JP2017125484A - スイッチ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路規模が小さく、安定動作するタイマ回路を有する駆動回路。
【解決手段】高電位側の第１端子および低電位側の第２端子の間に接続されたパワー半導体素子と、キャパシタと、パワー半導体素子がオフである期間の少なくとも一部において、キャパシタを充電する充電部と、パワー半導体素子がオンとなったことに応じて、キャパシタを放電させていく放電部と、キャパシタの電圧が閾値電圧よりも低くなったことに応じて、パワー半導体素子をオフ状態とする遮断部と、を備えるスイッチ装置を提供する。
【選択図】図５

Description

本発明は、スイッチ装置に関する。

従来、内燃機関の点火等に用いられるスイッチ装置として、大電力を取り扱うパワー半導体デバイスが知られていた。このようなパワー半導体デバイスを駆動する回路は、当該パワー半導体デバイスの過電流および過熱等といった異常な状態になったことをタイマ回路等で検知して、内燃機関への影響を保護する回路を備えることが知られていた（例えば、特許文献１および２参照）。
特許文献１ 特開２００２−４９９１号公報
特許文献２ 特開２００６−１０９２８６号公報

パワー半導体デバイスの異常を検出するタイマ回路は、専用の電源を用いずに、パワー半導体デバイスの駆動回路に供給される制御信号を動作電源とすることが望ましい。即ち、タイマ回路専用の電源入力および入力回路等を設けずに、回路規模が小さく、安定動作するパワー半導体デバイスの駆動回路が要求されていた。

本発明の第１の態様においては、高電位側の第１端子および低電位側の第２端子の間に接続されたパワー半導体素子と、キャパシタと、パワー半導体素子がオフである期間の少なくとも一部において、キャパシタを充電する充電部と、パワー半導体素子がオンとなったことに応じて、キャパシタを放電させていく放電部と、キャパシタの電圧が閾値電圧よりも低くなったことに応じて、パワー半導体素子をオフ状態とする遮断部と、を備えるスイッチ装置を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る点火装置１０００の構成例を示す。 本実施形態に係るクロック回路１３２の構成例を示す。 図２に示すクロック回路１３２の各部の動作波形の一例を示す。 本実施形態に係るスイッチ装置１００の各部の動作波形の例を示す。 本実施形態に係る点火装置２０００の構成例を示す。 本実施形態に係るトリガ部１４０およびリセット部１５０の構成例を示す。 本実施形態に係るトリガ部１４０およびリセット部１５０の動作波形の一例を示す。 本実施形態に係るスイッチ装置２００の各部の動作波形の例を示す。 本実施形態に係るスイッチ装置２００の第１変形例を備える点火装置２０００の構成例を示す。 本実施形態に係るスイッチ装置２００の第２変形例を備える点火装置２０００の構成例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る点火装置１０００の構成例を示す。点火装置１０００は、自動車等の内燃機関等に用いられる点火プラグを点火する。本実施形態において、点火装置１０００が自動車のエンジンに搭載される例を説明する。点火装置１０００は、制御信号発生部１０と、点火プラグ２０と、点火コイル３０と、電源４０と、スイッチ装置１００と、を備える。

制御信号発生部１０は、スイッチ装置１００のオンおよびオフの切り換えを制御するスイッチング制御信号を発生する。制御信号発生部１０は、例えば、点火装置１０００が搭載される自動車のエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）の一部または全部である。制御信号発生部１０は、発生した制御信号を、スイッチ装置１００に供給する。制御信号発生部１０が制御信号をスイッチ装置１００に供給することにより、点火装置１０００は点火プラグ２０の点火動作を開始する。

点火プラグ２０は、放電により電気的に火花を発生させる。点火プラグ２０は、例えば、１０ｋＶ程度以上の印加電圧により放電する。点火プラグ２０は、一例として、内燃機関に設けられ、この場合、燃焼室の混合気等の燃焼ガスを点火する。点火プラグ２０は、例えば、シリンダの外部からシリンダ内部の燃焼室まで貫通する貫通孔に設けられ、当該貫通孔を封止するように固定される。この場合、点火プラグ２０の一端は燃焼室内に露出され、他端はシリンダ外部から電気信号を受け取る。

点火コイル３０は、点火プラグに電気信号を供給する。点火コイル３０は、点火プラグ２０を放電させる高電圧を電気信号として供給する。点火コイル３０は、変圧器として機能してよく、例えば、一次コイル３２および二次コイル３４を有するイグニッションコイルである。一次コイル３２および二次コイル３４の一端は、電気的に接続される。一次コイル３２は、二次コイル３４よりも巻き線数が少なく、二次コイル３４とコアを共有する。二次コイル３４は、一次コイル３２に発生する起電力に応じて、起電力（相互誘導起電力）を発生させる。二次コイル３４は、他端が点火プラグ２０と接続され、発生させた起電力を点火プラグ２０に供給して放電させる。

電源４０は、点火コイル３０に電圧を供給する。電源４０は、例えば、一次コイル３２および二次コイル３４の一端に予め定められた定電圧Ｖｂ（一例として、１４Ｖ）を供給する。電源４０は、一例として、自動車のバッテリーである。

スイッチ装置１００は、制御信号発生部１０から供給される制御信号に応じて、点火コイル３０の一次コイル３２の他端および基準電位の間の導通および非導通を切り換える。スイッチ装置１００は、例えば、制御信号がハイ電位（オン電位）であることに応じて、一次コイル３２および基準電位の間を導通させ、ロー電位（オフ電位）であることに応じて、一次コイル３２および基準電位の間を非導通にさせる。

ここで、基準電位は、自動車の制御システムにおける基準電位でよく、また、自動車内におけるスイッチ装置１００に対応する基準電位でもよい。基準電位は、スイッチ装置１００をオフにするロー電位でもよく、一例として、０Ｖである。スイッチ装置１００は、制御端子１０２と、第１端子１０４と、第２端子１０６と、パワー半導体素子１１０と、遮断部１２０と、抵抗１２２と、タイマ回路１３０と、トリガ部１４０と、リセット部１５０と、ラッチ部１６０と、を備える。

制御端子１０２は、パワー半導体素子１１０を制御する制御信号を入力する。制御端子１０２は、制御信号発生部１０に接続され、制御信号を受け取る。第１端子１０４は、点火コイル３０を介して電源４０に接続される。第２端子１０６は、基準電位に接続される。即ち、第１端子１０４は、第２端子１０６と比較して高電位側の端子であり、第２端子１０６は、第１端子１０４と比較して低電位側の端子である。

パワー半導体素子１１０は、ゲート端子（Ｇ）、コレクタ端子（Ｃ）、およびエミッタ（Ｅ）端子を含み、ゲート端子に入力する制御信号に応じて、コレクタ端子およびエミッタ端子の間を電気的に接続または切断する。パワー半導体素子１１０は、高電位側の第１端子１０４および低電位側の第２端子１０６の間に接続され、ゲート電位に応じてオンまたはオフに制御される。パワー半導体素子１１０は、制御信号に応じてゲート電位が制御される。パワー半導体素子１１０は、一例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。また、パワー半導体素子１１０は、ＭＯＳＦＥＴであってもよい。

パワー半導体素子１１０は、一例として、数百Ｖに至る耐圧を有する。パワー半導体素子１１０は、例えば、基板の第１面側にコレクタ電極が形成され、第１面とは反対側の第２面側にゲート電極およびエミッタ電極が形成される縦型デバイスである。また、パワー半導体素子１１０は、縦型ＭＯＳＦＥＴでもよい。一例として、パワー半導体素子１１０のエミッタ端子は、基準電位と接続される。また、コレクタ端子は、一次コイル３２の他端に接続される。なお、本実施例において、パワー半導体素子１１０は、制御信号がオン電位となることに応じて、コレクタ端子およびエミッタ端子の間を電気的に接続するｎチャネル型のＩＧＢＴである例について説明する。

遮断部１２０は、パワー半導体素子１１０のゲート端子および基準電位の間に接続される。遮断部１２０は、一例として、ゲート電位に応じてドレイン端子およびソース端子の間をオンまたはオフに制御されるＦＥＴである。遮断部１２０は、ドレイン端子がパワー半導体素子１１０のゲート端子に接続され、ソース端子が基準電位に接続され、制御端子１０２から入力する制御信号をパワー半導体素子１１０のゲート端子に供給するか否かを切り換える。遮断部１２０は、一例として、ゲート端子がハイ電位となることに応じて、ドレイン端子およびソース端子の間を電気的に接続する、ノーマリーオフのスイッチ素子である。この場合、遮断部１２０は、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴであることが望ましい。

抵抗１２２は、制御端子１０２およびパワー半導体素子１１０のゲート端子の間に接続される。抵抗１２２は、遮断部１２０がＯＦＦ状態の場合、制御信号をパワー半導体素子１１０のゲート端子に供給する。抵抗１２２は、遮断部１２０がＯＮ状態で制御信号を基準電位へと流す場合、当該制御信号を電圧降下させる。即ち、パワー半導体素子１１０のゲート端子には基準電位が供給されることになる。

タイマ回路１３０は、パワー半導体素子１１０に異常が発生したことを検出する。タイマ回路１３０は、制御端子１０２から入力する制御信号がハイ電位となってから、当該ハイ電位が継続する時間を計測する。タイマ回路１３０は、制御信号がハイ電位を継続する時間が予め定められた時間を経過した場合、パワー半導体素子１１０に電流が流れ続け、加熱等による異常が発生したと判断して、異常を検出したことをタイマ信号として出力する。なお、予め定められた時間を、タイマ時間Ｔとする。タイマ回路１３０は、一例として、異常を検出したことに応じてハイ電位を出力し、制御信号のハイ電位が継続する時間が予め定められた時間以内の場合、ロー電位を出力する。タイマ回路１３０は、クロック回路１３２と、逓倍器１３４と、を有する。

クロック回路１３２は、クロック信号を発生させる。クロック回路１３２は、制御端子１０２から入力する制御信号を電源として動作する。クロック回路１３２は、生成したクロック信号を逓倍器１３４に供給する。逓倍器１３４は、受け取ったクロック信号の周期を逓倍する。逓倍器１３４は、一例として、Ｔ型フリップフロップ（トグルフリップフロップ）をｎ個含み、入力するクロック信号の周期Ｔｃを２^ｎ倍にする（ｎは１以上の整数）。

このように、タイマ回路１３０は、タイマ時間Ｔをパルス幅とするので、周期の１／２であるＴｃ・２^ｎ−１[*1]とする。タイマ回路１３０は、制御端子１０２から入力する制御信号がハイ電位の状態をタイマ時間Ｔよりも長く継続させた場合、次の周期のクロックを出力する。即ち、タイマ回路１３０は、制御信号がハイ電位を継続させていることを条件に、制御信号がハイ電位となってからＴ時間後にハイ電位となる。タイマ回路１３０は、タイマ信号をラッチ部１６０に供給する。

トリガ部１４０は、パワー半導体素子１１０を制御するための制御信号が基準電圧よりも高くなったことに応じて、トリガ信号を出力する。トリガ部１４０は、一例として、制御信号がロー電位からハイ電位になったことに応じて、ロー電位のトリガ信号をリセット部１５０に出力する。トリガ部１４０は、一例として、制御端子１０２から入力する制御信号を電源として動作し、当該制御信号がロー電位の場合には信号を出力しない。

リセット部１５０は、制御信号がハイ電位になったことに応じて、予め定められた期間の間、リセット信号を出力する。リセット部１５０は、トリガ部１４０から受け取るトリガ信号に応じて、ハイ電位のリセット信号を出力する。リセット部１５０は、一例として、予め定められたパルス幅のパルス信号を、リセット信号としてラッチ部１６０に出力する。リセット部１５０は、一例として、制御端子１０２から入力する制御信号を電源として動作し、当該制御信号がロー電位の場合には信号を出力しない。

ラッチ部１６０は、リセット信号に応じてリセットされ、タイマ回路からタイマ信号を受け取ったことをラッチする。ラッチ部１６０は、パワー半導体素子が予め定められた時間を超えて電流を流し続けたことに応じて、遮断信号を発生して、遮断部１２０のゲート端子に供給する。ラッチ部１６０は、遮断信号を出力することにより、制御端子１０２からパワー半導体素子１１０への制御信号の供給を遮断する。ラッチ部１６０は、一例として、ロー電位からハイ電位となる遮断信号を発生させる。これにより、パワー半導体素子１１０は、オフ状態に切り換わる。ラッチ部１６０は、一例として、制御端子１０２から入力する制御信号を電源として動作し、当該制御信号がロー電位の場合には信号を出力しない。ラッチ部１６０は、一例として、ＲＳフリップフロップである。

以上の本実施形態に係るスイッチ装置１００は、パワー半導体素子１１０が正常な状態にあり、制御信号がハイ電位となる場合、パワー半導体素子１１０がオン状態となる。これにより、電源４０から点火コイル３０の一次コイル３２を介してコレクタ電流Ｉｃが流れる。なお、コレクタ電流Ｉｃの時間変化ｄＩｃ／ｄｔは、一次コイル３２のインダクタンスおよび電源４０の供給電圧に応じて定まり、予め定められた（または設定された）電流値まで増加する。例えば、コレクタ電流Ｉｃは、数Ａ、十数Ａ、または数十Ａ程度まで増加する。

そして、制御信号がロー電位となると、パワー半導体素子１１０はオフ状態となり、コレクタ電流は急激に減少する。コレクタ電流の急激な減少により、一次コイル３２の両端電圧は、自己誘電起電力により急激に増加し、二次コイル３４の両端電圧に数十ｋＶ程度に至る誘導起電力を発生させる。点火装置１０００は、このような二次コイル３４の電圧を点火プラグ２０に供給することにより、点火プラグ２０を放電させて燃焼ガスを点火する。

ここで、制御信号発生部１０等の故障により、制御信号のハイ電位の状態が継続した場合、タイマ回路１３０がハイ電位の継続を検出して、タイマ信号をラッチ部１６０に供給し、ラッチ部１６０は、制御端子１０２からパワー半導体素子１１０への制御信号の供給を遮断する。これにより、パワー半導体素子１１０のゲート電位がオフ電位となり、コレクタ電流Ｉｃが遮断される。

パワー半導体素子１１０がコレクタ電流Ｉｃを流す状態が継続すると、当該パワー半導体素子１１０および点火コイル３０が加熱され、故障等が発生してしまうことがある。本実施形態に係る点火装置１０００は、このような故障等の要因となる制御信号のハイ電位の継続が発生しても、遮断部１２０がパワー半導体素子１１０への制御信号の供給を遮断してコレクタ電流Ｉｃを遮断するので、当該点火装置１０００および自動車の部品に破壊および動作不良等が生じることを防止できる。

以上のように、スイッチ装置１００は、制御信号のハイ電位の継続をタイマ回路１３０が検出する例を説明した。タイマ回路１３０は、外部からの電源供給を受けずに、制御信号を動作電源とするので、電源を入力する端子、入力電源の過電圧を検出する回路、伝送回路、および保護回路等を設けることなく、回路規模を低減させることができる。このようなタイマ回路１３０が有するクロック回路１３２について、図２を用いて説明する。

図２は、スイッチ装置１００に設けられるクロック回路１３２の構成例を示す。クロック回路１３２は、制御信号入力部１７２、クロック信号出力部１７４、基準電位入力部１７６、トランジスタ１８０、抵抗１８２、抵抗１８４、トランジスタ１８６、トランジスタ１８８、キャパシタ１９０、コンパレータ１９２、トランジスタ１９４、およびトランジスタ１９６を含む。

トランジスタ１８０、トランジスタ１８８、およびトランジスタ１９４は、一例として、デプレッション型のＭＯＳＦＥＴであり、ゲートおよびソースが接続されてオン状態で用いられる。トランジスタ１８６およびトランジスタ１９６は、ゲートに供給される電位に応じて、ソースおよびドレインの間を電気的に接続または切断する。トランジスタ１８０、トランジスタ１８６、トランジスタ１８８、トランジスタ１９４、およびトランジスタ１９６は、ｎＭＯＳで形成されることが望ましい。

トランジスタ１８０は、ドレイン端子が制御信号入力部１７２に接続され、ゲート端子およびソース端子が抵抗１８２の一方の端子に接続される。抵抗１８２の他方の端子は、抵抗１８４の一方の端子に接続され、抵抗１８４の他方の端子は、基準電位入力部１７６に接続される。即ち、トランジスタ１８０、抵抗１８２、および抵抗１８４は、制御信号入力部１７２および基準電位入力部１７６の間に直列に接続される。

トランジスタ１８６は、ドレイン端子が抵抗１８２および抵抗１８４の間に接続され、ソース端子が基準電位入力部１７６に接続される。トランジスタ１８８は、ドレイン端子が制御信号入力部１７２に接続され、ゲート端子およびソース端子がキャパシタ１９０の一方の端子に接続される。また、キャパシタ１９０の他方の端子は、基準電位入力部１７６に接続される。

コンパレータ１９２の＋側入力端子は、トランジスタ１８８のソース端子に接続され、−側入力端子は、トランジスタ１８０のソース端子に接続され、出力端子は、クロック信号出力部１７４に接続される。なお、コンパレータ１９２の出力端子は、トランジスタ１８６およびトランジスタ１９６のゲート端子にそれぞれ接続される。

トランジスタ１９４は、ドレイン端子がキャパシタ１９０の一方の端子に接続され、ソース端子がトランジスタ１９６のドレイン端子に接続される。トランジスタ１９６は、ソース端子が基準電位入力部１７６に接続される。即ち、キャパシタ１９０と、トランジスタ１９４およびトランジスタ１９６とは、トランジスタ１８８のソース端子から基準電位入力部１７６までの間に、並列に接続される。このようなクロック回路１３２の動作について、次に説明する。

図３は、図２に示すクロック回路１３２の各部の動作波形の一例を示す。図３は、横軸を時間、縦軸を出力電位とする。また、制御信号をＶｉｎ、コンパレータ１９２の＋側入力端子の電位をＶ＋、コンパレータ１９２の−側入力端子の電位をＶ−、クロック信号出力部１７４の出力信号をＶｏｕｔとする。また、抵抗１８２の抵抗値をＲ１、抵抗１８４の抵抗値をＲ２、トランジスタ１８０のソース電流をＩｄｅｐ１、トランジスタ１８８のソース電流をＩｄｅｐ１、トランジスタ１９４のドレイン電流をＩｄｅｐ２とする。なお、トランジスタ１８０およびトランジスタ１８８を、略同一形状のトランジスタとして、ソース電流を略同一とした。

制御信号の初期状態をロー電位とすると、コンパレータ１９２の出力もロー電位なので、トランジスタ１８６およびトランジスタ１９６もオフ状態である。時刻ｔ０において、制御信号がハイ電位となると、トランジスタ１８６はオフ状態なので、トランジスタ１８０のソース電流Ｉｄｅｐ１は、抵抗１８２および抵抗１８４を流れ、コンパレータ１９２の−側入力端子の電位Ｖ−は、Ｉｄｅｐ１・（Ｒ１＋Ｒ２）となる。

また、トランジスタ１９６はオフ状態なので、トランジスタ１８８のソース電流Ｉｄｅｐ１によりキャパシタ１９０は充電される。コンパレータ１９２の＋側入力端子の電位Ｖ＋は、キャパシタ１９０の充電に伴い、０Ｖから時間と共に上昇する。コンパレータ１９２の＋側入力端子の電位Ｖ＋が、Ｉｄｅｐ１・（Ｒ１＋Ｒ２）に上昇するまでは、−側入力端子の電位Ｖ−の方が高い電位となるので、コンパレータ１９２の出力（即ち、クロック信号出力部１７４の出力信号Ｖｏｕｔ）はロー電位のままとなる。

時刻ｔ１において、キャパシタ１９０の充電電位（即ち、コンパレータ１９２の＋側入力端子の電位Ｖ＋）がＩｄｅｐ１・（Ｒ１＋Ｒ２）を超えると、クロック信号出力部１７４の出力信号Ｖｏｕｔはハイ電位となり、トランジスタ１８６およびトランジスタ１９６はオン状態に切り換わる。すると、トランジスタ１８０のソース電流Ｉｄｅｐ１は、抵抗１８２およびトランジスタ１８６を流れ、コンパレータ１９２の−側入力端子の電位Ｖ−は、Ｉｄｅｐ１・Ｒ１となる。

また、トランジスタ１９６はオン状態なので、キャパシタ１９０に充電された電荷はトランジスタ１９４およびトランジスタ１９６を介して、基準電位へと流れて放電する。即ち、コンパレータ１９２の＋側入力端子の電位Ｖ＋は、キャパシタ１９０の放電に伴い、Ｉｄｅｐ１・（Ｒ１＋Ｒ２）から時間と共に低下する。コンパレータ１９２の＋側入力端子の電位Ｖ＋が、Ｉｄｅｐ１・Ｒ１に低下するまでは、−側入力端子の電位Ｖ−の方が低い電位となるので、クロック信号出力部１７４の出力信号Ｖｏｕｔはハイ電位のままとなる。

時刻ｔ２において、コンパレータ１９２の＋側入力端子の電位Ｖ＋がＩｄｅｐ１・Ｒ１を下回ると、クロック信号出力部１７４の出力信号Ｖｏｕｔはロー電位となり、トランジスタ１８６およびトランジスタ１９６はオフ状態に切り換わる。すると、トランジスタ１８０のソース電流Ｉｄｅｐ１は、抵抗１８２および抵抗１８４を流れ、コンパレータ１９２の−側入力端子の電位Ｖ−は、Ｉｄｅｐ１・（Ｒ１＋Ｒ２）となる。

また、トランジスタ１９６はオフ状態なので、キャパシタ１９０は充電され、コンパレータ１９２の＋側入力端子の電位Ｖ＋は、Ｉｄｅｐ１・Ｒ１から時間と共に上昇する。コンパレータ１９２の＋側入力端子の電位Ｖ＋が、Ｉｄｅｐ１・（Ｒ１＋Ｒ２）に上昇するまでは、−側入力端子の電位Ｖ−の方が高い電位となるので、クロック信号出力部１７４の出力信号Ｖｏｕｔは、時刻ｔ３までロー電位のままとなる。以上のように、クロック回路１３２は、キャパシタ１９０の充電および放電を繰り返すことで、出力信号Ｖｏｕｔをクロック信号として出力することができる。このようなクロック信号によってパワー半導体素子１１０を切り換える動作について、次に説明する。

図４は、本実施形態に係るスイッチ装置１００の各部の動作波形の例を示す。図４は、横軸を時間、縦軸を電圧値または電流値とする。また、図４は、制御端子１０２から入力する制御信号を「Ｖｉｎ」、パワー半導体素子１１０のゲート端子の電位を「Ｖｇ」、パワー半導体素子１１０のコレクタ・エミッタ間電流（コレクタ電流とする）を「Ｉｃ」、パワー半導体素子１１０のコレクタ・エミッタ間電圧（コレクタ電圧とする）を「Ｖｃ」、リセット部１５０が出力するリセット信号を「Ｖｒ」、タイマ回路１３０が出力するタイマ信号を「Ｖｓ」として、それぞれの時間波形を示す。

スイッチ装置１００に入力する制御信号Ｖｉｎがロー電位（一例として、０Ｖ）の場合、リセット信号Ｖｒ、タイマ信号Ｖｓ、およびゲート電位Ｖｇはロー電位（０Ｖ）、パワー半導体素子１１０はオフ状態、コレクタ電流Ｉｃは０Ａ、コレクタ電圧Ｖｃは電源４０の出力電圧（一例として、１４Ｖ）となる。

そして、制御信号Ｖｉｎがハイ電位（一例として、５Ｖ）になると、ゲート電位Ｖｇがハイ電位となってパワー半導体素子１１０がオン状態に切り換わり、コレクタ電流Ｉｃは増加を開始し、コレクタ電圧Ｖｃは略０Ｖになってから増加を開始する。また、トリガ部１４０はロー電位のトリガ信号を出力し、リセット部１５０はハイ電位のリセット信号Ｖｒを出力する。

そして、制御信号Ｖｉｎがハイ電位になった後、タイマ回路１３０が計数するタイマ時間Ｔよりも短い期間に制御信号Ｖｉｎが再びロー電位になると、当該ロー電位がパワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇとなるので、パワー半導体素子１１０はオフ状態に切り換わる。これにより、図１で説明した点火動作が実行され、コレクタ電流Ｉｃは略０Ａ、コレクタ電圧Ｖｃは電源の出力電位に戻る。なお、コレクタ電圧Ｖｃは、点火動作として、瞬時的に高電圧になってから電源の出力電位に戻る。以上が、図４の制御信号Ｖｉｎに「正常」と示した範囲のスイッチ装置１００の動作である。

次に、制御信号Ｖｉｎのハイ電位となった状態が、タイマ時間Ｔを超えて継続する場合の例を説明する。この場合、制御信号Ｖｉｎがハイ電位になった状態までは、既に説明したとおり、パワー半導体素子１１０がオン状態に切り換わり、コレクタ電流Ｉｃは増加を開始し、コレクタ電圧Ｖｃは略０Ｖになってから増加を開始する。また、トリガ部１４０はトリガ信号を出力し、リセット部１５０はリセット信号Ｖｒを出力する。

ここで、制御信号Ｖｉｎのハイ電位の状態が継続すると、コレクタ電流Ｉｃの増加が継続し、パワー半導体素子１１０の温度が上昇する。そして、コレクタ電圧Ｖｃおよびコレクタ電流Ｉｃは飽和するが、この状態が継続してしまうと、スイッチ装置１００およびスイッチ装置１００に接続された点火コイル３０等の部品に故障等が発生する場合がある。タイマ回路１３０は、このような故障等を防止すべく、制御信号Ｖｉｎがハイ電位となってからタイマ時間Ｔが経過すると、異常を検出したタイマ信号Ｖｓを出力する。ラッチ部１６０は、タイマ信号Ｖｓをラッチして遮断信号を出力し、ゲート電位Ｖｇをロー電位にする。これにより、パワー半導体素子１１０はオフ状態に切り換わる。これにより、図１で説明した点火動作が実行され、コレクタ電流Ｉｃは略０Ａ、コレクタ電圧Ｖｃは電源の出力電圧に戻る。

コレクタ電流Ｉｃおよびコレクタ電圧Ｖｃが元に戻ってから、制御信号Ｖｉｎがロー電位になると、ラッチ部１６０への電源供給が遮断されるので、遮断信号がロー電位となる。以上が、図４の制御信号Ｖｉｎに「ＯＮ固定」と示した範囲のスイッチ装置１００の動作である。以上のように、本実施形態に係るスイッチ装置１００は、パワー半導体素子１１０に電流が流れる状態がタイマ時間Ｔ以上継続してしまうことを検出し、パワー半導体素子１１０をオフ状態へと切り換えることができる。

しかしながら、図１に示すスイッチ装置１００を集積回路として製造し、ワンチップ化させても、チップサイズを低減させることができない場合があった。次に説明するように、クロック回路１３２は、タイマ時間Ｔと比較して小さいクロック周期になってしまい、逓倍器１３４の面積が増加してしまうからである。タイマ回路１３０のクロック回路１３２が生成するクロック信号の周期は、キャパシタ１９０の充電時間に依存するので、キャパシタ１９０の容量に依存することになる。しかしながら、キャパシタ１９０の容量Ｃを大きくすると、キャパシタ１９０のサイズも大きくなるので、スイッチ装置１００を小型化する場合、キャパシタ１９０の容量Ｃは、せいぜい１００ｐＦ程度となる。

また、安定なクロック信号を出力するには、−側入力端子の電位Ｖ−の振幅ΔＶ−｛＝Ｉｄｅｐ１・（Ｒ１＋Ｒ２）−Ｉｄｅｐ１・Ｒ１＝Ｉｄｅｐ１・Ｒ２｝が一定となることが望ましい。したがって、トランジスタ１８０は、ドレイン電流が飽和するピンチオフの状態であることが望ましい。ここで、制御信号のハイ電位として、２．５Ｖから５Ｖ程度の電位を用い、トランジスタ１８０のピンチオフ電圧を２Ｖとすると、ΔＶ−は、０．５Ｖ未満となる。なお、ΔＶ−は、＋側入力端子の電位Ｖ＋の振幅ΔＶ＋でもあるので、キャパシタ１９０に充電される電荷Ｑは、Ｃ・ΔＶ＋未満となる。

したがって、キャパシタ１９０に充電される電荷Ｑは、キャパシタ１９０の容量Ｃおよび制御信号のハイ電位に比例することになる。キャパシタ１９０の容量Ｃの大きさは上述のとおり限度があり、また、制御信号はスイッチ装置１００の外部から入力する信号なので、スイッチ装置１００を設計する場合、制御信号のハイ電位を高く設定することはできない。即ち、クロック回路１３２が生成するクロック信号の周期Ｔｃは、スイッチ装置１００の設計パラメータを変更しても、限度があり、例えば、Ｉｄｅｐ１が１μＡ程度の場合、当該周期Ｔｃは１０μｓ程度となる。

タイマ回路１３０が、一例として、タイマ時間Ｔを１０ｍｓとする場合、逓倍器１３４は、クロック回路１３２が出力するクロック周期を２０００倍程度にすることになる。したがって、逓倍器１３４は、例えば、Ｔ型フリップフロップを１１個程度設けることになり、結果として、タイマ回路１３０の回路規模が増大してしまう。そこで、本実施形態に係るスイッチ装置２００は、回路規模を低減させつつ、安定なタイマ時間のタイマ信号を出力させる。このようなスイッチ装置２００について、次に説明する。

図５は、本実施形態に係る点火装置２０００の構成例を示す。図５に示す点火装置２０００において、図１に示された本実施形態に係る点火装置１０００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。点火装置２０００は、スイッチ装置２００を備える。なお、点火装置２０００が備える制御信号発生部１０、点火プラグ２０、点火コイル３０、および電源４０については説明を省略する。

スイッチ装置２００は、制御端子２０２と、第１端子２０４と、第２端子２０６と、パワー半導体素子１１０と、遮断部１２０と、抵抗１２２と、トリガ部１４０と、リセット部１５０と、ラッチ部１６０と、キャパシタ２１０と、充電部２２０と、放電部２３０と、インバータ２４０と、を備える。制御端子２０２は、パワー半導体素子１１０を制御する制御信号を入力する。制御端子２０２は、制御信号発生部１０に接続され、制御信号を受け取る。第１端子２０４は、点火コイル３０を介して電源４０に接続される。第２端子２０６は、基準電位に接続される。即ち、第１端子２０４は、第２端子２０６と比較して高電位側の端子であり、第２端子２０６は、第１端子２０４と比較して低電位側の端子である。

なお、パワー半導体素子１１０、遮断部１２０、および抵抗１２２については、図１で説明したので、ここでは説明を省略する。キャパシタ２１０は、一方の端子が第２端子２０６を介して基準電位と接続され、他方の端子に充電部２２０が接続される。

トリガ部１４０は、パワー半導体素子１１０を制御するための制御信号が基準電圧よりも高くなったことに応じて、トリガ信号を出力する。トリガ部１４０は、制御信号がロー電位からハイ電位になったことに応じて、ロー電位のトリガ信号をリセット部１５０および充電部２２０に供給する。トリガ部１４０は、一例として、制御端子２０２から入力する制御信号を電源として動作し、当該制御信号がロー電位の場合には信号を出力しない。

リセット部１５０は、制御信号がハイ電位になったことに応じて、予め定められた期間の間、リセット信号を出力する。リセット部１５０は、トリガ部１４０から受け取るトリガ信号に応じて、ハイ電位のリセット信号を出力する。リセット部１５０は、一例として、予め定められたパルス幅のパルス信号を、リセット信号としてラッチ部１６０に出力する。リセット部１５０は、一例として、制御端子２０２から入力する制御信号を電源として動作し、当該制御信号がロー電位の場合には信号を出力しない。

ラッチ部１６０は、リセット信号に応じてリセットされ、インバータ２４０からタイマ信号を受け取ったことをラッチする。ラッチ部１６０は、パワー半導体素子が予め定められた時間を超えて電流を流し続けたことに応じて、遮断信号を発生して、遮断部１２０のゲート端子に供給する。ラッチ部１６０は、遮断信号を出力することにより、制御端子１０２からパワー半導体素子１１０への制御信号の供給を遮断する。ラッチ部１６０は、一例として、ロー電位からハイ電位となる遮断信号を発生させる。これにより、パワー半導体素子１１０は、オフ状態に切り換わる。ラッチ部１６０は、一例として、制御端子２０２から入力する制御信号を電源として動作し、当該制御信号がロー電位の場合には信号を出力しない。ラッチ部１６０は、一例として、ＲＳフリップフロップである。

充電部２２０は、パワー半導体素子１１０がオフである期間の少なくとも一部において、キャパシタ２１０を充電する。充電部２２０は、第１端子２０４に接続され、第１端子２０４からの電圧によりキャパシタ２１０を充電する。充電部２２０は、クランプ部２２２と、第１抵抗２２４と、スイッチ部２２６と、を有する。

クランプ部２２２は、第１端子２０４および基準電位の間にキャパシタ２１０と並列に接続される。クランプ部２２２は、第１端子２０４からの電圧が、予め定められた電圧よりも高い電圧の場合、第１端子２０４からの電圧を当該予め定められた電圧にクランプする。なお、予め定められた電圧を、クランプ電圧とする。クランプ部２２２は、一例として、第１端子２０４および基準電位の間にキャパシタ２１０と並列に接続されたツェナーダイオードを有する。ツェナーダイオードのアノードは、第２端子２０６に接続される。

第１抵抗２２４は、キャパシタ２１０およびクランプ部２２２における第１端子２０４側の端子と第１端子２０４との間に接続される。第１抵抗２２４は、一端が第１端子２０４に接続され、他端がツェナーダイオードのカソードに接続される。即ち、第１抵抗２２４およびクランプ部２２２は、第１端子２０４から第２端子２０６の間で直列接続される。第１抵抗２２４は、クランプ部２２２が第１端子２０４からの電圧をクランプさせて電流を流す場合に、クランプ部２２２に流れる電流の量を制限して電流による温度上昇を防止する。

スイッチ部２２６は、第１抵抗２２４の他端およびキャパシタ２１０の他方の端子の間を電気的な接続および切断を切り換える。スイッチ部２２６は、一例として、トランジスタを有する。この場合、スイッチ部２２６は、ゲート端子およびコレクタ端子が第１抵抗２２４の他端に接続され、エミッタ端子がキャパシタ２１０の他方の端子に接続される。即ち、スイッチ部２２６およびキャパシタ２１０は、第１抵抗２２４の他端から第２端子２０６の間で直列に接続される。また、スイッチ部２２６およびキャパシタ２１０は、第１抵抗２２４の他端から第２端子２０６の間でクランプ部２２２と並列に接続される。

スイッチ部２２６は、クランプ部２２２が第１端子２０４からの電圧をクランプさせる場合、クランプ電圧によってオン状態になり、当該クランプ電圧をキャパシタ２１０に供給する。これにより、キャパシタ２１０は、クランプ部２２２によりクランプされた電圧を充電する。また、スイッチ部２２６は、ゲート端子およびエミッタ端子において、トリガ部１４０からのトリガ信号を受け取る。当該トリガ信号により、スイッチ部２２６は、ゲート端子およびエミッタ端子がロー電位となるので、オフ状態となってキャパシタ２１０へのクランプ電圧の供給を停止する。即ち、スイッチ部２２６は、トリガ信号に応じて、第１端子２０４およびキャパシタ２１０の間の接続を遮断する。

放電部２３０は、パワー半導体素子１１０がオンとなったことに応じて、キャパシタ２１０に充電された電荷を放電させていく。放電部２３０は、例えば、キャパシタ２１０の他方の端子および第２端子２０６の間に接続され、キャパシタ２１０の他方の端子に充電された電荷を基準電位へと放電させる。放電部２３０は、例えば、第１端子２０４および基準電位の間にキャパシタ２１０と並列に接続された第２抵抗および／または定電流源を有する。

インバータ２４０は、キャパシタ２１０の他方の端子およびラッチ部１６０の間に接続され、キャパシタ２１０の電位に応じた反転論理出力をラッチ部１６０に供給する。インバータ２４０は、一例として、動作電源を制御端子２０２から入力する制御信号とし、制御信号がハイ電位となったことを条件に、反転論理出力をラッチ部１６０に供給する。

インバータ２４０は、例えば、キャパシタ２１０に電荷が充電されて閾値を超えるハイ電位になっている場合、ロー電位をラッチ部１６０に供給する。また、インバータ２４０は、キャパシタ２１０の電荷が放電部２３０によって放電され、閾値以下のロー電位になると、ハイ電位をラッチ部１６０に供給する。即ち、インバータ２４０は、放電部２３０による放電が閾値以下となった時刻をタイマ時間Ｔとして、ハイ電位のタイマ信号を出力する。

以上のように、本実施形態に係るスイッチ装置２００は、図１で説明したスイッチ装置１００のタイマ回路１３０に代えて、充電部２２０が第１端子２０４側の電圧を用いてキャパシタ２１０を充電する。これにより、パワー半導体素子１１０がオフ状態の場合、充電部２２０は、電源４０の電位（一例として１４Ｖ）からクランプした電圧を用いて充電することができるので、５Ｖ以上の電圧でキャパシタ２１０を充電できる。したがって、スイッチ装置２００は、キャパシタ２１０に充電される電荷の量を、タイマ回路１３０がキャパシタ１９０に充電する電荷の量と比較して、キャパシタ２１０およびキャパシタ１９０の容量が略同一であっても、略１０倍以上に増加させることができる。

また、スイッチ装置２００は、キャパシタ２１０に充電された電荷を放電部２３０を用いて放電させ、キャパシタ２１０および放電部２３０によって定められる時定数によって放電させることができる。即ち、スイッチ装置２００は、キャパシタ２１０の容量が１００ｐＦ程度であっても、例えば、放電部２３０が基準電位へと流す電流の量を調整することで、放電の時定数をタイマ回路１３０と比較して長くすることができる。したがって、スイッチ装置２００は、インバータ２４０が出力するタイマ信号のタイマ時間Ｔを、図１で説明した逓倍器１３４を用いずに、ｍｓ単位の時間にすることができる。

図６は、本実施形態に係るトリガ部１４０およびリセット部１５０の構成例を示す。トリガ部１４０は、制御信号入力部１４２、トリガ信号出力部１４４、基準電位入力部１４６、抵抗２７２、抵抗２７４、およびインバータ２７６を有する。リセット部１５０は、制御信号入力部１５２、リセット信号出力部１５４、基準電位入力部１５６、インバータ２８２、抵抗２８４、キャパシタ２８６、およびインバータ２８８を含む。

制御信号入力部１４２および制御信号入力部１５２は、制御端子２０２から入力される制御信号が入力される。トリガ信号出力部１４４は、当該トリガ部１４０が生成するトリガ信号を出力する。リセット信号出力部１５４は、当該リセット部１５０が生成するリセット信号を出力する。基準電位入力部１４６および基準電位入力部１５６は、第２端子２０６を介して基準電位に接続される。

抵抗２７２および抵抗２７４は、制御信号入力部１４２および基準電位入力部１４６の間に直列に接続され、制御信号入力部１４２から入力する制御信号Ｖｉｎを分圧する。抵抗２７２の抵抗値をＲ１、抵抗２７４の抵抗値をＲ２とすると、分圧電位は、Ｖｉｎ・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）となる。一例として、制御信号が過渡的にロー電位（一例として、０Ｖ）からハイ電位（一例として、５Ｖ）にリニアに立ち上がる場合、分圧電位も、０Ｖから５・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）までリニアに立ち上がる。

インバータ２７６は、抵抗２７２および抵抗２７４の間に接続され、分圧電位を受け取って反転出力する。トリガ部１４０は、インバータ２７６の出力をトリガ信号として出力する。なお、インバータ２７６は、制御信号Ｖｉｎがロー電位の場合、動作電源が０Ｖとなるので、信号を出力できない。しかしながら、充電部２２０からクランプ電圧がトリガ信号出力部１４４に供給される場合、トリガ信号出力部１４４の電位は当該クランプ電位と略等しくなる。

インバータ２８２は、インバータ２７６の出力を受け取って反転出力する。抵抗２８４およびキャパシタ２８６は、ＲＣ回路を構成し、インバータ２８２の出力を受け取って時定数ＲＣの遅延を有して立ち上がる信号を出力する。インバータ２８８は、抵抗２８４およびキャパシタ２８６の出力を受け取って反転出力する。

なお、インバータ２７６、インバータ２８２、およびインバータ２８８は、それぞれ制御信号を動作電源とする。したがって、インバータ２７６、インバータ２８２、およびインバータ２８８は、当該制御信号が過渡的に立ち上がる過程において、当該制御信号がインバータの閾値に至るまでの期間は、制御信号と略同一の電位の信号を出力する。なお、本例において、各インバータの閾値は、略同一の値Ｖ１とする。このようなトリガ部１４０およびリセット部１５０の各部における動作を、次に説明する。

図７は、本実施形態に係るトリガ部１４０およびリセット部１５０の動作波形の一例を示す。図７は、横軸を時間、縦軸を出力電位とする。図７は、制御信号がオフ電位（０Ｖ）からオン電位（５Ｖ）にリニアに立ち上がる場合に対する、インバータ２７６、インバータ２８２、およびインバータ２８８の出力電位の一例を示す。

図７は、制御信号をＶｉｎ、インバータ２７６の出力、即ち、トリガ部１４０の出力をＶｔ、インバータ２８２の出力をＶｏｕｔ１、インバータ２８８の出力、即ち、リセット部１５０の出力をＶｒとする。インバータ２７６、インバータ２８２、およびインバータ２８８の出力電位Ｖｔ、Ｖｏｕｔ１、およびＶｒは、入力電位がインバータの閾値に至るまでは、電源電位（即ち、制御信号Ｖｉｎ）と略同一の電位となる。

インバータ２７６は、時刻ｔ１において、電源の電位（即ち、Ｖｉｎ）が閾値Ｖ１を超えても、入力する分圧電位Ｖｉｎ・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）が閾値Ｖ１以下の値なので、入力電位をロー電位として、ハイ電位を反転出力とする。なお、インバータ２７６は、ハイ電位を出力させるように動作しても、電源電位がハイ電位（例えば５Ｖ）に至る過程の過渡的な電位の場合、当該過渡的な電源電位をハイ電位として出力する。図７は、インバータ２７６の出力電位Ｖｔが、時刻ｔ１以降において、電源電位Ｖｉｎと略同一の電位を出力する例を示す。

インバータ２７６は、時刻ｔ２において、電源の電位Ｖｉｎが閾値Ｖ１を超え、かつ、入力する分圧電位が閾値Ｖ１を超えたこと（即ち、ハイ電位の入力）に応じて、ロー電位を反転出力とする。図７は、インバータ２７６の出力電位Ｖｔが、時刻ｔ２においてロー電位（０Ｖ）となる例を示す。すなわち、トリガ部１４０は、制御信号Ｖｉｎがハイ電位となったことに応じて、閾値Ｖ１未満のロー電位を出力することになる。

インバータ２８２は、時刻ｔ１において、電源の電位Ｖｉｎが閾値Ｖ１を超え、入力電位が閾値Ｖ１を超えた電位であることに応じて、ロー電位を反転出力とする。図７は、インバータ２８２の出力電位Ｖｏｕｔ１が、時刻ｔ１においてロー電位となる例を示す。インバータ２８２は、時刻ｔ２において、電源の電位Ｖｉｎが閾値Ｖ１を超え、入力電位がロー電位であることに応じて、ハイ電位を反転出力とする。なお、インバータ２８２は、電源電位Ｖｉｎがハイ電位に至る過程の過渡的な電位の場合、当該過渡的な電源電位をハイ電位として出力する。図７は、インバータ２８２の出力電位Ｖｏｕｔ１が、時刻ｔ２以降において、電源電位Ｖｉｎと略同一の電位となる例を示す。

抵抗２８４およびキャパシタ２８６によるＲＣ回路は、インバータ２８２の出力信号を遅延させる。図７は、ＲＣ回路が出力信号を１０μｓ遅延させる例を示す。インバータ２８８は、電源の電位Ｖｉｎが閾値１を超え、入力電位が閾値Ｖ１を超えた電位であることに応じて、ロー電位を反転出力とする。図７は、インバータ２８８の出力電位Ｖｒが、時刻ｔ２から１０μｓ経過した時点において、ロー電位となる例を示す。

以上のように、本実施形態に係るリセット部１５０は、制御信号がハイ電位となってから基準時間ｔ２が経過した後に、予め定められたパルス幅のリセット信号を出力する。図７に示すリセット信号は、一例として、抵抗２８４およびキャパシタ２８６で設定された時定数１０μｓをパルス幅とするパルス信号である。

ラッチ部１６０は、このようにトリガ信号に応じて出力されるリセット信号でリセットされ、キャパシタ２１０の電圧が閾値電圧よりも低くなったことを示すタイマ信号に応じてセットされる。即ち、ラッチ部１６０は、制御信号がハイ電位になっていることを条件に、パワー半導体素子１１０がオン状態となっている期間がタイマ時間Ｔを超えたことに応じて出力される、タイマ信号をラッチする。そして、ラッチ部１６０は、遮断信号を遮断部１２０に供給する。遮断部１２０は、ラッチ部がセットされたことに応じて、パワー半導体素子１１０のゲート電位をオフ電位にして、パワー半導体素子１１０をオフ状態とする。

以上のように、本実施形態に係るスイッチ装置２００は、パワー半導体素子１１０のオン状態の継続時間に応じて動作を制限しつつ、第１端子２０４に接続された点火コイル３０に流れる電流を、パワー半導体素子を制御するための制御信号に応じて制御するイグナイタとして動作する。このようなスイッチ装置２００の動作について、次に説明する。

図８は、本実施形態に係るスイッチ装置２００の各部の動作波形の例を示す。図８は、横軸を時間、縦軸を電圧値または電流値とする。また、図８は、制御端子２０２から入力する制御信号を「Ｖｉｎ」、パワー半導体素子１１０のゲート端子の電位を「Ｖｇ」、パワー半導体素子１１０のコレクタ・エミッタ間電流（コレクタ電流とする）を「Ｉｃ」、パワー半導体素子１１０のコレクタ・エミッタ間電圧（コレクタ電圧とする）を「Ｖｃ」、トリガ部１４０が出力するトリガ信号を「Ｖｔ」、リセット部１５０が出力するリセット信号を「Ｖｒ」、キャパシタ２１０の電位を「Ｖｃａｐ」、インバータ２４０が出力するタイマ信号を「Ｖｓ」として、それぞれの時間波形を示す。

スイッチ装置１００に入力する制御信号Ｖｉｎがロー電位（一例として、０Ｖ）の場合、リセット信号Ｖｒ、タイマ信号Ｖｓ、およびゲート電位Ｖｇはロー電位（０Ｖ）、パワー半導体素子１１０はオフ状態、コレクタ電流Ｉｃは０Ａ、コレクタ電圧Ｖｃは電源４０の出力電圧（一例として、１４Ｖ）となる。また、コレクタ電圧Ｖｃが電源４０の出力電圧なので、クランプ部２２２は、クランプ電圧（一例として、Ｖｚｄ＝６Ｖ）にクランプする。

クランプ部２２２のクランプ電圧Ｖｚｄは、トリガ部１４０のトリガ信号出力部１４４に供給されるので、トリガ信号Ｖｔはクランプ電圧Ｖｚｄとなる。また、クランプ部２２２のクランプ電圧Ｖｚｄは、スイッチ部２２６をオン状態にさせるので、キャパシタ２１０は充電されて一定の電圧（一例として、Ｖｃａｐｍａｘとする）となる。ここで、スイッチ部２２６がトランジスタを有し、当該トランジスタの閾値をＶｔｈｍ（一例として、１Ｖ）とした場合、Ｖｃａｐｍａｘ＝Ｖｚｄ−Ｖｔｈｍ＝５Ｖとなる。

そして、制御信号Ｖｉｎがハイ電位（一例として、５Ｖ）になると、ゲート電位Ｖｇがハイ電位となってパワー半導体素子１１０がオン状態に切り換わり、コレクタ電流Ｉｃは増加を開始し、コレクタ電圧Ｖｃは略０Ｖになってから増加を開始する。また、トリガ部１４０はロー電位のトリガ信号を出力し、リセット部１５０はハイ電位のリセット信号Ｖｒを出力する。

トリガ部１４０がトリガ信号を出力するので、スイッチ部２２６がオフ状態となってキャパシタ２１０は放電部２３０によって放電される。これにより、キャパシタ２１０の電位ＶｃａｐはＶｃａｐｍａｘから減衰する。キャパシタ２１０の電位Ｖｃａｐが、インバータ２４０の閾値（一例として、Ｖｔｈｉｎｖとする）まで減衰する前に、制御信号Ｖｉｎがロー電位になる場合、当該制御信号Ｖｉｎは、ハイ電位になった後、タイマ時間Ｔよりも短い期間に、ロー電位に切り換わることになる。

この場合、当該ロー電位がパワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇとなるので、パワー半導体素子１１０はオフ状態に切り換わる。これにより、図１で説明した点火動作が実行され、コレクタ電流Ｉｃは略０Ａ、コレクタ電圧Ｖｃは電源の出力電位に戻る。なお、コレクタ電圧Ｖｃは、点火動作として、瞬時的に高電圧になってから電源の出力電位に戻る。また、トリガ信号Ｖｔはクランプ電圧Ｖｚｄとなり、キャパシタ２１０は充電されて電位はＶｃａｐｍａｘとなる。以上が、図８の制御信号Ｖｉｎに「正常」と示した範囲のスイッチ装置２００の動作である。

次に、制御信号Ｖｉｎのハイ電位となった状態が、タイマ時間Ｔを超えて継続する場合の例を説明する。この場合、制御信号Ｖｉｎがハイ電位になった状態までは、既に説明したとおり、パワー半導体素子１１０がオン状態に切り換わり、コレクタ電流Ｉｃは増加を開始し、コレクタ電圧Ｖｃは略０Ｖになってから増加を開始する。また、トリガ部１４０はトリガ信号を出力し、リセット部１５０はリセット信号Ｖｒを出力し、キャパシタ２１０の電位Ｖｃａｐが減衰する。

ここで、制御信号Ｖｉｎのハイ電位の状態が継続すると、放電部２３０は、キャパシタ２１０の電荷の放電を継続し、キャパシタ２１０の電位Ｖｃａｐの減衰が継続する。そして、キャパシタ２１０の電位Ｖｃａｐが、インバータ２４０の閾値Ｖｔｈｉｎｖまで減衰すると、インバータ２４０の入力がロー電位となるので、インバータ２４０はハイ電位のタイマ信号を出力する。すなわち、インバータ２４０は、コレクタ電流Ｉｃが継続して流れた場合に、スイッチ装置２００およびスイッチ装置２００に接続された点火コイル３０等の部品に発生する故障等を防止すべく、制御信号Ｖｉｎがハイ電位となってからタイマ時間Ｔが経過すると、タイマ信号Ｖｓを出力する。

ラッチ部１６０は、タイマ信号Ｖｓをラッチして遮断信号を出力し、遮断部１２０は、ゲート電位Ｖｇをロー電位にする。即ち、遮断部１２０は、キャパシタ２１０の電圧が閾値電圧Ｖｔｈｉｎｖよりも低くなったことに応じて、パワー半導体素子１１０のゲートをプルダウンしてオフ状態とする。これにより、図１で説明した点火動作が実行され、コレクタ電流Ｉｃは略０Ａ、コレクタ電圧Ｖｃは電源の出力電圧に戻る。なお、トリガ部１４０は、制御信号Ｖｉｎのハイ電位が継続する場合、ロー電位の出力を継続するので、スイッチ部２２６のオフ状態も継続し、キャパシタ２１０の電位Ｖｃａｐは減衰し続ける。

コレクタ電流Ｉｃおよびコレクタ電圧Ｖｃが元に戻ってから、制御信号Ｖｉｎがロー電位になると、ラッチ部１６０への電源供給が遮断されるので、遮断信号がロー電位となる。また、トリガ部１４０への電源供給も遮断されるので、スイッチ部２２６はオン状態に切り換わり、キャパシタ２１０は充電される。以上が、図８の制御信号Ｖｉｎに「ＯＮ固定」と示した範囲のスイッチ装置２００の動作である。

以上のように、本実施形態に係るスイッチ装置２００は、パワー半導体素子１１０に電流が流れる状態がタイマ時間Ｔ以上継続してしまうことを検出し、パワー半導体素子１１０をオフ状態へと切り換えることができる。また、スイッチ装置２００は、図１で説明したタイマ回路１３０を用いることなく、パワー半導体素子１１０を制御できる。即ち、スイッチ装置２００は、回路規模が小さく、安定動作するタイマ回路として機能することができる。したがって、スイッチ装置２００を集積回路として製造し、ワンチップ化させることにより、チップサイズを低減させたイグナイタを提供することができる。

図９は、本実施形態に係るスイッチ装置２００の第１変形例を備える点火装置２０００の構成例を示す。図９に示す点火装置２０００において、図５に示された本実施形態に係る点火装置２０００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。第１変形例のスイッチ装置２００は、充電部２２０に整流素子５１０を有する。整流素子５１０は、例えば、ダイオードである。

整流素子５１０は、第１抵抗２２４およびキャパシタ２１０の間に接続され、第１端子２０４からキャパシタ２１０に向けて一方向に電流を流す整流回路として接続される。整流素子５１０は、アノード端子が第１抵抗２２４に、カソード端子がキャパシタ２１０の他方の端子に、それぞれ接続される。したがって、整流素子５１０は、図５で説明したスイッチ部２２６と略同一の動作を実行することができ、第１変形例のスイッチ装置２００は、図５から図８で説明したスイッチ装置２００と略同一の動作を実行できる。これにより、第１変形例のスイッチ装置２００は、スイッチ部２２６を有さなくてもよい。

図１０は、本実施形態に係るスイッチ装置２００の第２変形例を備える点火装置２０００の構成例を示す。図１０に示す点火装置２０００において、図５に示された本実施形態に係る点火装置２０００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。第２変形例のスイッチ装置２００は、充電部２２０にスイッチ素子５２０を有する。

スイッチ素子５２０は、第１端子２０４およびスイッチ部２２６の間に接続され、第１端子２０４からスイッチ部２２６のゲート端子に流れる電流を制限する回路として接続される。スイッチ素子５２０は、ドレイン端子が第１端子２０４に、ソース端子がスイッチ部２２６のゲート端子に、ゲート端子が当該スイッチ素子５２０のソース端子に、それぞれ接続される。この場合、スイッチ素子５２０は、デプレッション型（ノーマリーオン）のＭＯＳＦＥＴでよい。

スイッチ素子５２０は、ドレイン・ソース間（即ち、ドレイン・ゲート間）電位に比例する電流を流すので、抵抗として機能する。したがって、第３変形例のスイッチ装置２００は、第１抵抗２２４に代えて、スイッチ素子５２０を有してよい。また、スイッチ素子５２０は、ドレイン電位が４０Ｖ程度に上昇した場合、飽和によりドレイン・ソース間に流れる電流が、例えば１００μＡ程度となる。これにより、クランプ部２２２に過剰な電流が流れることを防止することもできる。以上のように、スイッチ素子５２０が第１抵抗２２４として機能するので、第２変形例のスイッチ装置２００は、図５から図８で説明したスイッチ装置２００と略同一の動作を実行できる。また、第１変形例のようにスイッチ部２２６の代わりに整流素子５１０を備えてもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ 制御信号発生部、２０ 点火プラグ、３０ 点火コイル、３２ 一次コイル、３４ 二次コイル、４０ 電源、１００ スイッチ装置、１０２ 制御端子、１０４ 第１端子、１０６ 第２端子、１１０ パワー半導体素子、１２０ 遮断部、１２２ 抵抗、１３０ タイマ回路、１３２ クロック回路、１３４ 逓倍器、１４０ トリガ部、１４２ 制御信号入力部、１４４ トリガ信号出力部、１４６ 基準電位入力部、１５０ リセット部、１５２ 制御信号入力部、１５４ リセット信号出力部、１５６ 基準電位入力部、１６０ ラッチ部、１７２ 制御信号入力部、１７４ クロック信号出力部、１７６ 基準電位入力部、１８０ トランジスタ、１８２ 抵抗、１８４ 抵抗、１８６ トランジスタ、１８８ トランジスタ、１９０ キャパシタ、１９２ コンパレータ、１９４ トランジスタ、１９６ トランジスタ、２００ スイッチ装置、２０２ 制御端子、２０４ 第１端子、２０６ 第２端子、２１０ キャパシタ、２２０ 充電部、２２２ クランプ部、２２４ 第１抵抗、２２６ スイッチ部、２３０ 放電部、２４０ インバータ、２７２ 抵抗、２７４ 抵抗、２７６ インバータ、２８２ インバータ、２８４ 抵抗、２８６ キャパシタ、２８８ インバータ、５１０ 整流素子、５２０ スイッチ素子、１０００ 点火装置、２０００ 点火装置

Claims (11)

1. 高電位側の第１端子および低電位側の第２端子の間に接続されたパワー半導体素子と、
   キャパシタと、
   前記パワー半導体素子がオフである期間の少なくとも一部において、前記キャパシタを充電する充電部と、
   前記パワー半導体素子がオンとなったことに応じて、前記キャパシタを放電させていく放電部と、
   前記キャパシタの電圧が閾値電圧よりも低くなったことに応じて、前記パワー半導体素子をオフ状態とする遮断部と、
   を備えるスイッチ装置。
2. 前記充電部は、前記第１端子からの電圧により前記キャパシタを充電する請求項１に記載のスイッチ装置。
3. 前記充電部は、前記第１端子および基準電位の間に前記キャパシタと並列に接続されたクランプ部を備え、
   前記キャパシタは、前記クランプ部によりクランプされた電圧を充電する
   請求項２に記載のスイッチ装置。
4. 前記クランプ部は、前記第１端子および前記基準電位の間に前記キャパシタと並列に接続されたツェナーダイオードを有する請求項３に記載のスイッチ装置。
5. 前記充電部は、前記キャパシタおよび前記クランプ部における前記第１端子側の端子と前記第１端子との間に接続された第１抵抗を更に有する請求項４に記載のスイッチ装置。
6. 前記パワー半導体素子を制御するための制御信号が基準電圧よりも高くなったことに応じて、トリガ信号を出力するトリガ部を更に備え、
   前記充電部は、前記トリガ信号に応じて、前記第１端子および前記キャパシタの間の接続を遮断するスイッチ部を更に有する請求項２から５のいずれか一項に記載のスイッチ装置。
7. 前記トリガ信号に応じてリセットされ、前記キャパシタの電圧が前記閾値電圧よりも低くなったことを示すタイマ信号に応じてセットされるラッチ部を更に備え、
   前記遮断部は、前記ラッチ部がセットされたことに応じて前記パワー半導体素子をオフ状態とする
   請求項６に記載のスイッチ装置。
8. 前記トリガ部および前記ラッチ部は、前記制御信号を電源として動作する請求項７に記載のスイッチ装置。
9. 前記遮断部は、前記キャパシタの電圧が前記閾値電圧よりも低くなったことに応じて、前記パワー半導体素子のゲートをプルダウンする請求項１から８のいずれか一項に記載のスイッチ装置。
10. 前記放電部は、前記第１端子および基準電位の間に前記キャパシタと並列に接続された第２抵抗または定電流源を有する請求項１から７のいずれか一項に記載のスイッチ装置。
11. 当該スイッチ装置は、前記第１端子に接続された点火コイルに流れる電流を、前記パワー半導体素子を制御するための制御信号に応じて制御するイグナイタである請求項１から１０のいずれか一項に記載のスイッチ装置。

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