CN102185597A - 点火器用功率半导体装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种点火器用功率半导体装置，既可在异常高温时保护半导体开关元件，也没有伴随电流切断时的不恰当定时上的误点火。点火器用功率半导体装置(5)包括：对点火线圈(6)的初级电流进行通电/切断的半导体开关元件(4)；对所述述半导体开关元件进行驱动控制的集成电路(3)；检测所述半导体开关元件(4)的动作时温度的测温元件(43)，其中具有过热保护电路，该过热保护电路于所述测温元件(43)检测出的温度在既定的设定温度以上时，按照检测温度限制所述半导体开关元件(4)中所流的电流至比正常动作时低的值。

Description

点火器用功率半导体装置
技术领域
本发明涉及具备过热保护功能的点火器用功率半导体装置，它在内燃机的点火系统中，当温度异常高时，保护半导体开关元件。
背景技术
汽车发动机等内燃机用点火系统(ignition system)由功率半导体装置即所谓点火器和和计算机的发动机控制装置(ECU)构成，功率半导体装置为产生施加到点火插头上的高电压，搭载了点火线圈(电感负载)和驱动它的半导体开关元件及其控制电路元件(半导体集成电路)。往往，在其动作中发生异常发热等时，为了保护半导体开关元件，搭载过热保护功能，以检测该异常发热，并强制切断半导体开关元件中流过的电流(例如，参照专利文献1)。
由于所述过热保护功能是功率半导体装置的自保护动作，其切断定时与ECU的点火信号定时无关。因此，随着过热保护功能的切断动作，于点火顺序上不恰当的定时发生点火，有时发生发动机的逆火或爆震等问题。
作为上述问题的对策，提出如下各种方案：在切断动作的定时点上，为了不致引起点火，软切断电流的方法，即缓和点火线圈的初级线圈上所流电流的切断速度，使之不诱发点火插头的电弧放电，防止不必要的点火动作的方法。
专利文献1：日本特开平8-338350号公报
专利文献2：日本特开2001-248529号公报
专利文献3：日本特开2008-45514号公报
发明内容
现有的点火器用功率半导体装置的过热保护功能在异常高温时，虽然为了不引起点火插头的电弧放电，软切断半导体开关元件上所流的电流，但是，当探测到异常高温时，马上进入切断动作，在之后的器件温度不降低的时间内维持切断状态。因此，出现发动机在过热探测的同时与ECU侧的控制信号无关地成为完全停止状态、并维持其状态的问题。这个问题从汽车故障安全的(fail safe)观点而言，难以称其为最好的策略。此外，通常为了防止误动作，在过热判定的比较器中设置磁滞，若不回到比切断时的温度更低的温度则不能复原，所以，能使发动机再启动需要相当的时间。
此外，为了实现切断以在点火插头上不引起电弧放电，需要设置电路来发生10～100mesc程度的时间常数。在半导体集成电路上形成那种电路时，有芯片尺寸变大，或工时增加的问题。另一方面，在半导体集成电路外部形成该部分电路的场合，也有伴随构成部件的增加而功率半导体装置的成本上升的问题。
本发明为了解决上述课题构思而成，其目的在于得到这样的点火器用功率半导体装置：在异常高温时，保护点火器用功率半导体装置，并且在ECU侧的点火信号定时以外不进行半导体开关元件的切断，由此能防止不恰当定时上的点火。
本发明的点火器用功率半导体装置包括：对点火线圈的初级电流进行通电/切断的半导体开关元件；对所述半导体开关元件进行驱动控制的集成电路；以及检测所述半导体开关元件的动作时温度的测温元件，所述集成电路具有过热保护单元，当所述测温元件检测出的温度在既定的设定温度以上时，所述过热保护单元按照检测温度，将流过所述半导体开关元件的电流限制在比正常动作时低的值。
在异常高温时，通过将半导体开关元件的电流限制到比正常动作时低，减少半导体开关元件的焦耳损失而能进行保护。此外，基本上在ECU的点火信号定时以外完全不做切断动作，不发生不恰当定时的误点火，不需要软电流切断电路。再有，不是积极地进行切断动作，始终只是限制半导体开关元件的电流较低，不会在过热检测后发动机紧接着停止，ECU侧产生进行适当处理的富余时间。
附图说明
图1是说明本发明实施例1的构成的电路图。
图2是说明本发明实施例1的构成的时序图。
图3是表示本发明实施例1～4中作为测温元件而使用的肖特基势垒二极管的反向饱和电流和温度之间的关系的图表。
图4是表示本发明实施例1～4中，适用于半导体开关元件的电流限制值和温度之间的关系的图表。
图5是说明本发明实施例2的构成的电路图。
图6是说明本发明实施例3的构成的电路图。
图7是说明本发明实施例4的构成的电路图。
具体实施方式
实施例1
图1是本发明的点火系统的一个实施例的示意图。在图1的点火系统中，点火线圈6的初级线圈61的一端与电池等电源Vbat连接，另一端与点火器用功率半导体装置5连接。此外，次级线圈62的一端同样与电源Vbat连接，另一端与一端接地的点火插头7连接。再有，ECU1输出驱动半导体开关元件41的控制输入信号到点火器用功率半导体装置。
其中，点火器用功率半导体装置5具备：半导体开关元件4，其包含对初级线圈61上所流的电流进行通电/切断的IGBT41；以及集成电路3，该集成电路3根据来自ECU1的控制信号和其他动作条件驱动控制IGBT41。
作为半导体开关元件4的主要构成要素的IGBT41中，作为电极端子除了一般的集电极、发射极、栅极以外，为了探测集电极电流Ic，采用使比例(例如1/1000左右)于该集电极电流Ic的电流流过的读出发射极。进而，以浪涌电压保护为目的的齐纳二极管42反向连接在集电极和栅极之间。
再有，作为检测半导体开关元件4的温度的测温元件，在同一个基板上设置肖特基势垒二极管43。肖特基势垒二极管43的正极侧接在IGBT4的发射极端子，负极侧接在后述的集成电路3内的电流镜电路的基准侧。
下面参照图2的时序图，说明集成电路3的功能及本点火系统全体的点火动作。
在时刻t1，从ECU1施加到集成电路3的输入端子的高电平控制输入信号，被施密特触发电路11波形整形后，使第一PchMOS12截止。由此，由第二PchMOS17及第三PchMOS18构成的第一电流镜电路动作，输出电流Ig2使第一电阻23通电，从而产生IGBT41的栅极驱动电压。
还有，所述第一电流镜电路的基准侧电流值Ig1，是从恒流源19的输出电流值Ib1减去后述的电流限制电路的输出电流值If2和过热保护电路的输出电流Is2的电流值。对于该基准侧电流Ig1，与所述第一电流镜电路的镜比对应的电流Ig2成为输出电流。
在此，随着初级线圈61的电感和布线电阻决定的时间常数，如图2的集电极电流Ic流到初级线圈61及IGBT41。
接着，在时刻t2，当ECU1施加低电平的控制输入信号时，所述第一PchMOS12导通，从而所述第一电流镜电路停止，IGBT41的栅极上积蓄的电荷通过所述第一电阻23在极短的时间内放电，因此IGBT41被切断。
此时，通过初级线圈61在IGBT41的集电极端子上产生500V左右的高电压，以使到目前为止所流的电流继续流过。该电压对应于点火线圈6的卷线比升压到30kV，使次级线圈62上连接的点火插头7产生电弧放电。
接着说明在时刻t3，从ECU1施加较长通电时间的高电平控制输入信号的情形。
与之前的说明一样，随着来自ECU1的高电平的控制输入信号的施加，集电极电流Ic从时刻t3逐渐增加，但是为了防止点火线圈6的绕组熔断或变压器的磁饱和，设定电流限制值，以使集电极电流Ic不致达到一定值以上。
集电极电流Ic的限制由以下机理实现。IGBT41的读出电流Ies通过集成电路3内的第二电阻24通电，IGBT41的集电极电流Ic所对应的电压发生在所述第二电阻24。通过放大器21，将该电压与第一基准电压源22的电压Vref1进行比较，对应于其差的电流If1通过V-I变换电路20输出。该电流If1通过由第四PchMOS13及第五PchMOS14构成的第二电流镜电路，输出与其镜比对应的输出电流作为电流限制信号If2。由于所述电流限制信号If2使产生IGBT41的栅极驱动电压的电流Ig2向下降的方向工作，所以栅极电压下降，阻碍集电极电流Ic的增加。即，使集电极电流Ic有关的整个系统做负反馈动作，故集电极电流Ic被限制为既定的固定值。
在时刻t4，当集电极电流Ic达到所述电流限制值时，IGBT41的栅极电压降低，进行5极管动作。即，正流着集电极电流Ic的状态下，集电极电压没有充分降低，IGBT41上产生焦耳损失。
若动作温度变高，则IGBT41的容许损耗就降低，因此，为了保护IGBT41，需要对应于温度抑制焦耳损失的过热保护功能。以下说明其过热保护功能的机理。
搭载于半导体开关元件4的肖特基势垒二极管43的负极侧连接到集成电路3内的由第六PchMOS15及第七PchMOS16所构成的第三电流镜电路的基准侧。此外，所述第三电流镜电路的输出电流Is2与上述电流限制功能相同，使发生IGBT41的栅极驱动电压的电流Ig2减少的方向工作。
在此，肖特基势垒二极管的反向饱和电流Is如图3所示的温度特性表所示，在超过约170℃的附近急剧上升。
因此，通过由所述肖特基势垒二极管43和所述第六PchMOS15及所述第七PchMOS16构成的所述第三电流镜电路，当动作温度超过约170℃时，降低栅极驱动电压，从而降低集电极电流Ic，实现抑制IGBT41的焦耳损失的过热保护功能。
上述机理在减少发生栅极驱动电压的电流Ig2的方面，与之前的电流限制功能相同。换言之，上述过热保护功能不过是如图4所示，当动作温度低于约170℃时，将电流限制值降低到比正常动作时低的功能而已。
本实施例1的过热保护功能，始终是降低IGBT41的集电极电流限制值，不是积极地切断IGBT41。即，没有ECU1在非有意的定时上的切断，即使不另外设置软切断功能，也能防止点火插头7的误点火。
如果动作温度继续上升，则电流限制值继续降低，最终无法提供使点火插头7电弧放电的能量，一般比起动作温度的上升，ECU1的动作速度极为迅速。因此，从过热保护开始起作用到实际失火为止有富余时间，从而ECU1探测到因过热保护而失火，得到充分的富余时间进行适当处理。
实施例2
图5表示本发明的点火器用功率半导体装置的第二实施例。在图中，对于有相同功能的构成标上相同附图标记，省略重复说明。
第二实施例的特征为，将实施例1中搭载到半导体开关元件4的肖特基势垒二极管搭载到集成电路3内。在点火器用功率半导体装置5中，半导体开关元件4和集成电路3在相同的导体基板上近旁配置，两者的热结合性极为良好。因此，即使在半导体开关元件4上没有搭载测温元件也能得到同等效果。
集成电路3内的肖特基势垒二极管25，在布局上与半导体开关元件4较近的位置，例如优选在集成电路3的与开关元件4对置的边的近处搭载。
在本实施例中，可削减实施例1中必要的肖特基势垒二极管43的连接线或焊盘，不仅能半导体开关元件4的布局图形效率，而且能以高面积效率配置，所以能实现点火器用功率半导体装置5的小型和廉价。
还能积极利用集成电路3内搭载的作为测温元件的肖特基势垒二极管25。例如，用于产生恒流源19的二极管使用肖特基势垒二极管，而不是通常的PN结型，从而，使恒流源的温度特性与测温元件的肖特基势垒二极管25的温度特性匹配，亦可。
通过使恒流源19也持有温度特性，与测温元件的温度特性配合，能够使过热保护时的电流限制值的下降特性更为急剧。由于在同一集成电路3内元件间的特性匹配极高，可使恒流源19和测温元件的肖特基势垒二极管25的温度特性以高精度一致。
实施例3
图6表示本发明的点火器用功率半导体装置的第三实施例。在实施例1、第二实施例中，由于肖特基势垒二极管的反向饱和电流的制造工序偏差，就过热保护时的电流限制值，有时得不到希望的降低特性。通过由外部连接端子调整该偏差，不仅能实现提高制品的成品率，也能调整对应于制品用途的电流限制值的衰减灵敏度。
图6所示的电路例中，设置3个输出电流值不同的测温元件选择电路S1、S2、S3，以能从点火器用功率半导体装置5的外部选择各个测温元件输出的有效/无效。
S1～S3的各测温元件选择电路内部，内置有肖特基势垒二极管25，向各个二极管的尺寸进行二进制加权(例如，设S1为尺寸1，则S2为尺寸2，S3为尺寸4)。而且，通过使外部端子接地或开路，使第八PchMOS26导通或截止，并使各测温元件选择电路有效或无效。
由此，通过组合S1～S3的各测温元件，肖特基势垒二极管的尺寸可以从0～7之间的8种组合中进行选择。测温元件的选择可以如本实施例那样从点火器用功率半导体装置5的外部设定，或，如果只能在制造工序内调整，可以不在外部设置端子，而通过集成电路3上设置的S1～S3的焊盘和接地端子间的引线接合的有无来选择各测温元件的有效/无效。
图7表示本实施例的点火器用功率半导体装置的第四实施例。如实施例1所述，当动作温度上升，过热保护开始动作时，希望向ECU1传达其意思，重新评价控制信号导通时间的表数据，进行降低发动机的输出等适当的反馈处理。
因此，本实施例将过热保护动作状态输出单元10设置在集成电路3内。将检测测温元件的肖特基势垒二极管25的反向饱和电流Is1的所述第三电流镜电路的输出侧连接到第九PchMOS40，通过输出电流Is3使第三电阻43通电。用比较器41比较所述第三电阻43上产生的电压和第二基准电压源42的电压Vref2，将其输出通过ECU1输出到点火器用功率半导体装置5的外部进行监视。
通过如以上构成的第四实施例的点火器用功率半导体装置5，ECU1根据所述比较器41的输出，能随时把握当前是否进行过热保护动作，可进行适当的反馈处理。
附图标记说明
3集成电路；4半导体开关元件；5点火器用功率半导体装置；6点火线圈；10误差输出电路；15第六PchMOS；16第七PchMOS；25、43肖特基势垒二极管。

Claims (6)

1.一种点火器用功率半导体装置，包括：
对点火线圈的初级电流进行通电/切断的半导体开关元件；
对所述半导体开关元件进行驱动控制的集成电路；以及
检测所述半导体开关元件的动作时温度的测温元件，
其特征在于，
所述集成电路具有过热保护单元，当所述测温元件检测出的温度在既定的设定温度以上时，所述过热保护单元按照检测温度，将流过所述半导体开关元件的电流限制在比正常动作时低的值。
2.如权利要求1所述的点火器用功率半导体装置，其特征在于：所述测温元件搭载在所述半导体开关元件上。
3.如权利要求1所述的点火器用功率半导体装置，其特征在于：所述测温元件搭载在所述集成电路上。
4.如权利要求1至3中任一项所述的点火器用功率半导体装置，其特征在于：所述测温元件具有肖特基势垒二极管。
5.如权利要求1至3中任一项所述的点火器用功率半导体装置，其特征在于：所述测温元件能够从外部调整温度特性。
6.如权利要求1至3中任一项所述的点火器用功率半导体装置，其特征在于：具有过热保护动作状态输出单元，其输出表示所述过热保护电路进行降低电流的信号。
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