CN109209721A - 内燃机点火用的半导体装置 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机点火用的半导体装置，通过使功率半导体开关元件接通、断开来使火花塞产生火花，该半导体装置具备：功率半导体开关元件，该功率半导体开关元件的集电极与点火线圈的初级绕组连接，该功率半导体开关元件根据从外部的控制电路输入到其栅极的控制信号来接通、断开；辅助电压电路，其将与功率半导体开关元件的集电极电压相应的辅助电压施加于该功率半导体开关元件的栅极；以及恒流电路，其设置于辅助电压电路与功率半导体开关元件的栅极之间，在高压浪涌从外部的电源侧经由初级绕组施加到辅助电压电路的情况下，该恒流电路对从该辅助电压电路流向功率半导体开关元件的栅极的电流进行限制。

Description

内燃机点火用的半导体装置
技术领域
本发明涉及一种汽车等的内燃机点火用的半导体装置，更详细地说，涉及一种用于与功率半导体开关元件的接通、断开相应地在火花塞的电极之间产生火花的半导体装置。
背景技术
关于汽车等的内燃机的点火方式，以往，利用机械式机构来对各气缸的火花塞进行配电的分电器(distributor)方式曾为主流，但是近年来独立点火方式正在成为主流，该独立点火方式是以下的方式：对每个火花塞设置点火线圈和功率半导体开关元件，在每个气缸中根据点火时机来调整点火时期。在这种独立点火方式中，采用了被称为点火器(igniter)的模块化的点火用的半导体装置。例如在专利文献1和2中公开了在这种点火器中对功率半导体开关元件进行驱动的技术。另外，例如在专利文献3中公开了以下技术：对于对功率半导体开关元件进行驱动的驱动电路，在抑制谐振的影响的同时抑制驱动时的电力损耗。
专利文献1：日本特开2008-192738号公报
专利文献2：日本特开2015-005866号公报
专利文献3：日本特开2016-149632号公报
发明内容
发明要解决的问题
在上述的点火器中，在功率半导体开关元件被损坏的情况下，汽车等难以行驶，因此寻求一种保护该功率半导体开关元件的技术。在此，作为功率半导体开关元件被损坏的情况的一例，能够想到以下情况：在发电机对车载电池等直流电源进行充电的过程中，该直流电源侧的端子由于某种原因而脱落，从而导致产生高电压/时间常数系统的浪涌(日文：高電圧·時定数系のサージ)，与该高电压的浪涌相应的过剩的电流流过功率半导体开关元件的栅极。
因此，本发明是鉴于上述的实际情况而完成的，其目的在于提供一种能够抑制以下情况的内燃机点火用的半导体装置：在车载电池等电源侧产生的高电压/时间常数系统的浪涌所引起的过剩的电流流过功率半导体开关元件的栅极。
用于解决问题的方案
为了实现上述的目的，本发明的一个观点所涉及的半导体装置是通过使功率半导体开关元件接通、断开来使火花塞产生火花的内燃机点火用的半导体装置(2)，具备：功率半导体开关元件(23)，该功率半导体开关元件(23)的集电极与点火线圈的初级绕组(31)连接，该功率半导体开关元件(23)根据从外部的控制电路(1)输入到其栅极的控制信号来接通、断开；辅助电压电路(215)，其将与所述功率半导体开关元件(23)的集电极电压相应的辅助电压施加于该功率半导体开关元件(23)的栅极；以及恒流电路(219)，其设置于所述辅助电压电路(215)与所述功率半导体开关元件(23)的栅极之间，在高压浪涌从外部的电源(4)侧经由初级绕组(31)施加到所述辅助电压电路(215)的情况下，该恒流电路(219)对从该辅助电压电路(215)流向所述功率半导体开关元件(23)的栅极的电流进行限制。
辅助电压电路是将与功率半导体开关元件的集电极电压相应地由辅助电压电路生成的电压施加于功率半导体开关元件的栅极的电路，是抑制因功率半导体开关元件的开关动作而引起的振荡的电路。通过在从该辅助电压电路向功率半导体开关元件的栅极的电流路径上设置用于限制电流量的恒流电路，即使在电源侧产生高电压/时间常数系统的浪涌，也能够防止叠加了该浪涌量的电压的来自辅助电压电路的辅助电压被施加到功率半导体开关元件的栅极，进而能够防止功率半导体开关元件的损坏。
发明的效果
根据本发明，能够抑制以下情况：在车载电池等电源侧产生的高电压/时间常数系统的浪涌所引起的过剩的电流流过功率半导体开关元件的栅极。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的内燃机点火用的半导体装置的电路图。
图2是表示图1的过热检测电路的结构的一例的电路图。
图3是用于说明图1的半导体装置的动作的时序图。
图4是用于说明图1的半导体装置的动作的时序图。
图5是表示图1的恒流电路的结构的一例的电路图。
图6的(a)和(b)是表示图1的恒流电路的结构的另一例的电路图。
附图标记说明
1：ECU(控制电路)；2：半导体装置；3：点火线圈；4：电池(电源)；5：火花塞；22：过热检测电路；23：功率半导体开关元件；211：半导体开关；212-214：电阻；215：辅助电压电路(耗尽型IGBT)；216-218：二极管；219：恒流电路；221：电阻；222：过热检测用二极管；223：反相器。
具体实施方式
下面，参照附图来详细说明本发明的实施方式。
(整体结构)
下面，参照图1来详细说明本发明的实施方式所涉及的内燃机点火用的半导体装置的整体结构。关于该半导体装置的特征，若列举一例则在于：在辅助电压电路与功率半导体开关元件的栅极之间具备后述的恒流电路。
如图1所示，该半导体装置2例如是被称为单芯片点火器的半导体装置，应用于具备ECU(Electronic Control Unit(电子控制单元)，也称为控制电路)1、点火线圈3、电池(也称为电源)4以及火花塞5的汽车等的内燃机的点火系统，该半导体装置2根据来自外部的ECU 1的控制信号来使汽车等的内燃机的火花塞5的电极之间产生火花。半导体装置2具备功率半导体开关元件23、过热检测电路22、半导体开关211、电阻212至214、辅助电压电路215、二极管216至218以及恒流电路219。
功率半导体开关元件23例如由IGBT构成，其集电极与点火线圈3的初级绕组31的一端连接，其发射极接地，其栅极经由电阻212及214、输入端子IN来与外部的ECU 1连接。功率半导体开关元件23根据来自ECU 1的控制信号来接通、断开。
在本实施方式中，例如，当ECU 1将5V的控制信号(下面也称为接通信号)输出到输入端子IN时，电压经由电阻212、214施加到功率半导体开关元件23的栅极，功率半导体开关元件23接通。通过功率半导体开关元件23的接通，集电极-发射极之间导通，电流(集电极电流)流过功率半导体开关元件23，进而，电流流过初级绕组3。另一方面，当ECU 1将小于1V的控制信号(下面也称为断开信号)输出到输入端子IN时，功率半导体开关元件23断开。在该情况下，在点火线圈3的次级绕组32中蓄积能量，该次级绕组32的两端电压增加。该两端电压被施加到火花塞5，该火花塞5的一端与次级绕组32连接，另一端接地。由此，在火花塞5的电极之间产生火花。
过热检测电路22例如如图2所示那样构成为包括电阻221、二极管222以及反相器223，过热检测电路22的输入端连接于电阻212与输入端子IN之间，过热检测电路22的输出端与半导体开关211的栅极连接。在功率半导体开关元件23的动作结温变为规定的阈值(例如，180℃)以上时，过热检测电路22将过热检测信号输出到半导体开关211。
半导体开关211例如由N型的MOSFET构成，其漏极连接于电阻212、214之间，其栅极与过热检测电路22的输出端连接，其源极接地。半导体开关211根据来自过热检测电路22的过热检测信号来接通，经由电阻214将施加于功率半导体开关元件23的栅极的电压下拉。由此，功率半导体开关元件23不取决于来自ECU 1的控制信号地断开。
辅助电压电路215例如构成为包括耗尽型(也被称为常通型)的IGBT，该IGBT的集电极同功率半导体开关元件23的集电极一起与点火线圈3的初级绕组31的一端连接，该IGBT的栅极经由二极管216和电阻213来与恒流电路219的输入端连接，并且经由二极管217、218来接地，另外还与自己的发射极反馈连接。此外，二极管217、218例如分别是齐纳二极管，以从耗尽型IGBT朝向地的方向而言，二极管217被反向地连接，二极管218被正向地连接。
辅助电压电路215将与功率半导体开关元件23的集电极电压相应地在耗尽型IGBT的发射极产生的电压(也称为辅助电压)施加于功率半导体开关元件23的栅极。由此，与功率半导体开关元件23的集电极电压的升高相应地，增加流过功率半导体开关元件23的集电极-发射极之间的电流，进而抑制功率半导体开关元件23的集电极电压的振动。也就是说，辅助电压电路215是用于抑制功率半导体开关元件23的开关动作时的振荡的电路。
恒流电路219的输入端经由电阻213和二极管216来与构成辅助电压电路215的IGBT的栅极连接。此外，二极管216例如是齐纳二极管，以从辅助电压电路215的IGBT朝向恒流电路219的方向而言，该二极管216被正向地连接。另外，恒流电路219的输出端连接于电阻212、214之间，还经由电阻214来与半导体开关211的漏极连接。恒流电路219例如是如下电路：该电路构成为使电流固定，以避免在电池4侧产生高电压/时间常数系统的浪涌时叠加了该浪涌的辅助电压电路215的辅助电压施加到功率半导体开关元件23的栅极的电路。更具体地说，恒流电路219是在产生浪涌时将流向功率半导体开关元件23的栅极的电流的电流量的上限限制至半导体开关211所能够流通的电流量(下面也称为容许电流量)的电路。
(动作)
接着，下面详细说明上述的内燃机点火用的半导体装置的动作。
从外部的ECU 1将接通信号经由输入端子IN、电阻212、214输入到功率半导体开关元件23的栅极，由此功率半导体开关元件23接通。在该情况下，集电极电流Ic开始从电池4经由点火线圈3的初级绕组31流向功率半导体开关元件23，并增加至固定值(例如，20A)。
接着，从ECU 1将断开信号经由输入端子IN、电阻212、214输入到功率半导体开关元件23的栅极，由此功率半导体开关元件23断开。由此，集电极电流Ic急剧减少。由于集电极电流Ic的减少，点火线圈3的次级绕组32的两端电压增加至数十kV(例如，30kV)，该电压被施加到火花塞5。火花塞5在施加电压为约10kV以上时在电极之间产生火花。
功率半导体开关元件23重复进行这种开关动作，由此相应地火花塞5间歇地在电极之间产生火花。在此，辅助电压电路215将与功率半导体开关元件23的集电极电压相应地在辅助电压电路的耗尽型IGBT的发射极产生的电压作为辅助电压施加于功率半导体开关元件23的栅极。由此，与功率半导体开关元件23的集电极电压的升高相应地，集电极电流Ic增加，进而集电极电压的振荡被抑制。
接着，说明功率半导体开关元件23的动作结温变为高温的情况。例如，当在内燃机的发电机(未图示)对电池4进行充电的过程中电池4的端子由于某种原因而脱落的情况下，瞬间性地产生高电压(例如，90V)的甩负荷浪涌(load dump surge)。该甩负荷浪涌被施加到点火线圈3。当在与此相同的时机从ECU1将接通信号输入到功率半导体开关元件23的栅极的情况下，功率半导体开关元件23在高瓦数下接通，其动作结温变为高温。这是因为，由于甩负荷浪涌的产生，功率半导体开关元件23的集电极电压变为高电压，过剩的电压通过辅助电压电路215经由电阻214被提供到功率半导体开关元件23的栅极。
在该情况下，当动作结温变为规定的温度时，利用与功率半导体开关元件23的栅极连接的过热检测电路22的电阻221和齐纳二极管222得到的分压电压减少，反相器223输出H水平的信号。该H水平的信号被输入到半导体开关211的栅极。由此，半导体开关211接通，功率半导体开关元件23的栅极与地之间导通。
在这种动作时，上述的甩负荷浪涌所引起的过剩的电流通过辅助电压电路215经由二极管216、电阻213被提供到功率半导体开关元件23的栅极。该过剩的电流超过半导体开关211所能够流通的电流量的情况多。在该情况下，即使功率半导体开关元件23的栅极与地之间经由半导体开关211等导通，也无法将功率半导体开关元件23的栅极电压充分地下拉，集电极电流Ic持续流通。由于集电极电流Ic持续流通，功率半导体开关元件23的动作结温上升，其结果是功率半导体开关元件23发生热失控而被损坏。
然而，在本实施方式中，在辅助电压电路215与功率半导体开关元件23的栅极之间设置有恒流电路219。在该情况下，在与甩负荷浪涌相伴的过剩的电流从辅助电压电路215经由二极管216、电阻213、214提供到功率半导体开关元件23的栅极之前，通过恒流电路219来抑制过剩的电流的提供。该过剩的电流的电流量被恒流电路219限制至半导体开关211的容许电流量，因此流过功率半导体开关元件23的栅极的电流的电流量被限制至半导体开关211的容许电流量。因而，即使产生甩负荷浪涌，也能够借助半导体开关211来将功率半导体开关元件23的栅极电压下拉，进而能够防止因热失控引起的功率半导体开关元件23的损坏。
参照图3和图4的时序图来进一步说明如以上那样的动作。
首先，在从ECU 1将控制信号(接通信号)输入到输入端子IN的情况下(参照图3和图4的“控制信号”)，电压被施加到功率半导体开关元件23的栅极(参照图3和图4的“栅极电压Vg”)，该功率半导体开关元件23的集电极电流Ic开始流通(参照图3和图4的“集电极电流Ic”)。在该情况下，当电池4的端子脱落时，产生甩负荷浪涌。甩负荷浪涌叠加于来自辅助电压电路215的辅助电压(参照图3和图4的“辅助电压Vc”)。
在不存在本实施方式的恒流电路219的情况下，如图4所示，即使检测出过热(参照“过热检测”)而半导体开关211接通，也无法将栅极电压Vg下拉至0V，集电极电流Ic流通到点火线圈3饱和为止。另一方面，通过设置本实施方式的恒流电路219，如图3所示，当检测出过热而半导体开关211接通时，流过功率半导体开关元件23的栅极的电流的电流量被限制至半导体开关211的容许电流量，因此该栅极被可靠地下拉，能够切断流过功率半导体开关元件23的集电极电流Ic。
图5、图6的(a)、(b)中示出了如以上所说明的那样的恒流电路219的结构的一例。恒流电路219例如能够如图5所示那样由JFET(结型FET)和电阻构成。另外，也可以如图6的(a)所示那样还具备运算放大器(差分放大器)。在该情况下，与图5的电路结构相比，例如具有以下优点等：通过设置运算放大器作为驱动器来使恒流电路219的动作易于稳定化；能够根据用途来使电流量可变。图6的(b)表示该情况下的运算放大器的详情。
(作用、效果)
如以上所说明的那样，根据本实施方式，具备辅助电压电路215的内燃机点火用的半导体装置2在辅助电压电路215与功率半导体开关元件23的栅极之间连接有恒流电路219。由此，能够防止以甩负荷浪涌为代表的高集电极电压/时间常数系统的浪涌所引起的过剩的电流被提供到功率半导体开关元件23的栅极。
另外，过剩的电流的电流量被恒流电路219限制至半导体开关211的容许电流量，因此通过使半导体开关211与检测出过热相应地接通以将功率半导体开关元件23的栅极与地之间导通，能够将栅极电压可靠地下拉。由此，即使正在施加甩负荷浪涌，功率半导体开关元件23也能够可靠地断开，因此能够防止因热失控引起的损坏。
本发明不限定于上述的实施方式，能够在不脱离本发明的技术范围的范围内进行各种应用、变更。这种应用、变更也包含于本发明的技术范围，而且包含于由权利要求书划定的技术范围及其等同的范围。

Claims (7)

1.一种内燃机点火用的半导体装置，通过使功率半导体开关元件接通、断开来使火花塞产生火花，该半导体装置的特征在于，具备：
功率半导体开关元件，该功率半导体开关元件的集电极与点火线圈的初级绕组连接，该功率半导体开关元件根据从外部的控制电路输入到其栅极的控制信号来接通、断开；
辅助电压电路，其将与所述功率半导体开关元件的集电极电压相应的辅助电压施加于该功率半导体开关元件的栅极；以及
恒流电路，其设置于所述辅助电压电路与所述功率半导体开关元件的栅极之间，在高压浪涌从外部的电源侧经由初级绕组施加到所述辅助电压电路的情况下，该恒流电路对从该辅助电压电路流向所述功率半导体开关元件的栅极的电流进行限制。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，还具备：
过热检测电路，其检测所述功率半导体开关元件的温度；以及
半导体开关，其根据来自所述过热检测电路的过热检测信号而接通，来使所述功率半导体开关元件的栅极与地之间导通。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，
所述恒流电路将流向所述功率半导体开关元件的栅极的电流量限制为小于所述半导体开关的容许电流量。
4.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，
所述过热检测电路具备用于检测所述功率半导体开关元件的温度的二极管以及用于输出所述过热检测信号的反相器。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述辅助电压电路构成为包括常通型的功率半导体元件。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述恒流电路构成为包括功率半导体元件以及负反馈型的差分放大器，该负反馈型的差分放大器的输出端与所述功率半导体元件的栅极连接。
7.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述半导体装置被集成为一个芯片。
CN201810447969.1A 2017-06-30 2018-05-11 内燃机点火用的半导体装置 Pending CN109209721A (zh)

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