DE112015006836T5 - Steuerschaltung für ein Halbleiterschaltelement und Halbleitervorrichtung - Google Patents

Steuerschaltung für ein Halbleiterschaltelement und Halbleitervorrichtung Download PDF

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Koji Yamamoto
Atsunobu Kawamoto
Shinsuke GODO
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Abstract

Eine Steuerschaltung für ein Halbleiterschaltelement umfasst einen Steueranschluss, einen Hauptelektrodenanschluss, und einen Strommessanschluss, und steuert das Halbleiterschaltelement, das eine Diode umfasst, die mit dem Hauptelektrodenanschluss oder dem Strommessanschluss verbunden ist. Die Steuerschaltung umfasst eine Überhitzungserkennungsschaltung, eine Stromerkennungsschaltung, und eine Unterbrechungsschaltung. Die Überhitzungserkennungsschaltung gibt ein Überhitzungserkennungssignal aus, wenn eine Temperatur, die basierend auf einem Ausgang der Diode ermittelt wird, gleich oder höher ist, als eine vordefinierte Soll-Temperatur. Die Stromerkennungsschaltung gibt ein Stromerkennungssignal aus, wenn ein Ausgangswert des Strommessanschlusses gleich oder größer ist, als ein vordefinierter Soll-Stromwert. Die Unterbrechungsschaltung schaltet das Halbleiterschaltelement ab, wenn sowohl das Überhitzungserkennungssignal der Überhitzungserkennungsschaltung, als auch das Stromerkennungssignal der Stromerkennungsschaltung anliegt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für ein Halbleiterschaltelement und eine Halbleitervorrichtung.
  • Hintergrund
  • Wie zum Beispiel in JP 2011-124269 A offenbart, ist eine Zündhalbleitervorrichtung zur Steuerung eines Halbleiterschaltelements, welches an- und abgeschaltet wird, um eine Zündkerze eines Verbrennungsmotors zu zünden, allgemein bekannt. In der in JP 2011 - 124269 A offenbarten Vorrichtung wird die Temperatur des Halbleiterschaltelements ermittelt, indem ein Stromsignal zum Schutz vor Überhitzung eingesetzt wird, welches durch eine Diode mittels Nutzung der Temperaturcharakteristik der Diode gewonnen wird.
  • Zitierliste
  • Patentliteratur
    • [PTL 1] JP 2011-124269 A
    • [PTL 2] WO 2012/077187
  • Technisches Problem
  • Eine Zündanlage für einen Verbrennungsmotor, wie einen Fahrzeugmotor, umfasst eine Spule (induktive Last; im Weiteren auch als „L-Last“ bezeichnet) zur Erzeugung einer Hochspannung, die an eine Zündkerze angelegt wird. Wenn die Temperatur des Halbleiterschaltelements basierend auf einem elektrischen Signal ermittelt wird, welches mittels einer Diode gewonnen wird, wird aufgrund der vorhandenen induktiven Last ein Verschiebungsstrom (sogenanntes L-Lastrauschen) in der Diode in Verbindung mit dem Einschaltvorgang des Halbleiterschaltelements erzeugt. Dieses L-Lastrauschen kann zu einer fehlerhaften Temperaturermittlung führen, welche das Problem verursacht, dass in Verbindung mit der fehlerhaften Temperaturermittlung ein unnötiger Überhitzungsschutz ausgeführt wird.
  • Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um das oben genannte Problem zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuerschaltung für ein Halbleiterschaltelement und eine Halbleitervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Ausführung eines unnötigen Überhitzungsschutzes aufgrund einer fehlerhaften Temperaturermittlung verhindert.
  • Lösung des Problems
  • Eine Steuerschaltung für ein Halbleiterschaltelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wobei die Steuerschaltung einen Steueranschluss, einen Hauptelektrodenanschluss und einen Strommessanschluss umfasst und eingerichtet ist, das Halbleiterschaltelement, das eine Diode umfasst, die mit dem Hauptelektrodenanschluss oder dem Strommessanschluss verbunden ist, zu steuern, die Steuerschaltung umfassend:
    • eine Überhitzungserkennungsschaltung, die eingerichtet ist, ein Überhitzungserkennungssignal zu erzeugen, wenn eine Temperatur, basierend auf einem Ausgang der Diode, gleich oder höher ist, als eine vordefinierte Soll-Temperatur;
    • eine Stromerkennungsschaltung, die eingerichtet ist, ein Stromerkennungssignal zu erzeugen, wenn ein Ausgangswert des Strommessanschlusses gleich oder größer ist, als ein vordefinierter Soll-Stromwert; und
    • eine Unterbrechungsschaltung, die eingerichtet ist, das Halbleiterschaltelement abzuschalten, wenn sowohl das Überhitzungserkennungssignal der Überhitzungserkennungsschaltung, als auch das Stromerkennungssignal der Stromerkennungsschaltung anliegt.
  • Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, die einen Strom steuert, der veranlasst wird, durch eine induktive Last zu fließen, um eine Zündkerze eines Verbrennungsmotors zu erregen, die Halbleitervorrichtung umfassend:
    • ein Halbleiterschaltelement umfassend einen Hauptelektrodenanschluss und einen Strommessanschluss, wobei der Hauptelektrodenanschluss mit der induktiven Last verbunden ist;
    • eine Diode, die mit dem Hauptelektrodenanschluss oder dem Strommessanschluss verbunden ist;
    • eine Überhitzungserkennungsschaltung, die eingerichtet ist, ein Überhitzungserkennungssignal auszugeben, wenn eine ermittelte Temperatur, die auf einem Ausgang der Diode basiert, gleich oder höher ist, als eine vordefinierte Soll-Temperatur;
    • eine Stromerkennungsschaltung, die eingerichtet ist, ein Stromerkennungssignal auszugeben, wenn ein Ausgangswert des Strommessanschluss gleich oder größer ist, als ein vordefinierter Soll-Stromwert; und
    • eine Unterbrechungsschaltung, die eingerichtet ist, das Halbleiterschaltelement abzuschalten, wenn sowohl das Überhitzungserkennungssignal der Überhitzungserkennungsschaltung, als auch das Stromerkennungssignal der Stromerkennungsschaltung anliegt.
  • Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Feststellung, ob ein Überhitzungsschutz notwendig ist oder nicht, basierend auf einem Überhitzungserkennungssignal und einem Stromerkennungssignal durchgeführt. Dadurch ist es möglich, das Halbleiterschaltelement nur dann abzuschalten, wenn eine bestimmte Menge des Laststroms zum Halbleiterschaltelement fließt und wenn festgestellt wird, dass das Halbleiterschaltelement eine abnormale Temperatur erreicht hat. Demzufolge kann das Ausführen eines unnötigen Überhitzungsschutzes verhindert werden, selbst wenn das Überhitzungserkennungssignal unbeabsichtigt ausgegeben wird.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Diagramm, das eine Zündhalbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 2 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der Zündhalbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 3 ist ein Diagramm, das die Steuerschaltung des Schaltelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 4 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der Steuerschaltung des Schaltelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 5 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen dem Strombegrenzungswert und der Elementtemperatur in der Steuerschaltung des Schaltelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Überhitzungserkennungsschaltung, die in der Steuerschaltung des Schaltelements enthalten ist, gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 7 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel der Stromerkennungsschaltung, die in der Steuerschaltung des Schaltelements enthalten ist, gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Stromerkennungsschaltung in der Steuerschaltung des Schaltelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 9 ist ein Diagramm, das die Steuerschaltung des Schaltelements gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 10 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Strombegrenzungswert und der Temperatur in der Steuerschaltung des Schaltelements gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 11 ist ein Diagramm, das die Steuerschaltung des Schaltelements gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 12 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Strombegrenzungswert und der Temperatur in der Steuerschaltung des Schaltelements gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 13 ist ein Diagramm, das das Schaltelement gemäß einem modifizierten Beispiel veranschaulicht, welches auf die erste bis dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anwendbar ist.
    • 14 ist ein Diagramm, das eine Steuerschaltung des Schaltelements gemäß dem Stand der Technik in Bezug zu den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Zusammenhangs zwischen dem Sättigungssperrstrom der Diode und der Temperatur der Diode in Bezug zu den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 16 ist ein Diagramm, das eine Steuerschaltung eines Halbleiterschaltelements gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 17 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der Steuerschaltung des Schaltelements gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 18 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Überhitzungserkennungsschaltung, die in der Steuerschaltung enthalten ist, gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 19 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Stromerkennungsschaltung, die in der Steuerschaltung enthalten ist, gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Herkömmliche Probleme mit Zündanlagen
  • Die folgenden Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren und einen Schaltungsmodus zur Verhinderung einer Verkürzung der Lebensdauer eines Halbleiterschaltelements (im Folgenden vereinfacht auch als „Schaltelement“ bezeichnet), wenn ein Schaltelement, das eine induktive Last in einer Zündanlage für einen Verbrennungsmotor ansteuert, eine abnormale Temperatur erreicht.
  • Zum Beispiel offenbart JP 2011-124269 A eine Zündanlage für einen Verbrennungsmotor, wie einen Fahrzeugmotor. JP 2011-124269 A schlägt eine Überhitzungsschutzschaltung zur Unterbrechung eines Schaltelements vor, wenn das Schaltelement abnormale Wärme verursacht, so dass eine Verkürzung der Lebensdauer des Schaltelements verhindert wird. Der in JP 2011-124269 A offenbarte Überhitzungsschutz in der Zündanlage besitzt jedoch die folgenden zu lösende Probleme.
  • Verfahren zur Unterbrechung oder Abschaltung eines Schaltelements umfassen sogenannte sanfte Unterbrechungen und harte Unterbrechungen. Die „sanfte Unterbrechung“ ist ein Unterbrechungsverfahren zur graduellen Reduzierung eines Laststroms nach null, oder zur moderaten Reduzierung des Stroms, wobei die „harte Unterbrechung“ ein Verfahren zur Zwangsunterbrechung des Stroms ist, der durch das Schaltelement fließt, oder zur schnellen Unterbrechung des Stroms. In der Zündanlage wird bevorzugt eine sanfte Unterbrechung zur Unterbrechung des Schaltelements ausgeführt, wenn eine Überhitzung ermittelt wird. Dies liegt darin begründet, dass bei der Ausführung der harten Unterbrechung der Laststrom zu einem Zeitpunkt unterbrochen wird, der keinen Bezug zu einem Zündsignalzeitpunkt besitzt, welcher im Allgemeinen von einem Motorsteuerungsrechner gesteuert wird, und somit ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass die Zündkerze zu einem Zeitpunkt erregt wird, der von einem ordnungsgemäßen Motorzündzeitpunkt abweicht.
  • Der in JP 2011-124269 A offenbarte Zündleistungshalbleiter besitzt in diesem Zusammenhang eine „Strombegrenzungsfunktion“ zur Begrenzung des Laststroms auf einen vorläufigen Soll-Strombegrenzungswert, und nutzt diese „Strombegrenzungsfunktion“ zum Zweck der Verhinderung einer fehlerhaften Zündung zu einem unnötigen Zeitpunkt und zum Selbstschutz des Schaltelements. Insbesondere wird der Zeitpunkt zur Unterbrechung des Laststroms auf den Zündzeitpunkt abgestimmt, was im Allgemeinen durch den Motorsteuerungsrechner gesteuert wird, und ein Strombegrenzungswert wird in Abhängigkeit der Temperatur reduziert, wenn eine abnormale Wärmeentwicklung auftritt, wodurch ein Joule-Verlust verhindert wird und wodurch die Menge der erzeugten Wärme unterdrückt wird. Wenn eine abnormale Hitzeentwicklung kontinuierlich auftritt und die Temperatur kontinuierlich steigt, wird der Strombegrenzungswert graduell in Abhängigkeit der Temperatur verringert. Ein solches Verfahren verhindert das Auftreten einer fehlerhaften Zündung zu einem Zeitpunkt, der von dem ursprünglich beabsichtigten Zeitpunkt abweicht und verhindert das Auftreten eines Leistungsverlustes während einer abnormalen Wärmeentwicklung, wodurch ein Selbstschutz des Schaltelements ermöglicht wird.
  • Wenn der Überhitzungsschutz jedoch nur mittels des Verfahrens zur Reduzierung des Strombegrenzungswertes umgesetzt wird, ist es möglich nur solche Maßnahmen zu ergreifen, durch die der Strombegrenzungswert reduziert wird, selbst wenn die abnormale Wärmeentwicklung übermäßig ausfällt und eine Notwendigkeit zur Durchführung einer schnellen Unterbrechung vorliegt. Dementsprechend besteht die Möglichkeit, dass ein ausreichender Schutz nicht zur Verfügung steht. Deshalb stellen die folgenden Ausführungsformen eine Zündhalbleitervorrichtung zur Verfügung, die eine Überhitzungsschutzvorrichtung zur raschen Durchführung einer Unterbrechung bei der Feststellung einer abnormalen Temperatur umfasst, indem die Temperaturcharakteristik eines Sättigungssperrstroms einer Diode verwendet wird.
  • Erste Ausführungsform
  • [Konfiguration der Vorrichtung der ersten Ausführungsform]
  • 1 ist ein Diagramm, das eine Zündhalbleitervorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 2 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der Zündhalbleitervorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Eine Zündanlage (induktive Zündanlage) für einen Verbrennungsmotor, wie einen Fahrzeugmotor, wie in 1 veranschaulicht, enthält alle Komponenten zur Erzeugung einer Hochspannung, die an eine Zündkerze 7 angelegt wird. Diese Zündanlage umfasst konkret einen Transformator 6, der eine Zündspule ist (induktive Last; im Weiteren auch als „L-Last“ bezeichnet), die Halbleitervorrichtung 10, die eine sogenannte Zündung zur Steuerung eines Stroms ist, der veranlasst wird, durch den Transformator 6 zu fließen, eine elektronische Steuereinheit (ECU) 3 zur Motorsteuerung, die einen Rechner umfasst, und eine Treiberschaltung 4 die zwischen der ECU 3 und einer Steuerschaltung 1 angeordnet ist. Die Halbleitervorrichtung 10 umfasst ein Halbleiterschaltelement 5 (im Weiteren vereinfacht auch als „Schaltelement 5“ bezeichnet), das mit dem Transformator 6 verbunden ist, und die Steuerschaltung 1, die ein EIN/AUS des Schaltelements 5 steuert (d.h., Leitung und Unterbrechung).
  • Die Halbleitervorrichtung 10 umfasst das Schaltelement 5, das einen Gate-Anschluss G umfasst, welcher ein Steueranschluss ist, einen Kollektor-Anschluss C und einen Emitter-Anschluss E, die Hauptelektrodenanschlüsse sind, eine Diode Ds2, die eine Anode besitzt, die mit dem Emitter-Anschluss E des Schaltelements 5 verbunden ist, und die Steuerschaltung 1, die ein Signal von der Treiberschaltung 4 empfängt und das Schaltelement 5 steuert. Die Diode Ds2 ist eine temperaturempfindliche Diode, deren Ausgang eine entsprechende Temperatur anzeigt. Die Steuerschaltung 1 empfängt über die Treiberschaltung 4 ein Steuersignal von der ECU 3, die ein Steuerrechner ist. Ein Treiberspannungssignal Von wird von der Treiberschaltung 4 in die Steuerschaltung 1 eingespeist.
  • Ein IGBT (insulated gate bipolar transistor) 5a wird eingesetzt, der eine Hauptkomponente des Schaltelements 5 ist und als Elektrodenanschlüsse nicht nur die allgemeinen Anschlüsse, wie den Kollektor-Anschluss C, den Emitter-Anschluss E, und den Gate-Anschluss G umfasst, sondern auch einen Strommessanschluss SE, durch den ein kleiner Messstrom Isense fließt, der proportional zu einem Kollektorstrom Ic ist. Ein Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom Ic und dem Messstrom Isense ist zum Beispiel ungefähr 1/1000, und der Messstrom ist klein. Als das Schaltelement 5 wird zum Beispiel ein Schaltelement eingesetzt, das eine Zener-Klemmdiode Ds0 und eine Diode Ds2, als auch den IGBT 5a umfasst. Das Schaltelement 5 ist mit einer Primärwicklung 6a des Transformators 6 verbunden, und eine Sekundärwicklung 6b des Transformators 6 ist mit der Zündkerze 7 verbunden. In der Ausführungsform ist die Diode Ds2 im Schaltelement 5 angeordnet, aber in einem modifizierten Beispiel kann die Diode Ds2 extern an das Schaltelement 5 angebunden werden, oder kann beispielsweise in der Steuerschaltung 1 angeordnet werden. Das Schaltelement 5 kann eine Konfiguration besitzen, in der der IGBT 5a und die Diode Ds2, die ein temperaturempfindliches Element zur Ermittlung der Temperatur des IGBT 5a ist, in demselben Substrat ausgebildet sind. Wie im Schaltdiagramm veranschaulicht, kann eine Zener-Diode als Diode Ds2 eingesetzt werden, oder es kann zum Beispiel eine Schottky-Diode eingesetzt werden. Das Schaltelement 5 umfasst einen Temperaturmessanschluss TSD, der mit der Kathode der Diode Ds2 verbunden ist. Ein Sättigungssperrstrom Is3 der Diode Ds2 fließt durch den Temperaturmessanschluss TSD. Basierend auf dem Sättigungssperrstrom Is3 wird die Temperatur des Schaltelements 5 (konkret eine Elementtemperatur Tigbt, die die Temperatur des IGBT 5a darstellt) ermittelt.
  • In der ersten Ausführungsform wird der IGBT als Hauptkomponente des Schaltelements 5 verwendet. Statt des IGBT kann jedoch auch ein MOSFET, der einen Strommessanschluss umfasst, in einem anderen, modifizierten Beispiel eingesetzt werden. Als Halbleitermaterial kann nicht nur Silicium, sondern auch ein Halbleiter mit breitem Bandabstand eingesetzt werden. Als Halbleiter mit breitem Bandabstand kann ein Siliciumcarbid (SiC), ein Galliumnitrid basierendes Material (GaN), oder Diamant eingesetzt werden.
  • Der Transformator 6 ist eine Zündspule. Im Transformator 6 ist eine Spannungsversorgung Vp, wie eine Batterie, mit einem Ende der Primärwicklung 6a verbunden, und eine Halbleitervorrichtung 10 (konkret der Kollektor-Anschluss C des Schaltelements 5) ist mit dem anderen Ende der Primärwicklung 6a verbunden. Auf ähnliche Weise ist ein Ende der Sekundärwicklung 6b mit der Spannungsversorgung Vp verbunden, und die Zündkerze 7, deren eines Ende an Masse angeschlossen ist, ist mit dem anderen Ende der Sekundärwicklung 6b verbunden. Das Schaltelement 5 kann einen Primärseitenstrom für den Transformator 6 (Zündspule) bereitstellen oder unterbrechen.
  • Die ECU 3 und die Treiberschaltung 4 sind mit GND_ECU verbunden, was eine Masse des Steuersystems ist. Auf der anderen Seite sind die Steuerschaltung 1, das Schaltelement 5 und dergleichen mit GND_PW verbunden, was eine Masse des Spannungsversorgungssystems ist.
  • Eine grundlegende Betriebssequenz der Halbleitervorrichtung 10 wird beschrieben. Zunächst wird ein ON-Signal von der ECU 3 durch die Treiberschaltung 4 zur Steuerschaltung 1 übertragen. Wenn das ON-Signal in die Steuerschaltung 1 eingespeist wird, wird das ON-Signal zum Gate-Anschluss G des IGBT 5a übertragen, der als Hochleistungshalbleiterschaltelement arbeitet. Wenn der IGBT 5a angesteuert wird, fließt ein Strom zum Transformator 6, d.h. zur induktiven Last (L-Last). Zu einem Zündzeitpunkt wird ein OFF-Signal in den Gate-Anschluss G eingespeist, sodass der IGBT 5a abgeschaltet wird. Wenn der IGBT 5a unterbrochen wird, erhöht sich eine Kollektor-Emitter-Spannung Vce auf ungefähr 500 V, wodurch die Erregung einer Hochspannung V2 in der Sekundärwicklung 6b des Transformators 6 ermöglicht wird. Wie im Zeitdiagramm von 2 veranschaulicht, ist V2 generell gleich oder höher als -30 kV.
  • Ein in 2 veranschaulichtes Zeitdiagramm wird unten beschrieben.
    1. (1) Wenn das ON-Signal an den Gate-Anschluss G angelegt wird, wird der IGBT 5a eingeschaltet.
    2. (2) Wie in 2 veranschaulicht, fließt der Laststrom Ic entsprechend einer Zeitkonstante, die durch die Induktivität und den Drahtwiderstand der L-Last festgelegt ist.
    3. (3) Zu einem Zeitpunkt Tig, an dem die Zündung eines Treibstoffes beabsichtigt ist, wird das am Gate-Anschluss G anliegende Signal abgeschaltet.
    4. (4) Ein Gate-Treibersignal, das am IGBT 5a anliegt, wird ebenfalls abgeschaltet und der Laststrom Ic wird unterbrochen.
    5. (5) Die Stromunterbrechung induziert eine Änderung der Flussverkettung im Transformator 6, und induziert zudem eine Hochspannung in Abhängigkeit des Wicklungszahlverhältnisses der Sekundärseite. Dadurch wird eine Funkenentladung an der Zündkerze 7 im Motorzylinder erzeugt.
  • Ein Bereich, der durch eine gestrichelte Linie X1 in 2 umschlossen ist, ist ein Bereich, in dem die „Strombegrenzungsfunktion“ durch die „Strombegrenzungsschaltung 19“ aktiviert wird, die später beschrieben wird. In diesem Bereich X1, wird ein großer Joule-Verlust im Schaltelement 5 erzeugt.
  • Um einen Durchbruch der Transformatorwicklung zu verhindern, wird im Allgemeinen eine Zener-Klemmdiode Ds0 auf eine solche Art zwischen C und G angeordnet, dass Vce auf ungefähr 500 V begrenzt wird.
  • In der Halbleitervorrichtung 10, die in 1 veranschaulicht ist, variiert der Wert des Laststroms Ic in Abhängigkeit einer Ein-Zeit eines Steuersignals und einer Spannung Vp. Die Halbleitervorrichtung 10 ist eingerichtet, die „Strombegrenzungsfunktion“ zur Begrenzung des Stroms so zu aktivieren, dass der Strom veranlasst wird, auf einem bestimmten Niveau zu verweilen, wenn der Laststrom Ic einen bestimmten Wert erreicht, oder darüber hinaus geht. Die Strombegrenzungsfunktion ist eine Schutzfunktion, die verhindert, dass eine bestimmte Menge oder mehr des Laststroms Ic fließt. Diese Funktion wird eingesetzt, um das Risiko eines Durchschmelzens der Wicklung des Transformators 6 oder einer magnetischen Sättigung des Transformators 6 zu vermeiden. Konkret ist es entsprechend der Strombegrenzungsfunktion der Halbleitervorrichtung 10 möglich, ein Durchschmelzen der Wicklung aufgrund eines Überstroms und eine Entmagnetisierung des Magnets zur Anpassung des Widerstands (magnetischer Widerstand) des Transformators 6 zu verhindern, und die magnetische Sättigung eines Kernmaterials zu verhindern. Ein Soll-Wert zur Feststellung eines maximal erlaubten Stromwertes in der Strombegrenzungsfunktion wird auch als „Strombegrenzungswert Ilm“ bezeichnet. Der Strombegrenzungswert Ilm kann auf einen Wert wie 10 A oder 14 A gesetzt werden. Wenn der Laststrom Ic des Schaltelements 5 den Strombegrenzungswert Ilm erreicht und eine Steuerung ausgeführt wird, um das Fließen eines Stroms größer als der Strombegrenzungswert zu verhindern, wird die Gate-Spannung des IGBT 5a reduziert. Dies entspricht einer negativen Rückkopplungssteuerung durch die Ic Ermittlung.
  • [Konfiguration der Steuerschaltung der ersten Ausführungsform]
  • 3 ist ein Diagramm, das die Steuerschaltung 1 des Schaltelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Steuerschaltung 1 umfasst: eine Schmitt-Trigger-Schaltung B1, die eine Wellenform eines Eingangssignals formt, das der ECU 3 zugeführt wird; eine Einschaltverzögerungsschaltung 13, die ein Steuersignal EST ausgibt, welches durch das Hinzufügen einer vordefinierten Verzögerung zum Ausgang der Schmitt-Trigger-Schaltung B1 gewonnen wird; einen PMOSFET 41, der ein Gate besitzt, das das Steuersignal EST empfängt; und einen Inverter INV1, der das Steuersignal EST invertiert und das invertierte Signal an einen Reset-Anschluss R der Latch-Schaltung 14 ausgibt. Jedes Schaltungselement in der Steuerschaltung 1 wird mit einer Steuerspannung Vreg versorgt und wird unter Einsatz der Steuerspannung betrieben.
  • Die Steuerschaltung 1 umfasst eine erste Stromspiegelschaltung, die sich aus einem PMOSFET 44 und einem PMOSFET 45, einem Widerstand Rg1, einem Erkennungswiderstand Rs1 und einem NMOSFET 71 zusammensetzt. Ein Ende des Widerstands Rg1 ist mit einem Knoten zwischen dem Gate-Anschluss G des IGBT 5a und dem PMOSFET 45 verbunden, und das andere Ende des Widerstands Rg 1 ist mit einer Masse verbunden. Ein Ende des Erkennungswiderstands Rs1 ist mit dem Strommessanschluss SE verbunden, und das andere Ende des Erkennungswiderstands Rs1 ist mit dem Emitter-Anschluss E verbunden. Ein Ausgangssignal des Inverters INV1 wird an das Gate des NMOSFET 71 angelegt, und der Emitter-Anschluss E und der Gate-Anschluss G sind über den Widerstand Rg2 verbunden, wenn der NMOSFET 71 elektrisch verbunden ist. Die erste Stromspiegelschaltung erzeugt einen ersten Spiegelstrom Ig2 mittels Duplizierung eines ersten Eingangsstroms Ig1, und verwendet den ersten Spiegelstrom Ig2 als einen Signaleingang am Gate-Anschluss G des Schaltelements 5.
  • Die Steuerschaltung 1 umfasst zusätzlich eine Strombegrenzungsschaltung 19, eine Überhitzungserkennungsschaltung 16, eine Stromerkennungsschaltung 18 und eine Unterbrechungsschaltung 11. Konkret umfasst die Steuerschaltung 1 die Überhitzungserkennungsschaltung 16 zur Durchführung einer Temperaturermittlung basierend auf der Diode Ds2. Die Überhitzungserkennungsschaltung 16 ermittelt die Temperatur des Schaltelements 5, und gibt in Abhängigkeit der Temperatur ein Überhitzungserkennungssignal OT aus. Konkret, wenn die Temperatur, die basierend auf dem Ausgang der Diode Ds2 ermittelt wird, gleich oder höher ist, als eine vordefinierte Soll-Temperatur, gibt die Überhitzungserkennungsschaltung 16 das Überhitzungserkennungssignal OT aus. Die Steuerschaltung 1 umfasst die Stromerkennungsschaltung 18. Die Stromerkennungsschaltung 18 überwacht den Laststrom Ic des Schaltelements 5, und gibt entsprechend dem Laststrom Ic ein Signal aus. Konkret empfängt die Stromerkennungsschaltung 18 Isense. Die Stromerkennungsschaltung 18 ermittelt ein Strom proportional zum Laststrom Ic, basierend auf dem Strom Isense, und gibt ein Stromerkennungssignal Enable aus, das vom Laststrom Ic abhängt, der durch das Schaltelement 5 fließt. Wenn der Ausgangswert des Strommessanschlusses SE gleich oder größer ist, als der vordefinierte „Soll-Stromwert“, gibt die Stromerkennungsschaltung 18 das Stromerkennungssignal Enable aus.
  • Die Anode der Diode Ds2 ist mit dem Emitter-Anschluss E des Schaltelements 5 verbunden, und die Kathode der Diode Ds2 ist mit der oben beschriebenen Überhitzungserkennungsschaltung 16 verbunden. Ein Ende der Stromerkennungsschaltung 18 ist mit einem Knoten zwischen dem Erkennungswiderstand Rs1 und dem Strommessanschluss SE des Schaltelements 5 verbunden.
  • Bei einem Empfang sowohl des Überhitzungserkennungssignals OT der Überhitzungserkennungsschaltung 16, als auch des Stromerkennungssignals Enable der Stromerkennungsschaltung 18, schaltet die Unterbrechungsschaltung 11 das Schaltelement 5 ab. Demnach unterbricht die Unterbrechungsschaltung 11 den durch das Schaltelement 5 fließenden Laststrom, wenn der durch das Schaltelement 5 fließende Laststrom gleich oder größer ist, als ein vordefinierter Soll-Strom und die durch die Diode Ds2 ermittelte Temperatur gleich oder höher ist, als eine vordefinierte Soll-Temperatur. Konkret reduziert die Unterbrechungsschaltung 11 den ersten Eingangsstrom Ig1, um dadurch das Schaltelement 5 abzuschalten.
  • Die Unterbrechungsschaltung 11 umfasst eine AND-Schaltung 12, eine Latch-Schaltung 14, und einen PMOSFET 48. Die AND-Schaltung 12 berechnet ein logisches AND des Überhitzungserkennungssignals OT und des Stromerkennungssignals Enable. Die Latch-Schaltung 14 latcht einen Ausgangswert (Qbar, deutsch: Q invertiert) im Ansprechen auf eine Änderung des Ausgangs der AND-Schaltung 12. Der PMOSFET 48 ist ein Schaltelement, das im Ansprechen auf den Ausgangswert der Latch-Schaltung 14 arbeitet, um dadurch den ersten Eingangsstrom IG1 zu reduzieren. Genauer werden die Ausgänge der Stromerkennungsschaltung 18 und der Überhitzungserkennungsschaltung 16 in die AND-Schaltung 12 eingespeist. Ein Ausgangssignal OUTA der AND-Schaltung 12 wird in einen Set-Anschluss S der Latch-Schaltung 14 eingespeist. Der Reset-Anschluss R der Latch-Schaltung 14 ist mit einem Ausgang des Inverters INV1 verbunden. Ein Q-bar-Anschluss Qbar der Latch-Schaltung 14 ist mit dem Gate des PMOSFET 48 verbunden. Wenn sowohl das Überhitzungserkennungssignal OT, als auch das Stromerkennungssignal Enable ausgegeben wird, steuert die Latch-Schaltung 14 das Schaltelement dauerhaft an, um das Schaltelement 5 in einem Aus-Zustand zu halten. Sobald eine Überhitzung durch die Latch-Schaltung 14 ermittelt wurde, kann der Überhitzungsschutz im Anschluss fortgeführt werden, bis das Steuersignal EST abgeschaltet wird.
  • Die Strombegrenzungsschaltung 19 umfasst einen Verstärker 22, eine Spannungs-Stromwandlerschaltung 20, eine Konstantstromquelle I_base, und eine zweite Stromspiegelschaltung, die sich aus den PMOSFETs 42 und 43 zusammensetzt. Die zweite Stromspiegelschaltung dupliziert einen zweiten Eingangsstrom If1, der durch den PMOSFET 43 fließt, um einen zweiten Spiegelstrom If2 zu erzeugen, der durch den PMOSFET 42 fließt. Die Konstantstromquelle I_base ist mit einem Knotenpunkt zwischen dem zweiten Spiegelstrom If2 und dem ersten Eingangsstrom Ig1 verbunden. Die Strombegrenzungsschaltung 19 passt den zweiten Eingangsstrom If1 basierend auf der Spannung des Strommessanschlusses SE an, so dass der Laststrom Ic des Schaltelements 5 auf den Soll-Strombegrenzungswert Ilm begrenzt wird. Ein konkreter Betrieb wird später in Bezug zum Stand der Technik beschrieben, der in 14 veranschaulicht ist.
  • Die Anode der Diode Ds2 ist mit dem Emitter-Anschluss E verbunden, und die Kathode der Diode Ds2 ist mit der Überhitzungserkennungsschaltung 16 verbunden. Die Unterbrechungsschaltung 11 ermittelt eine Temperatur basierend auf dem Wert des Sättigungssperrstroms Is3, der durch die Kathode der Diode Ds2 fließt.
  • [Stand der Technik]
  • 14 ist ein Diagramm, das eine Steuerschaltung 401 des Schaltelements 5 gemäß dem Stand der Technik in Bezug zu den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Obwohl der Betrieb der Strombegrenzungsschaltung 19 hier aus Gründen der Einfachheit in Bezug zu 14 beschrieben wird, wird in der Strombegrenzungsschaltung 19, die in 3 veranschaulicht ist, ein ähnlicher Schaltungsbetrieb ausgeführt. Dementsprechend gilt die nachfolgende Beschreibung auch für die Steuerschaltung 1, da die Komponenten der Steuerschaltung 1 durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet werden, wie die der Steuerschaltung 401.
  • Die Begrenzung des Kollektorstroms Ic durch die Strombegrenzungsschaltung 19 wird nach folgendem Mechanismus umgesetzt. Der Messstrom Isense des IGBT 5a wird dem Erkennungswiderstand Rs1 in der Steuerschaltung 401 zugeführt, eine Messspannung Vsense, die dem Kollektorstrom Ic des IGBT 5a entspricht, wird im Erkennungswiderstand Rs1 erzeugt. Diese Messspannung Vsense wird mit dem Spannungswert einer Referenzspannungsquelle Vref durch den Verstärker 22 verglichen, und eine Spannung, die der Differenz dazwischen entspricht, wird in die Spannungs-Stromwandlerschaltung 20 eingespeist. Die Spannungs-Stromwandlerschaltung 20 gibt den Strom If1 entsprechend der Differenz zwischen der Messspannung Vsense und der Spannung der Referenzspannungsquelle Vref aus. Dieser Strom If1 wird zum zweiten Eingangsstrom If1, der der zweiten Stromspiegelschaltung zugeführt wird, die sich aus dem PMOSFET 42 und dem PMOSFET 43 zusammensetzt. Die zweite Stromspiegelschaltung gibt den zweiten Spiegelstrom If2 aus, der einem Spiegelverhältnis im Ansprechen auf den Eingang des zweiten Eingangsstroms If1 entspricht. Dieser zweite Spiegelstrom If2 wird im Folgenden auch als „Strombegrenzungssignal If2“ bezeichnet. Da das Strombegrenzungssignal If2 in eine Richtung arbeitet, in der der Strom Ig2 zur Erzeugung der Gate-Treiberspannung des IGBT 5a abnimmt, nimmt die Gate-Spannung ab, wenn das Strombegrenzungssignal If2 zunimmt, wodurch eine Zunahme des Kollektorstroms Ic gehemmt wird. Konkret arbeitet der Kollektorstrom Ic um einen negativen Rückkopplungsbetrieb als ein Gesamtsystem auszuführen, und somit ist der Kollektorstrom Ic auf einen bestimmten vordefinierten Wert begrenzt.
  • Konkret wird das Strombegrenzungssignal If2 durch den zweiten Eingangsstrom If1 erzeugt und fließt in die Referenzstromquelle (Konstantstromquelle) I_base, die eine Basisstromquelle ist. Einhergehend mit dem Zufluss des Strombegrenzungssignals If2 variiert der Eingangsstrom Ig1 der ersten Stromspiegelschaltung, die sich aus dem PMOSFET 44 und dem PMOSFET 45 zusammensetzt, so dass der Strom Ig2 der ersten Stromspiegelschaltung variiert und die die Gate-Spannung zu Ansteuerung des Schaltelements 5 ebenfalls variiert. Der Strom Ig2 nimmt ab, wenn der Laststrom Ic zunimmt, und somit nimmt die Spannung, die durch den Widerstand Rg1 erzeugt wird, ab. Dadurch wird die negative Rückkopplungssteuerung zur Verhinderung des Laststroms Ic umgesetzt. In diesem Fall besitzt der Widerstand Rg1 einen Widerstandwert einer Größenordnung von einigen zehn kΩ.
  • Im Stand der Technik, der in 14 veranschaulicht ist, umfasst die Steuerschaltung 401 zusätzlich eine Überhitzungsschutzschaltung 410. Die Überhitzungsschutzschaltung 410 umfasst eine Diode Ds1, die eine Anode besitzt, die mit dem Emitter-Anschluss E verbunden ist, und eine dritte Stromspiegelschaltung, die sich aus dem PMOSFET 46 und dem PMOSFET 47 zusammensetzt. Die Diode Ds1 ist darüber hinaus eine temperaturempfindliche Diode, deren Ausgang eine entsprechende Temperatur anzeigt. Die Kathode der Diode Ds1 ist mit einer Referenzseite der dritten Stromspiegelschaltung verbunden. Wie in der Strombegrenzungsfunktion oben beschrieben, arbeitet ein Ausgangsstrom Is2 der dritten Stromspiegelschaltung in eine Richtung, in der der Strom Ig2 zur Erzeugung der Gate-Treiberspannung des IGBT 5a zunimmt. Konkret, wenn eine abnormal hohe Temperatur ermittelt wird, nimmt der Strom Is2 zu, sobald der Sättigungssperrstrom Is3 der Diode Ds1 zunimmt, und der Strom Ig2 arbeitet in eine Richtung, in der der Strom Ig2 zur Ansteuerung des IGBT 5a abnimmt, wie in der Strombegrenzungsfunktion. Sobald die Temperatur ansteigt nimmt der Strom Ig2 ab. Dementsprechend bewirkt der Strom eine Begrenzung des Stroms der zum IGBT 5a fließt, auf einen Wert, der niedriger ist als der im Normalbetrieb. Mit anderen Worten wird der Laststrom Ic einhergehend mit einem Temperaturanstieg graduell verringert. Diesbezügliche Details sind in JP 2011-124269 A beschrieben, weshalb weitere Beschreibungen ausgelassen werden.
  • 15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Zusammenhangs zwischen dem Sättigungssperrstrom Is3 der Diode Ds2 und der Temperatur der Diode Ds2 in Bezug zu den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Der Sättigungssperrstrom der Schottky-Diode erhöht sich stark ab einer Überschreitung einer Temperatur von ungefähr 170°C, wie im Diagramm der Temperaturcharakteristik in 15 veranschaulicht. Eine Schottky-Diode, die eine ähnliche Charakteristik besitzt, wie diejenigen, die in 15 veranschaulicht sind, können als eine Diode Ds2 dieser Ausführungsform eingesetzt werden. Die Überhitzungserkennung gemäß der ersten Ausführungsform wird umgesetzt, indem der Sättigungssperrstrom Is3 der Diode Ds2 genutzt wird. Unter der Annahme, dass die Elementtemperatur Tigbt des IGBT 5a ansteigt, nimmt der Sättigungssperrstrom Is3 gemäß einer Temperaturcharakteristik ähnlich der, die in 15 veranschaulicht ist, zu.
  • In der ersten Ausführungsform kann ein modifiziertes Beispiel angewendet werden, bei dem die Temperaturermittlung durchgeführt wird, indem eine Durchlassspannung einer in Durchlassrichtung angeschlossenen Diode, zum Beispiel durch eine Umkehrung der Anschlussrichtung der Diode Ds2, verwendet wird. Aufgrund der hohen Stromabhängigkeit ist jedoch eine hochgenaue Steuerung des Stroms erforderlich, wenn die Temperaturermittlung mittels der Verwendung der Durchlassspannung der Diode durchgeführt wird. Andererseits, wenn die Temperaturermittlung wie in der ersten Ausführungsform durch die Verwendung des Sättigungssperrstroms der Diode Ds2 ausgeführt wird, besteht ein Vorteil darin, dass die Spannungsabhängigkeit niedrig ist, wenn die Diode mit einer Spannung betrieben wird, die gleich oder niedriger ist, als eine Durchbruch-Sperrspannung und somit besteht keine Notwendigkeit die hohe Genauigkeit der Spannung aufrechtzuerhalten, die an der Diode Ds2 anliegt.
  • [Betrieb der Schaltung der ersten Ausführungsform]
  • 4 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der Steuerschaltung 1 des Schaltelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Wie zu den Zeitpunkten t1 bis t3 in 4 gezeigt, wird das EIN-Signal zum Schaltelement 5 übertragen, wenn das Steuersignal EST eingeschaltet ist (high-Pegel in der Ausführungsform), und der IGBT 5a wird eingeschaltet. Wie zu den Zeitpunkten t2 und t7 gezeigt, wird ein Enable-Signal high, wenn der Laststrom Ic gleich oder größer ist, als ein vordefinierter Soll-Stromwert Ithen. Das Signal Ithen kann einen vordefinierten Stromwert wie 1 Ampere (1 A), oder einen vordefinierten Stromwert von weniger als 1 Ampere besitzen. Wie zum Zeitpunkt t4 gezeigt wird das Enable-Signal low, wenn der Laststrom Ic geringer ist, als der Strom Ithen. In diesem Fall wird ein Zustand, in dem das Enable-Signal high ist, ausgedrückt als „ein Zustand, in dem das Enable-Signal ausgegeben wird“. Wie in 4 veranschaulicht, wird der Soll-Stromwert Ithen auf einen Wert gesetzt, der kleiner ist, als der Strombegrenzungswert Ilm.
  • Zum Zeitpunkt t4 erreicht der Sättigungssperrstrom Is3 eine vordefinierte Schwelle. Diese Schwelle ist ein Überhitzungsunterbrechungs-Bestimmungsstrom Ithot, die in 4 veranschaulicht ist. Zu diesem Zeitpunkt, der durch das Bezugszeichen X2 gekennzeichnet ist, invertiert die Überhitzungserkennungsschaltung 16 den Ausgang, wodurch das Überhitzungserkennungssignal OT ausgegeben wird. Dadurch kann eine abnormal hohe Temperatur ermittelt werden. Konkret ist der Überhitzungsunterbrechungs-Bestimmungsstrom Ithot der Wert des Sättigungssperrstroms Is3, wenn die Elementtemperatur Tigbt eine Soll-Temperatur Tm1 erreicht (zum Beispiel 210°C).
  • Für den Fall, dass die Temperaturermittlung durchgeführt wird, indem der Sättigungssperrstrom Is3 der Diode Ds2 verwendet wird, wird ein Verschiebungsstrom 100 (auch als L-Lastrauschen 100 bezeichnet) durch die L-Last erzeugt, wenn das Schaltelement 5 eingeschaltet wird. Zu den Zeitpunkten t1 bis t2 und t6 bis t7 in 4 wird der Verschiebungsstrom 100 erzeugt. Zum Zeitpunkt t6 in 4 steigt das Überhitzungserkennungssignal OT aufgrund des Verschiebungsstroms 100 an (Bezugszeichen 101), obwohl die Elementtemperatur Tigbt niedrig ist. Auf diese Weise tritt eine fehlerhafte Temperaturermittlung in Verbindung mit dem L-Last-Rauschen 100 auf.
  • Dementsprechend überwacht der Erkennungswiderstand Rs1 in der ersten Ausführungsform den Laststrom Ic des Schaltelements 5, ein logisches AND (OUTA in 4) des Ausgangs (d. h., das Enable-Signal in 4), das vom Laststrom Ic abhängt und der Ausgang der Überhitzungserkennungsschaltung 16 wird als Ausgang zur Ermittlung einer Überhitzungsunterbrechung eingesetzt. Wie in 4 ab den Zeitpunkten t6 und t7 zu sehen ist, wird das logische AND OUTA nicht high, wenn das Enable-Signal nicht ausgegeben wird (d.h., wenn der Ausgang der Stromerkennungsschaltung 18 low ist), auch für den Fall, dass Ausgangsschwankungen 101 der Überhitzungserkennungsschaltung 16 durch den Verschiebungsstrom 100 erzeugt werden. Folglich arbeitet die Unterbrechungsschaltung 11 nicht. Dadurch kann ein fehlerhafter Betrieb aufgrund des L-Lastrauschen 100 im Anlauf des Schaltelements 5 verhindert werden. Konkret wird der Schutz (speziell der Schutz zur vollständigen Unterbrechung des Laststroms des Schaltelements 5) nur bereitgestellt, wenn der Laststrom Ic gleich oder größer ist, als ein vordefinierter Soll-Stromwert und eine abnormale Temperatur ermittelt wird. Der Begriff „Soll-Stromwert“ der hier beschrieben wird, bezieht sich zum Beispiel auf einen vordefinierten Wert wie 1 A, oder einen Wert, der kleiner ist als 1 A, und ist ein Wert zur Feststellung, dass ein Laststrom Ic einer bestimmten Größe zum Schaltelement 5 fließt.
  • Die oben beschriebene Strombegrenzungsfunktion wird zur Unterbrechung des Schaltelements 5 verwendet. Wenn festgestellt wird, dass die Temperatur abnormal ist und eine Notwendigkeit zur Bereitstellung des Schutzes besteht, wird der PMOSFET 48 eingeschaltet, um If3 zu ermöglichen, in die Referenzstromquelle (Konstantstromquelle) I_base zu fließen, die eine Basisstromquelle ist. Im Hinblick auf die Größe des Stroms wird jedoch der Zusammenhang If3 ≥ I_base hergestellt. Somit wird der Strom Ig 2 in der ersten Stromspiegelschaltung, die sich aus dem PMOSFET 44 und dem PMOSFET 45 zusammensetzt, auf 0 A herabgesetzt. Infolgedessen wird das Gate-Treibersignal (d.h., die Gate-Spannung) des Schaltelements 5 auf 0 V gedämpft, wodurch eine Abschaltung des Schaltelements 5 ermöglicht wird.
  • 5 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen dem Strombegrenzungswert und der Elementtemperatur in der Steuerschaltung 1 des Schaltelements, gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, veranschaulicht. Eine Charakteristik Cv0, die in 5 veranschaulicht ist, repräsentiert eine Temperaturabhängigkeit des Strombegrenzungswertes Ilm im oben beschriebenen Vergleichsbeispiel von 14. Demgegenüber repräsentiert eine in 5 veranschaulichte Charakteristik Cv1 eine Temperaturabhängigkeit des Strombegrenzungswertes Ilm in der ersten Ausführungsform. Verdeutlicht durch die durch einen Pfeil angezeigte Position X3, kann der Strombegrenzungswert Ilm schnell auf 0 A gedämpft werden, wenn die durch die Diode Ds2 ermittelte Temperatur die vordefinierte Soll-Temperatur Tm1 (zum Beispiel 210°C in der ersten Ausführungsform) erreicht.
  • Sobald die Latch-Schaltung 14 eine abnormale Temperatur ermittelt, wird der Schutz aufrechterhalten, bis das Steuersignal EST abgeschaltet wird. Dadurch wird bei einer Wiederholung der Überhitzungsunterbrechung und -wiederherstellung verhindert, dass der Laststrom Ic oszilliert. Der Begriff „Oszillation“ des Laststroms Ic wie hier beschrieben, bezieht sich auf eine Wiederholung von Unterbrechung und Wiederanlauf, wie Ermittlung einer abnormalen Temperatur → Gate-Signal AUS (d.h., Unterbrechung des Laststroms Ic) → Temperaturabfall → Gate-Signal EIN (d.h., Wiederanlauf) → Temperaturerhöhung → Ermittlung einer abnormalen Temperatur → Unterbrechung des Laststroms Ic.
  • Wenn eine abnormale Temperatur festgestellt wird, wird der Laststrom Ic rasch unterbrochen, wodurch es ermöglicht wird, eine verkürzte Lebensdauer des Schaltelements 5 zu verhindern.
  • Wenn das L-Lastrauschen (Verschiebungsstrom) 100 in Verbindung mit dem Betrieb des Schaltelements 5 erzeugt wird, besteht ein Risiko einer fehlerhaften Temperaturermittlung aufgrund der Diode Ds2. Wie jedoch gemäß der ersten Ausführungsform oben beschrieben, wird der Überhitzungsschutz (d.h. Zwangsabschalten des Schaltelements 5) nicht ausgeführt, sofern das Enable-Signal nicht erzeugt wird, selbst wenn das L-Lastrauschen 100 erzeugt wird. Konkret stellt die AND-Schaltung 12 in der ersten Ausführungsform fest, ob es erforderlich ist, den Überhitzungsschutz basierend auf dem Ergebnis einer logischen Operation auszuführen, oder nicht. Dementsprechend kann die Unterbrechung nur ausgeführt werden, wenn eine bestimmte Menge des Laststroms Ic fließt (d. h., der Laststrom Ic ist gleich oder größer als der vordefinierte Soll-Stromwert) und festgestellt wird, dass die Temperatur abnormal ist. Aufgrund dessen kann das Ausführen eines unnötigen Überhitzungsschutzes in Verbindung mit dem L-Lastrauschen 100 verhindert werden.
  • 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Überhitzungserkennungsschaltung, die in der Steuerschaltung 1 des Schaltelements enthalten ist, gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die in 6 veranschaulichte Überhitzungserkennungsschaltung 116 ist eine Schaltung, die als die in 3 veranschaulichte Überhitzungserkennungsschaltung 16 angewendet werden kann, und die einen Stromkomparator umfasst. Der Stromkomparator vergleicht einen erkennungsseitigen Strom Is4, der dem Sättigungssperrstrom der Diode Ds2 entspricht, mit dem Stromwert einer Referenzstromquelle (Konstantstromquelle) Iref1. Da die Charakteristik des Sättigungssperrstroms der Diode Ds2 zur Temperaturermittlung verwendet wird, wird bevorzugt ein Stromkomparator als Überhitzungserkennungsschaltung 116 eingesetzt, anstatt einen Spannungskomparator einzusetzen. Dies vermeidet den Bedarf einer I-V-Wandlerschaltung, anders als in dem Fall, in dem ein Spannungs-Komparator eingesetzt wird, der die Miniaturisierung der Schaltung ermöglicht.
  • In der Schaltung, die in 6 veranschaulicht ist, wird ein Strom, der durch Subtraktion des Sättigungssperrstroms Is3 von der Konstantstromquelle I_base2 (d.h., I_base2 - Is3) gewonnen wird, einem Widerstand Rd1, einer Schottky-Diode Dz1 und einer Reihenschaltung eines NMOSFET 74 zugeführt. Der Strom erzeugt eine Spannung Vd, die an der Diode Ds2 anliegt. Die Spannung Vd beträgt zum Beispiel 3 V. Der NMOSFET 74 und der NMOSFET 73 bilden eine vierte Stromspiegelschaltung. Der NMOSFET 73 ist mit einem PMOSFET 51 der fünften Stromspiegelschaltung verbunden, welche später beschrieben wird, und der gemeinsame erkennungsseitige Strom Is4 fließt dorthin.
  • Während der Sättigungssperrstrom Is3 einhergehend mit einem Temperaturanstieg ansteigt, nimmt die Spannung Vd ab. Die Spannungsabhängigkeit des Sättigungssperrstroms Is3 ist jedoch ausreichend kleiner, als die Temperaturabhängigkeit des Sättigungssperrstrom Is3 und ist somit vernachlässigbar.
  • Der Zusammenhang zwischen den Stromwerten der beiden Konstantstromquellen, die in der Überhitzungserkennungsschaltung 116 enthalten sind, wird durch I_ref1 < I_base2 dargestellt. Der Unterschied zwischen I_base2 und I_ref1 (I_base2 - I_ref1) entspricht der Überhitzungsermittlungsschwelle Ithot.
  • Wenn der Sättigungssperrstrom Is3 der Diode Ds2 einhergehend mit einer Temperaturerhöhung zunimmt, verringert sich der erkennungsseitige Strom Is4, der mit I_ref1 verglichen wird. Es gilt zu beachten, dass der Zusammenhang „Is4 ≈ I_base2 - Is3“ hergestellt wird.
  • In der fünften Stromspiegelschaltung, die sich aus einem PMOSFET 50 und einem PMOSFET 51 zusammensetzt, fließt der erkennungsseitige Strom Is4 zum PMOSFET 51 und ein Spiegelstrom, der mittels Duplizierung des erkennungsseitigen Stroms Is4 gewonnen wird, fließt zum PMOSFET 50. Ein Knoten zwischen dem PMOSFET 50 und der Konstantstromquelle I_ref1 entspricht einem Ausgang Vout1. Während des Normalbetriebs bleibt die Relation I_ref1 < Is4 erhalten, und dadurch ist der Ausgang Vout1 auf einem high-Pegel. Wenn jedoch eine abnormal hohe Temperatur ermittelt wird und der Sättigungssperrstrom Is3 der Diode Ds2 die Überhitzungsermittlungsschwelle Ithot überschreitet, wird die Relation I_ref1 > Is4 hergestellt und der Ausgang Vout1 ist auf einem low-Pegel. Der Ausgang Vout1 wird in eine CMOS-Schaltung eingespeist, die sich aus einem PMOSFET 49 und einem NMOSFET 72 zusammensetzt, und ein Ausgang der CMOS-Schaltung entspricht dem Überhitzungserkennungssignal OT. Dadurch kann die Überhitzungserkennung ausgeführt werden, wenn eine abnormale Temperatur festgestellt wird.
  • 7 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel der Stromerkennungsschaltung, die in der Steuerschaltung 1 des Schaltelements enthalten ist, gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Eine Stromerkennungsschaltung 118, die in 7 veranschaulicht ist, umfasst eine Spannungs-Stromwandlerschaltung 181, die eine Spannung, die einer Differenz zwischen der im Erkennungswiderstand Rs1 erzeugten Spannung und einer Referenzspannungsquelle Vref2 entspricht, in einen Strom wandelt, und einen Stromkomparator 182, der den durch die Spannungs-Stromwandlerschaltung 181 gewandelten Strom mit einem Stromwert einer Referenzstromquelle (Konstantstromquelle) I_ref2 vergleicht.
  • Die Stromerkennung durch die Stromerkennungsschaltung 118, die in 7 veranschaulicht ist, wir nach dem folgenden Mechanismus umgesetzt. Der Messstrom Isense des Schaltelements 5 wird dem Erkennungswiderstand Rs1 in der Steuerschaltung 1 zugeführt. Im Erkennungswiderstand Rs1 wird eine Spannung erzeugt, die proportional dem Laststrom Ic des Schaltelements 5 ist. Die Spannung, die im Erkennungswiderstand Rs1 erzeugt wird, wird mittels eines Verstärkers 183 mit der Referenzspannungsquelle Vref2 verglichen. Ein Ausgang des Verstärkers 183 wird in die Spannungs-Stromwandlerschaltung 181 eingespeist. Ein Strom Iout2, der dem Unterschied zwischen der Spannung, die im Erkennungswiderstand Rs1 erzeugt wird und der Referenzspannungsquelle Vref2 entspricht, wird von der Spannungs-Stromwandlerschaltung 181 ausgegeben. Dieser Ausgangstrom Iout2 wird mit der Referenzstromquelle (Konstantstromquelle) I_ref2 durch den Komparator 182 verglichen, und eine ermittelte Spannung Enable wird ausgegeben, um dadurch eine Stromerkennung durchzuführen.
  • 8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Stromerkennungsschaltung in der Steuerschaltung 1 des Schaltelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und ein Beispiel veranschaulicht, in dem das Blockschaltbild in 7 in einer spezifischen Schaltungskonfiguration umgesetzt ist. Die Stromerkennungsschaltung 118 umfasst eine sechste Stromspiegelschaltung, die sich aus einem PMOSFET 52 und einem PMOSFET 53 zusammensetzt, deren jeweiliges eines Ende mit einer Spannung Vreg verbunden ist, und eine siebte Stromspiegelschaltung, die sich aus einem NMOSFET 55 und einem NMOSFET 56 zusammensetzt, die in Kaskade mit der sechsten Stromspiegelschaltung verbunden sind. Ein Widerstand R1a und der Erkennungswiderstand Rs1 sind in Serie mit dem NMOSFET 55 verbunden. Ein Widerstand R1b und der Erkennungswiderstand Rs2 sind in Serie mit dem NMOSFET 56 verbunden. Ein PMOSFET 54 und der PMOSFET 52 bilden eine achte Stromspiegelschaltung aus, und ein Knoten zwischen dem PMOSFET 54 und einer Konstantstromquelle Iref2 entspricht einem Ausgangspunkt des Enable-Signals. Ein Drain-Source-Strom des PMOSFET 54 fließt durch die Konstantstromquelle Iref2.
  • Im Erkennungswiderstand Rs1 wir die Messspannung Vsense durch den Messstrom Isense erzeugt, der proportional zum Laststrom Ic ist. Der Erkennungswiderstand Rs1 besitzt zum Beispiel 30 Ω. Der Messstrom Isense ist ein Strom, der zum Beispiel 1/1000 des Laststroms Ic beträgt, und eine Größenordnung von zum Beispiel einigen mA bis zu einigen zehn mA besitzt. Die Spannung, die im Erkennungswiderstand Rs 1 durch den Messstrom Isense erzeugt wird, beträgt zum Beispiel einige zehn mV bis zu einigen hundert mV.
  • Ein erkennungsseitiger Strom Is5 wird durch die Messspannung Vsense, die im Erkennungswiderstand Rs1 erzeugt wird und den Erkennungswiderstand Rs2 bestimmt, der zur V-I-Wandlung eingesetzt wird. Der Erkennungswiderstand Rs2 besitzt zum Beispiel 5 kΩ. Sobald der Laststrom Ic zunimmt, nimmt die im Erkennungswiderstand Rs1 erzeugte Spannung zu, so dass der erkennungsseitige Strom Is5 ebenfalls zunimmt.
  • Ein Fall, in dem beispielsweise der Messstrom Isense mit 1 mA oder mehr ermittelt wird, wird als „Stromerkennungszeit“ bezeichnet. Die Erkennungs-Schwellenspannung (z.B. 30 mV), die im Erkennungswiderstand Rs2 während der Stromerkennungszeit erzeugt wird, ist extrem klein. Dementsprechend wandelt die Spannungs-Stromwandlerschaltung die Spannung in einen Strom von beispielsweise ungefähr 5 µA, und der Strom wird mit der Referenzstromquelle (Konstantstromquelle) I_ref2 als Stromkomparator verglichen. Somit wird das Risiko eine im Vergleich zum Spannungs-Komparator fehlerhafte Bestimmung zu verursachen verringert, was zu einer Verbesserung der Genauigkeit der Bestimmung führt.
  • Wenn die Relation zwischen dem gewandelten erkennungsseitigen Strom Is5 und dem Referenzseiten-Strom I_ref2 durch Iref_2 > Is5 repräsentiert wird, befindet sich der Ausgang Enable auf einem low-Pegel. Wenn die Relation I_ref2 < Is5 hergestellt ist, befindet sich der Ausgang Enable auf einem high-Pegel. D.h., Iref_2 entspricht einer Komparatorschwelle.
  • Die Temperaturermittlung des Schaltelements 5 wird durchgeführt, indem der Sättigungssperrstrom Is3 der Diode Ds2 verwendet wird. Demzufolge wird durch den Einsatz des Stromkomparators der Bedarf einer I-V-Wandlerschaltung vermieden, anders als in dem Fall, in dem ein Spannungskomparator eingesetzt wird, der die Miniaturisierung der Schaltung ermöglicht. Des Weiteren beträgt die Spannung, die durch den Erkennungswiderstand Rs1 durch die Stromerkennungsschaltung 18 erzeugt wird, mehrere zehn mV, was extrem klein ist. Dementsprechend ermöglicht die Bestimmung eines Ausgangs durch die Verwendung des Stromkomparators, nachdem ein Strom in der Spannungs-Stromwandlerschaltung gewandelt wurde, im Vergleich zum Spannungskomparator eine Verbesserung der Bestimmungsgenauigkeit.
  • Zweite Ausführungsform
  • Eine Zündhalbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform besitzt eine ähnliche Schaltungskonfiguration wie die der Halbleitervorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass die Steuerschaltung 1 durch eine Steuerschaltung 201 ersetzt wird. Die Steuerschaltung 201 gemäß der zweiten Ausführungsform besitzt eine ähnliche Schaltungskonfiguration wie die der Steuerschaltung 1 gemäß der ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass eine Dämpfungsschaltung 210 hinzugefügt wird. Dementsprechend werden in der folgenden Beschreibung dieselben oder korrespondierende Komponenten mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet wie jene der ersten Ausführungsform, es werden überwiegend Unterschiede zwischen der zweiten Ausführungsform und der ersten Ausführungsform beschrieben und die Beschreibung gemeinsamer Merkmale wird verkürzt oder ausgelassen.
  • 9 ist ein Diagramm, das die Steuerschaltung 201 des Schaltelements gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Steuerschaltung 201 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst die Dämpfungsschaltung 210, um den Strombegrenzungswert Ilm mit einer Temperaturcharakteristik zur Verfügung stellen zu können. Die Dämpfungsschaltung 210 umfasst die Diode Ds1, die ein Temperaturmesselement ist, und die zweite Stromspiegelschaltung setzt sich aus dem MOSFET 46 und dem MOSFET 47 zusammen. In dieser Hinsicht ist die Dämpfungsschaltung 210 ähnlich der Überhitzungsschutzschaltung 410, die im Stand der Technik in 14 veranschaulicht ist.
  • Die Dämpfungsschaltung 210 dämpft das Gate-Treibersignal (d.h., die Gate-Spannung), so dass der Laststrom Ic reduziert wird, wenn die gemessene Temperatur der Zener-Diode Ds1 eine Temperatur erreicht, die gleich oder höher ist, als eine vordefinierte Referenztemperatur (Tm2). Der Wert der Referenztemperatur Tm2 ist niedriger, als der der Soll-Temperatur Tm1. Der Strombegrenzungswert wird mit einer Temperaturcharakteristik bereitgestellt und wird reduziert, wenn eine Temperatur, die gleich oder höher ist, als die Referenztemperatur Tm2 (z.B. 170°C), überschritten wird, wodurch ein Laststrom Ic mit der in 10. beschriebenen Charakteristik reduziert wird. Konkret, insbesondere gemäß der zweiten Ausführungsform wird der Laststrom Ic reduziert, wenn die Temperatur zunimmt, und die Abnehmrate des Laststroms Ic nimmt zu, wenn sich die Temperatur weiter erhöht, so dass der Laststrom Ic in einem gekrümmten Verlauf stark abfällt, wenn die Temperatur ansteigt. Die Referenztemperatur Tm2 wird auf einen niedrigeren Wert als die Soll-Temperatur Tm1 festgelegt, wodurch der gemeinsame Betrieb der Stromdämpfungsfunktion der Dämpfungsschaltung 210 und der Stromunterbrechungsfunktion der Unterbrechungsschaltung 11 ermöglicht wird.
  • Das Funktionsprinzip wird unten ausführlicher beschrieben. Zunächst wird eine niedrige Spannung, die ungefähr der Schwelle des PMOSTFET 47 entspricht, zwischen der Anode und der Kathode der Diode Ds1 durch die Steuerspannung Vreg angelegt. Der Sättigungssperrstrom Is3 zeigt einen exponentiellen Anstieg in Bezug zur Temperatur. Zum Beispiel wird eine Diode Ds2 ausgewählt, die eine Größe und Kenndaten zur Gewinnung eines Stroms besitzt, die die Konstantstromquelle I_base in etwa in der Nähe der Temperatur Tm2 (170°C) beeinflussen. Dadurch wird der Betrieb bei einer Temperatur gleich oder niedriger als die Temperatur Tm2 (170°C) so ausgeführt, dass die Ansteuerung des Schaltelements 5 wie oben beschrieben nicht beeinflusst wird.
  • Wenn die Elementtemperatur Tigbt höher ist, als eine normale Einsatztemperatur (zum Beispiel 170°C oder höher), fließt der Sättigungssperrstrom Is1 der Diode Ds1 durch den PMOSFET 47. Wie im oben Stand der Technik in 14 beschrieben, bilden der PMOSFET 47 und der PMOSFET 46 die dritte Stromspiegelschaltung aus. Dementsprechend erzeugt der Sättigungssperrstrom Is1, der durch den PMOSFET 47 fließt, den Drain-Strom Is2 des MOSFET 46. Der Drain-Strom Is2 hat die gleiche Auswirkung, wie das Strombegrenzungssignal If2 der Strombegrenzungsschaltung 19, und arbeitet in eine Richtung, in der der Strom Ig2, der die Gate-Treiberspannung des IGBT 5a erzeugt, abnimmt. Entsprechend wird bei der Erzeugung des Drain-Stroms Is2 ein Effekt erzielt, der im Wesentlichen der gleiche Effekt ist, wie bei der, der bei der Reduzierung des Stroms der Konstantstromquelle I_base erzielt wird. Dadurch nimmt Ig2 ab und der Strombegrenzungswert Ilm hat eine Temperaturcharakteristik wie in 10 veranschaulicht. Des Weiteren, wenn die Elementtemperatur Tigbt steigt und die Soll-Temperatur Tm1 erreicht, schaltet der Betrieb auf den Betrieb der in der ersten Ausführungsform beschriebenen Unterbrechungsschaltung 11 um, und das Schaltelement 5 wird vollständig abgeschaltet (der Laststrom Ic wird vollständig unterbrochen).
  • 10 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Strombegrenzungswert und der Temperatur in der Steuerschaltung 1 des Schaltelements gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Wie in 10 veranschaulicht, wird der Strombegrenzungswert Ilm auf einer Hochtemperaturseite mit einer Temperaturcharakteristik bei einer bestimmten Temperatur Tm2 (z.B. 170°C) oder höher zur Verfügung gestellt. Aufgrund dieser Temperaturcharakteristik nimmt der Strombegrenzungswert Ilm einhergehend mit einem Temperaturanstieg graduell ab. Im Temperaturbereich von Tm2 bis Tm1 (170°C bis 210°C) wird der Strombegrenzungswert graduell verringert und die Erzeugung eines Joule-Verlustes im Schaltelement 5 verhindert, um dadurch eine Wärmeentwicklung zu verhindern.
  • Andererseits, wenn die Temperatur weiter ansteigt und die Soll-Temperatur Tm1 (z.B. 210°C) erreicht, bei der eine Notwendigkeit zur sofortigen Durchführung der Unterbrechung besteht, wird das Schaltelement 5 zwangsabgeschaltet, wenn der Ausgang der AND-Schaltung 12 den Eintritt einer Überhitzung anzeigt. Konkret, wenn eine abnormal hohe Temperatur ermittelt wird, die die Soll-Temperatur Tm1 (210°C) überschreitet, wird das Schaltelement 5 vollständig unterbrochen.
  • Dadurch wird die Erzeugung eines unnötigen Entladungsbogens in der Zündkerze so weit wie möglich verhindert, und wenn die Temperatur, bei der die Durchführung einer sofortigen Unterbrechung notwendig wird, erreicht ist, kann der Laststrom Ic zwangsabgeschaltet werden. Aufgrund dessen kann eine Verkürzung der Lebensdauer des Schaltelements 5 und des Motors verhindert werden. Mit anderen Worten, wenn die Temperatur des Schaltelements 5 eine bestimmte Temperatur überschreitet, wird der Strombegrenzungswert Ilm reduziert, um einen Temperaturanstieg zu verhindern, wodurch es so weit wie möglich ermöglicht wird, zu verhindern, dass der Zündvorgang zu einem vom Motorsteuerungsrechner unbeabsichtigten Zeitpunkt ausgeführt wird. Wenn die Temperatur dennoch weiterhin ansteigt und die abnormale Wärmeentwicklung übermäßig ist, wird das Schaltelement 5 sofort unterbrochen, wodurch es ermöglicht wird, eine Verkürzung der Lebensdauer des Schaltelements 5 zu verhindern.
  • Da der Strombegrenzungswert Ilm während der Stromunterbrechung niedriger gesetzt werden kann, als der in der ersten Ausführungsform, ist die Last am Schaltelement 5 klein und der Effekt zur Verhinderung einer Verkürzung der Lebensdauer kann weiter erhöht werden.
  • Dritte Ausführungsform
  • Eine Zündhalbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform besitzt eine Schaltungskonfiguration, die ähnlich der Zündhalbleitervorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform ist, mit der Ausnahme, dass die Steuerschaltung 1 durch eine Steuerschaltung 301 ersetzt wird. Die Steuerschaltung 301 gemäß der dritten Ausführungsform besitzt eine Schaltungskonfiguration, die ähnlich der Steuerschaltung 1 gemäß der ersten Ausführungsform ist, mit der Ausnahme, dass eine Dämpfungsschaltung 310 hinzugefügt wird. Dementsprechend werden in der folgenden Beschreibung dieselben oder korrespondierende Komponenten mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet wie jene der ersten Ausführungsform, es werden überwiegend Unterschiede zwischen der dritten und der ersten Ausführungsform beschrieben und die Beschreibung von gemeinsamen Merkmalen wird verkürzt oder ausgelassen.
  • 11 ist ein Diagramm, das die Steuerschaltung 301 des Schaltelements gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Dämpfungsschaltung 310 besitzt eine ähnliche Schaltungskonfiguration, wie die der Dämpfungsschaltung 210, und umfasst darüber hinaus einen PMOSFET 57, eine AND-Schaltung 312 und eine Strombegrenzungsdämpfungs-Starttemperaturerfassungsschaltung 316. Der PMOSFET 57 ist zwischen den PMOSFET 46 und die Konstantstromquelle I_base geschaltet und schaltet die dazwischenliegende elektrische Verbindung. Das Gate des PMOSFET 57 wird über ein Ausgangssignal der AND-Schaltung 312 gesteuert. Die AND-Schaltung 312 empfängt ein Signal der Strombegrenzungsdämpfungs-Starttemperaturerfassungsschaltung 316 und das Stromerkennungssignal Enable der Stromerkennungsschaltung 18. Die Strombegrenzungsdämpfungs-Starttemperaturerfassungsschaltung 316 kann die Temperatur des IGBT 5a wie die Überhitzungserkennungsschaltung 16 basierend auf dem Sättigungssperrstrom Is3 der Diode Ds2 ermitteln.
  • In der dritten Ausführungsform wird ein weiteres System, das die Strombegrenzungsdämpfungs-Starttemperaturerfassungsschaltung 316 und die AND-Schaltung 312 umfasst, in der Steuerschaltung 301 bereitgestellt. Dies ist eine Vorrichtung zum Starten der Dämpfung des Strombegrenzungswerts Ilm, ausgehend von einer gewünschten Starttemperatur, die unterschiedlich ist zur Temperatur, die durch die Überhitzungserkennungsschaltung 16 ermittelt wird.
  • Ein konkreter Betrieb wird unten beschrieben. Zunächst wird das Überhitzungserkennungsverfahren unter Anwendung des Sättigungssperrstroms Is3 der Diode Ds2 wie in der ersten Ausführungsform beschrieben ausgeführt. Wie in der ersten Ausführungsform wird festgestellt, dass eine abnormale Temperatur ermittelt wird, wenn der Sättigungssperrstrom Is3 der Diode Ds2 auf den vorläufigen Soll-Überhitzungsunterbrechungs-Bestimmungsstrom Ithot ansteigt, mit anderen Worten, wenn die Temperatur des IGBT 5a auf die Soll-Temperatur Tm1 ansteigt. Die AND-Schaltung 312 berechnet ein logisches AND der Stromerkennungsschaltung 18, die den Laststrom Ic ermittelt und der Strombegrenzungsdämpfungs-Starttemperaturerfassungsschaltung 316. Wie die AND-Schaltung 12 in der ersten Ausführungsform gibt die AND-Schaltung 312 beim Empfang des Überhitzungserkennungssignals OT und des Stromerkennungssignals Enable ein Überhitzungserkennungssignal (diesbezügliche Details sind ähnlich zu OUTA in 4) aus. Der PMOSFET 57 wird im Ansprechen auf das Überhitzungserkennungssignal der AND-Schaltung 312 eingeschaltet.
  • Der Strom Is2, der durch die Diode Ds1, den PMOSFET 46 und den PMOSFET 47 erzeugt wird, fließt in die Referenzstromquelle (Konstantstromquelle) I_base, die eine Basisstromquelle ist, und reduziert den Strom Ig2 zur Ansteuerung des Schaltelements 5. In diesem Fall ist der PMOSFET 57 dauerhaft abgeschaltet, bis die niedrigen Strombegrenzungsdämpfungs-Starttemperaturen Tm2 bis Tm4, ausgehend von der Soll-Temperatur Tm1 erreicht werden. Dementsprechend ist es möglich, dass eine Abnahme des Strombegrenzungswerts Ilm in einem Temperaturbereich der Soll-Temperatur Tm1 oder weniger verhindert wird und eine Verringerung der Zündenergie in einem Bereich niedriger Temperatur verhindert wird.
  • 12 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Strombegrenzungswert und der Temperatur in der Steuerschaltung 1 des Schaltelements gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Temperatur zum Starten der Strombegrenzung kann durch die Strombegrenzungsdämpfungs-Starttemperaturerfassungsschaltung 316 frei gesetzt werden, unabhängig von der Überhitzungserkennungsschaltung 16. Daher können die Temperaturcharakteristiken Cv2, Cv3 und Cv4 des Strombegrenzungswerts Ilm wie in 12 veranschaulicht, beliebig ausgelegt werden. 12 veranschaulicht Beispiele der Charakteristiken Cv2 bis Cv4, wenn die Schwellentemperaturen der Strombegrenzungsdämpfungs-Starttemperaturerfassungsschaltung 316 jeweils auf die Strombegrenzungsdämpfungs-Starttemperatur Tm2 (170°C), die Strombegrenzungsdämpfungs-Starttemperatur Tm3 (zum Beispiel 160°C), und die Strombegrenzungsdämpfungs-Starttemperatur Tm4 (zum Beispiel 180°C) gesetzt werden. Gemäß der dritten Ausführungsform besteht keine Notwendigkeit zur Anpassung der Temperaturcharakteristik der Diode Ds1 (konkret, Größenanpassung, Störstellenkonzentrationsanpassung, etc.), was zu einer drastischen Verbesserung benutzerdefinierter Eigenschaften führt.
  • 13 ist ein Diagramm, das das Schaltelement 5 gemäß einem modifizierten Beispiel veranschaulicht, welches auf die erste bis dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anwendbar ist. In dem in 13 veranschaulichten modifizierten Beispiel, ist die Anode der Diode Ds2 zur Temperaturerfassung, die im Schaltelement 5 angeordnet ist, nicht mit dem Emitter-Anschluss E des Schaltelements 5 verbunden, sondern mit dem Strommessanschluss SE. Die parasitären Kapazitäten CQ1 und CQ2 sind zwischen dem Gate (G) und dem Emitter (E) bzw. zwischen dem Gate (G) und dem Mess-Emitter (SE) vorhanden und die parasitäre Kapazität zwischen G und E ist erheblich größer, als die zwischen G und SE. In der ersten bis dritten Ausführungsform ist die Anode der Diode Ds2 zur Temperaturerfassung mit dem Emitter (E) verbunden, die G-E Kapazität erhöht sich. Demzufolge nimmt der in der Diode Ds2 erzeugte Verschiebungsstrom 100 (L-Lastrauschen 100) zu, wenn der Laststrom Ic im Anlauf des Schaltelements 5 fließt. In diesem Fall erhöht sich das Risiko eine fehlerhafte Temperaturermittlung zu verursachen. Andererseits ist die Kapazität zwischen dem Gate (G) und dem Mess-Emitter (SE) kleiner, als die Kapazität zwischen dem Gate (G) und dem Emitter (E). Dementsprechend ist die Anode der Diode Ds2 mit dem Mess-Emitter (SE) verbunden, um die Kapazität zwischen dem Mess-Emitter und dem Gate zu reduzieren, wodurch es ermöglicht wird, das Erzeugen des L-Lastrauschens 100 zum Zeitpunkt des Anlaufens zu verhindern.
  • Vierte Ausführungsform
  • In den oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsformen kann statt der AND-Schaltung 12 eine Logikschaltung eingesetzt werden, die eine andere logische Operation als ein logisches AND umsetzt. Konkret kann eine ODER-Schaltung zur Berechnung eines logischen ODERs, oder eine NOR-Schaltung zur Berechnung eines logischen NORs, oder eine NAND-Schaltung zur Berechnung eines logischen NANDs statt der AND-Schaltung 12 eingesetzt werden. Eine vierte Ausführungsform veranschaulicht zum Beispiel eine Schaltungskonfiguration, die eine NOR-Schaltung einsetzt.
  • 16 ist ein Diagramm, das eine Steuerschaltung 501 eines Halbleiterschaltelements gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Eine Zündhalbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform besitzt eine ähnliche Schaltungskonfiguration, wie die der Zündhalbleitervorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass die Steuerschaltung 1 durch die Steuerschaltung 501 ersetzt wird. Die Steuerschaltung 501 gemäß der vierten Ausführungsform besitzt eine ähnliche Schaltungskonfiguration, wie die der Steuerschaltung 1 gemäß der ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass die AND-Schaltung 12, die Überhitzungserkennungsschaltung 16 und die Stromerkennungsschaltung 18 jeweils durch eine NOR-Schaltung 512, eine Überhitzungserkennungsschaltung 516, und eine Stromerkennungsschaltung 518 ersetzt werden. Dementsprechend werden in der folgenden Beschreibung dieselben oder korrespondierende Komponenten mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet wie jene der ersten Ausführungsform, es werden überwiegend Unterschiede zwischen der vierten und der ersten Ausführungsform beschrieben und die Beschreibung von gemeinsamen Merkmalen wird verkürzt oder ausgelassen.
  • 17 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der Steuerschaltung 501 veranschaulicht. Bei einem Vergleich der Zeitdiagramme der 17 und 4 miteinander, kann festgestellt werden, dass der high-Pegel und der low-Pegel des Stromerkennungssignals Enable und des Überhitzungserkennungssignals OT in den 17 und 4 gegenläufig sind. 18 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Überhitzungserkennungsschaltung 516, die in der Steuerschaltung 501 enthalten ist, veranschaulicht. Die Überhitzungserkennungsschaltung 516, die in 18 veranschaulicht ist, besitzt eine Konfiguration, bei der der Inverter, der sich aus dem PMOSFET 49 und dem NMOSFET 72 zusammensetzt und in der Überhitzungserkennungsschaltung 116 in 6 veranschaulicht ist, weggelassen wird. Die Überhitzungserkennungsschaltung 516 gibt in einem normalen Temperaturbereich einen hohen Pegel aus, und gibt einen niedrigen Pegel aus, wenn eine abnormale Temperatur ermittelt wird (konkret, wenn die ermittelte Temperatur, die basierend auf einem Ausgangswert der Diode Ds2 ermittelt wird, gleich oder höher ist, als eine vordefinierte Soll-Temperatur Tm1).
  • 19 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Stromerkennungsschaltung 518, die in der Steuerschaltung 501 enthalten ist, veranschaulicht. Die Stromerkennungsschaltung 518, die in 19 veranschaulicht ist, besitzt eine Konfiguration, in der ein Inverter, der sich aus dem PMOSFET 49 und dem NMOSFET 72 zusammensetzt, der Ausgangsstufe der Stromerkennungsschaltung 118 hinzugefügt wird, die in 8 veranschaulicht ist. Die Stromerkennungsschaltung 518 ist dahingehend ähnlich zur Stromerkennungsschaltung 18, als dass das Stromerkennungssignal Enable ausgegeben wird, wenn der Ausgangswert des Strommessanschlusses SE gleich oder größer ist, als der in der ersten Ausführungsform beschrieben „Soll-Stromwert“. Die Stromerkennungsschaltung 518 gibt jedoch einen hohen Ausgangspegel aus, wenn der Ausgangswert des Strommessanschlusses SE geringer ist, als der Soll-Stromwert, und gibt einen niedrigen Ausgangspegel als das Stromerkennungssignal Enable aus, wenn der Ausgangswert des Strommessanschlusses SE gleich oder größer ist, als der Soll-Stromwert.
  • Zu einem Zeitpunkt, der durch das Bezugszeichen X5 im Zeitdiagramm von 17 gekennzeichnet ist, gibt die Überhitzungserkennungsschaltung 516 den niedrigen Ausgangspegel als Überhitzungserkennungssignal OT aus, und die Stromerkennungsschaltung 518 gibt den niedrigen Ausgangspegel als Stromerkennungssignal Enable aus. Wenn diese beiden low-Ausgänge in die NOR-Schaltung 512 eingespeist werden, wird ein Ausgangssignal OUTN der NOR-Schaltung 512 high. Da das Ausgangssignal OUTN in den Set-Anschluss S der Latch-Schaltung 14 eingespeist wird, wird der nachfolgende Betrieb in ähnlicher Weise ausgeführt, wie der Betrieb der Schaltung in der ersten Ausführungsform.
  • Während die vierte Ausführungsform einen Fall veranschaulicht, bei dem die NOR-Schaltung 512 in der Schaltungskonfiguration der ersten Ausführungsform angewendet wird, kann die NOR-Schaltung 512 auch in der zweiten und dritten Ausführungsform angewendet werden. Verschiedene Modifikationen, die in den ersten bis dritten Ausführungsformen beschrieben sind, können in der vierten Ausführungsform angewendet werden. Weiterhin kann statt der Verwendung der NOR-Schaltung 512 eine Logikschaltung zur Berechnung eines logischen OR (OR-Logik) oder ein logisches NAND (NAND-Logik) angewendet werden. Es ist lediglich erforderlich, die Logiken einer Logikschaltung, einer Folgeschaltung (Latch-Schaltung), und von Vorstufenschaltungen (eine Überhitzungserkennungsschaltung und eine Stromerkennungsschaltung) so aufeinander abzustimmen, dass wenn sowohl das Überhitzungserkennungssignal der Überhitzungserkennungsschaltung, als auch das Stromerkennungssignal der Stromerkennungsschaltung eingespeist wird, die Logikschaltung das Ausgangssignal, wie in den ersten bis vierten Ausführungsformen beschrieben, zur Realisierung des Schaltungsbetriebs schaltet.
  • Es gilt zu beachten, dass zum Beispiel Paragraph 0039 bis 0041 und 4 in WO 2012/077187 eine Schaltung offenbaren, die ein Überstromerkennungssignal und ein Überhitzungserkennungssignal an eine AND-Schaltung ausgeben. In der in WO 2012/077187 offenarten Schaltung werden jedoch eine Temperatur des oberen Arms und eine Temperatur des unteren Arms verglichen, um festzustellen, welche der Temperaturen höher ist, als die andere der Temperaturen. Da die Temperatur des oberen Arms und die Temperatur des unteren Arms in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen variiert, vergleicht die in WO 2012/077187 offenbarte Schaltung ein Überhitzungserkennungssignal nicht mit der „vordefinierten Soll-Temperatur“. Die in WO 2012/077187 offenbarte Schaltung unterscheidet sich von der Stromerkennungsschaltung 18 gemäß der obigen Ausführungsformen in der Überstromerkennung der in WO 2012/077187 offenbarten Schaltung, während die Stromerkennungsschaltung 18 gemäß der obigen Ausführungsformen feststellt, ob eine bestimmte Menge oder mehr des Laststroms Ic fließt, um festzustellen, ob das Schaltelement 5 eingeschaltet ist, oder nicht. Sprich, da die Stromerkennungsschaltung nicht für die Überstromerkennung verwendet wird, besteht keine Notwendigkeit den Soll-Stromwert (der Soll-Stromwert Ithen in den Ausführungsformen), der zum Vergleich und zur Bestimmung des Laststrom Ic verwendet wird, auf einen großen Stromwert festzulegen, anders als im Fall der Überstromerkennung. Als der Soll-Stromwert (der Soll-Stromwert Ithen in den Ausführungsformen), der zum Vergleich und zur Bestimmung des Laststroms Ic verwendet wird, kann ein Wert zur Feststellung, ob eine bestimmte Strommenge wie oben beschrieben durch den IGBT 5a fließt, zum Beispiel ein vordefinierter Stromwert von 1 A oder weniger festgelegt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 201, 301, 401, 501
    Steuerschaltung
    4
    Treiberschaltung
    5
    Schaltelement
    5a
    IGBT
    6
    Transformator
    6a
    Primärwicklung
    6b
    Sekundärwicklung
    7
    Zündkerze
    10
    Zündhalbleitervorrichtung
    11
    Unterbrechungsschaltung
    12,312
    AND-Schaltung
    13
    Einschaltverzögerungsschaltung
    14
    Latch-Schaltung
    16, 116, 516
    Überhitzungserkennungsschaltung
    18, 118, 518
    Stromerkennungsschaltung
    19
    Strombegrenzungsschaltung
    20, 181
    Spannungs-Stromwandlerschaltung (V-I Wandlungsschaltung)
    22, 183
    Verstärker
    100
    Verschiebungsstrom (L-Lastrauschen)
    101
    Ausgangsschwankungen (fehlerhafte Temperaturerfassung)
    182
    Strom komparator
    210,310
    Dämpfungsschaltung
    316
    Strombegrenzungsdämpfungs-Starttemperaturerfassungsschaltung
    410
    Überhitzungsschutzschaltung
    512
    NOR-Schaltung
    B1
    Schmitt-Trigger-Schaltung
    Ds0
    Zener-Klemmdiode
    INV1
    Inverter
    Ds1, Ds2
    Diode
    Dz1
    Schottky-Diode
    Enable
    Stromerkennungssignal
    OT
    Überhitzungserkennungssignal
    SE
    Strommessanschluss
    EST
    Steuersignal
    Ic
    Kollektorstrom (Laststrom)
    Ig1
    erster Eingangsstrom
    Ig2
    erster Spiegelstrom
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2011124269 A [0002, 0009, 0011, 0035]
    • JP 2011 [0002]
    • JP 124269 A [0002]
    • WO 2012/077187 [0002, 0084]

Claims (13)

  1. Steuerschaltung für ein Halbleiterschaltelement, wobei die Steuerschaltung einen Steueranschluss, einen Hauptelektrodenanschluss, und einen Strommessanschluss umfasst, und eingerichtet ist, das Halbleiterschaltelement zu steuern, welches eine Diode umfasst, die mit dem Hauptelektrodenanschluss oder dem Strommessanschluss verbunden ist, wobei die Steuerschaltung umfasst: • eine Überhitzungserkennungsschaltung, die eingerichtet ist, ein Überhitzungserkennungssignal zu erzeugen, wenn eine basierend auf einem Ausgang der Diode erfasste Temperatur gleich oder höher ist, als eine vordefinierte Soll-Temperatur; • eine Stromerkennungsschaltung, die eingerichtet ist, ein Stromerkennungssignal zu erzeugen, wenn ein Ausgangswert des Strommessanschlusses gleich oder größer ist, als ein vordefinierter Soll-Stromwert; und • eine Unterbrechungsschaltung, die eingerichtet ist, das Halbleiterschaltelement abzuschalten, wenn sowohl das Überhitzungserkennungssignal der Überhitzungserkennungsschaltung, als auch das Stromerkennungssignal der Stromerkennungsschaltung anliegt.
  2. Steuerschaltung für das Halbleiterschaltelement nach Anspruch 1, weiter umfassend eine erste Stromspiegelschaltung, die eingerichtet ist, einen ersten Spiegelstrom zu erzeugen, der mittels einer Duplizierung eines ersten Eingangsstroms gewonnen wird und den ersten Spiegelstrom als ein Eingangssignal des Steueranschlusses des Halbleiterschaltelements einzusetzen, wobei die Unterbrechungsschaltung das Halbleiterschaltelement durch eine Reduzierung des ersten Eingangsstroms abschaltet.
  3. Steuerschaltung für das Halbleiterschaltelement nach Anspruch 2, wobei die Unterbrechungsschaltung umfasst: • eine Logikschaltung, die eingerichtet ist, eine logische Operation basierend auf einem Wert des Überhitzungserkennungssignals und einem Wert des Stromerkennungssignals auszuführen; • eine Latch-Schaltung, die eingerichtet ist, im Ansprechen auf eine Veränderung des Ausgangs der Logikschaltung einen Ausgangswert zu latchen; und • ein Schaltelement, das eingerichtet ist, im Ansprechen auf das Latchen des Ausgangswertes der Latch-Schaltung zur Reduzierung des ersten Eingangsstroms angesteuert zu werden, und wenn sowohl das Überhitzungserkennungssignal als auch das Stromerkennungssignal ausgegeben wird, steuert die Latch-Schaltung das Schaltelement dauerhaft an, um das Halbleiterschaltelement in einem Aus-Zustand zu halten.
  4. Steuerschaltung für das Halbleiterschaltelement nach Anspruch 2, weiter umfassend eine Strombegrenzungsschaltung, die eine zweite Stromspiegelschaltung umfasst, die eingerichtet ist, einen zweiten Spiegelstrom zu erzeugen, der mittels Duplizierung eines zweiten Eingangsstroms gewonnen wird, und eine Konstantstromquelle, die mit einem Knotenpunkt zwischen dem zweiten Spiegelstrom und dem ersten Eingangsstrom verbunden ist, wobei die Strombegrenzungsschaltung eingerichtet ist, den zweiten Eingangsstrom basierend auf einem Ausgangswert des Strommessanschlusses anzupassen, um einen Laststrom des Halbleiterschaltelements auf einen vorläufigen Soll-Strombegrenzungswert zu begrenzen.
  5. Steuerschaltung für das Halbleiterschaltelement nach Anspruch 4, wobei der Soll-Stromwert ein Wert ist, der niedriger ist, als der Strombegrenzungswert.
  6. Steuerschaltung für das Halbleiterschaltelement nach Anspruch 5, wobei der Soll-Stromwert gleich oder weniger ist, als 1 Ampere.
  7. Steuerschaltung für das Halbleiterschaltelement nach Anspruch 1, wobei • die Diode eine Anode, die mit dem Hauptelektrodenanschluss oder dem Strommessanschluss verbunden ist, und eine Kathode umfasst, die mit der Überhitzungserkennungsschaltung verbunden ist, und • die Überhitzungserkennungsschaltung eine Temperaturermittlung basierend auf einem Wert des Sättigungssperrstroms durchführt, der durch die Kathode der Diode fließt.
  8. Steuerschaltung für das Halbleiterschaltelement nach Anspruch 7, wobei die Anode der Diode mit dem Strommessanschluss verbunden ist.
  9. Steuerschaltung für das Halbleiterschaltelement nach Anspruch 1, wobei die Überhitzungserkennungsschaltung einen ersten Stromkomparator umfasst, der eingerichtet ist, einen Stromwert, der dem durch die Diode fließenden Strom entspricht, mit einem ersten Referenzstromquellenwert zu vergleichen.
  10. Steuerschaltung für das Halbleiterschaltelement nach Anspruch 1, wobei die Stromerkennungsschaltung umfasst: • eine Spannungs-Stromwandlerschaltung, die eingerichtet ist, eine Spannung, die einer Differenz zwischen einer Referenzspannungsquelle und einer Messspannung entspricht, die einem Ausgangswert des Strommessanschlusses entspricht, in einen Strom zu wandeln; und • einen zweiten Stromkomparator, der eingerichtet ist, den Strom, der durch die Spannungs-Stromwandlerschaltung gewonnen wird, mit einem zweiten Referenzstromwert zu vergleichen.
  11. Steuerschaltung für das Halbleiterschaltelement nach Anspruch 1 weiter umfassend, eine Dämpfungsschaltung, die ein Temperaturmesselement beinhaltet und eingerichtet ist, eine Gate-Spannung des Halbleiterschaltelements zur Reduzierung eines Laststroms anzupassen, der durch den Hauptelektrodenanschluss des Halbleiterschaltelements fließt, während sich eine gemessene Temperatur erhöht, wenn sich eine gemessene Temperatur des Temperaturmesselements auf eine Temperatur erhöht, die gleich oder höher ist, als eine vordefinierte Referenztemperatur, die niedriger ist als die Soll-Temperatur.
  12. Steuerschaltung für das Halbleiterschaltelement nach Anspruch 11, wobei • die Dämpfungsschaltung zusätzlich eine Strombegrenzungsdämpfungs-Starttemperaturerfassungsschaltung umfasst, die eingerichtet ist zu bestimmen, ob eine, basierend auf einem Ausgang der Diode ermittelte Temperatur gleich oder höher ist, als eine vorläufige Soll-Starttemperatur, oder nicht, • die Dämpfungsschaltung die Anpassung der Gate-Spannung startet, sobald festgestellt wird, dass die Temperatur, die durch die Strombegrenzungsdämpfungs-Starttemperaturerfassungsschaltung, basierend auf dem Ausgang der Diode ermittelt wird, gleich oder höher ist, als die Starttemperatur, und • die Starttemperatur auf einen anderen Wert gesetzt werden kann, der von der Referenztemperatur abweicht.
  13. Halbleitervorrichtung, die einen Strom steuert, der veranlasst wird, durch eine induktive Last zu fließen, um eine Zündkerze eines Verbrennungsmotors zu erregen, wobei die Halbleitervorrichtung umfasst: • ein Halbleiterschaltelement umfassend einen Hauptelektrodenanschluss und einen Strommessanschluss, wobei der Hauptelektrodenanschluss mit der induktiven Last verbunden ist; • eine Diode, die mit dem Hauptelektrodenanschluss oder dem Strommessanschluss verbunden ist; • eine Überhitzungserkennungsschaltung, die eingerichtet ist, ein Überhitzungserkennungssignal auszugeben, wenn eine ermittelte Temperatur, die auf einem Ausgang der Diode basiert, gleich oder höher ist, als eine vordefinierte Soll-Temperatur; • eine Stromerkennungsschaltung, die eingerichtet ist, ein Stromerkennungssignal auszugeben, wenn ein Ausgangswert des Strommessanschlusses gleich oder größer ist, als ein vordefinierter Soll-Stromwert; und • eine Unterbrechungsschaltung, die eingerichtet ist, das Halbleiterschaltelement abzuschalten, wenn sowohl das Überhitzungserkennungssignal der Überhitzungserkennungsschaltung, als auch das Stromerkennungssignal der Stromerkennungsschaltung anliegt.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017127752A1 (de) * 2017-11-23 2019-05-23 Infineon Technologies Ag Verfahren und elektronische schaltung zum ansteuern einestransistorbauelements

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017212870A (ja) * 2016-05-20 2017-11-30 株式会社デンソー スイッチング素子の駆動制御装置
US10637460B2 (en) 2016-06-14 2020-04-28 Macom Technology Solutions Holdings, Inc. Circuits and operating methods thereof for monitoring and protecting a device
US20180109228A1 (en) 2016-10-14 2018-04-19 MACOM Technology Solution Holdings, Inc. Phase shifters for gallium nitride amplifiers and related methods
US20190028065A1 (en) 2017-07-24 2019-01-24 Macom Technology Solutions Holdings, Inc. Fet operational temperature determination by gate structure resistance thermometry
US20190028066A1 (en) 2017-07-24 2019-01-24 Macom Technology Solutions Holdings, Inc. Fet operational temperature determination by field plate resistance thermometry
US20190078941A1 (en) * 2017-09-14 2019-03-14 Macom Technology Solutions Holdings, Inc. Operational temperature determination in bipolar transistors by resistance thermometry
DE112019000233T5 (de) * 2018-07-17 2020-08-20 Fuji Electric Co., Ltd. Stromversorgungsmodul mit eingebauter ansteuerschaltung
EP3608644B1 (de) * 2018-08-09 2021-03-24 Infineon Technologies AG Verfahren zum bestimmen eines vorzeichens eines laststroms in einer brückenschaltung mit mindestenes einer leistungshalbleiterschaltung
JP7293736B2 (ja) * 2019-03-07 2023-06-20 富士電機株式会社 半導体集積回路
CN112072896B (zh) * 2019-06-11 2024-04-26 三垦电气株式会社 功率设备的控制装置及方法
US11274645B2 (en) * 2019-10-15 2022-03-15 Semiconductor Components Industries, Llc Circuit and method for a kickback-limited soft shutdown of a coil
CN115038859A (zh) * 2020-02-04 2022-09-09 三菱电机株式会社 电力半导体装置
WO2022235872A1 (en) * 2021-05-05 2022-11-10 Cummins Inc. Systems and methods for conducting diagnostic of ignition system
DE112022002002T5 (de) * 2021-06-04 2024-01-25 Rohm Co., Ltd. Zünder und motorzündvorrichtung
WO2023089661A1 (ja) * 2021-11-16 2023-05-25 三菱電機株式会社 電力半導体装置および制御システム

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011124269A (ja) 2009-12-08 2011-06-23 Mitsubishi Electric Corp イグナイタ用電力半導体装置
WO2012077187A1 (ja) 2010-12-07 2012-06-14 日立オートモティブシステムズ株式会社 電力変換装置

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3484133B2 (ja) * 2000-03-03 2004-01-06 株式会社日立製作所 内燃機関用点火装置および内燃機関点火用１チップ半導体
JP2004036438A (ja) * 2002-07-02 2004-02-05 Hitachi Ltd 点火装置等の内燃機関用の電子装置
US6651637B1 (en) * 2002-10-29 2003-11-25 Transpo Electronics, Inc. Vehicle ignition system using ignition module with reduced heat generation
JP3968711B2 (ja) * 2003-04-11 2007-08-29 株式会社デンソー 内燃機関用点火装置およびそのイグナイタ
JP3842259B2 (ja) * 2003-09-22 2006-11-08 三菱電機株式会社 内燃機関点火装置
JP4196820B2 (ja) * 2003-12-18 2008-12-17 株式会社デンソー 点火装置
JP5037992B2 (ja) * 2007-03-30 2012-10-03 ダイヤモンド電機株式会社 イグナイタ
JP4993214B2 (ja) * 2008-05-15 2012-08-08 株式会社デンソー 車両の点火装置
JP5423378B2 (ja) * 2009-12-15 2014-02-19 三菱電機株式会社 イグナイタ用電力半導体装置
CN105144580B (zh) * 2013-04-02 2017-12-19 三菱电机株式会社 半导体装置
JP6330366B2 (ja) * 2013-04-11 2018-05-30 株式会社デンソー 点火装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011124269A (ja) 2009-12-08 2011-06-23 Mitsubishi Electric Corp イグナイタ用電力半導体装置
WO2012077187A1 (ja) 2010-12-07 2012-06-14 日立オートモティブシステムズ株式会社 電力変換装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017127752A1 (de) * 2017-11-23 2019-05-23 Infineon Technologies Ag Verfahren und elektronische schaltung zum ansteuern einestransistorbauelements
US10693456B2 (en) 2017-11-23 2020-06-23 Infineon Technologies Ag Method and electronic circuit for driving a transistor device

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Publication number Publication date
CN108026888B (zh) 2020-04-07
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US10128735B2 (en) 2018-11-13
US20180062499A1 (en) 2018-03-01
CN108026888A (zh) 2018-05-11
JP6465213B2 (ja) 2019-02-06

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