(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力す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・遮断制御して点火コイルの二次側に高電圧を発生させるパワースイッチング部(110)と、上記一次電流を制限する電流制限回路(140)と、上記パワーズイッチング部のコレクタとゲートを接続するとともに、コレクタからゲートにフィードバック電流を流す接続回路(150)とを有し、上記パワースイッチング部及び上記電流制限回路を絶縁ゲート型バイポーラ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た内燃機関用点火装置において、
上記接続回路に生ずる廻り込み電流を、上記パワースイッチング部のエミッタに流す経路(ZD2)を備えたことを特徴とした内燃機関用点火装置。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関用点火装置において、
上記接続回路は、インピーダンス素子を備えており、
上記経路は、上記インピーダンス素子の電圧ドロップによって動作するツェナーダイオード(ZD2)を備えたことを特徴とする丙燃機関用点火装置。
【請求項３】
請求項1記載の内燃機関用点火装置において、
上記接続回路は、上記モノリシックシリコン基板上に形成された定電流回路を構成するデプレション絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタ(152)と、このデプレション絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタに接続された抵抗(R4)とで構成され、
上記経路は、上記デプレション絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタと上記抵抗間に接続されるとともに、上記抵抗に発生する電圧がツェナー電圧以上となった場合、この電流を上記パワースイツチング部のエミッタに流すツェナーダイオードとから構成されることを特徴とする内燃機関用点火装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、内燃機関用点火装置に係り、特に、集積化された制御回路に用いるに好適な内燃機関用点火装置に関する。
背景技術
最近、内燃機関用点火装置として、パワーＩＧＢＴ（絶縁ゲート型パイポーラトランジスタ）と電流制限回路と入力段保護回路とをモノリシック基板上に作り込んだ１チップイグナイタが開発されている。従来の１チップイグナイタとしては、例えば、特開平９−２８０１４７号公報に記載されているように、コレクタからゲートに高圧定電流素子によって微少定電流を流し、コレクタ電圧がゲート電圧より高い場合にゲートに電圧が加わる構成とし、電流制限開始直後のコレクタ電圧の上昇によりゲート電圧を高めて電流制限開始直後のコレクタ電圧の振動を抑制するものであり、さらに、この微小定電流の影響によって電流遮断時にゲート電位を上昇させることのないようにゲート電圧がない場合にはゲート電圧を高める動作を解除することにより、電流制限時のコレクタ電圧振動を抑制するものが知られている。
発明の開示
しかしながら、特開平９−２８０１４７号公報に記載されている内燃機関用点火装置では、実際の基板の中には廻り込み電流が発生し、定電流回路で設定した値以上の大電流がこのルートに流れ、これによってゲート電位が上昇するという問題があった。特に、自己分離型素子で構成する場合、定電流回路には縦形のデプリーションＩＧＢＴが用いられ、ＩＧＢＴ基板に自己分離で構成した縦形デプレションＩＧＢＴの定電流回路にはＰＮＰ寄生トランジスタが存在し、ここに廻り込み電流が流れ、微小定電流でゲート電圧を制御する目的の回路に過大な電流が流れ、ゲート電圧を必要以上に引き上げることになる。この影響より、イグナイタの駆動方式によっては、点火コイルの電流遮断動作が不安定になるという問題があった。
本発明の目的は、安定した点火コイルの電流遮断動作が得られる内燃機関用点火装置を提供することにある。
（１）上記目的を達成するために、本発明は、入力す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・遮断制御して点火コイルの二次側に高電圧を発生させるパワースイッチング部と、上記一次電流を制限する電流制限回路と、上記パワースイッチング部のコレクタとゲートを接続する接続回路とを有し、上記パワースイッチング部及び上記電流制限回路を絶縁ゲート型バイポーラ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た内燃機関用点火装置において、上記モノリシックシリコン基板内部に発生する廻り込み電流を、上記パワースイッチング部のエミッタに流す経路を備えるようにしたものである。
かかる構成により、不要な廻り込みをエミッタに流して、ゲートに与える影響を低減し、点火コイルの電流遮断動作を安定化し得るものとなる。
（２）上記（１）において、好ましくは、上記接続回路は、インピーダンス素子を備えており、上記経路は、上記インピーダンス素子の電圧ドロップによって動作するツェナーダイオードを備えるようにしたものである。
（３）上記（１）において、好ましくは、上記接続回路は、上記モノリシックシリコン基板上に形成された定電流回路を構成するデプレション絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタと、このデプレション絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタに接続された抵抗とで構成され、上記経路は、上記デプレション絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタと上記抵抗間に接続されるとともに、上記抵抗に発生する電圧がツェナー電圧以上となった場合、この電流を上記パワースイッチング部のエミッタに流すツェナーダイオードとから構成するようにしたものである。
発明を実施するための最良の形態
以下、図１〜図６を用いて、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による内燃機関用点火装置を用いる内燃機関用点火システムのシステム構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置を用いる内燃機関用点火システムのシステム構成図である。
本実施形態による内燃機関用点火システムは、点火装置１００と、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１０と、点火コイル２０と、点火プラグ３０とから構成されている。
ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ１２と、ＰＮＰトランジスタ１４と、コンデンサ１６と、抵抗１８とから構成されている。ＰＮＰトランジスタ１４と、コンデンサ１６と、抵抗１８とは、ＥＣＵ１０の出力段を構成している。ＣＰＵ１２は、算出した適正な点火タイミングで、トランジスタ１４をＯＮ，ＯＦＦし、点火装置１００の入力端子１００ｉｎにＨＩＧＨ，ＬＯＷのパルスからなる点火制御信号を出力する。
点火装置１００の詳細構成については、後述するが、点火装置１００のメインＩＧＢＴ１１０は、ＥＣＵ１０の出力信号がＬＯＷ→ＨＩＧＨで通電を開始し、ＨＩＧＨ→ＬＯＷで遮断することにより、メインＩＧＢＴ１１０のコレクタ端子１１０ｃに電圧が発生する。
点火コイル２０は、１次側コイル２２と、２次側コイル２４とを有している。メインＩＧＢＴ１１０のコレクタ端子１１０ｃに発生した電圧は、点火コイル２０の１次側コイル２２に供給され、２次側コイル２４には、点火コイル２０の１次側コイル２２と２次側コイル２４との巻き数比倍に相当する高電圧が誘起される。点火コイル２０の２次側コイルに発生する電圧（以下、「２次電圧」と称する）は、点火プラグ３０に供給される。また、２次電圧は、エンジンの運転条件によって変化するため、コレクタ端子１００ｃ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、コレクタ端子１１０ｃの側には約１５０Ｖの電圧が発生する。
次に、点火装置１００の構成について説明する。
本実施形態による点火装置１００は、パワーＩＧＢＴと、電流制限回路及び入力段保護回路等の制御回路をモノリシック基板上に集約した１チップＩＧＢＴ点火装置である。
点火装置１００は、メインＩＧＢＴ１１０と、センスＩＧＢＴ１２０と、入力段保護回路１３０と、電流制限回路１４０と、フィードバック回路１５０と、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２と、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３とを備えている。
点火装置１００の入力段に設けられた抵抗Ｒ１は、プルダウン抵抗であり、入力電圧に対応した電流を流すことで入力端子１００ｉｎの接触電流を確保している。プルダウン抵抗Ｒ１の次段には、入力段保護回路１３０が接続されている。入力段保護回路１３０は、ツェナーダイオードＺＤ３，ＺＤ４と、抵抗Ｒ４，Ｒ５をネットワーク構成としたものであり、自動車用電子部品として想定される外部サージ等に対して十分余裕をもった耐量を確保している。
入力段保護回路１３０の出力は、抵抗Ｒ２，Ｒ３を介して、メインＩＧＢＴ１１０のゲートに入力する。メインＩＧＢＴ１１０は、１次電流を通電，遮断する主回路を構成するものである。メインＩＧＢＴ１１０のコレクタは、点火装置１００のコレクタ端子１００ｃに接続され、さらに、点火コイル２０の一次コイル２２に接続されている。メインＩＧＢＴ１１０のエミッタは、点火装置１００のエミッタ端子１００ｅに接続され、さらに、グランドに接続されている。メインＩＧＢＴ１１０のコレクターゲート間には、１次電圧クランプを目的としたツェナーダイオードＺＤ１が接続されている。
センスＩＧＢＴ１２０は、メインＩＧＢＴ１１０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ものである。センスＩＧＢＴ１２０のゲートは、メインＩＧＢＴ１１０のゲートに接続され、そのコレクタは、メインＩＧＢＴ１１０のコレクタに接続されている。センスＩＧＢＴ１２０のエミッタは、電流検出抵抗Ｒｓを介して、メインＩＧＢＴ１１０のエミッタに接続されている。
電流制限回路１４０は、電流検出抵抗Ｒｓと、基準電圧回路１４２と、電圧比較器１４４と、ＮＭＯＳトランジスタ１４６とから構成されている。基準電圧回路１４２は、基準電圧Ｖｒｅｆを発生する。電圧比較器１４４は、基準電圧回路１４２が発生する基準電圧Ｖｒｅｆと、電流検出抵抗Ｒｓに発生する電圧とを比較する。電流検出抵抗Ｒｓの電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ以上となると、電圧比較器１４４は、ＮＭＯＳトランジスタ１４６をＯＮして、メインＩＧＢＴ１１０のゲートに印加される電圧を降下させ、メインＩＧＢＴ１１０を不飽和状態にすることで、コレクタ電流に電流制限をかける。
フィードバック回路１５０は、メインＩＧＢＴ１１０のコレクタとゲート間に接続されている。フィードバック回路１５０は、メインＩＧＢＴ１１０のコレクタから、メインＩＧＢＴ１１０のゲートにフィードバック電流を流す回路である。ＩＧＢＴ１１０は、その素子の特徴から負帰還機能が極めて弱いため、電流制限開始時にコレクタ電圧が大きく振動する。フィードバック回路１５０は、この振動を抑制するために、コレクタ電圧がゲート電圧より高くなった場合に、コレクタからゲートに微小電流を流してゲートの電位を持ち上げるように動作する。
さらに、本実施形態においては、フィードバック回路１５０には、不要電流（ＩＧＢＴ内部に発生する廻り込み電流）をメインＩＧＢＴ１１０のエミッタに流すリークパスを構成するツェナーダイオードＺＤ２が備えられている。なお、フィードバック回路１５０の詳細構成については、図３を用いて後述する。
ここで、図２を用いて、本実施形態による点火装置１００の実装構造について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の実装構造を示す平面図である。
ＩＧＢＴモノリシック基板１００’は、図１に示したメインＩＧＢＴ１１０，電流制限回路１４０や入力段保護回路１３０などからなる点火装置１００を１チップに集約して形成されているモノリシック基板である。コレクタ端子２００ｃを兼ねるプレート２００上には、ＩＧＢＴモノリシック基板１００’がハンダ材等を用いて接続固定されている。図１に示した点火装置１００のコレクタ端子１００ｃは、プレート２００に接続されている。入力端子２００ｉｎは、ボンディングワイヤＢＷを用いて、点火装置１００の入力端子１００ｉｎにボンディング接続されている。エミッタ端子２００ｅは、ボンディングワイヤＢＷを用いて、点火装置１００のエミッタ１００ｅにボンディング接続されている。ＩＧＢＴモノリシック基板１００’，プレート２００，エミッタ端子２００ｅ，入力端子２００ｉｎは、トランスファーモールド樹脂２１０を用いて、１チップパッケージに成形されている。
次に、図３及び図４を用いて、本実施形態による点火装置１００におけるＩＧＢＴ内部に発生する廻り込み電流の影響及びその低減効果について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による点火装置１００におけるＩＧＢＴ内部に発生する廻り込み電流の影響及びその低減効果について説明する回路図であり、図４は、本発明の一実施形態による点火装置１００におけるＩＧＢＴ内部に発生する廻り込み電流の影響及びその低減効果の説明図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
図３に示すように、フィードバック回路１５０は、定電流回路を構成するデプレッションＩＧＢＴ１５２と、抵抗Ｒ４とか構成されている。デプレッションＩＧＢＴ１５２のコレクタは、メインＩＧＢＴ１１０のコレクタに接続されている。デプレッションＩＧＢＴ１５２のベースとエミッタは互いに接続され、さらに、抵抗Ｒ４の一端に接続されている。抵抗Ｒ４の他端は、メインＩＧＢＴ１１０のベースに接続されている。メインＩＧＢＴ１１０のコレクタ電位が上昇した状態では、デプレッションＩＧＢＴ１５２は、定電流をゲート供給してＩＧＢＴ５４を制御することにより、電流制限開始時にコレクタ電圧が大きく振動しても、コレクタからゲートに微小電流を流してゲートの電位を持ち上げて、この振動を抑制する。
ここで、ＩＧＢＴモノリシック基板１００’に自己分離型で構成した縦形デプレションＩＧＢＴ１５２には、図３及び図４に示すように、寄生ＰＮＰトランジスタＴｒと、ＩＧＢＴチップ側面に作り込まれる寄生抵抗Ｒｐが存在する。寄生ＰＮＰトランジスタＴｒは、メインＩＧＢＴ１１０の電流遮断時に、ＩＧＢＴモノリシック基板内のＮ＋バッファー層の電位勾配で発生する電子電流によりベースが駆動され、このコレクタに増幅された廻り込み電流を流すことになる。また、チップの側面に存在する寄生抵抗Ｒｐの大小が、寄生ＰＮＰトランジスタＴｒの見かけ上のＨｆｅをばらつかせるため、廻り込み電流を規定できず、過大電流が流れる要因となる。
そこで、本実施形態では、図３に示すように、デプレションＩＧＢＴ１５２とシリーズ抵抗Ｒ４の間に、ツェナーダイオードＺＤ２を接続している。ツェナーダイオードＺＤ２のアノードは、メインＩＧＢＴ１１０のエミッタに接続されている。ＩＧＢＴモノリシック基板内のＮ＋バッファー層に発生する電子電流により寄生ＰＮＰトランジスタＴｒのベースが駆動され、コレクタに増幅された電流が流れる。しかし、シリーズ抵抗Ｒ４で発生する電圧ドロップが、ツェナーダイオードＺＤ２のツェナー電圧以上になると、電流は不要な電流Ｉｒとして全てＩＧＢＴ１１０のエミッタに流されるため、この不要電流によるＩＧＢＴ１１０のゲートへの影響が低減される。
ここで、参考までに、図５及び図６を用いて、ツェナーダイオードＺＤ２を設けない場合の廻り込み電流について説明する。
図５は、ＩＧＢＴ内部に発生する廻り込み電流について説明する回路図であり、図６は、ＩＧＢＴ内部に発生する廻り込み電流の説明図である。なお、図３，図４と同一符号は、同一部分を示している。
寄生ＰＮＰトランジスタＴｒのベースは、メインＩＧＢＴ１１０の電流遮断時にＩＧＢＴ基板内のＮ＋バッファー層の電位勾配で発生する電子電流により駆動され、寄生ＰＮＰトランジスタＴｒのコレクタに増幅された廻り込み電流Ｉｒ’が、メインＩＧＢＴ１１０のゲートに流れ、ゲートの電位を不必要に上昇させることになる。特に、電流遮断時のコレクタ電圧上昇によって過大な廻り込み電流Ｉｒ’が発生する可能性があり、これによってゲート電位が持ち上げられ、遮断動作が不安定になる。
以上説明したように、本実施形態によれば、メインＩＧＢＴ１１０のコレクタからの廻り込み電流の影響による不要電流を、ツェナーダイオードＺＤ２のようにエミッタに流す径路を設けることにより、安定した点火コイルの電流遮断動作が得られる。したがって、電流制限回路や入力段保護回路のような制御回路を自己分離層の中に作ったトランジスタで構成することが可能となる。これによって、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１チップイグナイタを達成することができる。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、内燃機関用点火装置における点火コイルの電流遮断動作を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置を用いる内燃機関用点火システムのシステム構成図である。
図２は、本発明の一実施形態による内燃機関用点火装置の実装構造を示す平面図である。
図３は、本発明の一実施形態による点火装置１００におけるＩＧＢＴ内部に発生する廻り込み電流の影響及びその低減効果について説明する回路図である。
図４は、本発明の一実施形態による点火装置１００におけるＩＧＢＴ内部に発生する廻り込み電流の影響及びその低減効果の説明図である。
図５は、ＩＧＢＴ内部に発生する廻り込み電流について説明する回路図である。
図６は、ＩＧＢＴ内部に発生する廻り込み電流の説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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