JP7725966B2 - Semiconductor device and ignition control device equipped with the same - Google Patents
Semiconductor device and ignition control device equipped with the sameInfo
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Description
本発明は半導体装置及びこれを備えた点火制御装置の回路構成に属する。 The present invention relates to a semiconductor device and the circuit configuration of an ignition control device equipped with the semiconductor device.
内燃機関の点火コイルに通電される電流を制御するイグナイタは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)などのパワー半導体素子等を備え、エンジンコントロールユニット(ECU)からのスイッチング制御信号に基づきパワー半導体素子を制御することで点火コイルの1次側電流の通電を制御する。 The igniter, which controls the current flowing through the ignition coil of an internal combustion engine, is equipped with power semiconductor elements such as insulated gate bipolar transistors (IGBTs), and controls the flow of primary current through the ignition coil by controlling the power semiconductor elements based on switching control signals from the engine control unit (ECU).
パワー半導体素子のターンオフ時に1次側コイルの電圧は数百V程度まで上昇し、1次側コイルと2次側コイルの巻き線比に応じた数十kVの高電圧を2次側コイルに発生させることで、スパークプラグを火花放電させる。 When the power semiconductor element is turned off, the voltage in the primary coil rises to several hundred volts, generating a high voltage of several tens of kV in the secondary coil depending on the winding ratio between the primary and secondary coils, causing the spark plug to discharge a spark.
また、イグナイタには例えば特許文献1に示すように、イグナイタのゲート信号入力端子とパワー半導体素子のゲート端子の間に繋がる抵抗や、イグナイタのゲート信号入力端子とグランド端子(またはエミッタ端子)の間に繋がる抵抗を備え、パワー半導体のターンオフ時にはこれらを介してゲート電荷を引抜く。 In addition, as shown in Patent Document 1, for example, the igniter is equipped with a resistor connected between the gate signal input terminal of the igniter and the gate terminal of the power semiconductor element, and a resistor connected between the gate signal input terminal of the igniter and the ground terminal (or emitter terminal), and the gate charge is extracted through these resistors when the power semiconductor is turned off.
更には、例えば特許文献1に示すように、パワー半導体のゲート端子からイグナイタの信号入力端子に向かうスピードアップ用ダイオードを備えることで、パワー半導体素子のターンオフ時に、パワー半導体素子のゲート電荷を高速に引き抜き、早急にパワー半導体素子をオフする技術がある。 Furthermore, as shown in Patent Document 1, for example, there is a technology that provides a speed-up diode from the gate terminal of the power semiconductor to the signal input terminal of the igniter, thereby quickly extracting the gate charge of the power semiconductor element when the power semiconductor element is turned off, thereby quickly turning off the power semiconductor element.
パワー半導体素子の急速なターンオフ時の急激な電流変化とグランド配線の寄生インダクタンスによる起電力により、ECUのグランドに対してイグナイタのエミッタ電位が低下してしまうことで、イグナイタの信号入力端子-エミッタ端子間電位差が上昇する。
これにより、パワー半導体素子が正常にターンオフできず、ターンオフ時間が延びたり、ターンオフ期間中に1次側コイル電流に相当するコレクタ電流が振動するなどして、点火コイルの放電のタイミングに影響が出たり、ノイズとなり車内の他の機器に影響を及ぼすという問題があった。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、パワー半導体素子のコレクタ電流の振動による悪影響を抑制する事が出来る半導体装置及びこれを備えた点火制御装置を提供することにある。
The sudden change in current when the power semiconductor element is turned off and the electromotive force caused by the parasitic inductance of the ground wiring cause the emitter potential of the igniter to drop relative to the ECU ground, causing the potential difference between the signal input terminal and the emitter terminal of the igniter to increase.
This causes problems such as the power semiconductor elements not being able to turn off properly, lengthening the turn-off time, or causing the collector current, which is equivalent to the primary coil current, to oscillate during the turn-off period, affecting the timing of the ignition coil discharge and generating noise that can affect other equipment inside the vehicle.
The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems, and aims to provide a semiconductor device that can suppress the adverse effects caused by oscillations in the collector current of a power semiconductor element, and an ignition control device equipped with the same.
上記問題を解決させるために、本発明では、高電位側の第1端子および低電位側の第2端子との間に接続されたパワー半導体素子と、スイッチング制御信号が入力される制御端子と、前記パワー半導体素子のゲートとの間に接続されたゲート抵抗と、前記パワー半導体素子のゲートと前記第2端子との間に接続された遮断部と、前記制御端子電位と前記第2端子電位との電位差、が所定電位より高いか否かを判定し、この判定結果を入力判定信号として出力する入力判定回路と、前記入力判定信号が入力され、出力が前記遮断部の入力に接続され、前記電位差が前記所定電位より高いオン判定信号のときに、該入力判定信号を、前記電位差の前記所定電位超過時より所定時間遅延させて出力するディレイ回路とを有する半導体装置及びこれを備えた点火制御装置を提供する。 To solve the above problem, the present invention provides a semiconductor device and an ignition control device equipped with the semiconductor device, which includes: a power semiconductor element connected between a first terminal on the high potential side and a second terminal on the low potential side; a control terminal to which a switching control signal is input; a gate resistor connected between the gate of the power semiconductor element and the control terminal; a cutoff unit connected between the gate of the power semiconductor element and the second terminal; an input determination circuit that determines whether the potential difference between the control terminal potential and the second terminal potential is higher than a predetermined potential and outputs this determination result as an input determination signal; and a delay circuit that receives the input determination signal and whose output is connected to the input of the cutoff unit, and that, when the potential difference is higher than the predetermined potential (an ON determination signal), outputs the input determination signal with a predetermined delay from when the potential difference exceeds the predetermined potential.
本発明によれば、パワー半導体素子のコレクタ電流の振動による悪影響を抑制する事が出来る半導体装置及びこれを備えた点火制御装置を提供できる。 The present invention provides a semiconductor device that can suppress the adverse effects of oscillations in the collector current of a power semiconductor element, and an ignition control device equipped with the same.
図1~図3は、本発明に係る半導体装置及びこれを備えた点火制御装置の第1の実施形態の構成例である。ここで、本願の半導体装置は、イグナイタの様なインダクタンスを持つ負荷駆動装置であってよい。 Figures 1 to 3 show an example configuration of a first embodiment of a semiconductor device and an ignition control device equipped with the semiconductor device according to the present invention. Here, the semiconductor device of the present application may be a load driving device having inductance, such as an igniter.
自動車等の内燃機関の点火制御装置1000は制御信号発生部10と、点火プラグ20と、点火コイル30と、電源40と、本発明に係る半導体装置100とを備える。 The ignition control device 1000 for an internal combustion engine of an automobile or the like comprises a control signal generating unit 10, an ignition plug 20, an ignition coil 30, a power supply 40, and a semiconductor device 100 according to the present invention.
制御信号発生部10は、半導体装置100に内蔵されるパワー半導体素子110のオンおよびオフの切り換えを制御するスイッチング制御信号Vinを発生する。 The control signal generating unit 10 generates a switching control signal Vin that controls the on/off switching of the power semiconductor element 110 built into the semiconductor device 100.
制御信号発生部10は、例えば、自動車のECUの一部または全部である。 The control signal generating unit 10 is, for example, part or all of the ECU of a vehicle.
制御信号発生部10がスイッチング制御信号Vinを半導体装置100に供給することにより、内燃機関の点火制御装置1000は点火プラグ20の点火動作を開始する。 When the control signal generating unit 10 supplies the switching control signal Vin to the semiconductor device 100, the internal combustion engine ignition control device 1000 initiates the ignition operation of the spark plug 20.
点火プラグ20は、放電により電気的に火花を発生させる。点火プラグ20は、例えば、10kV程度以上の印加電圧により放電する。 The spark plug 20 generates an electrical spark by discharging. The spark plug 20 discharges when an applied voltage of, for example, approximately 10 kV or more is applied.
点火プラグ20は、一例として、内燃機関に設けられ、この場合、燃焼室の混合気等の燃焼ガスを点火する。 The spark plug 20 is installed, for example, in an internal combustion engine, and in this case ignites combustion gases such as an air-fuel mixture in the combustion chamber.
点火プラグ20は、例えば、シリンダの外部からシリンダ内部の燃焼室まで貫通する貫通孔に設けられ、当該貫通孔を封止するように固定される。この場合、点火プラグ20の一端は燃焼室内に露出され、他端はシリンダ外部から電気信号を受け取る。 The spark plug 20 is installed, for example, in a through hole that extends from the outside of the cylinder to the combustion chamber inside the cylinder, and is fixed so as to seal the through hole. In this case, one end of the spark plug 20 is exposed inside the combustion chamber, and the other end receives an electrical signal from outside the cylinder.
点火コイル30は、点火プラグ20を放電させる高電圧を電気信号として供給する。 The ignition coil 30 supplies a high voltage electrical signal that causes the spark plug 20 to discharge.
点火コイル30は、変圧器として機能してよく、例えば、1次側コイル32および2次側コイル34を有するイグニッションコイルである。 The ignition coil 30 may function as a transformer, for example, an ignition coil having a primary coil 32 and a secondary coil 34.
1次側コイル32および2次側コイル34の一端は、電気的に接続される。 One end of the primary coil 32 and one end of the secondary coil 34 are electrically connected.
点火コイル30の1次側コイル32は、2次側コイル34よりも巻き線数が少なく、2次側コイル34とコアを共有する。2次側コイル34は、1次側コイル32に発生する起電力に応じて、起電力(相互誘導起電力)を発生させる。 The primary coil 32 of the ignition coil 30 has fewer windings than the secondary coil 34 and shares a core with the secondary coil 34. The secondary coil 34 generates an electromotive force (mutually induced electromotive force) in response to the electromotive force generated in the primary coil 32.
2次側コイル34は、他端が点火プラグ20と接続され、発生させた起電力を点火プラグ20に供給して放電させる。 The other end of the secondary coil 34 is connected to the spark plug 20, and the generated electromotive force is supplied to the spark plug 20, causing it to discharge.
電源40は、点火コイル30に電圧を供給する。電源40は、例えば、1次側コイル32および2次側コイル34の一端に予め定められた定電圧Vb(一例として、14V)を供給する。電源40は、一例として、自動車のバッテリーである。 The power supply 40 supplies voltage to the ignition coil 30. The power supply 40 supplies, for example, a predetermined constant voltage Vb (for example, 14 V) to one end of the primary coil 32 and the secondary coil 34. For example, the power supply 40 is a car battery.
半導体装置100は、制御信号発生部10から供給されるスイッチング制御信号Vinに応じて、点火コイル30の1次側コイル32の他端および基準電位の間の導通および非導通を切り換える。 The semiconductor device 100 switches between conduction and non-conduction between the other end of the primary coil 32 of the ignition coil 30 and the reference potential in response to the switching control signal Vin supplied from the control signal generating unit 10.
半導体装置100は、例えば、スイッチング制御信号Vinがハイ電位(オン電位)であることに応じて1次側コイル32および基準電位の間を導通させ、ロー電位(オフ電位)であることに応じて非導通にさせる。 For example, the semiconductor device 100 establishes conduction between the primary coil 32 and the reference potential when the switching control signal Vin is at a high potential (on potential), and establishes non-conduction between the primary coil 32 and the reference potential when the switching control signal Vin is at a low potential (off potential).
ここで、基準電位は、自動車の制御システムにおける基準電位でよく、また、自動車内における半導体装置100に対応する基準電位でもよい。基準電位は、半導体装置100をオフにするロー電位でもよく、一例として、0Vである。 Here, the reference potential may be the reference potential in the vehicle's control system, or may be the reference potential corresponding to the semiconductor device 100 inside the vehicle. The reference potential may be a low potential that turns off the semiconductor device 100, such as 0 V, for example.
半導体装置100は、制御端子102と、第1端子104と、第2端子106と、パワー半導体素子110と、遮断部120と、入力判定回路130と、ディレイ回路140と、ロジック回路150と、ゲート抵抗170と、スピードアップ用ダイオード180と、プルダウン抵抗190とを備える。半導体装置100は、これらを1つの半導体基板内に集積した構成である。 The semiconductor device 100 includes a control terminal 102, a first terminal 104, a second terminal 106, a power semiconductor element 110, a cutoff unit 120, an input determination circuit 130, a delay circuit 140, a logic circuit 150, a gate resistor 170, a speed-up diode 180, and a pull-down resistor 190. The semiconductor device 100 has these elements integrated on a single semiconductor substrate.
また、入力判定回路130と、ディレイ回路140を動作させる電源電圧は、制御端子102から入力されるスイッチング制御信号Vinを兼用しており、スイッチング制御信号Vinがハイ電位の場合のみ、入力判定回路130とディレイ回路140が動作する構成としている。 In addition, the power supply voltage that operates the input determination circuit 130 and the delay circuit 140 is also the switching control signal Vin input from the control terminal 102, and the input determination circuit 130 and the delay circuit 140 operate only when the switching control signal Vin is at a high potential.
制御端子102は、制御信号発生部10に接続され、パワー半導体素子110を制御するスイッチング制御信号Vinを入力する。第1端子104は、点火コイル30を介して電源40に接続される。 The control terminal 102 is connected to the control signal generating unit 10 and receives the switching control signal Vin that controls the power semiconductor element 110. The first terminal 104 is connected to the power supply 40 via the ignition coil 30.
第2端子106は、基準電位に接続される。即ち、第1端子104は、第2端子106と比較して高電位側の端子であり、第2端子106は、第1端子104と比較して低電位側の端子である。 The second terminal 106 is connected to a reference potential. That is, the first terminal 104 is a terminal on the higher potential side compared to the second terminal 106, and the second terminal 106 is a terminal on the lower potential side compared to the first terminal 104.
パワー半導体素子110は、ゲート端子、コレクタ端子、およびエミッタ端子を含み、ゲート端子に入力するスイッチング制御信号Vinに応じてゲートが制御され、コレクタ端子およびエミッタ端子の間を電気的に接続または切断する。 The power semiconductor element 110 includes a gate terminal, a collector terminal, and an emitter terminal, and the gate is controlled in response to a switching control signal Vin input to the gate terminal, electrically connecting or disconnecting the collector terminal and the emitter terminal.
パワー半導体素子110は、高電位側の第1端子104および低電位側の第2端子106の間に接続され、ゲート電位に応じてオンまたはオフに制御される。 The power semiconductor element 110 is connected between the first terminal 104 on the high potential side and the second terminal 106 on the low potential side, and is controlled to be on or off depending on the gate potential.
パワー半導体素子110は、一例として、IGBTである。また、パワー半導体素子110は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)であってもよい。
MOSFETの場合は、前記コレクタ端子はドレイン端子、前記エミッタ端子はソース端子として読み替えればよい。
The power semiconductor element 110 is, for example, an IGBT, or may be a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET).
In the case of a MOSFET, the collector terminal may be read as a drain terminal, and the emitter terminal as a source terminal.
パワー半導体素子110のエミッタ端子は、第2端子106と接続される。また、コレクタ端子は、第1端子104に接続される。 The emitter terminal of the power semiconductor element 110 is connected to the second terminal 106. The collector terminal is connected to the first terminal 104.
なお、本実施形態において、パワー半導体素子110は、スイッチング制御信号Vinがハイ電位となることに応じて、コレクタ端子およびエミッタ端子の間を電気的に接続するIGBTである例について説明する。 In this embodiment, an example will be described in which the power semiconductor element 110 is an IGBT that electrically connects the collector terminal and the emitter terminal in response to the switching control signal Vin becoming high potential.
先ず、半導体装置100の基本動作を説明する。パワー半導体素子110をオンさせて1次側コイル電流を導通させるターンオン動作としては、スイッチング制御信号Vinにハイ電位が入力されると、ゲート抵抗170を介して、パワー半導体素子110のゲート端子にパワー半導体素子110の閾値電圧以上のハイ電位が加わり、パワー半導体素子110はオンし、1次側コイル電流が流れ始める。 First, the basic operation of the semiconductor device 100 will be described. In the turn-on operation, which turns on the power semiconductor element 110 and conducts the primary coil current, when a high potential is input to the switching control signal Vin, a high potential equal to or greater than the threshold voltage of the power semiconductor element 110 is applied to the gate terminal of the power semiconductor element 110 via the gate resistor 170, turning on the power semiconductor element 110 and causing the primary coil current to begin flowing.
一方、スイッチング制御信号Vinにロー電位が入力されると、パワー半導体素子110のゲート端子の電荷はゲート抵抗170およびスピードアップ用ダイオード180、更にプルダウン抵抗190を介して、基準電位に放電される。これによりパワー半導体素子110のゲート電位はパワー半導体素子の閾値電圧以下のロー電位に下がり、パワー半導体素子110はオフとなり、1次側コイル電流が遮断される。 On the other hand, when a low potential is input to the switching control signal Vin, the charge at the gate terminal of the power semiconductor element 110 is discharged to the reference potential via the gate resistor 170, the speed-up diode 180, and the pull-down resistor 190. As a result, the gate potential of the power semiconductor element 110 drops to a low potential below the threshold voltage of the power semiconductor element, turning the power semiconductor element 110 off and cutting off the primary coil current.
前記の基本動作に加えて、図1の半導体装置100では入力判定回路130、ディレイ回路140,ロジック回路150、遮断部120を備える。
遮断部120は、パワー半導体素子110のゲート端子および基準電位の間に接続される。遮断部120は、一例として、ゲート電位である遮断部入力信号Vmosに応じてドレイン端子およびソース端子の間をオンまたはオフに制御されるnチャネル型のMOSFETである。
In addition to the basic operation described above, the semiconductor device 100 of FIG. 1 includes an input determination circuit 130, a delay circuit 140, a logic circuit 150, and a cutoff unit 120.
The cutoff unit 120 is connected between the gate terminal of the power semiconductor element 110 and a reference potential. As an example, the cutoff unit 120 is an n-channel MOSFET that is controlled to turn on or off between the drain terminal and the source terminal in response to a cutoff unit input signal Vmos, which is the gate potential.
遮断部120は、一例として、ゲート電位である遮断部入力信号Vmosがハイ電位となることに応じて、ドレイン端子およびソース端子の間を電気的に接続する、ノーマリーオフのスイッチ素子である。 As an example, the cutoff unit 120 is a normally-off switch element that electrically connects the drain terminal and source terminal when the cutoff unit input signal Vmos, which is the gate potential, becomes high potential.
遮断部120は、ドレイン端子がパワー半導体素子110のゲート端子に接続され、ソース端子が基準電位に接続され、ゲート端子に入力される遮断部入力信号Vmosがハイ電位であるかロー電位であるかによって、制御端子102から入力するスイッチング制御信号Vinをパワー半導体素子110のゲート端子に供給するか否かを切り換える。 The cutoff unit 120 has a drain terminal connected to the gate terminal of the power semiconductor element 110 and a source terminal connected to a reference potential. Depending on whether the cutoff unit input signal Vmos input to the gate terminal is high or low, the cutoff unit 120 switches whether to supply the switching control signal Vin input from the control terminal 102 to the gate terminal of the power semiconductor element 110.
ゲート抵抗170は、制御端子102およびパワー半導体素子110のゲート端子の間に接続される。 The gate resistor 170 is connected between the control terminal 102 and the gate terminal of the power semiconductor element 110.
ゲート抵抗170は、遮断部120がオフ状態の場合、スイッチング制御信号Vinをパワー半導体素子110のゲート端子に供給する。遮断部120がオン状態の場合は、ゲート抵抗170を介して流れ込むスイッチング制御信号Vinは、遮断部120を介して基準電位へと流れ、パワー半導体素子110のゲート端子にはロー電位が加わる。 When the cutoff unit 120 is in the off state, the gate resistor 170 supplies the switching control signal Vin to the gate terminal of the power semiconductor element 110. When the cutoff unit 120 is in the on state, the switching control signal Vin flowing in through the gate resistor 170 flows to the reference potential via the cutoff unit 120, and a low potential is applied to the gate terminal of the power semiconductor element 110.
また、遮断部120がオン状態の場合は、パワー半導体素子110のゲート電圧は、遮断部120を介して基準電位に放電される。即ち、パワー半導体素子110はオフ状態となる。 Furthermore, when the cutoff unit 120 is in the ON state, the gate voltage of the power semiconductor element 110 is discharged to the reference potential via the cutoff unit 120. In other words, the power semiconductor element 110 is in the OFF state.
入力判定回路130は、制御端子102およびディレイ回路140との間に接続される。 The input determination circuit 130 is connected between the control terminal 102 and the delay circuit 140.
入力判定回路130は、制御信号発生部10からの制御端子電位Vgおよびエミッタ電位Veを入力として判定する。制御端子電位Vgとエミッタ電位Veとの差が所定の電位以上である場合、パワー半導体素子のオン信号と判定し入力判定信号Vjとしてオン判定信号を出力する。制御端子電位Vgとエミッタ電位Veとの差が所定電位より低い場合は、パワー半導体素子のオフ信号と判定し入力判定信号Vjとしてオフ判定信号を出力する。入力判定信号Vjは、ディレイ回路140およびロジック回路150を介して遮断部120に送信される。ここで、所定の電位とは、例えば、パワー半導体素子の閾値電位である。また本例では、オン判定信号はハイレベルの信号で、オフ判定信号はローレベルの信号である。 The input determination circuit 130 receives the control terminal potential Vg and emitter potential Ve from the control signal generating unit 10 and makes a determination. If the difference between the control terminal potential Vg and the emitter potential Ve is equal to or greater than a predetermined potential, it determines that the signal is an on signal for the power semiconductor element and outputs an on determination signal Vj as the input determination signal. If the difference between the control terminal potential Vg and the emitter potential Ve is lower than the predetermined potential, it determines that the signal is an off signal for the power semiconductor element and outputs an off determination signal Vj as the input determination signal. The input determination signal Vj is sent to the cutoff unit 120 via the delay circuit 140 and the logic circuit 150. Here, the predetermined potential is, for example, the threshold potential of the power semiconductor element. In this example, the on determination signal is a high-level signal, and the off determination signal is a low-level signal.
入力判定回路130の構成例を図2に示す。 An example configuration of the input determination circuit 130 is shown in Figure 2.
入力判定回路130は、制御端子102と第2端子106との間に直列に接続される抵抗131および132と、抵抗131、132と並列に、互いに直列に配置される抵抗133およびMOSFET134を含む。入力判定回路130はさらに、抵抗133の一端とMOSFET134のコレクタ間より、互いの入力と出力を直列に接続される複数のインバータ135を含む。 The input determination circuit 130 includes resistors 131 and 132 connected in series between the control terminal 102 and the second terminal 106, and a resistor 133 and a MOSFET 134 arranged in series with each other and in parallel with the resistors 131 and 132. The input determination circuit 130 further includes multiple inverters 135 whose inputs and outputs are connected in series between one end of the resistor 133 and the collector of the MOSFET 134.
抵抗131と抵抗132の接続点より伸びる配線はMOSFET134のゲートと接続される。 The wiring extending from the connection point between resistors 131 and 132 is connected to the gate of MOSFET 134.
また、複数のインバータ135のうち1つのインバータの入力は抵抗133の一端とMOSFET134のドレインとの接続点に接続され、1つのインバータの出力は、ディレイ回路140の入力端子に接続される。 Furthermore, the input of one of the multiple inverters 135 is connected to the connection point between one end of resistor 133 and the drain of MOSFET 134, and the output of one of the inverters is connected to the input terminal of delay circuit 140.
ここで一般的には、半導体装置100は点火コイル30と一体化されており、制御端子102、第2端子106および点火コイル30の電源40側接続端子に相当する端子は、ECUの信号出力端子、基準電位およびバッテリー端子、または各々に相当する接続端子とハーネスを介して接続される。このハーネス長等によって、第2端子106と基準電位間の寄生インダクタンスは最大5μH程度が想定される。 Generally, the semiconductor device 100 is integrated with the ignition coil 30, and the control terminal 102, second terminal 106, and terminals corresponding to the power supply 40 connection terminal of the ignition coil 30 are connected to the ECU's signal output terminal, reference potential, and battery terminal, or to the corresponding connection terminals, via a harness. Depending on the length of this harness, the parasitic inductance between the second terminal 106 and the reference potential is expected to be a maximum of approximately 5 μH.
制御端子102に入力されるスイッチング制御信号Vinがオフ信号となり、前記パワー半導体素子110であるIGBTがターンオフする時、コレクタ電流Icの傾きとハーネスの寄生インダクタンス値により決まる電圧値で第2端子106の電位は下降し、その結果、制御端子102と第2端子106との間の電位差が上昇し、その上昇電位によってはスイッチング制御信号Vinからオン信号が入力された場合と同等の入力信号となり、この信号に反応して半導体装置100が動作するとターンオフ動作を妨げる動作となる。なお、この上昇時間は数μsec程度となる。 When the switching control signal Vin input to the control terminal 102 becomes an OFF signal and the IGBT, which is the power semiconductor element 110, turns OFF, the potential of the second terminal 106 drops by a voltage value determined by the slope of the collector current Ic and the parasitic inductance value of the harness. As a result, the potential difference between the control terminal 102 and the second terminal 106 rises, and depending on the rising potential, it becomes an input signal equivalent to when an ON signal is input from the switching control signal Vin. If the semiconductor device 100 operates in response to this signal, it will prevent the turn-off operation. The rise time is approximately several microseconds.
入力判定回路130の複数のインバータ135にも入力された信号の遅延効果は存在するが、オン判定信号を数μsecの間マスクする能力を有しない。 The multiple inverters 135 in the input determination circuit 130 also have a delay effect on the input signal, but they do not have the ability to mask the ON determination signal for several microseconds.
ディレイ回路140は、入力判定回路130より出力された入力判定信号Vjを入力とし、その出力をロジック回路150の入力に接続されており、ディレイ回路出力信号Vdを出力する。 The delay circuit 140 receives the input judgment signal Vj output from the input judgment circuit 130, has its output connected to the input of the logic circuit 150, and outputs the delay circuit output signal Vd.
ディレイ回路140は、入力判定回路130がロジック回路150へ出力する入力判定信号Vjがオン判定信号であった場合、これをオン判定信号受信より10μsec~20μsec遅延させる事が出来る。 If the input judgment signal Vj output by the input judgment circuit 130 to the logic circuit 150 is an ON judgment signal, the delay circuit 140 can delay it by 10 μsec to 20 μsec from the time the ON judgment signal is received.
ディレイ回路140の構成例を図3に示す。 An example configuration of the delay circuit 140 is shown in Figure 3.
ディレイ回路140は、入力判定回路130の出力に接続された抵抗141と、抵抗141を介して電流が供給されるコンデンサ142と、抵抗141とコンデンサ142との接続点に接続され、互いの入力と出力を直列に接続される複数のインバータ143を備える。 The delay circuit 140 includes a resistor 141 connected to the output of the input determination circuit 130, a capacitor 142 to which current is supplied via the resistor 141, and multiple inverters 143 connected to the junction of the resistor 141 and the capacitor 142, with their inputs and outputs connected in series.
抵抗141は、一端を入力判定回路130の出力に、もう一端をコンデンサに接続されている。 One end of resistor 141 is connected to the output of the input judgment circuit 130, and the other end is connected to the capacitor.
複数のインバータ143の1つのインバータの入力は抵抗141とコンデンサ142の接続点に接続され、複数のインバータ143の1つのインバータの出力は遮断部120の入力端子に接続される。 The input of one of the multiple inverters 143 is connected to the junction of resistor 141 and capacitor 142, and the output of one of the multiple inverters 143 is connected to the input terminal of the cutoff unit 120.
ディレイ回路140はコンデンサ142の蓄電・放電効果によって、入力された電位の一時的な上昇・低下を平滑化させて出力し、コンデンサ142の容量を調整する事によって、遅延時間を調整することも出来る。 The delay circuit 140 smooths out temporary increases and decreases in the input potential by using the charging and discharging effect of the capacitor 142, and the delay time can also be adjusted by adjusting the capacitance of the capacitor 142.
ロジック回路150はディレイ回路140から出力されるディレイ回路出力信号Vdを遮断部入力信号Vmosに変換する装置で、本実施形態ではインバータ回路を用いる。 The logic circuit 150 is a device that converts the delay circuit output signal Vd output from the delay circuit 140 into the cutoff unit input signal Vmos, and in this embodiment uses an inverter circuit.
以上の本実施形態に係る半導体装置100は、パワー半導体素子110が正常な状態にあり、スイッチング制御信号Vinがハイ電位からロー電位となると、パワー半導体素子110がオン状態からオフ状態となる。 In the semiconductor device 100 according to this embodiment, when the power semiconductor element 110 is in a normal state and the switching control signal Vin changes from a high potential to a low potential, the power semiconductor element 110 changes from an on state to an off state.
これにより、電源40から点火コイル30の1次側コイル32を介して流れていたコレクタ電流Icは急激に減少する。 As a result, the collector current Ic flowing from the power supply 40 through the primary coil 32 of the ignition coil 30 suddenly decreases.
なお、スイッチング制御信号Vinがハイ電位で制御端子102に印加されると、コレクタ電流Icの時間変化dIc/dtは、1次側コイル32のインダクタンスおよび電源40の供給電圧に応じて定まり、オン時間に応じてコレクタ電流Icは予め定められた(または設定された)電流値を保つ。 When the switching control signal Vin is applied at a high potential to the control terminal 102, the time change dIc/dt of the collector current Ic is determined according to the inductance of the primary coil 32 and the supply voltage of the power supply 40, and the collector current Ic maintains a predetermined (or set) current value according to the on-time.
例えば、コレクタ電流Icは、オン状態において数A、十数A、または数十A程度である。 For example, the collector current Ic is several amperes, several tens of amperes, or several tens of amperes in the on state.
オフ状態におけるコレクタ電流の急激な減少により、1次側コイル32の両端電圧は、自己誘電起電力により急激に増加し、2次側コイル34の両端電圧に数十kV程度に至る誘導起電力を発生させる。 Due to the sudden decrease in collector current in the off state, the voltage across the primary coil 32 increases rapidly due to self-induced electromotive force, generating an induced electromotive force of up to several tens of kV across the voltage across the secondary coil 34.
点火制御装置1000は、このような2次側コイル34の電圧を点火プラグ20に供給することにより、点火プラグ20を放電させて燃焼ガスを点火する。 The ignition control device 1000 supplies the voltage of this secondary coil 34 to the spark plug 20, causing the spark plug 20 to discharge and ignite the combustion gas.
パワー半導体素子110がオン状態からオフ状態に至る過程の、半導体装置100の各部の動作波形を図5bに示す。
動作波形を説明する上で、図1の制御信号発生部10の出力回路構成の一例を示した図6を用いて説明する。
FIG. 5b shows the operational waveforms of the various parts of the semiconductor device 100 when the power semiconductor element 110 changes from the ON state to the OFF state.
The operation waveforms will be explained with reference to FIG. 6, which shows an example of the output circuit configuration of the control signal generating section 10 of FIG.
時刻T4に制御信号発生部10内のCPU710からの指令信号(CPU出力信号)CPUoutがハイ電位からロー電位に変わる事によってトランジスタ720はオフとなり、スイッチング制御信号Vinはコンデンサ730を放電するため、緩やかに電位が低下する。 At time T4, the command signal (CPU output signal) CPUout from the CPU 710 in the control signal generating unit 10 changes from high to low, turning off transistor 720, and the switching control signal Vin discharges capacitor 730, causing the potential to gradually decrease.
このスイッチング制御信号Vinが入力判定回路130の電源電圧も兼ねる構成のため、スイッチング制御信号Vinに追従して、入力判定回路130の出力電圧である入力判定信号Vjも低下し、スイッチング制御信号Vinが入力判定回路130の判定電圧を下回ると、入力判定信号Vjはオフ判定信号としてロー電位を出力する。 Because this switching control signal Vin also serves as the power supply voltage for the input determination circuit 130, the input determination signal Vj, which is the output voltage of the input determination circuit 130, also drops in response to the switching control signal Vin. When the switching control signal Vin falls below the determination voltage of the input determination circuit 130, the input determination signal Vj outputs a low potential as an off determination signal.
また、スイッチング制御信号Vinが低下し始めると、パワー半導体素子110のゲート電荷はスピードアップ用ダイオード180を介してプルダウン抵抗190に放電を開始する。 Furthermore, when the switching control signal Vin begins to decrease, the gate charge of the power semiconductor element 110 begins to discharge to the pull-down resistor 190 via the speed-up diode 180.
入力判定信号Vjがオフ判定信号を出力すると、ディレイ回路出力電圧Vdもロー電位を出力し、ロジック回路150の出力電圧である遮断部入力信号Vmosはハイ電位となり、遮断部120が導通する。パワー半導体素子110のゲート電荷は遮断部120を介しても放電されるようになり、ゲート電荷放電が加速される。 When the input determination signal Vj outputs an OFF determination signal, the delay circuit output voltage Vd also outputs a low potential, the cutoff unit input signal Vmos, which is the output voltage of the logic circuit 150, becomes a high potential, and the cutoff unit 120 becomes conductive. The gate charge of the power semiconductor element 110 also begins to discharge via the cutoff unit 120, accelerating gate charge discharge.
パワー半導体素子110のゲート電位がパワー半導体素子110の閾値電圧付近まで低下した時刻T5からコレクタ電流Icが下がり始め、-dIc/dtと寄生インダクタンスによってエミッタ電位Veが急峻に低下し、その結果、制御端子102とエミッタ電位Ve間の電圧が上昇し、入力判定回路130はスイッチング制御信号Vinからハイ電位が入力されたと誤認してオン判定信号を出力し、遮断部120の導通は遮断される。 From time T5, when the gate potential of the power semiconductor element 110 drops to near the threshold voltage of the power semiconductor element 110, the collector current Ic begins to drop, and the emitter potential Ve drops sharply due to -dIc/dt and parasitic inductance. As a result, the voltage between the control terminal 102 and the emitter potential Ve rises, and the input determination circuit 130 mistakenly recognizes that a high potential has been input from the switching control signal Vin, outputs an ON determination signal, and the conduction of the cutoff unit 120 is cut off.
その結果、制御端子102側とパワー半導体素子110のゲート電位の大小関係が変わり、電荷の放電速度は緩まる、または再びパワー半導体素子110のゲートが充電され、コレクタ電流Icの低下は緩まり、エミッタ電位Veの低下は上昇に転じる。制御端子102とエミッタ電位Ve間の電圧は再び低下し、入力判定回路130は再びオフ判定信号を出力し、遮断部120を導通させ、パワー半導体素子110のオフを加速させる。 As a result, the magnitude relationship between the control terminal 102 side and the gate potential of the power semiconductor element 110 changes, the discharge rate slows, or the gate of the power semiconductor element 110 is charged again, the decrease in collector current Ic slows, and the decrease in emitter potential Ve begins to increase. The voltage between the control terminal 102 and the emitter potential Ve decreases again, and the input determination circuit 130 again outputs an OFF determination signal, causing the cutoff unit 120 to become conductive and accelerating the turning off of the power semiconductor element 110.
この動作が繰り返されることで、図5bに示すようにパワー半導体素子は期間T5~T6の間でオンとオフを繰り返し、コレクタ電圧Vcおよびコレクタ電流Icが数μsecの周期で振動する。 As this operation is repeated, the power semiconductor element repeatedly turns on and off between periods T5 and T6, as shown in Figure 5b, causing the collector voltage Vc and collector current Ic to oscillate in a cycle of several microseconds.
本発明ではディレイ回路140を有することで、図5bに示すように、エミッタ電位Veの低下でディレイ回路の入力信号である入力判定信号Vjが上昇に転じても、ディレイ回路140によって10μsec~20μsecディレイさせられ、遮断部120の導通状態を維持しようとするため、パワー半導体素子110もゲート放電を維持し続け、コレクタ電圧Vc、コレクタ電流Icの振動を抑制することができる。 In the present invention, by including the delay circuit 140, as shown in Figure 5b, even if the input judgment signal Vj, which is the input signal to the delay circuit, begins to rise due to a drop in the emitter potential Ve, the delay circuit 140 delays it by 10 to 20 μsec, attempting to maintain the conductive state of the cutoff unit 120. As a result, the power semiconductor element 110 also continues to maintain gate discharge, thereby suppressing oscillations in the collector voltage Vc and collector current Ic.
以上より本願におけるプルダウン抵抗190の役割はパワー半導体素子110のゲート電荷およびコンデンサ730の電荷の引き抜きである。従って、パワー半導体素子110のゲート電荷を遮断部120で完全に引き抜く事が出来、制御信号発生部10がコンデンサ730を有しない構造の場合、プルダウン抵抗190は無くてもよい。 As described above, the role of the pull-down resistor 190 in this application is to draw out the gate charge of the power semiconductor element 110 and the charge of the capacitor 730. Therefore, if the gate charge of the power semiconductor element 110 can be completely drawn out by the cut-off unit 120 and the control signal generating unit 10 does not have a capacitor 730, the pull-down resistor 190 is not necessary.
図4に参考例の内燃機関の点火制御装置及びこれを備えた点火制御装置の一例10000を示す。点火制御装置10000を構成する半導体装置900は、パワー半導体素子910と、そのゲート端子に接続されるゲートプルダウン回路(遮断部)920と、制御端子902とパワー半導体素子910のゲート端子との間に接続されたゲート抵抗912、970と、プルダウン抵抗990と、スピードアップ用ダイオード980とを有する。 Figure 4 shows an example 10000 of an ignition control device for an internal combustion engine according to a reference example, and an ignition control device equipped with the same. The semiconductor device 900 constituting the ignition control device 10000 includes a power semiconductor element 910, a gate pull-down circuit (shutoff unit) 920 connected to its gate terminal, gate resistors 912 and 970 connected between the control terminal 902 and the gate terminal of the power semiconductor element 910, a pull-down resistor 990, and a speed-up diode 980.
また半導体装置900は、パワー半導体素子910とゲート抵抗912等を含むパワー半導体チップ911と、遮断部920と入力判定回路930とゲート制御回路950等を含む制御半導体チップ921の2チップから構成される。 The semiconductor device 900 is composed of two chips: a power semiconductor chip 911 including a power semiconductor element 910 and a gate resistor 912, and a control semiconductor chip 921 including a cutoff unit 920, an input determination circuit 930, a gate control circuit 950, and the like.
制御端子902に入力される信号がオフ判定信号である場合に、パワー半導体素子910のゲート容量の電荷はスピードアップ用ダイオード980およびプルダウン抵抗990を介して引き抜かれる。また遮断部920はパワー半導体素子910のゲートとエミッタとを導通させる。これにより、パワー半導体素子910のゲート容量から電荷を引き抜き、ゲート電位を急速に低下させ、コレクタ電流を遮断する。 When the signal input to the control terminal 902 is an off-determination signal, the charge on the gate capacitance of the power semiconductor element 910 is extracted via the speed-up diode 980 and pull-down resistor 990. The cutoff unit 920 also establishes electrical continuity between the gate and emitter of the power semiconductor element 910. This extracts charge from the gate capacitance of the power semiconductor element 910, rapidly lowering the gate potential and cutting off the collector current.
遮断部920によりゲート電荷を引き抜くことによって、パワー半導体素子910の急速なターンオフが可能となる。 By extracting the gate charge using the cutoff section 920, the power semiconductor element 910 can be rapidly turned off.
パワー半導体素子910の遮断速度が急速なほど、エミッタ電位Veの低下も急速となり、入力判定回路930がオンを誤認識し、それによってパワー半導体素子910が再オンする。パワー半導体素子910がオンすることにより制御端子-第2端子間電位差Vgeが低下し、入力判定回路930がオフ信号を認識するとパワー半導体素子910はオフする。これらを繰り返すことでコレクタ電流が振動してしまう。 The faster the power semiconductor element 910 turns off, the more rapidly the emitter potential Ve drops, causing the input determination circuit 930 to mistakenly recognize it as on, turning the power semiconductor element 910 back on. When the power semiconductor element 910 turns on, the potential difference Vge between the control terminal and the second terminal drops, and when the input determination circuit 930 recognizes an off signal, the power semiconductor element 910 turns off. Repeating this cycle causes the collector current to oscillate.
この振動によって、点火コイル830の2次側コイル834の放電のタイミングに影響が出たり、ノイズとなり他機器に影響を及ぼしたり、損失が大きくなる等の悪影響を及ぼす。 This vibration can have adverse effects such as affecting the timing of discharge in the secondary coil 834 of the ignition coil 830, causing noise that affects other devices, and increasing losses.
図5aにパワー半導体素子910がオン状態からオフ状態に至る過程の、半導体装置900の各部の動作波形を示す。 Figure 5a shows the operating waveforms of each part of the semiconductor device 900 as the power semiconductor element 910 transitions from the on state to the off state.
時刻T1において、スイッチング制御信号Vinがハイ電位からロー電位に変わる事によって、入力判定回路930の動作が停止し、入力判定信号Vjが低下する。その結果、時刻T2において、遮断部入力信号Vmosが上昇し、遮断部920が導通、コレクタ電流Icが下がり始める。期間T2~T3では、-dIc/dtと寄生インダクタンスによってエミッタ電位Veが数μsecの周期で振動し、同じく制御端子-第2端子間電位差Vgeも振動し、入力判定回路930はパワー半導体素子910のオン信号と誤認する。その結果、出力された入力判定信号Vjも振動、遮断部920が遮断され、パワー半導体素子910がオンする。この後、パワー半導体素子910がオンオフを繰り返すことによりコレクタ電圧Vcが振動し、コレクタ電流Icもわずかに振動している。 At time T1, the switching control signal Vin changes from high to low, causing the input determination circuit 930 to stop operating and the input determination signal Vj to drop. As a result, at time T2, the cutoff unit input signal Vmos rises, the cutoff unit 920 becomes conductive, and the collector current Ic begins to drop. During the period T2 to T3, -dIc/dt and parasitic inductance cause the emitter potential Ve to oscillate with a period of several microseconds. Similarly, the potential difference Vge between the control terminal and the second terminal oscillates, causing the input determination circuit 930 to mistakenly recognize this as an ON signal for the power semiconductor element 910. As a result, the output input determination signal Vj also oscillates, the cutoff unit 920 is cut off, and the power semiconductor element 910 is turned ON. After this, the power semiconductor element 910 repeatedly turns ON and OFF, causing the collector voltage Vc to oscillate, and the collector current Ic to oscillate slightly.
図7は、本発明に係る半導体装置及びこれを備えた点火制御装置の第2の実施形態1001の構成例である。 Figure 7 shows an example configuration of a second embodiment 1001 of a semiconductor device and an ignition control device equipped with the semiconductor device according to the present invention.
点火制御装置1001と第1の実施形態の点火制御装置1000との相違点は、半導体装置200が制御半導体チップ101とパワー半導体チップ111の2チップからなる構成されている事である。このような構成においても第1の実施形態と同様の効果を奏する。 The difference between the ignition control device 1001 and the ignition control device 1000 of the first embodiment is that the semiconductor device 200 is configured from two chips: a control semiconductor chip 101 and a power semiconductor chip 111. This configuration also achieves the same effects as the first embodiment.
以降の実施形態においても同様に半導体装置300,400,500を2チップ構成とすることができる。 In the following embodiments, the semiconductor devices 300, 400, and 500 can also be configured as two chips.
図8は、本発明に係る半導体装置及びこれを備えた点火制御装置の第3の実施形態1003の構成例である。 Figure 8 shows an example configuration of a third embodiment 1003 of a semiconductor device and an ignition control device equipped with the semiconductor device according to the present invention.
点火制御装置1003と第1の実施形態の点火制御装置1000との相違点は、半導体装置300内部のスピードアップ用ダイオード180を削除し、逆流防止用のダイオード181を備える事である。その他の構成は半導体装置100と同様である。 The difference between the ignition control device 1003 and the ignition control device 1000 of the first embodiment is that the speed-up diode 180 inside the semiconductor device 300 has been removed and a backflow prevention diode 181 has been added. The rest of the configuration is the same as that of the semiconductor device 100.
ダイオード181は制御信号発生部10とパワー半導体素子110のゲートとの間に、アノードを制御信号発生部10側に、カソードをパワー半導体素子110側に接続される。 Diode 181 is connected between the control signal generating unit 10 and the gate of the power semiconductor element 110, with the anode connected to the control signal generating unit 10 side and the cathode connected to the power semiconductor element 110 side.
プルダウン抵抗190は、パワー半導体素子110のオフ期間にゲート電荷の引き抜き経路ともなり得る。そこで、ゲート電荷を確実に遮断部120より引き抜くため、ダイオード181を設置し、パワー半導体素子110のゲート電荷の、プルダウン抵抗190への逆流を防ぐ。 The pull-down resistor 190 can also serve as a path for extracting gate charge when the power semiconductor element 110 is off. Therefore, to ensure that the gate charge is extracted from the cutoff section 120, a diode 181 is installed to prevent the gate charge of the power semiconductor element 110 from flowing back into the pull-down resistor 190.
図9bにパワー半導体素子110がオン状態からオフ状態に至る過程の、半導体装置300の各部の動作波形を示す。比較のため、図9aに半導体装置100の動作波形を示す。ここでは、両者の差異を示すため、エミッタ配線の寄生インダクタンスを図5aおよび図5bよりも高い場合で示す。 Figure 9b shows the operating waveforms of each part of semiconductor device 300 as power semiconductor element 110 transitions from the on state to the off state. For comparison, Figure 9a shows the operating waveforms of semiconductor device 100. Here, to illustrate the difference between the two, the case is shown where the parasitic inductance of the emitter wiring is higher than in Figures 5a and 5b.
時刻T1~T6で発生する現象は図5a、bとほぼ同様である。ただしエミッタ配線の寄生インダクタンスが大きいため、ターンオフ時のエミッタ電位Veの低下幅が大きく、スイッチング制御信号Vinの上昇も大きくなる。半導体装置100の動作波形図に相当する図9aでは、入力判定回路130とディレイ回路では振動を抑えきれず、遮断部120が導通状態を維持できず、パワー半導体素子110のゲート電荷の放電速度が一度緩まり、コレクタ電圧Vcに落ち込みが生じ、コレクタ電流Icもわずかに振動している。 The phenomenon occurring between times T1 and T6 is similar to that shown in Figures 5a and 5b. However, due to the large parasitic inductance of the emitter wiring, the drop in emitter potential Ve at turn-off is large, and the rise in switching control signal Vin is also large. In Figure 9a, which corresponds to the operational waveform diagram of semiconductor device 100, the input determination circuit 130 and delay circuit are unable to suppress the oscillations, the cutoff unit 120 is unable to maintain a conductive state, the discharge rate of the gate charge of power semiconductor element 110 slows down temporarily, causing a drop in collector voltage Vc and slight oscillations in collector current Ic.
これに対して半導体装置300の動作波形図に相当する図9bでは、ダイオード181の存在によってパワー半導体素子110のゲート端子から制御端子102へのインピーダンスが高くなるため、ターンオフ信号が入っても、パワー半導体素子110のゲート電荷はプルダウン抵抗側に放電されず、スイッチング制御信号Vinが十分下がり、入力判定回路がオフを検出すると、遮断部120が導通して、パワー半導体素子のゲート電荷の引抜きを開始し始める。この期間もスイッチング制御信号Vinは低下し続け、ゲート電圧がパワー半導体素子110の閾値電圧を下回ったT5のタイミングでコレクタ電流Icは低下を開始する。 In contrast, in Figure 9b, which corresponds to the operating waveform diagram of semiconductor device 300, the presence of diode 181 increases the impedance from the gate terminal of power semiconductor element 110 to control terminal 102, so even when a turn-off signal is input, the gate charge of power semiconductor element 110 is not discharged to the pull-down resistor. Instead, when the switching control signal Vin drops sufficiently and the input determination circuit detects off, cutoff unit 120 becomes conductive and begins to draw the gate charge of the power semiconductor element. During this period, the switching control signal Vin continues to fall, and at time T5 when the gate voltage falls below the threshold voltage of power semiconductor element 110, collector current Ic begins to fall.
この時にコレクタ電流Icの傾きと寄生インダクタンスでVe電圧は低下し、スイッチング制御信号Vinは上昇するが、電流遮断開始時のスイッチング制御信号Vinが図9aのT2のタイミングよりも低く、入力判定回路の判定電圧を上回らないため、オン信号という誤検出に至らず、遮断部120は導通を維持し、パワー半導体素子110は振動することなく、電流を遮断することができる。 At this time, the slope of the collector current Ic and parasitic inductance cause the Ve voltage to drop and the switching control signal Vin to rise, but because the switching control signal Vin at the start of current interruption is lower than at timing T2 in Figure 9a and does not exceed the judgment voltage of the input judgment circuit, it does not result in a false detection of an on signal, the interrupter unit 120 maintains conduction, and the power semiconductor element 110 is able to interrupt the current without vibrating.
図10は、本発明に係る半導体装置及びこれを備えた点火制御装置の第4の実施形態の構成例である。 Figure 10 shows an example configuration of a fourth embodiment of a semiconductor device and an ignition control device equipped with the semiconductor device according to the present invention.
本実施形態の点火制御装置1004の半導体装置400と半導体装置300の相違点は、半導体装置400はダイオード181が無く、ゲート抵抗170の抵抗値が非常に大きい事である。その他の構成は半導体装置300と同様である。 The difference between the semiconductor device 400 and the semiconductor device 300 of the ignition control device 1004 of this embodiment is that the semiconductor device 400 does not have a diode 181 and the resistance value of the gate resistor 170 is very large. The rest of the configuration is the same as the semiconductor device 300.
遮断部120はインピーダンスを有し、ゲート抵抗170の抵抗値は遮断部120のインピーダンスの5倍以上とすることが望ましい。 The cutoff section 120 has an impedance, and it is desirable that the resistance value of the gate resistor 170 be at least five times the impedance of the cutoff section 120.
ゲート抵抗170の抵抗値を十分に大きく設定する事により、第3の実施形態同様、パワー半導体素子110のゲート端子から制御端子102へのインピーダンスが高くすることで、プルダウン抵抗によるパワー半導体素子110のゲート電荷の引抜きを抑え、Vin電圧が十分下がった状態から、遮断部120により引き抜く。 By setting the resistance value of the gate resistor 170 sufficiently large, the impedance from the gate terminal of the power semiconductor element 110 to the control terminal 102 is increased, as in the third embodiment, thereby suppressing the pull-down resistor from extracting the gate charge from the power semiconductor element 110, and once the Vin voltage has dropped sufficiently, the cutoff unit 120 extracts the charge.
図11は、本発明に係る半導体装置及びこれを備えた点火制御装置の第5の実施形態の構成例である。 Figure 11 shows an example configuration of a fifth embodiment of a semiconductor device and an ignition control device equipped with the semiconductor device according to the present invention.
点火制御装置1005の半導体装置500と半導体装置300の相違点は、制御端子102とパワー半導体素子110のゲートとの間に、第2のゲート抵抗171と並列にゲート抵抗170と逆流防止用ダイオード181の直列回路を有する事である。ここで第2のゲート抵抗171の抵抗値は、遮断部120のインピーダンスの5倍以上とすることが望ましい。その他の構成は半導体装置300と同様である。 The difference between semiconductor device 500 and semiconductor device 300 of ignition control device 1005 is that semiconductor device 500 has a series circuit of gate resistor 170 and backflow prevention diode 181 in parallel with second gate resistor 171 between control terminal 102 and the gate of power semiconductor element 110. Here, the resistance value of second gate resistor 171 is preferably at least five times the impedance of cutoff section 120. The rest of the configuration is the same as semiconductor device 300.
第4の実施形態のゲート抵抗170および第5の実施形態で示した第2のゲート抵抗171は、ターンオフ時にパワー半導体素子110のゲート端子から制御端子102へのインピーダンスを高くすることで、プルダウン抵抗190によるパワー半導体素子110のゲート電荷の引抜きを抑え、Vin電圧が十分下がった状態から、遮断部120により引き抜く。 The gate resistor 170 of the fourth embodiment and the second gate resistor 171 shown in the fifth embodiment increase the impedance from the gate terminal of the power semiconductor element 110 to the control terminal 102 when turned off, thereby suppressing the pull-down resistor 190 from extracting the gate charge of the power semiconductor element 110, and allowing the cutoff unit 120 to extract the charge once the Vin voltage has dropped sufficiently.
図10に示す第4の実施形態は、ゲート抵抗170の抵抗値を大きくしすぎるとパワー半導体素子110をオンさせる際の遅延時間が長くなりすぎる問題が発生する。これに対して図11に示す第5の実施例は、オン期間はゲート抵抗170およびダイオード181を経由してパワー半導体素子110のゲートに荷電し、オフ期間は第2のゲート抵抗171を設けることよりパワー半導体素子110のゲート電荷の大部分を遮断部120より引き抜く事で、パワー半導体素子110をオンさせる際の遅延時間増加を軽減する。 In the fourth embodiment shown in Figure 10, if the resistance value of the gate resistor 170 is made too large, the delay time when turning on the power semiconductor element 110 becomes too long. In contrast, in the fifth embodiment shown in Figure 11, the gate of the power semiconductor element 110 is charged via the gate resistor 170 and diode 181 during the on period, and by providing a second gate resistor 171 during the off period, most of the gate charge of the power semiconductor element 110 is extracted from the cutoff section 120, thereby reducing the increase in delay time when turning on the power semiconductor element 110.
以上のとおり、本実施形態では、パワー半導体素子の急速なターンオフ時にECUのグランドに対してエミッタ電位が低下して、ゲート-エミッタ間電位差が上昇しても、ディレイ回路を備えていることにより、パワー半導体素子の誤動作を抑制する。
これにより、パワー半導体素子のコレクタ電流の振動による悪影響を抑制する事が出来る。
As described above, in this embodiment, even if the emitter potential drops with respect to the ECU ground when the power semiconductor element is rapidly turned off and the gate-emitter potential difference increases, the provision of a delay circuit prevents malfunction of the power semiconductor element.
This makes it possible to suppress the adverse effects of oscillations in the collector current of the power semiconductor element.
本願の実施形態はこれに限定されるものでは無く、例えば遮断部120をp型のMOSFETとし、ロジック回路150のインバータを廃しても良い。また半導体装置100は同一半導体基板上に構成されていなくてもよい。 Embodiments of the present application are not limited to this; for example, the blocking unit 120 may be a p-type MOSFET, and the inverter of the logic circuit 150 may be eliminated. Furthermore, the semiconductor device 100 does not have to be configured on the same semiconductor substrate.
10…制御信号発生部
20…点火プラグ
30…点火コイル
32…1次側コイル
34…2次側コイル
40…電源
100…半導体装置(第1の実施形態)
102…制御端子
104…第1端子
106…第2端子
110…パワー半導体素子
120…遮断部
130…入力判定回路
131、132、133…抵抗
134…MOSFET
135…インバータ
140…ディレイ回路
141…定電流源
142…コンデンサ
143…インバータ
150…ロジック回路
170…ゲート抵抗
171…第2のゲート抵抗
180…スピードアップ用ダイオード
181…ダイオード
190…プルダウン抵抗
1000…第1の実施形態の半導体装置を含む点火制御装置
101…半導体装置の制御半導体チップ(第2の実施形態)
111…半導体装置のパワー半導体チップ(第2の実施形態)
1001…第2の実施形態の半導体装置を含む点火制御装置
200…半導体装置(第2の実施形態)
300…半導体装置(第3の実施形態)
1003…第3の実施形態の半導体装置を含む点火制御装置
400…半導体装置(第4の実施形態)
1004…第4の実施形態の半導体装置を含む点火制御装置
500…半導体装置(第5の実施例)
1005…第5の実施形態の半導体装置を含む点火制御装置
710…CPU
720…PNPトランジスタ
730…コンデンサ
820…点火プラグ(従来技術例)
830…点火コイル(従来技術例)
832…1次側コイル(従来技術例)
834…2次側コイル(従来技術例)
840…電源(従来技術例)
900…半導体装置(従来技術例)
902…制御端子(従来技術例)
904…コレクタ端子(従来技術例)
910…パワー半導体素子(従来技術例)
911…パワー半導体チップ(従来技術例)
912…ゲート抵抗(従来技術例)
920…遮断部(従来技術例)
921…制御半導体チップ(従来技術例)
930…入力判定回路(従来技術例)
950…ゲート制御回路(従来技術例)
970…抵抗(従来技術例)
980…スピードアップ用ダイオード(従来技術例)
990…プルダウン抵抗(従来技術例)
10000…点火制御装置例(従来技術例)
CPUout…CPU出力信号
Vg…制御端子電位
Ve…エミッタ電位
Vin…スイッチング制御信号
Vj…入力判定信号
Vd…ディレイ回路出力信号
Vmos…遮断部入力信号
Ic…コレクタ電流
10... Control signal generating unit 20... Spark plug 30... Ignition coil 32... Primary coil 34... Secondary coil 40... Power supply 100... Semiconductor device (first embodiment)
102... Control terminal 104... First terminal 106... Second terminal 110... Power semiconductor element 120... Cutoff section 130... Input determination circuit 131, 132, 133... Resistor 134... MOSFET
135... inverter 140... delay circuit 141... constant current source 142... capacitor 143... inverter 150... logic circuit 170... gate resistor 171... second gate resistor 180... speed-up diode 181... diode 190... pull-down resistor 1000... ignition control device 101 including the semiconductor device of the first embodiment... control semiconductor chip of the semiconductor device (second embodiment)
111...power semiconductor chip of semiconductor device (second embodiment)
1001... Ignition control device 200 including the semiconductor device of the second embodiment... Semiconductor device (second embodiment)
300...Semiconductor device (third embodiment)
1003... Ignition control device 400 including the semiconductor device of the third embodiment... Semiconductor device (fourth embodiment)
1004... Ignition control device 500 including the semiconductor device of the fourth embodiment... Semiconductor device (fifth example)
1005... Ignition control device 710 including the semiconductor device of the fifth embodiment... CPU
720... PNP transistor 730... capacitor 820... spark plug (prior art example)
830...Ignition coil (prior art example)
832: Primary coil (prior art example)
834: Secondary coil (prior art example)
840...Power supply (prior art example)
900...Semiconductor device (prior art example)
902: Control terminal (prior art example)
904: Collector terminal (prior art example)
910...Power semiconductor element (prior art example)
911...Power semiconductor chip (prior art example)
912...Gate resistor (prior art example)
920: Interrupter (prior art example)
921...Control semiconductor chip (prior art example)
930...input determination circuit (prior art example)
950...Gate control circuit (prior art example)
970...Resistor (prior art example)
980...Speed-up diode (prior art example)
990...Pull-down resistor (prior art example)
10000...Example of ignition control device (prior art example)
CPUout...CPU output signal Vg...control terminal potential Ve...emitter potential Vin...switching control signal Vj...input determination signal Vd...delay circuit output signal Vmos...cutoff unit input signal Ic...collector current
Claims (8)
スイッチング制御信号が入力される制御端子と、前記第2端子との間に接続されたプルダウン抵抗を有し、
前記制御端子と、前記パワー半導体素子のゲートとの間にゲート抵抗と逆流防止用ダイオードとが接続されて直列回路を構成し、前記直列回路に並列に接続された、第2のゲート抵抗を備え、
前記逆流防止用ダイオードのアノードが前記制御端子の側に、カソードが前記パワー半導体素子のゲートの側となるように接続され、
前記パワー半導体素子のゲートと前記第2端子との間に接続された遮断部と、
前記制御端子の電位と前記第2端子の電位との電位差が、所定電位より高いか否かを判定し、この判定結果を入力判定信号として出力する入力判定回路を有し、ここで、前記入力判定回路は、前記電位差が前記所定電位より高い場合、前記入力判定信号としてオン判定信号を出力し、前記入力判定信号が入力され、出力が前記遮断部の入力に接続され、前記オン判定信号の入力時より所定の遅延時間遅延させて出力するディレイ回路を更に有する、
半導体装置。 a power semiconductor element connected between a first terminal on a high potential side and a second terminal on a low potential side;
a pull-down resistor connected between a control terminal to which a switching control signal is input and the second terminal;
a gate resistor and a reverse current prevention diode are connected between the control terminal and the gate of the power semiconductor element to form a series circuit, and a second gate resistor is connected in parallel to the series circuit;
the anode of the reverse current prevention diode is connected to the control terminal side and the cathode is connected to the gate side of the power semiconductor element,
a cutoff portion connected between the gate of the power semiconductor element and the second terminal;
an input determination circuit that determines whether a potential difference between the potential of the control terminal and the potential of the second terminal is higher than a predetermined potential and outputs the determination result as an input determination signal, wherein the input determination circuit outputs an ON determination signal as the input determination signal when the potential difference is higher than the predetermined potential, and further comprises a delay circuit that receives the input of the input determination signal, has an output connected to the input of the cutoff unit, and outputs the ON determination signal with a predetermined delay time from the time of input;
Semiconductor device.
請求項1に記載の半導体装置。 The resistance value of the gate resistor is 5 times or more the impedance of the cutoff section.
The semiconductor device according to claim 1 .
請求項1に記載の半導体装置。 The resistance value of the second gate resistor is five times or more the impedance of the cutoff section.
The semiconductor device according to claim 1 .
請求項1から3に記載の半導体装置。 the delay circuit includes a resistor and a capacitor connected in series between the output of the input determination circuit and the second terminal.
The semiconductor device according to claim 1 .
請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体装置。 the delay time in the delay circuit is 10 μsec to 20 μsec from the time when the ON determination signal of the input determination signal is received;
The semiconductor device according to claim 1 .
請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体装置。 the power semiconductor element, the pull-down resistor, the first gate resistor, the second gate resistor, the reverse current prevention diode, the cutoff unit, and the delay circuit are formed within the same chip .
The semiconductor device according to claim 1 .
請求項1から6のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device is an igniter of an ignition control device of an internal combustion engine.
The semiconductor device according to claim 1 .
7. An ignition control device for an internal combustion engine, comprising the semiconductor device according to claim 1 as an igniter.
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