CN111664044A - 半导体集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供在点火器导通时即使电池侧的开关被切断也不使除开关控制下的点火器外的其他电路破损的半导体集成电路。感测IGBT(12)和电流检测电阻Rsns监视主IGBT(11)的集电极电流Ic，若检测到电压因开关切断而降低则迟滞比较器CMP输出电压Vcmp。逻辑电路(15)根据来自输入识别电路(16)的输入识别电压Vin1和电压而输出逻辑输出电压Vlogic。逻辑输出电压导通半导体开关(M1)而降低栅极电压Vgate，导通半导体开关(M2)而降低钳位二极管(D1a、D1b)的耐压。利用钳位二极管(D1a)对因降低栅极电压Vgate而上升的集电极电压Vc进行钳位，防止产生使其他电路破损的异常电压。

Description

半导体集成电路
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路，其具备驱动车辆用内燃机的点火系统中的、如点火线圈那样的线圈负载的电压控制型半导体功率开关元件。
背景技术
在将汽油作为燃料的车辆用内燃机中使用有如下点火系统：通过将填充到内燃机的燃烧室的燃料与空气的混合气体在预定的时刻点火而使其燃烧。
图3是示出通常的点火系统的构成例的图。
点火系统具备点火器100、具有初级线圈L1和次级线圈L2的点火线圈200、以及火花塞300。点火线圈200的初级线圈L1和次级线圈L2一侧的端子经由开关400与电池500的正极端子连接，电池500的负极端子与车辆的底盘连接。应予说明，作为开关400，有附属开关、设置在包括点火器100的电装件的继电器开关、保险丝等。
点火线圈200的初级线圈L1的另一侧的端子与点火器100的输出端子OUT连接，点火器100的输入端子IN与发动机控制单元(ECU：Electronic Control Unit)600连接。另外，点火器100具有接地端子GND，并且与电池500的负极端子连接。点火线圈200的次级线圈L2的另一侧的端子与火花塞300的中心电极连接，火花塞300的接地电极与内燃机的罩盖螺合而电接地。
点火器100具有连接于输出端子OUT与接地端子GND之间而进行开关动作的电压控制型半导体功率开关元件。在图示的例子中，在电压控制型半导体功率开关元件中使用了IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)101。应予说明，作为电压控制型半导体功率开关元件，也有使用如MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属-氧化物半导体场效应晶体管)那样的其他的电压控制型半导体功率开关元件的情况。IGBT101的集电极与输出端子OUT连接，栅极经由栅极电阻102与输入端子IN连接，并且发射极与接地端子GND连接。
点火器100还具有设置在IGBT101的栅极发射极之间而进行IGBT101的保护动作的控制电路103。该控制电路103将供给到IGBT101的栅极的输入电压Vin作为电源电压，并且仅在被输入将IGBT101导通控制时的输入电压Vin的期间进行动作。点火器100还具有设置在IGBT101的集电极栅极之间的点火线圈200的逆向电压保护用的钳位二极管104、以及设置在输入端子IN与IGBT101的发射极之间的静电放电保护用的二极管105。
发动机控制单元600具有与点火器100的输入端子IN连接而驱动IGBT101的IGBT驱动电路601。发动机控制单元600还具有控制内燃机所需要的多个IC(Integrated Circuit：集成电路)602、IC603。这些IC602、IC603是信号处理所使用的处理器，该信号处理为点火时期的控制、燃料喷射装置的控制、进气排气系统的控制、动阀机构的控制、启动马达或防盗系统等的启动控制的信号处理。
在以上点火系统中，假设处于开关400被接通而正在向发动机控制单元600和点火线圈200供给电池500的电池电压VB的状态。在此，若从IGBT驱动电路601向点火器100的输入端子IN输入例如5伏特(V)的输入电压Vin，则该输入电压Vin经由栅极电阻102而施加于IGBT101的栅极。由此，IGBT101导通，将点火线圈200的初级线圈L1通电。其后，若输入电压Vin在预定的时刻变为0V，则IGBT101关断，切断点火线圈200的初级线圈L1。由此，在点火线圈200的次级线圈L2产生高电压，该高电压被供给到火花塞300，在火花塞间隙产生火花放电而将燃烧室的混合气体点火。之后，通过反复进行IGBT101的导通和关断，从而使火花放电间断地产生。
控制电路103将输入电压Vin作为电源电压而进行动作，监视流向IGBT101的电流而使流向IGBT101的电流不超过预定的电流值。为了检测流向IGBT101的电流，通常使用将主IGBT与感测IGBT组合而构成IGBT101的设备(例如，参照专利文献1)。感测IGBT具有与主IGBT相同的构造，但是感测IGBT具有小于主IGBT的尺寸，并且感测IGBT的栅极和集电极与主IGBT的栅极和集电极连接在一起。由此，若电流流向主IGBT，则与流过主IGBT的电流大致成比例的电流被分流至感测IGBT，因此能够通过监视在感测IGBT流通的电流而间接地检测流向主IGBT的电流。控制电路103若检测到流向主IGBT的电流超过了预定的值，则使施加于IGBT101的栅极电压降低而限制流向主IGBT的电流，保护IGBT101不被破坏。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-017512号公报
发明内容
技术问题
然而，在以往的点火系统中，若在IGBT处于导通时有供给电池电压VB的开关意外地切断的情况，则位于开关的下游侧的除点火器以外的电路有可能被破坏。即，若在IGBT处于导通时开关突然切断，则作为感性负荷的点火线圈产生反电动势，初级线圈的点火器侧的端子相对于电源线产生正的高电压。此时，虽然电流从初级线圈经由点火器的处于导通状态的IGBT而流向接地线，但是该电流的一部分成为回流电流而从接地线经由点火器的静电放电保护用的二极管而流入到发动机控制单元的IGBT驱动电路。另外，导致流到接地线的剩余回流电流流入到发动机控制单元的IC的接地端子。即，由于在开关切断的时刻在电源线和接地线施加有反极性的高电压，所以发动机控制单元有可能瞬间性地遭到破坏。
本发明是鉴于这样的点而做出的，其目的在于，提供一种即使在点火器处于导通时开关被意外切断而失去电池电压也不使开关控制下的其他电路破损的半导体集成电路。
技术方案
在本发明中，为了解决上述课题，在一个方案中提供了半导体集成电路。该半导体集成电路具备：半导体功率开关元件，其驱动感性负载；负载电流检测电路，其检测感性负载的负载电流；逻辑电路，其在导通控制半导体功率开关元件时若负载电流检测电路检测到负载电流的降低则输出逻辑信号；栅极电压下拉电路，其若接收到逻辑信号，则下拉半导体功率开关元件的栅极电压；以及钳位耐压降低电路，其若接收到逻辑信号，则将设置在半导体功率开关元件的栅极与半导体功率开关元件的连接有感性负载的高电位端子之间的钳位二极管的耐压切换为低耐压。
根据该半导体集成电路，在利用负载电流检测电路检测到电源线被切断时，栅极电压下拉电路将半导体功率开关元件的栅极电压下拉，并且钳位耐压降低电路将钳位二极管的耐压设定得低。由此，在检测到电源线被切断的时刻关断半导体功率开关元件，但将通过该关断而产生的高电位端子的电压钳位为钳位二极管的低耐压，从而保护半导体功率开关元件。
技术效果
上述构成的半导体集成电路具有如下优点：在半导体功率开关元件处于导通时即使发生电源线被切断的情况，如果负载电流消失，则半导体功率开关元件的高电位端子的电压也消失，因此不产生回流电流。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式的点火器的构成例的电路图。
图2是示出点火器的动作的时序图。
图3是示出通常的点火系统的构成例的图。
符号说明
10 点火器
11 主IGBT
12 感测IGBT
13 集电极电流限制电路
14 基准电压源
15 逻辑电路
16 输入识别电路
17 控制电路
CMP 迟滞比较器
D1a、D1b 钳位二极管
GND 接地端子
IN 输入端子
M1、M2 半导体开关
OUT 输出端子
Rg 栅极电阻
Rsns 电流检测电阻
具体实施方式
以下，以将半导体集成电路适用在车辆用内燃机的点火系统的点火器的情况为例，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。应予说明，虽然在图示的例子中，对将IGBT用作点火器的电压控制型半导体功率开关元件的情况进行说明，但是也可以使用功率MOSFET。
图1是示出本发明的实施方式的点火器的构成例的电路图。图2是示出点火器的动作的时序图。
点火器10具有构成电压控制型半导体功率开关元件的主IGBT11、以及间接地检测流向该主IGBT11的作为负载电流的集电极电流Ic的IGBT12。主IGBT11和感测IGBT12的集电极与输出端子OUT连接，主IGBT11和感测IGBT12的栅极与栅极电阻Rg一侧的端子连接，栅极电阻Rg的另一侧的端子与输入端子IN连接。由此，在输入端子IN被输入输入电压Vin时，在主IGBT11和感测IGBT12的栅极被供给栅极电压Vgate。
主IGBT11的发射极与接地端子GND连接，感测IGBT12的发射极与电流检测电阻Rsns的一侧的端子连接，电流检测电阻Rsns的另一侧的端子与接地端子GND连接。由此，流向感测IGBT12的电流通过电流检测电阻Rsns而转换为感测电压Vsns从而成为检测信号。该检测信号用于限制集电极电流Ic，并且用于检测电池侧的开关被突然切断而失去电池电压的情况。
感测IGBT12的发射极和电流检测电阻Rsns的连接点与集电极电流限制电路13的输入端子连接的同时与迟滞比较器CMP的同相输入端子连接，并且被供给通过电流检测电阻Rsns转换的感测电压Vsns。迟滞比较器CMP的反相输入端子与基准电压源14的正极端子连接，基准电压源14的负极端子与接地端子GND连接。应予说明，基准电压源14输出电流通电检测电平Vs1和电流降低检测电平Vs2(Vs1＞Vs2)作为迟滞比较器CMP的基准电压。迟滞比较器CMP的输出端子与逻辑电路15的一侧的输入端子连接，并且供给比较结果的电压Vcmp。若基于电流检测电阻Rsns的检测信号低于基准电压，则从迟滞比较器CMP输出的电压Vcmp作为低电流检测信号而被供给到逻辑电路15的一侧的输入端子。
输入端子IN与输入识别电路16的输入端子连接，输入识别电路16的输出端子与逻辑电路15的另一侧的输入端子连接，并且供给表示正在接收输入电压Vin的输入识别电压Vin1。逻辑电路15的输出端子与半导体开关M1、半导体开关M2的栅极连接，并且供给作为逻辑信号的逻辑输出电压Vlogic。半导体开关M1、半导体开关M2是N沟道MOSFET。半导体开关M1的漏极与主IGBT11和感测IGBT12的栅极连接，半导体开关M1的源极与接地端子GND连接。半导体开关M1在导通时使栅极电压Vgate降低为接地电位，因此构成栅极电压下拉电路。
主IGBT11和感测IGBT12的集电极与钳位二极管D1a的阴极连接，钳位二极管D1a的阳极与钳位二极管D1b的阴极连接。钳位二极管D1b的阳极与主IGBT11和感测IGBT12的栅极连接。
钳位二极管D1a的阳极与钳位二极管D1b的阴极的连接点和半导体开关M2的漏极连接，半导体开关M2的源极与钳位二极管D1b的阳极连接。由此，在半导体开关M2关断时，主IGBT11和感测IGBT12的集电极栅极间电压被钳位二极管D1a、钳位二极管D1b的总计击穿电压(耐压)所钳位。由于在半导体开关M2导通时钳位二极管D1b的两端子被短路，所以主IGBT11和感测IGBT12的集电极栅极间电压被钳位为钳位二极管D1a的耐压。应予说明，为了使钳位二极管D1a、钳位二极管D1b各自成为高耐压，将多个齐纳二极管串联连接而构成。例如，钳位二极管D1a、钳位二极管D1b的总计耐压是400V～500V左右。另外，钳位二极管D1a、钳位二极管D1b的耐压是作为图3所代表的系统所考虑的因素，被适当地设定。其中，钳位二极管D1b的耐压优选为半导体开关M2的耐压以下。而且，钳位二极管D1b的耐压优选为50V以下。
集电极电流限制电路13输入感测电压Vsns，若感测电压Vsns超过预定的阈值，即，若集电极电流Ic超过预定值，则以降低栅极电压Vgate的方式进行控制从而以不流通预定值以上的集电极电流Ic的方式限制集电极电流Ic。
在该点火器10中，电流检测电阻Rsns、集电极电流限制电路13、迟滞比较器CMP、基准电压源14、逻辑电路15以及半导体开关M1、半导体开关M2构成相当于图3所示的点火器100的控制电路103的控制电路17。另外，该点火器10是将主IGBT11、感测IGBT12、栅极电阻Rg、钳位二极管D1a、钳位二极管D1b、输入识别电路16以及控制电路17形成在同一半导体芯片的单片式点火器。
在此，点火器10的感测IGBT12、电流检测电阻Rsns、迟滞比较器CMP以及基准电压源14构成负载电流检测电路。在该负载电流检测电路中，若检测到感测IGBT12的电流降低，即，若检测到由电流检测电阻Rsns产生的感测电压Vsns降低，则电源线的电池电压消失，该感测IGBT12对主IGBT11导通而流通的负载电流进行分流。
在逻辑电路15接收到输入识别电压Vin1和低电流检测信号而输出逻辑输出电压Vlogic的逻辑信号时，半导体开关M1被导通。由此，主IGBT11的栅极电压Vgate被下拉，主IGBT11被迅速地关断。
半导体开关M2在接收到逻辑输出电压Vlogic的逻辑信号时被导通，使钳位二极管D1b的两端子短路而使钳位耐压降低。由此，利用钳位二极管D1a对因主IGBT11迅速地关断而上升的集电极电压Vc进行钳位，从而不使集电极电压Vc相比于钳位二极管D1a的耐压而成为高压。此时，由于在钳位二极管D1a流通的电流对主IGBT11的栅极电容进行充电，所以延迟了主IGBT11的栅极电压Vgate的降低，主IGBT11缓慢地切断集电极电流Ic。
接下来，参照图2，对将该点火器10适用于图3所示的点火系统时的动作进行说明。在图2中，从上开始，示出电源线的开关、输入识别电压Vin1、感测电压Vsns、迟滞比较器CMP输出的电压Vcmp、逻辑输出电压Vlogic、栅极电压Vgate、主IGBT11的集电极电流Ic以及集电极电压Vc。
首先，点火器10在开关处于导通的状态下被使用。在此，在输入电压Vin为关断主IGBT11的低(L)电平时，输入识别电压Vin1和栅极电压Vgate也为L电平。此时，由于集电极电流Ic为0，所以感测电压Vsns和迟滞比较器CMP的电压Vcmp也为L电平。另外，主IGBT11的集电极电压Vc成为与电池电压VB相等的电压。
在时刻t0，若从发动机控制单元的IGBT驱动电路向点火器10的输入端子IN输入有输入电压Vin，则输入识别电压Vin1和栅极电压Vgate成为高(H)电平。由此，主IGBT11和感测IGBT12导通，因此集电极电压Vc急剧地降低，相对于此，因点火器10的负载是感性的点火线圈，所以集电极电流Ic逐渐地上升。
其后，集电极电流Ic逐渐地上升，若感测电压Vsns超过电流通电检测电平Vs1，则迟滞比较器CMP输出H电平的电压Vcmp。
在时刻t1，在电源线的开关因某种理由而被切断的情况下，集电极电流Ic逐渐地下降，伴随于此，感测电压Vsns也逐渐地下降。
在时刻t2，若感测电压Vsns低于电流降低检测电平Vs2，则迟滞比较器CMP输出L电平的电压Vcmp。由此，作为因电源线被切断而导致电流降低的情况，逻辑电路15在该时刻输出H电平的逻辑输出电压Vlogic。
若从逻辑电路15输出H电平的逻辑输出电压Vlogic，则半导体开关M1导通，因此栅极电压Vgate被瞬间下拉。由此，主IGBT11关断而集电极电流Ic瞬时地降低，并且集电极电压Vc瞬间升高。与此同时，半导体开关M2也导通而将钳位二极管D1a、钳位二极管D1b的耐压切换为仅钳位二极管D1a的耐压，因此集电极电压Vc被钳位为该钳位二极管D1a的耐压，钳位二极管D1a的电流激增。通过将该钳位二极管D1a的电流供给到主IGBT11的栅极，从而抑制了栅极电压Vgate的降低而使集电极电流Ic逐渐地下降，并且使感测电压Vsns也逐渐地下降。其后，若集电极电流Ic完全成为0，则集电极电压Vc也降到0。
在时刻t3，若向输入端子IN输入L电平的输入电压Vin，则输入识别电压Vin1和栅极电压Vgate变为L电平，逻辑电路15输出L电平的逻辑输出电压Vlogic。
应予说明，为了便于参考，图2中利用单点划线所示的曲线示出以往的点火器所产生的栅极电压Vgate、感测电压Vsns、集电极电流Ic以及集电极电压Vc的动作。即，若电源线被切断，则感测电压Vsns、集电极电流Ic以及集电极电压Vc逐渐地降低，若集电极电流Ic降到0，则集电极电压Vc的极性反转，产生负的电压。此时，因为主IGBT11在栅极电压Vgate保持为H电平的情况下处于导通状态，所以点火线圈和主IGBT11的电源线成为负极，主IGBT11的发射极的接地线成为正极。由此，在电源线和接地线施加有反极性的电压，因此与电源线和接地线连接的发动机控制单元有可能被破坏。

Claims (8)

1.一种半导体集成电路，其特征在于，具备：
半导体功率开关元件，其驱动感性负载；
负载电流检测电路，其检测所述感性负载的负载电流；
逻辑电路，其在导通控制所述半导体功率开关元件时，若所述负载电流检测电路检测到所述负载电流的降低则输出逻辑信号；
栅极电压下拉电路，其若接收到所述逻辑信号，则下拉所述半导体功率开关元件的栅极电压；以及
钳位耐压降低电路，其若接收到所述逻辑信号，则将设置在所述半导体功率开关元件的栅极与所述半导体功率开关元件的连接有所述感性负载的高电位端子之间的钳位二极管的耐压切换为低耐压。
2.根据权利要求1所述的半导体集成电路，其特征在于，
所述负载电流检测电路、所述逻辑电路、所述栅极电压下拉电路以及所述钳位耐压降低电路将施加到所述半导体功率开关元件的栅极的导通控制电压作为电源而进行动作。
3.根据权利要求1所述的半导体集成电路，其特征在于，
所述负载电流检测电路具有：电流感测用开关元件，其对与所述负载电流成比例的电流进行分流；电流检测电阻，其输出将被所述电流感测用开关元件分流的电流转换成电压而得的检测信号；以及迟滞比较器，其将所述检测信号与基准电压进行比较，在所述检测信号低于所述基准电压时输出低电流检测信号。
4.根据权利要求3所述的半导体集成电路，其特征在于，
所述逻辑电路在被输入了将所述半导体功率开关元件导通控制的输入信号，并且被输入了所述低电流检测信号时，输出所述逻辑信号，所述低电流检测信号根据由于所述半导体功率开关元件导通而流通的所述负载电流降低而产生。
5.根据权利要求1所述的半导体集成电路，其特征在于，
所述栅极电压下拉电路具有下拉用开关元件，所述下拉用开关元件连接在所述半导体功率开关元件的栅极与所述半导体功率开关元件的低电位端子之间，在接收到所述逻辑信号时导通。
6.根据权利要求1所述的半导体集成电路，其特征在于，
所述钳位耐压降低电路具有短路用开关元件，所述短路用开关元件与串联连接而构成所述钳位二极管的多个二极管中的一部分并联连接，在接收到所述逻辑信号时导通。
7.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将所述半导体功率开关元件所驱动的所述感性负载设为点火线圈的点火器。
8.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将所述半导体功率开关元件、所述负载电流检测电路、所述逻辑电路、所述栅极电压下拉电路以及所述钳位耐压降低电路形成在同一半导体芯片的单片式点火器。
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