(57)【要約】【課題】半導体装置にパワー半導体デバイスを遮断する制御信号が入力された場合に、確実に遮断できるパワー半導体デバイスを駆動する半導体装置。【解決手段】高電位側の第１端子および低電位側の第２端子の間に接続され、ゲート電位に応じてオンまたはオフに制御されるパワー半導体素子と、制御端子から入力され、パワー半導体素子を制御する制御信号が、予め定められた遮断条件を満たすか否かを検出する遮断条件検出部と、遮断条件検出部が遮断条件を満たすことを検出したことに応じて、パワー半導体素子のゲート電位をオフ電位に制御する遮断回路と、を備え、遮断条件検出部は、第１端子および制御端子に接続される入力端子を有し、入力端子から入力する電気信号を電源として用いる、半導体装置を提供する。【選択図】図３
2018082420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電位側の第１端子および低電位側の第２端子の間に接続され、ゲート電位に応じてオンまたはオフに制御されるパワー半導体素子と、
制御端子から入力され、前記パワー半導体素子を制御する制御信号が、予め定められた遮断条件を満たすか否かを検出する遮断条件検出部と、
前記遮断条件検出部が前記遮断条件を満たすことを検出したことに応じて、前記パワー半導体素子の前記ゲート電位をオフ電位に制御する遮断回路と、
を備え、
前記遮断条件検出部は、前記第１端子および前記制御端子に接続される入力端子を有し、前記入力端子から入力する電気信号を電源として用いる、半導体装置。
【請求項２】
前記制御端子および前記遮断条件検出部の前記入力端子の間に接続される第１の整流素子と、
前記第１端子および前記遮断条件検出部の前記入力端子の間に接続される第２の整流素子と、
を備える請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
高電位側の第１端子および低電位側の第２端子の間に接続され、ゲート電位に応じてオンまたはオフに制御されるパワー半導体素子と、
制御端子から入力され、前記パワー半導体素子を制御する制御信号が、予め定められた遮断条件を満たすか否かを検出する遮断条件検出部と、
前記遮断条件検出部が前記遮断条件を満たすことを検出したことに応じて、前記パワー半導体素子の前記ゲート電位をオフ電位に制御する遮断回路と、
を備え、
前記遮断条件検出部は、
前記第１端子と、前記パワー半導体素子のゲート端子と、抵抗性の素子を介して前記制御端子と、に接続される入力端子を有し、
前記入力端子から入力する電気信号を電源として用いる、半導体装置。
【請求項４】
前記抵抗性の素子および前記遮断条件検出部の前記入力端子の間に接続される第１の整流素子と、
前記第１端子および前記遮断条件検出部の前記入力端子の間に接続される第２の整流素子と、
を備える請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記抵抗性の素子は、抵抗またはスイッチ素子である、請求項３または４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記遮断条件検出部は、
前記制御信号が予め定められた閾値を超えたか否かを検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に応じて、前記遮断回路を制御する遮断回路制御信号を出力する信号出力部と、
を有する請求項２または４に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記信号出力部は、前記第１の整流素子および前記第２の整流素子に接続され、前記第１端子および前記制御端子から入力する電気信号を電源として用いる、請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１端子および前記第２の整流素子の間には、抵抗またはスイッチ素子が接続される、請求項２、４、６、および７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記遮断回路は、前記パワー半導体素子のゲートおよびエミッタを電気的に接続して、前記パワー半導体素子のゲートをオフ電位にする、請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記パワー半導体素子は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）または縦型ＭＯＳＦＥＴである、請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記遮断条件検出部および前記遮断回路の間に設けられ、前記遮断条件検出部が前記遮断回路に伝送する信号を遅延させる遅延回路を更に備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
当該半導体装置は、外部からの制御信号に応じて点火コイルに流れる電流を制御するイグナイタである請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の点火等に用いられる半導体装置として、大電力を取り扱うパワー半導体デバイスが知られていた（例えば、特許文献１参照）。このようなパワー半導体デバイスを駆動する回路は、当該パワー半導体デバイスをオフ状態にする遮断信号を受け取っているにもかかわらず、オン状態にしてしまう誤動作を防止できることが望ましい。
特許文献１  特開２００９−２８４４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このようなパワー半導体デバイスの駆動回路は、誤動作が発生して異常な状態のまま動作を継続すると、当該駆動回路だけでなく、当該駆動回路と接続する内燃機関等にまで不具合等を発生させてしまうことがある。したがって、当該駆動回路は、遮断信号が入力された場合、パワー半導体デバイスを確実に遮断する機能を有することが望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、高電位側の第１端子および低電位側の第２端子の間に接続され、ゲート電位に応じてオンまたはオフに制御されるパワー半導体素子と、制御端子から入力され、パワー半導体素子を制御する制御信号が、予め定められた遮断条件を満たすか否かを検出する遮断条件検出部と、遮断条件検出部が遮断条件を満たすことを検出したことに応じて、パワー半導体素子のゲート電位をオフ電位に制御する遮断回路と、を備え、遮断条件検出部は、第１端子および制御端子に接続される入力端子を有し、入力端子から入力する電気信号を電源として用いる、半導体装置を提供する。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本実施形態に係る点火装置１０００の構成例を示す。
【図２】本実施形態に係る半導体装置１００の各部の動作波形の第１例を示す。
【図３】本実施形態に係る点火装置２０００の構成例を示す。
【図４】本実施形態に係る検出部１３２の構成例を示す。
【図５】本実施形態に係る検出部１３２の各部の動作波形の一例を示す。
【図６】本実施形態に係る半導体装置２００の各部の動作波形の例を示す。
【図７】本実施形態に係る点火装置２０００の第１変形例を示す。
【図８】本実施形態に係る半導体装置１００の各部の動作波形の第２例を示す。
【図９】図８に示す動作波形の第２例を拡大した波形の一例を示す。
【図１０】本実施形態に係る点火装置２０００の第２変形例を示す。
【図１１】第２変形例の半導体装置２００の各部の動作波形の一例を示す。
【図１２】本実施形態に係る点火装置２０００の第３変形例を示す。
【図１３】第３変形例の半導体装置２００の各部の動作波形の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、本実施形態に係る点火装置１０００の構成例を示す。点火装置１０００は、自動車等の内燃機関等に用いられる点火プラグを点火する。本実施形態において、点火装置１０００が自動車のエンジンに搭載される例を説明する。点火装置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、半導体装置１００と、を備える。
【０００９】
制御信号発生部１０は、半導体装置１００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を発生する。制御信号発生部１０は、例えば、点火装置１０００が搭載される自動車のエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）の一部または全部である。制御信号発生部１０は、発生した制御信号を、半導体装置１００に供給する。制御信号発生部１０が制御信号を半導体装置１００に供給することにより、点火装置１０００は点火プラグ２０の点火動作を開始する。
【００１０】
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。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。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。
【００１１】
点火コイル３０は、点火プラグ２０に電気信号を供給する。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。点火コイル３０は、変圧器として機能してよく、例えば、一次コイル３２および二次コイル３４を有するイグニッションコイルである。一次コイル３２および二次コイル３４の一端は、電気的に接続される。一次コイル３２は、二次コイル３４よりも巻き線数が少なく、二次コイル３４とコアを共有する。二次コイル３４は、一次コイル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。二次コイル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。
【００１２】
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、一次コイル３２および二次コイル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。
【００１３】
半導体装置１００は、制御信号発生部１０から供給される制御信号に応じて、点火コイル３０の一次コイル３２の他端および基準電位の間の導通（オン）および非導通（オフ）を切り換える。半導体装置１００は、例えば、制御信号がハイ電位（オン電位）であることに応じて、一次コイル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、一次コイル３２および基準電位の間を非導通にさせる。
【００１４】
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。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、遮断回路１２０と、遮断条件検出部１３０と、抵抗１５０と、抵抗１６０と、ツェナーダイオード１７０と、を備える。
【００１５】
制御端子１０２は、パワー半導体素子１１０を制御する制御信号を入力する。制御端子１０２は、制御信号発生部１０に接続され、制御信号を受け取る。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。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。
【００１６】
パワー半導体素子１１０は、制御信号に応じてゲート電位が制御される。パワー半導体素子１１０は、ゲート端子（Ｇ）、コレクタ端子（Ｃ）、およびエミッタ端子（Ｅ）を含み、ゲート端子に入力する制御信号に応じて、コレクタ端子およびエミッタ端子の間を電気的に接続または切断する。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。パワー半導体素子１１０は、一例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。また、パワー半導体素子１１０は、ＭＯＳＦＥＴであってもよい。
【００１７】
パワー半導体素子１１０は、一例として、数百Ｖに至る耐圧を有する。パワー半導体素子１１０は、例えば、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。また、パワー半導体素子１１０は、縦型ＭＯＳＦＥＴでもよい。一例として、パワー半導体素子１１０のエミッタ端子は、基準電位と接続される。また、コレクタ端子は、一次コイル３２の他端に接続される。なお、本実施例において、パワー半導体素子１１０は、制御信号がオン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ｎチャネル型のＩＧＢＴである例について説明する。
【００１８】
遮断回路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。遮断回路１２０は、一例として、ゲート電位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ＦＥＴである。遮断回路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、制御端子１０２から入力する制御信号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。
【００１９】
言い換えると、遮断回路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、ソース端子がパワー半導体素子１１０のエミッタ端子に接続され、パワー半導体素子１１０のゲート端子およびエミッタ端子を電気的に接続して、パワー半導体素子１１０のゲートをオフ電位にするか否かを切り換える。遮断回路１２０は、一例として、ゲート端子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。この場合、遮断回路１２０は、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴであることが望ましい。
【００２０】
遮断条件検出部１３０は、制御端子１０２から入力され、パワー半導体素子１１０を制御する制御信号が、予め定められた遮断条件を満たすか否かを検出する。遮断条件検出部１３０は、制御信号が予め定められた閾値を用いて、遮断条件を満たすか否かを検出してよい。遮断条件検出部１３０は、検出部１３２と、信号出力部１３４と、を有する。
【００２１】
検出部１３２は、制御信号が予め定められた閾値を超えたか否かを検出する。検出部１３２は、例えば、パワー半導体素子１１０をオンさせる制御信号Ｖｉｎが閾値Ｖｔｈｉｎ（一例として、２Ｖ）より小さくなったことに応じて、遮断条件が満たされたとする。検出部１３２は、検出結果を信号出力部１３４に供給する。
【００２２】
信号出力部１３４は、検出部１３２の検出結果に応じて、遮断回路１２０を制御する遮断回路制御信号を出力する。信号出力部１３４は、制御信号が遮断条件を満たしたことを検出した検出結果に応じて、遮断回路１２０をオンにする遮断回路制御信号を出力する。また、信号出力部１３４は、制御信号が遮断条件を満たしていない検出結果に応じて、遮断回路１２０をオフにする遮断回路制御信号を出力する。
【００２３】
信号出力部１３４は、一例として、インバータである。信号出力部１３４は、第１端子１０４から入力する電気信号を電源として動作し、検出部１３２の検出結果を反転出力する。信号出力部１３４は、遮断回路１２０に接続され、遮断回路制御信号を当該遮断回路１２０に供給する。即ち、遮断回路１２０は、遮断条件検出部１３０が遮断条件を満たすことを検出したことに応じて、パワー半導体素子１１０のゲート電位をオフ電位に制御する。
【００２４】
抵抗１５０は、第１端子１０４と、信号出力部１３４の高電位側の電源端子との間に設けられ、第１端子１０４から入力する電気信号を電源として信号出力部１３４に供給する。なお、第１端子１０４から入力する電気信号は、パワー半導体素子１１０のオンまたはオフ状態に応じて変動する。そこで、抵抗１５０は、第１端子１０４側から信号出力部１３４に入力する電流を制限する。例えば、抵抗１５０は、パワー半導体素子１１０のコレクタ電圧が４００Ｖ程度に上昇した場合でも、当該第１端子１０４側から信号出力部１３４に入力する電流を予め定められた電流値以下に低減させる保護抵抗として動作する。
【００２５】
抵抗１６０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。抵抗１６０は、遮断回路１２０がオフ状態の場合、制御信号をパワー半導体素子１１０のゲート端子に伝達する。抵抗１６０は、遮断回路１２０がオン状態で制御信号を基準電位へと流す場合、当該制御信号を電圧降下させる。即ち、パワー半導体素子１１０のゲート端子には基準電位が供給されることになる。
【００２６】
ツェナーダイオード１７０は、抵抗１５０および基準電位の間に接続される。ツェナーダイオード１７０は、第１端子１０４から信号出力部１３４の定格を超える電圧が入力することを防止する。例えば、ツェナーダイオード１７０は、パワー半導体素子１１０のコレクタ電圧が４００Ｖ程度に上昇した場合でも、当該第１端子１０４側から信号出力部１３４に入力する電圧を予め定められた電圧値にクランプする。ツェナーダイオード１７０は、一例として、６Ｖから１６Ｖ程度にクランプする。
【００２７】
以上の本実施形態に係る半導体装置１００は、制御信号がハイ電位になると、パワー半導体素子１１０がオン状態となる。これにより、電源４０から点火コイル３０の一次コイル３２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ｄＩｃ／ｄｔは、一次コイル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、予め定められた（または設定された）電流値まで増加する。例えば、コレクタ電流Ｉｃは、数Ａ、十数Ａ、または数十Ａ程度まで増加する。
【００２８】
そして、制御信号がロー電位となると、パワー半導体素子１１０はオフ状態となり、コレクタ電流は急激に減少する。コレクタ電流の急激な減少により、一次コイル３２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３４の両端に数十ｋＶ程度に至る誘導起電力を発生させる。点火装置１０００は、このような二次コイル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ことができる。
【００２９】
図２は、本実施形態に係る半導体装置１００の各部の動作波形の第１例を示す。図２は、横軸を時間、縦軸を電圧値または電流値とする。また、図２は、制御端子１０２から入力する制御信号を「Ｖｉｎ」、検出部１３２が出力する検出信号を「Ｖｔ」、信号出力部１３４が出力する遮断回路制御信号を「Ｖｓ」、パワー半導体素子１１０のゲート端子の電位を「Ｖｇ」、パワー半導体素子１１０のコレクタ・エミッタ間電流（コレクタ電流とする）を「Ｉｃ」、パワー半導体素子１１０のコレクタ・エミッタ間電圧（コレクタ電圧とする）を「Ｖｃ」として、それぞれの時間波形を示す。
【００３０】
図２は、制御端子１０２に入力する制御信号Ｖｉｎが０Ｖから検出部１３２の閾値Ｖｔｈｉｎを超える電圧にリニアに立ち上がり、その後、閾値Ｖｔｈｉｎを超える電圧から０Ｖにリニアに立ち下がる三角波の形状の例を示す。また、図２は、当該三角波の形状の制御信号Ｖｉｎに対する、各部の動作波形を示す。
【００３１】
検出部１３２は、制御端子１０２から入力する制御信号を動作電圧として用いてよく、この場合、閾値Ｖ１を超える制御信号が入力することに応じて、検出動作を実行する。したがって、検出部１３２は、制御信号が閾値Ｖ１を超えない場合、入力信号をそのまま出力することになる。即ち、検出部１３２は、制御信号Ｖｉｎが閾値Ｖ１を超えるまでは当該制御信号Ｖｉｎと略同一の電位を出力する。図２は、検出部１３２の検出信号Ｖｔが、時刻ｔ１まで、および、時刻ｔ４を経過した後、制御信号Ｖｉｎと略同一の出力波形となる例を示す。
【００３２】
また、検出部１３２は、Ｖｉｎが閾値Ｖ１を超え、かつ、閾値Ｖｔｈｉｎ以下の電位の場合、遮断条件を満たしたとして、ロー電位を出力する。図２は、検出部１３２の検出信号Ｖｔが、時刻ｔ１からｔ２の間、および、時刻ｔ３からｔ４の間、ロー電位となる例を示す。また、検出部１３２は、Ｖｉｎが閾値Ｖｔｈｉｎを超えた場合、遮断条件を満たさないとして、ハイ電位を出力する。なお、検出部１３２は、ハイ電位として、制御信号Ｖｉｎと略同一の電位を出力してよい。図２は、検出部１３２の検出信号Ｖｔが、時刻ｔ２からｔ３の間、制御信号Ｖｉｎと略同一の出力波形となる例を示す。
【００３３】
信号出力部１３４は、第１端子１０４から入力する電気信号を電源として動作するので、ハイ電位を出力する場合、コレクタ電圧Ｖｃおよびツェナーダイオード１７０の降伏電圧Ｖｚｄのうち小さい方の電位を出力する。例えば、信号出力部１３４は、検出信号Ｖｔがロー電位の場合、当該ロー電位の反転信号として、このようなハイ電位を出力する。図２は、信号出力部１３４の遮断回路制御信号Ｖｓが時刻ｔ２まで、降伏電圧Ｖｚｄと略同一の電位を出力する例を示す。
【００３４】
また、信号出力部１３４は、検出信号Ｖｔがハイ電位になったことに応じて、当該ハイ電位の反転信号であるロー電位を出力する。図２は、信号出力部１３４の遮断回路制御信号Ｖｓが、時刻ｔ２からｔ３においてロー電位となる例を示す。
【００３５】
なお、時刻ｔ３からｔ４において、検出信号Ｖｔがロー電位になるので、信号出力部１３４は、再びハイ電位を出力する。しかしながら、制御信号Ｖｉｎがパワー半導体素子１１０の閾値Ｖｔｈｉよりも大きい電位の範囲にあるので、パワー半導体素子１１０はオン状態を継続し、コレクタ電圧Ｖｃはパワー半導体素子１１０のオン時の電位Ｖｃｌとなる。当該電位Ｖｃｌは、ツェナーダイオード１７０の降伏電圧Ｖｚｄよりも小さい電位となるので、図２の例に示すように、信号出力部１３４の遮断回路制御信号Ｖｓは、時刻ｔ３からｔ４において、コレクタ端子のオン時の電位Ｖｃｌと略同一の電位を出力することになる。
【００３６】
また、時刻ｔ４を超えると、検出信号Ｖｔがロー電位になり、制御信号Ｖｉｎがパワー半導体素子１１０の閾値Ｖｔｈｉよりも小さい電位の範囲にあるので、パワー半導体素子１１０はオフ状態に切り換わり、コレクタ電圧Ｖｃは電源４０が供給する定電圧Ｖｂと略同一となる。したがって、図２の例に示すように、信号出力部１３４の遮断回路制御信号Ｖｓは、時刻ｔ４を超えた場合、降伏電圧Ｖｚｄと略同一のハイ電位となる。
【００３７】
パワー半導体素子１１０のゲート端子の電位Ｖｇは、遮断回路制御信号Ｖｓが遮断回路１２０の閾値を超えるハイ電位の場合、ロー電位となる。また、電位Ｖｇは、遮断回路制御信号Ｖｓが遮断回路１２０の閾値以下のロー電位の場合、制御信号Ｖｉｎと略同一の電位となる。図２は、Ｖｇが、時刻ｔ２まで、および、時刻ｔ４を超えた場合、ロー電位となり、時刻ｔ２から時刻ｔ４において、制御信号Ｖｉｎと略同一の電位となる例を示す。
【００３８】
パワー半導体素子１１０は、このようなゲート端子の電位Ｖｇに応じて動作する。即ち、図２の例において、パワー半導体素子１１０は、時刻ｔ２から時刻ｔ４において、オン状態となり、時刻ｔ２までの期間および時刻ｔ４を超えた期間は、オフ状態となる。
【００３９】
即ち、パワー半導体素子１１０のコレクタ電流Ｉｃは、ＶｇがＶｔｈｉｎを超えるまでは略零となり（オフ）、ＶｇがＶｔｈｉｎを超えた電位であることに応じて流れ（オン）、その最大値は（Ｖｂ−Ｖｂｉ）／（Ｒｌ＋Ｒｏｎ）である。ここで、Ｖｂは電源４０が供給する定電圧、Ｖｂｉはパワー半導体素子１１０の内蔵電位、Ｒｌは一次コイル３２の抵抗、Ｒｏｎはパワー半導体素子１１０のオン抵抗である。図２は、コレクタ電流Ｉｃが、時刻ｔ２までの期間および時刻ｔ４を超えた期間においてオフとなり、時刻ｔ２から時刻ｔ４において、（Ｖｂ−Ｖｂｉ）／（Ｒｌ＋Ｒｏｎ）となる例を示す。
【００４０】
パワー半導体素子１１０のコレクタ電圧Ｖｃは、ＶｇがＶｔｈｉｎを超えるまではハイ電位となり、ＶｇがＶｔｈｉｎを超えた電位であることに応じてロー電位となる。図２は、Ｖｃが、時刻ｔ２においてロー電位となり、時刻ｔ４においてハイ電位となる例を示す。
【００４１】
ここで、図１に示す半導体装置１００は、パワー半導体素子１１０がオフしている状態において、コレクタ電圧Ｖｃが、電源４０が供給する定電圧Ｖｂと略同等となる。この場合、信号出力部１３４は、ツェナーダイオード１７０の降伏電圧を上限として、Ｖｂと略同等の電位を出力する。なお、Ｖｂが遮断回路１２０の閾値（一例として、１．１Ｖ）より大きい場合、遮断回路１２０はパワー半導体素子１１０を遮断する。本実施例において、定電圧Ｖｂは、一例として１４Ｖなので、コレクタ電圧Ｖｃは、時刻ｔ２までの期間および時刻ｔ４を超えた期間において定電圧Ｖｂと略同一の電位となる。
【００４２】
また、パワー半導体素子１１０がオンしている状態において、コレクタ電圧Ｖｃは、Ｖｂと、パワー半導体素子１１０の内蔵電位Ｖｂｉと、パワー半導体素子１１０のオン抵抗Ｒｏｎと、一次コイル３２の抵抗Ｒｌと、で決まり、Ｖｃ＝（Ｖｂ−Ｖｂｉ）×Ｒｏｎ／（Ｒｏｎ＋Ｒｌ）＋Ｖｂｉとなる。例えば、Ｖｂｉ＝０．６Ｖ、Ｒｏｎ＝５０ｍΩ、Ｒｌ＝０．６Ωとすると、Ｖｂ＝１４Ｖの場合、Ｖｃ＝１．６３Ｖであり、Ｖｂ＝６Ｖの場合、Ｖｃ＝１．０２Ｖである。
【００４３】
即ち、パワー半導体素子１１０がオンしている状態で検出部１３２が遮断条件を検出した時、Ｖｂ＝１４Ｖであれば遮断回路１２０はパワー半導体素子１１０を遮断するが、Ｖｂ＝６Ｖであれば遮断できない。本実施例において、定電圧Ｖｂは、一例として１４Ｖなので、コレクタ電圧Ｖｃは、時刻ｔ２および時刻ｔ４の期間においてＶｃｌ＝１．６３Ｖと略同一の電位となる。
【００４４】
以上のように、半導体装置１００は、時刻ｔ３からｔ４の間において、制御信号Ｖｉｎが遮断条件を満たしても、パワー半導体素子１１０をオン状態のままにしてしまうことがわかる。このような誤動作が発生して、当該誤動作した状態のまま動作を継続させると、パワー半導体素子１１０等が故障してしまうことがある。また、パワー半導体素子１１０等の故障にとどまらず、パワー半導体素子１１０に接続される内燃機関等にまで不具合等を発生させてしまうこともある。
【００４５】
なお、パワー半導体素子１１０は、閾値Ｖｔｈｉがより小さくなると損失も小さくなり、スイッチとして有利になるので、誤動作の発生と相反する。そこで、本実施形態に係る半導体装置２００は、閾値Ｖｔｈｉの値に依存することなく、パワー半導体素子１１０がオンしている場合であっても、制御信号Ｖｉｎが遮断条件を満たしたことに応じて、パワー半導体素子１１０を確実に遮断して誤動作を防止する。
【００４６】
図３は、本実施形態に係る点火装置２０００の構成例を示す。図３に示す点火装置２０００において、図１に示された本実施形態に係る点火装置２０００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。点火装置２０００は、半導体装置２００を備える。なお、点火装置２０００が備える制御信号発生部１０、点火プラグ２０、点火コイル３０、および電源４０については説明を省略する。
【００４７】
半導体装置２００は、制御端子２０２と、第１端子２０４と、第２端子２０６と、パワー半導体素子１１０と、遮断回路１２０と、遮断条件検出部１３０と、抵抗１５０と、抵抗１６０と、ツェナーダイオード１７０と、第１の整流素子２１０と、第２の整流素子２２０と、を備える。
【００４８】
制御端子２０２は、パワー半導体素子１１０を制御する制御信号を入力する。制御端子２０２は、制御信号発生部１０に接続され、制御信号を受け取る。第１端子２０４は、点火コイル３０を介して電源４０に接続される。第２端子２０６は、基準電位に接続される。即ち、第１端子２０４は、第２端子２０６と比較して高電位側の端子であり、第２端子２０６は、第１端子２０４と比較して低電位側の端子である。
【００４９】
なお、パワー半導体素子１１０、遮断回路１２０、抵抗１５０、抵抗１６０、およびツェナーダイオード１７０については、図１で説明したので、ここでは説明を省略する。
【００５０】
遮断条件検出部１３０は、第１端子２０４および制御端子２０２に接続される入力端子１４０を有し、入力端子１４０から入力する電気信号を電源として用いる。即ち、遮断条件検出部１３０は、第１端子２０４からの電気信号と、制御端子２０２からの制御信号との２系統の信号を電源として用いる。これにより、信号出力部１３４は、第１端子２０４からの電気信号の信号電圧が低下した場合に、制御端子２０２からの電気信号の信号電圧で補うことができ、安定な電源電圧を入力端子１４０から受け取ることができる。
【００５１】
第１の整流素子２１０は、制御端子２０２および遮断条件検出部１３０の入力端子１４０の間に接続される。第１の整流素子２１０は、制御端子２０２から入力する制御信号を信号出力部１３４に供給すると共に、制御端子２０２へと逆流する電気信号を抑制する。これにより、信号出力部１３４は、パワー半導体素子１１０を制御する制御信号を入力する制御端子２０２から、第１の整流素子２１０を介して電源供給を受ける。例えば、制御信号として５Ｖ程度のハイ電位が制御端子２０２から入力する場合、第１の整流素子２１０は、４．４Ｖ程度の電位を信号出力部１３４に供給する。ここで、第１の整流素子２１０の閾値Ｖｆを０．６Ｖ程度とした。第１の整流素子２１０は、一例として、ダイオードである。
【００５２】
第２の整流素子２２０は、第１端子２０４および遮断条件検出部１３０の入力端子１４０の間に接続される。第２の整流素子２２０は、抵抗１５０および信号出力部１３４の間に接続されてよく、抵抗１５０を介して第１端子２０４の電位を信号出力部１３４に供給すると共に、第１端子２０４へと逆流する電気信号を抑制する。これにより、信号出力部１３４は、第１端子２０４から第２の整流素子２２０を介して電源供給を受ける。
【００５３】
例えば、ツェナーダイオード１７０の降伏電圧Ｖｚｄが６Ｖ程度の場合、コレクタ電圧Ｖｃが６Ｖ以上であることを条件に、第２の整流素子２２０は、５．４Ｖ程度の電位を信号出力部１３４に供給する。ここで、第２の整流素子２２０の閾値Ｖｆを０．６Ｖ程度とした。第２の整流素子２２０は、一例として、ダイオードである。
【００５４】
この場合、第１端子２０４および第２の整流素子２２０の間には、抵抗１５０が接続される。抵抗１５０は、第１端子１０４側から入力端子１４０を介して信号出力部１３４に入力する電流を制限する抵抗性を有する素子であればよく、抵抗素子に限定されるものではない。
【００５５】
以上の本実施形態に係る半導体装置２００は、図１で説明した半導体装置１００と同様に、制御信号がハイ電位となる場合、パワー半導体素子１１０がオン状態となる。これにより、図１で説明したように、点火装置２０００は点火プラグ２０を放電させて燃焼ガスを点火できる。
【００５６】
また、制御信号がハイ電位からロー電位に変わる場合、信号出力部１３４はまず、４．４Ｖ程度の電位を出力し、パワー半導体素子１１０の遮断を開始する。遮断開始後、Ｖｃ＞Ｖｉｎとなると信号出力部１３４の出力電位はＶｃ−Ｖｆとなりパワー半導体素子１１０の遮断を継続する。つまり、制御端子２０２とコレクタ電圧はいずれかがハイ電位以上なので、信号出力部１３４は電源電圧が不足することはなくパワー半導体素子１１０の誤動作を防止できる。このような点火装置２０００の各部の詳細について次に説明する。
【００５７】
図４は、本実施形態に係る検出部１３２の構成例を示す。検出部１３２は、制御信号入力部３０２、検出信号出力部３０４、基準電位入力部３０６、抵抗３１０、抵抗３２０、インバータ３３０、およびインバータ３４０を含む。
【００５８】
制御信号入力部３０２は、制御端子２０２から入力される制御信号を入力する。検出部１３２は、当該制御信号を電源として動作する。検出信号出力部３０４は、検出部１３２の検出結果を出力する。検出信号出力部３０４は、一例として、信号出力部１３４に接続され、制御信号の検出結果として、制御信号と同じ論理の電位を出力する。基準電位入力部３０６は、基準電位に接続される。
【００５９】
抵抗３１０および抵抗３２０は、制御信号入力部３０２および基準電位入力部３０６の間に直列に接続され、制御信号入力部３０２から入力する制御信号Ｖｉｎを分圧する。ここで、抵抗３１０および抵抗３２０が分圧して出力する分圧電位は、抵抗３１０および抵抗３２０の間の電位である。例えば、抵抗３１０の抵抗値をＲ１、抵抗３２０の抵抗値をＲ２とすると、分圧電位は、Ｖｉｎ・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）となる。一例として、制御信号が過渡的にオフ電位（一例として、０Ｖ）からオン電位（一例として、５Ｖ）にリニアに立ち上がる場合、分圧電位も、０Ｖから５・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）までリニアに立ち上がる。
【００６０】
インバータ３３０は、抵抗３１０および抵抗３２０の間に入力端子が接続され、分圧電位を受け取って出力端子から論理を反転した信号を出力する。インバータ３４０は、インバータ３３０の出力信号を受け取って、論理を反転した信号を出力する。
【００６１】
なお、インバータ３３０、およびインバータ３４０は、それぞれ制御信号入力部３０２から入力する制御信号を動作電源とする。したがって、各インバータは、制御信号が過渡的に立ち上がる過程において、当該制御信号がインバータの閾値に至るまでは、制御信号と略同一の電位の信号を出力する。なお、本例において、各インバータの閾値は、略同一の値Ｖ１とする。このような検出部１３２の各部における動作を、図５を用いて説明する。
【００６２】
図５は、本実施形態に係る検出部１３２の各部の動作波形の一例を示す。図５は、横軸を時間、縦軸を出力電位とする。図５は、制御信号入力部３０２に入力する制御信号Ｖｉｎがオフ電位（０Ｖ）からオン電位（５Ｖ）にリニアに立ち上がる場合に対する、インバータ３３０およびインバータ３４０の出力電位の一例を示す。インバータ３３０の出力電位Ｖｏｕｔ１、およびインバータ３４０の出力電位Ｖｏｕｔ２は、入力電位がインバータの閾値Ｖ１に至るまでは、電源電位（即ち、制御信号Ｖｉｎ）と略同一の電位となる。
【００６３】
インバータ３３０は、電源の電位が閾値Ｖ１を超えても、入力する分圧電位Ｖｉｎ・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）が閾値Ｖ１以下の値なので、入力電位はロー電位となり、反転出力がハイ電位となる。なお、インバータ３３０は、ハイ電位を出力させるように動作しても、電源電位がハイ電位（例えば５Ｖ）に至る過程の過渡的な電位の場合、当該電源電位をハイ電位として出力する。図５は、インバータ３３０の出力電位Ｖｏｕｔ１が、時刻ｔ１以降において、電源電位Ｖｉｎと略同一の電位を出力する例を示す。
【００６４】
インバータ３３０は、電源の電位が閾値Ｖ１を超え、かつ、入力する分圧電位が閾値Ｖ１を超えたこと（即ち、ハイ電位の入力）に応じて、ロー電位を反転出力とする。図５は、インバータ３３０の出力電位Ｖｏｕｔ１が、時刻ｔ２においてロー電位（０Ｖ）となる例を示す。
【００６５】
インバータ３４０は、電源の電位が閾値Ｖ１を超え、入力電位が閾値Ｖ１を超えた電位であることに応じて、ロー電位を反転出力とする。図５は、インバータ３４０の出力電位Ｖｏｕｔ２が、時刻ｔ１においてロー電位となる例を示す。インバータ３４０は、電源の電位が閾値Ｖ１を超え、入力電位がロー電位であることに応じて、ハイ電位を反転出力とする。なお、インバータ３４０は、電源電位がハイ電位に至る過程の過渡的な電位の場合、当該電源電位をハイ電位として出力する。図５は、インバータ３４０の出力電位Ｖｏｕｔ２が、時刻ｔ２を経過した後において、電源電位Ｖｉｎと略同一の電位となる例を示す。
【００６６】
検出部１３２は、このようなインバータ３４０の出力電位Ｖｏｕｔ２を、検出信号として検出信号出力部３０４から出力する。そして、信号出力部１３４は、第１端子２０４および制御端子２０２から入力する電気信号を電源として用い、当該検出信号に応じて、遮断回路１２０を制御する。これにより、本実施形態に係る半導体装置２００は、外部からの制御信号に応じて、点火コイル３０に流れる電流を制御するイグナイタとして動作する。半導体装置２００の動作について、図６を用いて説明する。
【００６７】
図６は、本実施形態に係る半導体装置２００の各部の動作波形の例を示す。図６は、横軸を時間、縦軸を電圧値または電流値とする。また、図６は、制御端子２０２から入力する制御信号を「Ｖｉｎ」、検出部１３２が出力する検出信号を「Ｖｔ」、信号出力部１３４が出力する遮断回路制御信号を「Ｖｓ」、パワー半導体素子１１０のゲート端子の電位を「Ｖｇ」、パワー半導体素子１１０のコレクタ・エミッタ間電流（コレクタ電流とする）を「Ｉｃ」、パワー半導体素子１１０のコレクタ・エミッタ間電圧（コレクタ電圧とする）を「Ｖｃ」として、それぞれの時間波形を示す。
【００６８】
検出部１３２の検出信号Ｖｔの時間波形は、図５で説明したインバータ３４０の出力電位Ｖｏｕｔ２と略同一である。また、検出部１３２の検出信号Ｖｔは、図２に示した半導体装置１００の検出部１３２の時間波形Ｖｔと略同一でもあるので、ここでは説明を省略する。
【００６９】
信号出力部１３４は、検出信号Ｖｔの反転出力なので、時刻ｔ２まではハイ電位を出力するように動作する。この場合、図２で説明したように、第１端子２０４から入力端子１４０に入力する電位は、パワー半導体素子１１０のコレクタ電圧Ｖｃと、ツェナーダイオード１７０の降伏電圧Ｖｚｄの小さい方の電位から第２の整流素子２２０の閾値Ｖｆを減じた電位となる。即ち、パワー半導体素子１１０はオフ状態であることから、時刻ｔ２までは、Ｖｚｄ−Ｖｆとなる。したがって、信号出力部１３４は、電位Ｖｚｄ−Ｖｆが電源電圧として入力するので、図２と同様に、当該電位Ｖｚｄ−Ｖｆと略同一の遮断回路制御信号Ｖｓを出力する。
【００７０】
また、信号出力部１３４は、時刻ｔ２を超えると、検出信号Ｖｔの反転出力としてロー電位を出力する。また、信号出力部１３４は、時刻ｔ３を超えると、検出信号Ｖｔの反転出力としてハイ電位を出力するように動作する。この場合、時刻ｔ３を超えてから、制御信号Ｖｉｎの電位がＶｔｈｉ以下になるまでは、図２で説明したように、第１端子２０４から入力端子１４０に入力する電位は、コレクタ端子のオン時の電位Ｖｃｌと略同一の電位となる。その一方、制御端子２０２から入力端子１４０に入力する制御信号Ｖｉｎの電位は、Ｖｔｈｉを超える電位である。
【００７１】
したがって、本実施形態の信号出力部１３４は、当該制御信号Ｖｉｎを電源として用いるので、検出信号Ｖｔが時刻ｔ３においてロー電位となることに応じて、反転出力のハイ電位の遮断回路制御信号Ｖｓを出力することができる。これにより、遮断回路１２０は、パワー半導体素子１１０のゲートをオフ電位にするので、パワー半導体素子１１０はオフ状態となり、コレクタ電圧はＶｂとなる。即ち、第１端子２０４から入力端子１４０に入力する電位は、Ｖｚｄ−Ｖｆとなるので、信号出力部１３４は、当該電位Ｖｚｄ−Ｖｆと略同一の遮断回路制御信号Ｖｓを、時刻ｔ３から出力することができる。
【００７２】
以上のように、信号出力部１３４が出力する遮断回路制御信号Ｖｓは、図６の例に示すように、時刻ｔ２まで、および、時刻ｔ３を経過した後において、ハイ電位となり、時刻ｔ２からｔ３の期間はロー電位となる。このような遮断回路制御信号Ｖｓに応じて、遮断回路１２０は、パワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇを制御するので、ゲート電位Ｖｇは、図６の例のように、時刻ｔ２からｔ３の期間は制御信号Ｖｉｎと略同一の電位となり、時刻ｔ２まで、および、時刻ｔ３を経過した後において、ロー電位となる。
【００７３】
したがって、パワー半導体素子１１０は、時刻ｔ２からｔ３の期間はオン状態となり、時刻ｔ２まで、および、時刻ｔ３を経過した後はオフ状態となる。これにより、コレクタ電流Ｉｃは、図６の例に示すように、時刻ｔ２まではオフし、ＶｇがＶｔｈｉｎを超えた電位であることに応じてオンし、その最大値は（Ｖｂ−Ｖｂｉ）／（Ｒｌ＋Ｒｏｎ）である。
【００７４】
また、パワー半導体素子１１０のコレクタ電圧Ｖｃは、時刻ｔ２まで、および、時刻ｔ３を経過した後はハイ電位となり、時刻ｔ２からｔ３の期間はロー電位となる。図６は、コレクタ電圧Ｖｃが、時刻ｔ２からｔ３の期間においてロー電位（Ｖｃｌ）となり、時刻ｔ２まで、および、時刻ｔ３を経過した後においてハイ電位（Ｖｂ）となる例を示す。
【００７５】
以上の本実施形態に係る半導体装置２００は、制御信号Ｖｉｎがオンからオフに切り換わる場合においても、２系統の電源を用いることにより、パワー半導体素子１１０を遮断することができる。したがって、半導体装置２００は、遮断信号に応じて、パワー半導体デバイスを確実に遮断することができ、誤動作を防止できる。
【００７６】
以上の本実施形態に係る半導体装置２００は、第１端子２０４および第２の整流素子２２０の間に抵抗１５０が接続される例を説明した。これに代えて、例えば、第１端子２０４および第２の整流素子２２０の間には、スイッチ素子が接続されてもよい。図７は、本実施形態に係る点火装置２０００の第１変形例を示す。本変形例の点火装置２０００において、図３に示された本実施形態に係る点火装置２０００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。
【００７７】
本変形例の点火装置２０００は、第１端子２０４および第２の整流素子２２０の間にスイッチ素子３５０が接続された例を示す。当該スイッチ素子３５０は、一例として、デプレッション型のＭＯＳＦＥＴでよく、この場合、ドレインが第１端子２０４に、ソースが第２の整流素子２２０に、ゲートがソースにそれぞれ接続されてよい。これにより、コレクタ電圧Ｖｃが過大になっても、スイッチ素子３５０は、コレクタ電圧Ｖｃに対応してドレーン・ソース間の抵抗値を大きくすることができる。即ち、スイッチ素子３５０は、第２の整流素子２２０に流れる電流を、一例として、１００μＡ程度に制限することができ、コレクタ電圧Ｖｃの増加に伴って過大な電流が流れることを防止できる。
【００７８】
以上のように、本実施形態に係る半導体装置２００がパワー半導体素子１１０を遮断することができることを説明したが、これに加えて、半導体装置２００は、過渡的な遮断時間を更に短縮させてもよい。このような半導体装置２００を説明すべく、まずは、図１に示した本実施形態に係る半導体装置１００の過渡応答について説明する。
【００７９】
図８は、本実施形態に係る半導体装置１００の各部の動作波形の第２例を示す。図８は、横軸を時間、縦軸を電圧値または電流値とする。また、図８は、制御端子１０２から入力する制御信号を「Ｖｉｎ」、検出部１３２が出力する検出信号を「Ｖｔ」、信号出力部１３４が出力する遮断回路制御信号を「Ｖｓ」、パワー半導体素子１１０のゲート端子の電位を「Ｖｇ」、パワー半導体素子１１０のコレクタ電流を「Ｉｃ」、パワー半導体素子１１０のコレクタ電圧を「Ｖｃ」として、それぞれの時間波形を示す。
【００８０】
図８は、制御信号Ｖｉｎが時刻ｔ５においてオン、時刻ｔ７においてオフとなる矩形波の形状の例を示す。なお、当該矩形波の振幅値は、検出部１３２の閾値Ｖｔｈｉｎを超える電圧とする。これにより、検出部１３２が出力する検出信号Ｖｔも、時刻ｔ５においてハイ電位、時刻ｔ７においてロー電位となる矩形波の形状となる。
【００８１】
このような検出部１３２の検出信号Ｖｔに応じて、遮断回路制御信号Ｖｓは、時刻ｔ５までがハイ電位、時刻ｔ５から時刻ｔ７においてロー電位、時刻ｔ７からハイ電位となる。したがって、パワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇは、時刻ｔ５においてハイ電位、時刻ｔ７においてロー電位となる矩形波の形状となる。これにより、コレクタ電流Ｉｃは、時刻ｔ５から流れ始め、一例として、時刻ｔ６においてコレクタ電流Ｉｃが飽和する。コレクタ電圧Ｖｃは、このようなコレクタ電流Ｉｃと同様に、時刻ｔ５から増加し始め、時刻ｔ６においてパワー半導体素子１１０のオン時の電位Ｖｃｌに達する。
【００８２】
そして、時刻ｔ７において、ゲート電位Ｖｇがロー電位となってパワー半導体素子１１０がオフに切り換わるので、コレクタ電流Ｉｃが遮断され、コレクタ電圧Ｖｃが急激に増加した後、電源４０の電圧Ｖｂと等しくなる。このような半導体装置１００の過渡的な動作を次に説明する。
【００８３】
図９は、図８に示す動作波形の第２例を拡大した波形の一例を示す。図９は、図８において、制御信号Ｖｉｎがオフに切り換わる前後の時間を１００倍程度拡大した例を示す。図９において、制御信号Ｖｉｎがオフとなる時刻を改めて時刻ｔ７ａとする。検出部１３２が出力する検出信号Ｖｔは、制御信号Ｖｉｎに応じて、時刻ｔ７ａでロー電位となる。
【００８４】
過渡的には、制御信号Ｖｉｎがオフになると、パワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇは、時刻ｔ７ａからｔ７ｂに示すように徐々に低下する。ゲート電位Ｖｇの減少量は僅かなので、時刻ｔ７ａからｔ７ｂの期間において、遮断回路制御信号Ｖｓ、コレクタ電流Ｉｃ、およびコレクタ電圧Ｖｃは、ほとんど変動せずに時刻ｔ７ａの値を保持する。
【００８５】
パワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇが低下すると、パワー半導体素子１１０は、やがてピンチオフする。この場合、コレクタ電圧Ｖｃは増加を始め、コレクタからゲートにミラー電流が流れてゲート電位Ｖｇの低下が停止する。図９において、ゲート電位Ｖｇが略一定の電圧を保持する期間を時刻ｔ７ｂからｔ７ｃとした。当該時刻ｔ７ｂからｔ７ｃの期間において、遮断回路制御信号Ｖｓは、コレクタ電圧Ｖｃの増加に伴って増加し始める。また、コレクタ電流Ｉｃは、ほとんど変動せずに時刻ｔ７ａの値を保持する。
【００８６】
そして、パワー半導体素子１１０のコレクタ電圧Ｖｃが増加して一定値に達すると、ゲート・コレクタ間の空乏層の拡大が止まり、ミラー電流も止まる。これによって、パワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇは０Ｖに至るまで低下する。図９において、ゲート電位Ｖｇが閾値Ｖｔｈｉまで低下する期間を時刻ｔ７ｃからｔ７ｄとした。このようなゲート電位Ｖｇの減少に伴い、遮断回路制御信号Ｖｓおよびコレクタ電圧Ｖｃは増加し、コレクタ電流Ｉｃは減少する。
【００８７】
パワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇが０Ｖになると、遮断回路制御信号Ｖｓは電圧Ｖｚｄに、コレクタ電流Ｉｃは０Ａに、コレクタ電圧Ｖｃは急激に増加した後に電圧Ｖｂに、それぞれ等しくなる。以上のように、半導体装置１００は、過渡的には、制御信号Ｖｉｎがオフになった時刻ｔ７ａから時刻ｔ７ｄまでの遮断時間が経過してから、ゲート電位Ｖｇが閾値Ｖｔｈｉより小さくなる。そこで、本実施形態に係る半導体装置２００は、このような遮断時間を短縮する。
【００８８】
図１０は、本実施形態に係る点火装置２０００の第２変形例を示す。第２変形例の点火装置２０００において、図３に示された本実施形態に係る点火装置２０００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。第２変形例の半導体装置２００は、遮断条件検出部１３０の入力端子１４０が、第１端子２０４と、パワー半導体素子１１０のゲート端子と、抵抗性の素子を介して制御端子２０２と、に接続される例を示す。
【００８９】
即ち、半導体装置２００は、図３の例と同様に、入力端子１４０が、第２の整流素子２２０および抵抗１５０を介して第１端子２０４と接続される。また、入力端子１４０は、第１の整流素子２１０を介してパワー半導体素子１１０のゲート端子に接続される。また、入力端子１４０は、第１の整流素子２１０および抵抗性の素子を介して制御端子２０２に接続される。即ち、第１の整流素子２１０は、抵抗性の素子および入力端子１４０の間に接続され、また、第１の整流素子２１０は、パワー半導体素子１１０のゲート端子および入力端子１４０の間に接続される。なお、抵抗性の素子は、抵抗またはスイッチ素子である。図１０は、抵抗性の素子が抵抗１６０である例を示す。
【００９０】
このように、第２変形例の点火装置２０００は、パワー半導体素子１１０のゲート端子および入力端子１４０の間の抵抗値が、制御端子２０２および入力端子１４０の間の抵抗値と比較して低くなる。したがって、制御端子２０２の電圧が０Ｖになり、過渡的にゲートに充電された電荷およびミラー電流がゲート端子から制御端子２０２に流れた場合、図１に示す半導体装置１００と比較して、半導体装置２００の入力端子１４０の電位は抵抗１６０の電圧降下の分だけ高くなる。
【００９１】
即ち、パワー半導体素子１１０のコレクタ電圧ＶｃがＶｃｌ程度の低い電圧で、かつ、制御端子２０２の電圧が０Ｖになっても、ミラー電流が流れることによって、信号出力部１３４は、抵抗１６０の電圧降下に対応する電源電圧を入力端子１４０から受け取ることができる。この場合、信号出力部１３４は、抵抗１６０の抵抗値に応じた電圧を、遮断回路制御信号Ｖｓとして出力することができる。このような第２変形例の半導体装置２００の過渡応答について次に説明する。
【００９２】
図１１は、第２変形例の半導体装置２００の各部の動作波形の一例を示す。図１１は、図８に示す動作波形に示す制御信号Ｖｉｎが制御端子２０２に入力された場合の動作波形の一例を示す。なお、図１１の横軸および縦軸は、図９に示す動作波形の横軸および縦軸と略同一のスケールで示すものとする。
【００９３】
即ち、図１１の横軸は時間、縦軸は電圧値または電流値を示す。また、図１１は、制御端子２０２から入力する制御信号を「Ｖｉｎ」、検出部１３２が出力する検出信号を「Ｖｔ」、信号出力部１３４が出力する遮断回路制御信号を「Ｖｓ」、パワー半導体素子１１０のゲート端子の電位を「Ｖｇ」、パワー半導体素子１１０のコレクタ電流を「Ｉｃ」、パワー半導体素子１１０のコレクタ電圧を「Ｖｃ」として、それぞれの時間波形を示す。
【００９４】
図１１において、制御信号Ｖｉｎがオフとなる時刻をｔ７ａとする。検出部１３２が出力する検出信号Ｖｔは、制御信号Ｖｉｎに応じて、時刻ｔ７ａでロー電位となる。制御信号Ｖｉｎがオフになると、パワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇは、時刻ｔ７ａからｔ７ｂ'に示すように徐々に低下する。
【００９５】
ここで、入力端子１４０の電位は、制御端子２０２の電位（即ち、０Ｖ）よりも抵抗１６０の電圧降下の分だけ高くなる。したがって、時刻ｔ７ａからｔ７ｂ'の期間において、遮断回路制御信号Ｖｓは、図９に示す時刻ｔ７ａからｔ７ｂの期間の制御信号Ｖｓよりも大きい電圧値とすることができる。特に、半導体装置２００は、抵抗１６０の抵抗値の設定に応じて、時刻ｔ７ａからｔ７ｂ'の期間の遮断回路制御信号Ｖｓを、遮断回路１２０の閾値Ｖｔｈｓより大きくすることができる。これにより、遮断回路１２０がオン状態になるので、ゲート電位Ｖｇが減少する速度は、図９に示すゲート電位Ｖｇの減少速度よりも早くなる。即ち、パワー半導体素子１１０がピンチオフする時刻ｔ７ｂ'は、時刻ｔ７ｂと比較して早い時刻となる。
【００９６】
図９の例と同様に、パワー半導体素子１１０がピンチオフし、コレクタ電圧Ｖｃが増加を始めると、コレクタからゲートにミラー電流が流れてゲート電位Ｖｇの低下が停止する。図１１において、ゲート電位Ｖｇが略一定の電圧を保持する期間を時刻ｔ７ｂ'からｔ７ｃ'とした。当該時刻ｔ７ｂ'からｔ７ｃ'の期間において、遮断回路制御信号Ｖｓは、閾値Ｖｔｈｓより大きい状態を継続することができるので、遮断回路１２０は、オン状態を保持する。
【００９７】
これにより、パワー半導体素子１１０のゲートからのミラー電流を、遮断回路１２０を介してより多く流すことができ、コレクタ電圧Ｖｃの増加速度を、図９に示すコレクタ電圧Ｖｃの増加速度よりも早くすることができる。即ち、パワー半導体素子１１０のミラー電流が止まるまでの期間（時刻ｔ７ｂ'からｔ７ｃ'）は、図９に示す時刻ｔ７ｂからｔ７ｃの期間と比較して短くなる。
【００９８】
パワー半導体素子１１０のミラー電流が止まると、ゲート電位Ｖｇは０Ｖに至るまで低下する。図１１において、ゲート電位Ｖｇが閾値Ｖｔｈｉまで低下する期間を時刻ｔ７ｃ'からｔ７ｄ'とした。このようなゲート電位Ｖｇの減少に伴い、遮断回路制御信号Ｖｓおよびコレクタ電圧Ｖｃは増加し、コレクタ電流Ｉｃは減少する。パワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇが０Ｖになると、図９の例と同様に、遮断回路制御信号Ｖｓは電圧Ｖｚｄに、コレクタ電流Ｉｃは０Ａに、コレクタ電圧Ｖｃは急激に増加した後に電圧Ｖｂに、それぞれ等しくなる。
【００９９】
以上のように、半導体装置２００は、時刻ｔ７ｄよりも早い時刻ｔ７ｄ'において、ゲート電位Ｖｇを閾値Ｖｔｈｉより小さくすることができる。即ち、第２変形例の半導体装置２００は、時刻ｔ７ａから時刻ｔ７ｃ'までの期間を、図９に示す半導体装置１００の時刻ｔ７ａから時刻ｔ７ｃまでの期間と比較して短くするので、遮断時間を短縮できる。
【０１００】
図１２は、本実施形態に係る点火装置２０００の第３変形例を示す。第３変形例の点火装置２０００において、図１１に示された第２変形例の点火装置２０００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。第３変形例の点火装置２０００は、遅延回路２３０を更に備える。
【０１０１】
遅延回路２３０は、遮断条件検出部１３０および遮断回路１２０の間に設けられ、遮断条件検出部１３０が遮断回路１２０に伝送する信号を遅延させる。遅延回路２３０は、抵抗性の素子および容量性の素子を有してよい。また、遅延回路２３０は、インダクタンス素子および容量性の素子を有してもよい。遅延回路２３０は、ノイズ等の高周波成分を低下させるフィルタ回路等でよい。図１２は、遅延回路２３０が抵抗２３２およびキャパシタ２３４を有する例を示す。
【０１０２】
この場合、遅延回路２３０は、当該遅延回路２３０を通過する信号を、抵抗２３２の抵抗値およびキャパシタ２３４の容量値に応じて定まる遅延時間だけ遅延させる。即ち、遮断条件検出部１３０の信号出力部１３４から出力される遮断回路制御信号Ｖｓは、遅延回路２３０によって遅延した後、遮断回路１２０に入力する。これにより、パワー半導体素子１１０がオン状態の場合に、信号出力部１３４から出力される遮断回路制御信号Ｖｓが一時的にハイ電位になっても、遅延時間よりも短い時間でロー電位になれば、パワー半導体素子１１０がオフに切り換わることを防止できる。
【０１０３】
例えば、ノイズ等によって遮断条件検出部１３０が誤作動して、突発的に遮断回路制御信号Ｖｓがハイ電位となることがある。第３変形例の点火装置２０００は、このような場合において、遅延時間よりも短い時間で遮断回路制御信号Ｖｓがロー電位に戻れば、パワー半導体素子１１０の誤作動を防止できる。このような第３変形例の点火装置２０００の過渡応答について、次に説明する。
【０１０４】
図１３は、第３変形例の半導体装置２００の各部の動作波形の一例を示す。図１３は、図１１と同様に、図８に示す動作波形に示す制御信号Ｖｉｎが制御端子２０２に入力された場合の動作波形の一例を示す。なお、図１３の横軸および縦軸は、図９に示す動作波形の横軸および縦軸と略同一のスケールで示すものとする。
【０１０５】
即ち、図１３の横軸は時間、縦軸は電圧値または電流値を示す。また、図１３は、制御端子２０２から入力する制御信号を「Ｖｉｎ」、検出部１３２が出力する検出信号を「Ｖｔ」、信号出力部１３４が出力する遮断回路制御信号を「Ｖｓ」、遮断回路１２０のゲートに入力する遮断回路制御信号を「Ｖｓ'」、パワー半導体素子１１０のゲート端子の電位を「Ｖｇ」、パワー半導体素子１１０のコレクタ電流を「Ｉｃ」、パワー半導体素子１１０のコレクタ電圧を「Ｖｃ」として、それぞれの時間波形を示す。
【０１０６】
図１３において、制御信号Ｖｉｎがオフとなる時刻をｔ７ａとする。検出部１３２が出力する検出信号Ｖｔは、制御信号Ｖｉｎに応じて、時刻ｔ７ａでロー電位となる。制御信号Ｖｉｎがオフになったことに応じて、信号出力部１３４が出力する遮断回路制御信号Ｖｓはハイ電位となる。ここで、信号出力部１３４および遮断回路１２０の間に遅延回路２３０が設けられているので、遮断回路１２０のゲートに入力する遮断回路制御信号Ｖｓ'は、抵抗２３２およびキャパシタ２３４で定まる時定数に応じて、徐々に増加する。
【０１０７】
そして、時刻ｔ７ａ'において、遮断回路１２０のゲートに入力する遮断回路制御信号Ｖｓ'が遮断回路１２０の閾値Ｖｔｈｓに達すると、遮断回路１２０がオン状態に移行する。遮断回路１２０がオン状態に移行することに応じて、パワー半導体素子１１０のゲート電位Ｖｇは、時刻ｔ７ａ'から時刻ｔ７ｂ"において徐々に低下する。なお、時刻ｔ７ｂ"は、図１１に示す時刻ｔ７ｂ'から、遅延回路２３０の遅延時間だけ遅れた時刻と略同一の時刻でよい。同様に、図１３に示す時刻ｔ７ｃ"および時刻ｔ７ｄ"のそれぞれは、図１１に示す時刻ｔ７ｃ'および時刻ｔ７ｄ'のそれぞれから、遅延回路２３０の遅延時間だけ遅れた時刻と略同一の時刻でよい。
【０１０８】
また、第３変形例の半導体装置２００は、第２変形例の半導体装置２００に遅延回路２３０を追加した構成なので、時刻ｔ７ｂ"以降の各部の動作波形は、図１１に示す時刻ｔ７ｂ'以降の各部の動作波形と同様の動作波形となる。なお、遮断回路１２０のゲートに入力する遮断回路制御信号Ｖｓ'は、信号出力部１３４が出力する遮断回路制御信号Ｖｓを時定数に応じて遅延させた波形となる。また、図１３の遮断回路制御信号Ｖｓは、図１２の遮断回路制御信号Ｖｓと比較して、遅延回路２３０によるフィルタリング効果によって高周波信号が除去された例を示す。
【０１０９】
以上のように、第３変形例の半導体装置２００は、遅延回路２３０を追加することにより、第２変形例の半導体装置２００の動作と略同様の動作を実行させつつ、遅延時間よりも短いパルス幅のノイズが遮断回路制御信号Ｖｓに混入しても、パワー半導体素子１１０に誤動作が生じることを防止できる。
【０１１０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【０１１１】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【０１１２】
１０  制御信号発生部、２０  点火プラグ、３０  点火コイル、３２  一次コイル、３４  二次コイル、４０  電源、１００  半導体装置、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  遮断回路、１３０  遮断条件検出部、１３２  検出部、１３４  信号出力部、１４０  入力端子、１５０  抵抗、１６０  抵抗、１７０  ツェナーダイオード、２００  半導体装置、２０２  制御端子、２０４  第１端子、２０６  第２端子、２１０  第１の整流素子、２２０  第２の整流素子、２３０  遅延回路、２３２  抵抗、２３４  キャパシタ、３０２  制御信号入力部、３０４  検出信号出力部、３０６  基準電位入力部、３１０  抵抗、３２０  抵抗、３３０  インバータ、３４０  インバータ、３５０  スイッチ素子、１０００  点火装置、２０００  点火装置
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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