JP2019011700A - 内燃機関点火用の半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車載バッテリ等の電源側で発生した高電圧・時定数系のサージに起因する過剰な電流がパワー半導体スイッチング素子のゲートに流れることを抑制すること。【解決手段】パワー半導体スイッチング素子をオン・オフすることで点火プラグに火花を発生させる内燃機関点火用の半導体装置は、点火コイルの一次巻線）にコレクタが接続され、外部の制御回路からゲートに入力される制御信号に応じてオン・オフするパワー半導体スイッチング素子と、パワー半導体スイッチング素子のコレクタ電圧に応じた補助電圧を、当該パワー半導体スイッチング素子のゲートに印加する補助電圧回路と、補助電圧回路とパワー半導体スイッチング素子のゲートとの間に設けられ、一次巻線を介して外部の電源側から高電圧サージが補助電圧回路に印加された場合に当該補助電圧回路からパワー半導体スイッチング素子のゲートに流れる電流を制限する定電流回路とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車等の内燃機関点火用の半導体装置に関し、より詳細には、パワー半導体スイッチング素子のオン、オフに応じて点火プラグの電極間に火花を生じさせるための半導体装置に関する。

自動車等の内燃機関の点火方式に関しては、従来は機械的な機構で各気筒の点火プラグに配電を行うディストリビュータ方式が主流であったが、近年は各点火プラグ毎に点火コイルとパワー半導体スイッチング素子とを設け、各気筒毎に点火タイミングに応じて点火時期を調整する個別点火方式が主流となっている。この種の個別点火方式では、イグナイタと称されるモジュール化された点火用の半導体装置が採用されている。このようなイグナイタにおいてパワー半導体スイッチング素子を駆動する技術が、例えば特許文献１及び２に開示されている。また、パワー半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路に関し、共振の影響を抑えつつ、駆動時における電力損失を抑制する技術が、例えば特許文献３に開示されている。

特開２００８−１９２７３８号公報 特開２０１５−００５８６６号公報 特開２０１６−１４９６３２号公報

上述したイグナイタにおいては、パワー半導体スイッチング素子が破壊された場合は、自動車等は自走が困難となるため、当該パワー半導体スイッチング素子を保護する技術が求められている。ここで、パワー半導体スイッチング素子が破壊される場合の一例として、発電機が車載バッテリ等の直流電源を充電中に、この直流電源側の端子が何らかの理由で脱落してしまうことに起因して、高電圧・時定数系のサージが発生し、この高電圧のサージに応じた過剰な電流が、パワー半導体スイッチング素子のゲートに流れる場合が考えられる。

そこで、本発明は上記の実情を鑑みてなされたもので、その目的は、車載バッテリ等の電源側で発生した高電圧・時定数系のサージに起因する過剰な電流がパワー半導体スイッチング素子のゲートに流れることを抑制することが可能な内燃機関点火用の半導体装置を提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明の一の観点に係る半導体装置は、パワー半導体スイッチング素子をオン・オフすることで点火プラグに火花を発生させる内燃機関点火用の半導体装置（２）であって、点火コイルの一次巻線（３１）にコレクタが接続され、外部の制御回路（１）からゲートに入力される制御信号に応じてオン・オフするパワー半導体スイッチング素子（２３）と、前記パワー半導体スイッチング素子（２３）のコレクタ電圧に応じた補助電圧を、当該パワー半導体スイッチング素子（２３）のゲートに印加する補助電圧回路（２１５）と、前記補助電圧回路（２１５）と前記パワー半導体スイッチング素子（２３）のゲートとの間に設けられ、一次巻線（３１）を介して外部の電源（４）側から高電圧サージが前記補助電圧回路（２１５）に印加された場合に当該補助電圧回路（２１５）から前記パワー半導体スイッチング素子（２３）のゲートに流れる電流を制限する定電流回路（２１９）と、を備える。

補助電圧回路は、パワー半導体スイッチング素子のコレクタ電圧に応じて補助電圧回路で生成した電圧をパワー半導体スイッチング素子のゲートに印加する回路で、パワー半導体スイッチング素子のスイッチング動作に起因する発振を抑制する回路である。この補助電圧回路からパワー半導体スイッチング素子のゲートへの電流経路に、電流量を制限する定電流回路を設けることで、電源側で高電圧・時定数系のサージが生じても、このサージ分の電圧が重畳された、補助電圧回路からの補助電圧がパワー半導体スイッチング素子のゲートに印加されることが防止でき、ひいては、パワー半導体スイッチング素子の破壊を防止することができる。

本発明によれば、車載バッテリ等の電源側で発生した高電圧・時定数系のサージに起因する過剰な電流がパワー半導体スイッチング素子のゲートに流れることを抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る、内燃機関点火用の半導体装置を示す回路図である。 図１の過熱検出回路の構成の一例を示す回路図である。 図１の半導体装置の動作を説明するためのタイムチャートである。 図１の半導体装置の動作を説明するためのタイムチャートである。 図１の定電流回路の構成の一例を示す回路図である。 図６（ａ）及び（ｂ）は、図１の定電流回路の構成の別の例を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。

（全体構成）
以下、本発明の実施の形態に係る、内燃機関点火用の半導体装置ついて、図１を参照してその全体構成を詳細に説明する。この半導体装置の特徴は、一例として挙げると、補助電圧回路と、パワー半導体スイッチング素子のゲートとの間に後述する定電流回路を備えた点にある。
図１に示すように、この半導体装置２は、例えばワンチップイグナイタと呼ばれるもので、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、制御回路とも称する）１と、点火コイル３と、バッテリ（電源とも称する）４と、点火プラグ５と、を備える自動車等の内燃機関の点火系に適用され、外部のＥＣＵ１からの制御信号に応じて、自動車等の内燃機関の点火プラグ５の電極間に火花を生じさせるものである。半導体装置２は、パワー半導体スイッチング素子２３と、過熱検出回路２２と、半導体スイッチ２１１と、抵抗２１２乃至２１４と、補助電圧回路２１５と、ダイオード２１６乃至２１８と、定電流回路２１９と、を備える。

パワー半導体スイッチング素子２３は、例えば、ＩＧＢＴから構成され、コレクタが点火コイル３の一次巻線３１の一端に接続され、エミッタが接地され、ゲートが抵抗２１２及び２１４、入力端子ＩＮを介して外部のＥＣＵ１に接続される。パワー半導体スイッチング素子２３は、ＥＣＵ１からの制御信号に応じてオン、オフする。

本実施の形態では、例えば、ＥＣＵ１が５Ｖの制御信号（以下、オン信号とも称する）を入力端子ＩＮに出力すると、パワー半導体スイッチング素子２３は、抵抗２１２、２１４を介してゲートに電圧が印加されてオンする。パワー半導体スイッチング素子２３がオンすることで、コレクタ−エミッタ間が導通し、パワー半導体スイッチング素子２３に電流（コレクタ電流）が流れ、ひいては、一次巻線３に電流が流れる。一方、ＥＣＵ１が１Ｖ未満の制御信号（以下、オフ信号とも称する）を入力端子ＩＮに出力すると、パワー半導体スイッチング素子２３はオフする。この場合、点火コイル３の二次巻線３２にエネルギーが蓄積され、この二次巻線３２の両端電圧が増加する。この両端電圧は、一端が二次巻線３２に接続され、他端が接地された点火プラグ５に印加される。これにより、点火プラグ５は電極間に火花を発生させる。

過熱検出回路２２は、例えば、図２に示すように、抵抗２２１と、ダイオード２２２と、インバータ２２３と、を含んで構成され、その入力端が抵抗２１２と入力端子ＩＮとの間に接続され、その出力端が半導体スイッチ２１１のゲートに接続される。過熱検出回路２２は、パワー半導体スイッチング素子２３の動作ジャンクション温度が所定の閾値（例えば、１８０℃）以上になった際に、過熱検出信号を半導体スイッチ２１１に出力する。

半導体スイッチ２１１は、例えば、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴから構成され、ドレインが抵抗２１２、２１４の間に接続され、ゲートが過熱検出回路２２の出力端に接続され、ソースが接地されている。半導体スイッチ２１１は、過熱検出回路２２からの過熱検出信号に応じてオンし、抵抗２１４を介してパワー半導体スイッチング素子２３のゲートに印加された電圧をプルダウンする。これにより、パワー半導体スイッチング素子２３は、ＥＣＵ１からの制御信号に依らずにオフする。

補助電圧回路２１５は、例えば、ディプレッション型（ノーマリーオン型とも呼ばれる）のＩＧＢＴを含んで構成され、このＩＧＢＴは、コレクタがパワー半導体スイッチング素子２３のコレクタとともに点火コイル３の一次巻線３１の一端に接続され、ゲートがダイオード２１６及び抵抗２１３を介して定電流回路２１９の入力端に接続されるとともに、ダイオード２１７、２１８を介して接地され、さらに自己のエミッタにもフィードバック接続されている。なお、ダイオード２１７、２１８は、それぞれ、例えばツェナーダイオードであり、ディプレッション型ＩＧＢＴからグランドに向かって、ダイオード２１７は逆方向に接続され、ダイオード２１８は順方向に接続される。

補助電圧回路２１５は、パワー半導体スイッチング素子２３のコレクタ電圧に応じてディプレッション型ＩＧＢＴのエミッタに生じた電圧（補助電圧とも称する）を、パワー半導体スイッチング素子２３のゲートに印加する。これにより、パワー半導体スイッチング素子２３のコレクタ電圧のはね上がりに応じて、パワー半導体スイッチング素子２３のコレクタ−エミッタ間を流れる電流を増加し、ひいては、パワー半導体スイッチング素子２３のコレクタ電圧の振動を抑制する。つまり、補助電圧回路２１５は、パワー半導体スイッチング素子２３のスイッチング動作時における発振を抑制するための回路である。

定電流回路２１９は、その入力端が、抵抗２１３と、ダイオード２１６とを介して補助電圧回路２１５を構成するＩＧＢＴのゲートに接続される。なお、ダイオード２１６は、例えば、ツェナーダイオードであり、補助電圧回路２１５のＩＧＢＴから定電流回路２１９に向かって順方向に接続される。また、定電流回路２１９は、その出力端が抵抗２１２、２１４の間に接続され、また抵抗２１４を介して半導体スイッチ２１１のドレインにも接続される。定電流回路２１９は、例えば、バッテリ４側で高電圧・時定数系のサージが生じた際に、このサージが重畳された、補助電圧回路２１５の補助電圧がパワー半導体スイッチング素子２３のゲートに印加されないように、電流を一定にするように構成された回路である。より具体的には、定電流回路２１９は、サージが生じた際に、パワー半導体スイッチング素子２３のゲートに流れる電流の電流量を、半導体スイッチ２１１に流せる電流量（以下、許容電流量とも称する）まで上限を制限する回路である。

（動作）
次に、上述した内燃機関点火用の半導体装置の動作について以下に詳細に説明する。
外部のＥＣＵ１から、入力端子ＩＮ、抵抗２１２、２１４を介してゲートにオン信号が入力されることで、パワー半導体スイッチング素子２３がオンする。この場合、バッテリ４から点火コイル３の一次巻線３１を介して、パワー半導体スイッチング素子２３にコレクタ電流Ｉｃが流れ始め、一定値（例えば、２０Ａ）まで増加する。

次に、ＥＣＵ１から、入力端子ＩＮ、抵抗２１２、２１４を介してゲートにオフ信号が入力されることで、パワー半導体スイッチング素子２３がオフする。これにより、コレクタ電流Ｉｃが急激に減少する。コレクタ電流Ｉｃの減少により、点火コイル３の二次巻線３２の両端電圧が数１０ｋＶ（例えば、３０ｋＶ）まで増加し、この電圧が点火プラグ５に印加される。点火プラグ５は、印加電圧が約１０ｋＶ以上で電極間に火花を発生させる。

パワー半導体スイッチング素子２３がこのようなスイッチング動作を繰り返すことで、それに応じて点火プラグ５が断続的に電極間に火花を発生させる。ここで、補助電圧回路２１５は、パワー半導体スイッチング素子２３のコレクタ電圧に応じて補助電圧回路のディプレッション型ＩＧＢＴのエミッタに生じた電圧を、補助電圧としてパワー半導体スイッチング素子２３のゲートに印加する。これにより、パワー半導体スイッチング素子２３のコレクタ電圧の跳ね上がりに応じてコレクタ電流Ｉｃが増加され、ひいては、コレクタ電圧の発振が抑制される。

次に、パワー半導体スイッチング素子２３の動作ジャンクション温度が高温となった場合について説明する。例えば、内燃機関の発電機（図示せず）がバッテリ４を充電中に、何らかの原因でバッテリ４の端子が外れた場合、瞬間的に高電圧（例えば、９０Ｖ）のロードダンプサージが発生する。このロードダンプサージは、点火コイル３に印加される。これと同じタイミングで、ＥＣＵ１からパワー半導体スイッチング素子２３のゲートにオン信号が入力された場合、パワー半導体スイッチング素子２３は高ワッテージでオンし、その動作ジャンクション温度が高温になる。これは、ロードダンプサージの発生によって、パワー半導体スイッチング素子２３のコレクタ電圧が高電圧になり、補助電圧回路２１５によって抵抗２１４を介してパワー半導体スイッチング素子２３のゲートに過剰な電圧が供給されるためである。

この場合において、動作ジャンクション温度が所定の温度になると、パワー半導体スイッチング素子２３のゲートに接続される、過熱検出回路２２の抵抗２２１とツェナーダイオード２２２とによる分圧電圧が減少し、インバータ２２３がＨレベルの信号を出力する。このＨレベルの信号が、半導体スイッチ２１１のゲートに入力される。これにより、半導体スイッチ２１１がオンし、パワー半導体スイッチング素子２３のゲートとグランドとの間が導通する。

このような動作の際、補助電圧回路２１５によって、ダイオード２１６、抵抗２１３を介してパワー半導体スイッチング素子２３のゲートに、上記のロードダンプサージに起因する過剰な電流が供給される。この過剰な電流は、半導体スイッチ２１１に流せる電流量を超えるものである場合が多い。この場合は、パワー半導体スイッチング素子２３のゲートとグランドとの間が半導体スイッチ２１１等を介して導通していても、パワー半導体スイッチング素子２３のゲート電圧を十分にプルダウンすることができず、コレクタ電流Ｉｃが流れ続ける。コレクタ電流Ｉｃが流れ続けることで、パワー半導体スイッチング素子２３の動作ジャンクション温度が上昇し、結果的にパワー半導体スイッチング素子２３は熱暴走を起こして破壊される。

しかしながら、本実施の形態においては、補助電圧回路２１５と、パワー半導体スイッチング素子２３のゲートとの間に、定電流回路２１９が設けられている。この場合には、ロードダンプサージに伴う過剰な電流が、補助電圧回路２１５からダイオード２１６、抵抗２１３、２１４を介してパワー半導体スイッチング素子２３のゲートに供給される前に、定電流回路２１９によって過剰な電流の供給が抑制される。この過剰な電流の電流量は、定電流回路２１９によって、半導体スイッチ２１１の許容電流量まで制限されるので、パワー半導体スイッチング素子２３のゲートに流れる電流の電流量は、半導体スイッチ２１１の許容電流量まで制限されている。従って、ローダンプサージが生じても、半導体スイッチ２１１を介してパワー半導体スイッチング素子２３のゲート電圧をプルダウンすることが可能となり、ひいては、熱暴走によるパワー半導体スイッチング素子２３の破壊を防止することができる。

以上のような動作について、図３及び４のタイムチャートを参照してさらに説明する。
まず、ＥＣＵ１から制御信号（オン信号）が入力端子ＩＮに入力された場合（図３及び４の「制御信号」参照）、パワー半導体スイッチング素子２３のゲートに電圧が印加され（図３及び４の「ゲート電圧Ｖｇ」参照）、このパワー半導体スイッチング素子２３のコレクタ電流Ｉｃが流れ始める（図３及び４の「コレクタ電流Ｉｃ」参照）。この場合において、バッテリ４の端子が外れると、ロードダンプサージが発生する。補助電圧回路２１５からの補助電圧には、ロードダンプサージが重畳される（図３及び４の「補助電圧Ｖｃ」参照）。

本実施の形態の定電流回路２１９がない場合、図４に示すように、過熱が検出されて（「過熱検出」参照）半導体スイッチ２１１がオンしても、ゲート電圧Ｖｇを０Ｖまでプルダウンすることができず、コレクタ電流Ｉｃが点火コイル３で飽和するまで流れる。一方で、本実施の形態の定電流回路２１９を設けることで、図３に示すように、過熱が検出されて半導体スイッチ２１１がオンすると、パワー半導体スイッチング素子２３のゲートに流れる電流の電流量は、半導体スイッチ２１１の許容電流量まで制限されているので、当該ゲートが確実にプルダウンされ、パワー半導体スイッチング素子２３を流れるコレクタ電流Ｉｃを遮断することが可能である。

以上説明したような定電流回路２１９の構成の一例を、図５，図６（ａ）（ｂ）に示す。定電流回路２１９は、例えば、図５に示すように、ＪＦＥＴ（ジャンクションＦＥＴ）と抵抗とで構成することができる。また、図６（ａ）に示すように、さらにオペアンプ（差動増幅器）を備えてもよい。この場合は、図５の回路構成と比較して、例えば、ドライバとしてオペアンプを設けることで定電流回路２１９の動作を安定化させやすい、電流量を用途に応じて可変にできる、等の利点がある。図６（ｂ）はこの場合のオペアンプの詳細を示す。

（作用・効果）
以上説明したように、本実施の形態によれば、補助電圧回路２１５を備えた、内燃機関点火用の半導体装置２は、補助電圧回路２１５とパワー半導体スイッチング素子２３のゲートとの間に定電流回路２１９を接続している。これにより、ロードダンプサージに代表される高コレクタ電圧・時定数系のサージに起因する過剰な電流が、パワー半導体スイッチング素子２３のゲートに供給されることが防止される。

また、定電流回路２１９によって、過剰な電流は、電流量が半導体スイッチ２１１の許容電流量まで制限できるので、過熱の検出に応じて半導体スイッチ２１１がオンしてパワー半導体スイッチング素子２３のゲートとグランドとの間を導通することで、ゲート電圧を確実にプルダウンすることができる。これにより、パワー半導体スイッチング素子２３はロードダンプサージ印加中でも確実にオフすることができるので、熱暴走による破壊を防止することが可能となる。

本発明は上記の実施の形態に限定されず、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲において、様々な応用、変更が可能である。そのような応用、変更も本発明の技術的範囲に含まれるものであり、また特許請求の範囲によって画定された技術的範囲及びその均等の範囲に含まれるものである。

１ ＥＣＵ（制御回路）
２ 半導体装置
３ 点火コイル
４ バッテリ（電源）
５ 点火プラグ
２２ 過熱検出回路
２３ パワー半導体スイッチング素子
２１１ 半導体スイッチ
２１２−２１４ 抵抗
２１５ 補助電圧回路（ディプレッション型ＩＧＢＴ）
２１６−２１８ ダイオード
２１９ 定電流回路
２２１ 抵抗
２２２ 過熱検出用ダイオード
２２３ インバータ

Claims (7)

1. パワー半導体スイッチング素子をオン・オフすることで点火プラグに火花を発生させる内燃機関点火用の半導体装置であって、
   点火コイルの一次巻線にコレクタが接続され、外部の制御回路からゲートに入力される制御信号に応じてオン・オフするパワー半導体スイッチング素子と、
   前記パワー半導体スイッチング素子のコレクタ電圧に応じた補助電圧を、当該パワー半導体スイッチング素子のゲートに印加する補助電圧回路と、
   前記補助電圧回路と前記パワー半導体スイッチング素子のゲートとの間に設けられ、一次巻線を介して外部の電源側から高電圧サージが前記補助電圧回路に印加された場合に当該補助電圧回路から前記パワー半導体スイッチング素子のゲートに流れる電流を制限する定電流回路と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関点火用の半導体装置。
2. さらに、前記パワー半導体スイッチング素子の温度を検出する過熱検出回路と、
   前記過熱検出回路からの過熱検出信号に応じてオンし、前記パワー半導体スイッチング素子のゲートとグランドとの間を導通させる半導体スイッチと、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記定電流回路は、前記パワー半導体スイッチング素子のゲートに流れる電流量を前記半導体スイッチの許容電流量よりも小さく制限する、ことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記過熱検出回路は、前記パワー半導体スイッチング素子の温度を検出するためのダイオードと、前記過熱検出信号を出力するためのインバータと、を備えることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
5. 前記補助電圧回路は、ノーマリーオン型のパワー半導体素子を含んで構成される、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
6. 前記定電流回路は、パワー半導体素子と、出力端が前記パワー半導体素子のゲートに接続されたネガティブフィードバック型の差動増幅器と、を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
7. 同一チップ上に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

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