DE112020006675T5

DE112020006675T5 - Leistungshalbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE112020006675T5
Application number: DE112020006675.4T
Authority: DE
Inventors: Yukimasa Higashi; Koji Yamamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2022-11-24
Also published as: JPWO2021156928A1; JP7250181B2; US20220416786A1; US12009810B2; CN115038859A; WO2021156928A1

Abstract

Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist, eine Leistungshalbleitervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die für eine Verkleinerung geeignet ist. Gemäß der vorliegenden Offenbarung weist die Leistungshalbleitervorrichtung ein Halbleiterschaltelement, das eingerichtet ist, einen Strom zu steuern, der durch eine Primärwicklung fließt, die eine Zündspule bildet, und eine Steuerungsschaltung, die eingerichtet ist, eine Ansteuerung des Halbleiterschaltelements anzusteuern, auf, wobei die Steuerungsschaltung eine erste Konstantstromquelle, einen ersten Transistor mit einem Ausgangsanschluss davon mit einem Steueranschluss des Halbleiterschaltelements verbunden, einen Widerstand mit einem Anschluss davon mit einem Steueranschluss des ersten Transistors verbunden und einem anderen Anschluss davon mit der Konstantstromquelle verbunden, einen Kondensator mit einem Anschluss davon mit dem Steueranschluss des ersten Transistors verbunden und einem anderen Anschluss davon mit einer Masse verbunden und einen zweiten Transistor mit einem Eingangsanschluss davon mit dem Widerstand verbunden und einem Ausgangsanschluss mit einer Masse verbunden aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Leistungshalbleitervorrichtung, die in einem Zündungssystem eines Verbrennungsmotors verwendet wird.
Hintergrund Stand der Technik
Eine Leistungshalbleitervorrichtung, welche eine Zündspule ansteuert, die in einem Zündungssystem eines Verbrennungsmotors, wie einem Automotor, verwendet wird, ist mit einer Funktion einer Abschaltung eines Ladestroms, wenn eine außergewöhnliche Hitzeerzeugung festgestellt wird, und einer Funktion einer Abschaltung eines Ladestroms, wenn ein ON-Signal kontinuierlich für eine bestimmte Zeitspanne eingegeben wird (nachfolgend als „Überversorgungsabschaltung-Funktion“ bezeichnet) als eine Schutzfunktion der Leistungshalbleitervorrichtung ausgestattet.
Die Schutzfunktionen sind ein Betrieb zum Selbstschutz der Leistungshalbleitervorrichtung; deshalb wird der Zeitablauf eines Abschaltens des Ladestroms ungeachtet des Zeitablaufs des Zündsignals durch die Motorsteuerungseinheit (ECU) ausgeführt. Deshalb können abhängig von dem Abschaltungszeitablauf durch die Schutzfunktion aufgrund dessen, dass der Zeitablauf der Zündung in der Zündsequenz ungeeignet ist, Probleme auftreten, wie eine Motorfehlzündung oder ein Klopfen.
Als eine Gegenmaßnahme zu dem vorstehenden Problem wird herkömmlicherweise die Technologie offenbart (siehe zum Beispiel Patentdokument 1), in welcher die Überversorgungsabschaltung-Funktion und eine Funktion einer Abschaltung des Ladestroms schrittweise, sodass eine unbeabsichtigte Zündung zu der Zeit eines Abschaltungsbetriebs (nachfolgend als „schrittweise-Abschaltung-Funktion“ bezeichnet) verhindert wird, implementiert werden.
In der Überversorgungsabschaltung-Funktion, die im Patentdokument 1 offenbart ist, wird ein Kondensator mit einer Konstantstromquelle geladen, während ein Ansteuerungssignal angelegt wird. Denn werden die Ladespannung des Kondensators und die Referenzspannung durch eine Komparatorschaltung verglichen, und wenn die Ladespannung die Referenzspannung überschreitet, wird der Ansteuerungsstrom des Schaltelements durch den Betrieb abgeschaltet.
Weiter wird in der schrittweise-Abschaltung-Funktion, die im Patentdokument 1 offenbart ist, die elektrische Ladung, die in der Gate-Kapazität des Schaltelements akkumuliert wird, bei einem konstanten Stromwert unter Verwendung einer Konstantstromquelle durch den Betrieb entladen, wenn die vorstehend genannte Überversorgungsabschaltung-Funktion ausgeführt wird. Folglich kann die Gate-Spannung des Schaltelements schrittweise verringert werden, und der Ladestrom kann schrittweise abgeschaltet werden.
Dokumente des Stands der Technik
Patentdokumente
[Patentdokument 1] Japanisches Patent Nr. 5423378
Zusammenfassung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Die Leistungshalbleitervorrichtung, die im Patentdokument 1 offenbart ist, weist ein Problem auf, dass das Schaltungsausmaß wächst, weil es erforderlich ist, dass die Schaltung zum Implementieren der Überversorgungsabschaltung-Funktion und die Schaltung zum Implementieren der schrittweise-Abschaltung-Funktion separat konfiguriert werden.
Wenn die Gate-Kapazität des Schaltelements eines Typs mit isoliertem Gate anstelle der Verwendung eines Kondensators mit hoher Kapazität verwendet wird wie in der im Patentdokument 1 offenbarten Technik, hat es weiter ein Problem gegeben, dass die Steuerbarkeit der Abschaltungszeit sinkt, weil es dadurch, dass die Gate-Kapazität klein ist, schwierig gemacht wird, die Abschaltungszeit um mehr als einen bestimmten Wert zu erweitern (mehr als mehrere Millisekunden). Deshalb wird die Auslegbarkeit der Abschaltungszeit typischerweise durch Bereitstellen eines Kondensators getrennt von der Gate-Kapazität des Schaltelements eines Typs mit isoliertem Gate verbessert. Ein solches Verfahren erfordert jedoch die Bereitstellung eines Kondensators für jede der Überversorgungsabschaltung-Funktion und der schrittweise-Abschaltung-Funktion, was ein Hinderungsfaktor für ein Verkleinern der Leistungshalbleitervorrichtung gewesen ist.
Die vorliegende Offenbarung ist gemacht worden, um ein solches Problem zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist, eine Leistungshalbleitervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die für ein Verkleinern geeignet ist.
Mittel zum Lösen des Problems
Gemäß der vorliegenden Offenbarung weist eine Leistungshalbleitervorrichtung ein Halbleiterschaltelement, das eingerichtet ist, einen Strom zu steuern, der durch eine Primärwicklung fließt, die eine Zündspule bildet, und eine Steuerungsschaltung, die eingerichtet ist, eine Ansteuerung des Halbleiterschaltelements zu steuern, wobei die Steuerungsschaltung eine erste Konstantstromquelle, einen ersten Transistor mit einem Ausgangsanschluss davon mit einem Steueranschluss des Halbleiterschaltelements verbunden, einen Widerstand mit einem Anschluss davon mit einem Steueranschluss des ersten Transistors verbunden und einem anderen Anschluss davon mit einer Konstantstromquelle verbunden, einen Kondensator mit einem Anschluss davon mit dem Steueranschluss des ersten Transistors verbunden und einem anderen Anschluss davon mit einer Masse verbunden und einen zweiten Transistor mit einem Eingangsanschluss davon mit dem Widerstand verbunden und einem Ausgangsanschluss mit einer Masse verbunden aufweist.
Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Offenbarung weist eine Leistungshalbleitervorrichtung ein Halbleiterschaltelement und eine Steuerungsschaltung auf, wobei die Steuerungsschaltung eine erste Konstantstromquelle, einen ersten Transistor mit einem Ausgangsanschluss davon mit einem Steueranschluss des Halbleiterschaltelements verbunden, einen Widerstand mit einem Anschluss davon mit einem Steueranschluss des ersten Transistors verbunden und einem anderen Anschluss davon mit der Konstantstromquelle verbunden, einen Kondensator mit einem Anschluss davon mit dem Steueranschluss des ersten Transistors verbunden und einem anderen Anschluss davon mit einer Masse verbunden und einen zweiten Transistor mit einem Eingangsanschluss davon mit dem Widerstand verbunden und einem Ausgangsanschluss mit einer Masse verbunden aufweist; deshalb wird ein Verkleinern der Leistungshalbleitervorrichtung sichergestellt.
Die Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen ersichtlicher.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt.
2 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel des Betriebs der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
3 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Gate-Spannung eines IGBTs 28 und der Kapazität eines Kondensators 20 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
4 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Gate-Spannung des IGBTs 28 und der Kanallänge eines PMOS 14 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
5 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Gate-Spannung des IGBTs 28 und der Kanalbreite des PMOS 14 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
6 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt.
7 ist ein Zeitablaufdiagramm, das ein Beispiel des Betriebs der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt.
8 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform darstellt.
9 ist ein Graph, der die Temperaturcharakteristiken der Überversorgungsabschaltung-Funktion gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
10 ist ein Graph, der die Temperaturcharakteristiken des umgekehrten Leckstroms einer Temperaturkompensationsdiode 37 gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.

Beschreibung der Ausführungsform(en)
<Erste Ausführungsform>
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration einer Leistungshalbleitervorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt und zeigt ein Beispiel eines Zündungssystems, das die Leistungshalbleitervorrichtung 1 aufweist.
Eine Zündspule 3 weist eine Primärwicklung 30 und eine Sekundärwicklung 31 auf. Ein Ende der Primärwicklung 30 ist mit einer Energiequelle VB verbunden, und das andere Ende ist mit der Leistungshalbleitervorrichtung 1 verbunden. Ein Ende der Sekundärwicklung 31 ist mit der Energiequelle VB verbunden, und das andere Ende ist mit einer Zündkerze 4 verbunden.
Die Leistungshalbleitervorrichtung 1 weist ein Halbleiterschaltelement 6, das einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) 28 aufweist, welcher den durch die Primärwicklung 30 der Zündspule 3 fließenden Strom ein- und ausschaltet, und eine Steuerungsschaltung 5, welche die Ansteuerung des IGBTs 28 steuert, auf. Die Steuerungsschaltung 5 ist über einen Steueranschluss 7 mit der ECU 2 verbunden und steuert die Ansteuerung des IGBTs 28 gemäß einem Steuersignal, das von der ECU 2 eingegeben wird.
Als Nächstes wird der Betrieb der Leistungshalbleitervorrichtung 1 mit Bezug auf das in 2 gezeigte Zeitablaufdiagramm beschrieben.
Zuerst wird das Steuersignal (ON-Signal), das von der ECU 2 über den Steueranschluss 7 eingegeben wird, durch eine Schmitt-Trigger-Schaltung 8 in einer Wellenform geformt und schaltet sowohl den PMOS 9 als auch den NMOS 27 ab. Hier bezieht sich PMOS auf einen P-Typ-Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (-MOSFET). Außerdem bezieht sich NMOS auf einen N-Typ-MOSFET.
Außerdem arbeitet eine Stromspiegelschaltung, die aus einem PMOS 12 und einem PMOS 13 aufgebaut ist. Der referenzseitige Strom Ig1 der Stromspiegelschaltung ist ein Wert, der durch Subtrahieren eines Stroms If2 von einem Ausgangsstrom Ib1 einer Konstantstromquelle 18 erhalten wird. Ein Strom Ig2, der zu dem Spiegelverhältnis der Stromspiegelschaltung bezüglich des referenzseitigen Stroms Ig1 korrespondiert, ist ein Ausgangsstrom der Stromspiegelschaltung.
Der NMOS 27 befindet sich in einem Aus-Zustand; deshalb fließt der Strom Ig2 nicht durch einen Widerstand 26. Ein Widerstand 25 weist einen Widerstandswert von mehreren Zehntausend Ohm auf, und der Widerstand 25 trägt am meisten zu der Ladeimpedanz der Stromspiegelschaltung bei. Deshalb fließt das Meiste des von der Stromspiegelschaltung ausgegebenen Stroms Ig2 durch den Widerstand 25. Als eine Folge wird die Gate-Spannung des IGBTs 28 generiert, und der IGBT 28 wird angesteuert. Zu diesem Zeitpunkt fließt ein Kollektorstrom Ic (Ladestrom), wie in 2 gezeigt, durch die Primärwicklung 30 und den IGBT 28 gemäß einer Zeitkonstante, die durch die Induktivität der Primärwicklung 30 der Zündspule 3 und einen Verdrahtungswiderstandswert bestimmt wird.
Als Nächstes wird, wenn ein Steuersignal (OFF-Signal) von der ECU 2 über den Steueranschluss zu der Zeit eingegeben wird, wenn gewünscht wird, dass die Zündkerze 4 zündet, das Steuersignal durch die Schmitt-Trigger-Schaltung 8 in Wellenform geformt und schaltet sowohl den PMOS 9 als auch den NMOS 27 ein. Als eine Folge wird der Betrieb der Stromspiegelschaltung, die aus dem PMOS 12 und dem PMOS 13 aufgebaut ist, gestoppt, und der Strom Ig2 wird nicht von der Stromspiegelschaltung ausgegeben. Dann wird die elektrische Ladung, die in dem Gate des IGBTs 28 akkumuliert ist, durch den Widerstand 25 und den Widerstand 26 in einer extrem kurzen Zeit entladen, sodass der Kollektorstrom Ic, der durch den IGBT 28 fließt, rasch abgeschaltet wird.
Wenn der Kollektorstrom Ic abgeschaltet wird, wird eine Änderung in dem Verbindungsmagnetfluss in der Zündspule 3 induziert und induziert eine hohe Spannung, die von dem Windungszahlverhältnis abhängt, in Richtung der Sekundärwicklung 31. Als eine Folge wird eine Entladung in der Zündkerze 4 generiert. An diesem Punkt wird der IGBT 28 durch die Stehspannung (zum Beispiel 500 V oder 700 V) der Clamp-Zener-Diode 29 fixiert, die zwischen dem Kollektor und dem Gate vorgesehen ist, um einen dielektrischen Durchbruch zu verhindern, und eine Entladung wird in der Zündkerze 4 durch einen aktiven Clamp-Betrieb generiert, wobei die Gate-Spannung durch den Leckstrom von der Clamp-Zener-Diode 29 selbst-vorgespannt wird.
Die Steuerungsschaltung 5 weist eine Strombegrenzungsfunktion auf, die verhindert, dass die Zündspule 3 aufgrund eines Überstroms des Kollektorstroms Ic schmilzt, was die Entmagnetisierung des Magnets zum Justieren des Transformators (magnetischer Widerstand) unterbindet, und was die magnetische Sättigung des Kernmaterials unterbindet. Das heißt, die Strombegrenzungsfunktion ist eine Schutzfunktion zum Verhindern, dass ein Kollektorstrom Ic fließt, der eine bestimmte Höhe überschreitet. Hier ist der Stromwert auf den Kollektorstrom Ic eingestellt, um zu implementieren, dass die Strombegrenzungsfunktion als der „Strombegrenzungswert“ definiert ist.
Wenn der Kollektorstrom Ic den Strombegrenzungswert erreicht, wird der Kollektorstrom Ic so gesteuert, dass er nicht gleich oder größer als der Stromgrenzwert ist, und die Gate-Spannung Vge des IGBTs 28 wird verringert. Eine solche Steuerung wird als negative Rückkopplungssteuerung durch Erfassen des Kollektorstroms Ic bezeichnet.
Insbesondere fließt ein Messstrom Isense des IGBTs 28 durch den Widerstand 21 der Steuerungsschaltung 5, und eine Spannung, die zu dem Kollektorstrom Ic des IGBTs 28 korrespondiert, wird in dem Widerstand 21 generiert. Die in dem Widerstand 21 generierte Spannung wird mit der Spannung Vref der Referenzenergiequelle 22 durch einen Verstärker 23 verglichen, und ein Strom If1, der zu der Differenz zwischen den zweien korrespondiert, wird von einer V-I-Konvertierungsschaltung 24 ausgegeben. Der Strom If1 wird gemäß dem Spiegelverhältnis durch die Stromspiegelschaltung, die aus dem PMOS 10 und dem PMOS 11 aufgebaut ist, als ein Strom If2 ausgegeben. Wenn der Strom If2 in die Konstantstromquelle 18 fließt, schwankt der Strom Ig2, der durch die Stromquelle generiert wird, die aus dem PMOS 12 und dem PMOS 13 aufgebaut ist. Da der Kollektorstrom Ic steigt, sinkt der Strom Ig2, und die durch den Widerstand 25 generierte Spannung sinkt. Deshalb sinkt die Gate-Spannung des IGBTs 28, und der Anstieg des Kollektorstroms Ic wird unterbunden. Auf diese Weise agiert er wie der negative Rückkopplungsbetrieb für den Kollektorstrom Ic, wodurch der Kollektorstrom Ic auf einen konstanten Wert beschränkt wird.
Hier wird die Überversorgungsabschaltung-Funktion mit einer schrittweise-Abschaltung-Funktion der Steuerungsschaltung 5 beschrieben. Die Überversorgungsabschaltung-Funktion mit einer schrittweise-Abschaltung-Funktion ist eine Funktion, welche eine Funktion (Überversorgungsabschaltung-Funktion), welche den Kollektorstrom Ic selbst abschaltet, wenn ein unnormales Versorgungssignal (kontinuierliche Versorgung) in die Leistungshalbleitervorrichtung 1 als ein Steuersignal eingegeben wird, und eine Funktion (schrittweise-Abschaltung-Funktion), welche schrittweise die Gate-Spannung Vge des IGBTs 28 verringert und schrittweise den Kollektorstrom Ic während eines Selbst-Abschaltens abschaltet, integriert.
Eine Schaltung, welche die Überversorgungsabschaltung-Funktion mit der schrittweise-Abschaltung-Funktion implementiert, weist eine Konstantstromquelle 15 (erste Konstantstromquelle), die mit der schaltungsinternen Energieversorgung Vreg verbunden ist, eine RC-Integrierungsschaltung, die aus dem Widerstand 19 und dem Kondensator 20 besteht, einen NMOS 17 (zweiter Transistor), welcher ein Schaltelement zum Schalten zwischen Laden und Entladen der RC-Integrierungsschaltung ist, und einen PMOS 14 (erster Transistor), welcher ein Schaltelement zum Selbst-Abschalten ist, auf.
Wenn das Steuersignal (ON-Signal) in den Steueranschluss 7 eingegeben wird, wird der NMOS 17 abgeschaltet, und der Kondensator 20 wird durch die Konstantstromquelle 15 geladen. Andererseits wird, wenn das Steuersignal (OFF-Signal) in den Steueranschluss 7 eingegeben wird, der NMOS 17 eingeschaltet und die in der RC-Integrierungsschaltung akkumulierte Ladung wird über den NMOS 17 nach GND entladen.
Als Nächstes wird die Überversorgungsabschaltung-Funktion mit einer schrittweise-Abschaltung-Funktion mit Bezug auf 2 beschrieben.
Wenn das Steuersignal (ON-Signal) in den Steueranschluss 7 eingegeben wird, wird der NMOS 17 abgeschaltet und der Kondensator 20 wird durch die Konstantstromquelle 15 geladen. Das heißt, wie eine Versorgungszeit des Steuersignals (ON-Signal) länger wird, steigt die Ladespannung des Kondensators 20.
Wenn die Ladespannung des Kondensators 20 steigt und die Source- (S-) Gate- (G-) Spannung des PMOS 14 gleich oder niedriger als der Schwellenwert wird, startet der PMOS 14 den OFF-Betrieb. Die Startzeit des OFF-Betriebs des PMOS 14 korrespondiert zu der Startzeit des Betriebs der Überversorgungsabschaltung-Funktion. Da der Kondensator 20 weiter geladen wird, wird der PMOS 14 schrittweise abgeschaltet und der Strom Ig2 zum Ansteuern des IGBTs 28 wird schrittweise unterbunden. Als eine Folge wird die Gate-Spannung Vge des IGBTs 28 schrittweise verringert, sodass der Kollektorstrom Ic schrittweise abgeschaltet werden kann.
Von dem Vorstehenden kann die Startzeit des Betriebs der Überversorgungsabschaltung-Funktion durch die Schwellenwertspannung des PMOS 14 bestimmt werden. Weiter kann die schrittweise-Abschaltung-Zeit durch die akkumulierte Ladung (Ladezeit) des Kondensators 20 bestimmt werden. Die schrittweise Abschaltung durch mehrere Millimeter bis mehrere zehn Millisekunden Größenordnung wird durch Auswählen der Kondensatorkapazität und des Ladestroms sichergestellt. Wie vorstehend beschrieben, können die Überversorgungsabschaltung-Funktion und die schrittweise-Abschaltung-Funktion durch einen Kondensator 20 implementiert werden; deshalb kann die Steuerungsschaltung 5, die die Leistungshalbleitervorrichtung 1 bildet, verkleinert und in Kosten reduziert werden. Eine Verkleinerung und eine Kostenreduzierung der Steuerungsschaltung 5 tragen zu einem Verkleinern und einer Kostenreduzierung der Leistungshalbleitervorrichtung 1 bei.
Die Konfiguration der Schaltung, welche die vorstehend beschriebene Überversorgungsabschalt-Funktion mit der schrittweise-Abschaltung-Funktion implementiert, ist ein Beispiel, und andere Konfigurationen können verwendet werden, solange die gleiche Wirkung erzielt werden kann. Weiter ist sie nicht auf einen MOS-Transistor beschränkt, und Bipolartransistoren oder dergleichen können eingesetzt werden.
3 zeigt das Verhältnis zwischen der Gate-Spannung Vge des IGBTs 28 und der Kapazität des Kondensators 20. 4 zeigt das Verhältnis zwischen der Gate-Spannung Vge des IGBTs 28 und der Kanallänge (Länge) des PMOS 14. 5 zeigt das Verhältnis zwischen der Gate-Spannung Vge des IGBTs 28 und der Kanalbreite (Breite) des PMOS 14.
Wie in 3 bis 5 gezeigt, hängt die Abschaltgeschwindigkeit der Gate-Spannung Vge des IGBTs 28 von der Ladegeschwindigkeit des Kondensators 20 und der Elementgröße (Kanallänge, Kanalbreite) des PMOS 14 ab. Deshalb kann die Abschaltgeschwindigkeit (schrittweise-Abschaltung-Zeit) der Gate-Spannung Vge des IGBTs 28 während des Selbst-Abschaltbetriebs einfach durch Ändern der Kapazität des Kondensators 20 oder der Elementgröße (Kanallänge, Kanalbreite) des PMOS 14 justiert werden. Das heißt, die Steuerbarkeit der schrittweise-Abschaltung-Zeit wird verbessert.
Als ein anderes Verfahren als das vorstehend beschriebene erlaubt zum Beispiel eine Verhältnisjustierung durch die Stromspiegelschaltung oder dergleichen, die schrittweise-Abschaltung-Zeit beliebig auszulegen, und das Verfahren ist nicht auf ein bestimmtes Verfahren beschränkt.
<Zweite Ausführungsform>
6 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration einer Leistungshalbleitervorrichtung 32 gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt, und zeigt ein Beispiel eines Zündsystems, das die Leistungshalbeitervorrichtung 32 aufweist.
In der Leistungshalbleitervorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, bleibt ein Problem, dass die nur schrittweise-Abschaltung-Zeit nicht justiert werden kann (siehe 3), weil die Startzeit des Betriebs der Überversorgungsabschaltung-Funktion und die schrittweise-Abschaltung-Zeit verbunden sind. Weiter bleibt, obwohl die schrittweise-Abschaltung-Zeit durch ein Ändern der Elementgröße (Kanallänge, Kanalbreite) des PMOS 14 justiert werden kann, ein Problem, dass der Freiheitsgrad einer Auslegung aufgrund der Fertigungsvariation und der Limitierung der Elementgröße des PMOS 14 gering ist.
Als eine Maßnahme, um solch ein Problem zu adressieren, ist in der zweiten Ausführungsform, wie in 6 gezeigt, eine Schaltung zum Ändern der Ladegeschwindigkeit, die aus einem PMOS 33 (dritter Transistor), einem PMOS 34 (vierter Transistor) und einer Konstantstromquelle 35 (zweite Konstantstromquelle) aufgebaut ist, zwischen der Konstantstromquelle 15 und dem Widerstand 19 vorgesehen. Die weitere Konfiguration ist die gleiche wie diejenige der Leistungshalbleitervorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, und eine detaillierte Beschreibung davon wird hier weggelassen.
Als Nächstes wird der Betrieb der Leistungshalbleitervorrichtung 32 mit Bezug auf 7 beschrieben.
Wenn das Laden des Kondensators 20 durch die Konstantstromquelle 15 beginnt, und die Spannung zwischen der Source (S) und dem Gate (G) des PMOS 33 gleich oder kleiner wird als der Schwellenwert (der Beginn des Betriebs der Überversorgungsabschaltung-Funktion), wird der Ausgang des PMOS 33 der niedrige Pegel und der Kondensator 34 wird eingeschaltet. Wenn der PMOS 34 eingeschaltet wird, wird ein Laden des Kondensators 20 durch die Konstantstromquelle 35 zusätzlich zu der Konstantstromquelle 15 gestartet, sodass das Ansteigen der Ladespannung des Kondensators 20 beschleunigt wird. Als eine Folge kann die Abschaltgeschwindigkeit (ON → OFF) des PMOS 14 justiert werden, sodass die Abschaltgeschwindigkeit der Gate-Spannung Vge des IGBTs 28 justiert werden kann. Das heißt, die schrittweise-Abschaltung-Zeit kann justiert werden, ohne die Startzeit des Betriebs der Überversorgungsabschaltung-Funktion zu ändern.
<Dritte Ausführungsform>
8 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration einer Leistungshalbleitervorrichtung 36 gemäß der dritten Ausführungsform zeigt, und zeigt ein Beispiel eines Zündungssystems, das die Leistungshalbleitervorrichtung 36 aufweist.
Typischerweise weist ein Kondensator eine Charakteristik auf, dass seine Kapazität bei einer hohen Temperatur abnimmt. Deshalb schwankt in der Leistungshalbleitervorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, die Startzeit des Betriebs der Überversorgungsabschaltung-Funktion aufgrund der Temperaturcharakteristik der statischen Kapazität des Kondensators 20 (siehe 9), was ein Problem in der Verschlechterung der Steuerbarkeit der Überversorgungsabschaltung-Funktion verursacht.
Als eine Maßnahme, um ein solches Problem zu adressieren, ist in der dritten Ausführungsform, wie in 8 gezeigt, eine Temperaturkompensationsschaltung vorgesehen, in welcher der Kathodenanschluss einer Temperaturkompensationsdiode 37 zwischen der Konstantstromquelle 15 und dem Widerstand 19 angeschlossen ist, und die Anode der Temperaturkompensationsdiode 37 mit GND verbunden ist. Die weitere Konfiguration ist die gleiche wie diejenige der Leistungshalbleitervorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, und eine detaillierte Beschreibung davon wird hier weggelassen. Die in 8 gezeigte Temperaturkompensationsschaltung ist ein Beispiel.
10 ist ein Graph, der die Temperaturcharakteristiken des umgekehrten Leckstroms einer Temperaturkompensationsdiode 37 zeigt.
Ein Teil des Stroms, der von der Konstantstromquelle 15 ausgegeben wird, fließt als ein umgekehrter Leckstrom der Temperaturkompensationsdiode 37 nach GND. Wie in 10 gezeigt, steigt der umgekehrte Leckstrom der Temperaturkompensationsdiode 37, wenn die Temperatur steigt, sodass der Ladestrom des Kondensators 20 abnimmt (die Ladegeschwindigkeit wird justiert). Als eine Folge sinkt, wenn die Kapazität des Kondensators 20 bei einer hohen Temperatur sinkt, auch der Ladestrom, sodass Schwankungen in einer Startzeit des Betriebs der Überversorgungsabschaltung-Funktion unterbunden werden können.
Es ist wünschenswert, dass die Temperaturkompensationsdiode 37 den umgekehrten Leckstrom mit der Verbindungslänge justiert unterbindet. Weiter kann die Temperaturkompensationsdiode 37 irgendeine Diode sein, wie eine Zener-Diode oder eine Schottky-Sperr-Diode, solange die gleiche Wirkung, wie vorstehend beschrieben, erzielt werden kann.
Während in dem Vorstehenden der Fall beschrieben worden ist, in welchem die Temperaturkompensationsschaltung auf die Leistungshalbleitervorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, angewendet wird, kann die gleiche Wirkung wie vorstehend ebenfalls mit der Anwendung der Temperaturkompensationsschaltung auf die Leistungshalbleitervorrichtung 32 gemäß der zweiten Ausführungsform, die in 6 beschrieben ist, erzielt werden.
In der vorliegenden Offenbarung können die Ausführungsformen kombiniert, geeignet modifiziert oder weggelassen werden, ohne von dem Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen.
Obwohl die Offenbarung detailliert gezeigt und beschrieben worden ist, ist die vorstehende Beschreibung in allen Aspekten darstellend und nicht einschränkend. Es wird verstanden, dass zahlreiche andere Modifikationen, die nicht beschrieben worden sind, entworfen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Leistungshalbleitervorrichtung,
2: ECU,
3: Zündspule,
4: Zündkerze
5: Steuerungsschaltung,
6: Halbleiterschaltelement,
7: Steueranschluss,
8: Schmitt-Trigger- Schaltung,
9 bis 14: PMOS,
15: Konstantstromquelle,
16: NICHT-Schaltung,
17: NMOS,
18: Konstantstromquelle,
19: Widerstand,
20: Kondensator,
21: Widerstand,
22: Referenzspannungsquelle,
23: Verstärker,
24: V-I-Konvertierungsschaltung,
25, 26: Widerstand,
27: NMOS,
28: IGBT,
20: Clamp-Zener-Diode,
30: Primärwicklung,
31: Sekundärwicklung,
32: Leistungshalbleitervorrichtung,
33, 34: PMOS,
35: Konstantstromquelle,
36: Leistungshalbleitervorrichtung,
37: Temperaturkompensationsdiode.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 5423378 [0007]

Claims

Leistungshalbleitervorrichtung, aufweisend: ein Halbleiterschaltelement, das eingerichtet ist, einen Strom zu steuern, der durch eine Primärwicklung fließt, die eine Zündspule bildet; und eine Steuerungsschaltung, die eingerichtet ist, eine Ansteuerung des Halbleiterschaltelements zu steuern, wobei die Steuerungsschaltung aufweist: eine erste Konstantstromquelle, einen ersten Transistor, welcher mit einem Ausgangsanschluss mit einem Steueranschluss des Halbleiterschaltelements verbunden ist, einen Widerstand, welcher mit einem Anschluss mit einem Steueranschluss des ersten Transistors verbunden und einem anderen Anschluss davon mit der Konstantstromquelle verbunden ist, einen Kondensator, welcher mit einem Anschluss mit dem Steueranschluss des ersten Transistors und einem anderen Anschluss mit Masse verbunden ist, und einen zweiten Transistor, welcher mit einem Eingangsanschluss mit dem Widerstand und einem Ausgangsanschluss mit Masse verbunden ist.
Leistungshalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerungsschaltung aufweist einen dritten Transistor, welcher mit einem Steueranschluss zwischen dem anderen Anschluss des Widerstands und der ersten Konstantstromquelle angeschlossen ist, einen vierten Transistor, welcher mit einem Steueranschluss mit einem Ausgangsanschluss des dritten Transistors verbunden und mit einem Ausgangsanschluss zwischen dem anderen Anschluss des Widerstands und der ersten Konstantstromquelle angeschlossen ist, eine zweite Konstantstromquelle, die mit einem Eingangsanschluss des vierten Transistors verbunden ist.
Leistungshalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerungsschaltung eine Diode aufweist, welche mit einem Anschluss zwischen dem anderen Ende des Widerstands und der ersten Konstantstromquelle angeschlossen und mit einem anderen Anschluss davon mit Masse verbunden ist.