CN108026888B - 半导体开关元件的控制电路及半导体装置 - Google Patents

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Abstract

半导体开关元件的控制电路对半导体开关元件进行控制，该半导体开关元件具备控制端子、主电极端子及电流感测端子，在所述主电极端子或所述电流感测端子连接有二极管。该控制电路具备过热检测电路、电流检测电路以及切断电路。过热检测电路在基于所述二极管的输出而检测出的温度大于或等于预先确定的设定温度时发出过热检测信号。电流检测电路在所述电流感测端子的输出值大于或等于预先确定的设定电流值时发出电流检测信号。切断电路在被输入了来自所述过热检测电路的所述过热检测信号和来自所述电流检测电路的所述电流检测信号这两者的情况下将所述半导体开关元件断开。

Description

半导体开关元件的控制电路及半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体开关元件的控制电路及半导体装置。
背景技术
当前，例如，如日本特开2011-124269号公报所公开的那样，已知一种点火器用半导体装置，其用途是添加于内燃机的火花塞中，进行半导体开关元件的通断控制。在该公报涉及的装置中，利用二极管的温度特性，使用经过二极管得到的电流信号对半导体开关元件的温度进行检测，在过热保护方面发挥作用。
专利文献1：日本特开2011-124269号公报
专利文献2：国际公开第2012/077187号
发明内容
汽车发动机等内燃机用点火系统具备用于产生对火花塞施加的高电压的点火线圈(感应负载，以下也称为“L负载”)。在基于经过二极管得到的电信号对半导体开关元件的温度进行检测的情况下，由于感应负载的存在，伴随着半导体开关元件的接通动作而在二极管产生位移电流(换言之，L负载噪声)。该L负载噪声有导致发生温度误检测的风险，存在伴随着温度误检测而进行不必要的过热保护的问题。
本发明就是为了解决上述课题而提出的，其目的在于提供抑制了由温度的误检测导致的不必要的过热保护的半导体开关元件的控制电路及半导体装置。
本发明涉及的半导体开关元件的控制电路对半导体开关元件进行控制，该半导体开关元件具备控制端子、主电极端子及电流感测端子，在所述主电极端子或所述电流感测端子连接有二极管，
该半导体开关元件的控制电路具备：
过热检测电路，其在基于所述二极管的输出而检测出的温度大于或等于预先确定的设定温度时发出过热检测信号；
电流检测电路，其在所述电流感测端子的输出值大于或等于预先确定的设定电流值时发出电流检测信号；以及
切断电路，其在被输入了来自所述过热检测电路的所述过热检测信号和来自所述电流检测电路的所述电流检测信号这两者的情况下将所述半导体开关元件断开。
本发明涉及的半导体装置对在感应负载流动的电流进行通断，该感应负载用于对内燃机的火花塞进行通电，
该半导体装置具备：
半导体开关元件，其具备主电极端子及电流感测端子，所述主电极端子与所述感应负载连接；
二极管，其与所述主电极端子或所述电流感测端子连接；
过热检测电路，其在基于所述二极管的输出而检测出的温度大于或等于预先确定的设定温度时发出过热检测信号；
电流检测电路，其在所述电流感测端子的输出值大于或等于预先确定的设定电流值时发出电流检测信号；以及
切断电路，其在被输入了来自所述过热检测电路的所述过热检测信号和来自所述电流检测电路的所述电流检测信号这两者的情况下将所述半导体开关元件断开。
发明的效果
根据本发明，由于基于过热检测信号和电流检测信号这两者对是否需要过热保护进行判定，因此能够仅在半导体开关元件流过某种程度的负载电流的状态下，且判断出异常温度的情况下，将半导体开关元件断开。其结果，即使在错误地输出了过热检测信号的情况下，也能够抑制不必要的过热保护。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1涉及的点火器用半导体装置的图。
图2是用于说明本发明的实施方式1涉及的点火器用半导体装置的动作的时序图。
图3是表示本发明的实施方式1涉及的半导体开关元件的控制电路的图。
图4是用于说明本发明的实施方式1涉及的半导体开关元件的控制电路的动作的时序图。
图5是表示本发明的实施方式1涉及的半导体开关元件的控制电路的电流限制值和元件温度的关系的图。
图6是表示本发明的实施方式1涉及的半导体开关元件的控制电路具备的过热检测电路的一个例子的图。
图7是表示本发明的实施方式1涉及的半导体开关元件的控制电路具备的电流检测电路的一个例子的框图。
图8是表示本发明的实施方式1涉及的半导体开关元件的控制电路具备的电流检测电路的一个例子的图。
图9是表示本发明的实施方式2涉及的半导体开关元件的控制电路的图。
图10是表示本发明的实施方式2涉及的半导体开关元件的控制电路的电流限制值和温度的关系的图。
图11是表示本发明的实施方式3涉及的半导体开关元件的控制电路的图。
图12是表示本发明的实施方式3涉及的半导体开关元件的控制电路的电流限制值和温度的关系的图。
图13是表示能够在本发明的实施方式1～3中应用的变形例涉及的半导体开关元件的图。
图14是表示与本发明的实施方式关联的关联技术涉及的半导体开关元件的控制电路的图。
图15是表示与本发明的实施方式关联的二极管的反向饱和电流和二极管温度的关系的图。
图16是表示本发明的实施方式4涉及的半导体开关元件的控制电路的图。
图17是用于说明本发明的实施方式4涉及的半导体开关元件的控制电路的动作的时序图。
图18是表示本发明的实施方式4涉及的半导体开关元件的控制电路具备的过热检测电路的一个例子的图。
图19是表示本发明的实施方式4涉及的半导体开关元件的控制电路具备的电流检测电路的一个例子的图。
具体实施方式
点火系统的当前的课题.
以下所示的实施方式涉及的是在内燃机的点火系统中，在驱动感应负载的半导体开关元件(以下，也简称为“开关元件”)变为异常温度时，防止开关元件的寿命降低的方法及电路方式。
例如在日本特开2011-124269号公报中公开了一种汽车发动机等内燃机用点火系统。在该公报中提出一种过热保护电路，其在开关元件异常发热时，为了防止开关元件的寿命降低，将开关元件切断。但是，在上述公报涉及的点火系统的过热保护中，存在以下应解决的课题。
在将开关元件切断即关断时的方法中，存在所谓的软切断和硬切断。“软切断”是使负载电流逐渐接近于零的切断方法，即，将电流缓慢地降低的切断方法。另一方面，“硬切断”是将开关元件的电流强制地切断，即，将电流急剧地切断的方法。在点火系统中，优选在检测出过热时为了将开关元件切断而进行软切断。这是因为在进行了硬切断的情况下，由于发动机控制计算机会在与通常预定的点火信号定时(timing)无关的定时将负载电流切断，因此在与正确的发动机点火定时不同的定时使火花塞通电的可能性高。
针对这一点，日本特开2011-124269号公报涉及的点火器用电力半导体装置具备将负载电流限制为预先设定的电流限制值的“电流限制功能”，出于防止不必要的定时下的误点火和开关元件的自保护的目的，沿用了该“电流限制功能”。具体而言，使负载电流的切断定时与发动机控制计算机通常预定的点火定时一致，在异常发热时依赖于温度而使电流限制值降低，从而抑制焦耳损耗而抑制发热量。在异常发热持续，温度继续上升的情况下，电流限制值依赖于温度而不断逐渐降低。如果是这样的方法，则能够抑制与原本不同的定时下的误点火，通过抑制异常发热时的电力损耗，也能够实现开关元件的自保护。
但是，在试图仅通过将电流限制值降低的方法实现过热保护的情况下，即使在异常发热处于过剩状态，必须紧急进行切断的情况下也只能采取将电流限制值降低的措施。因此，存在不能够充分地保护的风险。因此，在下面的实施方式中提供一种具备过热保护装置的点火器用半导体装置，该过热保护装置能够使用二极管的反向饱和电流的温度特性，在变为异常温度的情况下，快速地进行切断。
实施方式1.
[实施方式1的装置的结构]
图1是表示本发明的实施方式1涉及的点火器用半导体装置10的图。图2是用于说明本发明的实施方式1涉及的点火器用半导体装置10的动作的时序图。图1所示的汽车发动机等内燃机用点火系统(感应点火系统)具备用于产生对火花塞7施加的高电压的各结构。具体而言，该点火系统具备：作为点火线圈(感应负载，以下也称为“L负载”)的变压器6；半导体装置10，其是对在该变压器6流动的电流进行控制的所谓的点火器；发动机控制用电子控制单元(ECU)3，其包含计算机；以及驱动电路4，其设置于ECU 3和控制电路1之间。半导体装置10具备：半导体开关元件5(以下，也简称为“开关元件5”)，其与变压器6连接；以及控制电路1，其对该开关元件5的通断(即导通和切断)进行控制。
半导体装置10具备：开关元件5，其具备控制端子即栅极端子G、主电极端子即集电极端子C及发射极端子E；二极管Ds2，其阳极连接于开关元件5的发射极端子E；以及控制电路1，其接收来自驱动电路4的信号而对开关元件5进行控制。二极管Ds2是表现出与温度对应的输出的感温二极管。控制电路1经由驱动电路4接收来自控制计算机即ECU 3的控制信号。驱动电压信号Von从驱动电路4输入至控制电路1。
开关元件5的主要的结构要素即IGBT(绝缘栅双极晶体管)5a使用的是如下结构的IGBT，即，作为电极端子，除了通常的集电极端子C、发射极端子E、以及栅极端子G之外，还具有电流感测端子SE，该电流感测端子SE流过与集电极电流Ic成正比的微小的感测电流Isense。集电极电流Ic和感测电流Isense的比为例如1/1000左右，感测电流Isense非常小。就开关元件5而言，作为一个例子，采用的是除了IGBT 5a之外，还内置了钳位齐纳二极管Ds0及二极管Ds2的开关元件。开关元件5与变压器6的初级绕组6a连接，变压器6的次级绕组6b与火花塞7连接。在实施方式中，二极管Ds2内置于开关元件5，但作为变形例，二极管Ds2也可以外置于开关元件5，例如也可以内置于控制电路1。开关元件5是将IGBT 5a和作为对IGBT 5a的温度进行检测的感温元件的二极管Ds2在相同基板之上形成而成的。二极管Ds2既可以如电路图所示而使用齐纳二极管，也可以使用例如肖特基势垒二极管。开关元件5具备与二极管Ds2的阴极连接的温度感测端子TSD。经由该温度感测端子TSD流动二极管Ds2的反向饱和电流Is3。基于反向饱和电流Is3，检测开关元件5的温度(即，IGBT 5a的温度即元件温度Tigbt)。
此外，在实施方式1中，将开关元件5的主要的结构要素设为IGBT，但作为其它变形例，替代IGBT，也可以使用具备电流感测端子的MOSFET。另外，作为半导体材料，除了硅之外，也可以使用宽带隙半导体。作为宽带隙半导体，也可以使用碳化硅(SiC)、氮化镓类材料(GaN)、或金刚石。
变压器6为点火线圈。就变压器6而言，在初级绕组6a的一端连接有电池等电源Vp，在另一端连接有半导体装置10(具体而言，开关元件5的集电极端子C)。另外，次级绕组6b的一端同样与电源Vp连接，在另一端连接有一端接地的火花塞7。开关元件5能够使该变压器6(点火线圈)的初级侧电流流动、切断。
此外，ECU 3及驱动电路4与控制系统接地即GND＿ECU连接。另一方面，控制电路1及开关元件5等与电力系统接地即GND＿PW连接。
如果说明半导体装置10的基本动作流程，则首先，经由驱动电路4将ECU 3的接通信号传送至控制电路1。通过向控制电路1输入接通信号，从而该接通信号被传送至电力半导体开关元件即IGBT 5a的栅极端子G。通过驱动IGBT 5a，从而在变压器6即感应负载(L负载)流动电流。在点火定时之时断开信号输入至栅极端子G，IGBT 5a截止。通过将IGBT 5a切断，从而集电极发射极电压Vce上升至大约500V，在变压器6的次级绕组6b激发出高电压V2。如图2的时序图也图示出的那样，通常V2大于或等于负30kV。
如果用图2所示的时序图说明，则如下所述。
(1)通过对栅极端子G施加接通信号，从而IGBT 5a接通。
(2)按照由L负载的电感和配线电阻决定的时间常数，流动图2那样的负载电流Ic。
(3)在希望使燃料点火的定时Tig，将栅极端子G的信号设为OFF。
(4)IGBT 5a的栅极驱动信号也成为OFF，负载电流Ic被切断。
(5)该电流切断引起变压器6内的交链磁通的变化，在次级侧引起依赖于匝数比的高电压。由此，发动机气缸内的火花塞7产生放电。
此外，图2的被虚线X1包围的区域是通过后述的“电流限制电路19”发挥“电流限制功能”的区域。在该区域X1，在开关元件5产生大的焦耳损耗。
通常为了防止变压器绕组的绝缘破坏，在C-G之间具备钳位齐纳二极管Ds0以使得Vce被钳位在500V左右。
就图1所示的半导体装置10而言，依赖于控制信号的接通时间及电压Vp，负载电流Ic的值产生变动。半导体装置10构成为，如果负载电流Ic大于或等于某值，则对电流进行限制以使得电流达到峰值的“电流限制功能”发挥作用。电流限制功能是避免流动大于或等于某一定值的负载电流Ic的保护功能。这是为了避免变压器6的绕组的熔断或变压器6的磁饱和的风险。即，根据半导体装置10的电流限制功能，能够抑制由过电流引起的绕组的熔断、抑制用于对变压器6的磁阻(reluctance)进行调整的磁铁的退磁、以及抑制铁芯材料的磁饱和。将决定电流限制功能中的最大容许电流值的设定值也称为“电流限制值Ilm”。电流限制值Ilm能够被确定为例如10A或14A等值。在开关元件5的负载电流Ic到达电流限制值Ilm而被控制以使得不会流动更大的电流时，使IGBT 5a的栅极电压降低。这是基于Ic检测实施的负反馈控制。
[实施方式1的控制电路的结构]
图3是表示本发明的实施方式1涉及的开关元件的控制电路1的图。控制电路1具备：施密特触发器电路B1，其对从ECU 3侧施加来的输入信号进行波形整形；导通延迟电路13，其输出对施密特触发器电路B1的输出附加了预先确定的规定的延迟后的控制信号EST；PMOSFET 41，控制信号EST被输入至PMOSFET 41的栅极；以及反相器INV1，其将控制信号EST反转而输入至锁存电路14的复位端子R。控制电路1内的各电路要素接受控制电源Vreg的供给而进行工作。
控制电路1具备由PMOSFET 44及PMOSFET 45构成的第1电流镜电路、电阻Rg1、检测电阻Rs1、以及NMOSFET 71。电阻Rg1的一端连接于IGBT 5a的栅极端子G和PMOSFET 45的连接点，电阻Rg1的另一端与接地连接。检测电阻Rs1的一端与电流感测端子SE连接，检测电阻Rs1的另一端与发射极端子E连接。对NMOSFET 71的栅极施加反相器INV1的输出信号，在NMOSFET 71导通时发射极端子E和栅极端子G经由电阻Rg2连接。第1电流镜电路生成复制了第1输入电流Ig1的第1镜像电流Ig2，将第1镜像电流Ig2作为向开关元件5的栅极端子G的输入信号。
控制电路1还具备电流限制电路19、过热检测电路16、电流检测电路18、以及切断电路11。具体而言，控制电路1具备用于基于二极管Ds2进行温度检测的过热检测电路16。过热检测电路16对开关元件5的温度进行检测，输出依赖于温度的过热检测信号OT。具体而言，过热检测电路16在基于二极管Ds2的输出而检测出的温度大于或等于预先确定的设定温度时发出过热检测信号OT。并且，控制电路1具备电流检测电路18。电流检测电路18对开关元件5的负载电流Ic进行监视，发出与负载电流Ic对应的输出。具体而言，向电流检测电路18输入Isense。电流检测电路18基于该Isense对与负载电流Ic成正比的电流进行检测，输出依赖于在开关元件5流动的负载电流Ic的电流检测信号Enable。电流检测电路18在电流感测端子SE的输出值大于或等于预先确定的“设定电流值”时，发出电流检测信号Enable。
二极管Ds2的阳极与开关元件5的发射极端子E连接，二极管Ds2的阴极与上述过热检测电路16连接。另外，电流检测电路18的一端连接于检测电阻Rs1和开关元件5的电流感测端子SE之间的连接点。
切断电路11在被输入了来自过热检测电路16的过热检测信号OT和来自电流检测电路18的电流检测信号Enable这两者的情况下将开关元件5断开。由此，切断电路11在流过开关元件5的负载电流Ic大于或等于规定的设定电流，并且由二极管Ds2检测出的温度大于或等于规定的设定温度的情况下，将在开关元件5流动的负载电流切断。具体而言，切断电路11通过将第1输入电流Ig1降低而将开关元件5断开。
切断电路11包含AND电路12、锁存电路14、以及PMOSFET 48。AND电路12对过热检测信号OT和电流检测信号Enable的逻辑与进行运算。锁存电路14响应于AND电路12的输出变化而将输出值(Qbar)锁存。PMOSFET 48是通过响应于锁存电路14的输出值进行工作而使第1输入电流Ig1降低的开关元件。更具体地说，首先将电流检测电路18及过热检测电路16的输出输入至AND电路12。将AND电路12的输出信号OUTA输入至锁存电路14的置位端子S。锁存电路14的复位端子R连接于反相器INV1的输出。锁存电路14的非Q端子Qbar连接于PMOSFET48的栅极。在发出过热检测信号OT和电流检测信号Enable这两者的情况下，锁存电路14持续使开关元件工作，从而维持开关元件5的停止。通过锁存电路14，一旦检测出过热，直至之后控制信号EST变为OFF为止，能够持续进行过热保护。
电流限制电路19具备放大器22、电压电流转换电路20、恒流源I＿base、由PMOSFET42及43构成的第2电流镜电路。第2电流镜电路复制在PMOSFET 43流动的第2输入电流If1，生成在PMOSFET 42流动的第2镜像电流If2。恒流源I＿base连接于第2镜像电流If2和第1输入电流Ig1的合流点。电流限制电路19基于电流感测端子SE的电压对第2输入电流If1进行调整，以将开关元件5的负载电流Ic限制为所设定的电流限制值Ilm。此外，稍后使用图14的关联技术说明具体动作。
二极管Ds2的阳极与发射极端子E连接，二极管Ds2的阴极与过热检测电路16连接。切断电路11基于流过二极管Ds2的阴极的反向饱和电流Is3的值进行温度检测。
[关联技术]
图14是表示与本发明的实施方式关联的关联技术涉及的开关元件5的控制电路401的图。此处，为了方便，使用图14对电流限制电路19的动作进行说明，但图3所示的电流限制电路19也进行同样的电路动作。因此，关于控制电路1和控制电路401之间标注有相同的标号的结构，也能够将下述说明应用于控制电路1。
由电流限制电路19进行的集电极电流Ic的限制是由以下的机制实现的。在控制电路401内的检测电阻Rs1流过IGBT 5a的感测电流Isense，在检测电阻Rs1产生与IGBT 5a的集电极电流Ic对应的感测电压Vsense。通过放大器22将该感测电压Vsense与基准电压源Vref的电压值进行比较，将与其差对应的电压输入至电压电流转换电路20。电压电流转换电路20输出与感测电压Vsense和基准电压源Vref的电压值的差对应的电流If1。该电流If1成为输入至由PMOSFET 42及PMOSFET 43构成的第2电流镜电路的第2输入电流If1。第2电流镜电路响应于第2输入电流If1的输入，输出与镜像比对应的第2镜像电流If2。以下，将该第2镜像电流If2也称为“电流限制信号If2”。由于电流限制信号If2在减少使IGBT 5a的栅极驱动电压得以产生的电流Ig2的方向发挥作用，因此如果电流限制信号If2增加，则栅极电压降低，妨碍集电极电流Ic的增加。即，关于集电极电流Ic，以作为系统整体进行负反馈动作的方式发挥作用，因此将集电极电流Ic限制为规定的恒定值。
即，通过第2输入电流If1产生电流限制信号If2，流入至成为基础的基准电流源(恒流源)I＿base。由于伴随着电流限制信号If2的流入，由PMOSFET 44和PMOSFET 45构成的第1电流镜电路的输入电流Ig1产生变动，因此该第1电流镜电路的电流Ig2产生变动，驱动开关元件5的栅极电压产生变动。负载电流Ic越增加，该电流Ig2越降低，由电阻Rg1产生的电压越降低。如上所述，实现抑制负载电流Ic的负反馈控制。此处，电阻Rg1具有几十kΩ数量级的电阻值。
此外，在图14的关联技术中，控制电路401还具备过热保护电路410。过热保护电路410具备阳极与发射极端子E连接的二极管Ds1和由PMOSFET 46及PMOSFET 47构成的第3电流镜电路。二极管Ds1也是表现出与温度对应的输出的感温二极管。二极管Ds1的阴极连接于该第3电流镜电路的基准侧。该第3电流镜电路的输出电流Is2与上述电流限制功能同样地，在减少使IGBT 5a的栅极驱动电压得以产生的电流Ig2的方向发挥作用。即，在异常高温时，二极管Ds1的反向饱和电流Is3增加，从而Is2增加，与上述电流限制功能同样地，在将驱动IGBT 5a的电流Ig2减少的方向发挥作用。由于温度越上升，该Ig2越降低，因此以将在IGBT 5a流动的电流限制为比通常动作时低的值的方式发挥作用。即，伴随着温度上升，使负载电流Ic不断逐渐降低。此外，由于更详细的说明记载于日本特开2011-124269号公报，因此省略进一步的说明。
图15是表示与本发明的实施方式关联的二极管Ds2的反向饱和电流Is3和二极管Ds2的温度的关系的一个例子的图。肖特基势垒二极管的反向饱和电流如图15所示的温度特性曲线那样，在超过170℃的附近急剧上升。本实施方式的二极管Ds2也能够采用具有与图15同样的特性的肖特基势垒二极管。实施方式1的过热检测是使用二极管Ds2的反向饱和电流Is3进行的。伴随着IGBT 5a的元件温度Tigbt上升，反向饱和电流Is3以与图15同样的温度特性增加。
在实施方式1中，也可以采用如下变形例，即，使二极管Ds2的连接方向反转等，使用正向连接的二极管的正向电压进行温度检测。但是，在使用二极管的正向电压进行温度检测的情况下，由于电流依赖性高，因此需要高精度的电流控制。与此相对，如实施方式1所述，在使用二极管Ds2的反向饱和电流进行温度检测的情况下有如下优点，即，由于在反向击穿电压以下使用时电压依赖性小，因此对二极管Ds2施加的电压的精度可以不高。
[实施方式1的电路的动作]
图4是用于说明本发明的实施方式1涉及的开关元件的控制电路1的动作的时序图。
如图4的时刻t1～t3所示，控制信号EST变为ON(在实施方式中为高)，从而将接通信号传送至开关元件5，IGBT 5a接通。如时刻t2、t7所示，如果负载电流Ic大于或等于预先确定的设定电流值Ithen，则Enable信号变为高。Ithen也可以是例如1安培(1A)或其以下的规定电流值。另外，如时刻t4所示，如果负载电流Ic低于Ithen，则Enable信号变为低。此处，将Enable信号为高的状态设为“发出了Enable信号的状态”。如图4所示，设定电流值Ithen被规定为比电流限制值Ilm低的值。
在时刻t4，反向饱和电流Is3达到预先确定的阈值。该阈值为图4的过热切断判定电流Ithot。此时，如标号X2所示，通过过热检测电路16使输出反转而发出过热检测信号OT。由此，能够检测出异常高温。即，过热切断判定电流Ithot是元件温度Tigbt到达设定温度Tm1(作为一个例子，210℃)时的反向饱和电流Is3的值。
在使用了二极管Ds2的反向饱和电流Is3进行的温度检测的情况下，在将开关元件5接通时，通过L负载产生位移电流100(也称为L负载噪声100)。在图4中，在时刻t1～t2及t6～t7，产生位移电流100。在图4的时刻t6，尽管元件温度Tigbt低，但由于该位移电流100，过热检测信号OT也上升(标号101)。如上所述，伴随着L负载噪声100会产生温度的误检测。
因此，在实施方式1中，通过检测电阻Rs1对开关元件5的负载电流Ic进行监视，将依赖于负载电流Ic的输出(即图4的Enable信号)和过热检测电路16的输出之间的逻辑与(图4的OUTA)作为过热切断的判定输出。观察图4的时刻t6、t7可知，在由于位移电流100产生了过热检测电路16的输出变动101时，在没有发出Enable信号的情况下(即电流检测电路18的输出为低的情况下)，逻辑与OUTA不会变为高，其结果，切断电路11不工作。由此，能够抑制由开关元件5启动时的L负载噪声100引起的误动作。即，构成为仅在负载电流Ic大于或等于预先确定的设定电流值，且检测出异常温度的情况下提供保护(即，将开关元件5的负载电流完全切断的保护)。此处所说的“设定电流值”是例如1A或比其小的预先确定的值，是用于对在开关元件5流动某种程度大小的负载电流Ic进行检测的值。
为了开关元件5的切断，利用上述电流限制功能。在判定为异常温度而需要提供保护的情况下，PMOSFET 48接通，从而If3流入至成为基础的基准电流源(恒流源)I＿base。但是，关于电流的大小，If3≥I＿base的关系成立。由此，使由PMOSFET 44及PMOSFET 45构成的第1电流镜电路中的电流Ig2降低至0A。其结果，能够使开关元件5的栅极驱动信号(即栅极电压)衰减为0V，将开关元件5断开。
图5是表示本发明的实施方式1涉及的开关元件的控制电路1的电流限制值Ilm和元件温度Tigbt的关系的图。图5的特性Cv0表示出上述图14的对比例的电流限制值Ilm的温度依赖性。另一方面，图5的特性Cv1表示出实施方式1的电流限制值Ilm的温度依赖性。如果着眼于由箭头X3表示的位置，则在通过二极管Ds2检测出的温度达到预先确定的设定温度Tm1(在实施方式1中作为一个例子，为210℃)时，能够使电流限制值Ilm快速地衰减为0A。
另外，锁存电路14实现如下功能，即，一旦检测出异常温度，则直至控制信号EST成为OFF为止，维持进行保护。由此，防止重复进行过热切断和恢复而使负载电流Ic发生振荡。此外，此处所说的负载电流Ic的振荡指的是如检测出异常温度→栅极信号OFF(即负载电流Ic切断)→温度降低→栅极信号ON(即恢复)→温度上升→检测出异常温度→负载电流Ic切断这样，重复进行切断和恢复的情况。
另外，在检测出异常温度的情况下，也能够通过快速地将负载电流Ic切断，从而抑制开关元件5的寿命降低。
由于产生伴随着开关元件5的工作的L负载噪声(位移电流)100，因此存在产生由二极管Ds2引起的温度误检测的风险，但如上所述，根据实施方式1，即使产生L负载噪声100，只要不产生Enable信号，就不进行过热保护(即开关元件5的强制断开)。即，在实施方式1中，由于基于通过AND电路12逻辑运算出的结果对是否需要过热保护进行判定，因此能够仅在流动某种程度的负载电流Ic的状态(即负载电流Ic大于或等于预先确定的设定电流值的状态)，且判断出异常温度的情况下进行切断。其结果，能够抑制与L负载噪声100相伴的不必要的过热保护。
图6是表示本发明的实施方式1涉及的开关元件的控制电路1具备的过热检测电路的一个例子的图。图6所示的过热检测电路116是可作为图3的过热检测电路16应用的电路，包含电流比较器。电流比较器对与二极管Ds2的反向饱和电流对应的检测侧电流Is4和基准电流源(恒流源)Iref1的电流值进行比较。由于在温度检测时利用二极管Ds2的反向饱和电流特性，因此优选在过热检测电路116中不使用电压比较器而使用电流比较器。由此，由于与使用了电压比较器时相比不需要I-V转换电路，因此可使电路小型化。
在图6的电路中，在电阻Rd1、肖特基势垒二极管Dz1、及NMOSFET 74的串联电路中，流动从恒流源I＿base2减去反向饱和电流Is3后的电流(即I＿base2-Is3)。由该电流生成对二极管Ds2施加的电压Vd。电压Vd例如为3V。此外，NMOSFET 74与NMOSFET 73一起构成第4电流镜电路。NMOSFET 73连接于后述第5电流镜电路的PMOSFET 51，在它们中流动相同的检测侧电流Is4。
由于反向饱和电流Is3伴随着温度上升而增加，因此电压Vd降低。但是，由于反向饱和电流Is3的电压依赖性与反向饱和电流Is3的温度依赖性相比充分小，因此并非是成为问题的等级。
过热检测电路116具有的2个恒流源的电流值的关系为I＿ref1<I＿base2。I＿base2和I＿ref1的差值(I＿base2-I＿ref1)相当于过热判定阈值Ithot。
伴随着温度上升，如果二极管Ds2的反向饱和电流Is3增加，则被与I＿ref1相比较的检测侧电流Is4不断降低。此外，“Is4≈I＿base2-Is3”的关系成立。
在由PMOSFET 50及PMOFET 51构成的第5电流镜电路中，在PMOFET 51流动检测侧电流Is4，在PMOSFET 50流动复制了该电流的镜像电流。PMOSFET 50和恒流源I＿ref1的连接点成为输出Vout1。在通常动作时，由于维持着I＿ref1<Is4的关系，因此输出Vout1为高电平。但是，如果变为异常高温，二极管Ds2的反向饱和电流Is3超过过热判定阈值Ithot，则为I＿ref1>Is4的关系，输出Vout1为低电平。Vout1被输入至由PMOSFET 49和NMOSFET 72构成的CMOS电路，该CMOS电路的输出成为过热检测信号OT。由此，能够进行异常温度时的过热判定。
图7是表示本发明的实施方式1涉及的开关元件的控制电路1具备的电流检测电路的一个例子的框图。图7所示的电流检测电路118具备：电压电流转换电路181，其将与在检测电阻Rs1产生的电压和基准电压源Vref2的差对应的电压转换为电流；以及电流比较器182，其将由电压电流转换电路181转换后的电流与基准电流源(恒流源)I＿ref2的电流值进行比较。
图7的电流检测电路118的电流检测是由如下机制实现的。在控制电路1内的检测电阻Rs1流动开关元件5的感测电流Isense。在检测电阻Rs1产生与开关元件5的负载电流Ic成正比的电压。在检测电阻Rs1产生的电压通过放大器183与基准电压源Vref2进行比较。放大器183的输出被输入至电压电流转换电路181。由电压电流转换电路181输出与在检测电阻Rs1产生的电压和基准电压源Vref2的差对应的电流Iout2。该输出电流Iout2通过电流比较器182与基准电流源(恒流源)I＿ref2进行比较，输出判定电压Enable而进行电流检测。
图8是表示本发明的实施方式1涉及的开关元件的控制电路1具备的电流检测电路的一个例子的图，是将图7所示的框图构成为具体的电路的情况的一个例子。电流检测电路118具备：第6电流镜电路，其由一端连接于电压Vreg的PMOSFET 52及PMOSFET 53构成；以及第7电流镜电路，其由与该第6电流镜电路级联的NMOSFET 55及NMOSFET 56构成。向NMOSFET55串联连接有电阻R1a及检测电阻Rs1。向NMOSFET 56串联连接有电阻R1b及检测电阻Rs2。PMOSFET 54与PMOSFET 52一起构成第8电流镜电路，PMOSFET 54和恒流源Iref2的连接点成为Enable信号的输出点。PMOSFET 54的漏极源极间电流流动至恒流源Iref2侧。
在检测电阻Rs1，由与负载电流Ic成正比的感测电流Isense产生感测电压Vsense。检测电阻Rs1例如为30Ω。感测电流Isense为负载电流Ic的例如1/1000的电流，例如为几mA～几十mA。由感测电流Isense在检测电阻Rs1产生的电压，例如为几十mV～几百mV。
检测侧电流Is5是由在检测电阻Rs1产生的感测电压Vsense和V-I转换所使用的检测电阻Rs2决定的。检测电阻Rs2例如具有5kΩ。由于与负载电流Ic的增加对应地，在检测电阻Rs1产生的电压也变高，因此检测侧电流Is5也不断增加。
作为一个例子，将检测出感测电流Isense大于或等于1mA的情况设为“检测出电流时”。在检测出电流时，在检测电阻Rs2产生的检测阈值电压(例如30mV)非常小。因此，通过电压电流转换电路转换为例如5μA左右的电流，作为电流比较器与基准电流源(恒流源)I＿ref2进行比较判定。由此，与电压比较器相比，误判定风险降低、实现了精度提高。
在转换出的检测侧电流Is5和基准侧电流I＿ref2的关系为Iref＿2>Is5的关系的情况下，输出Enable为低电平。在I＿ref2<Is5的关系的情况下，输出Enable变为高电平。即，Iref＿2相当于比较器阈值。
开关元件5的温度检测是使用二极管Ds2的反向饱和电流Is3进行的。因此，在使用电流比较器的情况下，与电压比较器相比，不需要I-V转换电路，可使电路小型化。另外，就电流检测电路18而言，在检测电阻Rs1产生的电压为几十mV，非常小。因此，在通过电压电流转换电路进行了电流转换的基础上，通过利用电流比较器进行输出判定，从而与电压比较器相比能够提高判定精度。
实施方式2.
除了将控制电路1置换为控制电路201这一点之外，实施方式2涉及的点火器用半导体装置具备与实施方式1涉及的半导体装置10同样的电路结构。除了追加了衰减电路210这一点之外，实施方式2涉及的控制电路201具备与实施方式1涉及的控制电路1同样的电路结构。因此，在以下说明中对与实施方式1相同或相当的结构标注相同标号而进行说明，并且以与实施方式1的差异为中心进行说明，将相同事项的说明简化乃至省略。
图9是表示本发明的实施方式2涉及的开关元件的控制电路201的图。实施方式2涉及的控制电路201具备用于使电流限制值Ilm具有温度特性的衰减电路210。衰减电路210具备温度感测元件即二极管Ds1、以及由MOSFET 46及MOSFET 47构成的第2电流镜电路。在这一点上，衰减电路210与图14所示的关联技术的过热保护电路410类似。
衰减电路210在齐纳二极管Ds1的感测温度达到大于或等于预先确定的基准温度(Tm2)时，将栅极驱动信号(即栅极电压)衰减，以使得负载电流Ic降低。基准温度Tm2是比设定温度Tm1低的值。以超过了基准温度Tm2以上(例如170℃)为边界，使电流限制值Ilm具有温度特性而不断降低，从而以图10所示的特性将负载电流Ic降低。即，特别地，根据实施方式2，由于温度越增加则越使负载电流Ic降低，并且温度越高则负载电流Ic的降低率越增大，因此越是高温侧则负载电流Ic越急剧且曲线地减少。通过将基准温度Tm2规定为比设定温度Tm1低，从而能够使衰减电路210的电流衰减功能和切断电路11的电流切断功能协调。
如果具体说明动作原理，则首先，在二极管Ds1的阳极-阴极之间，从控制电源Vreg施加PMOSFET 47的阈值左右的电压量的低电压。反向饱和电流Is3表示出相对于温度呈指数函数地增加。作为一个例子，选择出从温度Tm2(170℃)附近起变为对恒流源I＿base造成影响的数量级的电流这样的尺寸、规格的二极管Ds2。由此，在小于或等于温度Tm2(170℃)的动作中，不对上述开关元件5的驱动造成影响。
在元件温度Tigbt比通常使用温度高的情况下(作为一个例子，大于或等于170℃)，在PMOSFET 47流动二极管Ds1的反向饱和电流Is1。如上述图14的关联技术中说明的那样，该PMOSFET 47与PMOSFET 46一起构成第3电流镜电路。因此，在PMOSFET 47流动的反向饱和电流Is1使PMOSFET 46的漏极电流Is2得以产生。漏极电流Is2具有与电流限制电路19的电流限制信号If2相同的效果，在减少使IGBT 5a的栅极驱动电压得以产生的电流Ig2的方向发挥作用。因此，如果产生漏极电流Is2，则产生实质上与使恒流源I＿base的电流减少相同的效果。由此，Ig2减少，电流限制值Ilm具有如图10所示那样的温度特性。并且，在元件温度Tigbt上升而达到设定温度Tm1的情况下，转换为在实施方式1中叙述的切断电路11的动作，进行开关元件5的完全断开(负载电流Ic的完全切断)。
图10是表示本发明的实施方式2涉及的开关元件的控制电路1的电流限制值Ilm和温度的关系的图。如图10所示，以某温度Tm2(例如170℃)为边界，在高温侧使电流限制值Ilm具有温度特性。根据该温度特性，电流限制值Ilm与温度上升对应地不断逐渐降低。通过在温度Tm2～Tm1(170℃～210℃)的范围内使电流限制值Ilm逐渐降低，抑制在开关元件5产生的焦耳损耗，从而抑制发热。
另一方面，在温度进一步上升，到达了需要紧急切断的设定温度Tm1(例如210℃)的情况下，响应于AND电路12的输出表示出产生过热这一情况将开关元件5强制地切断。即，在变为超过设定温度Tm1(210℃)的异常高温时，将开关元件5完全切断。
由此，尽可能地抑制在火花塞产生不必要的电弧放电，并且，在到达判断为需要紧急切断的温度时，能够将负载电流Ic强制切断。其结果，能够防止开关元件5及发动机的寿命降低。换言之，通过在开关元件5超过了某一定温度的情况下使电流限制值Ilm降低，从而能够抑制温度上升，尽可能地防止发动机控制计算机在意外的定时的点火动作。此外，在温度继续上升，异常发热呈过剩状态的情况下，通过紧急地将开关元件5切断，从而能够抑制开关元件5的寿命降低。
由于与实施方式1相比能够使电流切断时的电流限制值Ilm降低，因此作用于开关元件5的负担也变小，防止寿命降低的效果进一步提高。
实施方式3.
除了将控制电路1置换为控制电路301这一点之外，实施方式3涉及的点火器用半导体装置具备与实施方式1涉及的点火器用半导体装置10同样的电路结构。除了追加了衰减电路310这一点之外，实施方式3涉及的控制电路301具备与实施方式1涉及的控制电路1同样的电路结构。因此，在以下说明中对与实施方式1相同或相当的结构标注相同标号而进行说明，并且以与实施方式1的差异为中心进行说明，将相同事项的说明简化乃至省略。
图11是表示本发明的实施方式3涉及的开关元件的控制电路301的图。衰减电路310具备与衰减电路210同样的电路结构，并且还具备PMOSFET 57、AND电路312、以及电流限制衰减开始温度检测电路316。PMOSFET 57介于PMOSFET 46和恒流源I＿base之间，切换它们之间的电连接。PMOSFET 57的栅极是由AND电路312的输出信号控制的。向AND电路312中，输入电流限制衰减开始温度检测电路316的信号和电流检测电路18的电流检测信号Enable。电流限制衰减开始温度检测电路316与过热检测电路16同样地，能够基于二极管Ds2的反向饱和电流Is3对IGBT 5a的温度进行检测。
在实施方式3中，在控制电路301内设置有另一个套电流限制衰减开始温度检测电路316及AND电路312。这是用于从与由过热检测电路16检测出的温度不同的所期望的开始温度开始电流限制值Ilm的衰减而进行的改进。
如果针对具体的动作进行说明，则首先，过热检测的方法如在实施方式1说明的那样，是使用二极管Ds2的反向饱和电流Is3进行的。与实施方式1同样地，在二极管Ds2的反向饱和电流Is3上升至预先设定的过热切断判定电流Ithot时，换言之，在IGBT 5a的温度上升至设定温度Tm1时，判定为异常温度。AND电路312对检测负载电流Ic的电流检测电路18和电流限制衰减开始温度检测电路316的逻辑与进行运算。AND电路312与实施方式1的AND电路12同样地，在被输入了过热检测信号OT及电流检测信号Enable的情况下，发出过热判定输出(详细内容与图4的OUTA相同)。响应于AND电路312的过热判定输出，PMOSFET 57接通。
由二极管Ds1、PMOSFET 46及PMOSFET 47生成的电流Is2流入至成为基础的基准电流源(恒流源)I＿base，使得用于驱动开关元件5的电流Ig2降低。此处，直至到达比设定温度Tm1低的电流限制衰减开始温度Tm2～Tm4为止，PMOSFET 57始终被断开。因此，能够防止电流限制值Ilm在小于或等于设定温度Tm1的温度区域降低，抑制点火能量在低温度区域降低。
图12是表示本发明的实施方式3涉及的开关元件的控制电路1的电流限制值Ilm和温度的关系的图。能够将开始电流限制的温度独立于过热检测电路16，利用电流限制衰减开始温度检测电路316自由地设定。其结果，能够分别自由地设计如图12那样的电流限制值Ilm的温度特性Cv2、Cv3、Cv4。在图12中，作为一个例子，例示出分别将电流限制衰减开始温度检测电路316的阈值温度设定为电流限制衰减开始温度Tm2(170度)、电流限制衰减开始温度Tm3(作为一个例子，160℃)、电流限制衰减开始温度Tm4(作为一个例子，180℃)时的特性Cv2～Cv4。根据实施方式3，不需要二极管Ds1的温度特性的匹配(具体而言，尺寸调整、杂质浓度调整等)，定制性大幅度提高。
图13是表示能够在本发明的实施方式1～3中应用的变形例涉及的开关元件5的图。在图13的变形例中，内置于开关元件5的温度检测用二极管Ds2的阳极并非连接于开关元件5的发射极端子E，而连接于电流感测端子SE。在栅极(G)-发射极(E)之间、栅极(G)-感测发射极(SE)之间存在寄生电容CQ1、CQ2，作为实质的电容，G-E之间比G-SE之间更大。在实施方式1～3中，由于将为了温度检测所设置的二极管Ds2的阳极连接于发射极(E)，因此G-E之间电容变大。其结果，在开关元件5启动时的负载电流Ic流动时，在二极管Ds2产生的位移电流100(L负载噪声100)变大。在该情况下，对温度作出误检测的风险变高。另一方面，相对于栅极(G)-发射极(E)间电容，栅极(G)-感测发射极(SE)间电容小。因此，通过将二极管Ds2的阳极连接于感测发射极(SE)侧而使与栅极之间的电容减小，从而能够抑制在启动时产生L负载噪声100。
实施方式4.
在上述实施方式1～3中，也可以替代AND电路12，设置进行逻辑与以外的逻辑运算的逻辑电路。具体而言，也可以替代AND电路12，设置对逻辑或进行运算的OR电路、对逻辑或非进行运算的NOR电路、或对逻辑与非进行运算的NAND电路。在实施方式4中，作为一个例子对使用NOR电路的电路结构进行说明。
图16是表示本发明的实施方式4涉及的半导体开关元件的控制电路501的图。除了将控制电路1置换为控制电路501这一点之外，实施方式4涉及的点火器用半导体装置具备与实施方式1涉及的点火器用半导体装置10同样的电路结构。除了将AND电路12、过热检测电路16、及电流检测电路18分别置换为NOR电路512、过热检测电路516、及电流检测电路518这一点之外，实施方式4涉及的控制电路501具备与实施方式1涉及的控制电路1同样的电路结构。因此，在以下说明中对与实施方式1相同或相当的结构标注相同标号而进行说明，并且以与实施方式1的差异为中心进行说明，将相同事项的说明简化乃至省略。
图17是用于说明控制电路501的动作的时序图。如果对图17和图4的时序图彼此进行比较，则可知两者的电流检测信号Enable和过热检测信号OT的高和低彼此相反。图18是表示控制电路501具备的过热检测电路516的一个例子的图。图18所示的过热检测电路516是将由图6所示的过热检测电路116具备的PMOSFET 49及NMOSFET 72构成的反相器删除后的结构。过热检测电路516在通常温度区域输出成为高，在检测出异常温度时(即，基于二极管Ds2的输出的检测温度大于或等于预先确定的设定温度Tm1时)输出成为低。
图19是表示控制电路501具备的电流检测电路518的一个例子的图。图19所示的电流检测电路518是在图8所示的电流检测电路118的输出级追加了由PMOSFET 49及NMOSFET72构成的反相器的结构。除了在电流感测端子SE的输出值大于或等于实施方式1中叙述的“设定电流值”时发出电流检测信号Enable这一点之外，电流检测电路518与电流检测电路18相同。但是，如果电流感测端子SE的输出值小于设定电流值，则电流检测电路518发出高输出，在电流感测端子SE的输出值大于或等于设定电流值时，电流检测电路518发出低输出作为电流检测信号Enable。
在图17的时序图中的标号X5所示的定时，作为过热检测信号OT而由过热检测电路516发出低输出，并且作为电流检测信号Enable而由电流检测电路518发出低输出。如果这2个低输出被输入至NOR电路512，则NOR电路512的输出信号OUTN变为高。由于输出信号OUTN输入至锁存电路14的置位端子S，因此之后实现与实施方式1同样的电路动作。
在实施方式4中，说明了在实施方式1的电路结构中应用NOR电路512的情况，但针对实施方式2及3也可以同样地使用NOR电路512。在实施方式1～3叙述的各种变形也可以应用于实施方式4。另外，也可以替代逻辑或非电路512，应用对逻辑或(OR逻辑)或逻辑与非(NAND逻辑)进行运算的逻辑电路。以在输入了来自过热检测电路的过热检测信号和来自电流检测电路的电流检测信号这两者的情况下，通过逻辑电路对输出信号进行切换而实现实施方式1～4中叙述的电路动作的方式，利用逻辑电路、其后级电路(锁存电路侧)及其前级电路(过热检测电路、电流检测电路)使逻辑相符即可。
此外，国际公开第2012/077187号记载了如下电路，即，例如在其0039～0041段及图4等，将过电流检测信号和过热检测信号输入至AND电路。但是，在该公报涉及的电路中是对上桥臂温度和下桥臂温度彼此进行比较而判定哪一个高。由于上桥臂温度和下桥臂温度分别与工作条件对应地变化，因此上述公报不是将过热检测信号与“预先确定的设定温度”进行比较。另外，该公报涉及的电路进行过电流检测，与此相对，为了判定开关元件5是否接通，上述实施方式涉及的电流检测电路18观察是否流动有大于或等于某种程度的负载电流Ic，在该点上两者不同。即，由于不是对过电流进行检测，因此负载电流Ic的比较判定所使用的设定电流值(实施方式中的设定电流值Ithen)不需要为如过电流判定那样大的电流值。如上所述，负载电流Ic的比较判定所使用的设定电流值(实施方式中的设定电流值Ithen)能够设为用于对在IGBT 5a流动有某种程度的电流进行判定的值，例如设为1A或其以下的规定电流值。
标号的说明
1、201、301、401、501控制电路，4驱动电路，5开关元件，5a IGBT，6变压器，6a初级绕组，6b次级绕组，7火花塞，10点火器用半导体装置，11切断电路，12、312AND电路，13导通延迟电路，14锁存电路，16、116、516过热检测电路，18、118、518电流检测电路，19电流限制电路，20、181电流电压转换电路(V-I转换电路)，22、183放大器，100位移电流(L负载噪声)，101输出变化(温度误检测)，182电流比较器，210、310衰减电路，316电流限制衰减开始温度检测电路，410过热保护电路，512NOR电路，B1施密特触发器电路，Ds0钳位齐纳二极管，INV1反相器，Ds1、Ds2二极管，Dz1肖特基势垒二极管，Enable电流检测信号，OT过热检测信号，SE电流感测端子，EST控制信号，Ic集电极电流(负载电流)，Ig1第1输入电流，Ig2第1镜像电流，If1第2输入电流，If2第2镜像电流(电流限制信号)，Ilm电流限制值，Is1、Is3反向饱和电流，Isense感测电流，Ithen设定电流值，Ithot过热切断判定电流，Rs1、Rs2检测电阻，Tigbt元件温度，TSD温度感测端子，Vreg控制电源

Claims (12)

1.一种半导体开关元件的控制电路，其对半导体开关元件进行控制，该半导体开关元件具备控制端子、主电极端子及电流感测端子，在所述主电极端子或所述电流感测端子连接有二极管，
该半导体开关元件的控制电路具备：
过热检测电路，其在基于所述二极管的输出而检测出的温度大于或等于预先确定的设定温度时发出过热检测信号；
电流检测电路，其在所述电流感测端子的输出值大于或等于预先确定的设定电流值时发出电流检测信号；以及
切断电路，其在被输入了来自所述过热检测电路的所述过热检测信号和来自所述电流检测电路的所述电流检测信号这两者的情况下将所述半导体开关元件断开。
2.根据权利要求1所述的半导体开关元件的控制电路，其中，
具备第1电流镜电路，该第1电流镜电路生成复制了第1输入电流的第1镜像电流，将所述第1镜像电流作为向所述半导体开关元件的所述控制端子的输入信号，
所述切断电路通过将所述第1输入电流降低，从而将所述半导体开关元件断开。
3.根据权利要求2所述的半导体开关元件的控制电路，其中，
所述切断电路包含：
逻辑电路，其进行基于所述过热检测信号的值及所述电流检测信号的值的逻辑运算；
锁存电路，其响应于所述逻辑电路的输出变化而将输出值锁存；以及
开关元件，其通过响应于所述锁存电路的输出值的所述锁存而进行工作，从而使所述第1输入电流降低，
通过在发出所述过热检测信号和所述电流检测信号这两者的情况下所述锁存电路持续使所述开关元件进行工作，从而维持所述半导体开关元件的停止。
4.根据权利要求2所述的半导体开关元件的控制电路，其中，
还具备电流限制电路，该电流限制电路包含第2电流镜电路及恒流源，该第2电流镜电路生成复制了第2输入电流的第2镜像电流，该恒流源连接于所述第2镜像电流和所述第1输入电流的合流点，该电流限制电路基于所述电流感测端子的输出值对所述第2输入电流进行调整，以将所述半导体开关元件的负载电流限制为预先设定的电流限制值。
5.根据权利要求4所述的半导体开关元件的控制电路，其中，
所述设定电流值是比所述电流限制值低的值。
6.根据权利要求5所述的半导体开关元件的控制电路，其中，
所述设定电流值小于或等于1安培。
7.根据权利要求1所述的半导体开关元件的控制电路，其中，
所述二极管的阳极与所述主电极端子或所述电流感测端子连接，阴极与所述过热检测电路连接，
所述过热检测电路基于流过所述二极管的阴极的反向饱和电流值进行温度检测。
8.根据权利要求1所述的半导体开关元件的控制电路，其中，
所述过热检测电路包含第1电流比较器，该第1电流比较器对第1基准电流源值和与在所述二极管流动的电流对应的电流值进行比较。
9.根据权利要求1所述的半导体开关元件的控制电路，其中，
所述电流检测电路包含：
电压电流转换电路，其将与感测电压和基准电压源的差对应的电压转换为电流，该感测电压对应于所述电流感测端子的输出值；以及
第2电流比较器，其将通过所述电压电流转换电路转换后的电流与第2基准电流值进行比较。
10.根据权利要求1所述的半导体开关元件的控制电路，其中，
还具备衰减电路，该衰减电路包含温度感测元件，在所述温度感测元件的感测温度比所述设定温度低且上升至大于或等于预先确定的基准温度时，对所述半导体开关元件的栅极电压进行调整，以使得所述感测温度越高则越降低流过所述半导体开关元件的所述主电极端子的负载电流。
11.根据权利要求10所述的半导体开关元件的控制电路，其中，
所述衰减电路还具备电流限制衰减开始温度检测电路，该电流限制衰减开始温度检测电路对基于所述二极管的输出而检测出的温度是否大于或等于预先设定的开始温度进行判定，
如果通过所述电流限制衰减开始温度检测电路判定为基于所述二极管的输出而检测出的温度大于或等于所述开始温度，则开始所述栅极电压的所述调整，
所述开始温度能够被设定为与所述基准温度不同的值。
12.一种半导体装置，其对在感应负载流动的电流进行控制，该感应负载用于对内燃机的火花塞进行通电，
该半导体装置具备：
半导体开关元件，其具备主电极端子及电流感测端子，所述主电极端子与所述感应负载连接；
二极管，其与所述主电极端子或所述电流感测端子连接；
过热检测电路，其在基于所述二极管的输出而检测出的温度大于或等于预先确定的设定温度时发出过热检测信号；
电流检测电路，其在所述电流感测端子的输出值大于或等于预先确定的设定电流值时发出电流检测信号；以及
切断电路，其在被输入了来自所述过热检测电路的所述过热检测信号和来自所述电流检测电路的所述电流检测信号这两者的情况下将所述半导体开关元件断开。
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017212870A (ja) * 2016-05-20 2017-11-30 株式会社デンソー スイッチング素子の駆動制御装置
US10637460B2 (en) 2016-06-14 2020-04-28 Macom Technology Solutions Holdings, Inc. Circuits and operating methods thereof for monitoring and protecting a device
US20180109228A1 (en) 2016-10-14 2018-04-19 MACOM Technology Solution Holdings, Inc. Phase shifters for gallium nitride amplifiers and related methods
US20190028066A1 (en) 2017-07-24 2019-01-24 Macom Technology Solutions Holdings, Inc. Fet operational temperature determination by field plate resistance thermometry
US20190028065A1 (en) 2017-07-24 2019-01-24 Macom Technology Solutions Holdings, Inc. Fet operational temperature determination by gate structure resistance thermometry
US20190078941A1 (en) * 2017-09-14 2019-03-14 Macom Technology Solutions Holdings, Inc. Operational temperature determination in bipolar transistors by resistance thermometry
DE102017127752A1 (de) 2017-11-23 2019-05-23 Infineon Technologies Ag Verfahren und elektronische schaltung zum ansteuern einestransistorbauelements
DE112019000233T5 (de) * 2018-07-17 2020-08-20 Fuji Electric Co., Ltd. Stromversorgungsmodul mit eingebauter ansteuerschaltung
EP3608644B1 (de) * 2018-08-09 2021-03-24 Infineon Technologies AG Verfahren zum bestimmen eines vorzeichens eines laststroms in einer brückenschaltung mit mindestenes einer leistungshalbleiterschaltung
JP7293736B2 (ja) * 2019-03-07 2023-06-20 富士電機株式会社 半導体集積回路
CN112072896B (zh) * 2019-06-11 2024-04-26 三垦电气株式会社 功率设备的控制装置及方法
US11274645B2 (en) * 2019-10-15 2022-03-15 Semiconductor Components Industries, Llc Circuit and method for a kickback-limited soft shutdown of a coil
CN115038859A (zh) * 2020-02-04 2022-09-09 三菱电机株式会社 电力半导体装置
WO2022235872A1 (en) * 2021-05-05 2022-11-10 Cummins Inc. Systems and methods for conducting diagnostic of ignition system
DE112022002002T5 (de) * 2021-06-04 2024-01-25 Rohm Co., Ltd. Zünder und motorzündvorrichtung
WO2023089661A1 (ja) * 2021-11-16 2023-05-25 三菱電機株式会社 電力半導体装置および制御システム

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005098143A (ja) * 2003-09-22 2005-04-14 Mitsubishi Electric Corp 内燃機関点火装置
CN1697923A (zh) * 2002-10-29 2005-11-16 威特锐同仁股份有限公司 使用能减少热量产生的点火模块的车辆点火系统
JP2008248777A (ja) * 2007-03-30 2008-10-16 Diamond Electric Mfg Co Ltd イグナイタ
JP2009275629A (ja) * 2008-05-15 2009-11-26 Denso Corp 車両の点火装置
JP2011124269A (ja) * 2009-12-08 2011-06-23 Mitsubishi Electric Corp イグナイタ用電力半導体装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3484133B2 (ja) * 2000-03-03 2004-01-06 株式会社日立製作所 内燃機関用点火装置および内燃機関点火用１チップ半導体
JP2004036438A (ja) * 2002-07-02 2004-02-05 Hitachi Ltd 点火装置等の内燃機関用の電子装置
JP3968711B2 (ja) * 2003-04-11 2007-08-29 株式会社デンソー 内燃機関用点火装置およびそのイグナイタ
JP4196820B2 (ja) * 2003-12-18 2008-12-17 株式会社デンソー 点火装置
JP5423378B2 (ja) * 2009-12-15 2014-02-19 三菱電機株式会社 イグナイタ用電力半導体装置
CN103250339B (zh) 2010-12-07 2015-11-25 日立汽车系统株式会社 电力变换装置
CN105144580B (zh) * 2013-04-02 2017-12-19 三菱电机株式会社 半导体装置
JP6330366B2 (ja) * 2013-04-11 2018-05-30 株式会社デンソー 点火装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1697923A (zh) * 2002-10-29 2005-11-16 威特锐同仁股份有限公司 使用能减少热量产生的点火模块的车辆点火系统
JP2005098143A (ja) * 2003-09-22 2005-04-14 Mitsubishi Electric Corp 内燃機関点火装置
JP2008248777A (ja) * 2007-03-30 2008-10-16 Diamond Electric Mfg Co Ltd イグナイタ
JP2009275629A (ja) * 2008-05-15 2009-11-26 Denso Corp 車両の点火装置
JP2011124269A (ja) * 2009-12-08 2011-06-23 Mitsubishi Electric Corp イグナイタ用電力半導体装置

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