JPH08338350A - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

内燃機関用点火装置

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JPH08338350A
JPH08338350A JP14343995A JP14343995A JPH08338350A JP H08338350 A JPH08338350 A JP H08338350A JP 14343995 A JP14343995 A JP 14343995A JP 14343995 A JP14343995 A JP 14343995A JP H08338350 A JPH08338350 A JP H08338350A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 異常発熱が生じたときに自動的に通電を遮断
してトランジスタを保護する保護回路を1つのチップに
実装した内燃機関用点火装置を提供する。 【構成】 内燃機関用電子制御装置から出力される点火
制御信号に応じて点火コイル3の1次側に流れる1次電
流をIGBT14により通電、遮断制御して、2次側に
高電圧を発生させる内燃機関用点火装置において、前記
IGBT14と、前記1次電流を検知する電流検知回路
15と、この電流検知回路15によって検知された電流
に基づいてIGBT14のゲート電圧を制御し、前記1
次電流をあらかじめ設定された値に制限する電流制限回
路16と、検知された温度があらじめ設定された温度以
上になると前記1次電流を強制的に遮断するサーマルシ
ャットオフ回路17とをワンチップIC18に集約し
た。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】内燃機関用の点火装置に係り、特
に点火装置が異常発熱したときに通電を強制的に遮断す
るワンチップに構成された内燃機関用の点火装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来から一般に使用されている内燃機関
用の点火装置は、図6に示すように内燃機関用電子制御
装置(以下、「ECU」と称する。)1と、ECU1に
対して接続端13を介して接続された点火装置2と、点
火装置2に接続され、当該点火装置2から1次側に電流
が入力される点火コイル3と、点火コイル3の2次側か
ら出力電流が供給される点火プラグ4とからなる。EU
C1の出力段は、PNPトランジスタ9と、NPNトラ
ンジスタ10と、PNPトランジスタ9のコレクタとN
PNトランジスタ10のコレクタとの間に接続された抵
抗11と、NPNトランジスタ10のコレクタと点火装
置2との接続端13との間に配された抵抗12とからな
り、図示しない点火制御装置側からの指示出力に応じて
トランジスタ9および10をON、OFFし、点火装置
2側にHIGHおよびLOWのパルスを出力する。
【0003】点火装置2は、パワートランジスタ5と、
電流検出用負荷7および電流制御回路8を実装したハイ
ブリッドIC6とからなり、前記接続端13から入力さ
れるECU1の出力信号がLOWからHIGHになると
トランジスタ5は通電を開始し、HIGHからLOWに
変わって通電を遮断することによってトランジスタ5の
コレクタ部に300〜400Vの高電圧を発生し、この
高電圧の電流が点火コイル3の1次側に導かれ、2次側
のコイルでさらに高圧になって点火コイル4に供給さ
れ、点火コイル4で放電するようになっている。
【0004】また、内燃機関用の点火装置として例えば
特開昭64−45963号公報記載の発明が知られてい
る。この発明は、点火コイルと、この点火コイルの1次
電流を所定値に制御されている期間のパルス信号を出力
する電流制限期間検出回路と、この電流制限期間検出回
路の出力信号に応じて作動するタイマ回路とを備え、該
タイマ回路の出力信号を前記電流制限回路に印加するこ
とにより、前記点火コイルの1次電流の電流制限を開始
した時点から前記タイマ回路で決められる所定時間後に
前記1次電流を遮断するとともに、この遮断状態に置い
ても前記電流制限期間検出回路は前記1次電流が制限さ
れているときと同じ出力信号を出力するように構成され
ている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前者の一般
的な点火コイルでは、ECU1からの指示出力が点火装
置2側に入力されて、その指示出力に応じて点火コイル
4が点火するようになっているだけで、この回路におい
て、異常が発生したときの安全装置などの安全対策はと
くに考慮されていない。そのため、発火時間が長くなっ
て温度が上昇しても、点火装置側でも何もすることがで
きなかった。
【0006】また、後者の従来技術においては、1次電
流の持続時間から異常を検出して強制的に遮断するセル
フシャットオフ機能を備えているが、この従来例では、
設定時間をタイマによってカウントして条件が設定時間
以上になったときに1次電流を遮断するようになってお
り、1次電流の持続時間から異常を検出するので、タイ
マ回路が必要となり、回路が複雑になる。また、時定数
の設定用に大型のコンデンサが必要となり、ワンチップ
での形成が難しいものとなっていた。さらに、従来のよ
うに構成すると、バッテリーラインの異常時におこるダ
ンプサージによる急激な発熱によってトランジスタが破
壊することがあり、この種の発熱による破壊事故に有効
に対処することは難しく、必ずしも信頼性の高いもので
はなかった。
【0007】本発明は、このような従来技術の実情に鑑
みてなされたもので、その目的は、異常発熱が生じたと
きに自動的に通電を遮断してトランジスタを保護する保
護回路をワンチップ内に集約することができ、小型化を
可能とした内燃機関用点火装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、内燃機関用電子制御装置から出力される
点火制御信号に応じて点火コイルの1次側に流れる1次
電流を半導体を使用したスイッチング回路により通電、
遮断制御して、2次側に高電圧を発生させる内燃機関用
点火装置において、前記スイッチング回路と、前記1次
電流を検知する電流検知回路と、この電流検知回路によ
って検知された電流に基づいてゲート電圧を制御し、前
記1次電流をあらかじめ設定された値に制限する電流制
限回路と、温度を検知する温度検知回路と、温度検知回
路によって検知された温度があらじめ設定された温度以
上になると前記1次電流を強制的に遮断するサーマルシ
ャットオフ回路とをワンチップに集約したことを特徴と
している。すなわち、この発明では、チップの温度を検
知し、検知した温度が設定温度以上になると点火コイル
に供給する1次電流を強制的に遮断するサーマルシャッ
トオフ回路を、点火コイルへの電流の遮断、通電を行う
スイッチング回路、点火コイルへの1次電流を検知する
電流検知回路および1次電流を設定値に制限する電流制
限回路とともにワンチップに集積した構成とした。
【0009】この場合、前記あらかじめ設定された温度
は、ほぼ200°C程度に設定することが望ましく、前
記サーマルシャットオフ回路は、復帰時にヒステリシス
を50°C以上持たせ、強制遮断後、前記温度、すなわ
ち50°C以上降下するまで復帰させないようにする。
一般にはその時間は、数十秒ないし数分必要である。ま
た、温度を検知する温度検知回路はワンチップ上に造り
込まれたダイオードもしくは抵抗を含んで構成すること
ができる。
【0010】
【作用】上記手段によれば、スイッチング回路に供給さ
れる1次電流は電流検知回路によって監視され、電流制
限回路は電流検知回路によって検知された電流に基づい
てスイッチング回路の半導体のゲート電圧を制御して1
次電流を制限する。一方、温度検知回路によってスイッ
チング回路を含むワンチップICの温度を監視してお
き、例えば連続通電やダンプサージによって当該チップ
の温度が設定温度以上になると、サーマルシャットオフ
回路がこれを検知して1次電流を強制的に遮断する。こ
のようにして大電流スイッチング機能、電流制限機能に
加えて、通電およびダンプサージに対する半導体(パワ
ートランジスタ)の保護機能を持った回路をワンチップ
で構成することができる。
【0011】
【実施例】以下、図面を参照し、この発明の実施例につ
いて説明する。
【0012】この実施例における点火装置2は、図1の
内部等価回路に示すように、絶縁ゲートバイポーラトラ
ンジスタ(以下、「IGBT」と略称する。)14と、
電流検知回路15と、電流制限回路16と、温度検知回
路およびサーマルシャットオフ回路17とが1つのチッ
プに集積され、実装されたワンチップIC18によって
構成されている。なお、IGBT14は点火コイル3の
1次コイルに流れる1次電流を通電および遮断する機能
を有し、電流検知回路15は前記1次電流を検知する機
能を備えている。電流制限回路16は電流検知回路15
によって検知した電流に基づいてIGBT14のゲート
電圧を制御して前記1次電流を設定値に制限し、温度検
知回路およびサーマルシャットオフ回路17は温度検知
回路によってICチップ18の温度を検知し、サーマル
シャットオフ回路17によって前記温度検知回路で検知
された温度に基づいて前記1次電流を強制的に遮断し、
また、復帰させるように機能する。
【0013】図2に上記各回路の具体的構成を示す。上
記のように集積された。ワンチップIC18では、IG
BT14は、エンハンスメント形n−チャンネルMOS
ゲート19とPNPバイポーラトランジスタ20と組み
合わせて構成され、コレクタ〜ドレインおよびドレイン
およびソース間にはフライホイール電流を流す寄生ツェ
ナーダイオード21a,21bが設けられている。
【0014】電流検知回路15としての電流検出用負荷
素子22はIGBT19のコレクタとGND間に設けら
れる。電流検出用負荷素子22としては、抵抗のみなら
ず電流が設定できるインピーダンス素子でもよい。電流
制限回路16はトランジスタ(FET)23,24およ
び抵抗25,26による差動回路によって構成される。
前記トランジスタ24のベースには抵抗27,28によ
って分圧された電源側の出力端子が接続されている。ト
ランジスタ23のベース電圧はトランジスタ24のベー
ス電圧と同電位になるように動作するので、分圧電源の
抵抗27,28の温度係数がゼロになるように設定する
ことによって電流検出用負荷素子22による電圧降下は
常に一定となり、温度計数を持たない電流検出が可能に
なる。
【0015】サーマルシャットオフ回路17は前述のよ
うに連続通電などによるパワートランジスタの熱破壊を
防止するために設けられ、トランジスタ29、信号線3
1からGNDに向かって順方向に接続されたダイオード
32,33とそのプルアップ素子34、トランジスタ3
5,36および抵抗37,38,39から構成された差
動回路とその分圧電源をなす抵抗40,41などから構
成されている。この差動回路の出力はトランジスタ35
のドレインから出し、抵抗30を介してトランジスタ2
9のゲートに、また、抵抗43を介してトランジスタ3
6のゲートにそれぞれ接続されている。なお、前記ダイ
オード32,33とプルアップ素子34とによって温度
検知回路が構成されている。
【0016】図3に時間と、1次電流、コレクタ・エミ
ッタ間電圧および消費電力との関係を示す。一般にトラ
ンジスタの発熱は消費電力によって決まるため、トラン
ジスタの発熱状態は1次電流とコレクタ・エミッタ間電
圧の積算で求めることがでる。そこで、IGBT14に
ついて電流制限にかかっていない範囲をt1 、電流制限
された範囲をt2 とすると、電流制限にかかっていない
範囲t1 における1次電流の値は0Aから通常8AでO
N、OFFされ、コレクタ・エミッタ間電圧は1〜2V
であるため、消費電力Pは、 P={Vce(Icmax/2)t1 }/周期 ・・・(1) で求められる。
【0017】例えば、t1 =4ms、周期6msのとき
の消費電力は4Wであり、発熱は小さい。しかし、連続
通電が生じた場合には、電流制限範囲t2 の消費電力は
長時間続くモードとなる。電流制限範囲t2 の範囲にお
ける1次電流の値は図4(a)から分かるように8Aで
一定、コレクタ・エミッタ間電圧Vceは図4(b)から
分かるように約8Vであるため、前記消費電力Pは、 P=8〔A〕×8〔V〕=64〔W〕 ・・・(2) となる。したがって、電流制限範囲t2 の範囲では発熱
量が大きく、数秒でパワートランジスタ(IGBT1
4)は破壊に至ることになる。また、電流制限中にバッ
テリーラインに不具合が生じ、ラインにダンプサージが
乗った場合には、発熱量はさらに大きくなり、短時間で
破壊に至る。
【0018】なお、サーマルシャットオフとは、トラン
ジスタもしくはチップの温度を検出し、当該温度が破壊
温度に至る前に通電信号を強制的に遮断機能をいう。以
下、図4を参照し、サーマルシャットオフ回路17の動
作原理について説明する。図4においては点火コイル
4を駆動する制御信号を示し、はの制御信号によっ
て通電および遮断される点火コイル4の1次電流を示
す。また、符号aで示す範囲は連続通電の範囲で、符号
bで示す位置はサーマルシャットオフが働いた点であ
り、符号cで示す位置はサーマルシャットオフ状態から
復帰する点である。はトランジスタ36のゲート電圧
であり、この差動回路のトランジスタ36のゲートには
抵抗40,41の分圧によって約1.0Vの電圧が加わ
るように設定されている。はトランジスタ35のゲー
ト電圧である。このトランジスタ35のゲートは2段重
ねしたダイオード32,33のアノードに接続されてい
るため、ゲートにはダイオードの順方向の2倍の電圧、
すなわち、常温で、 0.7〔V〕×2=1.4〔V〕 ・・・(3) がかかっており、普通の状態では差動回路の出力はLO
Wとなり、トランジスタ29はOFFとなっている。ダ
イオードの順方向電圧は一般に−2mV/°Cの温度係
数を持っているため、温度が上がるとこれに準じて電圧
は下がる。例えば、連続通電などの異常が発生し、トラ
ンジスタの温度が200°Cに上がった場合、 −0.002〔V〕×200=−0.4〔V〕 ・・・(4) の電圧降下となる。したがって、トランジスタ35に印
加される電圧は、 1.4〔V〕−0.4〔V〕=1.0〔V〕 ・・・(5) となり、差動回路の出力はに示すようにHIGHとな
り、トランジスタ29がONし、IGBT14のゲート
電圧をGNDに落として1次電流を強制的に遮断する。
さらにこの差動回路の出力は抵抗43を介してトランジ
スタ36のゲートに復帰し、復帰閾値’に0.1V以
上のヒステリシスを持たせているため、IGBT14の
温度がシャットオフ温度より50°C以上下がるまで再
通電が禁止される。すなわち、上記電圧のヒステリシス
が動作温度ヒステリシスとなり、この動作温度ヒステリ
シスに基づいた温度の降下に応じて自己復帰するように
構成されている。シャットオフ温度はIGBT14のジ
ャンクション温度(動作保証)よりも高く、かつ、IG
BT14が熱破壊に到らない温度に設定される。
【0019】なお、上記実施例では温度検出用素子とし
てダイオード32,33を使用しているが、ダイオード
に代えて温度係数を持つ抵抗などの素子を使用すること
もできる。
【0020】また、上記実施例における回路構成では、
電流制限回路およびサーマルシャットオフ回路の電源と
してIGBT14を駆動するための定電圧である入力信
号のHIGH電圧を用いているが、前述の差動回路のよ
うに入力とIGBT14のゲート間に抵抗26を設け、
回路電源は入力側から取り、電流制限およびサーマルシ
ャットオフの出力はIGBT14のゲートに接続するこ
とでIGBT14のゲートを制御しても回路電源を確保
することができる。これによって3端子の出力が可能と
なる。
【0021】図5は前記図2の回路に対し、入力信号を
回路電源として使用せず、別電源を外部から取り込んだ
他の実施例を示す回路図である。同図において抵抗44
とツェナーダイオード45は、外部電源46から取り込
んだ電圧を定電圧とするためのもので、その他、特に説
明しない各部は図2に示した実施例と同等に構成されて
いる。
【0022】
【発明の効果】これまでの説明で明らかなように、上記
のように構成された本発明によれば、異常発熱が生じた
ときには、温度検知回路によって検知した温度に基づい
てサーマルシャットオフ回路が1次電流を強制的に遮断
するので、スイッング回路の半導体素子が破壊すること
がない保護機能を有するワンチップICからなる点火装
置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る点火装置の内部等価回路
を示すブロック図である。
【図2】実施例に係る点火装置のワンチップに集約され
た回路の回路図である。
【図3】トランジスタの時間と1次電流、コレクタ・エ
ミッタ間電圧、および消費電力との関係を示す特性図で
ある。
【図4】実施例に係る点火装置の動作を示すタイミング
チャートである。
【図5】他の実施例に係る点火装置のワンチップに集約
された回路の回路図である。
【図6】従来例に係る点火装置全体の構成を示す回路図
である。
【符号の説明】
1 ECU 2 点火装置 3 点火コイル 4 点火プラグ 5 トランジスタ 14 IGBT 15 電流検知回路 16 電流制限回路 17 サーマルシャットオフ回路 18 ワンチップIC 32,33 ダイオード
───────────────────────────────────────────────────── 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大字高場字鹿島谷津 2477番地3日立オートモティブエンジニア リング株式会社内 (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事業部内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃機関用電子制御装置から出力される
    点火制御信号に応じて点火コイルの1次側に流れる1次
    電流を半導体を使用したスイッチング回路により通電、
    遮断制御して、2次側に高電圧を発生させる内燃機関用
    点火装置において、 前記スイッチング回路と、前記1次電流を検知する電流
    検知回路と、この電流検知回路によって検知された電流
    に基づいてゲート電圧を制御し、前記1次電流をあらか
    じめ設定された値に制限する電流制限回路と、温度を検
    知する温度検知回路と、温度検知回路によって検知され
    た温度があらじめ設定された温度以上になると前記1次
    電流を強制的に遮断するサーマルシャットオフ回路とを
    ワンチップに集約したことを特徴とする内燃機関用点火
    装置。
  2. 【請求項2】 前記あらかじめ設定された温度が、ほぼ
    200°Cであることを特徴とする請求項1記載の内燃
    機関用点火装置。
  3. 【請求項3】 前記サーマルシャットオフ回路は、復帰
    時にヒステリシスを50°C以上持たせ、強制遮断後、
    前記温度以上降下するまで復帰させないことを特徴とす
    る請求項1または2記載の内燃機関用点火装置。
  4. 【請求項4】 前記温度検知回路がワンチップ上に造り
    込まれたダイオードを含んでなることを特徴とする請求
    項1記載の内燃機関用点火装置。
  5. 【請求項5】 前記温度検知回路がワンチップ上に造り
    込まれた抵抗を含んでなることを特徴とする請求項1記
    載の内燃機関用点火装置。
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