるためシリコン基板上に作り込むことはサイズ的
に極めて不利である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段として、本発明は異常発熱時にパワートランジス
タのコレクタ電流強制遮断させるときに、点火コイルの
２次側に発生する２次電圧によって火花放電が発生しな
いように２次電圧がプラグ放電電圧以下になるようにコ
レクタ電流を変化させ、この制御を繰り返して前記２次
電圧を繰り返し発生させて点火コイルにチャージされた
エネルギーを放出させるものである。図２に本発明を実
現した回路の机上における実験波形を示す。本波形よ
り、発生２次電圧が８００Ｖピークで繰り返し放電され
ているため、プラグ放電が発生することがなく有害な着
火が阻止できることがわかる。このようにゲートの電圧
を制御して１次電流の変化量を制御することで、点火コ
イルの２次側に発生する電圧を１ｋＶ以下に制御しなが
ら強制的に１次電流を遮断することが可能となる。

【０００６】このプラグ放電電圧以下の２次電圧を繰り
返し発生させる手段として、パルス波形を利用してコレ
クタ電流をステップ的に変化させるデジタル制御とする
ことで、容量の大きいコンデンサを必要とせず、シリコ
ン基板上に制御回路を容易に作り込むことが可能とな
る。また、一度強制的遮断が発生したあとは、再度点火
制御信号がＬＯＷになるまで通電させないラッチ回路を
設けることで、異常通電が発生している間にチップ温度
が設定値以下となっても再通電させない制御とすること
で異常な通電動作を阻止する回路構成とする。これら制
御回路をパワートランジスタのモリシック基板内に集約
した１チップで構成する。

【０００７】上記のように、点火装置が異常発熱した場
合に強制的に一次電流を遮断する時に点火コイルの２次
側に発生する２次電圧がプラグ放電電圧以下に抑制され
るようにパワートランジスタのゲート電圧を制御して電
流を階段状に遮断することにより、点火プラグへの飛火
が阻止できる。これら制御回路とパワー部とをパワート
ランジスタのモノリックシリコン基板に集積すること
で、動作の安定した信頼性の高い多機能な１チップイグ
ナイタを達成することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１に、通常の点火システムの構
成例を示す。１はＥＣＵ、２は点火装置、３は点火コイ
ル、４は点火プラグを示す。ＥＣＵ１の出力段は、ＰＮ
Ｐトランジスタ９，ＮＰＮトランジスタ１０，抵抗１１
より構成され、ＣＰＵ８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９，１０をＯＮ，ＯＦＦし、点
火装置にＨＩＧＨ，ＬＯＷのパルスを出力する。点火装
置２は、パワートランジスタ５とハイブリッドＩＣ１３
に実装された電流検出用負荷６，電流制御回路７、およ
び入力抵抗１２より構成され、ＥＣＵ１の出力信号がＬ
ＯＷ→ＨＩＧＨでパワートランジスタ５は通電を開始
し、ＨＩＧＨ→ＬＯＷで遮断することによりパワートラ
ンジスタ５のコレクタ部に電圧が発生し、点火コイルの
巻き数比倍に相当する高電圧が点火コイルの２次側に誘
起され、点火プラグの電極間に火花放電を発生させて混
合気を燃焼させる。その他、代表的な駆動回路を図４に
示す。４ａはＰＭＯＳとＮＭＯＳをコンプリメンタリー
につないだもの、４ｂはプルアップ抵抗とＮＰＮトラン
ジスタで構成したもの、４ｃはＰＮＰトランジスタで電
流を流し込む方式のものである。各方式において回路構
成は異なるが、ＥＣＵにより求められた最適点火時期で
点火プラグに火花放電を発生させるためのタイミングと
点火コイルにエネルギをチャージするためにイグナイタ
を駆動させるために必要な電流及び電圧を出力する回路
である。

【０００９】図５に、本発明の一実施例である点火装置
のブロック図を示す。１４は点火コイル、１５は本発明
の点火装置、１６は点火コイルの１次コイルに流れる１
次電流を通電，遮断する主回路を構成するメインＩＧＢ
Ｔ、１７はＩＧＢＴ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ＩＧＢＴであり、そのエミッ
タには電流検出用素子としての抵抗１８を有し、電流制
限回路１９に接続される。ＥＣＵ３５に接続される点火
装置の入力段は保護回路２２を備え、この点火制御信号
の電圧を電源とするパルス発生回路２３，カウンタ回路
２４，過熱検知回路２５，ラッチ回路２６，ＡＮＤ論理
ゲート２７，ステップ波形発生回路２８，バッファ２
９，ＭＯＳトランジスタ３０と抵抗３１によって制御回
路が構成される。

【００１０】電流制限回路の一例を図６に示す、本回路
は差動増幅回路３６によって電流検出抵抗１８に発生す
る電圧とＶｒｅｆ１電圧３７を比較する回路であり、電
流検出抵抗１８の電圧がＶｒｅｆ１電圧３７以上になる
と差動増幅回路３６はＨｉ出力をしトランジスタ３８が
ＯＮしＩＧＢＴ１６のゲート電圧を降下させＩＧＢＴを
不飽和状態にすることで電流制限をかける回路である。
本回路においてＶref1電圧をステップ的に減少させるこ
とで点火コイルの２次側に発生する２次電圧をプラグ放
電電圧で繰り返し遮断させて点火コイルにチャージされ
たエネルギーを放出する。

【００１１】入力段及び保護回路の構成を図７に示す。
抵抗４０はプルダウン抵抗であり、回路にある一定の電
流を流し込むことで入力端子の接触電流を確保する。更
にツェナーダイオード４１，４２と抵抗４３，４４から
なるネットワークを構成することで自動車用として想定
される各種サージにも耐える耐量を確保している。

【００１２】過熱検知回路の一例を図８に示す。本回路
はダイオードの順方向電圧の温度係数を利用するもので
あり、ダイオード４８に定電流回路４９から定電流を流
して順方向電圧を発生させ、差動増幅回路４５によりＶ
ｒｅｆ２電圧と比較する回路である。ダイオードの順方
向電圧は２ｍＶ／℃程度の負の温度係数を持っているた
め、ダイオードの順方向電圧を差動増幅回路によって設
定電圧Ｖｒｅｆ２と比較することによって異常過熱状態
を判断することができる。また、ＭＯＳトランジスタの
動作電圧Ｖｔｈの温度を利用して同じ機能を持たせる方
法も考えられる。ラッチ回路は図９に示すようにＤタイ
プフリップフロップ５０によりラッチ動作させることが
可能である。図１０はパルス発生回路の一例であり、Ｎ
ＡＮＤゲート５１の出力を抵抗５２，コンデンサ５３で
積分したインバータ５４に入力し、さらのインバータ５
５を介してＮＡＮＤゲート５１の入力にフィードバック
することにより自己発振するフリーランパルス発生回路
である。インバータ５５の出力をコンデンサ５５で微分
した波形を抵抗５２，コンデンサ５３間に印加すること
で積分波形の振幅を大きくとる回路構成としている。タ
イマー回路は図１１のようにフリップフロップを用いて
２ⁿ 分周させることにより可能であり、初段入力と最終
段の出力とでＡＮＤをとり、これによってフリップフロ
ップにリセットかけることで、ある周期に一発のパルス
波形を出力する。

【００１３】図１２はステップ波形発生回路の一例であ
り、ＯＰアンプ５６と入力抵抗５７，コンデンサ５８を
用いた積分動作を応用したものである。カウンタ回路か
ら出力される信号は抵抗５７を介してＯＰアンプ５６の
インバート端子に入力される。ＯＰアンプ５６のノンイ
ンバート端子はＧＮＤレベルであるため、Ｉ＝信号電圧
／抵抗の電流が仮想的に流れ、これに比例してＶ＝（１
×Ｔ）／Ｃの式で表される電圧変化がＯＰアンプ５６の
出力に発生する。これによりパルス印加毎に電圧をステ
ップ変化させることが可能となる。パルス発生カウンタ
波形及びステップ波形の関係を図１３に示す。

【００１４】各回路の動作を図１４の動作波形により説
明する。図１４シーケンスにおいて、ＥＣＵ３５から
出力される点火制御信号３ａによってゲート制御電圧３
ｂがメインＩＧＢＴに印加され１次電流３ｆが流れ、こ
の電流が遮断される時の磁束の急激な変化により点火コ
イルの２次側に２次電圧３ｇが誘起される。パルス発生
回路は点火制御信号がＨｉ状態の場合は常にパルスを発
生させるフリーラン発振回路であり、この基準パルスは
カウンタ回路２４に入力されて分周されることにより図
１１に示すように一定期間に一発のパルスが出力され
る。図１４シーケンスにおいて、点火制御信号３ａが
Ｈｉになりゲート制御電圧３ｂがＯＮし、１次電流３ｆ
が流れ、１次電流が設定値になると電流制限回路が動作
してゲート制御電圧を降下させメインＩＧＢＴを不飽和
にして１次電流３ｇをその値で保持する。図１４シーケ
ンスにおいて、点火制御信号３ａがＨｉままで１次電
流３ｇをその値で電流制限値で通電され続けるとＩＧＢ
Ｔ素子は発熱が大きくなり過熱検知回路２５が動作する
温度を超えると過熱検知回路２５から信号が出力され
る。ラッチ回路２６は過熱検知回路２５の出力によりＨ
ｉを出力し、一度信号を出力したら過熱検知回路２５の
出力信号がＯＦＦになっても点火制御信号３ａがＬＯＷ
にならないかぎりＨｉを出力し続ける回路である。ラッ
チ出力３ｅとカウンタ出力３ｃはＡＮＤ論理回路２７に
よって論理積がとられ、その出力がステップ波形発生回
路２８に入力される。前記階段状波形はバッファ２９を
介してトランジスタ３０のゲートを駆動することにより
メインＩＧＢＴのゲート電圧を階段状に減少させる。図
１４シーケンスにおいて、ゲート制御電圧３ｂは階段
状に減少することによりメインＩＧＢＴ１６は能動状態
に保たれながら１次電流３ｆは階段状に減少するため、
発生２次電圧が１ｋＶ以下となるようにゲート制御電圧
３ｂの変化分を設定する。この１次電流の変化によって
発生する２次電圧Ｖ２は点火コイルの１次インダクタン
スをＬ１、巻数比をａ、１次電流の変化分をｄｉ／ｄｔ
とおくとＶ２＝ａ×Ｌ１×（ｄｉ／ｄｔ）によって定義
される電圧が発生する。このようにゲートの電圧を制御
して１次電流の変化量を制御することで、点火コイルの
２次側に発生する電圧を１ｋＶ以下に制御することが可
能となる。この制御を繰り返すことで１次電流は徐々に
減少し、最終的に１次電流はゼロになり強制遮断が終了
し、点火制御信号がＬＯＷになるまで１次電流はゼルを
続ける。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、異常発熱が発生した場
合に強制的に一次電流を遮断することにより素子が破損
することを防ぐことができ、且つ一次電流を強制的に遮
断する時に点火プラグに火花放電が発生しないようにス
テップ的に電流を減少させることにより安全に電流を遮
断することが可能となり、この回路をパワートランジス
タのモノリシックシリコン基板に集積することで信頼性
の高い１チップイグナイタを達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】負圧と火花放電電圧の関係を表す波形。

【図２】本発明の机上実験波形。

【図３】通常の点火装置の構成。

【図４】代表的な駆動回路の例。

【図５】本発明の実施例を表すブロック図。

【図６】電流制限回路の一例。

【図７】入力段及び保護回路の構成。

【図８】過熱検知回路及びラッチ回路の一例。

【図９】パルス発生回路の一例。

【図１０】カウンタ回路の一例。

【図１１】ステップ波形発生回路の一例。

【図１２】パルス波形，カウンタ波形，ステップ波形。

【図１３】本発明の実施例を表す動作シーケンス。

【符号の説明】

１，３５…ＥＣＵ、２，１５…点火装置、３，１４…点
火コイル、４…点火プラグ、５，１６…メインＩＧＢ
Ｔ、１７…サブＩＧＢＴ、６，１８…電流検出用負荷、
７，１９…電流制限回路、８…ＣＰＵ、９…ＰＮＰトラ
ンジスタ、１０…ＮＰＮトランジスタ、１１，１２，４
０，４３，４４，５２，５８…抵抗、１３…ハイブリッ
ドＩＣ基板、２１，４８…ダイオード、２０，４１，４
２…ツェナーダイオード、２２…入力保護回路、２３…
パルス発生回路、２４…カウンタ回路、２５…過熱検知
回路、２６…ラッチ回路、２７…ＡＮＤゲート、２８…
ステップ波形発生回路、２９…バッフア、３０…ＰＭＯ
Ｓトランジスタ、３６，４６…電圧比較回路、３７…Ｖ
ｒｅｆ１、４５…Ｖｒｅｆ２、４９…定電流源、５０…
Ｄフリップフロップ、５７…ＯＰアンプ、５９…コンデ
ンサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 深津 克明 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者 小林 良一 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者 杉浦 登 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 Ｆターム(参考） 3G019 BA01 CA02 CA14 DC06 EA17 FA04 FA13 FA14 FA31 KD05 KD06

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関用電子制御装置（以下ＥＣＵ）か
   ら出力され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，遮断制御して二次側に高電圧を発生さ
   せるハワースイッチング部と素子の保護回路部をパワー
   トランジスタのモノリシックシリコン基板に集積してな
   る１チップ型内燃機関用点火装置において、 電流制限機能とコレクタ電流通電中に異常を検知してコ
   レクタ電流を強制的に遮断させる機能とを有し、このコ
   レクタ電流強制遮断の際に点火コイルの２次電圧をプラ
   グ放電電圧以下で繰り返し発生させて点火コイルにチャ
   ージされたエネルギーを放出させることを特徴とした内
   燃機関用点火装置。
2. 【請求項２】請求項１の点火装置において、コレクタ電
   流強制遮断手段としてパワートランジスタを能動状態に
   保持しながら電流を階段状に遮断して点火コイルの２次
   側に繰り返し発生する２次電圧がプラグ放電電圧以下に
   なるようにパワートランジスタのゲート電圧を制御する
   ことを特徴とした内燃機関用点火装置。
3. 【請求項３】請求項１または２の点火装置において、異
   常を検出する手段として、過熱検知回路をパワートラン
   ジスタ基板上に集約し、異常発熱時にコレクタ電流強制
   遮断時に点火コイルの２次電圧をプラグ放電電圧以下で
   繰り返し発生させてして点火コイルにチャージされたエ
   ネルギーを放出させることを特徴とした内燃機関用点火
   装置。
4. 【請求項４】請求項２の点火装置において、１次電流の
   変化量を０.５Ａ 以下とし、電流を保持する時間を１０
   ０μｓ以上として、これを繰り返すことによって１次電
   流を階段状に遮断することを特徴とした内燃機関用点火
   装置。
5. 【請求項５】請求項１の点火装置において、一度強制的
   遮断が発生したあとは、再度点火制御信号がＬＯＷにな
   るまで通電させないラッチ回路を設けたことを特徴とし
   た内燃機関用点火装置。
6. 【請求項６】請求項２の点火装置において、電流制限を
   司る回路の基準電圧を階段状に降下させて、これに対応
   する電流制限値を階段状に降下させてコレクタ電流を階
   段状に遮断する制御方法としたことを特徴とする内燃機
   関用点火装置。
7. 【請求項７】請求項１の点火装置において、パワートラ
   ンジスタに絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ（以下
   ＩＧＢＴ）を用いて、制御回路を自己分離型ＮＭＯＳ素
   子によって構成したことを特徴とする内燃機関用点火装
   置。
8. 【請求項８】入力信号に応じて、点火コイルの一次電流
   を制御するパワートランジスタと、 異常時に前記パワートランジスタのコレクタ電流をステ
   ップ状に減じる手段と、を備えた内燃機関点火用１チッ
   プ半導体。