特許 6805622 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】6805622

(24)【登録日】2020年12月8日

(45)【発行日】2020年12月23日

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   F02P 3/055 20060101AFI20201214BHJP

【ＦＩ】

   F02P3/055 Z

【請求項の数】13

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2016-158608(P2016-158608)

(22)【出願日】2016年8月12日

(65)【公開番号】特開2018-25167(P2018-25167A)

(43)【公開日】2018年2月15日

【審査請求日】2019年7月12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】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】宮沢 繁美

【審査官】 北村 亮

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−１１５６３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１２７４４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１７７８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−３３１６２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２３８０２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３５８３３９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｐ ３／０５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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、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と、
制御端子と前記パワー半導体素子のゲートとの間において、前記制御端子から入力する制御信号を前記パワー半導体素子のゲートに供給するか否かを前記パワー半導体素子の遮断条件に応じて切り換える第１ゲート制御部と、
前記パワー半導体素子のゲートと基準電位の間に接続され、前記パワー半導体素子のゲートに充電された電荷を放電する放電回路と、
前記パワー半導体素子のコレクタ電流に応じて、前記パワー半導体素子の前記ゲート電位を制御する第２ゲート制御部と、
前記パワー半導体素子のコレクタ電位に応じて、前記パワー半導体素子のゲートに電荷を帰還させる帰還部と、
前記パワー半導体素子の遮断条件に応じて、前記第１端子から前記パワー半導体素子のゲートに流れる電流を遮断する電流遮断部と、
を備える半導体装置。

【請求項2】

前記帰還部は、前記パワー半導体素子のゲートから前記第１端子側へと逆流する電気信号を抑制する第１整流素子を有する、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記帰還部は、
前記第１端子および前記第１整流素子の間に接続される第１抵抗と、
前記パワー半導体素子のゲートおよび前記第２端子の間に接続される第２整流素子と、
前記パワー半導体素子のゲートおよび前記第２ゲート制御部の間に接続される第２抵抗と、
を有する請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記電流遮断部は、前記第１抵抗および前記第１整流素子の間と、前記第２端子との間に接続される、請求項３に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記第１ゲート制御部は、
前記制御端子と前記パワー半導体素子のゲートとの間に接続され、入力する電位に応じてオンまたはオフに制御される第１スイッチ素子と、
前記制御信号または前記パワー半導体素子の状態が予め定められた遮断条件を満たすことに応じて、前記第１スイッチ素子をオフにするオフ電位を前記第１スイッチ素子に供給するオフ電位供給部と、
を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記電流遮断部は、前記制御信号が予め定められた遮断条件を満たすことに応じて、前記パワー半導体素子のゲートに流れる電流を遮断する、請求項５項に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記オフ電位供給部は、前記パワー半導体素子の異常が検出されたことに応じて、遮断条件が満たされたと判断する、請求項５または６に記載の半導体装置。

【請求項8】

前記第２ゲート制御部は、
前記第１端子および前記第２端子の間に接続され、入力する電位に応じてオンまたはオフに制御される第２スイッチ素子と、
前記第２スイッチ素子および前記第２端子の間に接続され、前記第１端子から前記第２端子に流れる電流量を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果と、予め定められた閾値とを比較する比較部と、
前記第２スイッチ素子のゲートおよび前記第２端子の間に接続され、前記比較部の比較結果に応じて前記第２スイッチのゲート電位を制御する第３スイッチ素子と、
を有する請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項9】

前記第２スイッチ素子は、前記パワー半導体素子と比較して、閾値が同一で相互コンダクタンスが小さいパワー半導体素子である、請求項８に記載の半導体装置。

【請求項10】

前記第１ゲート制御部および前記第２ゲート制御部は、前記制御端子から入力する電気信号を電源として用いる、請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項11】

前記パワー半導体素子は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）または縦型ＭＯＳＦＥＴである、請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項12】

当該半導体装置は、外部からの制御信号に応じて点火コイルに流れる電流を制御するイグナイタである請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項13】

前記パワー半導体素子の異常とは、異常過熱である、請求項７に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、内燃機関の点火等に用いられる半導体装置として、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電流を検知して点火コイルやヒューズ等を過電流から保護する電流制限回路を備えることが知られていた（例えば、特許文献１参照）。また、当該パワー半導体デバイスが、過熱等の異常な状態を検知して、内燃機関への影響を保護する自己遮断回路を備えることが知られていた（例えば、特許文献２参照）。
特許文献１ 特開２０００−３１０１７３号公報
特許文献２ 特開２００８−２４８７７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

しかしながら、パワー半導体デバイスの駆動回路がこのような電流制限回路と自己遮断回路とを組み合わせて搭載すると、電流制限回路によるゲートへの微小電流と、自己遮断回路によるゲート放電電流が平衡してしまうことがある。この場合、駆動回路は、自己遮断が不完全なままパワー半導体デバイスを動作させるので、当該パワー半導体デバイスをオフ状態に切り換えることができず、電流が流れ続けてしまう場合があった。したがって、過電流保護および自己遮断の機能を正確に実行できる点火用半導体装置が望まれていた。

【課題を解決するための手段】

【0004】

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、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と、制御端子から入力するパワー半導体素子を制御する制御信号に応じて、パワー半導体素子のゲート電位を制御する第１ゲート制御部と、パワー半導体素子のゲートと基準電位の間に接続され、パワー半導体素子のゲートに充電された電荷を放電する放電回路と、パワー半導体素子のコレクタ電流に応じて、パワー半導体素子のゲート電位を制御する第２ゲート制御部と、パワー半導体素子のコレクタ電位に応じて、パワー半導体素子のゲートに電荷を帰還させる帰還部と、制御信号に応じて、第１端子からパワー半導体素子のゲートに流れる電流を遮断する電流遮断部と、を備える半導体装置を提供する。

【0005】

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。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本実施形態に係る点火装置１０００の構成例を示す。

【図2】本実施形態に係る半導体装置１００の各部の動作波形の一例を示す。

【図3】本実施形態に係る点火装置２０００の構成例を示す。

【図4】本実施形態に係る半導体装置２００の各部の動作波形の一例を示す。

【図5】本実施形態に係る点火装置３０００の構成例を示す。

【図6】本実施形態に係る半導体装置３００の各部の動作波形の一例を示す。

【図7】本実施形態に係る点火装置４０００の構成例を示す。

【図8】本実施形態に係る半導体装置４００の各部の動作波形の一例を示す。

【図9】本実施形態に係るオフ電位供給部１２４の構成例を示す。

【図10】本実施形態に係るリセット部５１０の各部の動作波形の一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0007】

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。

【0008】

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、半導体装置１００と、を備える。

【0009】

制御信号発生部１０は、半導体装置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（以下、制御信号と略す）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半導体装置１００に供給する。制御信号発生部１０が制御信号を半導体装置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。

【0010】

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。

【0011】

点火コイル３０は、点火プラグ２０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。

【0012】

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。

【0013】

半導体装置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（オン）および非導通（オフ）を切り換える。半導体装置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。

【0014】

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、自動車内における半導体装置１００に対応する基準電位でもよい。基準電位は、半導体装置１００をオフにするロー電位でもよく、一例として、０Ｖである。半導体装置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、第１ゲート制御部１２０と、放電回路１３０と、を備える。

【0015】

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。

【0016】

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、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。

【0017】

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。

【0018】

第１ゲート制御部１２０は、制御端子１０２から入力するパワー半導体素子１１０を制御する制御信号に応じて、パワー半導体素子１１０のゲート電位を制御する。即ち、第１ゲート制御部１２０は、制御信号に応じて、パワー半導体素子１１０をオンまたはオフにする電位を当該パワー半導体素子１１０のゲートに供給する。第１ゲート制御部１２０は、例えば、制御端子１０２から入力する電気信号を電源として用いる。第１ゲート制御部１２０は、第１スイッチ素子１２２と、オフ電位供給部１２４と、を有する。

【0019】

第１スイッチ素子１２２は、制御端子１０２とパワー半導体素子１１０のゲートとの間に接続され、入力する電位に応じてオンまたはオフに制御される。第１スイッチ素子１２２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。第１スイッチ素子１２２は、ドレイン端子が制御端子１０２に接続され、ソース端子がパワー半導体素子１１０のゲート端子に接続され、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。

【0020】

第１スイッチ素子１２２は、一例として、ゲート端子がオン電位（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切断する、ノーマリーオンのスイッチ素子である。この場合、第１スイッチ素子１２２は、ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴであることが望ましい。

【0021】

オフ電位供給部１２４は、制御信号が予め定められた遮断条件を満たすことに応じて、第１スイッチ素子１２２をオフにするオフ電位を第１スイッチ素子１２２のゲートに供給する。オフ電位供給部１２４は、パワー半導体素子１１０の異常通電および異常過熱等を検出する検出装置等に接続され、パワー半導体素子１１０の異常が検出されたことに応じて、遮断条件が満たされたとする。

【0022】

即ち、オフ電位供給部１２４は、パワー半導体素子１１０の異常が検出されたことに応じて、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。オフ電位供給部１２４は、ロー電位からハイ電位となる遮断信号を発生させてよい。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。オフ電位供給部１２４については、後述する。

【0023】

放電回路１３０は、パワー半導体素子１１０のゲートと基準電位の間に接続され、パワー半導体素子１１０のゲートの容量成分に充電された電荷を放電する。放電回路１３０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が遮断された場合、ゲート端子の電荷を放電させてパワー半導体素子１１０をオフ状態に切り換える。

【0024】

放電回路１３０は、一端がパワー半導体素子１１０のゲート端子に接続され、他端が基準電位に接続される。放電回路１３０は、予め定められた時定数で電荷を放電させてよい。即ち、放電回路１３０は、パワー半導体素子１１０への制御信号の供給が遮断されると、予め定められた時間が経過したのちに、パワー半導体素子１１０をオフ状態に切り換える。図１は、放電回路１３０が抵抗素子である例を示す。放電回路１３０は、容量成分および／またはインダクタンス成分等を有してもよい。

【0025】

以上の本実施形態に係る半導体装置１００は、パワー半導体素子１１０が正常な状態の場合、点火プラグ２０を放電させて燃焼ガスを点火する。また、半導体装置１００は、パワー半導体素子１１０の異常を検出した場合、当該パワー半導体素子１１０を緩遮断する。このような半導体装置１００の動作について、次に説明する。

【0026】

図２は、本実施形態に係る半導体装置１００の各部の動作波形の一例を示す。図２は、横軸を時間、縦軸を電位または電流値とする。また、図２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・エミッタ間電位（コレクタ電位とする）をＶｃ、オフ電位供給部１２４の出力電位（遮断信号）をＶｓ、第１スイッチ素子１２２のＯＮおよびＯＦＦ状態をＭ１とする。

【0027】

パワー半導体素子１１０に異常が検出されない正常状態において、制御信号Ｖｉｎがロー電位の場合、遮断信号Ｖｓはロー電位（一例として０Ｖ）、第１スイッチ素子１２２（Ｍ１）はＯＮ状態となる。これにより、制御信号Ｖｉｎのロー電位がパワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇとなり、コレクタ電流Ｉｃは略０Ａ、コレクタ電位Ｖｃは電源の出力電位となる。

【0028】

そして、制御信号Ｖｉｎがハイ電位になると、当該ハイ電位がパワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇとなってオン状態に切り換わり、コレクタ電流Ｉｃは増加を開始し、コレクタ電位Ｖｃは略０Ｖになってから増加を開始する。即ち、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。

【0029】

そして、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となり、パワー半導体素子１１０はオフ状態に切り換わり、コレクタ電流Ｉｃは急激に減少する。コレクタ電流Ｉｃの急激な減少により、一次コイル３２の両端電圧は、自己誘導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。

【0030】

このような点火装置１０００の点火動作が実行されると、コレクタ電流Ｉｃは略０Ａに、コレクタ電位Ｖｃは電源の出力電位に戻る。なお、コレクタ電位Ｖｃは、点火動作として、瞬時的に高電位になってから電源の出力電位に戻る。以上が、図２の制御信号Ｖｉｎに「正常」と示した範囲の半導体装置１００の動作である。

【0031】

次に、制御信号発生部１０に故障等が発生し、制御信号Ｖｉｎがハイ電位になったままロー電位に切り換わらなくなった例を説明する。この場合、制御信号Ｖｉｎがハイ電位になった状態までは、以上に説明したとおり、ゲート電位Ｖｇはハイ電位、コレクタ電流Ｉｃは増加を開始し、コレクタ電位Ｖｃは略０Ｖになってから増加を開始する。

【0032】

ここで、制御信号Ｖｉｎがハイ電位を継続させると、ゲート電位Ｖｇもハイ電位を維持し、コレクタ電流Ｉｃは素子定数等から定められる電流値（一例として１７Ａ）まで増加して飽和し、これに伴ってコレクタ電位Ｖｃも飽和する。即ち、パワー半導体素子１１０に飽和電流が継続して流れるので、当該パワー半導体素子１１０および／または当該パワー半導体素子１１０の周囲温度は上昇して異常状態となる。オフ電位供給部１２４は、このような異常な状態が検出されると、半導体装置１００の自己遮断を開始する。図２は、一例として、自己遮断の開始時刻を一点鎖線で示す。

【0033】

オフ電位供給部１２４は、第１スイッチ素子１２２のゲートにオフ電位の遮断信号Ｖｓを供給して、第１スイッチ素子１２２をＯＦＦ状態にする。これにより、パワー半導体素子１１０はオフ状態へと切り換えるが、放電回路１３０によって、パワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇは、正常動作におけるロー電位への切り換わりと比較して、緩やかにロー電位へと移行する。これにより、コレクタ電流Ｉｃは、ゲート電位Ｖｇが閾値以下となってから減少が開始し、その後やがて０Ａに戻る。なお、図２は、ゲート電位Ｖｇの閾値の例を点線で示す。

【0034】

したがって、コレクタ電位Ｖｃは、点火動作が開始しない程度に緩やかに上昇し、ゲート電位Ｖｇが閾値以下となったことに応じて、上昇速度が増加し、その後やがて初期状態の電位に戻る。コレクタ電流Ｉｃおよびコレクタ電位Ｖｃが元に戻ってから、ゲート電位Ｖｇは、ロー電位に戻る。なお、制御信号発生部１０の状態が元に戻り、制御信号がロー電位になると、オフ電位供給部１２４の遮断信号Ｖｓもロー電位となって第１スイッチ素子１２２をＯＮ状態に切り換える。以上が、図２の制御信号Ｖｉｎに「ＯＮ固定」と示した範囲の半導体装置１００の動作である。

【0035】

以上のように、本実施形態に係る半導体装置１００は、パワー半導体素子１１０の異常を検出した場合、コレクタ電流Ｉｃの急激な変動によって点火プラグが放電することを防止できる程度に、パワー半導体素子１１０のゲート電位を時間的に緩やかに低下させる。これにより、半導体装置１００は、パワー半導体素子１１０の異常に応じて、点火プラグ２０の誤放電を防止しつつ、パワー半導体素子１１０を緩遮断できる。

【0036】

図３は、本実施形態に係る点火装置２０００の構成例を示す。図２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、半導体装置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。

【0037】

半導体装置２００は、パワー半導体素子１１０に流れるコレクタ電流Ｉｃを略一定電流以下となるように制限し、点火プラグ２０の誤放電を防止する。半導体装置２００は、第２ゲート制御部２１０と、帰還部２３０と、を備える。なお、半導体装置２００が備える制御端子１０２、第１端子１０４、第２端子１０６、および、パワー半導体素子１１０については説明を省略する。

【0038】

第２ゲート制御部２１０は、制御端子１０２およびパワー半導体素子１１０の間に設けられ、パワー半導体素子１１０のコレクタ電流Ｉｃに応じて、パワー半導体素子のゲート電位を制御する。即ち、第２ゲート制御部２１０は、コレクタ電流Ｉｃの大きさに応じてパワー半導体素子１１０のゲート電位を調節し、当該コレクタ電流Ｉｃを安定化させる。第２ゲート制御部２１０は、例えば、制御端子１０２から入力する電気信号を電源として用いる。第２ゲート制御部２１０は、第２スイッチ素子２１２と、検出部２１４と、抵抗２１６と、閾値出力部２１８と、比較部２２２と、第３スイッチ素子２２４と、を有する。

【0039】

第２スイッチ素子２１２は、第１端子１０４および第２端子１０６の間に接続され、入力する電位に応じてオンまたはオフに制御される。第２スイッチ素子２１２は、パワー半導体素子１１０と同様に、ゲートに入力する入力電位に応じて、第１端子１０４および第２端子１０６の間を電気的に接続または切断する。第２スイッチ素子２１２は、例えば、パワー半導体素子１１０と比較して、閾値が略同一で相互コンダクタンスが小さいパワー半導体素子である。第２スイッチ素子２１２の相互コンダクタンスは、一例として、パワー半導体素子１１０の１０００分の１である。

【0040】

第２スイッチ素子２１２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。第２スイッチ素子２１２は、パワー半導体素子１１０と略同様の材質およびプロセスにより形成されることが望ましい。第２スイッチ素子２１２は、例えば、エミッタ端子が基準電位と接続され、コレクタ端子が一次コイル３２の他端に接続される。本実施例において、第２スイッチ素子２１２は、入力電位がオン電位（ハイ電位）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。即ち、第２スイッチ素子２１２は、制御信号に応じて、パワー半導体素子１１０と同様に動作し、パワー半導体素子１１０の動作をセンシングするセンスＩＧＢＴとして用いられる。

【0041】

検出部２１４は、第２スイッチ素子２１２および第２端子１０６の間に接続され、第１端子１０４から第２端子１０６に流れる電流量を検出する。検出部２１４は、例えば、検出した電流量に応じた検出電位Ｖ_ＳＮＳを検出結果として出力する。検出部２１４は、例えば、一端が第２スイッチ素子２１２のエミッタ端子に接続され、他端が基準電位に接続される抵抗を含む。この場合、検出部２１４は、第１端子１０４から第２スイッチ素子２１２を介して第２端子１０６に流れる電流に応じた電位差を、一端および他端の間に生じさせる。

【0042】

抵抗２１６は、制御端子１０２およびパワー半導体素子１１０の間に設けられる。また、抵抗２１６は、制御端子１０２および第２スイッチ素子２１２の間に設けられる。抵抗２１６は、例えば、一端が制御端子１０２に接続され、他端が第２スイッチ素子２１２のゲート端子に接続される。即ち、第２スイッチ素子２１２のゲート端子は、パワー半導体素子１１０と同様に、制御端子１０２から入力する制御信号が供給される。

【0043】

閾値出力部２１８は、予め定められた閾値電位Ｖ_ＲＥＦを出力する。閾値出力部２１８は、例えば、検出部２１４に流れる電流量の許容値に応じた閾値電位を出力する。閾値出力部２１８は、定電流回路および抵抗等の組み合わせによって構成されてよく、また、ツェナーダイオードおよび抵抗等の組み合わせ等によって構成されてもよい。

【0044】

比較部２２２は、検出部２１４の検出結果と、閾値出力部２１８が出力する予め定められた閾値電位Ｖ_ＲＥＦとを比較する。比較部２２２は、例えば、検出部２１４が出力する検出電位Ｖ_ＳＮＳが閾値電位Ｖ_ＲＥＦを超えたことに応じて、比較結果としてハイ電位を出力し、当該検出電位Ｖ_ＳＮＳが閾値電位Ｖ_ＲＥＦ以下の場合に比較結果としてロー電位を出力する。比較部２２２は、例えば、コンパレータ等を有する。

【0045】

第３スイッチ素子２２４は、第２スイッチ素子２１２のゲートおよび第２端子１０６の間に接続され、比較部２２２の比較結果に応じて第２スイッチ素子２１２のゲート電位を制御する。第３スイッチ素子２２４は、例えば、比較部２２２の比較結果がハイ電位になったことに応じて、第２スイッチ素子２１２のゲートに接続されるドレイン端子と、第２端子１０６に接続されるソース端子との間の電気抵抗を減少させる。即ち、第３スイッチ素子２２４は、検出部２１４の検出電位Ｖ_ＳＮＳが閾値Ｖ_ＲＥＦを超える場合、当該検出電位Ｖ_ＳＮＳが閾値Ｖ_ＲＥＦを保つように第２スイッチ素子２１２のゲート電位Ｖｇｓを調節する。

【0046】

一方、第３スイッチ素子２２４は、比較部２２２の比較結果がロー電位の場合、第２スイッチ素子２１２のゲートおよび第２端子１０６の間の電気的接続を切断する。したがって、制御端子１０２から入力する制御信号に応じた電位が、抵抗２１６を介して第２スイッチ素子２１２のゲートおよびパワー半導体素子１１０のゲートに供給されることになる。第３スイッチ素子２２４は、一例として、ノーマリーオフのスイッチ素子であり、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴであることが望ましい。

【0047】

帰還部２３０は、パワー半導体素子１１０のコレクタ電位に応じて、パワー半導体素子１１０のゲートに電荷を帰還させる。帰還部２３０は、第２ゲート制御部２１０およびパワー半導体素子１１０の間に設けられ、第２ゲート制御部２１０の制御動作に応じて、パワー半導体素子１１０のゲートに電荷を供給する。帰還部２３０は、第１抵抗２３２と、第２抵抗２３４と、整流素子２３６と、を有する。

【0048】

第１抵抗２３２は、第１端子１０４およびパワー半導体素子１１０のゲートの間に設けられる。また、第２抵抗２３４は、パワー半導体素子１１０のゲートおよび第２ゲート制御部２１０の間に接続される。また、整流素子２３６は、パワー半導体素子１１０のゲートおよび第２端子１０６の間に接続される。即ち、第１抵抗２３２は、第１端子１０４および整流素子２３６の間に接続される。

【0049】

一例として、第１抵抗２３２の一端は、第１端子１０４に接続され、他端は、パワー半導体素子１１０のゲート、第２抵抗２３４の一端、整流素子２３６の一端、および、放電回路１３０の一端にそれぞれ接続される。この場合、第２抵抗２３４の他端は、第２ゲート制御部２１０の抵抗２１６の他端、第２スイッチ素子２１２のゲート端子、および、第３スイッチ素子２２４のドレイン端子にそれぞれ接続される。また、整流素子２３６の他端は第２端子１０６に接続される。

【0050】

以上の帰還部２３０は、パワー半導体素子１１０のコレクタ電位がゲート電位より大きくなった場合にパワー半導体素子１１０のゲート電位を増加させ、パワー半導体素子１１０のコレクタ電位の増加を緩和し安定させる。また、帰還部２３０は、パワー半導体素子１１０のコレクタ電流が過大になったことに応じて、コレクタ電位を第１抵抗２３２および第２抵抗２３４に流れる電流に応じた電位をパワー半導体素子１１０のゲート電位とする。このような半導体装置２００の動作について、次に説明する。

【0051】

図４は、本実施形態に係る半導体装置２００の各部の動作波形の一例を示す。図４は、横軸を時間、縦軸を電位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のゲート電位をＶｇ、パワー半導体素子１１０のコレクタ電流をＩｃ、パワー半導体素子１１０のコレクタ電位をＶｃ、検出部２１４の検出電位をＶ_ＳＮＳとする。

【0052】

パワー半導体素子１１０の正常状態において、制御信号Ｖｉｎがロー電位の場合、当該制御信号Ｖｉｎのロー電位がパワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇとなり、コレクタ電流Ｉｃは略０Ａ、コレクタ電位Ｖｃは電源の出力電位となる。そして、制御信号Ｖｉｎがハイ電位になると、当該ハイ電位がパワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇとなってオン状態に切り換わり、コレクタ電流Ｉｃは増加を開始し、コレクタ電位Ｖｃは略０Ｖになってから増加を開始する。

【0053】

即ち、図１および図２で説明したように、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、当該時間変化ｄＩｃ／ｄｔにしたがって増加する。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。

【0054】

ここで、コレクタ電流Ｉｃの増加が継続すると、当該パワー半導体素子１１０および／または当該パワー半導体素子１１０の周囲温度は上昇して異常状態となってしまう。また、パワー半導体素子１１０に接続される部品等の定格電流を超えてしまうことも生じ、これらの部品の故障および破壊等を招いてしまうこともある。そこで、第２ゲート制御部２１０は、このようなコレクタ電流Ｉｃが閾値を超えた場合に、コレクタ電流Ｉｃの増加を停止させる。即ち、第２ゲート制御部２１０は、検出部２１４の検出電位Ｖ_ＳＮＳが基準電位Ｖ_ＲＥＦを超えたことに応じて、コレクタ電流Ｉｃの電流制限を開始する。図４は、一例として、電流制限の開始時刻を一点鎖線で示す。

【0055】

比較部２２２は、検出電位Ｖ_ＳＮＳが閾値電位Ｖ_ＲＥＦを超えたことに応じて、ハイ電位を出力し、第３スイッチ素子２２４は、第２スイッチ素子２１２のゲートおよび第２端子１０６の間の電気抵抗を減少させる。即ち、第３スイッチ素子２２４のドレイン・ソース間に電流が流れて電圧降下が生じる。これにより、抵抗２１６および第３スイッチ素子２２４のオン抵抗によって制御信号Ｖｉｎが分圧され、分圧された第３スイッチ素子２２４のドレイン電位が第２スイッチ素子２１２のゲート電位Ｖｇｓとなる。

【0056】

以上のように、第２スイッチ素子２１２のゲート電位Ｖｇｓは、制御信号Ｖｉｎのハイ電位よりも低い電位となる。また、第１端子１０４から、第１抵抗２３２、第２抵抗２３４、および第３スイッチ素子２２４を介して第２端子１０６へと電流が流れるので、第２抵抗２３４の両端には電位差が生じる。即ち、パワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇは、制御信号Ｖｉｎのハイ電位よりも低く、かつ、第２スイッチ素子２１２のゲート電位Ｖｇｓよりも高い電位となり、コレクタ電流Ｉｃの増加が制限される。

【0057】

そして、第３スイッチ素子２２４は、検出部２１４の検出電位Ｖ_ＳＮＳが閾値Ｖ_ＲＥＦを保つように第２スイッチ素子２１２のゲート電位Ｖｇｓを調節するので、コレクタ電流Ｉｃおよびコレクタ電位Ｖｃを略一定の値に保つことができる。このように、第２ゲート制御部２１０は、コレクタ電流Ｉｃを一定に保つようにパワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇを調節するので、帰還部２３０は、当該ゲート電位Ｖｇの調節に対応してパワー半導体素子１１０のゲートに電荷を供給する。即ち、帰還部２３０は、パワー半導体素子１１０のゲートに微小電流を還流させて、コレクタ電流Ｉｃを一定に保つ。

【0058】

そして、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となり、パワー半導体素子１１０はオフ状態に切り換わり、コレクタ電流Ｉｃは急激に減少する。コレクタ電流Ｉｃの急激な減少により、一次コイル３２の両端電圧は、自己誘導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。

【0059】

このように、本実施形態に係る点火装置２０００は、図２で説明したように、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とができる。点火装置２０００の点火動作が実行されると、コレクタ電流Ｉｃは略０Ａに、コレクタ電位Ｖｃは電源の出力電位に戻る。なお、コレクタ電位Ｖｃは、点火動作として、瞬時的に高電位になってから電源の出力電位に戻る。

【0060】

以上のように、本実施形態に係る半導体装置２００は、パワー半導体素子１１０のコレクタ電流Ｉｃを閾値以下の電流値に制限し、過電流が流れることを防止する。また、半導体装置２００は、コレクタ電流Ｉｃの急激な変動によって点火プラグが誤放電することを防止できる。

【0061】

以上の本実施形態に係る半導体装置１００および半導体装置２００を組み合わせることで、過電流保護および自己遮断の機能を有するパワー半導体素子１１０の駆動回路が期待される。そこで、図１に示す自己遮断回路と、図３に示す過電流保護回路と、を組み合わせた半導体装置について、次に説明する。

【0062】

図５は、本実施形態に係る点火装置３０００の構成例を示す。図５に示す点火装置３０００において、図１および図３に示された本実施形態に係る点火装置１０００および点火装置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。点火装置３０００は、半導体装置３００を備える。なお、点火装置３０００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。

【0063】

半導体装置３００は、パワー半導体素子１１０に流れるコレクタ電流Ｉｃを略一定電流以下となるように制限し、点火プラグ２０の誤放電を防止する。半導体装置２００は、制御端子１０２、第１端子１０４、第２端子１０６、パワー半導体素子１１０、第１ゲート制御部１２０、放電回路１３０、第２ゲート制御部２１０、および帰還部２３０を備える。

【0064】

制御端子１０２から入力する制御信号は、図１に示したように、第１ゲート制御部１２０に供給される。また、第１ゲート制御部１２０から出力された制御信号は、図３に示したように、第２ゲート制御部２１０および帰還部２３０を介してパワー半導体素子１１０のゲートに供給される。なお、半導体装置３００が備える各部は、図１および図３に示した各部と略同一の動作をするので、説明を省略する。このような半導体装置３００の動作について、次に説明する。

【0065】

図６は、本実施形態に係る半導体装置３００の各部の動作波形の一例を示す。図６は、横軸を時間、縦軸を電位または電流値とする。また、図６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のゲート電位をＶｇ、パワー半導体素子１１０のコレクタ電流をＩｃ、パワー半導体素子１１０のコレクタ電位をＶｃ、オフ電位供給部１２４の出力電位（遮断信号）をＶｓ、第１スイッチ素子１２２のＯＮおよびＯＦＦ状態をＭ１とする。

【0066】

パワー半導体素子１１０に異常が検出されない正常状態において、制御信号Ｖｉｎがロー電位の場合、ロー電位からハイ電位になった場合、および、再びロー電位になった場合、コレクタ電流Ｉｃは閾値以下の範囲で増減する。即ち、第２ゲート制御部２１０および帰還部２３０は、パワー半導体素子１１０のゲート電位を変化させる動作をしない。したがって、半導体装置３００の各部の動作波形は、図２に「正常」と示した範囲の半導体装置１００の動作と略同一である。そこで、図６の制御信号Ｖｉｎに「正常」と示した範囲の半導体装置３００の動作については説明を省略する。

【0067】

次に、制御信号発生部１０に故障等が発生し、制御信号Ｖｉｎがハイ電位になったままロー電位に切り換わらなくなった例を説明する。制御信号Ｖｉｎがハイ電位になった場合、ゲート電位Ｖｇはハイ電位になり、コレクタ電流Ｉｃは増加を開始し、コレクタ電位Ｖｃは略０Ｖになってから増加を開始する。

【0068】

ここで、制御信号Ｖｉｎがハイ電位を継続させると、ゲート電位Ｖｇもハイ電位を維持し、コレクタ電流Ｉｃの増加が継続する。第２ゲート制御部２１０は、このようなコレクタ電流Ｉｃが増加し続けて閾値を超えた場合に、コレクタ電流Ｉｃの増加を制限する。即ち、第２ゲート制御部２１０は、検出部２１４の検出電位Ｖ_ＳＮＳが基準電位Ｖ_ＲＥＦを超えたことに応じて、コレクタ電流Ｉｃの電流制限を開始する。図６において、電流制限の開始時刻の例として、「電流制限開始」と示す。

【0069】

コレクタ電流Ｉｃの電流を制限する動作については、図４で説明した動作と略同一なのでここでは省略する。第２ゲート制御部２１０および帰還部２３０の電流制限の動作により、コレクタ電流Ｉｃを飽和電流よりも小さい電流値に制限することができるので、半導体装置３００は、故障等が発生した場合においても、より安全で安定な動作を実行できる。

【0070】

オフ電位供給部１２４は、制御信号Ｖｉｎがハイ電位になったままの異常な状態が検出されると、半導体装置３００の自己遮断を開始する。図６は、一例として、自己遮断の開始時刻を「自己遮断開始」と示す。

【0071】

オフ電位供給部１２４は、第１スイッチ素子１２２のゲートにオフ電位の遮断信号Ｖｓを供給して、第１スイッチ素子１２２（Ｍ１）をＯＦＦ状態にする。これにより、パワー半導体素子１１０のゲートに蓄積された電荷が放電回路１３０によって、基準電位へと放電回路１３０の抵抗値に基づく時定数を有して緩やかに移動する。即ち、パワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇは、正常動作におけるロー電位への切り換わりと比較して、緩やかに減少する。

【0072】

しかしながら、放電回路１３０がパワー半導体素子１１０のゲートから基準電位へと微小電流を放電させることにより、点火プラグ２０の誤放電を防止する一方で、帰還部２３０は、コレクタ電流Ｉｃを制限すべく、パワー半導体素子１１０のゲートへと微小電流を還流させる。したがって、図５に示すように、第１ゲート制御部１２０、放電回路１３０、第２ゲート制御部２１０、および帰還部２３０を単純に組み合わせると、帰還部２３０による還流と、放電回路１３０による放電電流とが釣り合う条件で、パワー半導体素子１１０のゲート電位が決まることになる。

【0073】

この場合のゲート電位Ｖｇは、例えば、Ｖｃ・Ｒｇｅ／（Ｒｇｅ＋Ｒｃｅ）と示すことができる。なお、Ｒｇｅは放電回路１３０の抵抗値、Ｒｃｅは第１抵抗２３２の抵抗値を示す。即ち、パワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇは、オン電位から緩やかに減少してから略一定の電位を保つことになる。当該一定の電位は、素子の定数等に応じて定まり、パワー半導体素子１１０の閾値より大きくなる場合がある。この場合、パワー半導体素子１１０は、図６に示すように、オン状態を保つことになる。

【0074】

即ち、半導体装置３００は、第１ゲート制御部１２０が自己遮断動作を実行しても、パワー半導体素子１１０を遮断することができない。このように、図１に示す半導体装置１００および図３に示す半導体装置２００は、それぞれ点火装置と半導体装置の保護および点火プラグ２０の誤放電を防ぐ機能を備えるが、これらを組み合わせると誤動作してしまう場合があった。そこで、本実施形態に係る半導体装置４００は、このような誤動作も防止して、より安全で安定な動作を実行する。

【0075】

図７は、本実施形態に係る点火装置４０００の構成例を示す。図７に示す点火装置４０００において、図１、図３、および図５に示された本実施形態に係る点火装置１０００、点火装置２０００、および点火装置３０００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４０００は、半導体装置４００を備える。なお、点火装置４０００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。

【0076】

半導体装置４００は、パワー半導体素子１１０に流れるコレクタ電流Ｉｃを略一定電流以下となるように制限し、点火プラグ２０の誤放電を防止する。半導体装置２００は、制御端子１０２、第１端子１０４、第２端子１０６、パワー半導体素子１１０、第１ゲート制御部１２０、放電回路１３０、第２ゲート制御部２１０、帰還部２３０、および電流遮断部４１０を備える。

【0077】

制御端子１０２から入力する制御信号は、図１に示したように、第１ゲート制御部１２０に供給される。また、第１ゲート制御部１２０から出力された制御信号は、図３に示したように、第２ゲート制御部２１０および帰還部２３０を介してパワー半導体素子１１０のゲートに供給される。なお、第１ゲート制御部１２０、放電回路１３０、および第２ゲート制御部２１０は、図１および図３に示した各部と略同一の動作をするので、説明を省略する。

【0078】

半導体装置４００に設けられた帰還部２３０は、第１整流素子４２０を更に有する。第１整流素子４２０は、パワー半導体素子１１０のゲートから第１端子１０４側へと逆流する電気信号を抑制する。第１整流素子４２０は、パワー半導体素子１１０のゲートおよび第１抵抗２３２の間に設けられる。即ち、第１抵抗２３２は、第１端子および前記第１整流素子の間に接続される。なお、本実施形態において、帰還部２３０が有する整流素子２３６を、第２整流素子とする。即ち、第２整流素子（整流素子２３６）は、パワー半導体素子１１０のゲートおよび第２端子１０６の間に接続される。

【0079】

電流遮断部４１０は、制御端子１０２から入力する制御信号に応じて、第１端子１０４からパワー半導体素子１１０のゲートに流れる電流を遮断する。電流遮断部４１０は、制御信号が予め定められた遮断条件を満たすことに応じて、パワー半導体素子１１０のゲートに流れる電流を遮断する。即ち、電流遮断部４１０は、オフ電位供給部１２４が、パワー半導体素子１１０の遮断条件が満たされたと判断したことに応じて、パワー半導体素子１１０のゲートに流れる電流を遮断する。

【0080】

電流遮断部４１０は、第１抵抗２３２および第１整流素子４２０の間と、第２端子１０６との間に接続され、制御信号が遮断条件を満たすことに応じて、第１抵抗２３２および第１整流素子４２０の間と、第２端子１０６とを電気的に接続する。電流遮断部４１０は、一例として、オフ電位供給部１２４に接続され、オフ電位供給部１２４から遮断信号が当該ゲートに供給されることに応じて、オン状態に切り換わるノーマリーオフのスイッチ素子を有する。電流遮断部４１０は、例えば、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。

【0081】

半導体装置４００は、電流遮断部４１０を備えることにより、パワー半導体素子１１０の異常が検出された場合に、当該パワー半導体素子１１０を確実にオフ状態にする。このような半導体装置４００の動作について、次に説明する。

【0082】

図８は、本実施形態に係る半導体装置４００の各部の動作波形の一例を示す。図８は、横軸を時間、縦軸を電位または電流値とする。また、図８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のゲート電位をＶｇ、パワー半導体素子１１０のコレクタ電流をＩｃ、パワー半導体素子１１０のコレクタ電位をＶｃ、オフ電位供給部１２４の出力電位（遮断信号）をＶｓ、第１スイッチ素子１２２のＯＮおよびＯＦＦ状態をＭ１、電流遮断部４１０のＯＮおよびＯＦＦ状態をＭ２、とする。

【0083】

パワー半導体素子１１０に異常が検出されない正常状態において、制御信号Ｖｉｎがロー電位の場合、ロー電位からハイ電位になった場合、および、再びロー電位になった場合、半導体装置４００の各部の動作波形は、図２および図６に「正常」と示した範囲の半導体装置１００および半導体装置３００の動作と略同一である。そこで、図８の制御信号Ｖｉｎに「正常」と示した範囲の半導体装置４００の動作については説明を省略する。

【0084】

次に、制御信号発生部１０に故障等が発生し、制御信号Ｖｉｎがハイ電位になったままロー電位に切り換わらなくなった例を説明する。この場合、図６で説明したように、制御信号Ｖｉｎがハイ電位を継続すると、ゲート電位Ｖｇもハイ電位を維持し、コレクタ電流Ｉｃの増加が継続する。そして、第２ゲート制御部２１０は、検出部２１４の検出電位Ｖ_ＳＮＳが基準電位Ｖ_ＲＥＦを超えたことに応じて、コレクタ電流Ｉｃの電流制限を開始する。図８は、図６の例と同様に、電流制限の開始時刻を「電流制限開始」と示す。

【0085】

コレクタ電流Ｉｃの電流を制限することにより、当該コレクタ電流Ｉｃを飽和電流よりも小さい電流値に制限することができるので、半導体装置４００は、故障等が発生した場合においても、より安全で安定な動作を実行できる。そして、オフ電位供給部１２４は、制御信号Ｖｉｎがハイ電位になったままの異常な状態が検出されると、半導体装置４００の自己遮断を開始する。図８は、図６の例と同様に、自己遮断の開始時刻を「自己遮断開始」と示す。

【0086】

オフ電位供給部１２４は、第１スイッチ素子１２２のゲートにオフ電位の遮断信号Ｖｓを供給して、第１スイッチ素子１２２（Ｍ１）をＯＦＦ状態にする。これにより、パワー半導体素子１１０のゲートに蓄積された電荷が放電回路１３０によって、基準電位へと放電回路１３０の抵抗値に基づく時定数を有して緩やかに移動する。即ち、パワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇは、正常動作におけるロー電位への切り換わりと比較して、緩やかに減少する。

【0087】

そして、オフ電位供給部１２４の遮断信号Ｖｓに応じて、電流遮断部４１０（Ｍ２）はＯＮ状態に切り換わる。これにより、電流遮断部４１０は、帰還部２３０が第１端子１０４からパワー半導体素子１１０のゲートへと還流させる微小電流を遮断する。即ち、電流遮断部４１０は、第１端子１０４から第２端子１０６へと第１抵抗２３２を介して電気的に接続し、パワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇの減少を継続させる。

【0088】

そして、パワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇが、当該パワー半導体素子１１０の閾値よりも小さくなったことに応じて、パワー半導体素子１１０はオフ状態となり、コレクタ電流Ｉｃは０Ａに戻る。コレクタ電位Ｖｃは、点火動作が開始しない程度に緩やかに上昇し、ゲート電位Ｖｇが閾値以下となったことに応じて、初期状態の電位に戻る。コレクタ電流Ｉｃおよびコレクタ電位Ｖｃが元に戻ってから、ゲート電位Ｖｇは、ロー電位に戻る。

【0089】

なお、制御信号発生部１０の状態が元に戻り、制御信号がロー電位になると、オフ電位供給部１２４の遮断信号Ｖｓもロー電位となって第１スイッチ素子１２２をＯＮ状態に、電流遮断部４１０をＯＦＦ状態に切り換える。以上が、図８の制御信号Ｖｉｎに「ＯＮ固定」と示した範囲の半導体装置４００の動作である。

【0090】

以上のように、本実施形態に係る半導体装置４００は、パワー半導体素子１１０の異常を検出した場合、コレクタ電流Ｉｃの急激な変動によって点火プラグが放電することを防止できる程度に、パワー半導体素子１１０のゲート電位を時間的に緩やかに低下させる。これにより、半導体装置４００は、パワー半導体素子１１０の異常に応じて、点火プラグ２０の誤放電を防止しつつ、パワー半導体素子１１０を確実に緩遮断できる。即ち、半導体装置４００は、外部からの制御信号に応じて点火コイル３０に流れる電流を制御するイグナイタとして動作し、過電流保護および自己遮断の機能を正確に実行できる。

【0091】

図９は、本実施形態に係るオフ電位供給部１２４の構成例を示す。オフ電位供給部１２４は、リセット部５１０と、遮断条件検出部５２０と、ラッチ部５４０と、を有する。

【0092】

リセット部５１０は、制御端子１０２にオン電位が入力してから基準時間が経過した後に、リセット信号を出力する。リセット部５１０は、抵抗５１１と、抵抗５１２、インバータ５１３、インバータ５１４、抵抗５１５、キャパシタ５１６、およびインバータ５１７を含む。

【0093】

抵抗５１１および抵抗５１２は、制御端子１０２および第２端子１０６の間に直列に接続され、制御端子１０２から入力する制御信号Ｖｉｎを分圧する。抵抗５１１の抵抗値をＲ１、抵抗５１２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オフ電位（０Ｖ）からオン電位（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。

【0094】

インバータ５１３は、抵抗５１１および抵抗５１２の間に接続され、分圧電位を受け取って反転出力する。インバータ５１４は、インバータ５１３の出力を受け取って反転出力する。抵抗５１５およびキャパシタ５１６は、ＲＣ回路を構成し、インバータ５１４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５１７は、抵抗５１５およびキャパシタ５１６の出力を受け取って反転出力する。

【0095】

なお、インバータ５１３、インバータ５１４、およびインバータ５１７は、それぞれ制御端子１０２から入力する制御信号を動作電源とする。したがって、制御信号が過渡的に立ち上がる場合、当該制御信号がインバータの閾値に至るまでは、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Ｖｔｈｉとする。以上のリセット部５１０の動作については、後述する。

【0096】

遮断条件検出部５２０は、予め定められた遮断条件が満たされたか否かを検出する。遮断条件検出部５２０は、パワー半導体素子１１０および／またはパワー半導体素子１１０の周辺回路等に温度上昇等の異常が発生したか否かを検出する。遮断条件検出部５２０は、例えば、パワー半導体素子１１０の導通状態が基準時間以上経過したか否かを検出する。これに代えて、またはこれに加えて、遮断条件検出部５２０は、パワー半導体素子１１０の温度を測定して基準温度以上に上昇したか否かを検出してもよい。

【0097】

遮断条件検出部５２０は、例えば、複数の検出回路等を含む。図９は、遮断条件検出部５２０がタイマ回路５２２および温度検知回路５２４を含む例を示す。タイマ回路５２２は、パワー半導体素子１１０がオン状態になってからの経過時間を計測する。タイマ回路５２２は、計測時間が、基準時間を超えたことに応じて、遮断条件が満たされたと判断してハイ電位を出力してよい。温度検知回路５２４は、パワー半導体素子１１０および／またはパワー半導体素子１１０の周囲温度を検知する。温度検知回路５２４は、検知温度が、基準温度を超えたことに応じて、遮断条件が満たされたと判断してハイ電位を出力してよい。

【0098】

ラッチ部５４０は、遮断条件が検出されたことをラッチする。ラッチ部５４０は、第１ＮＯＲ回路５４２と、第２ＮＯＲ回路５４４と、第３ＮＯＲ回路５４６と、第４ＮＯＲ回路５４８と、を含む。第１ＮＯＲ回路５４２、第２ＮＯＲ回路５４４、第３ＮＯＲ回路５４６、および第４ＮＯＲ回路５４８は、それぞれ制御端子１０２から入力する制御信号を動作電源とする。したがって、制御信号がハイ電位になっていることを条件に、ラッチ部５４０は、遮断条件の検出に応じた遮断信号を出力する。制御信号がハイ電位になった場合のラッチ部５４０の動作を次に説明する。

【0099】

第１ＮＯＲ回路５４２は、タイマ回路５２２および温度検知回路５２４の出力をそれぞれ受け取り、ＮＯＲ演算結果を出力する。第１ＮＯＲ回路５４２は、タイマ回路５２２および温度検知回路５２４のうち少なくとも一方がハイ電位の場合、ロー電位を出力する。即ち、第１ＮＯＲ回路５４２は、パワー半導体素子１１０に異常が検出されない場合、ハイ電位を出力し、異常が検出されたことに応じてロー電位を出力する。

【0100】

第２ＮＯＲ回路５４４は、第１ＮＯＲ回路５４２の出力およびリセット部５１０のリセット信号をそれぞれ受け取り、ＮＯＲ演算結果を出力する。即ち、第２ＮＯＲ回路５４４は、パワー半導体素子１１０に異常が検出され、かつ、リセット信号が入力されない場合に、ハイ電位を出力する。

【0101】

第３ＮＯＲ回路５４６は、第２ＮＯＲ回路５４４およびラッチ部５４０の出力を受け取り、ＮＯＲ演算結果を出力する。また、第４ＮＯＲ回路５４８は、第３ＮＯＲ回路５４６およびリセット信号を受け取り、ＮＯＲ演算結果を出力する。第３ＮＯＲ回路５４６および第４ＮＯＲ回路５４８は、ＲＳフリップフロップを構成する。即ち、第３ＮＯＲ回路５４６および第４ＮＯＲ回路５４８は、第４ＮＯＲ回路５４８にリセット信号が入力された後、第３ＮＯＲ回路５４６に入力するパワー半導体素子１１０の異常検出に応じたハイ電位を、セット信号としてラッチする。なお、ラッチ部５４０は、制御端子１０２から電源供給を受けて、ラッチした値を保持する。

【0102】

図１０は、本実施形態に係るリセット部５１０の各部の動作波形の一例を示す。図１０は、横軸を時間、縦軸を出力電位とする。図１０は、制御端子１０２に入力する制御信号Ｖｉｎ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５１３、インバータ５１４、およびインバータ５１７の出力電位の一例を示す。インバータ５１３、インバータ５１４、およびインバータ５１７の出力電位は、入力電位がそれぞれのインバータの閾値に至るまでは、制御信号Ｖｉｎと略同一の電位となる。

【0103】

インバータ５１３は、電源の電位が閾値Ｖｔｈｉを超えても、入力する分圧電位Ｖｉｎ・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）が閾値Ｖｔｈｉ以下なので、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５１３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、当該電源電位をハイ電位として出力する。図１０は、インバータ５１３の出力電位Ｖｏｕｔ１が、時刻ｔ１以降においても、電源電位Ｖｉｎを出力する例を示す。

【0104】

インバータ５１３は、電源の電位が閾値Ｖｔｈｉを超え、かつ、入力する分圧電位が閾値Ｖｔｈｉ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１０は、インバータ５１３の出力電位Ｖｏｕｔ１が、時刻ｔ２においてロー電位（０Ｖ）となる例を示す。

【0105】

インバータ５１４は、電源の電位が閾値Ｖｔｈｉを超え、入力電位が閾値Ｖｔｈｉ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１０は、インバータ５１４の出力電位Ｖｏｕｔ２が、時刻ｔ１においてロー電位となる例を示す。インバータ５１４は、電源の電位が閾値Ｖｔｈｉ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５１４は、電源電位がハイ電位に至る過程の過渡的な電位の場合、当該電源電位をハイ電位として出力する。図１０は、インバータ５１４の出力電位Ｖｏｕｔ２が、時刻ｔ２以降において、電源電位Ｖｉｎを出力する例を示す。

【0106】

抵抗５１５およびキャパシタ５１６によるＲＣ回路は、インバータ５１４の出力信号を遅延させる。図１０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５１７は、電源の電位が閾値Ｖｔｈｉを超え、入力電位が閾値Ｖｔｈｉ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１０は、インバータ５１７の出力電位Ｖｏｕｔ３が、時刻ｔ３においてロー電位となる例を示す。

【0107】

以上のように、本実施形態に係るリセット部５１０は、制御端子１０２にオン電位が入力してから基準時間ｔ２が経過した後に、リセット信号を出力する。図１０に示すリセット信号は、一例として、抵抗５１５およびキャパシタ５１６で設定された時定数をパルス幅とするパルス信号である。

【0108】

以上のように、本実施形態に係るオフ電位供給部１２４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の異常検出に応じて、遮断条件が満たされとしてラッチ部５４０がラッチする。オフ電位供給部１２４は、遮断信号を第１スイッチ素子１２２に供給する。第１スイッチ素子１２２は、遮断信号に応じてオフ状態に切り換える。このように、第１スイッチ素子１２２およびオフ電位供給部１２４を有する第１ゲート制御部１２０は、遮断条件が検出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するように機能する。

【0109】

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。

【0110】

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。

【符号の説明】

【0111】

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 半導体装置、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 第１ゲート制御部、１２２ 第１スイッチ素子、１２４ オフ電位供給部、１３０ 放電回路、２００ 半導体装置、２１０ 第２ゲート制御部、２１２ 第２スイッチ素子、２１４ 検出部、２１６ 抵抗、２１８ 閾値出力部、２２２ 比較部、２２４ 第３スイッチ素子、２３０ 帰還部、２３２ 第１抵抗、２３４ 第２抵抗、２３６ 整流素子、３００ 半導体装置、４００ 半導体装置、４１０ 電流遮断部、４２０ 第１整流素子、５１０ リセット部、５１１ 抵抗、５１２ 抵抗、５１３ インバータ、５１４ インバータ、５１５ 抵抗、５１６ キャパシタ、５１７ インバータ、５２０ 遮断条件検出部、５２２ タイマ回路、５２４ 温度検知回路、５４０ ラッチ部、５４２ 第１ＮＯＲ回路、５４４ 第２ＮＯＲ回路、５４６ 第３ＮＯＲ回路、５４８ 第４ＮＯＲ回路、１０００ 点火装置、２０００ 点火装置、３０００ 点火装置、４０００ 点火装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】