JP7427871B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関する。

自動車の内燃機関の点火システムには、点火コイルへの通電および遮断を制御するイグナイタとして半導体装置が用いられている。このような半導体装置は、大電力を取り扱うパワー半導体素子と、このパワー半導体素子を確実にスイッチングさせるための機能を有する集積回路とを備えたものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。以下に、この特許文献１に記載の半導体装置に基づいて構成された従来の半導体装置について説明する。

図８は従来の半導体装置を用いた点火システムの構成例を示す回路図、図９は従来の半導体装置を用いた点火システムの動作例を示すタイミングチャートであって、（Ａ）は正常動作時の動作例を示し、（Ｂ）はノイズ混入時の動作例を示している。

自動車に搭載される内燃機関の点火システムは、半導体装置１００と、点火コイル１１０と、点火プラグ１２０と、バッテリ１３０と、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ：Engine Control Unit）１４０とを備えている。半導体装置１００は、エンジン制御ユニット１４０からの制御信号Ｖｉｎを入力する入力端子１０１と、点火コイル１１０の一次コイル１１１の一方の端子に接続される出力端子１０２と、バッテリ１３０の負極端子に接続された接地端子１０３とを有している。点火コイル１１０の一次コイル１１１の他方の端子は、バッテリ１３０の正極端子に接続されている。点火コイル１１０の二次コイル１１２の一方の端子は、点火プラグ１２０の一方の電極に接続され、点火プラグ１２０の他方の電極は、接地されている。点火コイル１１０の二次コイル１１２の他方の端子は、バッテリ１３０の正極端子に接続されている。なお、バッテリ１３０の負極端子は、この点火システムの基準電位をなしている。

半導体装置１００は、パワー半導体素子１０４と、抵抗１０５と、しきい値設定部１０６と、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）１０７とを備えている。パワー半導体素子１０４は、この例では、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が使用されている。パワー半導体素子１０４のコレクタ端子は、半導体装置１００の出力端子１０２に接続され、パワー半導体素子１０４のエミッタ端子は、半導体装置１００の接地端子１０３に接続されている。パワー半導体素子１０４のゲート端子は、抵抗１０５の一方の端子に接続され、抵抗１０５の他方の端子は、半導体装置１００の入力端子１０１に接続されている。

しきい値設定部１０６は、抵抗１０６ａと、コンデンサ１０６ｂと、遮断信号生成部１０６ｃとを有している。抵抗１０６ａの一方の端子は、半導体装置１００の入力端子１０１に接続され、抵抗１０６ａの他方の端子は、コンデンサ１０６ｂの一方の端子に接続され、コンデンサ１０６ｂの他方の端子は、半導体装置１００の接地端子１０３に接続されている。抵抗１０６ａおよびコンデンサ１０６ｂは、ローパスフィルタを構成し、抵抗１０６ａおよびコンデンサ１０６ｂの接続端子は、遮断信号生成部１０６ｃの電源端子に接続されている。遮断信号生成部１０６ｃの出力端子は、ＭＯＳＦＥＴ１０７のゲート端子に接続され、遮断信号生成部１０６ｃの接地端子は、半導体装置１００の接地端子１０３に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１０７のドレイン端子は、パワー半導体素子１０４のゲート端子に接続され、ＭＯＳＦＥＴ１０７のソース端子は、半導体装置１００の接地端子１０３に接続されている。

次に、エンジン制御ユニット１４０が制御信号Ｖｉｎを出力したときの点火システムの動作について、図９（Ａ）に示すタイミングチャートを参照して説明する。なお、図９（Ａ）には、上から、制御信号Ｖｉｎ、遮断信号生成部１０６ｃの電源となる電圧信号Ｖｓ、パワー半導体素子１０４のゲート電圧Ｖｇおよびコレクタ電流Ｉｃ、および点火プラグ１２０の電圧Ｖｐの変化を示している。

まず、制御信号Ｖｉｎが基準電位のオフ信号を出力しているとき、パワー半導体素子１０４のゲート端子に印加されるゲート電圧Ｖｇも、オフ信号であるので、パワー半導体素子１０４は、オフ状態にある。このとき、パワー半導体素子１０４のコレクタ電流Ｉｃは、流れていない。また、点火プラグ１２０の電圧Ｖｐは、バッテリ１３０の電圧に維持されている。

時刻ｔ０にて半導体装置１００の入力端子１０１にオン信号の制御信号Ｖｉｎが入力されると、そのオン信号は、まず、しきい値設定部１０６にその電源電圧として入力される。しきい値設定部１０６では、制御信号Ｖｉｎは、抵抗１０６ａおよびコンデンサ１０６ｂによるローパスフィルタを介して遮断信号生成部１０６ｃの電圧信号Ｖｓになる。遮断信号生成部１０６ｃは、電圧信号Ｖｓが立ち上がるときに所定のしきい値Ｖｔｈｉｎに達するまでは、オン信号の遮断信号を出力してＭＯＳＦＥＴ１０７をオン状態にし、パワー半導体素子１０４のゲート電圧Ｖｇを基準電位まで引き下げている。

時刻ｔ１にて電圧信号Ｖｓが所定のしきい値Ｖｔｈｉｎに達すると、ＭＯＳＦＥＴ１０７は、オフ状態になる。このとき、パワー半導体素子１０４のゲート電圧Ｖｇは、パワー半導体素子１０４がオンするしきい値よりも高い電圧になっていることにより、ＭＯＳＦＥＴ１０７がオフ状態になるタイミングで、パワー半導体素子１０４は、オン状態になる。

パワー半導体素子１０４がオン状態になると、点火コイル１１０の一次コイル１１１に電流が流れ始めるので、パワー半導体素子１０４のコレクタ電流Ｉｃは、徐々に増えていく。時刻ｔ２にてパワー半導体素子１０４のコレクタ電流Ｉｃが飽和すると、コレクタ電流Ｉｃは、一定の値を維持するようになる。

時刻ｔ３にて制御信号Ｖｉｎがオフ信号になると、制御信号Ｖｉｎの低下をしきい値設定部１０６の遮断信号生成部１０６ｃが判断する。すなわち、電圧信号Ｖｓが所定のしきい値Ｖｔｈｉｎまで低下すると、遮断信号生成部１０６ｃは、オン信号の遮断信号を出力してＭＯＳＦＥＴ１０７をオン状態にし、パワー半導体素子１０４のゲート電圧Ｖｇを基準電位まで引き下げる。これにより、パワー半導体素子１０４は、オフ状態になるので、コレクタ電流Ｉｃが遮断される。点火コイル１１０の一次コイル１１１に流れる電流が遮断されると、磁界が変化し、自己誘導作用により一次コイル１１１に電圧が発生し、相互誘導により二次コイル１１２に高電圧が発生する。この高電圧は、点火プラグ１２０に供給され、その電圧Ｖｐにより点火プラグ１２０のギャップ間に放電が生じて火花が発生される。

自動車には、イグナイタとして用いられる半導体装置１００が内燃機関の気筒数に応じた数だけ設置されており、それぞれ火花が発生したときには、ノイズが発生する。また、自動車には、多くの電装品が搭載されており、これらもノイズの発生源になっている。特に、この半導体装置１００では、ノイズに対する耐性が求められており、ノイズの影響を受けて、誤動作するようなことがあれば、適正な点火時期を得ることができないばかりか、内燃機関を破損してしまう可能性がある。

図９（Ｂ）は、パワー半導体素子１０４がオン状態にあるときに、時刻ｔ２ａにて、負方向に大きな外来ノイズ（負のサージ電圧）の混入の影響を受けて制御信号Ｖｉｎが急激に大きく低下した場合を例示している。このような場合、遮断信号生成部１０６ｃに供給される電圧信号Ｖｓも低下し、場合によっては、しきい値Ｖｔｈｉｎよりも低下して、遮断信号生成部１０６ｃが遮断信号を出力してしまうことがある。遮断信号生成部１０６ｃが遮断信号を出力すると、ＭＯＳＦＥＴ１０７がオン状態になるので、パワー半導体素子１０４のゲート電圧Ｖｇが一瞬強制的に低下される。特に、ノイズの継続時間が長い場合、ゲート電圧Ｖｇを完全に基準電位まで引き下げることになり、半導体装置１００は、パワー半導体素子１０４をオン状態にする制御信号Ｖｉｎを受け取っているにも拘わらず、オフ状態にするといった誤動作をしてしまう。ゲート電圧Ｖｇがパワー半導体素子１０４をオフ状態にするまで達していなくても、ゲート電圧Ｖｇが低下することによりコレクタ電流Ｉｃが急激に低下するので、点火コイル１１０の二次コイル１１２に負の電圧Ｖｐが発生することがある。この電圧Ｖｐが放電電圧を超えてしまうと、狙った点火時期ではないところで、放電が発生してしまうことになる。

このような誤動作を防止するには、しきい値設定部１０６のローパスフィルタの時定数を大きくすればよい。これにより、制御信号Ｖｉｎが外来ノイズ混入の影響を受けて急激に低下したとしても、抵抗１０６ａまたはコンデンサ１０６ｂが電圧信号Ｖｓの低下を抑制するので、誤点火のような誤動作を防止することができる。

特開２００９－２８４４２０号公報（段落〔０００２〕～〔０００５〕，図６）

しかしながら、ノイズ耐量を上げるには、ローパスフィルタの時定数を大きくする必要があるが、集積回路で容量の大きなコンデンサを実現するにはチップサイズを大きくしなければならず、コストアップに繋がるという問題点がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、チップサイズを大きくすることなくノイズ耐性を向上させた半導体装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記の課題を解決するために、１つの案では、出力端子と接地端子との間に接続され、ゲート電位に応じてターンオンまたはターンオフに制御されるパワー半導体素子と、入力端子に供給された制御信号を動作電源とし、パワー半導体素子のしきい値として設定される所定の電圧よりも制御信号の電圧が低いときに遮断信号を出力するしきい値設定部と、パワー半導体素子のゲート端子と接地端子との間に接続され、遮断信号を受けてオン状態になることでパワー半導体素子をターンオフさせる遮断回路と、を備えた半導体装置が提供される。ここで、しきい値設定部は、制御信号の電圧を減圧して電圧信号にする抵抗と、電源端子を通じて受信した電圧信号をモニタして制御信号が所定の電圧よりも低いときに遮断信号を出力する遮断信号生成部と、制御信号の電圧が急激に低下したときに、パワー半導体素子のゲート容量に蓄積されている電荷を補助電源として抵抗と遮断信号生成部に給電する給電回路とを有し、給電回路の入力端は、パワー半導体素子のゲート端子に接続され、給電回路の出力端は、抵抗を介して入力端子に接続される。
また、電源端子を通じて印加される電圧信号は、入力端子に供給された制御信号の電圧、またはパワー半導体素子のゲート端子に蓄積されている給電回路からの電荷であり、給電回路は、制御信号の電圧がパワー半導体素子のターンオン制御中に低下してゲート電圧と電源端子の電圧との電位差が所定値より大きくなった場合、電荷を電源端子に供給し、遮断信号生成部は、電荷にもとづいて遮断信号を非出力にする。

上記構成の半導体装置は、パワー半導体素子がターンオン制御されているときに、制御信号の電圧が急激に低下しても、制御信号から作られたしきい値設定部の動作電源の電圧がパワー半導体素子のゲート容量に蓄積された電荷によって補われるので、しきい値設定部が誤動作することがないという利点がある。

第１の実施の形態に係る半導体装置を用いた点火システムの構成例を示す回路図である。 遮断信号生成部の構成例を示す回路図である。 遮断信号生成部の入出力特性を示す図である。 第１の実施の形態に係る半導体装置を用いた点火システムの動作例を示すタイミングチャートであって、（Ａ）は正常動作時の動作例を示し、（Ｂ）はノイズ混入時の動作例を示している。 第２の実施の形態に係る半導体装置を用いた点火システムの構成例を示す回路図である。 第３の実施の形態に係る半導体装置を用いた点火システムの構成例を示す回路図である。 第４の実施の形態に係る半導体装置を用いた点火システムの構成例を示す回路図である。 従来の半導体装置を用いた点火システムの構成例を示す回路図である。 従来の半導体装置を用いた点火システムの動作例を示すタイミングチャートであって、（Ａ）は正常動作時の動作例を示し、（Ｂ）はノイズ混入時の動作例を示している。

以下、本発明の実施の形態について、自動車の内燃機関の点火システムに用いられるイグナイタに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。なお、図中、同一の符号で示される部分は、同一の構成要素を示している。また、各実施の形態は、矛盾のない範囲で複数の実施の形態を部分的に組み合わせて実施することができる。

図１は第１の実施の形態に係る半導体装置を用いた点火システムの構成例を示す回路図、図２は遮断信号生成部の構成例を示す回路図、図３は遮断信号生成部の入出力特性を示す図、図４は第１の実施の形態に係る半導体装置を用いた点火システムの動作例を示すタイミングチャートであって、（Ａ）は正常動作時の動作例を示し、（Ｂ）はノイズ混入時の動作例を示している。

図１に例示した点火システムは、半導体装置１０と、点火コイル２０と、点火プラグ３０と、バッテリ４０と、エンジン制御ユニット５０とを備えている。半導体装置１０は、エンジン制御ユニット５０からの制御信号Ｖｉｎを入力する入力端子１１と、点火コイル２０の一次コイル２１の一方の端子に接続される出力端子１２と、バッテリ４０の負極端子に接続される接地端子１３とを有している。点火コイル２０の一次コイル２１の他方の端子は、バッテリ４０の正極端子に接続され、バッテリ４０の負極端子は、この点火システムの基準電位をなす自動車のシャシに接続されている。点火コイル２０の二次コイル２２の一方の端子は、点火プラグ３０の中心電極に接続され、点火プラグ３０の接地電極は、バッテリ４０の負極端子に接続されている。点火コイル２０の二次コイル２２の他方の端子は、バッテリ４０の正極端子に接続されている。

半導体装置１０は、パワー半導体素子１４と、抵抗（ゲート抵抗）１５と、しきい値設定部１６と、ＭＯＳＦＥＴ（遮断回路）１７とを備えている。ここで、抵抗１５、しきい値設定部１６およびＭＯＳＦＥＴ１７は、集積回路化されている。

パワー半導体素子１４は、ここでは、ＩＧＢＴを使用しており、一例として、数百ボルト（Ｖ）に至る耐圧を有する。パワー半導体素子１４は、たとえば、基板の第１面側にコレクタ電極が形成され、第１面とは反対側の第２面側にゲート電極およびエミッタ電極が形成される縦型デバイスである。なお、パワー半導体素子１４は、ＩＧＢＴに代えて、縦型構造のパワーＭＯＳＦＥＴのような他の電圧制御型のパワー半導体素子を使用することができる。

パワー半導体素子１４のコレクタ端子は、半導体装置１０の出力端子１２に接続され、パワー半導体素子１４のエミッタ端子は、半導体装置１０の接地端子１３に接続されている。パワー半導体素子１４のゲート端子は、抵抗１５の一方の端子に接続され、抵抗１５の他方の端子は、半導体装置１０の入力端子１１に接続されている。この抵抗１５は、パワー半導体素子１４のゲート端子と半導体装置１０の入力端子１１との間にゲート電圧Ｖｇと制御信号Ｖｉｎの電圧との電位差を発生させる電位差生成部となる。抵抗１５による電位差生成部の抵抗値は、１～１０ｋΩ程度とすることが望ましい。

しきい値設定部１６は、制御信号Ｖｉｎを減圧する抵抗１６ａと、遮断信号を生成する遮断信号生成部１６ｂと、給電回路を構成するダイオード１６ｃとを有している。抵抗１６ａの一方の端子は、半導体装置１０の入力端子１１に接続され、抵抗１６ａの他方の端子は、遮断信号生成部１６ｂの電源端子に接続されている。遮断信号生成部１６ｂの出力端子は、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ１７のゲート端子に接続され、遮断信号生成部１６ｂの接地端子は、半導体装置１０の接地端子１３に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１７のドレイン端子は、パワー半導体素子１４のゲート端子に接続され、ＭＯＳＦＥＴ１７のソース端子は、半導体装置１０の接地端子１３に接続されている。ダイオード１６ｃのアノード端子は、パワー半導体素子１４のゲート端子に接続され、ダイオード１６ｃのカソード端子は、遮断信号生成部１６ｂの電源端子に接続されている。ダイオード１６ｃは、マイクロアンペア（μＡ）オーダーの給電ができるものであればよい。

遮断信号生成部１６ｂは、図２に示したように、電源端子６１と、接地端子６２と、出力端子６３と、分圧回路を構成する抵抗６４，６５と、インバータ６６とを有している。電源端子６１は、抵抗１６ａの他方の端子とダイオード１６ｃのカソードとに接続され、接地端子６２は、半導体装置１０の接地端子１３に接続され、出力端子６３は、ＭＯＳＦＥＴ１７のゲート端子に接続される。

遮断信号生成部１６ｂにおいて、電源端子６１は、抵抗６４の一方の端子とインバータ６６の電源端子とに接続されている。抵抗６４の他方の端子は、抵抗６５の一方の端子とインバータ６６の入力端子とに接続されている。抵抗６５の他方の端子は、遮断信号生成部１６ｂの接地端子６２とインバータ６６の接地端子とに接続されている。インバータ６６の出力端子は、遮断信号生成部１６ｂの出力端子６３に接続されている。インバータ６６は、制御信号Ｖｉｎを抵抗１６ａと抵抗６４および抵抗６５の直列回路とで分圧した電圧信号Ｖｓを動作電源としている。なお、抵抗１６ａの抵抗値は、抵抗１６ａと抵抗６４および抵抗６５の直列回路との分圧比による抵抗１６ａでの電圧降下（Ｖｉｎ－Ｖｓ）がダイオード１６ｃの順方向電圧よりも小さくなるようにしている。

この遮断信号生成部１６ｂは、図３に示した入出力特性を有している。すなわち、遮断信号生成部１６ｂは、制御信号Ｖｉｎを減圧した電圧信号Ｖｓを動作電源としている。このため、制御信号Ｖｉｎが過渡的に立ち上がる過程においては、電圧信号Ｖｓを抵抗６４，６５による分圧回路で分圧した電圧がインバータ６６のしきい値Ｖｔｈｉｎに達するまでは、制御信号Ｖｉｎと略同一の電位の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。この出力電圧Ｖｏｕｔは、遮断信号として作用し、ＭＯＳＦＥＴ１７のしきい値を超えると、ＭＯＳＦＥＴ１７をオン状態にし、パワー半導体素子１４のゲート電圧Ｖｇを接地電位付近まで低下させる。これにより、パワー半導体素子１４は、ターンオンの制御信号Ｖｉｎが入力されているにも拘わらず、ターンオンにならずにターンオフのままである。

制御信号Ｖｉｎの立ち上がりの途中で、電圧信号Ｖｓを抵抗６４，６５で分圧した電圧がインバータ６６をオフさせるしきい値Ｖｔｈｉｎを超えると、インバータ６６がロー電位を出力し、ＭＯＳＦＥＴ１７がオフ状態となる。この瞬間に、パワー半導体素子１４のゲート端子には、制御信号Ｖｉｎが抵抗１５を介して印加されるので、パワー半導体素子１４は、ターンオンして導通状態になる。

次に、制御信号Ｖｉｎの立ち下がりの途中で、インバータ６６の入力電圧がそのしきい値Ｖｔｈｉｎより低下すると、インバータ６６がハイ電位を出力し、ＭＯＳＦＥＴ１７がオン状態となる。この瞬間に、パワー半導体素子１４のゲート電圧Ｖｇが低下するので、パワー半導体素子１４は、ターンオフして非導通状態になる。

その後、インバータ６６の出力電圧Ｖｏｕｔは、制御信号Ｖｉｎの電圧に応じて低下し、出力電圧ＶｏｕｔがＭＯＳＦＥＴ１７のしきい値より低下すると、ＭＯＳＦＥＴ１７がオフ状態となる。

このように、このしきい値設定部１６は、パワー半導体素子１４をターンオン・ターンオフするタイミングに特性ばらつきの大きいパワー半導体素子１４のしきい値を用いないで、特性ばらつきの小さいインバータ６６のしきい値Ｖｔｈｉｎを利用している。なお、図３に示す図は、制御信号Ｖｉｎおよび出力電圧Ｖｏｕｔの過渡的な変化をわかりやすくするために、時間軸を拡大して示している。

以上の構成の半導体装置１０を用いた点火システムの動作について、図４（Ａ）および（Ｂ）を参照しながら説明する。図４（Ａ）および（Ｂ）において、横軸は時間、縦軸は電圧値または電流値を示していて、上から、制御信号Ｖｉｎ、電圧信号Ｖｓ、パワー半導体素子１４のゲート電圧Ｖｇ、パワー半導体素子１４のコレクタ電流Ｉｃおよび点火プラグ３０の電圧Ｖｐを示している。

まず、正常動作時においては、図４（Ａ）に示したように、時刻ｔ１０にて、エンジン制御ユニット５０から供給された制御信号Ｖｉｎがロー電位の０Ｖからハイ電位（たとえば５Ｖ）に立ち上がると、しきい値設定部１６の電圧信号Ｖｓも同様に立ち上がる。電圧信号Ｖｓを分圧した電圧がインバータ６６のしきい値Ｖｔｈｉｎを超えると、遮断回路のＭＯＳＦＥＴ１７がオフ状態となる。これにより、パワー半導体素子１４のゲート電圧Ｖｇが立ち上がり、パワー半導体素子１４のゲート・エミッタ間容量（ゲート容量）が充電されて、パワー半導体素子１４がターンオンする。

これにより、パワー半導体素子１４には、バッテリ４０から点火コイル２０の一次コイル２１を介してコレクタ電流Ｉｃが流れる。なお、コレクタ電流Ｉｃの時間変化ｄＩ／ｄｔは、一次コイル２１のインダクタンスおよびバッテリ４０の供給電圧に応じて定まり、あらかじめ定められた電流値となる時刻ｔ１１まで増加する。その後、コレクタ電流Ｉｃは、一定に維持される。

時刻ｔ１２において、制御信号Ｖｉｎがハイ電位からロー電位に立ち下がると、パワー半導体素子１４は、ターンオフし、コレクタ電流Ｉｃが急激に減少する。コレクタ電流Ｉｃの急激な減少により、一次コイル２１の両端電圧は、自己誘導起電力により急激に増加し、二次コイル２２の両端に数十ｋＶ程度に至る誘導起電力が発生される。この二次コイル２２の電圧Ｖｐは、点火プラグ３０に供給され、点火プラグ３０のギャップ間に火花が発生される。

このように、制御信号Ｖｉｎの電圧がパワー半導体素子のターンオン制御中に急激な低下がない場合、ゲート電圧Ｖｇと電圧信号Ｖｓとの間には、ダイオード１６ｃの順方向電圧を超える電位差が発生しないので、ダイオード１６ｃは、何の機能もしない。

次に、図４（Ｂ）に示したように、パワー半導体素子１４がオン状態にあるときの時刻ｔ１１ａにて、負のサージ電圧の影響を受けて制御信号Ｖｉｎが急激に（たとえば、数μ秒）低下する場合について説明する。

時刻ｔ１１ａにおいて負のサージ電圧が入力端子１１に印加されると、その負のサージ電圧は、抵抗１６ａにより減衰されて電圧信号Ｖｓとなり、遮断信号生成部１６ｂに入力される。このとき、負のサージ電圧を減衰すべく電圧信号Ｖｓを減衰しても、遮断信号生成部１６ｂのインバータ６６に入力される電圧がインバータ６６のしきい値Ｖｔｈｉｎより低下してしまうと、ＭＯＳＦＥＴ１７がオン状態になるので、ゲート電圧Ｖｇは、急激に低下することになる。

この負のサージ電圧が印加される直前のコレクタ電流Ｉｃが、Ｉｃ＞１／２×ｇｍ×（Ｖｇａ－Ｖｔｈｉ）である場合、コレクタ電流Ｉｃは、負のサージ電圧により急激に減少する。ここで、Ｖｇａは、サージ電圧発生直後のパワー半導体素子１４のゲート電圧、Ｖｔｈｉは、パワー半導体素子１４のしきい値、ｇｍは、パワー半導体素子１４の相互コンダクタンスである。

以上のように、制御信号Ｖｉｎがパワー半導体素子１４の導通条件を満たしても、パワー半導体素子１４は、負のサージ電圧によりコレクタ電流Ｉｃを急激に減少させてしまう場合があることがわかる。この場合、点火プラグ３０は、本来は、時刻ｔ１２まで点火してはいけないのに、時刻ｔ１１ａにおいて早期に誤点火してしまうことになる。

しかし、この半導体装置１０では、制御信号Ｖｉｎがハイ電位の状態にあるとき、負のサージ電圧によって制御信号Ｖｉｎが急激に低下したとしても、電圧信号Ｖｓがインバータ６６のしきい値Ｖｔｈｉｎよりも低下することはない。すなわち、制御信号Ｖｉｎが急激に低下して制御信号Ｖｉｎと電圧信号Ｖｓとの電位差がダイオード１６ｃの順方向電圧よりも大きくなると、ダイオード１６ｃがオン状態になる。これにより、ダイオード１６ｃは、パワー半導体素子１４のゲート容量に蓄積されていた電荷を遮断信号生成部１６ｂの電源端子６１に給電することになる。このように、ゲート容量の電荷を、制御信号Ｖｉｎが急激に低下した非常時の補助電源とし、ダイオード１６ｃが遮断信号生成部１６ｂの電源端子６１に給電するので、電圧信号Ｖｓの低下が抑制される。この結果、負のサージ電圧によるしきい値設定部１６の誤動作および点火プラグ３０の誤点火を防止することができる。

図５は第２の実施の形態に係る半導体装置を用いた点火システムの構成例を示す回路図である。この図５において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

第２の実施の形態に係る半導体装置１０ａは、遮断信号生成部１６ｂの電源端子と接地端子とにコンデンサ１６ｄが接続されている。これにより、抵抗１６ａおよびコンデンサ１６ｄは、ローパスフィルタを形成し、遮断信号生成部１６ｂに侵入する高周波ノイズを減衰させることができる。

しきい値設定部１６に追加されたコンデンサ１６ｄは、抵抗１６ａ、遮断信号生成部１６ｂおよびダイオード１６ｃと一緒に形成されるので、ピコファラッド（ｐＦ）オーダーの容量値を有している。これに対し、パワー半導体素子１４のゲート容量は、ナノファラッド（ｎＦ）オーダーの容量値を有していてコンデンサ１６ｄの容量値よりも３桁程度大きい。したがって、制御信号Ｖｉｎが急激に低下したときにパワー半導体素子１４のゲート容量から電荷が供給されたときに、コンデンサ１６ｄへの充電は、急激に行われるので、電圧信号Ｖｓが実質的に低下することはない。このため、第２の実施の形態に係る半導体装置１０ａは、第１の実施の形態に係る半導体装置１０と実質的に同じ動作をすることになる。

図６は第３の実施の形態に係る半導体装置を用いた点火システムの構成例を示す回路図である。この図６において、図５に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

第３の実施の形態に係る半導体装置１０ｂでは、ゲート容量の電荷を供給する給電回路を、第１および第２の実施の形態のダイオード１６ｃに代えて、ｎチャネルのＭＯＳＦＥＴ１６ｅで構成している。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ１６ｅのドレイン端子は、パワー半導体素子１４のゲート端子に接続され、ＭＯＳＦＥＴ１６ｅのソース端子は、遮断信号生成部１６ｂの電源端子に接続されている。そして、ＭＯＳＦＥＴ１６ｅは、そのゲート端子を自身のドレイン端子に接続してダイオードを構成している。

この半導体装置１０ｂにおいても、制御信号Ｖｉｎが急激に低下したときに、パワー半導体素子１４のゲート容量に蓄積されている電荷がダイオード構成のＭＯＳＦＥＴ１６ｅを介して遮断信号生成部１６ｂの電源端子に供給される。これにより、制御信号Ｖｉｎが急激に低下しても、遮断信号生成部１６ｂの電源端子における電圧信号Ｖｓが低下することはないので、インバータ６６の誤動作、ひいては点火プラグ３０の誤点火を防止することができる。

また、この半導体装置１０ｂは、第１の実施の形態に係る半導体装置１０と同様に、遮断信号生成部１６ｂの電源端子および接地端子にコンデンサ１６ｄを接続しない構成としてもよい。

図７は第４の実施の形態に係る半導体装置を用いた点火システムの構成例を示す回路図である。この図７において、図５に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

第４の実施の形態に係る半導体装置１０ｃでは、パワー半導体素子１４を遮断する回路として、パワー半導体素子１４のゲート端子と半導体装置１０ｃの入力端子１１との間にｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴ１８が接続されている。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ１８のドレイン端子は、パワー半導体素子１４のゲート端子に接続され、ＭＯＳＦＥＴ１８のソース端子は、半導体装置１０ｃの入力端子１１に接続され、ＭＯＳＦＥＴ１８のゲート端子は、遮断信号生成部１６ｂの出力端子に接続されている。これにより、このＭＯＳＦＥＴ１８は、パワー半導体素子１４をターンオンする制御信号Ｖｉｎが入力されているときに、ゲート電圧Ｖｇと制御信号Ｖｉｎの電圧との電位差を発生させる電位差生成部となる。したがって、ＭＯＳＦＥＴ１８がオン動作したときのオン抵抗の抵抗値は、１～１０ｋΩ程度にしている。ＭＯＳＦＥＴ１８は、また、遮断信号生成部１６ｂからの遮断信号を受けてオフ動作をし、パワー半導体素子１４をターンオフするので、第１ないし第３の実施の形態にて遮断回路として機能するＭＯＳＦＥＴ１７の代わりをしていることになる。

第４の実施の形態に係る半導体装置１０ｃでは、また、パワー半導体素子１４のゲート端子と半導体装置１０ｃの接地端子１３との間に抵抗１９が接続されている。この抵抗１９は、ＭＯＳＦＥＴ１８が遮断信号生成部１６ｂから遮断信号を受けてオフ動作したときに、パワー半導体素子１４のゲート端子の電位をプルダウンするためのものである。

この第４の実施の形態に係る半導体装置１０ｃによれば、オフ制御の制御信号Ｖｉｎが入力されると、遮断信号生成部１６ｂおよびＭＯＳＦＥＴ１８はオフ状態になり、パワー半導体素子１４のゲート端子は、抵抗１９により接地電位付近まで低下される。

オン制御の制御信号Ｖｉｎが入力されて、遮断信号生成部１６ｂがロー電位の信号を出力すると、ＭＯＳＦＥＴ１８は、オン状態になり、パワー半導体素子１４は、ターンオンする。

ハイ電位の制御信号Ｖｉｎが入力されているときに、負のサージ電圧が混入して制御信号Ｖｉｎが急激に低下すると、パワー半導体素子１４のゲート容量に蓄積されている電荷がダイオード１６ｃを介して遮断信号生成部１６ｂの電源端子に供給される。このように、制御信号Ｖｉｎが急激に低下しても、遮断信号生成部１６ｂの電源端子における電圧信号Ｖｓが低下することはないので、インバータ６６の誤動作、ひいては点火プラグ３０の誤点火を防止することができる。

この半導体装置１０ｃは、第１の実施の形態に係る半導体装置１０と同様に、遮断信号生成部１６ｂの電源端子および接地端子にコンデンサ１６ｄを接続しない構成としてもよい。また、給電回路を構成するダイオード１６ｃは、第３の実施の形態に係る半導体装置１０ｂと同様に、ＭＯＳＦＥＴで構成してもよい。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 半導体装置
１１ 入力端子
１２ 出力端子
１３ 接地端子
１４ パワー半導体素子
１５ 抵抗（ゲート抵抗）
１６ しきい値設定部
１６ａ 抵抗
１６ｂ 遮断信号生成部
１６ｃ ダイオード（給電回路）
１６ｄ コンデンサ
１６ｅ ＭＯＳＦＥＴ（給電回路）
１７ ＭＯＳＦＥＴ（遮断回路）
１８ ＭＯＳＦＥＴ（遮断回路）
１９ 抵抗
２０ 点火コイル
２１ 一次コイル
２２ 二次コイル
３０ 点火プラグ
４０ バッテリ
５０ エンジン制御ユニット
６１ 電源端子
６２ 接地端子
６３ 出力端子
６４，６５ 抵抗（分圧回路）
６６ インバータ

Claims (8)

1. 出力端子と接地端子との間に接続され、ゲート電位に応じてターンオンまたはターンオフに制御されるパワー半導体素子と、
   入力端子に供給された制御信号を動作電源とし、前記パワー半導体素子のしきい値として設定される所定の電圧よりも前記制御信号の電圧が低いときに遮断信号を出力するしきい値設定部と、
   前記パワー半導体素子のゲート端子と前記接地端子との間に接続され、前記遮断信号を受けてオン状態になることで前記パワー半導体素子をターンオフさせる遮断回路と、
   を備え、
   前記しきい値設定部は、前記制御信号の電圧を減圧して電圧信号にする抵抗と、電源端子を通じて受信した前記電圧信号をモニタして前記制御信号が前記所定の電圧よりも低いときに前記遮断信号を出力する遮断信号生成部と、前記制御信号の電圧が急激に低下したときに、前記パワー半導体素子のゲート容量に蓄積されている電荷を補助電源として前記抵抗と前記遮断信号生成部に給電する給電回路とを有し、
   前記給電回路の入力端は、前記パワー半導体素子のゲート端子に接続され、前記給電回路の出力端は、前記抵抗を介して前記入力端子に接続され、
   前記電源端子を通じて印加される前記電圧信号は、前記入力端子に供給された前記制御信号の電圧、または前記パワー半導体素子のゲート端子に蓄積されている前記給電回路からの前記電荷であり、
   前記給電回路は、前記制御信号の電圧が前記パワー半導体素子のターンオン制御中に低下してゲート電圧と前記電源端子の電圧との電位差が所定値より大きくなった場合、前記電荷を前記電源端子に供給し、前記遮断信号生成部は、前記電荷にもとづいて前記遮断信号を非出力にする、
   半導体装置。
2. 前記遮断信号生成部は、前記電圧信号を分圧する分圧回路と、前記電圧信号を電源とし、前記分圧回路によって分圧された電圧が自身のしきい値より低いときにハイ電位を出力し、前記自身のしきい値以上であるときロー電位を出力するインバータとを有し、前記遮断信号生成部の電源端子は、前記分圧回路および前記インバータの高電位側に接続されている、請求項１記載の半導体装置。
3. 前記給電回路は、アノード端子が前記パワー半導体素子のゲート端子に接続され、カソード端子が前記抵抗と前記遮断信号生成部との接続部に接続されたダイオードである、請求項１記載の半導体装置。
4. 前記給電回路は、ドレイン端子およびゲート端子が前記パワー半導体素子のゲート端子に接続され、ソース端子が前記抵抗と前記遮断信号生成部との接続部に接続されたｎチャネルのＭＯＳＦＥＴである、請求項１記載の半導体装置。
5. 前記遮断回路は、ドレイン端子が前記パワー半導体素子のゲート端子に接続され、ソース端子が前記接地端子に接続され、ゲート端子が前記しきい値設定部の出力に接続されたｎチャネルのＭＯＳＦＥＴである、請求項１記載の半導体装置。
6. 前記しきい値設定部は、前記抵抗および前記遮断信号生成部の接続部と前記接地端子とに接続されたコンデンサを有している、請求項１記載の半導体装置。
7. 前記パワー半導体素子は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタまたは縦型ＭＯＳＦＥＴである、請求項１記載の半導体装置。
8. 前記しきい値設定部は、前記出力端子と接続されていない、請求項１記載の半導体装置。

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