CN111664043A - 半导体集成电路 - Google Patents

Abstract

提供半导体集成电路。能针对对电源短路故障、像浪涌电压那样在短时间急剧变化的高电压保护功率开关元件和控制电路。点火器(1)在输入端子(IN)与控制电路(12)的电源端子之间具有第1降压电路(15)，在输入端子(IN)与IGBT(11)的栅极之间具有第2降压电路(16)。若因对电源短路故障而向输入端子(IN)输入电池电压，则第1降压电路(15)将电池电压降压到控制电路(12)的电源电压。如果因对电源短路故障而向输入端子输入电池电压，则第2降压电路(16)将电池电压降压到IGBT(11)的栅极电压。针对浪涌电压，以齐纳二极管组(13)以及第1降压电路(15)和第2降压电路(16)这两级结构进行减压。

Description

半导体集成电路

技术领域

本发明涉及作为具备驱动车辆用内燃机的点火系统的点火线圈那样的负载的功率开关元件和保护该功率开关元件的控制电路的点火器的半导体集成电路。

背景技术

点火器具备通过将点火线圈的初级线圈通电或切断而能够使次级线圈产生使火花塞进行电气放电的高电压的半导体的功率开关元件。作为功率开关元件，使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)那样的电压控制型半导体元件。另外，作为功率开关元件，还可以使用MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)那样的其它的电压控制型半导体元件。

在点火器中，通过对输入端子施加栅极电压而使功率开关元件导通，并在未施加栅极电压时使功率开关元件关断。此时，保护该功率开关元件的控制电路有以施加于输入端子的栅极电压作为电源进行动作的控制电路，在这种类型的点火器中，在未施加栅极电压时，停止控制电路的动作。

点火器还设置于内燃机的附近，并通过线束与发动机控制单元(ECU：ElectronicControl Unit)连接，被从发动机控制单元供给的栅极电压控制。因此，仅从发动机控制单元向点火器供给栅极电压。但是，在发动机控制单元侧的线束中，有时用于其他电路装置的电源供给用的线材与连接到点火器的输入端子的栅极电压用的信号线接触。这种情况下，有可能发生在点火器的输入端子直接施加电池的电压之类的对电源短路故障。

在点火器中，功率开关元件和控制电路例如以5伏(V)左右的低的栅极电压进行动作，但是如果发生对电源短路故障，则被施加有作为电池电压的高电压，所以根据情况不同，有时会发生破坏。

因此，已知即使有对电源短路故障也保护功率开关元件和控制电路不受破坏的点火器(例如参照专利文献1)。根据该专利文献1，在被输入栅极电压的输入端子与功率开关元件的栅极之间以及输入端子与将功率开关元件的栅极电压作为电源电压进行动作的控制电路之间设置有对电源短路保护电路。该对电源短路保护电路具有对施加于输入端子的电压进行分压而设为低电压的第1分压电路、与该第1分压电路串联连接而使第1分压电路有效或无效的开关元件以及对施加于输入端子的电压进行检测的第2分压电路。在此，在施加于输入端子的电压为通常的栅极电压的情况下，第2分压电路将开关元件关断，第1分压电路变成仅作为与功率开关元件的栅极连接的栅极电阻的一部分发挥功能。另一方面，如果第2分压电路检测到施加于输入端子的电压变为预定的电压以上，则将开关元件导通而第1分压电路变为有效。由此，输入电压被分压到接近于栅极电压的值，因此即使有对电源短路故障，也保护点火器的功率开关元件和控制电路不因高电压的施加而破坏。

另外，在专利文献1的点火器中，在被输入栅极电压的输入端子设置有针对以静电放电(ESD：Electro-Static Discharge)为代表的浪涌电压进行保护的电路。该保护电路由齐纳二极管构成，并且如果对输入端子施加超过齐纳二极管的击穿电压那样的浪涌电压则进行导通而吸收浪涌电压。

这样，专利文献1的点火器在输入端子具备对电源短路保护电路和浪涌电压保护用的齐纳二极管。由此，功率开关元件和控制电路受对电源短路保护电路保护而免受比较高的直流电压的影响，并且受齐纳二极管保护而免受脉冲状的浪涌电压的影响。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2018-007539号公报

发明内容

技术问题

现有的点火器利用齐纳二极管针对浪涌电压进行一定程度的保护。然而，如果考虑到此时的齐纳二极管的动作电阻等，则在对电源短路保护电路中，在齐纳二极管的击穿电压上加入因齐纳二极管的动作电阻而产生的电压降。由于该电压是比发生对电源短路故障时的电压高且对电源短路保护电路的保护动作无法跟随的急剧变化的电压，所以这样的电压被输入到对电源短路保护电路中。在对电源短路保护电路中，第2分压电路检测到急剧变化的高电压而使开关元件导通，并在其后，使第1分压电路有效，因此存在不可避免地产生由有源元件引起的动作延迟，并在其间，高电压被传播到内部的问题。

本发明是鉴于这种情况而做出的，目的在于提供具备能够针对像浪涌电压那样在短时间急剧变化的高电压保护功率开关元件和控制电路的对电源短路保护电路的半导体集成电路。

技术方案

在本发明中，为了解决上述课题，在1个方案中，提供一种半导体集成电路，其具备：功率开关元件；控制电路，其将控制功率开关元件的栅极电压作为电源电压来使用；静电放电保护器件，其与被输入栅极电压的输入端子连接并保护功率开关元件和控制电路避免其因静电放电而破坏；以及对电源短路保护电路，其在被输入由对电源短路故障引起的高电压时保护功率开关元件和控制电路避免其因高电压而破坏。该半导体集成电路的对电源短路保护电路具有：第1降压电路，其配置于被输入栅极电压的输入端子与控制电路之间，并在被输入了高电压时将高电压降压到与控制电路的电源电压的电压接近的电压；以及第2降压电路，其配置于输入端子与功率开关元件的栅极之间，并在被输入了高电压时将高电压降压到接近于栅极电压的电压。

发明效果

在上述构成的半导体集成电路中，第1降压电路和第2降压电路不仅针对由对电源短路故障引起的高电压进行降压，针对由静电放电保护器件钳位的急剧地变化的高电压也同样地进行降压，因此有被施加的浪涌电压不向内部传播的优点。另外，由于第1降压电路保护向控制电路的电源电压，第2降压电路保护向功率开关元件的栅极电压，所以容易设计分别适于功率开关元件和控制电路的降压电路。

附图说明

图1是表示包含本发明的实施方式的点火器的点火系统的构成例的图。

图2是表示第1降压电路的一个例子的图。

图3是说明第1降压电路的高电压输入时的降压状态的说明图。

符号说明

1：点火器

2：点火线圈

3：火花塞

4：电池

11：IGBT

12：控制电路

13：齐纳二极管组

14：下拉电阻

15：第1降压电路

16：第2降压电路

17：栅极电阻

18：加速二极管

19：开关元件

D11、D12：齐纳二极管

GND：接地端子

IN：输入端子

OUT：输出端子

R1a、R1b、R1c：电阻

具体实施方式

以下，参照附图，以将半导体集成电路应用到车辆用内燃机的点火系统的点火器的情况为例对本发明的实施方式进行详细说明。应予说明，在图示的例子中，对点火器的功率开关元件使用IGBT的情况进行说明，但是也可以使用功率MOSFET。

图1是表示包含本发明的实施方式的点火器的点火系统的构成例的图，图2是表示第1降压电路的一个例子的图，图3是说明第1降压电路的高电压输入时的降压状态的说明图。

点火系统具备点火器1、点火线圈2和火花塞3，在点火线圈2的初级线圈和次级线圈的一个端子连接有电池4的正极端子。电池4是输出例如12V的电压的汽车用电池。点火器1基于从发动机控制单元供给的栅极电压，以使点火线圈2通电或切断的方式进行控制。点火线圈2通过在通电时从电池4供给的电流流过初级线圈而使初级线圈成为电磁体，在卷绕有初级线圈的磁芯的内部产生磁力线的束。如果在预定的点火时刻点火器1切断点火线圈2，则磁芯的内部的磁通突然消失，由此在卷绕于相同磁芯的次级线圈上产生因电磁感应而引起的高电压。如果该高电压施加于火花塞3，则火花塞3在其间隙产生放电，对发动机的燃烧室内的混合气体进行点火而使其燃烧。

点火器1具备作为功率开关元件的IGBT 11和保护该IGBT的控制电路12，但是在该实施方式中，构成为将控制IGBT 11的栅极电压作为控制电路12的电源来进行动作。因此，该点火器1具有被施加栅极电压的输入端子IN、与点火线圈2的初级线圈连接的输出端子OUT和与车辆的底盘连接的接地端子GND，不具有用于控制电路12的电源端子。

点火器1的输入端子IN与串联连接了3个齐纳二极管的齐纳二极管组13的阴极连接，齐纳二极管组13的阳极与接地端子GND连接。该齐纳二极管组13是保护点火器1免受因组装装置等与输入端子IN接触而产生的静电放电的影响的静电放电保护器件。构成齐纳二极管组13的齐纳二极管例如是击穿电压为6V左右的齐纳二极管，因此，齐纳二极管组13能够将施加于输入端子IN的浪涌电压钳位到18V左右。

输入端子IN还与下拉电阻14的一个端子连接，下拉电阻14的另一个端子与接地端子GND连接。该下拉电阻14在发动机控制单元中的构成驱动电路的输出电路的晶体管为单个的情况下有用。换言之，在由1个晶体管构成驱动电路的输出电路的情况下，在将IGBT 11关断时，仅通过不向栅极供给电压就使输出电路的阻抗升高。此时，由于下拉电阻14能够使蓄积于IGBT 11的栅极电容的电荷放电，所以能够迅速地将栅极电压降低到IGBT 11的阈值电压以下。应予说明，在发动机控制单元中的驱动电路的输出电路采用推挽的电路结构的情况下，下拉电阻14的作用的贡献小。这是因为，在将IGBT 11关断时，推挽的低电位侧的晶体管将蓄积于IGBT 11的栅极电容的电荷作为灌电流而抽出，从而不需要利用下拉电阻14进行放电。

输入端子IN还与构成对电源短路保护电路的第1降压电路15的输入和第2降压电路16的输入连接。第1降压电路15的输出与控制电路12的电源端子连接，第2降压电路16的输出与栅极电阻17的一个端子和加速二极管18的阴极连接。第1降压电路15和第2降压电路16的低电位侧端子分别与接地端子GND连接。这些第1降压电路15和第2降压电路16分别仅在对输入端子IN施加有电池电压或浪涌电压时动作，在被施加正常的栅极电压时，不会进行任何动作。

栅极电阻17的另一个端子和加速二极管18的阳极与IGBT 11的栅极连接，IGBT 11的集电极与输出端子OUT连接，IGBT 11的发射极与接地端子GND连接。在将IGBT 11关断时，加速二极管18通过使从IGBT 11的栅极朝向输入端子IN的电流将栅极电阻17短路，从而使IGBT 11的关断时的动作高速化。

控制电路12的输出端子与开关元件19的栅极连接。该开关元件19例如可以采用N沟道MOSFET，其漏极与IGBT 11的栅极连接，开关元件19的源极与IGBT 11的发射极连接。该控制电路12和开关元件19用于基于来自检测IGBT 11的过电流状态或过热或由计时器产生的输入信号的高锁定状态的未图示的电路的异常检测信号，强制性地降低IGBT 11的栅极电压，从而保护IGBT 11不受其破坏。

根据以上的构成的点火器1，如果从发动机控制单元施加有例如5V的栅极电压，则该栅极电压介由第2降压电路16和栅极电阻17被施加于IGBT 11的栅极。由此，如果IGBT 11的栅极电容被充电而使IGBT 11导通，则从电池4供给的电流介由点火线圈2的初级线圈和IGBT 11流向地，并在点火线圈2的磁芯的内部产生磁通。

其后，如果从发动机控制单元施加0V的栅极电压，则蓄积于IGBT 11的栅极电容的电荷介由加速二极管18和第2降压电路16被下拉电阻14消耗。或者，蓄积于栅极电容的电荷介由加速二极管18和第2降压电路16被抽向发动机控制单元。由此，由于IGBT 11被关断，所以点火线圈2的磁芯的内部的磁通突变为消失，因此通过电磁感应在点火线圈2的次级线圈产生高电压，在火花塞3的间隙产生放电。

如上，通过IGBT 11反复进行导通和关断，能够使火花塞3周期性地连续地发生放电。在IGBT 11反复进行导通和关断时，如果控制电路12检测到任何异常，则控制电路12使开关元件19导通，由此强制性地降低IGBT 11的栅极电压而将IGBT 11关断。由此，保护点火器1避免其因异常发生而引起IGBT 11的元件破坏。

接下来，对作为对电源短路保护电路的第1降压电路15和第2降压电路16的具体例进行说明。由于第1降压电路15和第2降压电路16分别具有相同的电路结构，所以在此代表性地对第1降压电路15进行说明。

第1降压电路15在图2所示的构成例中具有电阻R1a、R1b、R1c和齐纳二极管D11、D12。电阻R1a的一个端子与输入端子IN连接，电阻R1a的另一个端子与电阻R1b的一个端子连接，电阻R1b的另一个端子与齐纳二极管D11的阴极连接，齐纳二极管D11的阳极与接地端子GND连接。电阻R1a的另一个端子还与电阻R1c的一个端子连接，电阻R1c的另一个端子与齐纳二极管D12的阴极连接，齐纳二极管D12的阳极与接地端子GND连接。在此，将始终与控制电路12连接的电阻R1a、R1c设定为考虑到控制电路12的消耗电流而可以得到所需要的电压降的值，电阻R1a、R1b决定相对于电池电压降压时的分压比。

首先，第1降压电路15在输入端子IN被输入比齐纳二极管D11、D12的击穿电压低的栅极电压的情况下，齐纳二极管D11、D12不会导通。因此，栅极电压介由电阻R1a、R1c的串联电路而向控制电路12供电。另一方面，在输入端子IN被输入电池电压的情况下，第1降压电路15通过第1级的降压部使输入电压V0降压到电压V11，并通过第2级的降压部使电压V11降压到电压V12而向控制电路12供电。此时的电压V12与齐纳二极管D12的击穿电压相等，成为接近于控制电路12的电源电压的电压。

在此，齐纳二极管D11、D12分别与构成齐纳二极管组13的齐纳二极管相同地击穿电压为6V左右。因此，作为第1降压电路15的最终级的第2级的降压部能够仅通过齐纳二极管D12直接降压到接近于控制电路12的电源电压的6V，所以未使用用于像与第1级的电阻R1b相当的电阻那样获得分压比的电阻。

该第1降压电路15还不使用像晶体管那样从受到浪涌电压起到开始进行保护动作为止产生迟延那样的元件，仅由在实质上能够忽视迟延动作的响应性好的元件构成。因此，该第1降压电路15对于针对电池电压的对电源短路保护自不必说，对于像浪涌电压那样在短时间发生急剧变化的高电压也能够进行保护。

接下来，参照图2和图3，对在点火器1的输入端子IN被输入电池电压的情况下在第1降压电路15中如何吸收能量而使供给到控制电路12的电压降低进行说明。在图2中，电压V0是输入到输入端子IN的电压，电压V11是通过第1降压电路15的第1级的降压部进行降压而得的电压，电压V12是通过第2级的降压部进行降压而得的电压。电流I0是在齐纳二极管组13中流通的电流，电流I11是在第1级的降压部的电阻R1b和齐纳二极管D11中流通的电流，电流I12是在第2级的降压部的齐纳二极管D12中流通的电流。另外，在图3中，横轴表示电压，纵轴表示电流，电压Vz是齐纳二极管组13的各齐纳二极管和第1降压电路15的齐纳二极管D11、D12的击穿电压。

在点火器1的输入端子IN被输入电池电压时，电池电压首先被施加于齐纳二极管组13。由于齐纳二极管组13是串联连接3个齐纳二极管而构成，所以整体的击穿电压为3×Vz(3×6＝18V)。电池电压为12V，在交流发电机发电而进行充电时为14V，所以即使再高也就是16V。因此，即使输入端子IN被输入电池电压，齐纳二极管组13中也不会流通电流。然而，在输入端子IN被输入浪涌电压时，在齐纳二极管组13中流通电流I0，此时，齐纳二极管组13的两端的电压为电压V0。由于齐纳二极管组13具有动作电阻，所以其电压降与电流之间的关系由以3×Vz的电压为起点且具有与动作电阻对应的斜率的直线来表示。

接下来，在第1降压电路15中，第1级的降压部的电阻R1a的负载线由以电压V0为起点的直线来表示，相对于齐纳二极管D11的动作电阻和电阻R1b的总计的电阻的电压降与电流之间的关系由以Vz的电压为起点的直线表示。因此，由第1级的降压部降压而得的电压从电压V0成为这些直线的交点的电压V11，此时，在电阻R1b和齐纳二极管D11中流通的电流为电流I11。

接下来，在第2级的降压部中，电阻R1c的负载线由以电压V11为起点的直线来表示，相对于齐纳二极管D12的动作电阻的电压降与电流之间的关系由以Vz的电压为起点的直线表示。因此，由第2级的降压部降压而得的电压从电压V11成为这些直线的交点的电压V12，此时，在齐纳二极管D12中流通的电流为电流I12。即，在被输入电池电压时第1降压电路15所输出的电压V12成为在齐纳二极管D12的击穿电压上加入由齐纳二极管D12的动作电阻引起的电压降而得的电压。齐纳二极管D12的击穿电压为6V左右，由于由齐纳二极管D12的动作电阻引起的电压降相当小，所以输入到输入端子IN的电池电压被钳位到6V左右的电压，进行对电源短路保护。

另外，在输入端子IN被输入了浪涌电压时，虽然因齐纳二极管组13的动作电阻，在第1降压电路15输入比3×Vz的电压高的电压V0，但是其也被钳位到电压V11。由此，可靠地阻止向控制电路12施加的浪涌电压传播。

对于第2降压电路16，也具有与第1降压电路15相同的电路结构，但是关于电阻值，分别被进行最佳化，以使被施加的浪涌电压降压到接近于应施加到IGBT 11的栅极的电压的电压。由于第2降压电路16是与第1降压电路15相同的电路结构，所以在输入端子IN被输入了电池电压或浪涌电压时的动作与上述的第1降压电路15的动作相同。

这样，该点火器1作为对电源短路保护电路而具备相同功能的第1降压电路15和第2降压电路16的原因是因为向输入端子IN输入的栅极电压的用途有所不同。即，控制电路12在被输入栅极电压期间，将该栅极电压作为电源而进行保护动作，与此相对，在IGBT 11中，或者向栅极供给源极电流，或者从栅极抽出灌电流。因此，在该点火器1中，特别是为了避免由控制电路12的消耗电流引起的电压降对IGBT 11的栅极电压的降低造成直接影响，设置用于控制电路12的第1降压电路15和用于IGBT 11的第2降压电路16。

应予说明，在该图2所示的构成例中，第1降压电路15通过由电阻R1a、R1b和齐纳二极管D11构成的降压部以及由电阻R1c和齐纳二极管D12构成的降压部这2级构成。但是，该第1降压电路15的级数不限于这2级，例如也可以根据电池电压而由3级以上的降压部构成。

Claims (6)

1.一种半导体集成电路，其特征在于，具备：

功率开关元件；

控制电路，其将控制所述功率开关元件的栅极电压作为电源电压来使用；

静电放电保护器件，其与被输入所述栅极电压的输入端子连接并保护所述功率开关元件和所述控制电路避免其因静电放电而破坏；以及

对电源短路保护电路，其在被输入由对电源短路故障引起的高电压时保护所述功率开关元件和所述控制电路避免其因所述高电压而破坏，

所述对电源短路保护电路具有：

第1降压电路，其配置于被输入所述栅极电压的输入端子与所述控制电路之间，并在被输入了所述高电压时将所述高电压降压到与所述控制电路的所述电源电压的电压接近的电压；以及

第2降压电路，其配置于所述输入端子与所述功率开关元件的栅极之间，并在被输入了所述高电压时将所述高电压降压到与所述栅极电压接近的电压。

2.根据权利要求1所述的半导体集成电路，其特征在于，所述第1降压电路和所述第2降压电路具有依次对输入到所述输入端子的所述高电压进行降压的多级的降压部。

3.根据权利要求2所述的半导体集成电路，其特征在于，配置于所述输入端子一侧的所述降压部具有串联连接的第1电阻、第2电阻和第1齐纳二极管。

4.根据权利要求3所述的半导体集成电路，其特征在于，配置于最终级的所述降压部具有串联连接的第3电阻和第2齐纳二极管，并将从前一级接受到的电压钳位在所述第2齐纳二极管的击穿电压。

5.根据权利要求1所述的半导体集成电路，其特征在于，所述半导体集成电路具有与所述静电放电保护器件并联连接的下拉电阻。

6.根据权利要求1所述的半导体集成电路，其特征在于，所述半导体集成电路是控制所述功率开关元件使点火线圈通电或切断的点火器。

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