CN106979114B - 开关装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，能够提供具有电路规模小，且稳定动作的计时电路的驱动电路。本发明提供一种开关装置，具备：功率半导体元件，其连接到高电位侧的第一端子与低电位侧的第二端子之间；电容器；充电部，其在功率半导体元件处于截止的期间的至少一部分中，对电容器进行充电；放电部，其根据功率半导体元件成为导通的情况，使电容器放电；以及断路部，其根据电容器的电压成为比阈值电压低的情况，使功率半导体元件成为截止状态。

Description

开关装置
技术领域
本发明涉及开关装置。
背景技术
以往，作为内燃机的点火等中使用的开关装置，已知有处理大电力的功率半导体器件。已知驱动这样的功率半导体器件的电路具备利用计时(Timer)电路等检查该功率半导体器件的过电流和过热等之类的异常的状态，保护部件不受内燃机的影响的电路(例如，参照专利文献1和专利文献2)。
专利文献1：日本特开2002-4991号公报
专利文献2：日本特开2006-109286号公报
发明内容
技术问题
对于检测功率半导体器件的异常的计时电路，期望不使用专用的电源而是将向功率半导体器件的驱动电路供给的控制信号作为动作电源。即，寻求不设置计时电路专用的电源输入和输入电路等而使电路规模变小，并稳定动作的功率半导体器件的驱动电路。
技术方案
在本发明的第一形态中，提供一种开关装置，具备：功率半导体元件，其连接到高电位侧的第一端子与低电位侧的第二端子之间；电容器；充电部，在功率半导体元件处于截止的期间的至少一部分中，对电容器进行充电；放电部，根据功率半导体元件成为导通的情况，使电容器放电；以及断路部，根据电容器的电压成为比阈值电压低的情况，使功率半导体元件成为截止状态。
应予说明，上述的发明内容未列举本发明的所有特征。另外，这些特征组的子组合也能够成为发明。
附图说明
图1表示本实施方式的点火装置1000的构成例。
图2表示本实施方式的时钟电路132的构成例。
图3表示图2所示的时钟电路132的各部分的动作波形的一个例子。
图4表示本实施方式的开关装置100的各部分的动作波形的例子。
图5表示本实施方式的点火装置2000的构成例。
图6表示本实施方式的触发部140和复位部150的构成例。
图7表示本实施方式的触发部140和复位部150的动作波形的一个例子。
图8表示本实施方式的开关装置200的各部分的动作波形的例子。
图9表示具备本实施方式的开关装置200的第一变形例的点火装置2000的构成例。
图10表示具备本实施方式的开关装置200的第二变形例的点火装置2000的构成例。
符号说明
10：控制信号产生部
20：火花塞
30：点火线圈
32：初级线圈
34：次级线圈
40：电源
100：开关装置
102：控制端子
104：第一端子
106：第二端子
110：功率半导体元件
120：断路部
122：电阻
130：计时电路
132：时钟电路
134：倍增器
140：触发部
142：控制信号输入部
144：触发信号输出部
146：基准电位输入部
150：复位部
152：控制信号输入部
154：复位信号输出部
156：基准电位输入部
160：锁存部
172：控制信号输入部
174：时钟信号输出部
176：基准电位输入部
180：晶体管
182：电阻
184：电阻
186：晶体管
188：晶体管
190：电容器
192：比较器
194：晶体管
196：晶体管
200：开关装置
202：控制端子
204：第一端子
206：第二端子
210：电容器
220：充电部
222：钳位部
224：第一电阻
226：开关部
230：放电部
240：反相器
272：电阻
274：电阻
276：反相器
282：反相器
284：电阻
286：电容器
288：反相器
510：整流元件
520：开关元件
1000：点火装置
2000：点火装置
具体实施方式
以下，通过发明的实施方式说明本发明，但以下的实施方式不限定于权利要求的发明。另外，实施方式中说明的特征的所有组合并不限定为发明的解决方案所必须的。
图1表示本实施方式的点火装置1000的构成例。点火装置1000对汽车等的内燃机等中使用的火花塞进行点火。在本实施方式中，说明点火装置1000搭载于汽车的发动机的例子。点火装置1000具备控制信号产生部10、火花塞20、点火线圈30、电源40和开关装置100。
控制信号产生部10产生控制开关装置100的导通和截止的切换的开关控制信号。控制信号产生部10例如是搭载有点火装置1000的汽车的发动机控制单元(ECU)的一部分或全部。控制信号产生部10将产生的控制信号供给到开关装置100。通过控制信号产生部10向开关装置100供给控制信号，从而点火装置1000开始火花塞20的点火动作。
火花塞20通过放电产生电火花。火花塞20例如利用10kV以上程度的施加电压进行放电。作为一个例子，火花塞20设置于内燃机，此时，对燃烧室的混合气体等燃烧气体进行点火。火花塞20被设置在例如从汽缸的外部贯通到汽缸内部的燃烧室的贯通孔，以密封该贯通孔的方式进行固定。此时，火花塞20的一端向燃烧室内露出，另一端从汽缸外部接收电信号。
点火线圈30向火花塞供给电信号。点火线圈30供给使火花塞20放电的高电压作为电信号。点火线圈30可以作为变压器发挥功能，例如是具有初级线圈32和次级线圈34的点火线圈(ignition coil)。初级线圈32和次级线圈34的一端电连接。初级线圈32的绕组数比次级线圈34的绕组数少，与次级线圈34共用芯。次级线圈34根据初级线圈32产生的电动势而产生电动势(互感电动势)。次级线圈34的另一端与火花塞20连接，将产生的电动势供给到火花塞20而进行放电。
电源40向点火线圈30供给电压。电源40例如向初级线圈32和次级线圈34的一端供给预先确定的恒定电压Vb(作为一个例子，为14V)。作为一个例子，电源40为汽车的电池。
开关装置100根据由控制信号产生部10供给的控制信号，对在点火线圈30的初级线圈32的另一端和基准电位之间的导通和非导通进行切换。开关装置100例如根据控制信号为高电位(导通电位)，使初级线圈32和基准电位之间导通，根据控制信号为低电位(截止电位)，使初级线圈32和基准电位之间不导通。
在此，基准电位可以是汽车的控制系统中的基准电位，另外，也可以是与汽车内的开关装置100对应的基准电位。基准电位可以是使开关装置100截止的低电位，作为一个例子，为0V。开关装置100具备控制端子102、第一端子104、第二端子106、功率半导体元件110、断路部120、电阻122、计时电路130、触发部140、复位部150和锁存部160。
控制端子102输入控制功率半导体元件110的控制信号。控制端子102与控制信号产生部10连接，接收控制信号。第一端子104介由点火线圈30与电源40连接。第二端子106连接到基准电位。即，第一端子104与第二端子106相比为高电位侧的端子，第二端子106与第一端子104相比为低电位侧的端子。
功率半导体元件110包括栅极端子(G)、集电极端子(C)和发射极端子(E)，根据输入到栅极端子的控制信号，将集电极端子和发射极端子之间电连接或电断开。功率半导体元件110连接到高电位侧的第一端子104和低电位侧的第二端子106之间，根据栅极电位而被控制为导通或截止。功率半导体元件110根据控制信号控制栅极电位。作为一个例子，功率半导体元件110为绝缘栅双极晶体管(IGBT)。另外，功率半导体元件110也可以为MOSFET。
作为一个例子，功率半导体元件110具有达到几百V的耐压。功率半导体元件110例如是在基板的第一面侧形成有集电极，在与第一面相反侧的第二面侧形成有栅电极和发射电极的垂直型器件。另外，功率半导体元件110可以为垂直型MOSFET。作为一个例子，功率半导体元件110的发射极端子与基准电位连接。另外，集电极端子与初级线圈32的另一端连接。应予说明，在本实施例中，对功率半导体元件110根据控制信号成为导通电位的情况而将集电极端子和发射极端子之间电连接的n沟道型IGBT的例子进行说明。
断路部120连接到功率半导体元件110的栅极端子和基准电位之间。作为一个例子，断路部120是根据栅极电位而将漏极端子和源极端子之间控制为导通或截止的FET。对于断路部120，漏极端子与功率半导体元件110的栅极端子连接，源极端子与基准电位连接，在是否将从控制端子102输入的控制信号供给到功率半导体元件110的栅极端子之间进行切换。作为一个例子，断路部120是根据栅极端子为高电位的情况，将漏极端子和源极端子之间电连接的常断型的开关元件。此时，断路部120优选是n沟道型MOSFET。
电阻122连接到控制端子102与功率半导体元件110的栅极端子之间。电阻122在断路部120为OFF状态的情况下，将控制信号供给到功率半导体元件110的栅极端子。在断路部120为ON状态下，使控制信号流向基准电位时，电阻122使该控制信号电压下降。即，向功率半导体元件110的栅极端子供给基准电位。
计时电路130检测功率半导体元件110发生异常的情况。计时电路130在从控制端子102输入的控制信号成为高电位时起测量该高电位持续的时间。计时电路130在控制信号持续高电位的时间经过了预先确定的时间的情况下，在功率半导体元件110中持续流通电流，判断为因加热等而导致发生异常，将检测到的异常情况作为计时信号而输出。应予说明，将预先确定的时间记为计时时间T。作为一个例子，计时电路130根据检测到的异常而输出高电位，在控制信号的高电位持续的时间为预先确定的时间以内的情况下，输出低电位。计时电路130具有时钟电路132和倍增器134。
时钟电路132产生时钟信号。时钟电路132将从控制端子102输入的控制信号作为电源进行动作。时钟电路132将产生的时钟信号供给到倍增器134。倍增器134将接收到的时钟信号的周期倍增。作为一个例子，倍增器134包括n个T型触发器(反转触发器(Toggleflip flop))，使输入的时钟信号的周期Tc成为2n倍(n为1以上的整数)。
这样，由于计时电路130将计时时间T作为脉冲宽度，所以将计时时间T设为周期的1/2，即Tc·2n-1。计时电路130在从控制端子102输入的控制信号为高电位的状态持续的时间比计时时间T长的情况下，输出下一个周期的时钟。即，计时电路130以控制信号持续高电位的情况为条件，在从控制信号为高电位时起算T时间后为高电位。计时电路130将计时信号供给到锁存部160。
触发部140根据用于控制功率半导体元件110的控制信号比基准电压高的情况，输出触发信号。作为一个例子，触发部140根据控制信号从低电位变为高电位的情况，将低电位的触发信号输出到复位部150。作为一个例子，触发部140将从控制端子102输入的控制信号作为电源进行动作，在该控制信号为低电位时不输出信号。
复位部150根据控制信号为高电位的情况，在预先确定的期间内输出复位信号。复位部150根据从触发部140接收的触发信号，输出高电位的复位信号。作为一个例子，复位部150将预先确定的脉冲宽度的脉冲信号作为复位信号输出到锁存部160。作为一个例子，复位部150将从控制端子102输入的控制信号作为电源进行动作，在该控制信号为低电位时不输出信号。
锁存部160根据复位信号被复位，锁存从计时电路接收计时信号。锁存部160根据功率半导体元件超过预先确定的时间而持续流通电流的情况，产生断路信号，并将其供给到断路部120的栅极端子。锁存部160通过输出断路信号，从而断开从控制端子102向功率半导体元件110的控制信号的供给。作为一个例子，锁存部160产生从低电位成为高电位的断路信号。由此，功率半导体元件110切换到截止状态。作为一个例子，锁存部160将从控制端子102输入的控制信号作为电源进行动作，在该控制信号为低电位时不输出信号。作为一个例子，锁存部160为RS触发器。
以上的本实施方式的开关装置100处于功率半导体元件110正常的状态，当控制信号为高电位时，功率半导体元件110成为导通状态。由此，从电源40介由点火线圈30的初级线圈32而流通集电极电流Ic。应予说明，集电极电流Ic的时间变化dIc/dt根据初级线圈32的电感和电源40的供给电压而确定，增加到预先确定的(或设定的)电流值。例如，集电极电流Ic增加到几A、十几A、或几十A的程度。
并且，如果控制信号为低电位，则功率半导体元件110成为截止状态，集电极电流急剧减少。由于集电极电流的急剧减少，所以初级线圈32的两端电压因自感电动势而急剧增加，使次级线圈34的两端电压产生达到几十kV左右的感应电动势。点火装置1000通过将这样的次级线圈34的电压供给到火花塞20，从而使火花塞20放电而对燃烧气体进行点火。
在此，在因控制信号产生部10等的故障而导致控制信号为高电位的状态持续的情况下，计时电路130检测高电位的持续，将计时信号供给到锁存部160，锁存部160断开从控制端子102向功率半导体元件110的控制信号的供给。由此，功率半导体元件110的栅极电位成为截止电位，集电极电流Ic被断开。
如果功率半导体元件110流通集电极电流Ic的状态持续，则该功率半导体元件110和点火线圈30被加热，有时产生故障等。本实施方式的点火装置1000即使发生导致这样的故障等的控制信号的高电位的持续，断路部120也断开向功率半导体元件110的控制信号的供给而断开集电极电流Ic，因此能够防止在该点火装置1000和汽车的部件产生破坏和动作不良等。
如上所述，对在开关装置100中，计时电路130检测到控制信号持续为高电位的例子进行说明。计时电路130不接收来自外部的电源供给，而是将控制信号作为动作电源，所以可以不设置输入电源的端子、检测输入电源的过电压的电路、传输电路和保护电路等，能够降低电路规模。使用图2对这样的计时电路130所具有的时钟电路132进行说明。
图2表示设置于开关装置100的时钟电路132的构成例。时钟电路132包括控制信号输入部172、时钟信号输出部174、基准电位输入部176、晶体管180、电阻182、电阻184、晶体管186、晶体管188、电容器190、比较器192、晶体管194和晶体管196。
作为一个例子，晶体管180、晶体管188和晶体管194为耗尽型MOSFET，可在连接栅极和源极而成为导通状态下使用。晶体管186和晶体管196根据供给到栅极的电位，在源极和漏极之间进行电连接或电断开。晶体管180、晶体管186、晶体管188、晶体管194和晶体管196优选由nMOS形成。
对于晶体管180，漏极端子与控制信号输入部172连接，栅极端子和源极端子与电阻182的一个端子连接。电阻182的另一个端子与电阻184的一个端子连接，电阻184的另一个端子与基准电位输入部176连接。即，晶体管180、电阻182和电阻184在控制信号输入部172和基准电位输入部176之间串联连接。
对于晶体管186，漏极端子连接到电阻182和电阻184之间，源极端子与基准电位输入部176连接。对于晶体管188，漏极端子与控制信号输入部172连接，栅极端子和源极端子与电容器190的一个端子连接。另外，电容器190的另一个端子与基准电位输入部176连接。
比较器192的+侧输入端子与晶体管188的源极端子连接，-侧输入端子与晶体管180的源极端子连接，输出端子与时钟信号输出部174连接。应予说明，比较器192的输出端子分别与晶体管186和晶体管196的栅极端子连接。
对于晶体管194，漏极端子与电容器190的一个端子连接，源极端子与晶体管196的漏极端子连接。对于晶体管196，源极端子与基准电位输入部176连接。即，电容器190与晶体管194以及晶体管196在从晶体管188的源极端子到基准电位输入部176之间并联连接。接下来对这样的时钟电路132的动作进行说明。
图3表示图2所示的时钟电路132的各部分的动作波形的一个例子。图3中，横轴为时间，纵轴为输出电位。另外，将控制信号记为Vin，将比较器192的+侧输入端子的电位记为V+，将比较器192的-侧输入端子的电位记为V-，将时钟信号输出部174的输出信号记为Vout。另外，将电阻182的电阻值记为R1，将电阻184的电阻值记为R2。应予说明，使晶体管180和晶体管188为大致相同形状的晶体管，使晶体管180的源极电流和晶体管188的源极电流大致相同，均记为Idep1，将晶体管194的漏极电流记为Idep2。
如果控制信号的初期状态为低电位，则比较器192的输出也为低电位，因此晶体管186和晶体管196均处于截止状态。在时刻t0，当控制信号成为高电位时，晶体管186处于截止状态，因此晶体管180的源极电流Idep1流过电阻182和电阻184，比较器192的-侧输入端子的电位V-为Idep1·(R1+R2)。
另外，由于晶体管196处于截止状态，所以利用晶体管188的源极电流Idep1对电容器190进行充电。随着电容器190的充电，比较器192的+侧输入端子的电位V+从0V起随着时间而上升。在比较器192的+侧输入端子的电位V+上升到Idep1·(R1+R2)之前，由于-侧输入端子的电位V-处于高电位，所以比较器192的输出(即，时钟信号输出部174的输出信号Vout)保持为低电位不变。
在时刻t1，如果电容器190的充电电位(即，比较器192的+侧输入端子的电位V+)超过Idep1·(R1+R2)，则时钟信号输出部174的输出信号Vout成为高电位，晶体管186和晶体管196切换到导通状态。因此，晶体管180的源极电流Idep1流过电阻182和晶体管186，比较器192的-侧输入端子的电位V-为Idep1·R1。
另外，由于晶体管196处于导通状态，所以充电到电容器190中的电荷介由晶体管194和晶体管196，流向基准电位并放电。即，比较器192的+侧输入端子的电位V+随着电容器190的放电，从Idep1·(R1+R2)起，随着时间而降低。在比较器192的+侧输入端子的电位V+降低到Idep1·R1之前，由于-侧输入端子的电位V-为低电位，所以时钟信号输出部174的输出信号Vout保持为高电位不变。
在时刻t2，如果比较器192的+侧输入端子的电位V+低于Idep1·R1，则时钟信号输出部174的输出信号Vout成为低电位，晶体管186和晶体管196切换到截止状态。因此，晶体管180的源极电流Idep1流过电阻182和电阻184，比较器192的-侧输入端子的电位V-成为Idep1·(R1+R2)。
另外，由于晶体管196处于截止状态，所以电容器190被充电，比较器192的+侧输入端子的电位V+从Idep1·R1起，随着时间而上升。在比较器192的+侧输入端子的电位V+上升到Idep1·(R1+R2)之前，由于-侧输入端子的电位V-为高电位，所以时钟信号输出部174的输出信号Vout在时刻t3之前保持为低电位不变。如上所述，时钟电路132通过反复进行电容器190的充电和放电，从而能够将输出信号Vout作为时钟信号而输出。接下来，对根据这样的时钟信号来切换功率半导体元件110的动作进行说明。
图4表示本实施方式的开关装置100的各部分的动作波形的例子。在图4中，设横轴为时间，设纵轴为电压值或电流值。另外，在图4中，将从控制端子102输入的控制信号记为“Vin”，将功率半导体元件110的栅极端子的电位记为“Vg”，将功率半导体元件110的集电极-发射极间电流(为集电极电流)记为“Ic”，将功率半导体元件110的集电极-发射极间电压(为集电极电压)记为“Vc”，将复位部150所输出的复位信号记为“Vr”，将计时电路130输出的计时信号记为“Vs”，来示出各自的时间波形。
在输入到开关装置200的控制信号Vin为低电位(作为一个例子，为0V)的情况下，复位信号Vr、计时信号Vs和栅极电位Vg为低电位(0V)，功率半导体元件110处于截止状态，集电极电流Ic为0A，集电极电压Vc为电源40的输出电压(作为一个例子，为14V)。
并且，如果控制信号Vin为高电位(作为一个例子，为5V)，则栅极电位Vg成为高电位而功率半导体元件110切换到导通状态，集电极电流Ic开始增加，集电极电压Vc从约0V开始增加。另外，触发部140输出低电位的触发信号，复位部150输出高电位的复位信号Vr。
然后，在控制信号Vin成为高电位之后，如果在比计时电路130计数的计时时间T短的期间，控制信号Vin再次成为低电位，则该低电位成为功率半导体元件110的栅极电位Vg，因此功率半导体元件110切换到截止状态。由此，执行图1中说明的点火动作，集电极电流Ic回到约0A，集电极电压Vc回到电源的输出电位。应予说明，对于集电极电压Vc，作为点火动作，在瞬间成为高电压后立即回到电源的输出电位。以上是图4的控制信号Vin显示为“正常”的范围的开关装置100的动作。
接下来，对控制信号Vin的成为高电位的状态超过计时时间T仍持续的情况的例子进行说明。此时，对于控制信号Vin成为高电位的状态为止已经进行了说明，即，功率半导体元件110切换到导通状态，集电极电流Ic开始增加，集电极电压Vc从约成为0V后立即开始增加。另外，触发部140输出触发信号，复位部150输出复位信号Vr。
在此，如果控制信号Vin的高电位的状态持续，则集电极电流Ic的增加持续，功率半导体元件110的温度上升。由此，集电极电压Vc和集电极电流Ic饱和，但是如果该状态持续，则开关装置100和与开关装置100连接的点火线圈30等部件有时会产生故障等。为了防止这样的故障等，如果在控制信号Vin成为高电位时起经过计时时间T，则计时电路130输出检测到异常的计时信号Vs。锁存部160锁定计时信号Vs并输出断路信号，使栅极电位Vg成为低电位。由此，功率半导体元件110切换到截止状态。由此，执行图1中说明的点火动作，集电极电流Ic回到约0A，集电极电压Vc回到电源的输出电压。
在集电极电流Ic和集电极电压Vc回到原始状态之后，如果控制信号Vin成为低电位，则断开向锁存部160的电源供给，因此断路信号成为低电位。以上是图4的控制信号Vin显示为“ON固定”的范围的开关装置100的动作。如上所述，本实施方式的开关装置100能够检测在功率半导体元件110中流通电流的状态持续计时时间T以上的情况，并将功率半导体元件110切换到截止状态。
然而，即使将图1所示的开关装置100制造为集成电路，使其单芯片化，也有时无法降低芯片尺寸。如以下说明，这是因为时钟电路132成为比计时时间T小的时钟周期，倍增器134的面积增加。由于计时电路130的时钟电路132所生成的时钟信号的周期取决于电容器190的充电时间，所以取决于于电容器190的容量。然而，如果使电容器190的容量C变大，则电容器190的尺寸也变大，但使开关装置100小型化时，电容器190的容量C最大为100pF左右。
另外，为了输出稳定的时钟信号，优选-侧输入端子的电位V-的振幅ΔV-{＝Idep1·(R1+R2)-Idep1·R1＝Idep1·R2}恒定。因此，优选晶体管180处于漏极电流饱和的夹断(pinch-off)的状态。在此，作为控制信号的高电位，如果使用2.5V～5V程度的电位，使晶体管180的夹断电压为2V，则ΔV-小于0.5V。应予说明，由于ΔV-也是+侧输入端子的电位V+的振幅ΔV+，所以充电到电容器190中的电荷Q小于C·ΔV+。
因此，充电到电容器190中的电荷Q与电容器190的容量C和控制信号的高电位成比例。电容器190的容量C的大小如上所述，是有限度的，另外，由于控制信号是从开关装置100的外部输入的信号，所以在设计开关装置100时，无法将控制信号的高电位设定为较高。即，对于时钟电路132所生成的时钟信号的周期Tc而言，即使改变开关装置100的设计参数，也是有限度的，例如，在Idep1为1μA左右的情况下，该周期Tc为10μs左右。
作为一个例子，在计时电路130使计时时间T为10ms时，倍增器134使时钟电路132所输出的时钟周期为2000倍左右。因此，倍增器134，例如，设置11个左右T型触发器，作为结果，计时电路130的电路规模增大。因此，本实施方式的开关装置200能够降低电路规模，并且能够输出稳定的计时时间的计时信号。接下来，对这样的开关装置200进行说明。
图5表示本实施方式的点火装置2000的构成例。在图5所示的点火装置2000中，对与图1中示出的本实施方式的点火装置1000的动作大致相同的动作标注相同符号，并省略说明。点火装置2000具备开关装置200。应予说明，对于点火装置2000具备的控制信号产生部10、火花塞20、点火线圈30和电源40省略说明。
开关装置200具备控制端子202、第一端子204、第二端子206、功率半导体元件110、断路部120、电阻122、触发部140、复位部150、锁存部160、电容器210、充电部220、放电部230和反相器240。控制端子202输入控制功率半导体元件110的控制信号。控制端子202与控制信号产生部10连接，接收控制信号。第一端子204介由点火线圈30与电源40连接。第二端子206与基准电位连接。即，第一端子204与第二端子206相比为高电位侧的端子，第二端子206与第一端子204相比为低电位侧的端子。
应予说明，对于功率半导体元件110、断路部120和电阻122，由于已经在图1中进行了说明，因此在此省略说明。对于电容器210，一个端子介由第二端子206与基准电位连接，另一个端子与充电部220连接。
触发部140根据用于控制功率半导体元件110的控制信号比基准电压高的情况，输出触发信号。触发部140根据控制信号从低电位成为高电位的情况，将低电位的触发信号供给到复位部150和充电部220。作为一个例子，触发部140将从控制端子202输入的控制信号作为电源进行动作，在该控制信号为低电位时不输出信号。
复位部150根据控制信号为高电位的情况，在预先确定的期间内输出复位信号。复位部150根据从触发部140接收到的触发信号输出高电位的复位信号。作为一个例子，复位部150将预先确定的脉冲宽度的脉冲信号作为复位信号输出到锁存部160。作为一个例子，复位部150将从控制端子202输入的控制信号作为电源进行动作，在该控制信号为低电位时不输出信号。
锁存部160根据复位信号进行复位，锁定从反相器240接收计时信号。锁存部160根据功率半导体元件超过预先确定的时间持续流通电流的情况，产生阻挡信号，并供给到断路部120的栅极端子。锁存部160通过输出阻挡信号，从而阻挡从控制端子102向功率半导体元件110的控制信号的供给。作为一个例子，锁存部160产生从低电位成为高电位的阻挡信号。由此，功率半导体元件110切换到截止状态。作为一个例子，锁存部160将从控制端子202输入的控制信号作为电源进行动作，在该控制信号为低电位时不输出信号。作为一个例子，锁存部160为RS触发器。
充电部220在功率半导体元件110处于截止的期间中的至少一部分时，对电容器210进行充电。充电部220与第一端子204连接，利用来自第一端子204的电压对电容器210进行充电。充电部220具有钳位部222、第一电阻224和开关部226。
钳位部222在第一端子204和基准电位之间与电容器210并联连接。钳位部222在来自第一端子204的电压是比预先确定的电压高的电压的情况下，将来自第一端子204的电压钳位在该预先确定的电压。应予说明，将预先确定的电压作为钳位电压。作为一个例子，钳位部222具有在第一端子204与基准电位之间与电容器210并联连接的齐纳二极管。齐纳二极管的阳极与第二端子206连接。
第一电阻224连接到电容器210和钳位部222的第一端子204侧的端子与第一端子204之间。第一电阻224的一端与第一端子204连接，另一端与齐纳二极管的阴极连接。即，第一电阻224和钳位部222从第一端子204起到第二端子206之间串联连接。在钳位部222使来自第一端子204的电压钳位而流通电流的情况下，第一电阻224限制流过钳位部222的电流的量而防止因电流导致的温度上升。
开关部226在第一电阻224的另一端和电容器210的另一个端子之间进行电连接和电断开的切换。作为一个例子，开关部226具有晶体管。此时，对于开关部226，栅极端子和集电极端子与第一电阻224的另一端连接，发射极端子与电容器210的另一个端子连接。即，开关部226和电容器210在从第一电阻224的另一端到第二端子206之间串联连接。另外，开关部226和电容器210在从第一电阻224的另一端到第二端子206之间，与钳位部222并联连接。
当钳位部222使来自第一端子204的电压钳位时，开关部226根据钳位电压而成为导通状态，将该钳位电压供给到电容器210。由此，利用被钳位部222钳位的电压对电容器210进行充电。另外，开关部226在栅极端子和发射极端子中，接收来自触发部140的触发信号。利用该触发信号，由于栅极端子和发射极端子为低电位，所以开关部226成为截止状态而停止向电容器210的钳位电压的供给。即，开关部226根据触发信号来断开第一端子204和电容器210之间的连接。
放电部230根据功率半导体元件110为导通的情况，使充电到电容器210中的电荷放电。放电部230例如连接到电容器210的另一个端子和第二端子206之间，将由电容器210的另一个端子充电的电荷朝向基准电位而放电。放电部230例如具有在第一端子204和基准电位之间与电容器210并联连接的第二电阻和/或恒定电流源。
反相器240连接到电容器210的另一个端子和锁存部160之间，将根据电容器210的电位的反相逻辑输出供给到锁存部160。作为一个例子，反相器240以将动作电源作为从控制端子202输入的控制信号，控制信号成为高电位为条件，将反相逻辑输出供给到锁存部160。
反相器240例如在向电容器210充电电荷而成为超过阈值的高电位的情况下，将低电位供给到锁存部160。另外，对于反相器240，如果电容器210的电荷被放电部230放电而成为阈值以下的低电位，则将高电位供给到锁存部160。即，反相器240将利用放电部230进行的放电为阈值以下的时刻作为计时时间T，输出高电位的计时信号。
如上所述，本实施方式的开关装置200，利用充电部220使用第一端子204侧的电压对电容器210进行充电来代替图1中说明的开关装置100的计时电路130。由此，在功率半导体元件110为截止状态的情况下，由于充电部220可以使用基于电源40的电位(作为一个例子为14V)进行了钳位的电压进行充电，所以能够以5V以上的电压对电容器210进行充电。因此，对于开关装置200来说，即使电容器210和电容器190的容量大致相同，充电到电容器210中的电荷的量也能够增加到计时电路130充电到电容器190中的电荷的量的约10倍以上。
另外，开关装置200可以使用放电部230使充电到电容器210中的电荷放电，按照由电容器210和放电部230确定的时间常数进行放电。即，开关装置200即使电容器210的容量为100pF左右，例如，通过调整放电部230朝向基准电位流通的电流的量，从而与计时电路130相比，能够延长放电的时间常数。因此，开关装置200可以不使用图1中说明的倍增器134地将反相器240输出的计时信号的计时时间T作为ms单位的时间。
图6表示本实施方式的触发部140和复位部150的构成例。触发部140具有控制信号输入部142、触发信号输出部144、基准电位输入部146、电阻272、电阻274和反相器276。复位部150包括控制信号输入部152、复位信号输出部154、基准电位输入部156、反相器282、电阻284、电容器286、和反相器288。
将从控制端子202接收的控制信号输入控制信号输入部142和控制信号输入部152。触发信号输出部144输出该触发部140生成的触发信号。复位信号输出部154输出该复位部150生成的复位信号。基准电位输入部146和基准电位输入部156介由第二端子206与基准电位连接。
电阻272和电阻274在控制信号输入部142和基准电位输入部146之间串联连接，将从控制信号输入部142输入的控制信号Vin分压。当将电阻272的电阻值记为R1，将电阻274的电阻值记为R2时，分压电位成为Vin·R2/(R1+R2)。作为一个例子，在控制信号过渡性地从低电位(作为一个例子，为0V)线性上升到高电位(作为一个例子，为5V)时，分压电位也从0V线性上升到5·R2/(R1+R2)。
反相器276连接到电阻272和电阻274之间，接收分压电位而进行反转输出。触发部140将反相器276的输出作为触发信号而输出。应予说明，在反相器276控制信号Vin为低电位时，由于动作电源为0V，所以无法输出信号。但是，当使钳位电压从充电部220供给到触发信号输出部144时，触发信号输出部144的电位与该钳位电位大致相等。
反相器282接收反相器276的输出而进行反转输出。电阻284和电容器286构成RC电路，接收反相器282的输出而具有时间常数RC的迟延地输出上升的信号。反相器288接收电阻284和电容器286的输出而进行反转输出。
应予说明，反相器276、反相器282和反相器288分别将控制信号作为动作电源。因此，反相器276、反相器282和反相器288在该控制信号过渡性上升的过程中，该控制信号达到反相器的阈值的期间输出与控制信号大致相同的电位的信号。应予说明，在本例中，各反相器的阈值为大致相同的值V1。接下来，对这样的触发部140和复位部150的各部的动作进行说明。
图7表示本实施方式的触发部140和复位部150的动作波形的一个例子。在图7中，设横轴为时间，纵轴为输出电位。在图7中，针对控制信号从截止电位(0V)线性上升到导通电位(5V)的情况来示出反相器276、反相器282和反相器288的输出电位的一个例子。
在图7中，将控制信号记为Vin，将反相器276的输出，即触发部140的输出记为Vt，将反相器282的输出记为Vout1，将反相器288的输出，即复位部150的输出记为Vr。反相器276、反相器282和反相器288的输出电位Vt、Vout1和Vr在输入电位到达反相器的阈值之前，是与电源电位(即，控制信号Vin)大致相同的电位。
对于反相器276，在时刻t1，即使电源的电位(即，Vin)超过阈值V1，由于输入的分压电位Vin·R2/(R1+R2)为阈值V1以下的值，所以将输入电位作为低电位而反转输出高电位。应予说明，对于反相器276，即使以输出高电位的方式进行动作，在电源电位为到达高电位(例如5V)的过程的过渡性电位的情况下，也将该过渡性电源电位作为高电位而输出。在图7中，示出反相器276的输出电位Vt在时刻t1以后，输出与电源电位Vin大致相同的电位的例子。
对于反相器276，在时刻t2，根据电源的电位Vin超过阈值V1，且输入的分压电位超过阈值V1(即，高电位的输入)，将低电位反转输出。图7示出反相器276的输出电位Vt在时刻t2成为低电位(0V)的例子。即，触发部140根据控制信号Vin成为高电位的情况，输出小于阈值V1的低电位。
对于反相器282，在时刻t1，根据电源的电位Vin超过阈值V1，且输入电位超过阈值V1的电位的情况，反转输出低电位。图7示出反相器282的输出电位Vout1在时刻t1成为低电位的例子。对于反相器282，在时刻t2，根据电源的电位Vin超过阈值V1，且输入电位为低电位的情况，反转输出高电位。应予说明，反相器282在电源电位Vin达到高电位的过程的过渡性的电位的情况下，将该过渡性的电源电位作为高电位而输出。图7示出反相器282的输出电位Vout1在时刻t2以后，成为与电源电位Vin大致相同的电位的例子。
由电阻284和电容器286构成的RC电路使反相器282的输出信号迟延。图7示出RC电路使输出信号迟延10μs的例子。反相器288根据电源的电位Vin为超过阈值1，输入电位超过阈值V1的电位的情况，将低电位反转输出。图7示出反相器288的输出电位Vr在从时刻t2经过10μs的时刻成为低电位的例子。
如上所述，本实施方式的复位部150在控制信号成为高电位之后经过基准时间t2以后，输出预先确定的脉冲宽度的复位信号。作为一个例子，图7所示的复位信号是以由电阻284和电容器286设定的时间常数10μs作为脉冲宽度的脉冲信号。
据此，锁存部160利用对应触发信号输出的复位信号被复位，根据表示电容器210的电压比阈值电压低的情况的计时信号被置位。即，锁存部160以控制信号成为高电位为条件，根据功率半导体元件110成为导通状态的期间超过计时时间T的情况进行输出，锁定计时信号。并且，锁存部160将断路信号供给到断路部120。断路部120根据锁存部被置位的情况，使功率半导体元件110的栅极电位为截止电位，使功率半导体元件110处于截止状态。
如上所述，本实施方式的开关装置200根据功率半导体元件110的导通状态的持续时间对动作进行限制，并且作为点火器进行动作，在该点火器中，根据用于控制功率半导体元件的控制信号来控制在与第一端子204连接的点火线圈30中流通的电流。接下来对这样的开关装置200的动作进行说明。
图8表示本实施方式的开关装置200的各部分的动作波形的例子。在图8中，设横轴为时间，纵轴为电压值或电流值。另外，在图8中，将从控制端子202输入的控制信号记为“Vin”，将功率半导体元件110的栅极端子的电位记为“Vg”，将功率半导体元件110的集电极-发射极间电流(为集电极电流)记为“Ic”，将功率半导体元件110的集电极-发射极间电压(为集电极电压)记为“Vc”，将触发部140输出的触发信号记为“Vt”，将复位部150输出的复位信号记为“Vr”，将电容器210的电位记为“Vcap”，将反相器240输出的计时信号记为“Vs”，并示出各自的时间波形。
在输入到开关装置100的控制信号Vin为低电位(作为一个例子，为0V)的情况下，复位信号Vr、计时信号Vs和栅极电位Vg为低电位(0V)，功率半导体元件110处于截止状态，集电极电流Ic为0A，集电极电压Vc为电源40的输出电压(作为一个例子，为14V)。另外，由于集电极电压Vc为电源40的输出电压，所以钳位部222钳位到钳位电压(作为一个例子，Vzd＝6V)。
由于将钳位部222的钳位电压Vzd供给到触发部140的触发信号输出部144，所以触发信号Vt为钳位电压Vzd。另外，对于钳位部222的钳位电压Vzd，由于使开关部226处于导通状态，所以电容器210被充电而成为恒定的电压(作为一个例子，为Vcapmax)。在此，开关部226具有晶体管，将该晶体管的阈值记为Vthm(作为一个例子，为1V)时，Vcapmax＝Vzd-Vthm＝5V。
并且，如果控制信号Vin为高电位(作为一个例子，为5V)，则栅极电位Vg成为高电位而功率半导体元件110切换到导通状态，集电极电流Ic开始增加，集电极电压Vc从大致成为0V后立即开始增加。另外，触发部140输出低电位的触发信号，复位部150输出高电位的复位信号Vr。
由于触发部140输出触发信号，所以开关部226处于截止状态而电容器210被放电部230放电。由此，电容器210的电位Vcap从Vcapmax起衰减。当电容器210的电位Vcap衰减到反相器240的阈值(作为一个例子，为Vthinv)之前，控制信号Vin成为低电位时，该控制信号Vin成为高电位以后，在比计时时间T短的期间切换到低电位。
此时，由于该低电位为功率半导体元件110的栅极电位Vg，所以功率半导体元件110切换到截止状态。由此，执行图1中说明的点火动作，集电极电流Ic回到约0A，集电极电压Vc回到电源的输出电位。应予说明，作为点火动作，集电极电压Vc在瞬时成为高电压之后立即回到电源的输出电位。另外，触发信号Vt为钳位电压Vzd，电容器210被充电而电位成为Vcapmax。以上是图8的控制信号Vin显示为“正常”的范围的开关装置200的动作。
接下来，对控制信号Vin的成为高电位的状态持续超过计时时间T的情况的例子进行说明。此时，在控制信号Vin成为高电位的状态之前，已经进行了说明，功率半导体元件110切换到导通状态，集电极电流Ic开始增加，集电极电压Vc在大致成为0V后立即开始增加。另外，触发部140输出触发信号，复位部150输出复位信号Vr，电容器210的电位Vcap衰减。
在此，如果控制信号Vin的高电位的状态持续，则放电部230继续电容器210的电荷的放电，电容器210的电位Vcap的衰减持续。并且，如果电容器210的电位Vcap衰减到反相器240的阈值Vthinv，则反相器240的输入成为低电位，因此反相器240输出高电位的计时信号。即，反相器240在持续流通集电极电流Ic的情况下，为了防止与开关装置200和开关装置200连接的点火线圈30等部件中产生的故障等，在控制信号Vin成为高电位之后经过计时时间T时，输出计时信号Vs。
锁存部160锁定计时信号Vs并输出断路信号，断路部120使栅极电位Vg为低电位。即，根据电容器210的电压比阈值电压Vthinv低的情况，断路部120将功率半导体元件110的栅极电压下拉(Pull down)而成为截止状态。由此，执行图1中说明的点火动作，集电极电流Ic回到约0A，集电极电压Vc回到电源的输出电压。应予说明，由于触发部140在控制信号Vin的高电位持续的情况下，继续低电位的输出，所以开关部226的截止状态也持续，电容器210的电位Vcap继续衰减。
在集电极电流Ic和集电极电压Vc回到原始状态之后，如果控制信号Vin成为低电位，则断开向锁存部160的电源供给，因此断路信号成为低电位。另外，由于向触发部140的电源供给也被断开，所以开关部226切换到导通状态，电容器210被充电。以上是图8的控制信号Vin显示为“ON固定”的范围的开关装置200的动作。
如上所述，本实施方式的开关装置200检测电流流过功率半导体元件110的状态持续了计时时间T以上的情况，能够将功率半导体元件110切换到截止状态。另外，开关装置200能够在不使用图1中说明的计时电路130的情况下控制功率半导体元件110。即，开关装置200可以作为电路规模小，且稳定动作的计时电路发挥作用。因此，通过将开关装置200制造为集成电路，使其单芯片化，从而提供使芯片尺寸降低的点火器。
图9表示具备本实施方式的开关装置200的第一变形例的点火装置2000的构成例。在图9所示的点火装置2000中，对与图5中示出的本实施方式的点火装置2000的动作大致相同的动作标注相同的符号，并省略说明。第一变形例的开关装置200在充电部220具有整流元件510。整流元件510例如为二极管。
整流元件510连接到第一电阻224与电容器210之间，作为从第一端子204向电容器210单向地流通电流的整流电路进行连接。整流元件510的阳极端子与第一电阻224连接，阴极端子与电容器210的另一个端子连接。因此，整流元件510能够执行与图5中说明的开关部226大致相同的动作，第一变形例的开关装置200能够执行与图5～图8中说明的开关装置200大致相同的动作。由此，第一变形例的开关装置200可以不具有开关部226。
图10表示具备本实施方式的开关装置200的第二变形例的点火装置2000的构成例。在图10所示的点火装置2000中，对与图5示出的本实施方式的点火装置2000的动作大致相同的动作标注相同的符号，并省略说明。第二变形例的开关装置200在充电部220具有开关元件520。
开关元件520连接到第一端子204与开关部226之间，作为限制从第一端子204流过开关部226的栅极端子的电流的电路而进行连接。开关元件520的漏极端子与第一端子204连接，源极端子与开关部226的栅极端子连接，栅极端子与该开关元件520的源极端子连接。此时，开关元件520为耗尽型(常开型)的MOSFET即可。
由于开关元件520流通与漏极-源极间(即，漏极-栅极间)电位成比例的电流，所以作为电阻发挥作用。因此，第二变形例的开关装置200可以具有开关元件520代替第一电阻224。另外，在开关元件520的漏极电位上升到为40V左右时，由于饱和而在漏极-源极间流通的电流例如为100μA左右。由此，也能够防止在钳位部222流通过量的电流。如上所述，由于开关元件520作为第一电阻224发挥作用，所以第二变形例的开关装置200能够执行与图5～图8中说明的开关装置200大致相同的动作。另外，也可以像第一变形例那样，具备整流元件510来代替开关部226。
以上，使用实施方式说明了本发明，但本发明的技术的范围不限于上述实施方式中记载的范围。本领域技术人员会明白可以对上述实施方式进行各种变更或改良。根据权利要求书的记载可知，对上述实施方式进行的各种变更或改良的方式显然也包括在本发明的技术方案内。
应当注意的是，在权利要求书、说明书和附图中所示的装置、系统、程序和方法中的动作、顺序、步骤和阶段等各处理的执行顺序并未特别明确“在……之前”，“事先”等，另外，只要不是后续处理中需要使用之前处理的结果，就可以按任意顺序实现。方便起见，对权利要求书、说明书和附图中的动作流程使用“首先”，“接下来”等进行说明，也不表示一定要按照该顺序实施。

Claims (11)

1.一种开关装置，其特征在于，具备：
功率半导体元件，其连接到高电位侧的第一端子与低电位侧的第二端子之间；
电容器；
充电电路，其在所述功率半导体元件处于截止的期间的至少一部分中，对所述电容器进行充电；
放电电路，其根据所述功率半导体元件成为导通的情况，使所述电容器放电；
断路电路，其根据所述电容器的电压成为低于阈值电压的情况，使所述功率半导体元件成为截止状态；以及
锁存电路，其根据触发信号被复位，根据表示所述电容器的电压成为比所述阈值电压低的情况的计时信号被置位，
所述断路电路根据所述锁存电路被置位的情况而使所述功率半导体元件成为截止状态。
2.根据权利要求1所述的开关装置，其特征在于，
所述充电电路利用来自所述第一端子的电压对所述电容器进行充电。
3.根据权利要求2所述的开关装置，其特征在于，
所述开关装置还具备触发电路，所述触发电路根据用于控制所述功率半导体元件的控制信号成为比基准电压高的情况来输出所述触发信号，
所述充电电路还具有开关电路，所述开关电路根据所述触发信号，断开所述第一端子与所述电容器之间的连接。
4.根据权利要求3所述的开关装置，其特征在于，
所述触发电路和所述锁存电路将所述控制信号作为电源进行动作。
5.一种开关装置，其特征在于，具备：
功率半导体元件，其连接到高电位侧的第一端子与低电位侧的第二端子之间；
电容器；
充电电路，其在所述功率半导体元件处于截止的期间的至少一部分中，对所述电容器进行充电；
放电电路，其根据所述功率半导体元件成为导通的情况，使所述电容器放电；
断路电路，其根据所述电容器的电压成为低于阈值电压的情况，使所述功率半导体元件成为截止状态，所述充电电路具备在所述第一端子与基准电位之间与所述电容器并联连接的钳位电路，
利用被所述钳位电路钳位的电压对所述电容器进行充电。
6.根据权利要求5所述的开关装置，其特征在于，
所述钳位电路具有在所述第一端子与所述基准电位之间与所述电容器并联连接的齐纳二极管。
7.根据权利要求6所述的开关装置，其特征在于，
所述充电电路还具有第一电阻，所述第一电阻连接到所述电容器和所述钳位电路的所述第一端子侧的端子与所述第一端子之间。
8.一种开关装置，其特征在于，具备：
功率半导体元件，其连接到高电位侧的第一端子与低电位侧的第二端子之间；
电容器；
充电电路，其在所述功率半导体元件处于截止的期间的至少一部分中，对所述电容器进行充电；
放电电路，其根据所述功率半导体元件成为导通的情况，使所述电容器放电；
断路电路，其根据所述电容器的电压成为低于阈值电压的情况，使所述功率半导体元件成为截止状态；以及
触发电路，其根据用于控制所述功率半导体元件的控制信号成为比基准电压高的情况来输出触发信号，
所述充电电路利用来自所述第一端子的电压对所述电容器进行充电，
所述充电电路还具有开关电路，所述开关电路根据所述触发信号，断开所述第一端子与所述电容器之间的连接。
9.一种开关装置，其特征在于，具备：
功率半导体元件，其连接到高电位侧的第一端子与低电位侧的第二端子之间；
电容器；
充电电路，其在所述功率半导体元件处于截止的期间的至少一部分中，对所述电容器进行充电；
放电电路，其根据所述功率半导体元件成为导通的情况，使所述电容器放电；以及
断路电路，其根据所述电容器的电压成为低于阈值电压的情况，使所述功率半导体元件成为截止状态，
所述放电电路具有在所述第一端子与基准电位之间与所述电容器并联连接的第二电阻或恒定电流源。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的开关装置，其特征在于，
所述断路电路根据所述电容器的电压成为比所述阈值电压低的情况，将所述功率半导体元件的栅极电压下拉。
11.根据权利要求1～9中任一项所述的开关装置，其特征在于，
该开关装置是点火器，所述点火器根据用于控制所述功率半导体元件的控制信号来控制在与所述第一端子连接的点火线圈中流通的电流。
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