JP2014013798A - ワンチップイグナイタ及び内燃機関点火装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】MOSトランジスタのゲートしきい値電圧Vtghを低下させ、電流制限回路、過熱検出回路、タイマー回路、過電圧保護回路及び入力ヒステリシス回路などの動作電圧を低電圧することで、ワンチップイグナイタ100の動作電圧を低電圧化することができる。MOSトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が1V以上であり、前記IGBTのチャネル長う4μm以下とする。また、MOSトランジスタのゲート酸化膜の厚さを、5nm以上で、25nm未満とする。
【選択図】 図1
Description
内燃機関点火装置500は、主に、ワンチップイグナイタ501、点火コイル502、点火プラグ503、バッテリー504およびECU505(エンジンコントロールユニット)などで構成される。図中の符号で、75,76,77はワンチップイグナイタ501のコレクタ端子、ゲート端子、エミッタ端子である。また、51はセンスIGBTを含むIGBT、56はセンス抵抗である。
ワンチップイグナイタ501は、IGBT51と、第1MOSFET63と、第2MOSFET66と、電流制限回路57、過熱検出回路60、ツェナーダイオード69、抵抗72、コレクタ端子75、ゲート端子76およびエミッタ端子77で構成される。IGBT51のコレクタ52はコレクタ端子75に接続し、エミッタ54はエミッタ端子77にそれぞれ接続する。IGBT51のセンスエミッタ55はセンス抵抗56の一端に接続し、センス抵抗56の他端はグランド配線74に接続し、グランド配線74はグランド電位78であるエミッタ端子77に接続する。IGBT51のゲート53はゲート配線73でゲート端子76と接続する。このゲート配線73とグランド配線74の間に前記した電流制限回路57、過熱検出回路60、第1MOSFET63、第2MOSFET66、ツェナーダイオード69および抵抗72がそれぞれ接続する。前記の過熱検出回路60は図示するようにMOSFET(ア)とダイオード(イ)およびインバータ回路(ウ)で構成されている。また、前記の部品以外に、点線で示すように、ツェナーダイオード69のカソードと第2MOSFET66のソース間にIGBT51のターンオフを早めるためのスピードアップダイオード(エ)が接続され、コレクタ52とゲート53の間にツェナーダイオード(カ)がサージ保護用として接続されている。また、ゲート配線73に抵抗72とツェナダイオード69の間や電流制限回路57の高電位側と第2MOSFET66のドレインの間にサージ抑制用に抵抗(オ)が挿入されている。前記の各部位は同一の半導体基板81に形成される。
ECU505からの出力信号がワンチップイグナイタ501のゲート端子76に入力信号(IGBTのゲート信号)として入力されると、その入力信号はゲート配線73を伝達してIGBT51のゲートに入力されて、IGBT51がオンする。IGBT51がオンするとバッテリー504の正極から点火コイル502、IGBT51を経由してグランド電位にあるエミッタ端子77に電流が流れる。
間に30kVのサージ電圧を印加してもIGBT51が破壊しないこと、また、例えば、−55℃〜205℃の温度範囲でIGBT51が正常動作すること(これは寄生素子が動作しないことを指す)などである。この厳しい条件下でもワンチップイグナイタ501が正常動作するために、電流制限回路57や過熱検出回路60は全てnMOSのみで構成される。これはpMOSとnMOSが混在するとプロセスが複雑になりコスト上昇を招く。また、pMOSとnMOSとの混成回路(コンプリメンタリー回路など)にすると、両者間で寄生素子が形成されて寄生動作(誤動作)を起こし易くなることなどによる。
図11は、ハイブリット型のイグナイタ600の要部構成図である。ハイブリッド型のイグナイタ600は、IGBT51aとIGBT駆動回路90を備え、IGBT駆動回路90には電流制限回路、過熱検出回路およびセンス抵抗56aなどが含まれる。これらの各部品はプリント基板91やセラミック基板などに固定される。
また、特許請求の範囲の請求項3記載の発明によれば、請求項1に記載の発明において、前記入力電圧の最低電圧を2.0V未満とするとよい。
また、電流制限回路および過熱検出回路を2段のインバータ回路で構成することで、これらの回路の動作電圧を低電圧化できる。
<実施例1>(IGBT)
図1は、この発明の第1実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ100の構成図であり、同図(a)は全体の回路構成図、図2(a)は半導体基板31に形成されたIGBT1の要部断面図である。この図2(a)では1セルの要部断面図を示した。また、IGBT1のゲート構造はここではプレーナ型で示したが、図示しないトレンチ型の場合もある。また、図1ではパワーデバイスとしてIGBT1を例に挙げたが、パワーMOSFETの場合もある。このパワーMOSFETとしてはセンスエミッタ4に相当するセンスソースが形成されているものを用いるとよい。
前記のゲート電極35が図1のIGBT1のゲート3となりゲート端子26にゲート配線23を介して接続する。コレクタ電極39がコレクタ2となりコレクタ端子25に接続する。エミッタ電極37がエミッタ4となりエミッタ端子27に接続する。また、図1に示すセンスエミッタ5は図2(a)では省略されている。
ゲート酸化膜34の厚さをt、チャネル領域32に形成されるチャネルの長さであるチャネル長をL、チャネル領域32の拡散深さをT、セル幅をWの符号を付した。図にはチャネル領域32の不純物濃度の符号をN、IGBT1のゲートしきい値電圧の符号をVgth、チャネル抵抗の符号をR、このチャネル抵抗Rで発生する電圧降下をEとして( )内に示した。なお、ここで、ゲートしきい値電圧について説明しておく。本願におけるゲートしきい値電圧は、例えばコレクタ−エミッタ間電圧に数Vの電圧を印加しつつゲート電圧を0Vから増加させたときに、エミッタ4に流れる電流が定格電流の1/1000となったときのゲート電圧とする。他に、周知のDMOS構造において、pベース層のMOSゲートに接する箇所に電子の反転層チャネルが形成されるゲート電圧についてもゲートしきい値と呼ばれる。この周知のゲートしきい値電圧は、pベース層の濃度とゲート酸化膜厚さで決まるものであり、本願では意味を区別するために、この周知のゲートしきい値電圧を、実効ゲートしきい値電圧と呼ぶことにする。
チャネル領域32の不純物濃度N(≦1017cm-3)を低下させると、チャネル抵抗Rが大きくなりチャネル抵抗Rで発生する電圧降下Eが大きくなる。この電圧降下Eが大きくなるとIGBTのオン電圧が増加する不具合を生じる。特にIGBTをゲートしきい値電圧Vgth付近で動作させた場合である。そのため、チャネル領域32の不純物濃度Nを低下させてもチャネル抵抗Rで発生する電圧降下Eが変らないようにする必要がある。
つぎに、上記の内容を数式で示すと次のように表される。
Vtgh∝√N×t
R∝1/N1/3(N≦1017cm-3)、E∝R、R∝L(N≦1017cm-3)
L/N1/3∝L・R∝R2∝E2
つまり、L/N1/3は一定になる。そのためL=G×N1/3の関係式が成立する。但し、Gは比例定数であり、N≦1017cm-3の範囲である。
<実施例2>(回路)
図5は、この発明の第2実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ100の要部構成図である。この図はワンチップイグナイタ100を構成する電流制限回路7の要部回路図である。
従来の図9に示す電流制限回路57は、図6(a)に示すように直列3段構成のnMOS回路で構成されるオペアンプを用いて形成されていた。具体的にはこの3段構成のnMOS回路で構成される回路が電圧増幅段600である。ここでVHは電源の高圧側、VLは電源の低圧側を示す。Vinは入力電圧端子、Vrefは参照電圧入力端子である。「MD」及び数字で記載された素子はデプレッション型MOSFETであり、単に「M」及び数字で記載された素子はエンハンスメント型MOSFETである。これを図5に示す電流制限回路7ように、直列2段構成のインバータ回路41に変更することで、電流制限回路7の最低動作電圧を1V以下とすることができる。これは、インバータ回路41にあるそれぞれのインバータが直列2段構成のnMOS(上段のnMOSはゲートとソースを短絡して抵抗として使用される)で構成されるためである。このnMOSを2段構成とした具体的な回路を図6(b)に示す。またこのインバータ回路は、抵抗とnMOSを直列接続しても形成できる。ここでnMOSはnチャネルMOSFETのことであり、nMOSの動作電圧はゲートしきい値電圧を低下することで1素子当たり0.7V程度以下にできる。電源電圧を2Vとした場合、MOSFETの閾値は2Vから0.7Vの間でなるべく0.7Vに近いことが望ましい。
図5のワンチップイグナイタ100の製造方法の一例を説明する。
<実施例3>(ノイズ対策とサージ保護)
図7は、この発明の第3実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ100の要部構成図である。
2 コレクタ
3 ゲート
4 エミッタ
5 センスエミッタ
6 センス抵抗
7 電流制限回路
8、11 高電位側
9、12 低電位側
10 過熱検出回路
13 第1MOSFET
14、17 ゲート
15、18 ドレイン
16 第2MOSFET
19 ツェナーダイオード
20 カソード
21 アノード
22、29 抵抗
23 ゲート配線
24 グランド配線
25 コレクタ端子
26 ゲート端子
27 エミッタ端子
28 グランド電位
31 半導体基板
32 チャネル領域(ウェル領域)
33 エミッタ領域
34 ゲート酸化膜
35 ゲート電極
36 層間絶縁膜
37 エミッタ電極
38 コレクタ領域
39 コレクタ電極
42,43,44 コンデンサ
100 ワンチップイグナイタ
Claims (12)
- MOSトランジスタと、該MOSトランジスタのゲートと電気的に接続するゲート端子と、該MOSトランジスタのゲート電圧を制限する制御回路とを、同一半導体基板に配置したワンチップイグナイタにおいて、
前記ワンチップイグナイタのゲート端子に入力される入力電圧が、前記制御回路の電源電圧及び前記MOSトランジスタの制御信号となり、前記入力電圧の最低電圧が3.5V未満であることを特徴とするワンチップイグナイタ。 - 前記入力電圧の最低電圧が2.5V未満であることを特徴とする請求項1に記載のワンチップイグナイタ。
- 前記入力電圧の最低電圧が2.0V未満であることを特徴とする請求項1に記載のワンチップイグナイタ。
- 前記ワンチップイグナイタを構成する前記MOSトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が1V以上であり、前記MOSトランジスタのチャネル領域の単位体積当たりの不純物量が、1×1017/cm3以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のワンチップイグナイタ。
- 前記ワンチップイグナイタを構成する前記MOSトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が1V以上であり、前記MOSトランジスタのチャネル長が、4μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のワンチップイグナイタ。
- 前記ワンチップイグナイタを構成する前記MOSトランジスタのチャネル長さをL(cm)とし、前記MOSトランジスタのチャネル領域の単位体積当たりの不純物濃度をN(cm-3)としたとき、L≦4×10-4×(10-17)1/3×N1/3であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のワンチップイグナイタ。
- 前記ワンチップイグナイタを構成する前記MOSトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が1V以上であり、前記MOSトランジスタのゲート酸化膜の厚さが、5nm以上で、25nm未満であることを特徴とする請求項1〜6に記載のワンチップイグナイタ。
- 前記ワンチップイグナイタを構成する前記MOSトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が1V以上であり、前記MOSトランジスタのセルがストライプ状の場合、ストライプ状のセルの長手方向に直角方向の1cm当たりのセル本数が、5×102本以上であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のワンチップイグナイタ。
- 前記ワンチップイグナイタを構成するMOSトランジスタが、プレーナゲート構造またはトレンチ構造であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載のワンチップイグナイタ。
- 前記制御回路が、電流制限回路、過熱検出回路、タイマー回路、過電圧保護回路及び入力ヒステリシス回路から選択された一つ乃至複数の回路であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のワンチップイグナイタ。
- 前記のMOSトランジスタが絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載のワンチップイグナイタ。
- 請求項1〜11に記載したワンチップイグナイタを用いた内燃機関点火装置。
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