(57)【要約】【課題】内燃機関用点火装置全体の小型化を図り、コストを低減させる。【解決手段】一次側コイルに流れる低圧電流を断続するＩＧＢＴ３と、ＩＧＢＴ３のゲートを保護するためのゲート保護ツェナーダイオード４と、ＩＧＢＴ３を保護するための保護ツェナーダイオード５およびゲート抵抗６とを備えている。保護ツェナーダイオード５は、複数のツェナーダイオードが直列に同じ向きに接続されている。保護ツェナーダイオード５の少なくとも一部に、高い抵抗値をもつバイパス抵抗７と容量８が並列に接続されている。二次側コイルでの点火が発生しなかった場合に、バイパス抵抗７および容量８は、ＩＧＢＴ３のコレクタ電圧がクランプされた後に、その時定数ＣＲによって、コレクタ電流を徐々に緩やかに低下させる効果を有する。【選択図】図１
2010059798.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火コイルの一次側コイルに直列に接続され、前記一次側コイルに流れる電流を断続するＩＧＢＴと、前記点火コイルの二次側コイルに直列に接続され、前記ＩＧＢＴの断続により前記二次側コイルに発生する高電圧を放電させる点火プラグを備えてなる内燃機関用点火装置において、
前記ＩＧＢＴのコレクタとゲートの間に直列に接続されるツェナーダイオードと、
前記ツェナーダイオードの少なくとも一部と並列に接続される抵抗と、
を備えることを特徴とする内燃機関用点火装置。
【請求項２】
前記抵抗は、前記点火プラグの放電が発生しなかった場合に、前記ＩＧＢＴを流れる電流の遮断に要する時間が３００μｓ以上となるような抵抗値を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
【請求項３】
少なくとも前記ＩＧＢＴ、前記ツェナーダイオードおよび前記抵抗を同一の半導体基板に形成して一体化することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用点火装置。
【請求項４】
前記抵抗が、多結晶シリコンで形成されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関用点火装置で、電流値が制限される半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電流値が制限される半導体装置には、例えば、内燃機関用点火装置（イグナイタ）がある。内燃機関用点火装置は、クルマなどに用いられるガソリンエンジンの制御装置として設けられており、燃焼室内に導入された燃料である例えばガソリンと空気との混合気に点火プラグで着火を行って燃焼を開始させる装置である。図７は、従来の内燃機関用点火装置の一例を示す概念図である。内燃機関用点火装置は、点火コイルとして一次側コイル１１１および二次側コイル１１２と、一次側コイル１１１を流れる低圧電流を断続するスイッチング手段１１３と、点火コイルに電力を供給するバッテリー１１４と、一次側コイル１１１を流れる低圧電流を断続することで二次側コイル１１２に発生する高圧電流を放電させて混合気に着火を行う点火プラグ１１５とで構成されている。スイッチング手段１１３は、外部コレクタ端子１０２により一次側コイル１１１に接続され、増幅機能とスイッチング機能とを備えている。この増幅機能およびスイッチング機能を実現するためにバイポーラトランジスタが用いられているが、近年では、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）に置き換えられつつある。
【０００３】
スイッチング手段１１３には、一次側コイル１１１に流れる低圧電流を断続するＩＧＢＴ１０３が備えられている。そして、ＩＧＢＴ１０３のゲートとグランドの間に、ＩＧＢＴ１０３のゲートを保護するためのゲート保護ツェナーダイオード１０４が接続されている。ＩＧＢＴ１０３のゲートおよびコレクタの間に、ＩＧＢＴ１０３を保護するための保護ツェナーダイオード１０５が接続されている。ＩＧＢＴ１０３のゲートと外部ゲート端子１０１の間に、ＩＧＢＴ１０３を保護するためのゲート抵抗１０６が接続されている。ＩＧＢＴ１０３のエミッタはグランドレベルに保たれている。
【０００４】
ＩＧＢＴを用いた内燃機関用点火装置として、次のような装置が提案されている。イグニッションコイルの一次巻線に直流電源とスイッチング手段を接続し、イグニッションコイルの二次巻線の一方端に点火プラグを接続し、該スイッチング手段の開閉によるイグニッションコイルの一次電流の変化により二次巻線に生ずる高電圧を点火プラグに供給するものであって、スイッチング手段がＭＯＳゲート構造トランジスタであり、一次巻線のコイル電流をある一定値に制限するために、少なくともコイル電流検出部とＭＯＳゲート構造トランジスタのゲート電圧を降下させる回路とを備え、ＭＯＳゲート構造トランジスタの電圧値の高い側の主端子の電圧が、ゲート端子電圧よりも高い場合に、主端子からゲート端子に流入する電流で生じた電圧をゲート端子に加える電流供給回路を備えた内燃機関点火用半導体装置において、前記電流供給回路が、少なくとも複数個の定電流素子を直列接続して構成する。このとき、前記定電流素子が、ディプレッション型ＩＧＢＴもしくはディプレッション型ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳゲート型電界効果トランジスタ）である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、別の内燃機関用点火装置として、次のような装置が提案されている。点火コイルと直列に接続されて前記点火コイルに流れる電流をオン・オフ制御するスイッチングデバイスと、前記点火コイルに流れる電流を制限するよう前記スイッチングデバイスを制御する電流制限回路と、前記点火コイルから放出される電圧をクランプする電圧制限回路とを搭載した点火用半導体装置において、前記スイッチングデバイスの駆動端子に印加された入力信号に応答して動作を開始し、前記入力信号の印加から一定時間経過後に出力信号を出力するタイマ回路と、前記タイマ回路の出力信号に応答して、前記入力信号の継続印加に拘らず、前記スイッチングデバイスに流れている電流を低減させる主電流漸減回路と、を備えている。この点火用半導体装置は、出力段素子であるスイッチングデバイスとしてＩＧＢＴを使用している（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
上述したような内燃機関用点火装置において、スイッチング手段として用いるＩＧＢＴの電気的特性について説明する。図８は、従来例の内燃機関用点火装置におけるＩＧＢＴのスイッチング波形を示す特性図である。ＩＧＢＴ１０３にコレクタ電流Ｉceが流れている状態では、バッテリー１１４から供給されるゲート電圧Ｖgが点火コイルの内部抵抗とＩＧＢＴ１０３自身のオン抵抗とに分圧され、これ以上電流量が増えない状態となり、ＩＧＢＴ１０３に印加されるコレクタ電圧Ｖceは飽和電圧Ｖsatとなる。この状態から、ゲート電圧Ｖgをオフ状態にした場合、コレクタ電流Ｉceを遮断しようとする、コレクタ電流Ｉceの変化量ｄＩ／ｄｔに応じたＬ・ｄＩ／ｄｔ（Ｌ：一次側コイル１１１の自己インダクタンス）の大きさの電圧が一次側コイル１１１に生じる。そして、一次側コイル１１１に生じた電圧により、二次側コイル１１２には、一次側コイル１１１と二次側コイル１１２との巻き数比に応じた大きな電圧が誘起される。コレクタ電圧Ｖceは増加しベース電圧Ｖbを上回る電圧値となり、二次側コイル１１２に誘起された電圧値が点火プラグ１１５の放電電圧値Ｌ・Ｉce2／２に達する。その後、二次側コイル１１２に誘起された電圧が放電されることで点火プラグ１１５から火花が発生し、コレクタ電圧Ｖceは、放電時間ｔspkの経過後に減少して電源電圧Ｖz2に保たれる。
【０００７】
しかしながら、点火プラグ１１５の不具合により二次側コイル１１２に誘起された電圧が正常に放電されない場合、そのエネルギーがそのまま一次側へと跳ね返り、コレクタ電圧Ｖceが非常に高い電圧にまで急激に上昇し、ＩＧＢＴ１０３が破壊されてしまう恐れがある。これを回避するために、一般的に、図７に示すように、保護ツェナーダイオード１０５およびゲート抵抗１０６からなるダイナミッククランプと呼ばれる保護機能が備えられている。
【０００８】
図９は、従来例の内燃機関用点火装置におけるダイナミッククランプ波形を示す特性図である。コレクタ電圧Ｖceが保護ツェナーダイオード１０５の耐圧Ｖz以上の電圧値となった場合、保護ツェナーダイオード１０５に電流が流れ、保護ツェナーダイオード１０５およびゲート抵抗１０６によりコレクタ電圧Ｖceが分圧される。そして、この分圧された電圧がＩＧＢＴ１０３のゲートに印加される。これにより、コレクタ電流Ｉceを遮断しようとしていたＩＧＢＴ１０３に電流が流れる状態となるため、コレクタ電圧Ｖceは前記Ｖzにクランプされて（このときの電圧を、クランプ電圧Ｖzとする）、それ以上上昇しない。コレクタ電流Ｉceは、クランプ電圧Ｖz（＝Ｌ・ｄＩ／ｄｔ）による緩やかな変化量ｄＩ／ｄｔで遮断される。そして、コレクタ電圧Ｖceは、時間ｔpの経過後に、クランプ電圧Ｖzからベース電圧Ｖbへと低下する。
【０００９】
ダイナミッククランプによる保護機能を有する内燃機関用点火装置として、次のような装置が提案されている。高圧側もしくは低圧側端子に負荷が接続されるとともにゲート端子に駆動回路が接続された絶縁ゲート型トランジスタに用いられるものであって、絶縁ゲート型トランジスタの高圧側もしくは低圧側端子とゲート端子との間に接続され、前記高圧側端子もしくは低圧側端子からのサージ電圧の印加によりブレークダウンする第１のツェナーダイオードと、前記絶縁ゲート型トランジスタのゲート端子と駆動回路との間に接続され、前記第１のツェナーダイオードのブレークダウン時に前記絶縁ゲート型トランジスタの高圧側端子もしくは低圧側端子から前記駆動回路への電流の通過を阻止するための抵抗と、前記絶縁ゲート型トランジスタの低圧側もしくは高圧側端子とゲート端子との間に接続され、ブレークダウンする電圧が前記絶縁ゲート型トランジスタのゲート耐圧よりも低く、前記第１のツェナーダイオードのブレークダウン時のゲート電圧をクランプする複数段の第２のツェナーダイオードと、を備える（例えば、特許文献３参照。）。
【００１０】
また、別の内燃機関用点火装置として、次のような装置が提案されている。ＭＯＳトランジスタおよび前記ＭＯＳトランジスタの一方電極・制御電極間に接続されたツェナーダイオード部を備え保護対象回路を過電圧から保護する過電圧保護回路であって、前記保護対象回路が動作状態であるときに保護動作を開始する閾値電圧は、前記保護対象回路が非動作状態であるときに保護動作を開始する閾値電圧に比べて高い（例えば、特許文献４参照。）。
【００１１】
また、別の内燃機関用点火装置として、次のような装置が提案されている。イグニッションコイルの一次巻線に直流電源とスイッチング手段を接続し、イグニッションコイルの二次巻線の一方端に点火プラグを接続し、該スイッチング手段の開閉によるイグニッションコイルの一次電流の変化により二次巻線に生ずる高電圧を点火プラグに供給するものにおいて、スイッチング手段がＭＯＳゲート構造トランジスタであり、一次巻線のコイル電流をある一定値に制限するために、少なくともコイル電流検出部とＭＯＳゲート構造トランジスタのゲート電圧を降下させる回路とを備え、ＭＯＳゲート構造トランジスタの電圧値の高い側の主端子電圧が、ゲート端子電圧よりも高い場合に、電圧値の高い側の主端子からゲート端子に流入する電流で生じた電圧をゲート端子に加える電流供給回路を備える。このとき、前記主端子電圧が所定の電圧と等しいかまたはそれよりも低く、且つ、ゲート端子電圧よりも高い範囲内で設定した電圧値以下では、前記主端子からゲート端子に流れ込む電流で生じた電圧を、一定値または前記主端子電圧とゲート端子電圧との差に応じて、ゲート端子に加えるようにし、前記設定した電圧値より高い場合には、前記主端子からゲート端子に流れ込む電流で生じた電圧の増加を抑制、減少又は遮断のいずれかとする回路を備える（例えば、特許文献５参照。）。
【００１２】
また、別の内燃機関用点火装置として、次のような装置が提案されている。直流電源に直列接続されたイグニッションコイルの一次側と絶縁ゲート型半導体装置と、イグニッションコイルの二次側に接続され，前記半導体装置の開閉により前記二次側に発生する高電圧を印加される点火プラグと、前記半導体装置の主電流を所定値以内に制限する電流制限回路と、前記半導体装置の一対の主端子のうち電位の高い方の主端子からその制御電極に電流を供給する電流供給回路とを備えた車載イグナイタにおいて、前記電流供給回路は、抵抗とダイオードの直列接続体を介して、前記電位の高い方の主端子を前記制御電極に接続するように構成する（例えば、特許文献６参照。）。
【００１３】
また、別の内燃機関用点火装置として、次のような装置が提案されている。入力する点火制御信号に応じて点火コイルに流れる一次電流を通電・遮断制御して点火コイルの二次側に高電圧を発生させるパワースイッチング部と、上記一次電流を制限する電流制限回路と、上記パワースイッチング部のコレクタとゲートを接続するとともに、コレクタからゲートにフィードバック電流を流す接続回路とを有し、上記パワースイッチング部及び上記電流制限回路を絶縁ゲート型バイポーラパワートランジスタのモノリシックシリコン基板に集積した内燃機関用点火装置において、上記接続回路に生ずる廻り込み電流を、上記パワースイッチング部のエミッタに流す経路を備える。このとき、上記接続回路は、インピーダンス素子を備えており、上記経路は、上記インピーダンス素子の電圧ドロップによって動作するツェナーダイオードを備える（例えば、特許文献７参照。）。
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−３１０１７３号公報
【特許文献２】特開２００２−００４９９１号公報
【特許文献３】特許第３２５５１４７号公報
【特許文献４】特開２００６−２１６６５１号公報
【特許文献５】特許第３１８６６１９号公報
【特許文献６】特許第３７４０００８号公報
【特許文献７】特許第３９１７８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
内燃機関用点火装置全体の小型化やコスト低減のために、スイッチング手段として用いるＩＧＢＴの大きさをできる限り小さくすることが好ましい。一般的に、スイッチング用途の例えばインバータなどに用いられるＩＧＢＴでは、低オン電圧を実現することで発生損失が下がるため、半導体装置を小型化することができ、コストの低減を図ることができる。しかしながら、上述したようなダイナミッククランプによる保護機能を有する内燃機関用点火装置では、ＩＧＢＴが制御することができるエネルギー（以下、制御可能エネルギーとする）は、ＩＧＢＴ自身の能力によって決まる。一般的に、ＩＧＢＴの大きさを小さくしていくと、それにともなって電流密度が上昇するため、ＩＧＢＴの制御可能エネルギーは小さくなっていく。この制御可能エネルギーは、ＩＧＢＴの寄生効果であるラッチアップで決まる場合がある。
【００１６】
しかし、本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、ＩＧＢＴの制御可能エネルギーは、半導体装置に用いる素材などの許容温度によって決まるということが新たに判明した。ダイナミッククランプによって、ＩＧＢＴを構成する半導体基板の内部に、ＩＧＢＴに印加されるコレクタ電圧とコレクタ電流との積に相当するエネルギーが生じる。これにより、半導体基板の内部の温度が上昇し、半導体の動作可能な温度範囲である例えば３００℃を超えてしまった場合、ＩＧＢＴが破壊される恐れがある。従って、半導体装置の大きさは、ダイナミッククランプに必要とされる最小エネルギーによって制限される。そのため、低オン抵抗の実現によりチップサイズを小さくしようとしても、半導体で決まる温度限界により、半導体装置の小型化につながるとは限らない。このことは、内燃機関用点火装置において、コスト低減を困難にしている要因の一つとなっている。
【００１７】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、半導体装置全体の小型化を図ることでコストを低減させることができる半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかる内燃機関用点火装置は、点火コイルの一次側コイルに直列に接続され、前記一次側コイルに流れる電流を断続するＩＧＢＴと、前記点火コイルの二次側コイルに直列に接続され、前記ＩＧＢＴの断続により前記二次側コイルに発生する高電圧を放電させる点火プラグを備えてなる内燃機関用点火装置において、前記ＩＧＢＴのコレクタとゲートの間に直列に接続されるツェナーダイオードと、前記ツェナーダイオードの少なくとも一部と並列に接続される抵抗と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項２の発明にかかる内燃機関用点火装置は、請求項１に記載の発明において、前記抵抗は、前記点火プラグの放電が発生しなかった場合に、前記ＩＧＢＴを流れる電流の遮断に要する時間が３００μｓ以上となるような抵抗値を有することを特徴とする。
【００２０】
また、請求項３の発明にかかる内燃機関用点火装置は、請求項１または２に記載の発明において、少なくとも前記ＩＧＢＴ、前記ツェナーダイオードおよび前記抵抗を同一の半導体基板に形成して一体化することを特徴とする。
【００２１】
また、請求項４の発明にかかる内燃機関用点火装置は、請求項３に記載の発明において、前記抵抗が、多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ：ポリシリコン）で形成されていることを特徴とする。
【００２２】
上述した各請求項の発明によれば、放電が発生しなかった場合に、クランプ電圧が時間とともに減少し、ＩＧＢＴに流れるコレクタ電流が徐々に緩やかに低下することで、ゲート電圧がオフ状態になるまでの時間が延びる。そのため、ＩＧＢＴ内部に発生する熱が放熱される時間を従来よりも長くすることができ、ＩＧＢＴの放熱効果が向上する。これにより、ＩＧＢＴの制御可能エネルギーを増加させることができ、ＩＧＢＴのエネルギー耐圧の増加量に相当する分だけＩＧＢＴの小型化を図ることができる。
【００２３】
また、上述した請求項３および４の発明によれば、１つの半導体基板上にＩＧＢＴとＩＧＢＴの保護機能を作製することで、半導体スイッチ全体を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明にかかる内燃機関用点火装置によれば、内燃機関用点火装置全体の小型化を図ることができ、コストを低減させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる内燃機関用点火装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明およびすべての添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本明細書において、ｎまたはｐを冠した半導体は、それぞれ電子、正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎ+やｎ-などのように、ｎやｐに付す「+」または「-」は、それぞれそれらが付されていない半導体の不純物濃度よりも比較的高濃度または比較的低濃度であることを表す。なお、本発明において記載される測定結果は、内燃機関用点火装置を用いた測定結果に相当するような標準的な測定方法により導き出している。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかる保護機能を有する半導体スイッチを示す回路図である。図１に示すように、実施の形態１にかかる保護機能を有する半導体装置は、点火コイルとして一次側コイル１１および二次側コイル１２と、一次側コイル１１を流れる低圧電流を断続するスイッチング手段１３と、点火コイルに電力を供給するバッテリー１４と、混合気に着火を行う点火プラグ１５とを備えている。
【００２７】
スイッチング手段１３は、外部コレクタ端子２により一次側コイル１１に接続され、一次側コイル１１に流れる低圧電流を断続するＩＧＢＴ３を備えている。そして、ＩＧＢＴ３のゲートとグランドの間に、ＩＧＢＴ３のゲートを保護するためのゲート保護ツェナーダイオード４が接続されている。ＩＧＢＴ３のゲートおよびコレクタとの間に、ＩＧＢＴ３を保護するための保護ツェナーダイオード５が接続されている。この保護ツェナーダイオード５は、複数のツェナーダイオードが直列に接続されて構成されている。保護ツェナーダイオード５の少なくとも一部に、高い抵抗値をもつバイパス抵抗７が並列に接続されている。また、容量８がバイパス抵抗７に並列に接続されている。ＩＧＢＴ３のゲートと外部ゲート端子１の間に、ＩＧＢＴ３を保護するためのゲート抵抗６が接続されている。ＩＧＢＴ３のエミッタはグランドレベルに保たれている。
【００２８】
ゲート保護ツェナーダイオード４では、ＩＧＢＴ３のゲートに１つ目のツェナーダイオードのカソードが接続されている。そして、１つ目のツェナーダイオードのアノードと、２つ目のツェナーダイオードのアノードとが接続されている。２つ目のツェナーダイオードのカソードはグランドレベルに保たれている。
【００２９】
保護ツェナーダイオード５では、ＩＧＢＴ３のコレクタに１つ目のツェナーダイオードのカソードが接続されている。そして、１つ目のツェナーダイオードのアノードと、２つ目のツェナーダイオードのカソードとが接続されている。同様にして、ツェナーダイオードのアノードと、次のツェナーダイオードのカソードとが接続され連なっている。最後に、図示例では５つ目のツェナーダイオードのアノードは、ＩＧＢＴ３のゲートに接続されている。
【００３０】
バイパス抵抗７は、保護ツェナーダイオード５の、直列に接続された複数のツェナーダイオードの少なくとも一部に並列に接続されている。そして、バイパス抵抗７および容量８は、その時定数ＣＲ（Ｃ：容量８の静電容量、Ｒ：バイパス抵抗７の電気抵抗）により、ＩＧＢＴ３に流れるコレクタ電流を徐々に低下させる効果を有する。バイパス抵抗７を備えることにより、ＩＧＢＴ３の内部に発生する熱を放熱する効果が向上する。容量８として、保護ツェナーダイオード５自身の持つ容量を利用しても良い。
【００３１】
ゲート保護ツェナーダイオード４および保護ツェナーダイオード５には、低耐圧のツェナーダイオードを用いるのが好ましい。その理由は、低耐圧のツェナーダイオードは電流容量が大きいため、ＩＧＢＴに過電流が流れることを回避する効果を高くすることができるからである。また、バイパス抵抗７の抵抗値は、ゲート電圧をオフ状態にする時間が３００〜４００μｓ以上になるように設定するのが好ましい。その理由は、後述する。
【００３２】
以上、説明したように、実施の形態１によれば、ＩＧＢＴ３に流れるコレクタ電流が徐々に緩やかに低下することで、ゲート電圧がオフ状態になるまでの時間が延びる。そのため、ＩＧＢＴ３の内部に発生する熱を放熱する時間を従来よりも長くすることができ、ＩＧＢＴ３の放熱効果が向上する。これにより、ＩＧＢＴ３の制御可能エネルギーを増加させることができ、ＩＧＢＴ３のエネルギー耐圧の増加量に相当する分だけＩＧＢＴ３の小型化を図ることができる。
【００３３】
（実施の形態２）
次に、ＩＧＢＴとＩＧＢＴの保護機能とを、一つの半導体基板上に形成し一体化させた半導体スイッチについて説明する。図２は、実施の形態２にかかるＩＧＢＴとＩＧＢＴの保護機能とを内蔵したモノリシック半導体スイッチの平面レイアウトを示す平面図である。また、図３は、実施の形態２にかかるＩＧＢＴの保護機能を実現する部分の平面レイアウトを示す平面図である。なお、図２に示す平面図は、ＩＧＢＴのエミッタ電極およびゲート電極と、ＩＧＢＴの保護機能の平面レイアウトである。図２に示すように、半導体スイッチの平面レイアウトにおいて、エミッタ電極４９は、例えば、略矩形形状に形成されている。ゲート電極４７は、トラック形状をしており、エミッタ電極４９を囲んでいる。さらに、ゲート電極４７を囲むように、トラック形状の電極５４が設けられている。この電極５４は、図に現れていない領域で、基板裏面のコレクタ電極（図４参照）に電気的に接続されている。ゲート電極４７とそれを囲む前記電極５４の間には、ツェナーダイオード３０が形成されている。
【００３４】
図３に示すように、ツェナーダイオード３０は、ｎ型半導体領域（第１導電型半導体領域）３２およびｐ型半導体領域（第２導電型半導体領域）３１が交互に配置された構成となっている。このツェナーダイオード３０が、実施の形態１に示す保護ツェナーダイオード５である。ツェナーダイオード３０の一部には、例えば酸化膜を用いて形成された分離領域３４を介して、バイパス抵抗３３が形成されている。このバイパス抵抗３３が、実施の形態１に示すバイパス抵抗７であり、ツェナーダイオード３０の一部のｐｎ対をバイパスする。
【００３５】
図４は、図２の切断線Ａ−Ａ'における断面構造を示す断面図である。なお、ツェナーダイオード３０のｎまたはｐの表記は一部を除いて省略する。図４に示すように、ｐ+コレクタ層４１となる高不純物濃度のｐ型シリコン基板上に、ｎ+バッファ層４２およびｎドリフト層４３が形成された半導体基板において、ＩＧＢＴ領域２１および保護機能領域２２が設けられている。ＩＧＢＴ領域２１において、ｎドリフト層４３の表面層の一部に、ｐ-ベース領域４４が設けられている。また、ｐ-ベース領域４４の表面層の一部には、ｎ+エミッタ領域４５が設けられている。ｐ-ベース領域４４が形成されていないｎドリフト層４３の表面から、隣接するｎ+エミッタ領域４５の一部にまでつながってゲート絶縁膜４６が形成されている。そして、ゲート絶縁膜４６を介して、ゲート電極４７が設けられている。ゲート絶縁膜４６が形成されていないｐ-ベース領域４４およびｎ+エミッタ領域４５の表面に、エミッタ電極４９が設けられている。隣接するｐ-ベース領域４４上に形成されたエミッタ電極４９はつながっており、エミッタ電極４９は層間絶縁膜４８によってゲート電極４７と絶縁されている。ｐ+コレクタ層４１の裏面にはコレクタ電極５５が設けられている。半導体基板のエミッタ側には、エミッタ端子５６およびゲート端子５７が設けられている。そして、半導体基板のコレクタ側には、コレクタ端子５８が設けられている。
【００３６】
保護機能領域２２では、ｎドリフト層４３の表面層の一部に、ＩＧＢＴ領域２１と保護機能領域２２の境界近傍のｐ-ベース領域４４と接するように第１のｐ+高濃度領域５０が設けられている。そして、第１のｐ+高濃度領域５０から離れて第２のｐ+高濃度領域５１が設けられている。さらに、ＩＧＢＴ領域２１との境界と反対側の領域に、第２のｐ+高濃度領域５１から離れてｎ+領域５２が設けられている。第１のｐ+高濃度領域５０と接するｐ-ベース領域４４の一部から、ｎ+領域５２の一部にかけて、例えば酸化膜によって形成される絶縁膜５３が設けられている。絶縁膜５３の表面の、ｎ+領域５２側の一部には、ｎ+領域５２にまでつながって電極５４が設けられている。絶縁膜５３の表面の、エミッタ電極４９および電極５４が形成されていない部分には、エミッタ電極４９と離れ、電極５４に接するようにツェナーダイオード３０が設けられている。ツェナーダイオード３０は、ゲート端子５７と電気的に接続されている。電極５４は、コレクタ電極５５に電気的に接続されている。
【００３７】
図４には現れていないが、バイパス抵抗３３は、多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ：ポリシリコン）を使用して形成されるのが好ましい。その理由は、ツェナーダイオードがＩＧＢＴのゲートを構成している素材である多結晶シリコンを使用して形成され、そのツェナーダイオードの一部にバイパス抵抗３３を形成することができるからである。
【００３８】
以上、説明したように、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、１つの半導体基板上にＩＧＢＴとＩＧＢＴの保護機能を作製することで、半導体スイッチ全体を小さくすることができる。
【００３９】
次に、保護ツェナーダイオード５にバイパス抵抗７および容量８を接続した際の、ＩＧＢＴ３のコレクタ電圧Ｖceの電圧波形ついて説明する。図５は、本発明にかかる保護機能を有する半導体スイッチのＩＧＢＴの電気的特性について示す特性図である。なお、図１に示す内燃機関用点火装置を例に説明する。また、保護ツェナーダイオード５の耐圧を第１の耐圧Ｖzとする。保護ツェナーダイオード５の一部をバイパス抵抗７によりバイパスした場合の保護ツェナーダイオード５の耐圧を第２の耐圧Ｖz1とする。コレクタ電圧Ｖceが第１の耐圧Ｖz以上の電圧値となった場合、コレクタ電圧Ｖceは第１の耐圧Ｖz（クランプ電圧Ｖz）にクランプされる。バイパス抵抗７および容量８を備えることにより、その後、コレクタ電圧Ｖceは、第２の耐圧Ｖz1とほぼ同じ電圧まで徐々に低下する。そして、時間ｔpの経過後に、第２の耐圧Ｖz1とほぼ同じ電圧からベース電圧Ｖbへと低下する。
【００４０】
ダイナミッククランプが起きてから時間ｔpまでの間のコレクタ電流Ｉceは、時間軸に時定数ＣＲが加味され、下方向に凸状の右下がりの指数曲線となる変化量ｄＩ／ｄｔで徐々に緩やかに低下する。これにより、保護機能としてバイパス抵抗７および容量８を備えることにより、ＩＧＢＴ３の放熱効果を従来に比べて向上させることができることがわかった。そして、放熱効果が向上することで、ＩＧＢＴの制御可能エネルギーを増加させることができることがわかった。
【００４１】
次に、クランプ電圧と、該クランプ電圧が印加されたＩＧＢＴが破壊されない最大のエネルギー（以下、クランプエネルギーとする）との関係について説明する。図６は、クランプ電圧とクランプエネルギーの関係を示す特性図である。なお、図６において、測定結果６２は、バイパス抵抗７および容量８を備えた場合の測定結果である。それ以外の測定結果は、バイパス抵抗７および容量８を備えていない場合の測定結果である。図６に示す結果より、クランプエネルギーは、クランプ電圧を低くすると増加し、クランプ電圧を高くすると減少することがわかった。これは、クランプ電圧を低くすることで半導体基板の内部で発生した熱が回路基板を介して放熱板へと伝わり、半導体の外部へ放出されることによる効果である。一方、ＩＧＢＴのゲート電圧のオフ時間は、クランプ電圧を低くすると長くなり、クランプ電圧を高くすると短くなる。従って、この測定において、ＩＧＢＴのゲート電圧のオフ時間が３００〜４００μｓ以上のときに、半導体基板の内部に発生した熱が放熱されることがわかった。この条件を満たすように、バイパス抵抗７の抵抗値を設定するのが良い。
【００４２】
上述したクランプエネルギーの、クランプ電圧４１０Ｖのときの測定結果６１において、バイパス抵抗７および容量８を備えた場合におけるクランプエネルギーを測定した。なお、第１の耐圧Ｖzを４１０Ｖとしたときに、バイパス抵抗７および容量８を接続することにより、第２の耐圧Ｖz1が１６０Ｖとなるようにした。図６に示す結果より、測定結果６１におけるクランプエネルギーは、約３０〜４０％増加し、星印で示した測定結果６２となることがわかった。そのため、このクランプエネルギーの増加量の分だけＩＧＢＴの制御可能エネルギーを増加することができる。これにより、ＩＧＢＴのエネルギー耐量の増加量分すべてを、ＩＧＢＴの小型化のための要素とすることができる。
【００４３】
以上において本発明は、上述した内燃機関用点火装置に限らず、電流値が制限される半導体装置に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上のように、本発明にかかる内燃機関用点火装置は、ＩＧＢＴを用いた内燃機関用点火装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施の形態１にかかる保護機能を有する半導体スイッチを示す回路図である。
【図２】実施の形態２にかかるＩＧＢＴとＩＧＢＴの保護機能とを内蔵したモノリシック半導体スイッチの平面レイアウトを示す平面図である。
【図３】実施の形態２にかかるＩＧＢＴの保護機能を実現する部分の平面レイアウトを示す平面図である。
【図４】図２の切断線Ａ−Ａ'における断面構造を示す断面図である。
【図５】本発明にかかる保護機能を有する半導体スイッチのＩＧＢＴの電気的特性について示す特性図である。
【図６】クランプ電圧とクランプエネルギーの関係を示す特性図である。
【図７】従来例の内燃機関用点火装置の一例を示す概念図である。
【図８】従来例の内燃機関用点火装置におけるＩＧＢＴのスイッチング波形を示す特性図である。
【図９】従来例の内燃機関用点火装置におけるダイナミッククランプ波形を示す特性図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  外部ゲート端子
２  外部コレクタ端子
３  ＩＧＢＴ
４  ＩＧＢＴのゲート保護ツェナーダイオード
５  ＩＧＢＴの保護ツェナーダイオード
６  ゲート抵抗
７  バイパス抵抗
８  容量
１１  一次側コイル
１２  二次側コイル
１３  スイッチング手段
１４  バッテリー
１５  点火プラグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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