JP3484123B2 - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

内燃機関用点火装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】内燃機関に用いられる点火装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の技術には、特開平８−３３５５２
２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値がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前記従来の技術は、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、サーマルシャットオフ回
路は異常通電を素子の温度をモニタすることにより間接
的に検出して素子温度が設定温度以上になると強制的に
ＩＧＢＴのゲート信号をＬＯＷにして点火コイルに流れ
る一次電流を遮断する機能であるためため、この動作に
よりどういうタイミングで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か制御できず、エ
ンジンの吸気工程で着火してバックファイヤー等有害な
燃焼をおこす可能性がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題は、内燃機関用
電子制御装置（以下ＥＣＵ）から出力される制御信号に
応じて点火コイルに流れる一次電流を通電または遮断制
御して二次側に高電圧を発生させる絶縁ゲート型バイポ
ーラパワートランジスタ（以下ＩＧＢＴ）と、前記一次
電流の過電流を防止する電流制限回路と、一定時間以上
通電を指示する前記制御信号が入力された場合強制的に
一次電流を遮断する異常通電防止回路と、をシリコン基
板に集積してなる１チップ型内燃機関用点火装置であっ
て、前記異常通電防止回路は、点火制御信号が一定時間
以上入力されていることを検出するための基準パルス発
生回路と、前記基準パルス発生回路で発生したパルスを
分周するパルス分周回路と、デジタルタイマー出力信号
によりラッチしてＩＧＢＴのゲート電圧を降下させ前記
制御信号オフでリセットするラッチ回路とで構成したこ
とによって解決される。
【０００５】例えば、点火制御信号のオン時間をカウン
トするタイマーを設けて通電時間を直接検出して一定時
間以上の長い点火制御信号が入力された場合に強制的に
一次電流を遮断し、さらにこの点火制御信号がＬＯＷに
なるまでＩＧＢＴを通電させないラッチ制御方式とす
る。また入力段に電位比較回路を設けて点火制御信号に
対する動作電圧に、しきい値及びヒステリシスを持た
せ、これら制御回路とパワーＩＧＢＴ部とをＰウエル層
でアイソレートした自己分離層の中に作ったＮＭＯＳト
ランジスタで構成する。
【０００６】上記のように、点火制御信号のオン時間を
カウントするタイマーを設けて通電時間を直接検出して
一定時間以上の長い点火制御信号が入力された場合に強
制的に一次電流を遮断し、さらにこの点火制御信号がＬ
ＯＷになるまでＩＧＢＴを通電させないラッチ制御方式
とすることにより、強制遮断させるタイミングを制御で
き、且つ一度動作したら異常通電中は再通電させないた
め有害な燃焼を防止することができ、また入力段に電位
比較回路を設けて点火制御信号に対する動作電圧に、し
きい値及びヒステリシスを持たせることにより外部ノイ
ズに対して余裕をもたせることができ、これら制御回路
とパワーＩＧＢＴ部とをＰウエル層でアイソレートした
自己分離層の中に作ったＮＭＯＳトランジスタで構成す
ることにより最少のプロセスでＩＧＢＴのモノリシック
シリコン基板に集積することが可能となり動作の安定し
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
ことが出来る。
【０００７】
【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
起する。この点火コイルの２次側に発生する電圧（以下
２次電圧）はエンジンの運転条件によって変化するた
め、コレクタ部に発生する電圧も変化するが、例えば巻
き数比１００の点火コイルの２次電圧が１５ｋＶの場
合、コレクタには約１５０Ｖの電圧が発生する。
【０００８】図２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、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ＩＧＢＴ、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、電圧比較回路で構成される電流制限回
路１８を有する。制御回路部の電源はバッテリーからと
り、抵抗２０とツェナーダイオード２１によって回路電
源電圧ＶＤＤが作りだされ、この回路電源電圧ＶＤＤは
抵抗２３，２６を介してＩＧＢＴのゲートに接続され
る。ＥＣＵに接続される点火装置の入力段は外部サージ
からの保護及びこれに起因するＩＧＢＴラッチアップ防
止を目的とした入力保護回路２２を備え、ヒステリシス
を持った電圧比較回路で構成される入力電圧制御回路２
４に接続され、入力電圧制御回路２４は入力信号レベル
によってトランジスタ２５を制御してＩＧＢＴのゲート
電圧を制御することにより通電／遮断制御を行う。抵抗
２３はトランジスタ２５が導通した時でもＶＤＤ電圧を
確保する為の抵抗であり、抵抗２６はＩＧＢＴ保護ツェ
ナー１５が動作した場合のツェナー電流減少とゲートに
回り込むサージ減少目的の為である。基準電源回路２９
は入力電圧制御回路２４と電流制限回路１８の比較基準
電圧源であり、入力電圧制御回路２４と電流制限回路１
８はこの基準電圧と検出電圧の比較動作を行う。パルス
発生回路３０，パルス分周回路３１，ラッチ回路３２は
連続通電を防止するセルフシャットオフ回路を構成し、
パルス発生回路３０はＶＤＤ電源投入と同時に無安定パ
ルス発生回路として基準パルスを発生し、このパルスを
分周するパルス分周回路３１によって一定時間をカウン
トしてタイマーとして動作し、この出力を保持するラッ
チ回路３２の出力によってトランジスタ３３を動作して
ＩＧＢＴのゲート電圧を制御する。
【０００９】図３に本発明の実装構造を表す一例を示
す。ＩＧＢＴモノリシックシリコン基板３６はコレクタ
端子となるベースプレートにハンダ付けされ、ＶＢ端子
３８，入力端子３９，エミッタ端子はそれぞれボンディ
ングワイヤにて基板にボンディングされ、トランスファ
ーモールド樹脂によってパッケージされている。前記回
路電源ＶＤＤ用抵抗８０とツェナーダイオード８１は自
動車用途として十分な耐量を確保しているが、近年信頼
性向上のために電源に過大なサージを印加して試験する
要求仕様があり、内蔵保護素子ではもたない場合も考え
られる。このような場合には図４のように抵抗素子４３
をモノリシックシリコン基板の外であるＶＢ端子とＶＢ
ボンディングワイヤの間に設けてこれに対応する。
【００１０】図６にて本発明の一実施例の回路構成と動
作を説明する。回路の電源はバッテリー電圧ＶＢからと
り、抵抗８０とツェナーダイオード８１によって回路電
圧ＶＤＤが作られる。本抵抗とツェナーダイオードは自
動車用点火装置の電源に印加されるサージに耐え得る耐
量を確保している。ＩＧＢＴはパワー部としてのメイン
ＩＢＧＴ５１とシャント電流を流すためのサブＩＧＢＴ
５２よりなり、サブＩＧＢＴのエミッタにはインピーダ
ンス素子としての抵抗５３が接続され、ここで発生する
電圧ドロップと基準電圧を抵抗５６，５７で分圧した設
定値とを電圧比較回路５４で比較し、抵抗５３の電圧ド
ロップがこの設定値に達するとトランジスタ５５がＯＮ
してＩＧＢＴのゲート電圧を降下させＩＧＢＴを不飽和
状態にすることによって電流制限をかける。基準電圧は
回路電源電圧ＶＤＤから抵抗７４を介して接続したツェ
ナーダイオードによって構成している。本実施例におい
ては、単純で小さい回路構成で機能を達成することを目
的としているためツェナーダイオードで構成している
が、Ｖｔｈの異なる２つのＮＭＯＳトランジスタを対に
して構成する温度特性の良い基準電圧回路を用いること
によってさらに精度のよい制御が可能となる。入力制御
回路は基準電圧を抵抗６７，６８で分圧した設定値と入
力信号電圧を抵抗６９，７０で分圧した電圧とを比較す
る電圧比較回路７３とそれによってドライブされるトラ
ンジスタ６０により構成され、抵抗６８と並列に接続さ
れた抵抗７１と電圧比較回路７３の動作によってＯＮ−
ＯＦＦするトランジスタ７２によってヒステリシスを作
っている。
【００１１】図７に示す回路動作シーケンスにおい
て、点火入力信号の電位はＬＯＷであり、電圧比較回路
７３の入力である基準電圧の方が点火入力電圧より高い
値であるため電圧比較回路７３の出力はＨｉでありトラ
ンジスタ６０は導通しているためＩＧＢＴのゲート電圧
がＬＯＷとなり１次電流は流れない。シーケンスにお
いて、入力電圧が上昇して基準電圧を抵抗６７，６８で
分圧した設定値以上になると電圧比較回路７３の出力は
ＬＯＷになり、トランジスタ６０がＯＦＦしてＩＧＢＴ
のゲートに電圧が印加され１次電流がながれる。電圧比
較回路７３の出力がＬＯＷになると同時にトランジスタ
７２がＯＮするため、設定値は抵抗７０と７１の並列値
と抵抗６７の分圧になり降下する。シーケンスにおい
て、入力電圧が降下して基準電圧を抵抗７０と７１の並
列値と抵抗６７で分圧した設定値以下になると電圧比較
回路７３の出力はＨｉになり、トランジスタ６０が再度
ＯＮしてＩＧＢＴのゲートに電圧がＬＯＷになり１次電
流が遮断される。入力段は抵抗７６，７７さらに抵抗７
６と並列に接続されたツェナーダイオード７８とＶＤＤ
に向かって接続されるダイオード７９によって構成され
る入力保護回路を有する。
【００１２】点火信号がある一定時間以上Ｈｉであった
場合、強制的に通電を遮断させる機能であるセルフシャ
ットオフ機能は基準パルス発生回路，パルス分周回路，
ラッチ回路よりなり、基準パルス発生回路は２入力ＮＡ
ＮＤゲート６１，抵抗６２，コンデンサ６５，６６，イ
ンバータ６３，６４よりなり、２入力ＮＡＮＤゲート６
１の入力の一端はＶＤＤに接続され、もう一端はインバ
ータ６４の出力からフィードバックし、その出力は抵抗
６２を介してコンデンサ６５に電荷をチャージ／ディス
チャージする。ＮＡＮＤゲート６１の出力がＨｉになる
とコンデンサ６５は抵抗６２との時定数をもって立ち上
がり、インバータ６３のスレッシュホールドを超えると
インバータ６３がＬＯＷとなりインバータ６４がＨｉに
なる。インバータ６４の出力がＨｉになるとＮＡＮＤゲ
ート６１の入力にＨｉがフィードバックされこの出力が
ＬＯＷとなり、コンデンサ６５の電荷は抵抗６２との時
定数をもって立ち下がるが、この時コンデンサ６６によ
る微分回路よりコンデンサ６５の電位を跳ね上げて時間
幅を多くとるようにしている。これの繰り返しにより基
準パルスが発生される。この基準パルスをＤフリップ・
フロップをシリーズ接続した分周回路で×２n分周する
カウンターを構成し、電圧比較回路７３の出力信号がＨ
ｉの間は出力ＬＯＷであり、電圧比較回路７３の出力信
号がＬＯＷの間動作する回路としてある。この出力がＨ
ｉになった時点でＨｉをホールドするラッチ回路がＤフ
リップ・フロップで構成され、この回路も電圧比較回路
７３の出力信号がＨｉの間は出力ＬＯＷであり、電圧比
較回路７３の出力信号がＬＯＷの間動作する回路として
ある。電圧比較回路７３の出力信号のＬＯＷになってい
る時間を基準パルスを分周することによってカウント
し、×２n分周回路出力と同期してラッチ回路出力Ｈｉ
になりトランジスタ６０を導通させてＩＧＢＴのゲート
電圧を降下させることにより電流を遮断する。シーケン
スにおいて、点火入力信号が上昇してＯＮスレッシュ
ホールド電圧以上になると入力制御回路の電圧比較回路
出力がＬＯＷになりＩＧＢＴゲート制御電圧がＨｉにな
り、更にこれと同時に分周回路とラッチ回路が動作を開
始する。なんらかの原因で点火入力信号のＨｉ時間が長
くなると、×２n分周回路がＨｉを出力し、×２n分周期
でＨｉ−ＬＯＷを繰り返すが、×２n分周回路が一度Ｈ
ｉを出力するとラッチ回路が動作してそれをホールド
し、再度電圧比較回路出力がＨｉになるまでこれを持続
する。この動作により点火入力信号のＨｉ時間が長く続
く異常通電が発生した場合でも或る時間になったら強制
的に電流を遮断しＩＧＢＴが破損することを防ぐことが
出来る。
【００１３】これら制御を司るＮＭＯＳトランジスタ
は、図８に示すように、ＩＧＢＴ基板内にＰウエル層で
アイソレートした自己分離形ＮＭＯＳトランジスタで構
成してあるため誘電体分離等の他分離方法よりマスク枚
数が少なくでき工数が簡略できるメリットがある。これ
により安価な点火装置を供給することが出来る。図５に
請求項２の自己分離形ＮＭＯＳトランジスタの構成例を
示す。
【００１４】請求項７に示すように点火入力信号の電圧
が３Ｖ以上確保されるシステムの場合、回路電源をバッ
テリーからとらずに点火入力信号の電圧を用いることに
よりバッテリー電源に重畳する過大なサージの影響を無
視出来るため保護回路等不要になり装置を更にコンパク
ト化することが出来る。図９に電源を持たない多機能１
チップイグナイタの実施例を示す。基本機能としてのＩ
ＧＢＴ１００，１０１，ＩＧＢＴ保護ツェナーダイオー
ド１１７，電流制限回路１０２，入力電圧制御回路１１
３，基準電源回路１１０，基準パルス発生回路１０６，
パルス分周回路１０５，ラッチ回路１０４，入力保護回
路であるツェナーダイオード１０８，抵抗１０７，１０
９は請求項１で説明したものと同じであるが、回路電源
をバッテリーからとらずに点火入力信号の電圧を利用す
る方式としている。トランジスタ１１５の動作スレッシ
ュホールド電圧はＩＧＢＴ１００の動作スレッシュホー
ルド電圧より低く設定し、常にＩＧＢＴがＯＮするより
低い電圧でＯＮする。本実施例においては、ＩＧＢＴ１
００のスレッシュホールドを１.５Ｖ、トランジスタ１
１５のスレッシュホールド電圧を０.５Ｖに設定してい
るため、点火入力信号電圧が上昇して０.５Ｖ以上にな
るとトランジスタ１１５が導通してＩＧＢＴ１００のゲ
ート電圧をＬＯＷにしてＩＧＢＴを非動作にする。入力
電圧制御回路１１３は電圧比較回路で構成され、そのイ
ンバート端子には基準電源１１０の電圧を抵抗で分圧し
た値、またノンインバート端子は点火入力信号電圧を抵
抗で分圧した値が入力され、この抵抗分圧比でノンイン
バート電圧の方が低くなるように設定し、且つ入力電圧
制御回路が確実に動作するまでは出力ＬＯＷとなる回路
構成とすることによって点火入力信号電圧が充分高くな
るまでトランジスタ１１５を導通させてＩＢＧＴを非動
作とする。点火入力信号電圧が上昇してノンインバート
端子の電圧がインバート端子電圧以上になると電圧比較
回路はＨｉを出力してトランジスタ１１４を導通させト
ランジスタ１１５がＯＦＦしてＩＧＢＴ１００のゲート
に電圧が供給されて通電状態となる。この入力電圧制御
回路の出力によってパルス分周回路１０５，ラッチ回路
１０４が動作して異常通電を防止するセルフシャットオ
フ回路が起動する。
【００１５】図５は請求項３の内容を説明する実施例で
ある。ＩＧＢＴはＰサブストレートをコレクタにしてｐ
ｎｐｎで構成される素子であるため、ｐｎｐトランジス
タとｎｐｎトランジスタよりなる寄生サイリスタが存在
する。ＭＯＳ回路では、負荷電流を微小にするためドレ
インを最大電位につって高抵抗負荷のインバータ等を作
り込むため入力ドレインが常に高電位に維持される必要
がある。例えば、入力端子に負サージが印加されてｎｐ
ｎトランジスタのＶｂｅがＧＮＤ電位より低くなるとｎ
ｐｎトランジスタが導通してｐｎｐトランジスタが導通
することによってｐｎｐｎのサイリスタが導通してラッ
チアップを起こす。これを防止するためにツェナーダイ
オード４４は、ツェナー電圧をＥＣＵから出力される点
火制御信号より高い電圧でクランプするように設定し、
負電圧に対してはシリコンのＰＮ接合順方向電圧分の電
圧ドロップでクランプすることによって入力ドレイン電
位はＧＮＤに対してｎｐｎトランジスタのＶｂｅ以下に
なることがなく、さらに抵抗の電圧ドロップ分の電位が
保持されるためラッチアップに対して十分な耐量を確保
することができる。このツェナーダイオードと抵抗４
５，４６のネットワークをシリーズに２段以上構成する
ことでサージ耐量をさらにＵＰさせることが可能とな
る。
【００１６】本実施例によれば、一定時間以上の長い点
火制御信号が入力された場合に強制的に一次電流を遮断
して異常な通電信号が入力された場合にも素子が破損す
ることを防ぐことができる。また、点火制御信号に対す
る動作電圧に、しきい値及びヒステリシスを持たせるこ
とにより外部ノイズに対して余裕をもたせることがで
き、これら制御回路を自己分離層の中に作ったＮＭＯＳ
トランジスタで構成することにより最少のプロセスでＩ
ＧＢＴのモノリシックシリコン基板に集積することが可
能となり動作の安定した信頼性の高い１チップイグナイ
タを達成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】通常の点火装置の構成。
【図２】本発明の実施例を表すブロック図。
【図３】本発明の実施例を表す回路図。
【図４】本発明の実施例を表す動作シーケンス。
【図５】自己分離形ＮＭＯＳトランジスタの例。
【図６】本発明の実施例を表すブロック図。
【図７】本発明の実施例の信号図。
【図８】本発明の実施例の断面をイメージした図。
【図９】本発明の実施例を表すブロック図。
【符号の説明】
１，５０…ＥＣＵ、２…点火装置、３，１４…点火コイ
ル、４…点火プラグ、５，１６，５１，１００…ＩＧＢ
Ｔ、１７，５２，１０１…サブＩＧＢＴ、６，１６，１
７，１８，５３…電流検出用負荷、７，１８，１０２…
電流制限回路、８…ＣＰＵ、９…ＰＮＰトランジスタ、
１０…ＮＰＮトランジスタ、１１，１２，２０，２３，
２６，５６，５７，６２，６７，６８，６９，７０，７
１，７４，７７，１０７，１１０，１１２，１１３，１
１７…抵抗、１３…ハイブリッドＩＣ基板、７９…ダイ
オード、１５，２１，７５，７８，８１，８４，１０７
…ツェナーダイオード、２０…入力保護回路、２９，１
１１…基準電源回路、８５，１１９…バッファ、５４，
７３…電圧比較回路、２４，１１４…入力電圧制御回
路、３０，１０６…基準パルス発生回路、３１，１０５
…パルス分周回路、３２，１０４…ラッチ回路、２５，
３３，５５，６０，７２，１０３，１１５，１１７…Ｎ
ＭＯＳトランジスタ、６１…ＮＡＮＤ回路、６３，６４
…インバータ、６５，６６…コンデンサ、５８，５９…
Ｄフリップフロップ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (56)参考文献 特開 平11−201013（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−77940（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−321808（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−274142（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−97972（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−335522（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02P 3/045 - 3/055 F02P 15/00

Claims (2)

    (57)【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
    ら出力される制御信号に応じて点火コイルに流れる一次
    電流を通電または遮断制御して二次側に高電圧を発生さ
    せる絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタ（以下
    ＩＧＢＴ）と、前記一次電流の過電流を防止する電流制限回路と、 一定時間以上通電を指示する前記制御信号が入力された
    場合強制的に一次電流を遮断する異常通電防止回路と、 をシリコン基板に集積してなる１チップ型内燃機関用点
    火装置であって、 前記異常通電防止回路は、点火制御信号が一定時間以上
    入力されていることを検出するための基準パルス発生回
    路と、前記基準パルス発生回路で発生したパルスを分周
    するパルス分周回路と、デジタルタイマー出力信号によ
    りラッチしてＩＧＢＴのゲート電圧を降下させ前記制御
    信号オフでリセットするラッチ回路とで構成したことを
    特徴とする内燃機関用点火装置。
  2. 【請求項２】請求項１において、 しきい値及びヒステリシスを有し、入力した前記制御信
    号に応じて、前記IGBTのゲート電圧を制御する入力制御
    回路を備え、 前記入力制御回路と前記異常通電防止回路とが前記制御
    信号のみを電源し、 前記入力制御回路の出力によって、前記異常通電防止回
    路が起動することを特徴とする内燃機関用点火装置。
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