CN102185598B - 点火器用功率半导体装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供以简单结构实现在发生异常时可靠地保护半导体开关元件的软切断功能且可靠性高的点火器用功率半导体装置。点火器用功率半导体装置，具有对点火线圈的初级电流进行通电/切断的半导体开关元件和驱动控制所述半导体开关元件的集成电路，其中，所述集成电路包括：第一放电单元，在正常动作时，使蓄积在所述半导体开关元件的控制端子的电荷放电而切断，以使所述点火线圈的次级一侧产生火花塞跳火电压；以及第二放电单元，当检测到异常状态时，比所述第一放电单元缓慢地使蓄积在所述半导体开关元件的控制端子的电荷放电而切断，以使所述点火线圈的次级电压成为火花塞跳火电压以下。

Description

点火器用功率半导体装置

技术领域

本发明涉及一种点火器用功率半导体装置，它具备在内燃机的点火***中，发生了异常高温或长时间通电信号的异常状态时切断半导体开关元件的保护功能。

背景技术

汽车发动机等内燃机用点火***(ignition system)由功率半导体装置即所谓点火器和包含计算机的发动机控制装置(ECU)构成，该功率半导体装置为产生施加到火花塞上的高电压，搭载了点火线圈(电感负载)和驱动它的半导体开关元件及其控制电路元件(半导体集成电路)。往往，在其动作中发生异常发热或导通信号在某一固定时间以上持续被施加等的异常状态时，为了保护半导体开关元件，搭载保护功能，以探测该异常状态，并强制切断半导体开关元件中流过的电流(例如，参照专利文献1)。

由于所述保护功能是功率半导体装置的自保护做出的动作，其切断定时与ECU的点火信号定时无关。因此，随着保护功能的切断动作，于点火次序上不恰当的定时发生点火，有时发生发动机的逆火或爆震等问题。

作为上述问题的对策，提出如下各种方案：在切断动作的定时点上，为了不致引起点火，软切断电流的方法，即，使火花塞不跳火的程度缓和点火线圈的初级线圈上所流电流的切断速度，防止不必要的点火动作的方法。(例如，参照专利文献2及专利文献3)

专利文献1：日本特开平8-338350号公报

专利文献2：日本特开2001-248529号公报

专利文献3：日本特开2008-45514号公报

在现有的点火器用功率半导体装置的保护功能中，为了实现在处于异常状态的情况下进行软切换，以使火花塞不会跳火，需要设置生成10～100msec程度的时间常数的电路。在半导体集成电路上形成那种电路时，存在芯片尺寸的增大或工时增加的问题。

在上述专利文献2中，公开了这样的电路例：在限制半导体开关元件的集电极电流的电流限制电路中，分级减少加反馈的放大器的基准电压，从而实现软切断。此外，在所述专利文献3中也同样公开了通过以低速度减少电流限制电路用放大器的基准电压，从而实现软切断的电路例。都是通过改变电流限制用放大器的基准电压来降低电流限制值，结果使半导体开关元件软切断。

但是上述的现有技术的软切断功能，存在改变基准电压的机构复杂的问题。此外，一般所述电流限制电路的放大器及基准电压要求高精度，但是如上述的现有技术那样能改变基准电压地构成，对维持高精度而言并能说是理想的。而且，存在着这样的问题：对放大器而言，基准电压的改变在控制稳定性的方面是不利的，或者为了扩大同相输入范围，不得不使用结构复杂的放大器。

发明内容

本发明为解决上述那样的课题而构思，其目的在于得到在发生异常之际能以简单的结构实现可靠地保护半导体开关元件的软切断功能，且可靠性高的点火器用功率半导体装置。

本发明的点火器用功率半导体装置，具有对点火线圈的初级电流进行通电/切断的半导体开关元件和驱动控制所述半导体开关元件的集成电路，其中，所述集成电路包括：第一放电单元，在正常动作时，使蓄积在所述半导体开关元件的控制端子的电荷放电而切断，以使所述点火线圈的次级一侧产生火花塞跳火电压；以及第二放电单元，当检测到异常状态时，比所述第一放电单元缓慢地使蓄积在所述半导体开关元件的控制端子的电荷放电而切断，以使所述点火线圈的次级电压成为火花塞跳火电压以下。

(发明效果)

在发生异常状态时，使蓄积在半导体开关元件的控制端子的电荷放电而使所述半导体开关元件切断，这时，通过较之正常动作时的放电单元缓慢地放电的其它放电单元来放电，因此能以简单的结构实现软切断。此外，为了软切断，无需改变电流限制功能的基准电压，故不会对控制稳定性产生影响。

附图说明

图1是说明本发明的实施例1的结构的电路图。

图2是说明本发明的实施例1的动作的时序图。

图3是说明本发明的第二实施例的结构的电路图。

图4是说明本发明的第二实施例的动作的时序图。

图5是说明本发明的第三实施例的结构的电路图。

图6是说明本发明的第三及第六实施例的动作的时序图。

图7是说明本发明的第四实施例的结构的电路图。

图8是说明本发明的第四实施例的动作的时序图。

图9是说明本发明的第五实施例的结构的电路图。

图10是说明本发明的第五实施例的动作的时序图。

图11是说明本发明的第六实施例的结构的电路图。

具体实施方式

实施例1

图1示出本发明的点火***的一个实施例。在图1的点火***中，点火线圈6的初级线圈61的一端与电池等电源Vbat连接，另一端与点火器用功率半导体装置5连接。此外，次级线圈62的一端同样与电源Vbat连接，另一端与一端接地的火花塞7连接。再有，ECU1输出驱动半导体开关元件41的控制输入信号到所述点火器用功率半导体装置。

其中，点火器用功率半导体装置5具备：半导体开关元件4，其包含对初级线圈61上所流的电流进行通电/切断的IGBT41；以及集成电路3，该集成电路3根据来自ECU1的控制信号和其它动作条件驱动控制IGBT41。

作为半导体开关元件4的主要构成要素的IGBT41中，作为电极端子除了一般的集电极、发射极、栅极以外，为了探测集电极电流Ic，而采用使比例(例如1/1000左右)于该集电极电流Ic的电流流过的读出发射极。进而，以浪涌电压保护为目的的齐纳二极管42反向连接在集电极和栅极之间。

下面参照图2的时序图，说明集成电路3的功能及本点火***全体的点火动作。

首先进行正常动作时的说明。在时刻t1，从ECU1施加到集成电路3的输入端子的高电平控制输入信号，被施密特触发电路11波形整形后，使第一PchMOS12截止。

此外，从异常探测电路27输出的异常探测信号EM为低电平，经由第一NOT电路15而输出的反相异常探测信号/EM为高电平。(一般反相信号通过在元信号名之前加上划线来体现，但在此在元信号名之前加斜线“/”来体现。)因而，通过所述反相异常探测信号/EM而第二PchMOS16也被截止。

由此，由第三PchMOS17及第四PchMOS18构成的第一电流镜电路动作。

所述第一电流镜电路的基准侧电流值Ig1，是从恒流源19的输出电流值Ib1减去后述的电流限制电路的输出电流值If2后的电流值。对于该基准侧电流Ig1，与所述第一电流镜电路的镜比对应的电流Ig2成为输出电流。

此外，所述反相异常探测信号/EM使串联连接于第一电阻23的第一NchMOS26导通，并使所述第一电阻23与基准电源电位GND连接。因而作为所述第一电流镜电路的负载阻抗，成为所述第一电阻23和第二电阻24的并联连接。

在此，所述第一电阻23为数10kΩ，所述第二电阻24预先被设定为其100倍左右的数MΩ，因此两者的并联连接电阻值大致成为数10kΩ。即，作为所述第一电流镜电路的负载阻抗，只有所述第一电阻23大体上做贡献。

因而，所述第一电流镜电路的输出电流Ig2大体上流过所述第一电阻23。由此发生IGBT41的栅极驱动电压，从而所述IGBT41进行导通动作。这时，根据由初级线圈61的电感和布线电阻决定的时间常数，图2那样的集电极电流Ic流过初级侧线圈61及所述IGBT41。

接着，在时刻t2，当ECU1施加低电平的控制输入信号时，所述第一PchMOS12导通，从而所述第一电流镜电路停止。IGBT41的栅极上积蓄的电荷的大部分通过第一放电单元即所述第一电阻23及所述第一NchMOS26，在极短的时间内放电，因此IGBT41被急速切断。

此时，通过初级线圈61在IGBT41的集电极端子上产生500V左右的高电压，以使到目前为止所流的电流继续流过。该电压对应于点火线圈6的绕组比而升压到30kV左右，使次级线圈62上连接的火花塞7跳火。

接着在时刻t3中，说明成为较长的通电时间的高电平控制输入信号从ECU1施加的情形。

与之前的说明一样，随着来自ECU1的高电平的控制输入信号的施加，集电极电流Ic从时刻t3逐渐增加，但是为了防止点火线圈6的绕组熔断或变压器的磁饱和，设定电流限制值，以使集电极电流Ic不致成为一定值以上。

集电极电流Ic的限制由以下机理实现。IGBT41的读出电流Ies通电至集成电路3内的第三电阻25，IGBT41的集电极电流Ic所对应的电压发生在所述第三电阻25。通过放大器21，将该电压与第一基准电压源22的电压Vref1进行比较，对应于其差的电流If1通过V-I变换电路20输出。该电流If1通过由第五PchMOS13及第六PchMOS14构成的第二电流镜电路，输出与其镜比对应的输出电流作为电流限制信号If2。由于所述电流限制信号If2使产生IGBT41的栅极驱动电压的电流Ig2向减少的方向工作，所以栅极电压下降，阻碍集电极电流Ic的增加。即，与集电极电流Ic有关，且整体上做负反馈动作，由于这样工作，集电极电流Ic被限制为既定的固定值。

在时刻t4，当集电极电流Ic达到所述电流限制值时，IGBT41的栅极电压降低，进行5极管动作。即，正流着集电极电流Ic的状态下，集电极电压没有充分降低，处于IGBT41上产生焦耳损失的状态。

接着说明在时刻t5，发生异常状态的连续通电状态时的动作。在图2的例中，即便经过本来应该控制输入信号为低电平的期间，也依然维持着高电平。

如上所述，在较长的通电时间的情况是因电流限制功能而在IGBT41产生焦耳损失的状态。如果该状态持续较长则芯片温度就会继续上升，需要以不超过容许损失的方式使IGBT41截止的保护功能。

在时刻t6中所述异常探测电路27或者探测超过既定期间而处于连续通电状态，或者探测芯片温度的异常上升，使所述异常探测信号EM成为高电平。而且，通过所述NOT电路15而使所述反相异常探测信号/EM成为低电平。由此，所述第二PchMOS16导通，因此所述第一电流镜电路停止，并且所述第一NchMOS26截止。

这时，成为在所述IGBT41的栅极端子上作为第二放电单元而只有数MΩ的所述第二电阻24与基准电源电位GND连接的状态。所述IGBT41栅极电容一般为1000pF左右的电容Cge，蓄积到所述IGBT41的栅极的电荷以数msec～数10msec左右的时间常数缓慢地放电，因此不会在所述火花塞7跳火而实现切断所述IGBT41的软切断。

实施例2

图3示出本发明的点火器用功率半导体装置的第二实施例。在以下附图中，对于具有与实施例1相同的功能的结构标注相同的附图标记，并省略其重复说明。

在第二实施例中，取代实施例1中的第二电阻24而使用恒流源作为第二放电单元。在图3中作为恒流源，示出采用与所述第一NchMOS26并联连接，且栅极端子与第一固定电压Vbias1连接的第二NchMOS28的例子。

所述NchMOS28设定为经调整栅极宽度、栅极长度及所述固定电压Vbias1，使恒流值大体为0.5～1微安左右。该值选为与流过作为所述第一放电单元的所述第一电阻23的放电电流相比充分小的(1/100左右)的值。

在图4示出本实施例中的时序图。与实施例1同样地，在时刻t6通过所述异常探测电路27而所述异常探测信号EM成为高电平。

在正常动作时，所述反相异常探测信号/EM为高电平，因此所述第一NchMOS26导通。因而蓄积在所述IGBT41的栅极电极的大部分电荷，通过所述第一放电单元即所述第一电阻23而放电。

在时刻t6中所述异常探测信号EM成为高电平，所述反相异常探测信号/EM成为低电平时，所述第一NchMOS26截止。这时蓄积在所述IGBT41的栅极电极的电荷按照所述第一电阻23～所述第二NchMOS28(恒流源)～所述基准电源电位GND的路径被放电，从而实现软切断。

在本实施例中的软切断如上所述以恒流源放电，因此如图4所示所述IGBT41的栅极电压直线下降，且集电极电流Ic的减衰速度变化也少。故，与实施例1的第二电阻24放电的情况相比，能够抑制t6的软切断开始时产生的所述点火线圈6的次级电压的峰值更低。

此外，实施例1的第二放电单元采用所述第二电阻24，但它需要数MΩ的高电阻值，在集成电路3上占有较宽的芯片面积。与之相对，在本实施例中由于采用NchMOS的恒流源，与实施例1相比能以较窄的占有面积实现同等功能，可将集成电路3进一步小型化。

实施例3

在所述实施例1及第二实施例中，进行软切断时，通过较高电阻的所述第二电阻24或作为设定为较低的恒流值的恒流源的所述第二NchMOS28，使所述IGBT41的栅极电荷放电。这与所述IGBT41的栅极端子以高阻抗接地的情形等效，并且意味着对外来噪声的敏感度高。

于是，本实施例中，设置监视所述IGBT41的栅极端子电压的控制端子电压监视单元，当栅极电压成为所述IGBT41的阈值以下时通过所述第一放电单元来使栅极电荷迅速放电。

图5示出本发明的点火器用功率半导体装置的第三实施例，图6示出说明本实施例的动作的时序图。在图5中，作为所述控制端子电压监视单元，包括：偏置为第二固定电压Vbias2且作为恒流源动作的第七PchMOS31；以该恒流源为能动负载且所述IGBT41的栅极端子输入至栅极的第三NchMOS30；输出所述第三NchMOS30的漏极电压与所述异常探测信号EM的逻辑积的第一AND电路32；以及由所述第一AND电路32驱动且使所述第一放电单元有效的第四NchMOS29。

在此，所述第七PchMOS31和所述第三NchMOS30作为以所述IGBT41的栅极电压为输入的逻辑反相电路起作用。预先设定MOS尺寸及所述第二固定电压Vbias2，以使该逻辑反相电路的阈值与所述IGBT41的阈值电压Vth相同。

在正常动作时，所述异常探测信号EM为低电平，因此所述第一AND电路32的输出与所述IGBT41的栅极电压不相关地始终为低电平，所述第四NchMOS29始终截止。即，在正常动作时与上述的第二实施例完全同样地动作。

在成为异常状态的时刻t6中，说明所述异常探测信号EM成为高电平的情形。刚做异常探测后，所述IGBT41的栅极电压高于阈值电压Vth，所以所述第三NchMOS30导通且漏极电压为低电平。因而所述第一AND电路32的输出也是低电平，所述第四NchMOS29也维持截止状态，因此如在上述第二实施例中说明的那样，开始软切断动作。

继续软切断动作，在时刻t7中所述IGBT41的栅极电压达到阈值Vth时，所述第三NchMOS30截止且漏极电压过渡到高电平，因此所述第一AND电路32的输出成为高电平，所述第四NchMOS29导通。

通过所述第四NchMOS29的导通，所述第一电阻23与所述基准电源电位GND连接，因此所述IGBT41的栅极电荷急速放电。这时，所述IGBT41的集电极电流Ic已经大致成为0，在该阶段即便中断软切断并急速放电栅极电荷，所述点火线圈6的次级电压也不会被激励到使所述火花塞7跳火的程度。

即，刚进行异常探测后由高阻抗的所述第二放电单元进行软切断，但是在经过所述点火线圈6损失仅能使所述火花塞7跳火的能量为止的时刻迅速切换到低阻抗的所述第一放电单元，从而能够防止外来噪声造成的所述IGBT41的再导通。

实施例4

图7示出本发明的点火器用功率半导体装置的第四实施例。一般在集成电路的各端子上为了保护内部电路免受外来浪涌而如图示那样在各端子～电源间***浪涌保护二极管40。在正常动作时所述浪涌保护二极管40对动作不怎么产生影响，但是芯片温度上升，且所述浪涌保护二极管40或承载于所述半导体开关元件4的所述齐纳二极管42中产生漏电流Ileak2、Ileak1，有时会向栅极端子泄漏。

如上所述，在本发明的点火器用功率半导体装置中，用高阻抗的所述第二放电单元进行异常探测时的软切断，因此在异常高温动作时因所述漏电流Ileak1、Ileak2而栅极电压会上升，担心无法切断。

因此，在本实施例中，在异常高温动作时因漏电流的影响而无法降低栅极电压时，作为紧急措施使所述第一放电单元有效化，并迅速进行切断。

图8示出说明本实施例的动作的时序图。在本实施例的控制端子电压监视单元中，上述第三实施例中栅极电压成为阈值Vth以下时迅速放电的电路以外，包括在所述异常高温动作时栅极电压不降低时急速放电的电路。

由第八PchMOS34和以第三固定电压Vbias3偏置的第五NchMOS33构成的逻辑反相电路的阈值，被预先设定，以在异常高温动作时栅极电压上升至使所述第一放电单元有效化的值(临界栅极电压值)时使输出反相。

在时刻t6中，若所述异常探测信号EM成为高电平，则如上所述，高阻抗的所述第二放电单元被有效化。这时动作周围温度为使所述浪涌保护二极管40或所述齐纳二极管42泄漏程度的异常高温的情况下，所述IGBT41的栅极电压开始下降一端，但所述第二放电单元没有完全吸入所述漏电流Ileak1及Ileak2，反而栅极电压开始上升。

在时刻t8中若栅极电压达到所述临界栅极电压值，则闩锁器37被置位，并使所述第四NchMOS29导通。由此使低阻抗的所述第一放电单元有效化，并使栅极电压急速降低。

这时，集电极电流Ic被急速切断，因此所述点火线圈6的次级上会产生使所述火花塞7跳火的程度的高电压，但是通过所述闩锁器37，直到解除异常状态为止继续切断所述IGBT41，因此能够保护IGBT41。

实施例5

图9示出本发明的点火器用功率半导体装置的第五实施例，图10示出说明本实施列的动作的时序图。与上述的第四实施例同样，本实施例在进行异常高温时的软切断之际，进行会使栅极电压上升时的紧急切断。

在时刻t6中，若所述异常探测信号EM成为高电平，则如上所述，高阻抗的所述第二放电单元被有效化。将这时的所述IGBT41的栅极电压存储在保持电路52。当动作周围温度为使所述浪涌保护二极管40或所述齐纳二极管42泄漏程度的异常高温时，所述IGBT41的栅极电压开始下降一端，但是所述第二放电单元不能完全吸入所述漏电流Ileak1及Ileak2，反而栅极电压开始上升。

在时刻t9中，若栅极电压达到存储在所述保持电路52的软切断开始时的栅极电压值，则闩锁器37被置位，使所述第四NchMOS29导通。由此低阻抗的所述第一放电单元有效化，使栅极电压急速降低。

这时，集电极电流Ic被急速切断，因此在所述点火线圈6的次级一侧会发生使所述火花塞7跳火的程度的高电压，但是通过所述闩锁器37，直到异常状态被解除为止继续切断所述IGBT41，因此能保护IGBT41。

如上所述，在第四和第五实施例中异常高温动作时的切断是紧急情况下的动作，因此优选希望通过将所述闩锁器37的Q输出返回给所述ECU1侧等的单元告知紧急停止。通过所述告知，例如，可以进行所述ECU1使所述点火器用功率半导体装置5适当复原等的异常状态恢复步骤。

实施例6

图11示出本发明的点火器用功率半导体装置的第六实施例。此外，本实施例的时序图与图6所示的第三实施例的时序图相同，因此省略。

在上述的第四、第五实施例中，在异常高温动作时紧急急速切断，因此会使所述火花塞7跳火。在本实施例中，具有使引起栅极电压的上升的所述漏电流Ileak1、Ileak2分流的漏电流补偿单元，即便在异常高温动作时也以不使所述火花塞7跳火的方式进行软切断。

在图11中，所述漏电流补偿单元包括由第六NchMOS55和第七NchMOS56构成的第三电流镜电路和虚设(dummy)二极管54。预先调整所述虚设二极管54的尺寸及所述第三电流镜电路的镜比，以使所述漏电流补偿单元的输出电流Ik2与所述浪涌保护二极管40的漏电流Ileak2和所述齐纳二极管42的漏电流Ileak1相等。

若在异常高温动作时发生所述漏电流Ileak1、Ileak2，则在同种类的二极管即虚设二极管54也发生漏电流Ileak3。因而，通过所述第三电流镜电路，所述漏电流Ileak1、Ireak2被分流到所述基准电源电位GND，不会使栅极电压上升。由此在异常高温动作时，也能使所述火花塞7跳火的方式进行软切断。

附图标记说明

3.集成电路；4.半导体开关元件；5.点火器用功率半导体装置；6.点火线圈；7.火花塞；15.第一NOT电路；16.第二PchMOS；23.第一电阻；24.第二电阻；26.第一NchMOS；27.异常探测电路。

Claims (7)

1.一种点火器用功率半导体装置，具有对点火线圈的初级电流进行通电/切断的半导体开关元件和驱动控制所述半导体开关元件的集成电路，其特征在于，

所述集成电路包括：

第一放电单元，在正常动作时，使蓄积在所述半导体开关元件的控制端子的电荷放电而切断，以使所述点火线圈的次级一侧产生火花塞跳火电压；

第二放电单元，当检测到异常状态时，比所述第一放电单元缓慢地使蓄积在所述半导体开关元件的控制端子的电荷放电而切断，以使所述点火线圈的次级电压成为火花塞跳火电压以下；以及

控制端子电压监视单元，当所述第二放电单元中进行所述半导体开关元件的切断动作时，监视所述半导体开关元件的控制端子电压，在成为既定电压时利用所述第一放电单元来切断所述半导体开关元件。

2.如权利要求1所述的点火器用功率半导体装置，其特征在于，所述控制端子电压监视单元，在所述控制端子电压成为所述半导体开关元件的阈值电压以下时利用第一放电单元来切断。

3.如权利要求1所述的点火器用功率半导体装置，其特征在于，所述控制端子电压监视单元，在所述控制端子电压成为所述第二放电单元中开始做切断动作时的电压以上时利用第一放电单元来切断。

4.一种点火器用功率半导体装置，具有对点火线圈的初级电流进行通电/切断的半导体开关元件和驱动控制所述半导体开关元件的集成电路，其特征在于，

所述集成电路包括：

第一放电单元，在正常动作时，使蓄积在所述半导体开关元件的控制端子的电荷放电而切断，以使所述点火线圈的次级一侧产生火花塞跳火电压；

第二放电单元，当检测到异常状态时，比所述第一放电单元缓慢地使蓄积在所述半导体开关元件的控制端子的电荷放电而切断，以使所述点火线圈的次级电压成为火花塞跳火电压以下；以及

控制端子电压监视单元，当所述第二放电单元中进行所述半导体开关元件的切断动作时，监视所述半导体开关元件的控制端子电压，在成为既定电压以上时利用所述第一放电单元来切断所述半导体开关元件。

5.一种点火器用功率半导体装置，具有对点火线圈的初级电流进行通电/切断的半导体开关元件和驱动控制所述半导体开关元件的集成电路，其特征在于，

所述集成电路包括：

第一放电单元，在正常动作时，使蓄积在所述半导体开关元件的控制端子的电荷放电而切断，以使所述点火线圈的次级一侧产生火花塞跳火电压；

第二放电单元，当检测到异常状态时，比所述第一放电单元缓慢地使蓄积在所述半导体开关元件的控制端子的电荷放电而切断，以使所述点火线圈的次级电压成为火花塞跳火电压以下；以及

漏电流补偿单元，当所述第二放电单元中进行所述半导体开关元件的切断动作时，将泄漏到所述控制端子的漏电流分流到基准电源电位(GND)，防止所述控制端子电压的上升。

6.如权利要求1～5任意一项所述的点火器用功率半导体装置，其特征在于，

所述第一放电单元具有在所述半导体开关元件的控制端子与基准电源电位间连接的第一电阻，

所述第二放电单元具有在所述半导体开关元件的控制端子与基准电源电位间连接且电阻值大于所述第一电阻的第二电阻。

7.如权利要求1～5任意一项所述的点火器用功率半导体装置，其特征在于，

所述第一放电单元具有在所述半导体开关元件的控制端子与基准电源电位间连接的第一电阻，

所述第二放电单元具有在所述半导体开关元件的控制端子与基准电源电位间连接且输出电流值小于流过所述第一电阻的放电电流的恒流源。