JP5125899B2 - Ignition device for internal combustion engine - Google Patents
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この発明は、内燃機関用点火装置で、電流値が制限される半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which an electric current value is limited in an ignition device for an internal combustion engine.
電流値が制限される半導体装置には、例えば、内燃機関用点火装置(イグナイタ)がある。内燃機関用点火装置は、クルマなどに用いられるガソリンエンジンの制御装置として設けられており、燃焼室内に導入された燃料である例えばガソリンと空気との混合気に点火プラグで着火を行って燃焼を開始させる装置である。図7は、従来の内燃機関用点火装置の一例を示す概念図である。内燃機関用点火装置は、点火コイルとして一次側コイル111および二次側コイル112と、一次側コイル111を流れる低圧電流を断続するスイッチング手段113と、点火コイルに電力を供給するバッテリー114と、一次側コイル111を流れる低圧電流を断続することで二次側コイル112に発生する高圧電流を放電させて混合気に着火を行う点火プラグ115とで構成されている。スイッチング手段113は、外部コレクタ端子102により一次側コイル111に接続され、増幅機能とスイッチング機能とを備えている。この増幅機能およびスイッチング機能を実現するためにバイポーラトランジスタが用いられているが、近年では、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)に置き換えられつつある。
An example of a semiconductor device whose current value is limited is an internal combustion engine ignition device (igniter). An ignition device for an internal combustion engine is provided as a control device for a gasoline engine used in a car or the like, and ignites with a spark plug, for example, an air-fuel mixture of gasoline and air, which is fuel introduced into a combustion chamber. It is a device to start. FIG. 7 is a conceptual diagram showing an example of a conventional ignition device for an internal combustion engine. The ignition device for an internal combustion engine includes a
スイッチング手段113には、一次側コイル111に流れる低圧電流を断続するIGBT103が備えられている。そして、IGBT103のゲートとグランドの間に、IGBT103のゲートを保護するためのゲート保護ツェナーダイオード104が接続されている。IGBT103のゲートおよびコレクタの間に、IGBT103を保護するための保護ツェナーダイオード105が接続されている。IGBT103のゲートと外部ゲート端子101の間に、IGBT103を保護するためのゲート抵抗106が接続されている。IGBT103のエミッタはグランドレベルに保たれている。
The switching means 113 is provided with an
IGBTを用いた内燃機関用点火装置として、次のような装置が提案されている。イグニッションコイルの一次巻線に直流電源とスイッチング手段を接続し、イグニッションコイルの二次巻線の一方端に点火プラグを接続し、該スイッチング手段の開閉によるイグニッションコイルの一次電流の変化により二次巻線に生ずる高電圧を点火プラグに供給するものであって、スイッチング手段がMOSゲート構造トランジスタであり、一次巻線のコイル電流をある一定値に制限するために、少なくともコイル電流検出部とMOSゲート構造トランジスタのゲート電圧を降下させる回路とを備え、MOSゲート構造トランジスタの電圧値の高い側の主端子の電圧が、ゲート端子電圧よりも高い場合に、主端子からゲート端子に流入する電流で生じた電圧をゲート端子に加える電流供給回路を備えた内燃機関点火用半導体装置において、前記電流供給回路が、少なくとも複数個の定電流素子を直列接続して構成する。このとき、前記定電流素子が、ディプレッション型IGBTもしくはディプレッション型MOSFET(MOSゲート型電界効果トランジスタ)である(例えば、特許文献1参照。)。 The following devices have been proposed as ignition devices for internal combustion engines using IGBTs. A DC power source and switching means are connected to the primary winding of the ignition coil, and a spark plug is connected to one end of the secondary winding of the ignition coil. A high voltage generated in the wire is supplied to the spark plug, and the switching means is a MOS gate structure transistor, and at least the coil current detection unit and the MOS gate are used to limit the coil current of the primary winding to a certain value. Generated by the current flowing from the main terminal to the gate terminal when the voltage of the main terminal on the higher voltage side of the MOS gate structure transistor is higher than the gate terminal voltage. In an internal combustion engine ignition semiconductor device having a current supply circuit for applying a voltage to a gate terminal , The current supply circuit is constructed by serially connecting at least a plurality of the constant current element. At this time, the constant current element is a depletion type IGBT or a depletion type MOSFET (MOS gate type field effect transistor) (for example, refer to Patent Document 1).
また、別の内燃機関用点火装置として、次のような装置が提案されている。点火コイルと直列に接続されて前記点火コイルに流れる電流をオン・オフ制御するスイッチングデバイスと、前記点火コイルに流れる電流を制限するよう前記スイッチングデバイスを制御する電流制限回路と、前記点火コイルから放出される電圧をクランプする電圧制限回路とを搭載した点火用半導体装置において、前記スイッチングデバイスの駆動端子に印加された入力信号に応答して動作を開始し、前記入力信号の印加から一定時間経過後に出力信号を出力するタイマ回路と、前記タイマ回路の出力信号に応答して、前記入力信号の継続印加に拘らず、前記スイッチングデバイスに流れている電流を低減させる主電流漸減回路と、を備えている。この点火用半導体装置は、出力段素子であるスイッチングデバイスとしてIGBTを使用している(例えば、特許文献2参照。)。 Further, as another ignition device for an internal combustion engine, the following device has been proposed. A switching device connected in series with the ignition coil to control on / off of the current flowing through the ignition coil, a current limiting circuit for controlling the switching device to limit the current flowing through the ignition coil, and discharging from the ignition coil In an ignition semiconductor device equipped with a voltage limiting circuit for clamping a voltage to be applied, the operation starts in response to an input signal applied to the drive terminal of the switching device, and after a certain time has elapsed since the application of the input signal A timer circuit that outputs an output signal; and a main current gradual reduction circuit that reduces a current flowing through the switching device regardless of continuous application of the input signal in response to the output signal of the timer circuit. Yes. This ignition semiconductor device uses an IGBT as a switching device that is an output stage element (see, for example, Patent Document 2).
上述したような内燃機関用点火装置において、スイッチング手段として用いるIGBTの電気的特性について説明する。図8は、従来例の内燃機関用点火装置におけるIGBTのスイッチング波形を示す特性図である。IGBT103にコレクタ電流Iceが流れている状態では、バッテリー114から供給されるゲート電圧Vgが点火コイルの内部抵抗とIGBT103自身のオン抵抗とに分圧され、これ以上電流量が増えない状態となり、IGBT103に印加されるコレクタ電圧Vceは飽和電圧Vsatとなる。この状態から、ゲート電圧Vgをオフ状態にした場合、コレクタ電流Iceを遮断しようとする、コレクタ電流Iceの変化量dI/dtに応じたL・dI/dt(L:一次側コイル111の自己インダクタンス)の大きさの電圧が一次側コイル111に生じる。そして、一次側コイル111に生じた電圧により、二次側コイル112には、一次側コイル111と二次側コイル112との巻き数比に応じた大きな電圧が誘起される。コレクタ電圧Vceは増加しベース電圧Vbを上回る電圧値となり、二次側コイル112に誘起された電圧値が点火プラグ115の放電電圧値L・Ice 2/2に達する。その後、二次側コイル112に誘起された電圧が放電されることで点火プラグ115から火花が発生し、コレクタ電圧Vceは、放電時間tspkの経過後に減少して電源電圧Vz2に保たれる。
The electrical characteristics of the IGBT used as the switching means in the ignition device for an internal combustion engine as described above will be described. FIG. 8 is a characteristic diagram showing the switching waveform of the IGBT in the conventional internal combustion engine ignition device. In a state where the collector current I ce flows in the
しかしながら、点火プラグ115の不具合により二次側コイル112に誘起された電圧が正常に放電されない場合、そのエネルギーがそのまま一次側へと跳ね返り、コレクタ電圧Vceが非常に高い電圧にまで急激に上昇し、IGBT103が破壊されてしまう恐れがある。これを回避するために、一般的に、図7に示すように、保護ツェナーダイオード105およびゲート抵抗106からなるダイナミッククランプと呼ばれる保護機能が備えられている。
However, when the voltage induced in the
図9は、従来例の内燃機関用点火装置におけるダイナミッククランプ波形を示す特性図である。コレクタ電圧Vceが保護ツェナーダイオード105の耐圧Vz以上の電圧値となった場合、保護ツェナーダイオード105に電流が流れ、保護ツェナーダイオード105およびゲート抵抗106によりコレクタ電圧Vceが分圧される。そして、この分圧された電圧がIGBT103のゲートに印加される。これにより、コレクタ電流Iceを遮断しようとしていたIGBT103に電流が流れる状態となるため、コレクタ電圧Vceは前記Vzにクランプされて(このときの電圧を、クランプ電圧Vzとする)、それ以上上昇しない。コレクタ電流Iceは、クランプ電圧Vz(=L・dI/dt)による緩やかな変化量dI/dtで遮断される。そして、コレクタ電圧Vceは、時間tpの経過後に、クランプ電圧Vzからベース電圧Vbへと低下する。
FIG. 9 is a characteristic diagram showing a dynamic clamp waveform in a conventional internal combustion engine ignition device. If the collector voltage V ce reaches the voltage value of more than the breakdown voltage V z of the
ダイナミッククランプによる保護機能を有する内燃機関用点火装置として、次のような装置が提案されている。高圧側もしくは低圧側端子に負荷が接続されるとともにゲート端子に駆動回路が接続された絶縁ゲート型トランジスタに用いられるものであって、絶縁ゲート型トランジスタの高圧側もしくは低圧側端子とゲート端子との間に接続され、前記高圧側端子もしくは低圧側端子からのサージ電圧の印加によりブレークダウンする第1のツェナーダイオードと、前記絶縁ゲート型トランジスタのゲート端子と駆動回路との間に接続され、前記第1のツェナーダイオードのブレークダウン時に前記絶縁ゲート型トランジスタの高圧側端子もしくは低圧側端子から前記駆動回路への電流の通過を阻止するための抵抗と、前記絶縁ゲート型トランジスタの低圧側もしくは高圧側端子とゲート端子との間に接続され、ブレークダウンする電圧が前記絶縁ゲート型トランジスタのゲート耐圧よりも低く、前記第1のツェナーダイオードのブレークダウン時のゲート電圧をクランプする複数段の第2のツェナーダイオードと、を備える(例えば、特許文献3参照。)。
As an ignition device for an internal combustion engine having a protection function by a dynamic clamp, the following device has been proposed. Used for an insulated gate type transistor in which a load is connected to the high voltage side or low voltage side terminal and a drive circuit is connected to the gate terminal, and the high voltage side or low voltage side terminal of the insulated gate type transistor is connected to the gate terminal. Connected between the first Zener diode that breaks down by applying a surge voltage from the high-voltage side terminal or the low-voltage side terminal, and connected between the gate terminal of the insulated gate transistor and the drive circuit, A resistor for preventing current from passing from the high-voltage side terminal or low-voltage side terminal of the insulated gate transistor to the drive circuit at the time of breakdown of the zener diode, and the low-voltage side or high-voltage side terminal of the insulated gate transistor Is connected between the gate terminal and a voltage that causes a breakdown. Lower than the gate breakdown voltage type transistor, and a second zener diode a plurality of stages of clamping the gate voltage during a breakdown of the first Zener diode (e.g., refer to
また、別の内燃機関用点火装置として、次のような装置が提案されている。MOSトランジスタおよび前記MOSトランジスタの一方電極・制御電極間に接続されたツェナーダイオード部を備え保護対象回路を過電圧から保護する過電圧保護回路であって、前記保護対象回路が動作状態であるときに保護動作を開始する閾値電圧は、前記保護対象回路が非動作状態であるときに保護動作を開始する閾値電圧に比べて高い(例えば、特許文献4参照。)。 Further, as another ignition device for an internal combustion engine, the following device has been proposed. An overvoltage protection circuit comprising a MOS transistor and a Zener diode portion connected between one electrode and a control electrode of the MOS transistor and protecting the circuit to be protected from overvoltage. Is higher than the threshold voltage at which the protection operation is started when the circuit to be protected is in a non-operating state (see, for example, Patent Document 4).
また、別の内燃機関用点火装置として、次のような装置が提案されている。イグニッションコイルの一次巻線に直流電源とスイッチング手段を接続し、イグニッションコイルの二次巻線の一方端に点火プラグを接続し、該スイッチング手段の開閉によるイグニッションコイルの一次電流の変化により二次巻線に生ずる高電圧を点火プラグに供給するものにおいて、スイッチング手段がMOSゲート構造トランジスタであり、一次巻線のコイル電流をある一定値に制限するために、少なくともコイル電流検出部とMOSゲート構造トランジスタのゲート電圧を降下させる回路とを備え、MOSゲート構造トランジスタの電圧値の高い側の主端子電圧が、ゲート端子電圧よりも高い場合に、電圧値の高い側の主端子からゲート端子に流入する電流で生じた電圧をゲート端子に加える電流供給回路を備える。このとき、前記主端子電圧が所定の電圧と等しいかまたはそれよりも低く、且つ、ゲート端子電圧よりも高い範囲内で設定した電圧値以下では、前記主端子からゲート端子に流れ込む電流で生じた電圧を、一定値または前記主端子電圧とゲート端子電圧との差に応じて、ゲート端子に加えるようにし、前記設定した電圧値より高い場合には、前記主端子からゲート端子に流れ込む電流で生じた電圧の増加を抑制、減少又は遮断のいずれかとする回路を備える(例えば、特許文献5参照。)。 Further, as another ignition device for an internal combustion engine, the following device has been proposed. A DC power supply and switching means are connected to the primary winding of the ignition coil, a spark plug is connected to one end of the secondary winding of the ignition coil, and the secondary winding is changed by changing the primary current of the ignition coil by opening and closing the switching means. In the case of supplying a high voltage generated in the wire to the spark plug, the switching means is a MOS gate structure transistor, and in order to limit the coil current of the primary winding to a certain constant value, at least the coil current detector and the MOS gate structure transistor The main terminal voltage on the higher voltage side of the MOS gate structure transistor flows into the gate terminal from the main terminal on the higher voltage side. A current supply circuit is provided for applying a voltage generated by the current to the gate terminal. At this time, the main terminal voltage is equal to or lower than a predetermined voltage and below a voltage value set within a range higher than the gate terminal voltage, it is generated by a current flowing from the main terminal to the gate terminal. A voltage is applied to the gate terminal according to a constant value or a difference between the main terminal voltage and the gate terminal voltage. When the voltage is higher than the set voltage value, the voltage is generated by a current flowing from the main terminal to the gate terminal. A circuit that suppresses, decreases, or cuts off the increase in the voltage is provided (for example, see Patent Document 5).
また、別の内燃機関用点火装置として、次のような装置が提案されている。直流電源に直列接続されたイグニッションコイルの一次側と絶縁ゲート型半導体装置と、イグニッションコイルの二次側に接続され,前記半導体装置の開閉により前記二次側に発生する高電圧を印加される点火プラグと、前記半導体装置の主電流を所定値以内に制限する電流制限回路と、前記半導体装置の一対の主端子のうち電位の高い方の主端子からその制御電極に電流を供給する電流供給回路とを備えた車載イグナイタにおいて、前記電流供給回路は、抵抗とダイオードの直列接続体を介して、前記電位の高い方の主端子を前記制御電極に接続するように構成する(例えば、特許文献6参照。)。 Further, as another ignition device for an internal combustion engine, the following device has been proposed. Ignition connected to a primary side of an ignition coil connected in series to a DC power source, an insulated gate semiconductor device, and a secondary side of the ignition coil, and applied with a high voltage generated on the secondary side by opening and closing the semiconductor device A plug, a current limiting circuit for limiting a main current of the semiconductor device to a predetermined value, and a current supply circuit for supplying current to a control electrode from a main terminal having a higher potential among a pair of main terminals of the semiconductor device The current supply circuit is configured to connect the main terminal having the higher potential to the control electrode through a series connection body of a resistor and a diode (for example, Patent Document 6). reference.).
また、別の内燃機関用点火装置として、次のような装置が提案されている。入力する点火制御信号に応じて点火コイルに流れる一次電流を通電・遮断制御して点火コイルの二次側に高電圧を発生させるパワースイッチング部と、上記一次電流を制限する電流制限回路と、上記パワースイッチング部のコレクタとゲートを接続するとともに、コレクタからゲートにフィードバック電流を流す接続回路とを有し、上記パワースイッチング部及び上記電流制限回路を絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタのモノリシックシリコン基板に集積した内燃機関用点火装置において、上記接続回路に生ずる廻り込み電流を、上記パワースイッチング部のエミッタに流す経路を備える。このとき、上記接続回路は、インピーダンス素子を備えており、上記経路は、上記インピーダンス素子の電圧ドロップによって動作するツェナーダイオードを備える(例えば、特許文献7参照。)。 Further, as another ignition device for an internal combustion engine, the following device has been proposed. A power switching unit that controls energization / shut-off of the primary current flowing through the ignition coil in accordance with the input ignition control signal to generate a high voltage on the secondary side of the ignition coil, a current limiting circuit that limits the primary current, and The power switching unit has a connection circuit for connecting a collector and a gate and a feedback circuit for flowing a feedback current from the collector to the gate, and the power switching unit and the current limiting circuit are integrated on a monolithic silicon substrate of an insulated gate bipolar power transistor. The internal combustion engine ignition device includes a path through which a sneak current generated in the connection circuit flows to the emitter of the power switching unit. At this time, the connection circuit includes an impedance element, and the path includes a Zener diode that operates by a voltage drop of the impedance element (see, for example, Patent Document 7).
内燃機関用点火装置全体の小型化やコスト低減のために、スイッチング手段として用いるIGBTの大きさをできる限り小さくすることが好ましい。一般的に、スイッチング用途の例えばインバータなどに用いられるIGBTでは、低オン電圧を実現することで発生損失が下がるため、半導体装置を小型化することができ、コストの低減を図ることができる。しかしながら、上述したようなダイナミッククランプによる保護機能を有する内燃機関用点火装置では、IGBTが制御することができるエネルギー(以下、制御可能エネルギーとする)は、IGBT自身の能力によって決まる。一般的に、IGBTの大きさを小さくしていくと、それにともなって電流密度が上昇するため、IGBTの制御可能エネルギーは小さくなっていく。この制御可能エネルギーは、IGBTの寄生効果であるラッチアップで決まる場合がある。 In order to reduce the size and cost of the internal combustion engine ignition device as a whole, it is preferable to reduce the size of the IGBT used as the switching means as much as possible. In general, in an IGBT used for, for example, an inverter for switching purposes, a generated loss is reduced by realizing a low on-voltage, so that a semiconductor device can be downsized and cost can be reduced. However, in the internal combustion engine ignition device having the protection function by the dynamic clamp as described above, the energy that can be controlled by the IGBT (hereinafter referred to as controllable energy) is determined by the capability of the IGBT itself. In general, as the size of the IGBT is reduced, the current density increases accordingly, so that the controllable energy of the IGBT is reduced. This controllable energy may be determined by latch-up, which is a parasitic effect of the IGBT.
しかし、本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、IGBTの制御可能エネルギーは、半導体装置に用いる素材などの許容温度によって決まるということが新たに判明した。ダイナミッククランプによって、IGBTを構成する半導体基板の内部に、IGBTに印加されるコレクタ電圧とコレクタ電流との積に相当するエネルギーが生じる。これにより、半導体基板の内部の温度が上昇し、半導体の動作可能な温度範囲である例えば300℃を超えてしまった場合、IGBTが破壊される恐れがある。従って、半導体装置の大きさは、ダイナミッククランプに必要とされる最小エネルギーによって制限される。そのため、低オン抵抗の実現によりチップサイズを小さくしようとしても、半導体で決まる温度限界により、半導体装置の小型化につながるとは限らない。このことは、内燃機関用点火装置において、コスト低減を困難にしている要因の一つとなっている。 However, as a result of extensive studies by the present inventors, it has been newly found that the controllable energy of the IGBT is determined by the allowable temperature of the material used for the semiconductor device. Due to the dynamic clamp, energy corresponding to the product of the collector voltage applied to the IGBT and the collector current is generated inside the semiconductor substrate constituting the IGBT. As a result, the temperature inside the semiconductor substrate rises, and when the temperature exceeds, for example, 300.degree. Thus, the size of the semiconductor device is limited by the minimum energy required for dynamic clamping. Therefore, even if it is attempted to reduce the chip size by realizing a low on-resistance, the temperature limit determined by the semiconductor does not necessarily lead to miniaturization of the semiconductor device. This is one of the factors that make it difficult to reduce costs in an internal combustion engine ignition device.
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、半導体装置全体の小型化を図ることでコストを低減させることができる半導体装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing the cost by reducing the size of the entire semiconductor device in order to eliminate the above-described problems caused by the prior art.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項1の発明にかかる内燃機関用点火装置は、点火コイルの一次側コイルに直列に接続され、前記一次側コイルに流れる電流を断続するIGBTと、前記点火コイルの二次側コイルに直列に接続され、前記IGBTの断続により前記二次側コイルに発生する高電圧を放電させる点火プラグを備えてなる内燃機関用点火装置において、前記IGBTのコレクタとゲートの間に直列に接続される複数のツェナーダイオードと、前記ツェナーダイオードの一部と並列に接続される抵抗と、前記抵抗に並列に接続される容量と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, an ignition device for an internal combustion engine according to the invention of claim 1 is connected in series to a primary side coil of an ignition coil and intermittently flows an electric current flowing through the primary side coil. And an ignition plug for an internal combustion engine, which is connected in series to the secondary coil of the ignition coil and discharges a high voltage generated in the secondary coil by the intermittent connection of the IGBT. to a plurality of Zener diodes connected in series between the collector and the gate, a resistor connected in parallel with part of said Zener diode, and a capacitor connected in parallel to said resistor, characterized in that it comprises a .
また、請求項2の発明にかかる内燃機関用点火装置は、請求項1に記載の発明において、前記抵抗および前記容量は、前記点火プラグの放電が発生しなかった場合に、前記IGBTを流れる電流の遮断に要する時間が300μs以上となるような抵抗値および静電容量をそれぞれ有することを特徴とする。 An ignition device for an internal combustion engine according to a second aspect of the invention is the ignition device according to the first aspect, wherein the resistance and the capacity are a current flowing through the IGBT when no discharge of the spark plug occurs. the time required for the interruption and having respectively a resistance and capacitance such that more than 300 [mu] s.
また、請求項3の発明にかかる内燃機関用点火装置は、請求項1または2に記載の発明において、少なくとも前記IGBT、前記ツェナーダイオードおよび前記抵抗を同一の半導体基板に形成して一体化することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an internal combustion engine ignition device according to the first or second aspect, wherein at least the IGBT, the Zener diode, and the resistor are formed and integrated on the same semiconductor substrate. It is characterized by.
また、請求項4の発明にかかる内燃機関用点火装置は、請求項3に記載の発明において、前記抵抗が、多結晶シリコン(p−Si:ポリシリコン)で形成されていることを特徴とする。 An ignition device for an internal combustion engine according to a fourth aspect of the invention is characterized in that, in the third aspect of the invention, the resistor is formed of polycrystalline silicon (p-Si: polysilicon). .
上述した各請求項の発明によれば、放電が発生しなかった場合に、クランプ電圧が時間とともに減少し、IGBTに流れるコレクタ電流が徐々に緩やかに低下することで、ゲート電圧がオフ状態になるまでの時間が延びる。そのため、IGBT内部に発生する熱が放熱される時間を従来よりも長くすることができ、IGBTの放熱効果が向上する。これにより、IGBTの制御可能エネルギーを増加させることができ、IGBTのエネルギー耐圧の増加量に相当する分だけIGBTの小型化を図ることができる。 According to the invention of each claim described above, when no discharge occurs, the clamp voltage decreases with time, and the collector current flowing through the IGBT gradually decreases gradually, whereby the gate voltage is turned off. The time until is extended. Therefore, it is possible to make the time during which the heat generated inside the IGBT is dissipated longer than before, and the heat dissipation effect of the IGBT is improved. Thereby, the controllable energy of the IGBT can be increased, and the IGBT can be downsized by an amount corresponding to the increase amount of the energy breakdown voltage of the IGBT.
また、上述した請求項3および4の発明によれば、1つの半導体基板上にIGBTとIGBTの保護機能を作製することで、半導体スイッチ全体を小さくすることができる。
According to the inventions of
本発明にかかる内燃機関用点火装置によれば、内燃機関用点火装置全体の小型化を図ることができ、コストを低減させることができるという効果を奏する。 According to the ignition device for an internal combustion engine according to the present invention, it is possible to reduce the size of the entire ignition device for an internal combustion engine and to reduce the cost.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる内燃機関用点火装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明およびすべての添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本明細書において、nまたはpを冠した半導体は、それぞれ電子、正孔が多数キャリアであることを意味する。また、n+やn-などのように、nやpに付す「+」または「-」は、それぞれそれらが付されていない半導体の不純物濃度よりも比較的高濃度または比較的低濃度であることを表す。なお、本発明において記載される測定結果は、内燃機関用点火装置を用いた測定結果に相当するような標準的な測定方法により導き出している。 Exemplary embodiments of an ignition device for an internal combustion engine according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. Note that, in the following description of the embodiments and all the attached drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted. In this specification, a semiconductor having n or p means that electrons and holes are majority carriers, respectively. Further, “ + ” or “ − ” attached to n or p, such as n + or n −, is relatively higher or lower than the impurity concentration of the semiconductor to which they are not attached. Represents that. The measurement results described in the present invention are derived by a standard measurement method corresponding to the measurement results using the internal combustion engine ignition device.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1にかかる保護機能を有する半導体スイッチを示す回路図である。図1に示すように、実施の形態1にかかる保護機能を有する半導体装置は、点火コイルとして一次側コイル11および二次側コイル12と、一次側コイル11を流れる低圧電流を断続するスイッチング手段13と、点火コイルに電力を供給するバッテリー14と、混合気に着火を行う点火プラグ15とを備えている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a semiconductor switch having a protection function according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the semiconductor device having a protection function according to the first embodiment includes a
スイッチング手段13は、外部コレクタ端子2により一次側コイル11に接続され、一次側コイル11に流れる低圧電流を断続するIGBT3を備えている。そして、IGBT3のゲートとグランドの間に、IGBT3のゲートを保護するためのゲート保護ツェナーダイオード4が接続されている。IGBT3のゲートおよびコレクタとの間に、IGBT3を保護するための保護ツェナーダイオード5が接続されている。この保護ツェナーダイオード5は、複数のツェナーダイオードが直列に接続されて構成されている。保護ツェナーダイオード5の少なくとも一部に、高い抵抗値をもつバイパス抵抗7が並列に接続されている。また、容量8がバイパス抵抗7に並列に接続されている。IGBT3のゲートと外部ゲート端子1の間に、IGBT3を保護するためのゲート抵抗6が接続されている。IGBT3のエミッタはグランドレベルに保たれている。
The switching means 13 includes an
ゲート保護ツェナーダイオード4では、IGBT3のゲートに1つ目のツェナーダイオードのカソードが接続されている。そして、1つ目のツェナーダイオードのアノードと、2つ目のツェナーダイオードのアノードとが接続されている。2つ目のツェナーダイオードのカソードはグランドレベルに保たれている。
In the gate
保護ツェナーダイオード5では、IGBT3のコレクタに1つ目のツェナーダイオードのカソードが接続されている。そして、1つ目のツェナーダイオードのアノードと、2つ目のツェナーダイオードのカソードとが接続されている。同様にして、ツェナーダイオードのアノードと、次のツェナーダイオードのカソードとが接続され連なっている。最後に、図示例では5つ目のツェナーダイオードのアノードは、IGBT3のゲートに接続されている。
In the
バイパス抵抗7は、保護ツェナーダイオード5の、直列に接続された複数のツェナーダイオードの少なくとも一部に並列に接続されている。そして、バイパス抵抗7および容量8は、その時定数CR(C:容量8の静電容量、R:バイパス抵抗7の電気抵抗)により、IGBT3に流れるコレクタ電流を徐々に低下させる効果を有する。バイパス抵抗7を備えることにより、IGBT3の内部に発生する熱を放熱する効果が向上する。容量8として、保護ツェナーダイオード5自身の持つ容量を利用しても良い。
The bypass resistor 7 is connected in parallel to at least a part of the plurality of Zener diodes connected in series of the
ゲート保護ツェナーダイオード4および保護ツェナーダイオード5には、低耐圧のツェナーダイオードを用いるのが好ましい。その理由は、低耐圧のツェナーダイオードは電流容量が大きいため、IGBTに過電流が流れることを回避する効果を高くすることができるからである。また、バイパス抵抗7の抵抗値は、ゲート電圧をオフ状態にする時間が300〜400μs以上になるように設定するのが好ましい。その理由は、後述する。
As the gate
以上、説明したように、実施の形態1によれば、IGBT3に流れるコレクタ電流が徐々に緩やかに低下することで、ゲート電圧がオフ状態になるまでの時間が延びる。そのため、IGBT3の内部に発生する熱を放熱する時間を従来よりも長くすることができ、IGBT3の放熱効果が向上する。これにより、IGBT3の制御可能エネルギーを増加させることができ、IGBT3のエネルギー耐圧の増加量に相当する分だけIGBT3の小型化を図ることができる。
As described above, according to the first embodiment, the collector current flowing through the
(実施の形態2)
次に、IGBTとIGBTの保護機能とを、一つの半導体基板上に形成し一体化させた半導体スイッチについて説明する。図2は、実施の形態2にかかるIGBTとIGBTの保護機能とを内蔵したモノリシック半導体スイッチの平面レイアウトを示す平面図である。また、図3は、実施の形態2にかかるIGBTの保護機能を実現する部分の平面レイアウトを示す平面図である。なお、図2に示す平面図は、IGBTのエミッタ電極およびゲート電極と、IGBTの保護機能の平面レイアウトである。図2に示すように、半導体スイッチの平面レイアウトにおいて、エミッタ電極49は、例えば、略矩形形状に形成されている。ゲート電極47は、トラック形状をしており、エミッタ電極49を囲んでいる。さらに、ゲート電極47を囲むように、トラック形状の電極54が設けられている。この電極54は、図に現れていない領域で、基板裏面のコレクタ電極(図4参照)に電気的に接続されている。ゲート電極47とそれを囲む前記電極54の間には、ツェナーダイオード30が形成されている。
(Embodiment 2)
Next, a semiconductor switch in which the IGBT and the protection function of the IGBT are formed and integrated on one semiconductor substrate will be described. FIG. 2 is a plan view showing a planar layout of a monolithic semiconductor switch incorporating the IGBT and the protection function of the IGBT according to the second embodiment. FIG. 3 is a plan view showing a planar layout of a portion that realizes the protection function of the IGBT according to the second embodiment. The plan view shown in FIG. 2 is a planar layout of the IGBT emitter and gate electrodes and the protection function of the IGBT. As shown in FIG. 2, in the planar layout of the semiconductor switch, the
図3に示すように、ツェナーダイオード30は、n型半導体領域(第1導電型半導体領域)32およびp型半導体領域(第2導電型半導体領域)31が交互に配置された構成となっている。このツェナーダイオード30が、実施の形態1に示す保護ツェナーダイオード5である。ツェナーダイオード30の一部には、例えば酸化膜を用いて形成された分離領域34を介して、バイパス抵抗33が形成されている。このバイパス抵抗33が、実施の形態1に示すバイパス抵抗7であり、ツェナーダイオード30の一部のpn対をバイパスする。
As shown in FIG. 3, the
図4は、図2の切断線A−A'における断面構造を示す断面図である。なお、ツェナーダイオード30のnまたはpの表記は一部を除いて省略する。図4に示すように、p+コレクタ層41となる高不純物濃度のp型シリコン基板上に、n+バッファ層42およびnドリフト層43が形成された半導体基板において、IGBT領域21および保護機能領域22が設けられている。IGBT領域21において、nドリフト層43の表面層の一部に、p-ベース領域44が設けられている。また、p-ベース領域44の表面層の一部には、n+エミッタ領域45が設けられている。p-ベース領域44が形成されていないnドリフト層43の表面から、隣接するn+エミッタ領域45の一部にまでつながってゲート絶縁膜46が形成されている。そして、ゲート絶縁膜46を介して、ゲート電極47が設けられている。ゲート絶縁膜46が形成されていないp-ベース領域44およびn+エミッタ領域45の表面に、エミッタ電極49が設けられている。隣接するp-ベース領域44上に形成されたエミッタ電極49はつながっており、エミッタ電極49は層間絶縁膜48によってゲート電極47と絶縁されている。p+コレクタ層41の裏面にはコレクタ電極55が設けられている。半導体基板のエミッタ側には、エミッタ端子56およびゲート端子57が設けられている。そして、半導体基板のコレクタ側には、コレクタ端子58が設けられている。
4 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along the cutting line AA ′ of FIG. In addition, the description of n or p of the
保護機能領域22では、nドリフト層43の表面層の一部に、IGBT領域21と保護機能領域22の境界近傍のp-ベース領域44と接するように第1のp+高濃度領域50が設けられている。そして、第1のp+高濃度領域50から離れて第2のp+高濃度領域51が設けられている。さらに、IGBT領域21との境界と反対側の領域に、第2のp+高濃度領域51から離れてn+領域52が設けられている。第1のp+高濃度領域50と接するp-ベース領域44の一部から、n+領域52の一部にかけて、例えば酸化膜によって形成される絶縁膜53が設けられている。絶縁膜53の表面の、n+領域52側の一部には、n+領域52にまでつながって電極54が設けられている。絶縁膜53の表面の、エミッタ電極49および電極54が形成されていない部分には、エミッタ電極49と離れ、電極54に接するようにツェナーダイオード30が設けられている。ツェナーダイオード30は、ゲート端子57と電気的に接続されている。電極54は、コレクタ電極55に電気的に接続されている。
In the
図4には現れていないが、バイパス抵抗33は、多結晶シリコン(p−Si:ポリシリコン)を使用して形成されるのが好ましい。その理由は、ツェナーダイオードがIGBTのゲートを構成している素材である多結晶シリコンを使用して形成され、そのツェナーダイオードの一部にバイパス抵抗33を形成することができるからである。 Although not shown in FIG. 4, the bypass resistor 33 is preferably formed using polycrystalline silicon (p-Si: polysilicon). The reason is that the Zener diode is formed using polycrystalline silicon which is a material constituting the gate of the IGBT, and the bypass resistor 33 can be formed in a part of the Zener diode.
以上、説明したように、実施の形態2によれば、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。また、1つの半導体基板上にIGBTとIGBTの保護機能を作製することで、半導体スイッチ全体を小さくすることができる。 As described above, according to the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Further, by fabricating the IGBT and IGBT protection function on one semiconductor substrate, the entire semiconductor switch can be made small.
次に、保護ツェナーダイオード5にバイパス抵抗7および容量8を接続した際の、IGBT3のコレクタ電圧Vceの電圧波形ついて説明する。図5は、本発明にかかる保護機能を有する半導体スイッチのIGBTの電気的特性について示す特性図である。なお、図1に示す内燃機関用点火装置を例に説明する。また、保護ツェナーダイオード5の耐圧を第1の耐圧Vzとする。保護ツェナーダイオード5の一部をバイパス抵抗7によりバイパスした場合の保護ツェナーダイオード5の耐圧を第2の耐圧Vz1とする。コレクタ電圧Vceが第1の耐圧Vz以上の電圧値となった場合、コレクタ電圧Vceは第1の耐圧Vz(クランプ電圧Vz)にクランプされる。バイパス抵抗7および容量8を備えることにより、その後、コレクタ電圧Vceは、第2の耐圧Vz1とほぼ同じ電圧まで徐々に低下する。そして、時間tpの経過後に、第2の耐圧Vz1とほぼ同じ電圧からベース電圧Vbへと低下する。
Then, when connecting the bypass resistor 7 and a
ダイナミッククランプが起きてから時間tpまでの間のコレクタ電流Iceは、時間軸に時定数CRが加味され、下方向に凸状の右下がりの指数曲線となる変化量dI/dtで徐々に緩やかに低下する。これにより、保護機能としてバイパス抵抗7および容量8を備えることにより、IGBT3の放熱効果を従来に比べて向上させることができることがわかった。そして、放熱効果が向上することで、IGBTの制御可能エネルギーを増加させることができることがわかった。
Collector current I ce between from happening dynamic clamp until time t p is considering the time constant CR is the time axis, gradually change amount dI / dt of the right edge of the exponential curve convex downward Decrease gradually. Thus, it was found that the heat dissipation effect of the
次に、クランプ電圧と、該クランプ電圧が印加されたIGBTが破壊されない最大のエネルギー(以下、クランプエネルギーとする)との関係について説明する。図6は、クランプ電圧とクランプエネルギーの関係を示す特性図である。なお、図6において、測定結果62は、バイパス抵抗7および容量8を備えた場合の測定結果である。それ以外の測定結果は、バイパス抵抗7および容量8を備えていない場合の測定結果である。図6に示す結果より、クランプエネルギーは、クランプ電圧を低くすると増加し、クランプ電圧を高くすると減少することがわかった。これは、クランプ電圧を低くすることで半導体基板の内部で発生した熱が回路基板を介して放熱板へと伝わり、半導体の外部へ放出されることによる効果である。一方、IGBTのゲート電圧のオフ時間は、クランプ電圧を低くすると長くなり、クランプ電圧を高くすると短くなる。従って、この測定において、IGBTのゲート電圧のオフ時間が300〜400μs以上のときに、半導体基板の内部に発生した熱が放熱されることがわかった。この条件を満たすように、バイパス抵抗7の抵抗値を設定するのが良い。
Next, the relationship between the clamp voltage and the maximum energy at which the IGBT to which the clamp voltage is applied is not destroyed (hereinafter referred to as clamp energy) will be described. FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between clamp voltage and clamp energy. In FIG. 6, the
上述したクランプエネルギーの、クランプ電圧410Vのときの測定結果61において、バイパス抵抗7および容量8を備えた場合におけるクランプエネルギーを測定した。なお、第1の耐圧Vzを410Vとしたときに、バイパス抵抗7および容量8を接続することにより、第2の耐圧Vz1が160Vとなるようにした。図6に示す結果より、測定結果61におけるクランプエネルギーは、約30〜40%増加し、星印で示した測定結果62となることがわかった。そのため、このクランプエネルギーの増加量の分だけIGBTの制御可能エネルギーを増加することができる。これにより、IGBTのエネルギー耐量の増加量分すべてを、IGBTの小型化のための要素とすることができる。
In the
以上において本発明は、上述した内燃機関用点火装置に限らず、電流値が制限される半導体装置に適用することができる。 In the above, the present invention can be applied not only to the internal combustion engine ignition device described above but also to a semiconductor device in which the current value is limited.
以上のように、本発明にかかる内燃機関用点火装置は、IGBTを用いた内燃機関用点火装置として有用である。 As described above, the internal combustion engine ignition device according to the present invention is useful as an internal combustion engine ignition device using an IGBT.
1 外部ゲート端子
2 外部コレクタ端子
3 IGBT
4 IGBTのゲート保護ツェナーダイオード
5 IGBTの保護ツェナーダイオード
6 ゲート抵抗
7 バイパス抵抗
8 容量
11 一次側コイル
12 二次側コイル
13 スイッチング手段
14 バッテリー
15 点火プラグ
1
4 IGBT gate
Claims (4)
前記IGBTのコレクタとゲートの間に直列に接続される複数のツェナーダイオードと、
前記ツェナーダイオードの一部と並列に接続される抵抗と、
前記抵抗に並列に接続される容量と、
を備えることを特徴とする内燃機関用点火装置。 An IGBT connected in series to the primary coil of the ignition coil, and connected to the secondary coil of the ignition coil in series with the IGBT that interrupts the current flowing through the primary coil, and connected to the secondary coil by the intermittent of the IGBT. In an ignition device for an internal combustion engine comprising an ignition plug for discharging a generated high voltage,
A plurality of zener diodes connected in series between the collector and gate of the IGBT;
A resistor connected in parallel with part of the Zener diode,
A capacitor connected in parallel to the resistor;
An ignition device for an internal combustion engine comprising:
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