WO2019239713A1 - 電磁コイル駆動装置および半導体集積回路装置 - Google Patents
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- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
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- H01L27/06—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration
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- H—ELECTRICITY
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- H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
- H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
Definitions
- the present invention relates to a circuit configuration of a semiconductor integrated circuit device, and in particular, a technology effective when applied to a semiconductor integrated circuit device mounted on an in-vehicle electronic control device (electromagnetic coil driving device) that requires high reliability. About.
- Automobiles employ many solenoid actuators (solenoid loads) such as engine injectors (fuel injection devices), starter relays, and semi-active suspensions, and are equipped with semiconductor integrated circuit devices such as ASICs (Application Specific Integrated Circuits).
- the electronic control unit ECU: Electronic Control Unit
- automatic transmission control unit ATCU: Automatic Transmission Control Unit
- MOS-FET Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor
- Patent Document 1 discloses that “a plurality of solenoid valves are provided, a plurality of switching elements and diodes are provided corresponding to the solenoid valves, one zener diode is commonly connected to the plurality of diodes, and a plurality of solenoid valves are provided. There is disclosed a solenoid valve driving device that controls so that another solenoid valve is shifted to an OFF state at least after a predetermined time has elapsed from the time when any one shifts from an ON state to an OFF state.
- Patent Document 1 a plurality of switching elements (MOS-FETs) that drive a plurality of solenoid valves are connected to a common Zener diode (surge protection element) via a plurality of diodes, thereby providing a plurality of switching elements (MOS-FETs).
- MOS-FETs switching elements
- the cost of the device and the increase in installation area can be suppressed, but the switching element (MOS-FET) It is necessary to provide a Zener diode having a relatively large element size that can sufficiently absorb surge energy.
- an object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device that can be reduced in size while ensuring resistance to surge energy and an electromagnetic coil driving device using the semiconductor integrated circuit device.
- the present invention provides a switching element for driving an electromagnetic coil, and a surge protection circuit connected so as to absorb surge energy generated when the switching element shifts from an on state to an off state.
- the switching device has a function of absorbing the surge energy, and both the switching device and the surge protection circuit absorb the surge energy.
- the present invention also relates to a switching element that is connected to an electromagnetic coil and drives the electromagnetic coil, a surge protection circuit that is connected to the electromagnetic coil in parallel with the switching element, and the switching element and the surge protection circuit. And a state transmission circuit for transmitting that the switching element is in a state of absorbing surge energy generated when the switching element shifts from an on state to an off state.
- the present invention it is possible to realize a semiconductor integrated circuit device that can be reduced in size while ensuring resistance to surge energy and an electromagnetic coil driving device using the semiconductor integrated circuit device.
- FIG. 6 shows a circuit configuration of the electromagnetic coil driving device (solenoid valve driving device) of Patent Document 1 described above.
- a MOS-FET or the like used for driving an electromagnetic coil is protected from a surge that occurs instantaneously.
- a surge absorption circuit is provided.
- This surge absorbing circuit is used for a solenoid valve or a relay in a vehicle, and includes a Zener diode 29 as a surge absorbing element as shown in FIG.
- the breakdown voltage of the Zener diode is set to be smaller than the breakdown voltage between the source and drain of the FET in order to protect the FETs 27a and 27b for driving the electromagnetic coil.
- FIG. 7 shows a circuit configuration of an electromagnetic coil driving device according to another prior art.
- the electromagnetic coil driving device for driving the electromagnetic coils 2a and 2b in order to protect the electromagnetic coil driving FETs 31a and 31b used for electromagnetic coil driving from a surge that occurs instantaneously, By providing the FET with the active clamp circuits 32a and 32b, the FET itself has a surge absorbing function.
- This active clamp circuit has a diode connected in the forward direction and a diode connected in the reverse direction between the drain and gate of the FET for driving the electromagnetic coil.
- the breakdown voltage of the Zener diode is set to be smaller than the breakdown voltage between the source and drain of the FET in order to protect the electromagnetic coil driving FETs 31a and 31b.
- FETs have improved on-resistance per element size as technology improves. For this reason, while the element size determined from the on-resistance performance given from the conduction loss required for the electromagnetic coil driving device can be reduced, there is also a problem that the FET element size necessary for the surge energy that can be absorbed cannot be reduced.
- a common surge protection element is provided as shown in FIG. 6 rather than providing a function of absorbing surge energy in each FET itself. If provided, the overall chip size may be smaller.
- FIG. 1 is a circuit diagram showing an electromagnetic coil driving apparatus of the present embodiment.
- the electromagnetic coil driving device 1 in this embodiment absorbs the surge energy generated when the electromagnetic coil driving FET 3 for driving the electromagnetic coil 2 and the electromagnetic coil driving FET 3 shift from the on state to the off state. It consists of a state transmission circuit 11 and a surge protection circuit 10 for transmitting that it is in a state.
- the surge protection circuit 10 is connected to the electromagnetic coil 2 in parallel with the electromagnetic coil driving FET 3.
- the electromagnetic coil driving FET 3, the surge protection circuit 10, and the state transmission circuit 11 are semiconductor integrated circuit devices such as ASICs formed on the same semiconductor substrate.
- An active clamp circuit 4 comprising a diode 7 and Zener diodes 8 and 9 is connected between the gate and drain of the electromagnetic coil driving FET 3, and a resistance element 5 is connected between the gate and source of the electromagnetic coil driving FET 3. .
- the state transmission circuit 11 is connected to the active clamp circuit 4 and the surge protection circuit 10.
- the surge protection circuit 10 is composed of a surge absorbing FET 12 and a resistance element 14.
- the source of the surge absorbing FET 12 is the source of the electromagnetic coil driving FET 3, and the drain of the surge absorbing FET 12 is the drain of the electromagnetic coil driving FET 3. It is connected.
- the drain voltage of the electromagnetic coil driving FET 3 increases.
- the drain voltage of the electromagnetic coil driving FET 3 exceeds the breakdown voltage of the Zener diodes 8 and 9 constituting the active clamp circuit 4, a current flows through the diode 7, the Zener diodes 8 and 9, and the resistance element 5.
- a current flows through the resistance element 5 the gate voltage of the electromagnetic coil driving FET 3 increases, so that the electromagnetic coil driving FET 3 is turned on, and a drain current (Ids) flows through the electromagnetic coil driving FET 3.
- the surge energy is given by the following equation (1).
- drain current (Ids) decreases monotonously with time.
- the element size of the electromagnetic coil driving FET 3 needs to be a certain size or more so that the electromagnetic coil driving FET 3 is not destroyed by the heat generation.
- the state transmission circuit 11 transmits that the electromagnetic coil driving FET 3 is in a surge absorbing state, and the FET 12 which is a surge absorbing element in the surge protection circuit 10. Turn on the. As a result, both the electromagnetic coil driving FET 3 and the surge absorbing FET 12 are turned on, and the energy stored in the electromagnetic coil 2 is consumed by both the electromagnetic coil driving FET 3 and the surge absorbing FET 12.
- the element size is increased by providing the surge absorbing element FET12 in the surge protection circuit 10, the total element size of the surge absorbing FET12 and the electromagnetic coil driving FET3 is absorbed by the electromagnetic coil driving FET3 alone. It can be made smaller than the element size of the FET 3 in the case. The reason will be described below.
- FIG. 8 shows the relationship between the transistor size of the 40V-NMOS transistor described in “High / Low-side Hybrid Output-Transistor with High Thermal-SOA” (page 77) of ISPSD 2017 and the energy density at which the transistor is thermally destroyed.
- the energy density leading to thermal breakdown decreases. This means that even if the transistor size is doubled, the element breakdown energy is not doubled, and the amount of heat radiation is not proportional to the element size. In this figure, the element breakdown energy is 1.6 times when the transistor size is doubled.
- FIG. 2A shows a circuit diagram embodying the state transmission circuit 11 in the electromagnetic coil driving apparatus described in FIG. Moreover, FIG. 2B shows the time transition of the voltage in the electromagnetic coil drive device of a present Example, and an electric current state.
- the state transmission circuit 11 includes a switch 15 controlled by a gate input signal (IN) of the electromagnetic coil driving FET 3, and is connected to the gate of the electromagnetic coil driving FET 3 and the surge absorbing FET 12.
- the switch 15 When the gate input signal (IN) is in a high state, the switch 15 is in a disconnected state and only the electromagnetic coil driving FET 3 is in an on state. On the other hand, when the gate input signal (IN) is in the low state, the switch 15 is in the connected state.
- the electromagnetic coil driving FET 3 and the surge absorbing FET 12 are generally formed on the same semiconductor substrate and are electrically connected on the semiconductor substrate. Since the electromagnetic coil driving FET 3 and the surge absorbing FET 12 generate heat when the surge energy is consumed, it is desirable to arrange them at a certain distance so as to avoid thermal interference with each other.
- the semiconductor integrated circuit device and the electromagnetic coil driving device of the present embodiment it is caused by the inductance of the electromagnetic coil generated when the switching element that drives the electromagnetic coil shifts from the on state to the off state. Since the surge energy is absorbed by the switching element itself and absorbed by the surge protection circuit connected to the switching element, the switching element (semiconductor) is made to satisfy the on-resistance required for driving the electromagnetic coil without being restricted by the surge energy. Integrated circuit device) can be reduced in size.
- the switching element semiconductor integrated circuit device in which the switching element and the surge protection circuit are mounted on the same substrate can be reduced in size.
- a semiconductor integrated circuit device and an electromagnetic coil driving device will be described with reference to FIGS. 3A and 3B. In the following, differences from the first embodiment will be mainly described.
- a plurality of electromagnetic coil driving FETs (3a, 3b) for driving the plurality of electromagnetic coils 1 (2a) and electromagnetic coils 2 (2b) are provided.
- the drains of the electromagnetic coil driving FETs (3a, 3b) are connected to the anodes of the plurality of diodes (16a, 16b), respectively, and the cathodes of the plurality of diodes (16a, 16b) are connected to each other and absorb surge energy.
- a surge protection circuit 10 including a surge absorbing FET 12 and a resistance element 14 is connected. That is, each of the plurality of electromagnetic coil driving FETs (3a, 3b) is connected to one common surge protection circuit 10 via the plurality of diodes (16a, 16b). 3b), active clamp circuits (4a, 4b) are respectively connected between the gate and drain of the electromagnetic coil driving FET (3a, 3b) and the surge absorbing FET 12 gate through the state transmission circuit 11. Connected through.
- the state transmission circuit 11 includes switches (15a, 15b) controlled by control signals (IN1, IN2) for controlling the electromagnetic coil driving FETs (3a, 3b), and the control signals (IN1, IN2) are in a high state. When the control signals (IN1, IN2) are in the low state, they are each in the on state.
- the switch 15a since the switch 15a is in the ON state, the gate of the surge absorbing FET 12 and the gate of the electromagnetic coil driving FET 3a are in a connected state. As a result, the surge absorbing FET 12 is turned on, a drain current flows, and surge energy is also consumed in the surge absorbing FET 12.
- a plurality of diodes (16a, 16b) are provided at the drains of the electromagnetic coil driving FETs (3a, 3b), a plurality of electromagnetic coil driving FETs (3a, 3b) are provided.
- the drain voltages can be made independent of each other.
- the surge absorbing FET 12 is turned on when any one of the electromagnetic coil driving FETs (3a, 3b) is in the surge energy absorbing state. Surge energy absorption state.
- the plurality of electromagnetic coil driving FETs (3a, 3b) are simultaneously switched from the on state to the off state, and the plurality of electromagnetic coil driving FETs (3a, 3b) are not in a surge energy absorption state.
- the element size of the surge absorbing FET 12 can be a size that absorbs energy stored in one electromagnetic coil, so that the switching element (semiconductor integrated circuit device) can be downsized.
- the size of the surge absorbing element in the surge protection circuit can be reduced, so the plurality of switching elements and the surge protection circuit are the same.
- the switching element (semiconductor integrated circuit device) mounted on the substrate can be reduced in size.
- the state transmission circuit 11 does not require the input signals (IN1, IN2) of the electromagnetic coil driving FETs (3a, 3b).
- the state transmission circuit 11 is connected to the active clamp circuits (4a, 4b) and the gates of the electromagnetic coil driving FETs (3a, 3b), and is connected to the surge protection circuit 10.
- the state transmission circuit 11 includes a resistance element (18a, 18b), a PMOSFET (17a, 17b), and a diode (21a, 21b).
- the surge protection circuit 10 includes a surge absorbing FET 12 and a resistance element (19, 20).
- FIGS. 5A and 5B A semiconductor integrated circuit device and an electromagnetic coil driving device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A and 5B.
- the electromagnetic coil driving apparatus 1 of this embodiment includes an electromagnetic coil driving FET (3a, 3b) for driving the electromagnetic coil 1 (2a) and the electromagnetic coil 2 (2b), the electromagnetic coil 1 (2a), and the electromagnetic coil 2 ( 2b), the diode (16a, 16b) connected to each drain, the resistance element (5a, 5b) connected between each gate-source, the state transmission circuit 11 connected to the drain, and the state transmission circuit 11
- the surge protection circuit 10 is configured.
- the surge protection circuit 10 includes an active clamp circuit 24 connected between the surge absorbing FET 12 and the gate and drain, and a resistance element 25 connected between the gate and source of the surge absorbing FET 12.
- the state transmission circuit 11 receives the gate input signals (IN1, IN2) of the electromagnetic coil driving FETs (3a, 3b) as input signals, and connects the surge absorbing FET 12 and the electromagnetic coil driving FETs (3a, 3b) ( 23a and 23b) are provided with delay control circuits (22a and 22b).
- the delay control circuits (22a, 22b) control connection timings of the switches (23a, 23b) based on the gate input signals (IN1, IN2) of the plurality of electromagnetic coil driving FETs (3a, 3b).
- the switch 23a is in a connected state for a certain period of time, so the gate of the surge absorbing FET 12 and the gate of the electromagnetic coil driving FET 3a are connected. Is done. As a result, the electromagnetic coil driving FET 3a is turned on in the same manner as the surge absorbing FET 12, and the surge energy from the electromagnetic coil 1 (2a) is also consumed in the electromagnetic coil driving FET 3a.
- this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
- the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
- a part of the configuration of a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment.
- Electromagnetic coil drive device 2, 2a, 2b ... Electromagnetic coil, 3, 3a, 3b ... FET for electromagnetic coil drive, 4, 4a, 4b ... Active clamp circuit, 5, 5a, 5b ... Resistance element, 6, 6a , 6b ... buffer circuit, 7, 7a, 7b ... diode, 8, 8a, 8b ... zener diode, 9, 9a, 9b ... zener diode, 10 ... surge protection circuit, 11 ... state transmission circuit, 12 ... surge absorption FET , 13 ... power supply, 14 ... resistance element, 15, 15a, 15b ... switch, 16a, 16b ... diode, 17a, 17b ...
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Abstract
サージエネルギーに対する耐性を確保しつつ、小型化が可能な半導体集積回路装置およびそれを用いた電磁コイル駆動装置を提供する。 電磁コイルを駆動するスイッチング素子と、前記スイッチング素子がオン状態からオフ状態に移行したときに発生するサージエネルギーを吸収するように接続されたサージ保護回路を備えた電磁コイル駆動装置において、前記スイッチング素子は、前記サージエネルギーを吸収する機能を有していて、前記スイッチング素子と前記サージ保護回路は共に前記サージエネルギーを吸収することを特徴とする。
Description
本発明は、半導体集積回路装置の回路構成に係り、特に、高信頼性が要求される車載用の電子制御装置（電磁コイル駆動装置）に搭載される半導体集積回路装置に適用して有効な技術に関する。
自動車には、エンジンのインジェクタ（燃料噴射装置）やスタータリレー、セミアクティブサスペンション等、多くのソレノイドアクチュエータ（ソレノイド負荷）が採用されており、ASIC（Application Specific Integrated Circuit）等の半導体集積回路装置が搭載された電子制御装置（ECU：Electronic Control Unit）やオートマチックトランスミッションコントロールユニット（ATCU：Automatic Transmission Control Unit）により高精度に制御される。
このASIC等の半導体集積回路装置では、高機能化・高集積化に伴いMOS-FET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）の小型化が進み、MOS-FETがオン状態からオフ状態に移行する際に発生するサージエネルギーに対する耐性の低下が課題となっている。
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「ソレノイドバルブを複数備えると共に、スイッチング素子及びダイオードをそれぞれソレノイドバルブに対応して複数備え、複数のダイオードに対しツェナーダイオードを共通に１個接続し、かつ、複数のソレノイドバルブの何れかがオン状態からオフ状態に移行した時点から少なくとも所定の時間をあけて他のソレノイドバルブをオフ状態に移行させるように制御するソレノイドバルブ駆動装置」が開示されている。
上記特許文献１では、複数のソレノイドバルブを駆動する複数のスイッチング素子（MOS-FET）に対して、複数のダイオードを介して共通の１つのツェナーダイオード（サージ保護素子）を接続することで、複数のスイッチング素子(MOS-FET)に対して複数のツェナーダイオード（サージ保護素子）を各々設ける場合と比べて、装置のコストアップと設置面積の増大を抑制できるものの、スイッチング素子（MOS-FET）のサージエネルギーを十分に吸収することができる比較的素子サイズの大きなツェナーダイオードを設ける必要がある。
そこで、本発明の目的は、サージエネルギーに対する耐性を確保しつつ、小型化が可能な半導体集積回路装置およびそれを用いた電磁コイル駆動装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、電磁コイルを駆動するスイッチング素子と、前記スイッチング素子がオン状態からオフ状態に移行したときに発生するサージエネルギーを吸収するように接続されたサージ保護回路を備えた電磁コイル駆動装置において、前記スイッチング素子は、前記サージエネルギーを吸収する機能を有していて、前記スイッチング素子と前記サージ保護回路は共に前記サージエネルギーを吸収することを特徴とする。
また、本発明は、電磁コイルに接続され、当該電磁コイルを駆動するスイッチング素子と、前記電磁コイルに対し前記スイッチング素子と並列に接続されるサージ保護回路と、前記スイッチング素子および前記サージ保護回路に接続され、前記スイッチング素子のオン状態からオフ状態への移行時に発生するサージエネルギーを前記スイッチング素子が吸収する状態にあることを伝達する状態伝達回路と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、サージエネルギーに対する耐性を確保しつつ、小型化が可能な半導体集積回路装置およびそれを用いた電磁コイル駆動装置を実現できる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
先ず初めに、本発明の構成および作用・効果を分かり易くするために、図６および図７を参照して、従来技術における半導体集積回路装置および電磁コイル駆動装置について説明する。
図６は、上記特許文献１の電磁コイル駆動装置（ソレノイドバルブ駆動装置）の回路構成を示している。図６に示すように、特許文献１では、誘導負荷である電磁コイルを駆動する電磁コイル駆動装置において、電磁コイル駆動に用いられるMOS-FET等を、瞬間的に発生するサージから保護するためのサージ吸収回路を備えている。
このサージ吸収回路は、車両におけるソレノイドバルブやリレーなどに用いられるものであり、図６に示すように、サージ吸収素子としてのツェナーダイオード２９を備えている。該構成のサージ吸収素子において、該ツェナーダイオードの降伏電圧は、電磁コイル駆動用ＦＥＴ２７ａ，２７ｂを保護するために、ＦＥＴのソース・ドレイン間の耐圧より小さくなるように設定されている。
該構成のサージ吸収素子において、電磁コイル駆動用ＦＥＴ２７ａ，２７ｂがオン状態からオフ状態に遷移したときに、電磁コイル２ａ，２ｂのインダクタンスに起因して発生するサージエネルギーは逆方向にツェナーダイオード２９に電流が流れて熱に変換されるために、ＦＥＴがサージから保護される。
上述したように、図６の回路構成では、電磁コイル駆動用ＦＥＴ２７ａ，２７ｂのサージエネルギーを十分に吸収することができる比較的素子サイズの大きなツェナーダイオードを設ける必要がある。
図７は、別の従来技術における電磁コイル駆動装置の回路構成を示している。図７の従来技術では、電磁コイル２ａ，２ｂを駆動する電磁コイル駆動装置において、電磁コイル駆動に用いられる電磁コイル駆動用ＦＥＴ３１ａ，３１ｂ等を、瞬時的に発生するサージから保護するために、該ＦＥＴにアクティブクランプ回路３２ａ，３２ｂを備えることで、ＦＥＴ自身にサージ吸収の機能を持たせている。
このアクティブクランプ回路は、電磁コイルを駆動するためのＦＥＴのドレインとゲート間に逆方向に接続されたツェーダイオードと順方向に接続されたダイオードを備えている。該ツェナーダイオードの降伏電圧は、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３１ａ，３１ｂを保護するために、ＦＥＴのソース・ドレイン間の耐圧電圧より小さくなるように設定されている。
電磁コイル駆動用ＦＥＴ３１ａ，３１ｂがオン状態からオフ状態に遷移したときに、電磁コイル２ａ，２ｂのインダクタンスに起因して発生するサージエネルギーは、該ツェナーダイオードに降伏電流が流れて、ＦＥＴのゲートとソース間に接続された抵抗素子３３ａ，３３ｂに電流が流れることで、ＦＥＴがオン状態になってサージエネルギーを消費する。
図７の構成では、ＦＥＴ自体がサージエネルギーを吸収するために、外付けのサージ保護素子を不要とできる一方で、サージエネルギーが大きくなると、ＦＥＴの発熱量が大きくなるためＦＥＴ自体の素子サイズが大きくなってしまう。
また、ＦＥＴは技術向上に伴って素子サイズあたりのオン抵抗が向上している。このため、電磁コイル駆動装置に求められる導通損失から与えられるオン抵抗性能から決まる素子サイズは小さくできる一方で、吸収できるサージエネルギーに必要なＦＥＴの素子サイズは小型化ができないという課題もある。
とりわけ、ＦＥＴを同一半導体基板上に複数個設けた半導体集積回路装置においては、個々のＦＥＴ自体にサージエネルギーを吸収する機能を設けるよりも、図６のように、共有する１つのサージ保護素子を設けた方が、全体のチップサイズが小さくなる場合もある。
次に、図１から図２Ｂを参照して、本発明の第１の実施の形態の半導体集積回路装置および電磁コイル駆動装置について説明する。
図１は、本実施例の電磁コイル駆動装置を示す回路図である。図１において、本実施例における電磁コイル駆動装置１は電磁コイル２を駆動する電磁コイル駆動用ＦＥＴ３と、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３がオン状態からオフ状態に移行したときに発生するサージエネルギーを吸収する状態にあることを伝達する状態伝達回路１１とサージ保護回路１０からなる。サージ保護回路１０は電磁コイル２に対し電磁コイル駆動用ＦＥＴ３と並列に接続されている。電磁コイル駆動用ＦＥＴ３、サージ保護回路１０、状態伝達回路１１は同一の半導体基板上に形成されているASIC等の半導体集積回路装置である。
電磁コイル駆動用ＦＥＴ３のゲートとドレイン間にはダイオード７とツェナーダイオード８，９からなるアクティブクランプ回路４が接続され、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３のゲートとソース間には抵抗素子５が接続されている。状態伝達回路１１はアクティブクランプ回路４とサージ保護回路１０に接続されている。サージ保護回路１０はサージ吸収用ＦＥＴ１２と抵抗素子１４で構成されていて、サージ吸収用ＦＥＴ１２のソースは電磁コイル駆動用ＦＥＴ３のソースと、サージ吸収用ＦＥＴ１２のドレインは電磁コイル駆動用ＦＥＴ３のドレインと接続されている。
電磁コイル駆動用ＦＥＴ３がオン状態にあり、電磁コイル２に電流が流れている状態から、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３がオフ状態に移行すると、電磁コイル２に蓄積されたエネルギーによって電流が流れ続けようとするために、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３のドレイン電圧が上昇する。電磁コイル駆動用ＦＥＴ３のドレイン電圧がアクティブクランプ回路４を構成するツェナーダイオード８，９の降伏電圧を超えると、ダイオード７、ツェナーダイオード８，９、抵抗素子５に電流が流れる。抵抗素子５に電流が流れると電磁コイル駆動用ＦＥＴ３のゲート電圧が上昇するため、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３がオン状態になり、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３にドレイン電流（Ids）が流れる。
このときのドレイン電圧をクランプ電圧(ＶCP)とすると、サージエネルギーは次の式（１）で与えられる。
ここで、ドレイン電流（Ids）は時間に対して単調減少する。
このサージエネルギーは電磁コイル駆動用ＦＥＴ３の発熱によって消費されるため、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３が発熱によって破壊されないように、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３の素子サイズを一定のサイズ以上とする必要がある。
このため、例えば、図７に示すような従来技術では、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３で電磁コイル２に蓄えられた全エネルギーを消費する必要があるために、必要な素子サイズが比較的大きくなってしまう。
これに対して、本実施例では、図１に示すように、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３がサージ吸収状態にあることを状態伝達回路１１にて伝達し、サージ保護回路１０におけるサージ吸収素子であるＦＥＴ１２をオン状態にする。これによって、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３とサージ吸収用ＦＥＴ１２の両素子がオン状態となり、電磁コイル２に蓄えられたエネルギーは電磁コイル駆動用ＦＥＴ３とサージ吸収用ＦＥＴ１２との両方で消費される。
この結果、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３の発熱量を減らすことができるために、必要な電磁コイル駆動用ＦＥＴ３の素子サイズを小さくすることができる。
一方、サージ保護回路１０におけるサージ吸収素子ＦＥＴ１２を設けたことにより素子サイズは増大するが、サージ吸収用ＦＥＴ１２と電磁コイル駆動用ＦＥＴ３の素子サイズの合計は、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３単独でサージ吸収する場合のＦＥＴ３の素子サイズに比べて小さくできる。以下にその理由を説明する。
図８はＩＳＰＳＤ２０１７の「High/Low-side Hybrid Output Transistor with High Thermal-SOA」（頁77）に記載された40V-NMOSトランジスタのトランジスタサイズとトランジスタが熱破壊するエネルギー密度の関係を示す。トランジスタサイズの増大と共に、熱破壊に至るエネルギー密度は減少する。このことは、トランジスタサイズを２倍としても、素子破壊エネルギーは２倍とならないことを意味しており、放熱量は素子サイズに対して比例しないためである。この図において、トランジスタサイズを２倍としたときの、素子破壊エネルギーは１．６倍となる。
一方、図１に示す本実施例の回路構成のように、サージを吸収する素子を電磁コイル駆動用ＦＥＴ３とサージ吸収用ＦＥＴ１２に分けることにより、例えばＦＥＴ３とＦＥＴ１２の素子サイズを同一とすると、両トランジスタが破壊しないサージエネルギーの合計は単純に単独時の２倍とすることができる。このことによって、サージ吸収に必要な素子サイズの合計は図７の回路構成に比べて小さくすることができる。
図２Ａは、図１で説明した電磁コイル駆動装置における状態伝達回路１１を具体化した回路図を示す。また、図２Ｂは、本実施例の電磁コイル駆動装置における電圧、電流状態の時間推移を示す。
状態伝達回路１１は、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３のゲート入力信号（ＩＮ）で制御されるスイッチ１５で構成されており、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３のゲートとサージ吸収用ＦＥＴ１２のゲートに接続されている。
ゲート入力信号（ＩＮ）がＨｉｇｈ状態にあるときは、スイッチ１５は切断状態となり、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３のみがオン状態にある。一方、ゲート入力信号（ＩＮ）がＬｏｗ状態にあるときは、スイッチ１５は接続状態となる。
図２Ｂに示すように、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３がオン状態からオフ状態に移行すると、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３のドレイン電圧が上昇し、クランプ電圧以上になるとアクティブクランプ回路４に電流が流れる。この電流は抵抗素子５に流れて、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３のゲート電圧が上昇し電磁コイル駆動用ＦＥＴ３がオン状態となる。この結果、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３にドレイン電流が流れて、電磁コイル２に蓄積されたエネルギーが電磁コイル駆動用ＦＥＴ３により消費される。
このとき、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３のゲートはサージ吸収用ＦＥＴ１２のゲートと接続状態にあるため、サージ吸収用ＦＥＴ１２も同時にオン状態となる。この結果、サージ吸収用ＦＥＴ１２にもドレイン電流が流れて、電磁コイル２に蓄積されたエネルギーがサージ吸収用ＦＥＴ１２により消費される。
サージ電流は時間と共に単調減少する。この間、ゲート入力信号（ＩＮ）はＬｏｗ状態であるため、スイッチ１５は接続状態にあり、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３、サージ吸収用ＦＥＴ１２の各ゲート電圧は時間と共に減少する。
電磁コイル駆動用ＦＥＴ３とサージ吸収用ＦＥＴ１２は一般に同一の半導体基板に形成され、半導体基板上で電気的に接続されている。電磁コイル駆動用ＦＥＴ３とサージ吸収用ＦＥＴ１２はサージエネルギーを消費する際に発熱するため、互いに熱的な干渉ができるだけないように、一定の距離を離して配置することが望ましい。
以上説明したように、本実施例の半導体集積回路装置および電磁コイル駆動装置によれば、電磁コイルを駆動するスイッチング素子がオン状態からオフ状態に移行する際に発生する電磁コイルのインダクタンスに起因するサージエネルギーをスイッチング素子自身で吸収すると共に、スイッチング素子に接続されたサージ保護回路で吸収するため、サージエネルギーに制約を受けることなく、電磁コイル駆動に必要なオン抵抗を満たすようにスイッチング素子（半導体集積回路装置）を小型化することができる。
また、サージエネルギーをスイッチング素子とサージ保護回路におけるサージ吸収素子の両方で吸収するために、スイッチング素子またはサージ保護回路の単独で吸収させた従来技術と比べて、サージを吸収する素子の面積あたりの放熱性を高めることができるために、スイッチング素子とサージ保護回路を同一基板上に搭載したスイッチング素子（半導体集積回路装置）を小型化することができる。
図３Ａおよび図３Ｂを参照して、本発明の第２の実施形態の半導体集積回路装置および電磁コイル駆動装置について説明する。なお、以下では、主に実施例１との相違点について説明する。
本実施例では、複数の電磁コイル１（２ａ），電磁コイル２（２ｂ）のそれぞれを駆動する複数の電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）を備えている。電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）のドレインは複数のダイオード（１６ａ，１６ｂ）のアノードにそれぞれ接続され、複数のダイオード（１６ａ，１６ｂ）のカソードは互いに接続されるとともに、サージエネルギーを吸収するサージ吸収用ＦＥＴ１２と抵抗素子１４からなるサージ保護回路１０に接続されている。つまり、複数の電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）の各々は、複数のダイオード（１６ａ，１６ｂ）を介して、共通する１つのサージ保護回路１０に接続されている
電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）のゲート、ドレイン間には、アクティブクランプ回路（４ａ，４ｂ）がそれぞれ接続され、電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）のゲートとサージ吸収用ＦＥＴ１２のゲートは、状態伝達回路１１を介して接続されている。
電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）のゲート、ドレイン間には、アクティブクランプ回路（４ａ，４ｂ）がそれぞれ接続され、電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）のゲートとサージ吸収用ＦＥＴ１２のゲートは、状態伝達回路１１を介して接続されている。
状態伝達回路１１は電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）を制御する制御信号（ＩＮ１，ＩＮ２）で制御されるスイッチ（１５ａ，１５ｂ）で構成され、制御信号（ＩＮ１，ＩＮ２）がＨｉｇｈ状態のときはそれぞれオフ状態となり、制御信号（ＩＮ１，ＩＮ２）がＬｏｗ状態のときはそれぞれオン状態となる。
このため、電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）がオン状態にあるときは、電磁コイル１（２ａ）、２（２ｂ）に電流が流れる。一方、スイッチ（１５ａ，１５ｂ）はオフ状態となり、サージ吸収用ＦＥＴ１２はオフ状態にある。
図３Ｂに示すように、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３ａがオン状態からオフ状態に移行すると、電磁コイル１（２ａ）に蓄えられたエネルギーによって、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３ａのドレイン電圧が上昇し、クランプ電圧（Ｖｃｐ）以上になると、アクティブクランプ回路４ａに電流が流れる。この電流は、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３ａのゲートに接続された抵抗素子５ａに流れて、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３ａがオン状態となりドレイン電流が流れる。この結果、サージエネルギーが電磁コイル駆動用ＦＥＴ３ａで消費される。
このとき、スイッチ１５ａはオン状態にあるため、サージ吸収用ＦＥＴ１２のゲートと電磁コイル駆動用ＦＥＴ３ａのゲートが接続状態にある。この結果、サージ吸収用ＦＥＴ１２はオン状態となりドレイン電流が流れて、サージエネルギーがサージ吸収用ＦＥＴ１２においても消費される。
電磁コイル駆動用ＦＥＴ３ａ、サージ吸収用ＦＥＴ１２のドレイン電流は時間と共に単調に減少して０となると、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３ａのドレイン電圧は電源電圧ＶＢとなり、サージ吸収用ＦＥＴ１２のドレイン電圧はＶＢ－Ｖｆとなる。
ここで、図３Ａに示すように、電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）のドレインに複数のダイオード（１６ａ，１６ｂ）が設けられているため複数の電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）のドレイン電圧を互いに独立させることができる。
また、ダイオード（１６ａ，１６ｂ）を設けているため、電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）のいずれか１つのＦＥＴがサージエネルギー吸収状態にあるときに、サージ吸収用ＦＥＴ１２はオン状態となって、サージエネルギー吸収状態となる。
ここで、複数の電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）が同時にオン状態からオフ状態に移行して、複数の電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）がサージエネルギー吸収状態になることが無い電磁コイルの制御条件である場合、サージ吸収用ＦＥＴ１２の素子サイズは、１つの電磁コイルに蓄えられたエネルギーを吸収するサイズでよくなるため、スイッチング素子（半導体集積回路装置）の小型化が可能となる。
さらに、複数のスイッチング素子を搭載した半導体集積回路装置において、サージ保護回路を共有化することにより、サージ保護回路におけるサージ吸収素子のサイズを小型化できるため、複数のスイッチング素子とサージ保護回路を同一基板上に搭載したスイッチング素子（半導体集積回路装置）を小型化することができる。
図４Ａおよび図４Ｂを参照して、本発明の第３の実施形態の半導体集積回路装置および電磁コイル駆動装置について説明する。なお、以下では、主に実施例２との相違点について説明する。
本実施例では、電磁コイル駆動装置１において、状態伝達回路１１は電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）の入力信号（ＩＮ１，ＩＮ２）を必要としない。状態伝達回路１１はアクティブクランプ回路（４ａ，４ｂ）および電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）のゲートと接続され、サージ保護回路１０に接続される。
また、状態伝達回路１１は、抵抗素子（１８ａ，１８ｂ）、ＰＭＯＳＦＥＴ（１７ａ，１７ｂ）およびダイオード（２１ａ，２１ｂ）で構成される。
また、サージ保護回路１０は、サージ吸収用ＦＥＴ１２と抵抗素子（１９，２０）で構成される。
図４Ｂに示すように、電磁コイル１（２ａ）を駆動する電磁コイル駆動用ＦＥＴ３ａがオン状態からオフ状態に移行すると、電磁コイル１（２ａ）に蓄えられたエネルギーにより、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３ａのドレイン電圧が上昇し、クランプ電圧（Ｖｃｐ）以上となると、アクティブクランプ回路４ａと、抵抗素子１８ａに電流が流れる。これにより、ＰＭＯＳＦＥＴ１７ａとダイオード２１ａに電流が流れる。この電流はサージ保護回路１０の抵抗素子（１９，２０）に流れて、サージ吸収用ＦＥＴ１２のゲート電圧が上昇するため、サージ吸収用ＦＥＴ１２がオン状態となる。この結果、サージ吸収用ＦＥＴ１２のドレイン電流が流れて、サージエネルギーがサージ吸収用ＦＥＴ１２においても消費される。
図５Ａおよび図５Ｂを参照して、本発明の第４の実施形態の半導体集積回路装置および電磁コイル駆動装置について説明する。
本実施例の電磁コイル駆動装置１は、電磁コイル１（２ａ），電磁コイル２（２ｂ）を駆動する電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）と、電磁コイル１（２ａ），電磁コイル２（２ｂ）の各ドレインに接続されたダイオード（１６ａ，１６ｂ）と各ゲート－ソース間に接続された抵抗素子（５ａ，５ｂ）とドレインに接続された状態伝達回路１１と、状態伝達回路１１に接続されたサージ保護回路１０で構成される。
サージ保護回路１０は、サージ吸収用ＦＥＴ１２とゲート－ドレイン間に接続されたアクティブクランプ回路２４と、サージ吸収用ＦＥＴ１２のゲート－ソース間に接続された抵抗素子２５で構成される。
状態伝達回路１１は、電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）のゲート入力信号（ＩＮ１，ＩＮ２）を入力信号とし、サージ吸収用ＦＥＴ１２と電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）を接続するスイッチ（２３ａ，２３ｂ）を制御する遅延制御回路（２２ａ，２２ｂ）を備えている。遅延制御回路（２２ａ，２２ｂ）は、複数の電磁コイル駆動用ＦＥＴ（３ａ，３ｂ）の各ゲート入力信号（ＩＮ１，ＩＮ２）に基づいてスイッチ（２３ａ，２３ｂ）の各々の接続タイミングを制御する。
図５Ｂに示すように、電磁コイル１（２ａ）を駆動する電磁コイル駆動用ＦＥＴ３ａがオン状態からオフ状態に移行したとき、電磁コイル１（２ａ）に蓄積されたエネルギーにより電磁コイル駆動用ＦＥＴ３ａのドレイン電圧が上昇する。この結果、サージ吸収用ＦＥＴ１２のドレイン電圧も上昇し、クランプ電圧（Ｖｃｐ－Ｖｆ）以上となると、アクティブクランプ回路２４に電流が流れる。この電流は抵抗素子２５に流れるため、サージ吸収用ＦＥＴ１２のゲート電圧が上昇して、サージ吸収用ＦＥＴ１２はオン状態となる。この結果、サージ吸収用ＦＥＴ１２にドレイン電流が流れて、サージエネルギーが消費される。
一方、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３ａがオン状態からオフ状態に移行した後、スイッチ２３ａは一定期間の間、接続状態となっているため、サージ吸収用ＦＥＴ１２のゲートと電磁コイル駆動用ＦＥＴ３ａのゲートは接続される。この結果、電磁コイル駆動用ＦＥＴ３ａはサージ吸収用ＦＥＴ１２と同様にオン状態となって、電磁コイル１（２ａ）からのサージエネルギーが電磁コイル駆動用ＦＥＴ３ａにおいても消費される。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１…電磁コイル駆動装置、２，２ａ，２ｂ…電磁コイル、３，３ａ，３ｂ…電磁コイル駆動用ＦＥＴ、４，４ａ，４ｂ…アクティブクランプ回路、５，５ａ，５ｂ…抵抗素子、６，６ａ，６ｂ…バッファ回路、７，７ａ，７ｂ…ダイオード、８，８ａ，８ｂ…ツェナーダイオード、９，９ａ，９ｂ…ツェナーダイオード、１０…サージ保護回路、１１…状態伝達回路、１２…サージ吸収用ＦＥＴ、１３…電源、１４…抵抗素子、１５，１５ａ，１５ｂ…スイッチ、１６ａ，１６ｂ…ダイオード、１７ａ，１７ｂ…ＰＭＯＳＦＥＴ、１８ａ，１８ｂ…抵抗素子、１９…抵抗素子、２０…抵抗素子、２１ａ，２１ｂ…ダイオード、２２ａ、２２ｂ…遅延制御回路、２３ａ，２３ｂ…スイッチ、２４…アクティブクランプ回路、２５…抵抗素子、２６…制御部、２７ａ，２７ｂ…電磁コイル駆動用ＦＥＴ、２８ａ，２８ｂ…ダイオード、２９…サージ吸収素子（ツェナーダイオード）、３１ａ，３１ｂ…電磁コイル駆動用ＦＥＴ、３２ａ，３２ｂ…アクティブクランプ回路、３３ａ，３３ｂ…抵抗素子、３４…制御部。
Claims (13)
- 電磁コイルを駆動するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子がオン状態からオフ状態に移行したときに発生するサージエネルギーを吸収するように接続されたサージ保護回路を備えた電磁コイル駆動装置において、
前記スイッチング素子は、前記サージエネルギーを吸収する機能を有していて、
前記スイッチング素子と前記サージ保護回路は共に前記サージエネルギーを吸収することを特徴とする電磁コイル駆動装置。 - 前記スイッチング素子がオン状態からオフ状態に移行したときに発生するサージエネルギーを前記スイッチング素子が吸収する状態にあることを伝達する状態伝達回路を備え、
前記状態伝達回路が前記サージ保護回路に接続されていて、
前記状態伝達回路の出力信号を受けて、前記サージ保護回路は前記スイッチング素子と共に前記サージエネルギーを吸収することを特徴とする請求項１に記載の電磁コイル駆動装置。 - 前記スイッチング素子がオン状態からオフ状態に移行したときに発生するサージエネルギーを前記スイッチング素子が吸収する状態にあることを伝達する状態伝達回路を備え、
前記状態伝達回路が前記スイッチング素子に接続されていて、
前記状態伝達回路の出力信号を受けて、前記サージエネルギーが発生した電磁コイルに接続された前記スイッチング素子がオン状態となって、前記サージ保護回路は前記スイッチング素子と共に前記サージエネルギーを吸収することを特徴とする請求項１に記載の電磁コイル駆動装置。 - 前記スイッチング素子を複数備え、
前記複数のスイッチング素子の各々にダイオードが接続されていて、
前記ダイオードを介して、前記複数のスイッチング素子が共通する１つのサージ保護回路に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電磁コイル駆動装置。 - 前記複数のスイッチング素子の各々は、当該複数のスイッチング素子が接続される電磁コイルからのサージエネルギーを同時に吸収する状態にならないように制御されることを特徴とする請求項４に記載の電磁コイル駆動装置。
- 前記スイッチング素子、前記サージ保護回路、前記状態伝達回路は同一の半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の電磁コイル駆動装置。
- 前記スイッチング素子および前記サージ保護回路は、前記スイッチング素子が接続される電磁コイルのサージエネルギーを吸収する状態にあるとき、互いに熱干渉を生じないように所定の距離を有して配置されていることを特徴とする請求項６に記載の電磁コイル駆動装置。
- 電磁コイルに接続され、当該電磁コイルを駆動するスイッチング素子と、
前記電磁コイルに対し前記スイッチング素子と並列に接続されるサージ保護回路と、
前記スイッチング素子および前記サージ保護回路に接続され、前記スイッチング素子のオン状態からオフ状態への移行時に発生するサージエネルギーを前記スイッチング素子が吸収する状態にあることを伝達する状態伝達回路と、
を備えることを特徴とする半導体集積回路装置。 - 前記状態伝達回路は、前記スイッチング素子のゲート入力信号で制御されるスイッチを有することを特徴とする請求項８に記載の半導体集積回路装置。
- 前記スイッチング素子を複数備え、
前記複数のスイッチング素子の各々は、複数のダイオードを介して共通する１つの前記サージ保護回路と並列に接続されることを特徴とする請求項８に記載の半導体集積回路装置。 - 前記状態伝達回路は、前記複数のスイッチング素子の各々のゲート入力信号で制御される複数のスイッチを有することを特徴とする請求項１０に記載の半導体集積回路装置。
- 前記状態伝達回路は、複数の抵抗素子と、複数のＰＭＯＳＦＥＴと、複数のダイオードを有することを特徴とする請求項１０に記載の半導体集積回路装置。
- 前記状態伝達回路は、前記複数のスイッチング素子のゲート入力信号に基づいて前記複数のスイッチの各々の接続タイミングを制御する遅延制御回路を有することを特徴とする請求項１１に記載の半導体集積回路装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 19820382 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 19820382 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |