特許 5776216 電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5776216

(24)【登録日】2015年7月17日

(45)【発行日】2015年9月9日

(54)【発明の名称】電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置

(51)【国際特許分類】

   F02P 3/045 20060101AFI20150820BHJP

   F02P 3/05 20060101ALI20150820BHJP

【ＦＩ】

   F02P3/045 301A

   F02P3/05 E

【請求項の数】7

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2011-34463(P2011-34463)

(22)【出願日】2011年2月21日

(65)【公開番号】特開2012-172572(P2012-172572A)

(43)【公開日】2012年9月10日

【審査請求日】2014年1月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100150441

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 洋一

(72)【発明者】

【氏名】宮沢 繁美

【審査官】 寺川 ゆりか

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−００４９９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０３６８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３５１２６３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｐ １／００ − ３／１２

Ｆ０２Ｐ ７／００ − １７／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

点火信号に応じて点火コイルの一次コイルに流れる一次電流のオン・オフを制御する絶縁ゲート型トランジスタと、前記一次電流の電流値を制御する電流制御回路と、少なくとも前記一次電流値が予め設定された定格電流値を超える過電流状態を含む異常状態を検知すると前記一次電流を遮断する自己遮断回路部と、を有する半導体装置であって、
前記自己遮断回路部が前記異常状態を検知すると、前記定格電流を前記一次電流に等しい電流値にしてから漸減させ、前記一次電流を前記定格電流により規制して減少させることを特徴とする電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置。

【請求項2】

前記半導体装置は、コンデンサの一端の電圧に前記定格電流を電圧に換算した基準電圧を生成する前記自己遮断回路部を有し、前記一次電流を電圧に換算したセンス電圧を検出して該センス電圧が前記基準電圧より大きいと該センス電圧が前記基準電圧に等しくなるよう前記一次電流の制御行い、
前記自己遮断回路部が前記異常状態を検知すると、前記センス電圧と前記コンデンサの一端を短時間だけ短絡させることを特徴とする請求項１に記載の電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置。

【請求項3】

前記センス電圧と前記コンデンサの一端を短絡させた後に、前記コンデンサを前記センス電圧から開放するとともに電流源により前記コンデンサを放電させることを特徴とする請求項２に記載の電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置。

【請求項4】

点火信号に応じて点火コイルの一次コイルに流れる一次電流のオン・オフを制御する絶縁ゲート型トランジスタと、前記一次電流の電流値を制御する電流制御回路と、を有する半導体装置であって、
前記電流制御回路は、前記一次電流を電圧に換算したセンス電圧を検出するセンス電圧検出部と、予め設定された定格電流を電圧に換算した基準電圧を生成する基準電圧回路部と、前記センス電圧と前記基準電圧の差電圧を検出して前記センス電圧が前記基準電圧より大きいと前記絶縁ゲート型トランジスタのゲート電圧を制御して前記一次電流が前記定格電流に等しくなるように制御するゲート電圧制御部と、少なくとも前記一次電流値が前記定格電流を超える過電流状態を含む異常状態を検知すると前記一次電流を遮断する自己遮断回路部と、前記自己遮断回路部が前記異常状態を検知すると短時間のパルス信号を生成するパルス発生回路と、前記パルス信号によりオン・オフが制御されるスイッチ回路と、を備え、
前記異常状態が発生すると、前記パルス信号により前記スイッチ回路が短時間だけ導通して前記基準電圧を前記センス電圧に等しくなるようにしてから漸減させ、前記一次電流を前記基準電圧により規制して減少させることを特徴とする電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置。

【請求項5】

前記スイッチ回路は、ＭＯＳＦＥＴで構成されることを特徴とする請求項４に記載の電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置。

【請求項6】

前記パルス発生回路は、前記自己遮断回路部が前記異常状態を検知したことを知らせる自己遮断信号を、抵抗とコンデンサで構成される積分回路とインバータの駆動電圧に供給し、前記積分回路の出力を前記インバータに入力することにより短時間のパルス信号を発生させることを特徴とする請求項４に記載の電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置。

【請求項7】

前記絶縁ゲート型トランジスタの代りに、ＭＯＳＦＥＴまたはバイポーラトランジスタを用いることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、自動車の内燃機関点火装置に用いられる半導体装置に関し、特に、電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車用内燃機関の点火装置には、点火コイルの一次側電流をスイッチング制御するパワー半導体素子を内蔵した半導体装置が用いられている。図２に、パワー半導体素子として絶縁ゲート型トランジスタ（以下、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)という。）を使用した、従来の内燃機関の点火用半導体装置の構成例を示す。図２は、本出願人が本願に先行して出願した点火用半導体装置の構成例である。（特許文献１）
図２に示した点火用半導体装置は、エンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵ(Electronic control unit)という。）１と、点火用半導体集積回路（以下、点火用ＩＣ(Integrated Circuit)という。）２と、点火コイル７と、電圧源１０と、点火プラグ１１と、から構成されている。

【0003】

点火用ＩＣ２は、点火コイルの一次電流をオン（短絡）・オフ（開放）制御する出力段ＩＧＢＴ４と、その出力段ＩＧＢＴ４のコレクタ電流、すなわち、点火コイル７の一次電流を制御する電流制御回路３から構成されている。

【0004】

また、電圧源１０は一定電圧（例えば１４Ｖ）であり、電圧源１０は点火コイル７の一次コイル８に接続される。一次コイル８の別端子は点火用ＩＣ２のＣ端子（コレクタ電極）に接続され、点火用ＩＣ２のＥ端子（エミッタ電極）は接地電位（以下、ＧＮＤという。）に、Ｇ端子（ゲート電極）はＥＣＵ１に接続されている。

【0005】

ここで、図２に示した点火用半導体装置の動作について説明する。ＥＣＵ１は、点火用ＩＣ２の出力段ＩＧＢＴ４のオンとオフを制御する信号を、点火用ＩＣ２のＧ端子に出力する。例えば、Ｇ端子に５Ｖが出力されると、点火用ＩＣ２の出力段ＩＧＢＴ４がオンし、Ｇ端子に０Ｖが出力されると、点火用ＩＣ２の出力段ＩＧＢＴ４がオフする。

【0006】

先ず、ＥＣＵ１からＧ端子にオン信号が出力されると、点火用ＩＣ２の出力段ＩＧＢＴ４はオンし、電圧源１０から点火コイル７の一次コイル８を介して、点火用ＩＣ２のＣ端子にコレクタ電流（以下、Ｉｃという。）が流れ始める。このＩｃは一次コイル８のインダクタンスと一次コイル８に印加される電圧でｄＩ／ｄｔが決定され、電流制御回路３で制御される一定電流値（例えば２０Ａ）まで増加するとこの電流値を維持する。

【0007】

次に、ＥＣＵ１からオフ信号がＧ端子に出力されると、点火用ＩＣ２の出力段ＩＧＢＴ４はオフし、Ｉｃは急激に減少する。この急激なＩｃの変化により、一次コイル８の両端電圧は急激に大きくなる。同時に、二次コイル９の両端電圧も数１０ｋＶ（例えば３０ｋＶ）まで増加し、その電圧が点火プラグ１１に印加される。点火プラグ１１は、印加電圧が約１０ｋＶ以上で放電する。

【0008】

また、ＥＣＵ１から出力されたオン信号が所定時間より長い（例えば１０ｍｓｅｃ以上）、あるいは、ＩＣ２の温度が規定値より高い（例えば１８０℃以上）等、点火コイル７やＩＣ２に焼損等の故障が発生する恐れのある異常状態の場合は、タイマー回路あるいは温度検知回路等の手段を用いた自己遮断信号源１５で生成される自己遮断信号Ｖｓｄを発信し、自己遮断回路１６が動作しＩｃを遮断する。

【0009】

しかし、このような電流制御機能や自己遮断機能によりＩｃを急激に遮断するとＩｃに振動を発生させ、点火プラグの誤点火を引き起こし、エンジンにダメージを与えるという問題点がある。このＩｃの振動による誤点火の問題の解決策として、Ｉｃを緩減する技術が知られており、特許文献２では、ソフトシャットオフ回路を設け緩減時間を設定する方法が開示されている。また、特許文献３では、ダイオードとコンデンサによる積分回路を設けＩｃの緩減時間を設定する方法が開示されている。

【0010】

一方、図２に示した点火用半導体装置は、点火用ＩＣ２の出力段ＩＧＢＴ４を後で説明するゲート制御回路１９で制御することにより、点火プラグ１１が誤放電しないような範囲でＩｃの緩減（ｄＩ／ｄｔ（例えば−１Ａ／ｍｓｅｃ））を実現している。

【0011】

次に、図２に示した点火用ＩＣ２の電流制御回路３の回路構成について説明する。電流制御回路３は、Ｇ端子とＥ端子間の電圧で駆動され、センスＩＧＢＴ５と、センス抵抗６と、ゲート抵抗１２と、基準電圧源１３と、レベルシフト回路１４と、自己遮断信号源１５と、自己遮断回路１６と、オペアンプ１７と、ＭＯＳＦＥＴ（(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)以下、ＭＯＳという。）１８と、ゲート制御回路１９と、から構成されている。

【0012】

センスＩＧＢＴ５のコレクタは出力段ＩＧＢＴ４のコレクタと共通に接続され、ゲートはゲート制御回路１９により制御され、エミッタはセンス抵抗６が直列接続されている。このセンスＩＧＢＴ５とセンス抵抗６により、センス抵抗６に流れる電流（センス電流）を電圧に変換し、Ｉｃに比例した電流値を電圧値に換算したセンス電圧源Ｖｓを生成する。そして、このセンス電圧源Ｖｓを基準電圧源１３に予め設定された電圧値と等しくなるようにオペアンプ１７はＭＯＳ１８のゲート電圧を制御し、ゲート抵抗１２およびゲート制御回路１９を介して出力段ＩＧＢＴ４およびセンスＩＧＢＴ５のゲート電圧を制御しＩｃを規定電流値に制御する。

【0013】

図３に基準電圧源１３の回路構成例を示す。基準電圧源１３は、ＤｅｐＭＯＳＦＥＴ（(Depression Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)以下、ＤｅｐＭＯＳという。）２２とＭＯＳ２３がゲートを共通にして直列接続されるバイアス回路で生成される電圧を、抵抗２４と抵抗２５の分圧回路にて所定の電圧に分圧し、基準電圧源Ｖｒを生成する。この基準電圧源Ｖｒの設定電圧により、Ｉｃの定格電流を制御する。

【0014】

図４にレベルシフト回路１４の回路構成例を示す。レベルシフト回路１４は、ＤｅｐＭＯＳ２６とＭＯＳ２７がゲートを共通にして直列接続されるバイアス回路と、ＭＯＳ２７とカレントミラー回路を構成するＭＯＳ２９と、ＭＯＳ２９と直列接続されるＤｅｐＭＯＳ２８とで構成され、入力信号（基準電圧源Ｖｒまたはセンス電圧源Ｖｓ）によりＤｅｐＭＯＳ２８のゲート電圧を制御し、所定の電圧値にレベルシフトした出力信号（基準電圧Ｖｒｅｆまたはセンス電圧Ｖｓｎｓ）を生成し出力する。

【0015】

図５に自己遮断回路１６の回路構成例を示す。自己遮断回路１６は、ＤｅｐＭＯＳ３０とＭＯＳ３１がゲートを共通にして直列接続されるバイアス回路と、ＭＯＳ３１とカレントミラー回路を構成するＭＯＳ３４と、ＭＯＳ３４と直列接続されるＭＯＳ３３と、インバータ３２と、コンデンサ３５で構成される。ＭＯＳ３３は、自己遮断信号源１５で生成される自己遮断信号Ｖｓｄでオン・オフが制御され、通常動作時はオンで異常時はオフとなる。また、ＭＯＳ３３のオン抵抗をＭＯＳ３４のオン抵抗に比べ十分小さく設定することで、通常動作時は基準電圧Ｖｒｅｆ（基準電圧源Ｖｒがレベルシフトされた電圧）がコンデンサ３５に充電されてそのまま出力し、異常時はコンデンサ３５に充電された基準電圧ＶｒｅｆがＭＯＳ３４を介してＧＮＤに放電することにより出力電圧をＶｒｅｆから０Ｖへ徐々に低下させる。

【0016】

オペアンプ１７は、レベルシフト回路１４を介して各々レベルシフトされた基準電圧Ｖｒｅｆとセンス電圧Ｖｓｎｓの差電圧を検出し、検出結果によりＭＯＳ１８のゲート電圧を制御する。すなわち、基準電圧Ｖｒｅｆ＞センス電圧Ｖｓｎｓの場合は、ＭＯＳ１８はオフとなり、基準電圧Ｖｒｅｆ＜センス電圧Ｖｓｎｓの場合は、ＭＯＳ１８はオンとなり、ゲート電圧によりＭＯＳ１８のオン抵抗が制御される。

【0017】

図６に示したゲート制御回路１９は、本出願人が特許文献１にて開示した回路構成例であり、Ｇ端子に接続するゲート抵抗１２とＭＯＳ１８のオン・オフで確定する電圧とＥ端子間で駆動される。出力段ＩＧＢＴ４のゲート電圧ＶＧｏｕｔは、抵抗４１と抵抗４２の抵抗分圧回路の分圧電圧により制御される。また、センスＩＧＢＴ５のゲート電圧ＶＧｓｎｓは、抵抗３６と抵抗３７の抵抗分圧回路の分圧電圧によりゲートが駆動されるＭＯＳ４０と抵抗３８と抵抗３９からなる可変抵抗回路を備え、ＭＯＳ４０のオン抵抗を制御することで抵抗３８と抵抗３９の分圧電圧を可変して制御される。

【0018】

このゲート制御回路１９は、基準電圧Ｖｒｅｆとセンス電圧Ｖｓｎｓとの差電圧の検出結果を受け、出力段ＩＧＢＴ４のゲート電圧ＶＧｏｕｔとセンスＩＧＢＴ５のゲート電圧ＶＧｓｎｓに電圧差（オフセット）を設け、電流制御時や自己遮断時のコレクタ電流の振動を抑制し、点火プラグの誤点火を防止することを目的としている。

【0019】

次に、図２に示した点火用半導体装置の動作波形について図９を用いて説明する。図９（Ａ）は、Ｉｃが電流制限値Ｉｌｉｍに達した後に自己遮断動作する場合を示している。ＥＣＵ１よりオン信号（例えば５Ｖ）が入力されるとセンス電圧Ｖｓｎｓ（センス電圧源Ｖｓをレベルシフト回路１４で昇圧した電圧）が上昇し、基準電圧Ｖｒｅｆ（基準電圧源１３のセンス電圧源Ｖｒをレベルシフト回路１４で昇圧した電圧）に達すると、ＭＯＳ１８がオンして出力段ＩＧＢＴ４のゲート電圧ＶＧｏｕｔが低下し、オペアンプ１７によりＶｒｅｆ＝Ｖｓｎｓになるように制御される（ｔ１）。次に、自己遮断信号源１５から自己遮断信号Ｖｓｄが出力されると、自己遮断回路１６により基準電圧Ｖｒｅｆが徐々に低下し、Ｖｒｅｆ＝Ｖｓｎｓを保持するようにＶＧｏｕｔも低下していく（ｔ２）。そして、ＶＧｏｕｔ＝Ｖｔｈ（ＩＧＢＴ４のしきい値電圧、例えば２Ｖ）に達するとＩｃは完全に遮断する（ｔ３）。

【0020】

ここで、センス電圧Ｖｓｎｓはレベルシフト回路１４により設定した電圧（例えば０．５Ｖ）以下にはならないが、基準電圧Ｖｒｅｆは０Ｖ程度まで下がるためＶＧｏｕｔはＶｔｈより十分小さくしてＩｃを完全に遮断する。なお、レベルシフト回路１４は、Ｉｃ＝０の場合でもＶｓｎｓ＞Ｖｒｅｆ＞０の関係を維持するために設置されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0021】

【特許文献1】特願２０１０−１７８３１７号

【特許文献2】特開２００８−４５５１４号公報

【特許文献3】特開２００６−３７８２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0022】

図２に示した点火用半導体装置において、通常の動作条件を電流制御の設定値Ｉｌｉｍ＝２０Ａ、電圧源１０の駆動電圧Ｖｂ＝１４Ｖ、一次コイル８の抵抗と配線抵抗を合算した負荷抵抗ＲＬ＝０．６Ωに設定していて、駆動電圧Ｖｂが低い場合（例えば１２Ｖ）や負荷抵抗ＲＬが大きい場合（例えば０．７Ω）の動作波形を、図９（Ｂ）に示す。ＥＣＵ１よりオン信号（例えば５Ｖ）が入力されるとセンス電圧Ｖｓｎｓは上昇するが、基準電圧Ｖｒｅｆまでは上昇せずに一定電圧値を保つ（ｔ４）。この場合Ｉｃ＝（Ｖｂ−Ｖｃ）／ＲＬとなる（Ｖｃはコレクタ電圧）。次に、自己遮断信号源１５から自己遮断信号Ｖｓｄが出力されると（ｔ５）、自己遮断回路１６により基準電圧Ｖｒｅｆが徐々に低下を開始し、Ｖｒｅｆ＝Ｖｓｎｓとなった直後（ｔ６）にＶＧｏｕｔが急激に低下し、その後はＶｒｅｆ＝Ｖｓｎｓを保持するようにＶＧｏｕｔも低下していく。

【0023】

タイマーにより自己遮断動作をする場合、自己遮断信号源１５のタイマー回路で正確に自己遮断信号Ｖｓｄを出力しても、Ｉｃが低下し始めるまでには遅延時間（ｔ６−ｔ５）が発生してしまう。すなわち、見掛けのタイマー時間は、駆動電圧Ｖｂや負荷抵抗ＲＬなどの使用条件によって変化してしまうという問題がある。

【0024】

ここで、出力段ＩＧＢＴ４の拡散電位Ｖｂｉ＝０．６Ｖ、オン抵抗Ｒｏｎ＝０．０７Ω、緩減速度ｄＩ／ｄｔ＝−１Ａ／ｍｓｅｃの条件での遅延時間の駆動電圧Ｖｂの依存性を図８（Ａ）、負荷抵抗ＲＬの依存性を図８（Ｂ）に示す。点火用半導体装置の汎用性を考えると広範囲な動作条件に対応できる必要があり、自己遮断動作時の遅延時間（ｔ６−ｔ５）も一定であることが望ましい。しかし、タイマー時間を１０ｍｓｅｃに設定した場合、動作条件によって遅延時間が２倍程度まで延びてしまう場合がある。また、自己発熱など動作温度により自己遮断する場合、自己遮断信号源１５の温度検知回路で自己遮断信号Ｖｓｄを出力しても、Ｉｃが低下し始めるまでには遅延時間（ｔ６−ｔ５）が発生してしまう。この場合、Ｉｃが低下し始めるまで動作温度は上昇し続けるため、自己遮断信号Ｖｓｄが出力された場合は直ちにＩｃを低下する動作が望ましい。

【0025】

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、
電流制御機能や自己遮断機能を備えた点火用半導体装置において、電流制御機能や自己遮断機能が動作した場合のＩｃの緩減対策とともに、駆動電圧Ｖｂや負荷抵抗ＲＬが変動しても一定の時間で自己遮断する点火用半導体装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0026】

上述した課題を解決するため、本発明の電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置は、パルス発生回路とスイッチ回路を備え、自己遮断信号Ｖｓｄの出力直後の短時間だけスイッチ回路を短絡させ、基準電圧Ｖｒｅｆ＝センス電圧Ｖｓｎｓとしてからスイッチ回路を開放する構成とする。

【0027】

すなわち、本発明の電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置は、点火信号に応じて点火コイルの一次コイルに流れる一次電流のオン・オフを制御する絶縁ゲート型トランジスタと、前記一次電流の電流値を制御する電流制御回路と、少なくとも前記一次電流値が予め設定された定格電流値を超える過電流状態を含む異常状態を検知すると前記一次電流を遮断する自己遮断回路部と、を有する半導体装置であって、前記自己遮断回路部が前記異常状態を検知すると、前記定格電流を前記一次電流に等しい電流値にしてから漸減させ、前記一次電流を前記定格電流により規制して減少させる設定することを特徴とする。

【0028】

また、本発明の電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置は、前記半導体装置は、コンデンサの一端の電圧に前記定格電流を電圧に換算した基準電圧を生成する前記自己遮断回路部を有し、前記一次電流を電圧に換算したセンス電圧を検出して該センス電圧が前記基準電圧より大きいと該センス電圧が前記基準電圧に等しくなるよう前記一次電流の制御行い、前記自己遮断回路部が前記異常状態を検知すると、前記センス電圧と前記コンデンサの一端を短時間だけ短絡させることを特徴とする。

【0029】

また、本発明の電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置は、前記センス電圧と前記コンデンサの一端を短絡させた後に、前記コンデンサを前記センス電圧から開放するとともに電流源により前記コンデンサを放電させることを特徴とする。

【0030】

また、本発明の電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置は、点火信号に応じて点火コイルの一次コイルに流れる一次電流のオン・オフを制御する絶縁ゲート型トランジスタと、前記一次電流の電流値を制御する電流制御回路と、を有する半導体装置であって、前記電流制御回路は、前記一次電流を電圧に換算したセンス電圧を検出するセンス電圧検出部と、予め設定された定格電流を電圧に換算した基準電圧を生成する基準電圧回路部と、前記センス電圧と前記基準電圧の差電圧を検出して前記センス電圧が前記基準電圧より大きいと前記絶縁ゲート型トランジスタのゲート電圧を制御して前記一次電流が前記定格電流に等しくなるように制御するゲート電圧制御部と、少なくとも前記一次電流値が前記定格電流を超える過電流状態を含む異常状態を検知すると前記一次電流を遮断する自己遮断回路部と、前記自己遮断回路部が前記異常状態を検知すると短時間のパルス信号を生成するパルス発生回路と、前記パルス信号によりオン・オフが制御されるスイッチ回路と、を備え、前記異常状態が発生すると、前記パルス信号により前記スイッチ回路が短時間だけ導通して前記基準電圧を前記センス電圧に等しくなるようにしてから漸減させ、前記一次電流を前記基準電圧により規制して減少させることを特徴とする。

【0031】

また、本発明の電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置は、前記スイッチ回路は、ＭＯＳＦＥＴで構成されることを特徴とする。
また、本発明の電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置は、前記パルス発生回路は、前記自己遮断回路部が前記異常状態を検知したことを知らせる自己遮断信号を、抵抗とコンデンサで構成される積分回路とインバータの駆動電圧に供給し、前記積分回路の出力を前記インバータに入力することにより短時間のパルス信号を発生させることを特徴とする。

【0032】

また、本発明の電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置は、前記絶縁ゲート型トランジスタの代りに、ＭＯＳＦＥＴまたはバイポーラトランジスタを用いることを特徴とする。

【発明の効果】

【0033】

本発明に係る電流制御機能および自己遮断機能を備えた点火用半導体装置は、パルス発生回路とスイッチ回路を備え、自己遮断信号Ｖｓｄの出力直後に短時間スイッチ回路を短絡させ、基準電圧Ｖｒｅｆ＝センス電圧Ｖｓｎｓとしてからスイッチ回路を開放する構成としたことにより、駆動電圧Ｖｂや負荷抵抗ＲＬが変動しても一定の時間で自己遮断する点火用半導体装置を実現できる。また、電流制御機能や自己遮断機能の動作時の点火コイルの誤点火も防止できるという効果も奏する。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】本発明に係る電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置の実施例を示す図である。

【図2】従来の電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置の構成例を示す図である。

【図3】本発明に係る基準電圧源１３の回路構成例を示す図である。

【図4】本発明に係るレベルシフト回路１４の回路構成例を示す図である。

【図5】本発明に係る自己遮断回路１６の回路構成例を示す図である。

【図6】本発明に係るゲートオフセット回路１９の回路構成例を示す図である。

【図7】本発明に係るパルス信号源２０の回路構成例を示す図である。

【図8】本発明に係る遅延時間特性を示す図である。

【図9】本発明に係る動作波形を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0035】

以下、本発明の実施形態に係る電流制御機能および自己遮断機能を備えた半導体装置について、図面を参照しながら説明する。

【実施例1】

【0036】

図１は、本発明の一実施例である電流制御機能および自己遮断機能を備えた点火用半導体装置の構成例である。図２に示した従来の点火用半導体装置の構成例と同じ部位には同じ符号を付して、詳細な説明は省略する。

【0037】

図１に示す点火用半導体装置は、ＥＣＵ１と、点火用ＩＣ２と、点火コイル７と、電圧源１０と、点火プラグ１１と、を備えている。
点火用ＩＣ２は、点火コイル７の一次電流をオン・オフ制御する出力段ＩＧＢＴ４と、点火コイル７の一次電流を制御する電流制御回路３と、を備え、点火コイル７と接続するＣ端子、ＧＮＤと接続するＥ端子、ＥＣＵ１と接続するＧ端子、の３端子を有している。

【0038】

電流制御回路３は、Ｇ端子とＥ端子間の電圧で駆動され、センスＩＧＢＴ５と、センス抵抗６と、ゲート抵抗１２と、基準電圧源１３と、レベルシフト回路１４と、自己遮断信号源１５と、自己遮断回路１６と、オペアンプ１７と、ＭＯＳ１８と、ゲート制御回路１９と、パルス発生回路２０と、スイッチ回路２１と、を備えている。この電流制御回路３の回路構成は、図２に示した従来の回路構成に対して、パルス発生回路２０と、スイッチ回路２１と、が追加された構成となっている。

【0039】

パルス発生回路２０の回路構成例を図７に示す。図７に示したパルス発生回路２０は、Ｇ端子とＥ端子間の電圧で駆動され、インバータ４３〜４４、４７、４８〜４９と、抵抗４５と、コンデンサ４６と、を備える。入力される自己遮断信号Ｖｓｄを、バッファ回路（インバータ４３〜４４）を介して抵抗４５とコンデンサ４６からなる積分回路とインバータ４７の駆動電源に供給する。そして、インバータ４７の駆動電圧の立ち上がりに対する入力信号の積分回路での遅延時間を利用して出力信号に短時間のパルス信号を生成し、バッファ回路（インバータ４８〜４９）を介してパルス信号Ｖｐを出力する。このパルス信号のパルス幅は積分回路の時定数とインバータ４７の論理しきい値で設定する。

【0040】

スイッチ回路２１は、一端を基準電圧Ｖｒｅｆに他端をセンス電圧Ｖｓｎｓに接続され、オン・オフをパルス発生回路２０の出力であるパルス信号Ｖｐで制御され、例えばＭＯＳのような半導体スイッチ回路で構成される。そして、自己遮断信号Ｖｓｄが出力されるとパルス信号Ｖｐが生成され短時間だけＭＯＳがオンとなり、センス電圧Ｖｓｎｓが基準電圧Ｖｒｅｆと短絡して等しい電圧値になる。

【0041】

尚、スイッチ回路２１の一端子または両端子とオペアンプ１７との間に、ボルテージフォロアを介挿した回路構成にしてもよい。

【0042】

次に、図１に示した点火用半導体装置の動作波形について図９を用いて説明する。図９（Ｃ）は、図９（Ｂ）に示した従来回路例と同様に、Ｉｃが電流制限値Ｉｌｉｍに達せずに自己遮断動作する場合を示している。

【0043】

先ず、ＥＣＵ１よりオン信号（例えば５Ｖ）が入力されるとセンス電圧Ｖｓｎｓは上昇するが、基準電圧Ｖｒｅｆまでは上昇せずに一定電圧値を保つ（ｔ４）。次に、自己遮断信号源１５から自己遮断信号Ｖｓｄが出力されると（ｔ５）、自己遮断動作を開始すると同時に短時間（例えば１０μｓｅｃ）の間パルス発生回路２０からパルス信号Ｖｐ（例えば５Ｖ）を出力し、スイッチ回路２１によりオペアンプ１７の＋入力端子（センス電圧Ｖｓｎｓ）と−入力端子（基準電圧Ｖｒｅｆ）を短絡する。この結果、基準電圧Ｖｒｅｆとセンス電圧Ｖｓｎｓは同一電位になるため、出力段ＩＧＢＴ４のゲート電位ＶＧｏｕｔは低下する。パルス信号Ｖｐが０Ｖになるとスイッチ回路２１は開放され、自己遮断回路１６により基準電圧ＶｒｅｆはＶｒｅｆ＝Ｖｓｎｓを保ちながら徐々に低下し、Ｉｃも減少する。そして、ＶＧｏｕｔ＝Ｖｔｈ（ＩＧＢＴ４のしきい値電圧）に達するとＩｃは完全に遮断する。

【0044】

すなわち、自己遮断信号Ｖｓｄが出力されて自己遮断動作が開始される（ｔ５）までは図９（Ｂ）と同一であるが、自己遮断動作が開始されると、従来回路では図９（Ｂ）に示すように、Ｖｒｅｆ＝Ｖｓｎｓとなるまでに遅延時間（ｔ６−ｔ５）が発生してしまう。一方、本実施例では図９（Ｃ）に示すように、自己遮断動作開始と同時にＶｒｅｆ＝Ｖｓｎｓを実現して遅延時間の発生はなくなる。

【0045】

以上説明したように、本発明に係る点火装置用の電流制限機能および自己遮断機能を備えた半導体装置は、電流制御回路３にパルス発生回路２０とスイッチ回路２１とを設け、自己遮断動作開示時に基準電圧Ｖｒｅｆとセンス電圧Ｖｓｎｓを短時間だけ短絡して同一電位とすることにより、自己遮断動作開始時の遅延時間をなくし、駆動電圧や負荷抵抗に依存しない自己遮断動作を実現できる。また、ゲート制御回路１９を設け、基準電圧Ｖｒｅｆとセンス電圧Ｖｓｎｓの大小により、出力段ＩＧＢＴ４とセンスＩＧＢＴ５のゲート電圧に電圧差（オフセット）を設けて制御することにより、自己遮断機能動作時などでのＩｃの振動発生を抑制して点火プラグの誤点火防止も実現できる。

【0046】

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良や変更が可能である。

【符号の説明】

【0047】

１ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
２ 点火用半導体集積回路（点火用ＩＣ）
３ 電流制御回路
４ 出力段ＩＧＢＴ
５ センスＩＧＢＴ
６ センス抵抗
７ 点火コイル
８ 一次コイル
９ 二次コイル
１０ 電圧源
１１ 点火プラグ
１２ ゲート抵抗
１３ 基準電圧源
１４ レベルシフト回路
１５ 自己遮断信号源
１６ 自己遮断回路
１７ オペアンプ
１８，２１，２３，２７，２９，３１，３３，３４，４０ ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ）
１９ ゲート制御回路
２０ パルス発生回路
２１ スイッチ回路
２２，２６，２８，３０ ＤｅｐＭＯＳＦＥＴ（ＤｅｐＭＯＳ）
２４，２５，３６，３７，３８，３９，４１，４２，４５ 抵抗
３２，４３，４４，４７，４８，４９ インバータ
３５，４６ コンデンサ
Ｃ コレクタ端子
Ｅ エミッタ端子
Ｇ ゲート端子
Ｉｃ コレクタ電流
Ｉｌｉｍ 電流制限値
ＲＬ 負荷抵抗
Ｒｏｎ オン抵抗
Ｖｂ 駆動電圧
Ｖｂｉ 拡散電位
ＶＧ ゲート端子の電圧
ＶＧｏｕｔ 出力段ＩＧＢＴのゲート電圧
ＶＧｓｎｓ センスＩＧＢＴのゲート電圧
Ｖｐ パルス信号
Ｖｒ 基準電圧源
Ｖｒｅｆ 基準電圧（Ｖｒをレベルシフトした電圧）
Ｖｓｄ 自己遮断信号
Ｖｓ センス電圧源
Ｖｓｎｓ センス電圧（Ｖｓをレベルシフトした電圧）
Ｖｔｈ しきい値電圧

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】