[发明专利]点火系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用包括垂直功率半导体器件的功率IC的点火系统。 

背景技术

图12是常规点火系统的电路框图。标号1表示作为开关元件的IGBT(绝缘栅极双极晶体管)；标号3表示电流检测电阻器，它连接到IGBT 1的电流检测发射端(检测发射端)；标号4表示IGBT 1的栅极电阻器；标号31表示限流电路；标号32表示过热检测电路；以及标号33表示自切断电路。下文将描述限流电路31、过热检测电路32和自切断电路33的操作过程。IGBT 1和保护电路(比如限流电路31、过热检测电路32和自切断电路33)都形成于同一半导体基板上，并且构成功率IC 101。 

功率IC 101与点火线圈103相结合，并且它们构成了用于内燃机的点火设备100。点火设备100、燃烧室300(它具有火花塞18)以及引擎控制单元(在下文中被称为ECU，它包括用于IGBT 1的栅极驱动电流201)构成了点火系统。 

点火线圈103由主线圈14(它连接到IGBT 1)、副线圈15(它连接到火花塞18)和芯16组成。IGBT 1对流过主线圈14的电流进行开关控制。 

ECU 200由各种控制电路组成，以便控制包括点火系统在内的整个内燃机系统，并且还配有IGBT栅极驱动电路201，栅极驱动电路201向功率IC 101输出一种用于对IGBT 1进行开关控制的栅极信号。 

ECU 200也配有一种用于控制从燃料罐400经过阀门500而发送到燃烧室300的燃料流或燃料气体的控制电路。此外，根据功率IC 101中所形成的每个保护电路所提供的信号，ECU 200向功率IC 101输出用于关闭IGBT 1的栅极信号。 

接下来，将描述点火系统的操作过程。当打开IGBT 1时，主电流开始 流过主线圈14。主电流是流过IGBT 1的电流，即IGBT 1的集电极电流。 

主电流i按照斜率di/dt＝VB/Lc增大，其中VB是电源电压，Lc是点火线圈103的电感。当主电流已在规定时间内流动时，从ECU 200的栅极驱动电路201向IGBT 1的栅极提供了“关”信号，由此使IGBT 1关闭。根据引擎旋转速度，预先在ECU中设置上述规定时间。 

当IGBT 1被关闭时，主线圈14中所存储的能量就被发送到副线圈15，由此，燃烧室300的火花塞18上的电压增大了并且火花塞18发生放电。 

在放电时，已流入引擎(燃烧室300)的未燃烧的气体在催化剂的帮助下发生爆炸性燃烧，由此向下推动活塞并使引擎旋转。通过改变放电频率，进而改变活塞往复运动的频率，从而改变引擎旋转速度。 

下文将描述在功率IC 101中所形成的保护电路。IGBT 1被用作对点火线圈103的主电流进行开/关(赋能/关闭)控制的开关元件。 

在功率IC 101(它是内燃机的点火设备100的一部分)中，提供了下列用于防止过电流、过热和异常赋能(浪涌电流)的保护电路。 

(1)关于过电流，通过检测主电流进而控制栅极电压，限流电路31就将点火线圈103的主电流限制到预设的值。该电路防止因过电流而导致的破坏。 

(2)关于过热，过热检测电路32检测芯片温度，如果它变得高于规定的温度，则通过使栅极短路到接地来强制性地关闭主电流。该电路防止IGBT 1的异常加热，由此防止其热破坏。芯片温度由该芯片中所形成的二极管来检测。更具体地讲，利用了二极管的正向电压降的温度依赖性。 

(3)关于异常赋能，当点火信号处于“开”状态且持续时间大于规定时间时，定时器类型的自切断电路33(它配有用于测量点火信号的“开”时间的定时器)通过使栅极短路到接地而强制性地关闭主电流。 

与限流电路31、过热检测电路32和自切断电路33相关联的细线箭头表示了信号的交换。 

上述保护电路的使用确保了点火系统具有必需的可靠性等级，因为当出现异常时，相应的保护电路就会关闭IGBT 1，并且阀门500根据ECU 200的输出信号就停止向燃烧室300提供燃料(未燃烧的气体)。 

JP-A-9-42129揭示了一种单芯片设备，用于可靠地检测点火控制信号线 路的断开或短路，还用于防止在点火控制信号的“开”周期内重复赋能。该单芯片设备由下列组成：IGBT，用于控制点火电路的主电流的赋能/关闭；限流电路，用于限制流过IGBT的电流；热关闭电路，用于在出现异常时强制性地关闭主电流的赋能操作；以及锁存电路，用于锁存热关闭电路的输出。