CN107725248B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供半导体装置，包括将功率半导体器件切实地切换为截止的驱动电路。该半导体装置具备：功率半导体元件，连接于高电位侧的第一端子与低电位侧的第二端子之间，根据栅极电位被控制为导通或截止；第一栅极控制部，根据从控制端子输入的、控制功率半导体元件的控制信号来控制功率半导体元件的栅极电位；放电电路，连接于功率半导体元件的栅极与基准电位之间，使充电到功率半导体元件的栅极的电荷放出；第二栅极控制部，根据功率半导体元件的集电极电流来控制功率半导体元件的栅极电位；反馈部，根据功率半导体元件的集电极电位向功率半导体元件的栅极反馈电荷；以及电流切断部，根据控制信号将从第一端子流向功率半导体元件的栅极的电流切断。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体装置。
背景技术
以往，作为在内燃机的点火等中使用的半导体装置，已知处理大电力的功率半导体器件。已知的是：驱动这样的功率半导体器件的电路具备检测该功率半导体器件的电流而保护点火线圈、熔断器等不受到过电流影响的电流限制电路(例如，参照专利文献1)。另外，已知的是：该功率半导体器件具备检测过热等异常的状态而保护内燃机以免对其带来影响的自切断电路(例如，参照专利文献2)。
专利文献1：日本特开2000-310173号公报
专利文献2：日本特开2008-248777号公报
发明内容
技术问题
然而，如果功率半导体器件的驱动电路组合并搭载这样的电流限制电路和自切断电路，则有时由电流限制电路产生的流向栅极的微小电流与由自切断电路产生的栅极放电电流平衡。此时，由于驱动电路在自切断不完全的状态下使功率半导体器件工作，所以无法将该功率半导体器件切换为截止状态，电流继续流动。因此，期望开发能够正确执行过电流保护和自切断功能的点火用半导体装置。
技术方案
在本发明的第一方式中，提供一种半导体装置，具备：功率半导体元件，其连接于高电位侧的第一端子与低电位侧的第二端子之间，根据栅极电位被控制为导通或截止；第一栅极控制部，其根据从控制端子输入的、控制功率半导体元件的控制信号来控制功率半导体元件的栅极电位；放电电路，其连接于功率半导体元件的栅极与基准电位之间，使充电到功率半导体元件的栅极的电荷放出；第二栅极控制部，其根据功率半导体元件的集电极电流来控制功率半导体元件的栅极电位；反馈部，其根据功率半导体元件的集电极电位向功率半导体元件的栅极反馈电荷；以及电流切断部，其根据控制信号将从第一端子流向功率半导体元件的栅极的电流切断。
应予说明，上述的发明内容未列举本发明的所有必要特征。另外，这些特征群的子组合也另外能够成为发明。
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表示本实施方式的半导体装置100的各部的工作波形的一个例子。
图3表示本实施方式的点火装置2000的构成例。
图4表示本实施方式的半导体装置200的各部的工作波形的一个例子。
图5表示本实施方式的点火装置3000的构成例。
图6表示本实施方式的半导体装置300的各部的工作波形的一个例子。
图7表示本实施方式的点火装置4000的构成例。
图8表示本实施方式的半导体装置400的各部的工作波形的一个例子。
图9表示本实施方式的截止电位供给部124的构成例。
图10表示本实施方式的复位部510的各部的工作波形的一个例子。
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：半导体装置，102：控制端子，104：第一端子，106：第二端子，110：功率半导体元件，120：第一栅极控制部，122：第一开关元件，124：截止电位供给部，130：放电电路，200：半导体装置，210：第二栅极控制部，212：第二开关元件，214：检测部，216：电阻，218：阈值输出部，222：比较部，224：第三开关元件，230：反馈部，232：第一电阻，234：第二电阻，236：整流元件，300：半导体装置，400：半导体装置，410：电流切断部，420：第一整流元件，510：复位部，511：电阻，512：电阻，513：反相器，514：反相器，515：电阻，516：电容器，517：反相器，520：切断条件检测部，522：计时器电路，524：温度检测电路，540：锁存部，542：第一NOR电路，544：第二NOR电路，546：第三NOR电路，548：第四NOR电路，1000：点火装置，2000：点火装置，3000：点火装置，4000：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一定是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，对点火装置1000搭载于汽车的发动机的例子进行说明。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以及半导体装置100。
控制信号产生部10产生控制半导体装置100在导通与截止之间切换的开关控制信号(以下，简记为控制信号)。控制信号产生部10例如是搭载点火装置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将所产生的控制信号供给到半导体装置100。通过控制信号产生部10将控制信号供给到半导体装置100，从而点火装置1000开始火花塞20的点火动作。
火花塞20通过放电而产生电火花。火花塞20例如通过10kV程度以上的施加电压放电。作为一个例子，火花塞20设置于内燃机，在此情况下，对燃烧室的混合气等燃烧气体进行点火。火花塞20例如设置于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被固定。在此情况下，火花塞20的一端露出到燃烧室内，另一端从汽缸外部接收电信号。
点火线圈30向火花塞20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与次级线圈34的一端电连接。初级线圈32的绕组数比次级线圈34少，初级线圈32与次级线圈34共享线圈心。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，将所产生的电动势供给到火花塞20而使其放电。
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。
半导体装置100根据从控制信号产生部10供给的控制信号，切换点火线圈30的初级线圈32的另一端和基准电位之间的导通(ON)与非导通(OFF)。半导体装置100例如在控制信号为高电位(导通电位)时使初级线圈32和基准电位之间导通，在控制信号为低电位(截止电位)时使初级线圈32和基准电位之间非导通。
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半导体装置100对应的基准电位。基准电位也可以是使半导体装置100截止的低电位，作为一个例子为0V。半导体装置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、第一栅极控制部120以及放电电路130。
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经由点火线圈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相比是高电位侧的端子，第二端子106与第一端子104相比是低电位侧的端子。
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(E)端子，根据输入到栅极端子的控制信号，将集电极端子与发射极端子之间电连接或切断。功率半导体元件110连接到高电位侧的第一端子104与低电位侧的第二端子106之间，根据栅极电位被控制为导通或截止。作为一个例子，功率半导体元件110为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
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且在与第一面相反侧的第二面侧形成有栅电极和发射极的纵型器件。另外，功率半导体元件110可以是纵型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是在控制信号成为导通电位时将集电极端子与发射极端子之间电连接的n沟道型的IGBT的例子进行说明。
第一栅极控制部120根据从控制端子102输入的控制功率半导体元件110的控制信号来控制功率半导体元件110的栅极电位。即，第一栅极控制部120根据控制信号，向功率半导体元件110的栅极供给使该功率半导体元件110导通或截止的电位。第一栅极控制部120例如将从控制端子102输入的电信号用作电源。第一栅极控制部120具有第一开关元件122和截止电位供给部124。
第一开关元件122连接到控制端子102与功率半导体元件110的栅极之间，根据输入的电位被控制为导通或截止。作为一个例子，第一开关元件122是根据栅极电位将漏极端子与源极端子之间控制为导通或截止的FET。第一开关元件122的漏极端子与控制端子102连接，源极端子与功率半导体元件110的栅极端子连接，第一开关元件122对是否向功率半导体元件110的栅极端子供给从控制端子102输入的控制信号进行切换。
作为一个例子，第一开关元件122是在栅极端子成为导通电位(高电位)时将漏极端子与源极端子之间电切断的常导通的开关元件。在此情况下，优选第一开关元件122为p沟道型的MOSFET。
截止电位供给部124在控制信号满足预定的切断条件时，向第一开关元件122的栅极供给使第一开关元件122截止的截止电位。截止电位供给部124与检测功率半导体元件110的异常通电和异常过热等的检测装置等连接，在检测到功率半导体元件110的异常时认为满足了切断条件。
即，在检测到功率半导体元件110的异常时，截止电位供给部124切断从控制端子102向功率半导体元件110的控制信号的供给。截止电位供给部124可以产生从低电位成为高电位的切断信号。由此，功率半导体元件110切换为截止状态。在后面对截止电位供给部124进行叙述。
放电电路130连接到功率半导体元件110的栅极与基准电位之间，使充电到功率半导体元件110的栅极的电容成分中的电荷放出。在切断了从控制端子102向功率半导体元件110的控制信号的供给的情况下，放电电路130使栅极端子的电荷放出而将功率半导体元件110切换为截止状态。
放电电路130的一端与功率半导体元件110的栅极端子连接，另一端连接到基准电位。放电电路130可以以预定的时间常数放出电荷。即，如果切断向功率半导体元件110的控制信号的供给，则放电电路130在经过预定的时间之后将功率半导体元件110切换为截止状态。图1表示放电电路130为电阻元件的例子。放电电路130也可以具有电容成分和/或电感成分等。
以上的本实施方式的半导体装置100在功率半导体元件110正常的状态下使火花塞20放电而对燃烧气体进行点火。另外，半导体装置100在检测到功率半导体元件110异常的情况下，缓切断该功率半导体元件110。接下来对这样的半导体装置100的工作进行说明。
图2表示本实施方式的半导体装置100的各部的工作波形的一个例子。在图2中，横轴为时间，纵轴为电位或电流值。另外，在图2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的栅极电位记为Vg，将功率半导体元件110的集电极-发射极间电流(称为集电极电流)记为Ic，将功率半导体元件110的集电极-发射极间电位(称为集电极电位)记为Vc，将截止电位供给部124的输出电位(切断信号)记为Vs，将第一开关元件122的ON和OFF状态记为M1。
在功率半导体元件110中没有检测到异常的正常状态下，在控制信号Vin为低电位的情况下，切断信号Vs成为低电位(作为一个例子为0V)，第一开关元件122(M1)成为ON状态。由此，控制信号Vin的低电位成为功率半导体元件110的栅极电位Vg，集电极电流Ic为大约0A，集电极电位Vc成为电源的输出电位。
并且，如果控制信号Vin成为高电位，则该高电位成为功率半导体元件110的栅极电位Vg而切换到导通状态，集电极电流Ic开始增加，集电极电位Vc在成为大约0V之后开始增加。即，从电源40经由点火线圈30的初级线圈32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的供给电压来确定，集电极电流Ic增加到预定的(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左右。
并且，如果控制信号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，功率半导体元件110切换为截止状态，集电极电流Ic急剧减小。由于集电极电流Ic的急剧减小，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通过向火花塞20供给这样的次级线圈34的电压，使火花塞20放电而对燃烧气体进行点火。
如果执行这样的点火装置1000的点火动作，则集电极电流Ic回到大约0A，集电极电位Vc回到电源的输出电位。应予说明，作为点火动作，集电极电位Vc在瞬间成为高电位之后回到电源的输出电位。以上是图2的控制信号Vin中示为“正常”的范围的半导体装置100的工作。
接下来，对在控制信号产生部10中产生故障等且控制信号Vin保持在高电位而不切换到低电位的例子进行说明。在此情况下，直到控制信号Vin成为高电位的状态为止，如以上所说明，栅极电位Vg为高电位，集电极电流Ic开始增加，集电极电位Vc在成为大约0V之后开始增加。
在此，如果使控制信号Vin持续高电位，则栅极电位Vg也维持高电位，集电极电流Ic增加到由元件常数等确定的电流值(作为一个例子为17A)而饱和，与此相伴，集电极电位Vc也饱和。即，由于功率半导体元件110中饱和电流持续流通，所以该功率半导体元件110和/或该功率半导体元件110的周围温度上升而成为异常状态。如果检测到这样的异常的状态，则截止电位供给部124开始半导体装置100的自切断。作为一个例子，图2用单点划线表示自切断的开始时刻。
截止电位供给部124向第一开关元件122的栅极供给截止电位的切断信号Vs，使第一开关元件122成为OFF状态。由此，功率半导体元件110向截止状态切换，但由于放电电路130，功率半导体元件110的栅极电位Vg与正常工作下的向低电位的切换相比，缓慢向低电位移动。由此，集电极电流Ic在栅极电位Vg成为阈值以下之后开始减小，其后不久回到0A。应予说明，图2用虚线表示栅极电位Vg的阈值的例子。
因此，集电极电位Vc缓慢上升到不开始点火动作的程度，在栅极电位Vg成为阈值以下时，集电极电位Vc的上升速度增加，其后不久回到初始状态的电位。在集电极电流Ic和集电极电位Vc恢复为原始之后，栅极电位Vg回到低电位。应予说明，如果控制信号产生部10的状态恢复为原始状态，控制信号成为低电位，则截止电位供给部124的切断信号Vs也成为低电位而将第一开关元件122切换到ON状态。以上是图2的控制信号Vin中示为“ON固定”的范围的半导体装置100的工作。
如上所述，本实施方式的半导体装置100在检测到功率半导体元件110的异常的情况下，使功率半导体元件110的栅极电位在时间上缓慢降低到能够防止因集电极电流Ic的急剧变化而引起火花塞放电的程度。由此，半导体装置100能够根据功率半导体元件110的异常来防止火花塞20的误放电，并且能够缓切断功率半导体元件110。
图3表示本实施方式的点火装置2000的构成例。在图2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的工作大致相同的工作标注相同符号，并省略说明。点火装置2000具备半导体装置200。应予说明，对点火装置2000所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。
半导体装置200对流向功率半导体元件110的集电极电流Ic进行限制，以使该集电极电流Ic成为大致恒定的电流以下的电流，防止火花塞20的误放电。半导体装置200具备第二栅极控制部210和反馈部230。应予说明，对半导体装置200所具备的控制端子102、第一端子104、第二端子106和功率半导体元件110省略说明。
第二栅极控制部210设置在控制端子102与功率半导体元件110之间，根据功率半导体元件110的集电极电流Ic控制功率半导体元件的栅极电位。即，第二栅极控制部210根据集电极电流Ic的大小调节功率半导体元件110的栅极电位，使该集电极电流Ic稳定化。第二栅极控制部210例如将从控制端子102输入的电信号用作电源。第二栅极控制部210具有第二开关元件212、检测部214、电阻216、阈值输出部218、比较部222和第三开关元件224。
第二开关元件212连接到第一端子104与第二端子106之间，根据输入的电位被控制为导通或截止。第一开关元件212与功率半导体元件110同样地根据输入到栅极的输入电位，将第一端子104与第二端子106之间电连接或切断。第二开关元件212例如是与功率半导体元件110相比阈值大致相同且跨导小的功率半导体元件。作为一个例子，第二开关元件212的跨导为功率半导体元件110的千分之一。
作为一个例子，第二开关元件212是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。优选第二开关元件212利用与功率半导体元件110大致相同的材质和工艺形成。关于第二开关元件212，例如，发射极端子连接到基准电位，集电极端子与初级线圈32的另一端连接。在本实施例中，对第二开关元件212是在输入电位成为导通电位(高电位)时将集电极端子与发射极端子之间电连接的n沟道型的IGBT的例子进行说明。即，第二开关元件212用作根据控制信号与功率半导体元件110同样地动作，感测功率半导体元件110的动作的感测IGBT。
检测部214连接到第二开关元件212与第二端子106之间，检测从第一端子104流向第二端子106的电流量。检测部214例如将与检测到的电流量对应的检测电位VSNS作为检测结果而输出。检测部214例如包括一端与第一开关元件212的发射极端子连接且另一端连接到基准电位的电阻。在此情况下，在检测部214中，在一端与另一端之间产生与从第一端子104经由第二开关元件212流向第二端子106的电流对应的电位差。
电阻216设置在控制端子102与功率半导体元件110之间。另外，电阻216设置在控制端子102与第二开关元件212之间。关于电阻216，例如一端与控制端子102连接，另一端与第二开关元件212的栅极端子连接。即，第二开关元件212的栅极端子与功率半导体元件110同样地被供给从控制端子102输入的控制信号。
阈值输出部218输出预定的阈值电位VREF。阈值输出部218例如输出与流向检测部214的电流量的允许值对应的阈值电位。阈值输出部218可以由恒定电流电路和电阻等的组合构成，另外也可以由齐纳二极管和电阻等的组合等构成。
比较部222对检测部214的检测结果与阈值输出部218输出的预定的阈值电位VREF进行比较。比较部222例如在检测部214输出的检测电位VSNS超过阈值电位VREF时，作为比较结果，输出高电位，在该检测电位VSNS为阈值电位VREF以下的情况下，作为比较结果，输出低电位。比较部222例如具有比较器等。
第三开关元件224连接到第二开关元件212的栅极与第二端子106之间，根据比较部222的比较结果控制第二开关元件212的栅极电位。例如在比较部222的比较结果成为高电位时，第三开关元件224使与第二开关元件212的栅极连接的漏极端子和与第二端子106连接的源极端子之间的电阻减小。即，在检测部214的检测电位VSNS超过阈值VREF的情况下，第三开关元件224调节第二开关元件212的栅极电位Vgs，以使该检测电位VSNS保持在阈值VREF。
另一方面，在比较部222的比较结果为低电位的情况下，第三开关元件224切断第二开关元件212的栅极与第二端子106之间的电连接。因此，与从控制端子102输入的控制信号对应的电位经由电阻216供给到第二开关元件212的栅极和功率半导体元件110的栅极。作为一个例子，第三开关元件224为常截止的开关元件，优选为n沟道型的MOSFET。
反馈部230根据功率半导体元件110的集电极电位，向功率半导体元件110的栅极反馈电荷。反馈部230设置在第二栅极控制部210与功率半导体元件110之间，根据第二栅极控制部210的控制动作向功率半导体元件110的栅极供给电荷。反馈部230具有第一电阻232、第二电阻234和整流元件236。
第一电阻232设置在第一端子104与功率半导体元件110的栅极之间。另外，第二电阻234连接在功率半导体元件110的栅极与第二栅极控制部210之间。另外，整流元件236连接在功率半导体元件110的栅极与第二端子106之间。即，第一电阻232连接在第一端子104与整流元件236之间。
作为一个例子，第一电阻232的一端与第一端子104连接，另一端与功率半导体元件110的栅极、第二电阻234的一端、整流元件236的一端和放电电路130的一端分别连接。在此情况下，第二电阻234的另一端与第二栅极控制部210的电阻216的另一端、第二开关元件212的栅极端子和第三开关元件224的漏极端子分别连接。另外，整流元件236的另一端与第二端子106连接。
以上的反馈部230在功率半导体元件110的集电极电位大于栅极电位的情况下使功率半导体元件110的栅极电位增加，使功率半导体元件110的集电极电位的增加缓和并稳定。另外，反馈部230在功率半导体元件110的集电极电流变得过大时，将与流向第一电阻232和第二电阻234的电流对应的电位作为功率半导体元件110的栅极电位。接下来对这样的半导体装置200的工作进行说明。
图4表示本实施方式的半导体装置200的各部的工作波形的一个例子。在图4中，横轴为时间，纵轴为电位或电流值。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的栅极电位记为Vg，将功率半导体元件110的集电极电流记为Ic，将功率半导体元件110的集电极电位记为Vc，将检测部214的检测电位记为VSNS。
在功率半导体元件110的正常状态下，在控制信号Vin为低电位的情况下，该控制信号Vin的低电位成为功率半导体元件110的栅极电位Vg，集电极电流Ic为大约0A，集电极电位Vc成为电源的输出电位。并且，如果控制信号Vin成为高电位，则该高电位成为功率半导体元件110的栅极电位Vg而切换到导通状态，集电极电流Ic开始增加，集电极电位Vc在成为大约0V之后开始增加。
即，如图1和图2中说明，从电源40经由点火线圈30的初级线圈32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的供给电压来确定，集电极电流Ic随着该时间变化dIc/dt的增加而增加。例如，集电极电流Ic增加到几A、十几A或几十A左右。
在此，如果集电极电流Ic的增加持续，则该功率半导体元件110和/或该功率半导体元件110的周围温度会上升而成为异常状态。另外，有时也会产生超过与功率半导体元件110连接的部件等的额定电流的情况，导致这些部件的故障和破坏等。因此，在这样的集电极电流Ic超过了阈值的情况下，第二栅极控制部210使集电极电流Ic的增加停止。即，在检测部214的检测电位VSNS超过了基准电位VREF时，第二栅极控制部210开始集电极电流Ic的电流限制。作为一个例子，图4用单点划线表示电流限制的开始时刻。
比较部222在检测电位VSNS超过了阈值电位VREF时输出高电位，第三开关元件224使第二开关元件212的栅极与第二端子106之间的电阻减小。即，在第三开关元件224的漏极-源极间流通电流而产生电压降。由此，利用电阻216和第三开关元件224的通态电阻将控制信号Vin分压，分压得到的第三开关元件224的漏极电位成为第二开关元件212的栅极电位Vgs。
如上所述，第二开关元件212的栅极电位Vgs成为比控制信号Vin的高电位低的电位。另外，由于电流从第一端子104经由第一电阻232、第二电阻234和第三开关元件224流向第二端子106，所以在第二电阻234的两端产生电位差。即，功率半导体元件110的栅极电位Vg成为比控制信号Vin的高电位低且比第二开关元件212的栅极电位Vgs高的电位，集电极电流Ic的增加得到限制。
并且，由于第三开关元件224调节第二开关元件212的栅极电位Vgs以使检测部214的检测电位VSNS保持在阈值VREF，所以能够将集电极电流Ic和集电极电位Vc保持在大致恒定的值。这样，由于第二栅极控制部210调节功率半导体元件110的栅极电位Vg以使集电极电流Ic保持恒定，所以反馈部230与该栅极电位Vg的调节对应地向功率半导体元件110的栅极供给电荷。即，反馈部230使微小电流回流到功率半导体元件110的栅极，使集电极电流Ic保持恒定。
并且，如果控制信号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，功率半导体元件110切换到截止状态，集电极电流Ic急剧减小。由于集电极电流Ic的急剧减小，初级线圈32的两端电压因自感电动势而急剧增加，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。
这样，本实施方式的点火装置2000如图2所说明，通过将次级线圈34的电压供给到火花塞20，能够使火花塞20放电而对燃烧气体进行点火。如果执行点火装置2000的点火动作，则集电极电流Ic回到大约0A，集电极电位Vc回到电源的输出电位。应予说明，作为点火动作，集电极电位Vc在瞬间成为高电位之后回到电源的输出电位。
如上所述，本实施方式的半导体装置200将功率半导体元件110的集电极电流Ic限制到阈值以下的电流值，防止过电流流通。另外，半导体装置200能够防止因集电极电流Ic的急剧变化而导致火花塞误放电这一情形。
通过组合以上的本实施方式的半导体装置100和半导体装置200，可期待具有过电流保护和自切断的功能的功率半导体元件110的驱动电路。因此，接下来对组合了图1所示的自切断电路和图3所示的过电流保护电路的半导体装置进行说明。
图5表示本实施方式的点火装置3000的构成例。在图5所示的点火装置3000中，对与图1和图3中示出的本实施方式的点火装置1000和点火装置2000的工作大致相同的工作标注相同符号，并省略说明。点火装置3000具备半导体装置300。应予说明，对点火装置3000所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。
半导体装置300对流向功率半导体元件110的集电极电流Ic进行限制，以使其成为大致恒定的电流以下的电流，防止火花塞20的误放电。半导体装置200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、第一栅极控制部120、放电电路130、第二栅极控制部210和反馈部230。
从控制端子102输入的控制信号如图1所示，被供给到第一栅极控制部120。另外，从第一栅极控制部120输出的控制信号如图3所示，经由第二栅极控制部210和反馈部230供给到功率半导体元件110的栅极。应予说明，由于半导体装置300所具备的各部与图1和图3中示出的各部进行大致相同的工作，所以省略说明。接下来对这样的半导体装置300的工作进行说明。
图6表示本实施方式的半导体装置300的各部的工作波形的一个例子。在图6中，横轴为时间，纵轴为电位或电流值。另外，在图6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的栅极电位记为Vg，将功率半导体元件110的集电极电流记为Ic，将功率半导体元件110的集电极电位记为Vc，将截止电位供给部124的输出电位(切断信号)记为Vs，将第一开关元件122的ON和OFF状态记为M1。
在功率半导体元件110中没有检测到异常的正常状态下，在控制信号Vin为低电位的情况下、从低电位变为高电位的情况下和再次成为低电位的情况下，集电极电流Ic在阈值以下的范围内增减。即，第二栅极控制部210和反馈部230不进行使功率半导体元件110的栅极电位变化的动作。因此，半导体装置300的各部的工作波形与图2中示为“正常”的范围的半导体装置100的工作大致相同。因此，对图6的控制信号Vin中示为“正常”的范围的半导体装置300的工作省略说明。
接下来，对控制信号产生部10产生故障等且控制信号Vin保持在高电位而不切换到低电位的例子进行说明。在控制信号Vin成为高电位的情况下，栅极电位Vg成为高电位，集电极电流Ic开始增加，集电极电位Vc在成为大约0V之后开始增加。
在此，如果控制信号Vin持续高电位，则栅极电位Vg也维持高电位，集电极电流Ic的增加持续。在这样的集电极电流Ic继续增加而超过了阈值的情况下，第二栅极控制部210限制集电极电流Ic的增加。即，在检测部214的检测电位VSNS超过了基准电位VREF时，第二栅极控制部210开始集电极电流Ic的电流限制。在图6中，作为电流限制的开始时刻的例子，示出“电流限制开始”。
针对限制集电极电流Ic的电流的动作，与在图4中说明的动作大致相同，因此在此省略。通过第二栅极控制部210和反馈部230的电流限制的动作，能够将集电极电流Ic限制为比饱和电流小的电流值，因此半导体装置300即使在发生了故障等的情况下也能够执行更安全且稳定的工作。
如果检测到控制信号Vin保持着高电位的异常的状态，则截止电位供给部124开始半导体装置300的自切断。作为一个例子，图6将自切断的开始时刻示为“自切断开始”。
截止电位供给部124向第一开关元件122的栅极供给截止电位的切断信号Vs，使第一开关元件122(M1)成为OFF状态。由此，蓄积到功率半导体元件110的栅极的电荷通过放电电路130，以基于放电电路130的电阻值的时间常数向基准电位缓慢移动。即，功率半导体元件110的栅极电位Vg与正常工作下的向低电位的切换相比，缓慢减小。
然而，通过放电电路130从功率半导体元件110的栅极向基准电位放出微小电流，来防止火花塞20的误放电，另一方面，反馈部230为了限制集电极电流Ic，使微小电流向功率半导体元件110的栅极回流。因此，如果如图5所示单纯地组合第一栅极控制部120、放电电路130、第二栅极控制部210和反馈部230，则功率半导体元件110的栅极电位以通过反馈部230进行的回流与通过放电电路130产生的放电电流相互平衡的条件而确定。
此情况下的栅极电位Vg例如可以示为Vc·Rge/(Rge+Rce)。应予说明，Rge表示放电电路130的电阻值，Rce表示第一电阻232的电阻值。即，功率半导体元件110的栅极电位Vg在从导通电位缓慢减小之后保持在大致恒定的电位。该恒定的电位根据元件的常数等而确定，有时比功率半导体元件110的阈值大。在此情况下，功率半导体元件110如图6所示，保持导通状态。
即，在半导体装置300中，即使第一栅极控制部120执行自切断动作，也无法切断功率半导体元件110。这样，虽然图1所示的半导体装置100和图3所示的半导体装置200分别具备保护点火装置和半导体装置的功能和防止火花塞20误放电的功能，但如果组合它们有时会发生误工作。因此，本实施方式的半导体装置400还能够防止这样的误工作，执行更安全且稳定的工作。
图7表示本实施方式的点火装置4000的构成例。在图7所示的点火装置4000中，对与图1、图3和图5中示出的本实施方式的点火装置1000、点火装置2000和点火装置3000的工作大致相同的工作标注相同符号，并省略说明。点火装置4000具备半导体装置400。应予说明，对点火装置4000所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。
半导体装置400限制流向功率半导体元件110的集电极电流Ic以使其成为大致恒定电流以下的电流，防止火花塞20的误放电。半导体装置200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、第一栅极控制部120、放电电路130、第二栅极控制部210、反馈部230和电流切断部410。
从控制端子102输入的控制信号如图1所示，供给到第一栅极控制部120。另外，从第一栅极控制部120输出的控制信号如图3所示，经由第二栅极控制部210和反馈部230供给到功率半导体元件110的栅极。应予说明，由于第一栅极控制部120、放电电路130和第二栅极控制部210进行与图1和图3中示出的各部大致相同的工作，因此省略说明。
设置于半导体装置400的反馈部230还具有第一整流元件420。第一整流元件420抑制从功率半导体元件110的栅极向第一端子104侧逆流的电信号。第一整流元件420设置在功率半导体元件110的栅极与第一电阻232之间。即，第一电阻232连接到第一端子与第一整流元件之间。应予说明，在本实施方式中，将反馈部230所具有的整流元件236作为第二整流元件。即，第二整流元件(整流元件236)连接到功率半导体元件110的栅极与第二端子106之间。
电流切断部410根据从控制端子102输入的控制信号，将从第一端子104流向功率半导体元件110的栅极的电流切断。在控制信号满足预定的切断条件时，电流切断部410切断流向功率半导体元件110的栅极的电流。即，在截止电位供给部124判断为满足了功率半导体元件110的切断条件时，电流切断部410切断流向功率半导体元件110的栅极的电流。
电流切断部410连接到第一电阻232和第一整流元件420间的连接线路与第二端子106之间，在控制信号满足切断条件时，将第一电阻232和第一整流元件420之间与第二端子106电连接。作为一个例子，电流切断部410具有常截止的开关元件，该常截止的开关元件与截止电位供给部124连接，在从截止电位供给部124向该常截止的开关元件的栅极供给切断信号时切换到导通状态。电流切断部410例如是n沟道型的MOSFET。
通过半导体装置400具备电流切断部410，在检测到功率半导体元件110异常的情况下，使该功率半导体元件110切实地成为截止状态。接下来对这样的半导体装置400的工作进行说明。
图8表示本实施方式的半导体装置400的各部的工作波形的一个例子。在图8中，横轴为时间，纵轴为电位或电流值。另外，在图8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的栅极电位记为Vg，将功率半导体元件110的集电极电流记为Ic，将功率半导体元件110的集电极电位记为Vc，将截止电位供给部124的输出电位(切断信号)记为Vs，将第一开关元件122的ON和OFF状态记为M1，将电流切断部410的ON和OFF状态记为M2。
在功率半导体元件110中没有检测到异常的正常状态下，在控制信号Vin为低电位的情况下、从低电位成为高电位的情况下和再次成为低电位的情况下，半导体装置400的各部的工作波形与图2和图6中示为“正常”的范围的半导体装置100和半导体装置300的工作大致相同。因此，对图8的控制信号Vin中示为“正常”的范围的半导体装置400的工作省略说明。
接下来，对在控制信号产生部10中产生故障等且控制信号Vin保持在高电位而不切换到低电位的例子进行说明。在此情况下，如图6中说明，如果控制信号Vin持续高电位，则栅极电位Vg也维持高电位，集电极电流Ic的增加持续。并且，在检测部214的检测电位VSNS超过了基准电位VREF时，第二栅极控制部210开始集电极电流Ic的电流限制。图8与图6的例子同样地将电流限制的开始时刻示为“电流限制开始”。
通过限制集电极电流Ic的电流，能够将该集电极电流Ic限制为比饱和电流小的电流值，因此半导体装置400即使在发生了故障等的情况下也能够执行更安全且稳定的工作。并且，如果截止电位供给部124检测到控制信号Vin保持着高电位的异常的状态，则开始半导体装置400的自切断。图8与图6的例子同样地将自切断的开始时刻示为“自切断开始”。
截止电位供给部124向第一开关元件122的栅极供给截止电位的切断信号Vs，使第一开关元件122(M1)为OFF状态。由此，蓄积于功率半导体元件110的栅极的电荷通过放电电路130，以基于放电电路130的电阻值的时间常数向基准电位缓慢移动。即，功率半导体元件110的栅极电位Vg与正常工作下的向低电位的切换相比，缓慢减小。
并且，根据截止电位供给部124的切断信号Vs，电流切断部410(M2)切换为ON状态。由此，电流切断部410切断反馈部230从第一端子104向功率半导体元件110的栅极回流的微小电流。即，电流切断部410从第一端子104经由第一电阻232与第二端子106电连接，使功率半导体元件110的栅极电位Vg的减小持续。
并且，在功率半导体元件110的栅极电位Vg比该功率半导体元件110的阈值小时，功率半导体元件110成为截止状态，集电极电流Ic回到0A。集电极电位Vc缓慢上升到不开始点火动作的程度，在栅极电位Vg成为阈值以下时，集电极电位Vc回到初始状态的电位。在集电极电流Ic和集电极电位Vc恢复原始之后，栅极电位Vg回到低电位。
应予说明，如果控制信号产生部10的状态恢复为原始状态，控制信号成为低电位，则截止电位供给部124的切断信号Vs也成为低电位而将第一开关元件122切换到ON状态且将电流切断部410切换到OFF状态。以上是图8的控制信号Vin中示为“ON固定”的范围的半导体装置400的工作。
如上所述，本实施方式的半导体装置400在检测到功率半导体元件110的异常的情况下，使功率半导体元件110的栅极电位在时间上缓慢降低到能够防止因集电极电流Ic的急剧变化而引起火花塞放电的程度。由此，半导体装置400能够根据功率半导体元件110的异常，防止火花塞20的误放电，并且能够切实地缓切断功率半导体元件110。即，半导体装置400作为根据来自外部的控制信号而控制流向点火线圈30的电流的点火器工作，能够正确地执行过电流保护和自切断的功能。
图9表示本实施方式的截止电位供给部124的构成例。截止电位供给部124具有复位部510、切断条件检测部520和锁存部540。
在向控制端子102输入导通电位之后经过了基准时间之后，复位部510输出复位信号。复位部510包括电阻511、电阻512、反相器513、反相器514、电阻515、电容器516和反相器517。
电阻511和电阻512串联连接到控制端子102与第二端子106之间，将从控制端子102输入的控制信号Vin分压。如果将电阻511的电阻值记为R1，将电阻512的电阻值记为R2，则分压电位为Vin·R2/(R1+R2)。作为一个例子，在控制信号过渡性地从截止电位(0V)线性地上升到导通电位(5V)的情况下，分压电位也从0V线性地上升到5·R2/(R1+R2)。
反相器513连接到电阻511与电阻512之间，接受分压电位而进行反相输出。反相器514接受反相器513的输出而进行反相输出。电阻515和电容器516构成RC电路，接受反相器514的输出，输出以时间常数RC的迟延上升的信号。反相器517接受电阻515和电容器516的输出而进行反相输出。
应予说明，反相器513、反相器514和反相器517分别将从控制端子102输入的控制信号作为工作电源。因此，在控制信号过渡性地上升的情况下，直到该控制信号达到反相器的阈值为止，反相器513、反相器514和反相器517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Vthi。在后面对以上的复位部510的工作进行叙述。
切断条件检测部520检测是否满足预定的切断条件。切断条件检测部520检测在功率半导体元件110和/或功率半导体元件110的外围电路等中是否发生了温度上升等异常。切断条件检测部520检测例如功率半导体元件110的导通状态是否经过了基准时间以上。代替上述方式，或者在其基础上，切断条件检测部520可以测定功率半导体元件110的温度而检测是否上升到基准温度以上。
切断条件检测部520例如包括多个检测电路等。图9表示切断条件检测部520包括计时器电路522和温度检测电路524的例子。计时器电路522计测功率半导体元件110从成为导通状态起的经过时间。计时器电路522可以在计测时间超过基准时间时，判断为满足切断条件而输出高电位。温度检测电路524检测功率半导体元件110和/或功率半导体元件110的周围温度。温度检测电路524可以在检测温度超过基准温度时，判断为满足切断条件而输出高电位。
锁存部540对检测到切断条件这一情况进行锁存。锁存部540包括第一NOR电路542、第二NOR电路544、第三NOR电路546和第四NOR电路548。第一NOR电路542、第二NOR电路544、第三NOR电路546和第四NOR电路548分别将从控制端子102输入的控制信号作为工作电源。因此，以控制信号成为高电位为条件，锁存部540输出与切断条件的检测对应的切断信号。接下来对控制信号成为高电位的情况下的锁存部540的工作进行说明。
第一NOR电路542分别接受计时器电路522和温度检测电路524的输出，并输出NOR运算结果。在计时器电路522和温度检测电路524中的至少一方为高电位的情况下，第一NOR电路542输出低电位。即，在功率半导体元件110中没有检测到异常的情况下，第一NOR电路542输出高电位，在检测到异常时第一NOR电路542输出低电位。
第二NOR电路544分别接受第一NOR电路542的输出和复位部510的复位信号，并输出NOR运算结果。即，在功率半导体元件110中检测到异常且没有输入复位信号的情况下，第二NOR电路544输出高电位。
第三NOR电路546接受第二NOR电路544和锁存部540的输出，并输出NOR运算结果。另外，第四NOR电路548接受第三NOR电路546和复位信号，并输出NOR运算结果。第三NOR电路546和第四NOR电路548构成RS触发器。即，在向第四NOR电路548输入了复位信号之后，第三NOR电路546和第四NOR电路548将输入到第三NOR电路546的与功率半导体元件110的异常检测对应的高电位作为置位信号进行锁存。应予说明，锁存部540从控制端子102接受电源供给，保持所锁存的值。
图10表示本实施方式的复位部510的各部的工作波形的一个例子。在图10中，横轴为时间，纵轴为输出电位。图10表示在输入到控制端子102的控制信号Vin从截止电位(0V)线性地上升到导通电位(5V)的情况下，反相器513、反相器514和反相器517的输出电位的一个例子。直到反相器513、反相器514和反相器517的输入电位达到各自反相器的阈值为止，反相器513、反相器514和反相器517的输出电位都成为与控制信号Vin大致相同的电位。
关于反相器513，即使电源的电位超过阈值Vthi，也由于输入的分压电位Vin·R2/(R1+R2)为阈值Vthi以下，所以将输入电位认为低电位而反相输出高电位。应予说明，反相器513即使以输出高电位的方式工作，在电源电位为达到高电位(例如5V)的过程的过渡性电位的情况下，也将该电源电位作为高电位输出。图10示出反相器513的输出电位Vout1在时刻t1以后也输出电源电位Vin的例子。
在电源的电位超过阈值Vthi且输入的分压电位超过阈值Vthi(即，高电位的输入)时，反相器513反相输出低电位。图10示出反相器513的输出电位Vout1在时刻t2成为低电位(0V)的例子。
在电源的电位超过阈值Vthi且输入电位为超过阈值Vthi的电位时，反相器514反相输出低电位。图10示出反相器514的输出电位Vout2在时刻t1成为低电位的例子。在电源的电位超过阈值Vthi且输入电位为低电位时，反相器514反相输出高电位。应予说明，在电源电位为达到高电位的过程的过渡性电位的情况下，反相器514将该电源电位作为高电位输出。图10示出反相器514的输出电位Vout2在时刻t2以后输出电源电位Vin的例子。
由电阻515和电容器516构成的RC电路使反相器514的输出信号迟延。图10示出RC电路使输出信号迟延10μs的例子。在电源的电位超过阈值Vthi且输入电位为超过阈值Vthi的电位时，反相器517反相输出低电位。图10示出反相器517的输出电位Vout3在时刻t3成为低电位的例子。
如上所述，在向控制端子102输入导通电位之后经过了基准时间t2之后，本实施方式的复位部510输出复位信号。作为一个例子，图10所示的复位信号是以由电阻515和电容器516设定的时间常数为脉冲宽度的脉冲信号。
如上所述，本实施方式的截止电位供给部124以控制信号成为高电位为条件，在检测到功率半导体元件110的异常时，认为满足切断条件，且锁存部540进行锁存。截止电位供给部124将切断信号供给到第一开关元件122。第一开关元件122根据切断信号切换到截止状态。这样，具有第一开关元件122和截止电位供给部124的第一栅极控制部120在检测到切断条件时，以使功率半导体元件110的栅极电位为截止电位的方式发挥功能。
以上，利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记载的范围。对上述实施方式进行各种变更或改良对于本领域技术人员而言也是明了的。根据权利要求书的记载可知该进行了各种变更或改良而得到的方式也包括在本发明的技术范围内。
应当注意的是，只要权利要求书、说明书和附图中所示的装置、系统、程序和方法中的工作、过程、步骤和阶段等各处理的执行顺序并未特别明确为“在……之前”，“先于……”等，另外，未在后续处理中使用之前处理的结果，就可以按任意顺序实现。即使为方便起见，对权利要求书、说明书和附图中的工作流程使用“首先”，“接下来”等进行了说明，也不表示一定要按照该顺序执行。

Claims (13)

1.一种半导体装置，其特征在于，具备：
功率半导体元件，其连接于高电位侧的第一端子与低电位侧的第二端子之间，根据栅极电位被控制为导通或截止；
第一栅极控制部，其在控制端子与所述功率半导体元件的栅极之间，根据所述功率半导体元件的切断条件对是否向所述功率半导体元件的栅极供给从所述控制端子输入的控制信号进行切换；
放电电路，其连接于所述功率半导体元件的栅极与基准电位之间，使充电到所述功率半导体元件的栅极的电荷放出；
第二栅极控制部，其根据所述功率半导体元件的集电极电流来控制所述功率半导体元件的所述栅极电位；
反馈部，其根据所述功率半导体元件的集电极电位向所述功率半导体元件的栅极反馈电荷；以及
电流切断部，其根据所述功率半导体元件的切断条件将从所述第一端子流向所述功率半导体元件的栅极的电流切断。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述反馈部具有第一整流元件，所述第一整流元件抑制从所述功率半导体元件的栅极向所述第一端子侧逆流的电信号。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，所述反馈部具有：
第一电阻，其连接于所述第一端子与所述第一整流元件之间；
第二整流元件，其连接于所述功率半导体元件的栅极与所述第二端子之间；以及
第二电阻，其连接于所述功率半导体元件的栅极与所述第二栅极控制部之间。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，所述电流切断部连接于所述第一电阻和所述第一整流元件间的连接线路与所述第二端子之间。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述第一栅极控制部具有：
第一开关元件，其连接于所述控制端子与所述功率半导体元件的栅极之间，根据输入的电位被控制为导通或截止；以及
截止电位供给部，其在所述控制信号满足所述切断条件时向所述第一开关元件供给使所述第一开关元件截止的截止电位。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，在所述控制信号满足所述切断条件时，所述电流切断部将流向所述功率半导体元件的栅极的电流切断。
7.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，在检测到所述功率半导体元件的异常时，所述截止电位供给部判断为满足所述切断条件。
8.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，在检测到所述功率半导体元件的异常时，所述截止电位供给部判断为满足所述切断条件。
9.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述第二栅极控制部具有：
第二开关元件，其连接于所述第一端子与所述第二端子之间，根据输入的电位被控制为导通或截止；
检测部，其连接于所述第二开关元件与所述第二端子之间，检测从所述第一端子流向所述第二端子的电流量；
比较部，其对所述检测部的检测结果与预定的阈值进行比较；以及
第三开关元件，其连接于所述第二开关元件的栅极与所述第二端子之间，根据所述比较部的比较结果控制所述第二开关元件的栅极电位。
10.根据权利要求9所述的半导体装置，其特征在于，所述第二开关元件是与所述功率半导体元件相比阈值相同且跨导小的功率半导体元件。
11.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述第一栅极控制部和所述第二栅极控制部将从所述控制端子输入的电信号用作电源。
12.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述功率半导体元件是IGBT即绝缘栅双极型晶体管或纵型MOSFET。
13.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体装置，其特征在于，该半导体装置是根据来自外部的控制信号来控制流向点火线圈的电流的点火器。
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