(57)【要約】【課題】半導体装置にパワー半導体デバイスを導通する制御信号が入力された場合に、パワー半導体素子を確実に導通して誤動作を防止する。【解決手段】高電位側の第１端子２０４および低電位側の第２端子２０６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２１０と、制御端子２０２から入力され、パワー半導体素子２１０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と、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２１０のゲート電位をオフ電位に制御する第１スイッチ素子１４０と、パワー半導体素子２１０のコレクタ電流の検出部２１２と、を備え、遮断条件検出部１３０は、制御信号と、コレクタ電流と、を遮断条件とする。【選択図】図１
2018078730.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、
前記パワー半導体素子のコレクタ電流値を検出する電流検出部と、
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第１スイッチ素子と、
を備え、
前記遮断条件検出部は、前記電流検出部に接続される入力端子を有し、前記制御信号と前記コレクタ電流値とを前記遮断条件に用いることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
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、前記第１スイッチ素子を制御する第１スイッチ
素子制御信号を出力する信号出力部と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１スイッチ素子は、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ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記パワー半導体素子のコレクタ電流に応じて、前記パワー半導体素子の前記ゲート電流を制御する第２ゲート制御部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記パワー半導体素子は、ＩＧＢＴまたは縦型ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項６】
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ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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る（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、回路の基準電位と制御信号発生部の基準電位に電位差が発生し、当該パワー半導体デバイスをオン状態にする信号を受け取っているにもかかわらず、オフ状態にしてしまう誤動作を防止できることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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】
【０００４】
しかしながら、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タイミングで点火をしてしまい、当該駆動回路と接続する内燃機関等に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、オン信号が入力された場合、パワー半導体デバイスを遮断しない機能を有することが望まれている。
【０００５】
図５は、従来技術に係る点火装置１０００の構成例を示す図である。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。ここでは、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。
【０００６】
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：Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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、第１ゲート制御部１２０と、抵抗１５０と、抵抗１６０と、ツェナーダイオード１７０と、ワイヤ１８０と、を備える。
【００１２】
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。
【００１３】
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（Ｇａｔｅ）、コレクタ端子（Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）、およびエミッタ（Ｅｍｉｔｔｅｒ）端子を含み、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：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。また、パワー半導体素子１１０は、絶縁ゲート型電解効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であってもよい。
【００１４】
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、本従来例において、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。
【００１５】
第１ゲート制御部１２０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して、パワー半導体素子１１０のゲート電位を制御する。第１ゲート制御部１２０は、遮断条件検出部１３０と、第１スイッチ素子１４０と、を有する。
【００１６】
第１スイッチ素子１４０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。第１スイッチ素子１４０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。第１スイッチ素子１４０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。
【００１７】
言い換えると、第１スイッチ素子１４０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。第１スイッチ素子１４０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（ｎｏｒｍａｌｌｙ  ｏｆｆ）のスイッチ素子である。この場合、第１スイッチ素子１４０は、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴであることが望ましい。
【００１８】
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１３２ａと、信号出力部１３４と、を有する。
【００１９】
検出部１３２ａ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１３２ａ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１３２ａは、検出結果を信号出力部１３４に供給する。
【００２０】
信号出力部１３４は、検出部１３２ａの検出結果に応じて、第１スイッチ素子１４０を制御する信号を出力する。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、第１スイッチ素子１４０をオンにする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、第１スイッチ素子１４０をオフにする制御信号を出力する。
【００２１】
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１３２ａの検出結果を反転出力する。信号出力部１３４は、第１スイッチ素子１４０に接続され、制御信号を当該第１スイッチ素子１４０に供給する。即ち、第１スイッチ素子１４０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。
【００２２】
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信号出力部１３４に電源として供給する。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。
【００２３】
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、第１スイッチ素子１４０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、第１スイッチ素子１４０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。
【００２４】
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。
【００２５】
ワイヤ１８０は、半導体装置１００の低電位側電極を第２端子に接続するボンディングワイヤである。
【００２６】
以上の従来技術に係る半導体装置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。
【００２７】
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の両端電圧に数十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。
【００２８】
図６Ａ、６Ｂは、従来技術に係る半導体装置１００の各部の動作波形の一例を示す図である。図６Ａ、６Ｂは、横軸を時間、縦軸を電圧値または電流値とする。また、図６Ａ、６Ｂは、制御端子１０２から入力する制御信号を「Ｖｉｎ」、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」、ワイヤ１８０の両端電圧を「Ｖｗ」、として、それぞれの時間波形を示す。
【００２９】
図６Ａは、制御端子１０２に入力する制御信号Ｖｉｎが、時刻ｔ１において０Ｖから検出部１３２ａの閾値Ｖｔｈｉｎを超える電圧に立ち上がり、その後、時刻ｔ３において閾値Ｖｔｈｉｎを超える電圧から０Ｖに立ち下がる例を示す。
【００３０】
パワー半導体素子１１０は、図６Ａの例において、時刻ｔ１から時刻ｔ３において、オン状態となり、時刻ｔ１までの期間および時刻ｔ３を超えた期間は、オフ状態となる。
【００３１】
即ち、パワー半導体素子１１０のコレクタ電流Ｉｃは、制御信号Ｖｉｎが検出部１３２ａの閾値Ｖｔｈｉｎを超えるまでは略零となり（オフ）、制御信号Ｖｉｎが検出部１３２ａの閾値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１１０のオン抵抗である。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。
【００３２】
ここで、図５に示す半導体装置１００は、時刻ｔ１においてパワー半導体素子１１０がオンし、コレクタ電流Ｉｃは、徐々に増加する。コレクタ電流Ｉｃの増加に伴いワイヤ１８０の両端電圧Ｖｗも増加する。ワイヤ１８０の両端電圧Ｖｗはワイヤ１８０の抵抗Ｒｗとコレクタ電流Ｉｃと、で決まりＶｗ＝Ｒｗ×Ｉｃとなる。時刻ｔ２においてコレクタ電流Ｉｃが最大値に達すると、コレクタ電流Ｉｃは一定値を保持し、時刻ｔ３において制御信号Ｖｉｎが０Ｖになると、パワー半導体素子１１０はオフする。
【００３３】
図６Ｂは、図６Ａと同様に、制御端子１０２に入力する制御信号Ｖｉｎが、時刻ｔ１において０Ｖから検出部１３２ａの閾値Ｖｔｈｉｎを超える電圧に立ち上がり、その後、時刻ｔ３において閾値Ｖｔｈｉｎを超える電圧から０Ｖに立ち下がる例を示す。
【００３４】
図６Ｂと、図６Ａとの違いは、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの制御信号Ｖｉｎが小さいことである。このため、時刻ｔ２ａにおいて制御信号Ｖｉｎとワイヤ１８０の両端電圧Ｖｗの差Ｖｉｎ−Ｖｗは検出部１３２ａの閾値Ｖｔｈｉｎ以下となり、パワー半導体素子１１０はオフする。その結果、ワイヤ１８０の両端電圧Ｖｗは０Ｖとなり、パワー半導体素子１１０は再びオンし、時刻ｔ２ｂにおいて、時刻ｔ２ａで発生した現象を繰り返す。
【００３５】
パワー半導体素子１１０がオフする動作の詳細を以下に示す。図７は、従来技術に係る半導体装置１００の検出部１３２ａの構成例を示す図である。検出部１３２ａは、制御信号入力部４０２、検出信号出力部４０４、基準電位入力部４０６、抵抗４１０、抵抗４２０、インバータ４３０、およびインバータ４４０を含む。
【００３６】
制御信号入力部４０２は、制御端子１０２から入力される制御信号を入力する。検出部１３２ａは、当該制御信号を電源として動作する。検出信号出力部４０４は、検出部１３２ａの検出結果を出力する。検出信号出力部４０４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４０６は、基準電位に接続される。
【００３７】
抵抗４１０および抵抗４２０は、制御信号入力部４０２および基準電位入力部４０６の間に直列に接続され、制御信号入力部４０２から入力する制御信号Ｖｉｎを分圧する。抵抗４１０の抵抗値をＲ１、抵抗４２０の抵抗値をＲ２とすると、分圧電位は、
Ｖｉｎ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）                                          （式１）
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。
【００３８】
インバータ４３０は、抵抗４１０および抵抗４２０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４４０は、インバータ４３０の出力を受け取って反転出力する。つまり、検出部１３２ａの閾値Ｖｔｈｉｎの分圧電位がインバータ４３０の閾値Ｖｔｈｉｎｖであり、Ｖｔｈｉｎｖ＝Ｖｔｈｉｎ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）である。
【００３９】
パワー半導体素子１１０がオン状態となり、ワイヤ１８０の両端電圧Ｖｗが発生すると、インバータ４３０に入力される分圧電位と基準電位４０６の電位差は（Ｖｉｎ−Ｖｗ）×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）となり、パワー半導体素子１１０がオフ状態の場合より小さくなる。このため、パワー半導体素子１１０がオンした後、ワイヤ１８０の両端電圧Ｖｗが発生し、（Ｖｉｎ−Ｖｗ）×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）がＶｔｈｉｎｖより小さくなると、制御信号Ｖｉｎが検出部１３２ａの閾値Ｖｔｈｉｎより大きくてもパワー半導体素子１１０がオフしてしまう。
【００４０】
以上のように、半導体装置１００は、制御信号Ｖｉｎと検出部１３２ａの閾値Ｖｔｈｉｎの差が小さく、コレクタ電流Ｉｃが大きいとき、制御信号Ｖｉｎが導通条件を満たしても、パワー半導体素子１１０をオフしてしまう場合があることがわかる。この場合、本来は時刻ｔ３において点火しなければならないのに、時刻ｔ２ａおよび時刻ｔ２ｂにおいても点火してしまうため、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。
【００４１】
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、半導体装置にパワー半導体デバイスを導通する制御信号が入力された場合に、パワー半導体素子を確実に導通して誤動作を防止す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】
【００４２】
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。半導体装置は、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を備える。また、前記パワー半導体素子のコレクタ電流値を検出する電流検出部を備える。また、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を備える。また、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第１スイッチ素子を備える。前記遮断条件検出部は、前記電流検出部に接続される入力端子を有し、前記制御信号と前記コレクタ電流値とを前記遮断条件に用いる。
【００４３】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、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、前記第１スイッチ素子を制御する第１スイッチ素子制御信号を出力する信号出力部と、を有することを特徴とする。
【００４４】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１スイッチ素子は、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ことを特徴とする。
【００４５】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記パワー半導体素子のコレクタ電流に応じて、前記パワー半導体素子の前記ゲート電流を制御する第２ゲート制御部を備えることを特徴とする。
【００４６】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記パワー半導体素子は、ＩＧＢＴまたは縦型ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする。
【００４７】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、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ことを特徴とする。
【００４８】
上述した発明によれば、半導体装置は、コレクタ電流に比例したセンス電流を出力する第１センス端子を有し、センス電流に比例したセンス電圧を発生させる。これにより、パワー半導体素子がオン状態となっても分圧電位と基準電位入力部の電位差が変化しないようにすることができる。このため、半導体装置は、制御信号がオフからオンに切り換わり、パワー半導体素子のコレクタ電流が流れても、遮断条件検出部の遮断条件は変化せず、誤動作を防止できる。
【００４９】
また、半導体装置は、パワー半導体素子のコレクタ電流に応じて、パワー半導体素子のゲート電流を制御する第２ゲート制御部を有する。これにより、半導体装置は、パワー半導体素子のコレクタ電流を閾値以下の電流値に制限し、過電流が流れることを防止する。また、第１ゲート制御部の誤動作も防止する。この２つの故障防止機能は、第１センス端子から共通に供給されるセンス電流を利用することにより、回路面積の増加を抑えられる。
【発明の効果】
【００５０】
本発明にかかる半導体装置によれば、半導体装置にパワー半導体デバイスを導通する制御信号が入力された場合に、パワー半導体素子を確実に導通して誤動作を防止するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本実施の形態１に係る点火装置２０００の構成例を示す図である。
【図２】本実施の形態１の半導体装置２００に係る検出部１３２ｂの構成例を示す図である。
【図３】本実施の形態１に係る半導体装置２００の各部の動作波形の一例を示す図である。
【図４】本実施の形態２に係る点火装置３０００の構成例を示す図である。
【図５】従来技術に係る点火装置１０００の構成例を示す図である。
【図６Ａ】従来技術に係る半導体装置１００の各部の動作波形の一例を示す図である。
【図６Ｂ】従来技術に係る半導体装置１００の各部の動作波形の一例を示す図である。
【図７】従来技術に係る半導体装置１００の検出部１３２ａの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明するが、以下の実施の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、実施の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。
【００５３】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１に係る点火装置２０００の構成例を示す図である。図１に示す点火装置２０００において、図５に示された従来技術に係る点火装置１０００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。
【００５４】
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２１０と、第１ゲート制御部１２０と、抵抗１５０と、抵抗１６０と、ツェナーダイオード１７０と、ワイヤ１８０と、第１センス端子２１２と、抵抗２２０と、を備える。
【００５５】
制御端子２０２は、パワー半導体素子２１０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。
【００５６】
なお、抵抗１５０、抵抗１６０、およびツェナーダイオード１７０、ワイヤ１８０については、図５で説明したものと略同一であるため、ここでは説明を省略する。
【００５７】
パワー半導体素子２１０は、パワー半導体素子２１０のコレクタ電流Ｉｃに比例したセンス電流Ｉｓｎｓを出力する第１センス端子２１２を有する。
【００５８】
抵抗２２０はパワー半導体素子２１０の第１センス端子２１２とエミッタ端子の間に接続され、センス電流Ｉｓｎｓに比例したセンス電圧Ｖｓｎｓを発生させる。ここで、抵抗２２０と第１センス端子２１２は、パワー半導体素子２１０のコレクタ電流値を検出する電流検出部２３０となる。
【００５９】
遮断条件検出部１３０は、検出部１３２ｂと、信号出力部１３４と、第１センス端子２１２に接続される入力端子１３６と、を有する。
【００６０】
以上の本実施の形態１に係る半導体装置２００は、図５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２１０がオン状態となる。これにより、図５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。
【００６１】
また、本実施の形態１では、コレクタ電流Ｉｃが増加し、ワイヤ１８０の両端電圧Ｖｗが大きくなる場合では、ワイヤ１８０の両端電圧Ｖｗに比例するセンス電圧Ｖｓｎｓを、遮断条件検出部１３０の入力端子１３６に入力し、遮断条件検出部１３０の誤動作を防止する。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。
【００６２】
図２は、本実施の形態１の半導体装置２００に係る検出部１３２ｂの構成例を示す図である。検出部１３２ｂは、制御信号入力部４０２、検出信号出力部４０４、基準電位入力部４０６、センス入力端子４０８、抵抗４１０、抵抗４２０、インバータ４３０、およびインバータ４４０を含む。
【００６３】
検出部１３２ｂは、従来技術の検出部１３２ａと比較して、抵抗２２０の基準電位入力部４０６に接続された端子を、センス電位入力部４０８に接続している。
【００６４】
半導体装置２００の動作は、制御信号Ｖｉｎがオフ電位からオン電位に変わるまでは、ワイヤ１８０の両端電圧Ｖｗとセンス電圧Ｖｓｎｓは０Ｖであるため、半導体装置１００と同じである。
【００６５】
パワー半導体素子２１０がオン状態となり、ワイヤ１８０の両端電圧Ｖｗと、センス電圧Ｖｓｎｓが発生すると、インバータ４３０に入力される分圧電位と基準電位入力部４０６の電位差Ｖｉｎｉｎｖ−Ｖｗは、
Ｖｉｎｉｎｖ−Ｖｗ＝（Ｖｉｎ−Ｖｗ−Ｖｓｎｓ）×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＋Ｖｓｎｓ
（式２）
となる。さらに、センス電流Ｉｓｎｓ、抵抗２２０の抵抗値Ｒｓｎｓ、コレクタ電流Ｉｃ、ワイヤ抵抗Ｒｗを用いて、ワイヤ１８０の両端電圧Ｖｗ、センス電圧Ｖｓｎｓを置き換えると、（式２）は、
Ｖｉｎｉｎｖ−Ｖｗ＝（Ｖｉｎ−Ｉｃ×Ｒｗ−Ｉｓｎｓ×Ｒｓｎｓ）×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＋Ｉｓｎｓ×Ｒｓｎｓ                                              （式３）
となる。ここで、Ｒ１＋Ｒ２は抵抗２２０の抵抗値Ｒｓｎｓより十分大きく（例えば１万倍）、センス電位入力部４０８から抵抗２２０に流れる電流は無視できるとする。
【００６６】
この場合、パワー半導体素子２１０がオン状態となっても分圧電位と基準電位入力部４０６の電位差Ｖｉｎｉｎｖ−Ｖｗが変化しないための条件は、Ｖｉｎｉｎｖ−Ｖｗがコレクタ電流Ｉｃに依存しないことである。このための条件は、抵抗４１０および抵抗４２０が分圧した分圧電位Ｖｉｎ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）と（式３）が等しくなることであり、コレクタ電流Ｉｃとセンス電流Ｉｓｎｓの比率Ｉｃ／Ｉｓｎｓ＝Ａを用いると、抵抗２２０の抵抗値Ｒｓｎｓは、
Ｒｓｎｓ＝Ａ×Ｒｗ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）／｛１−Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）｝（式４）
となる。例えば、ワイヤ抵抗Ｒｗ＝５ｍΩ、Ｒ１＋Ｒ２＝１００ｋΩ、Ｉｃ／Ｉｓｎｓ＝１０００の場合、抵抗２２０の抵抗値Ｒｓｎｓ＝５Ωである。
【００６７】
図３は、本実施の形態１に係る半導体装置２００の各部の動作波形の一例を示す図である。図３は、横軸を時間、縦軸を電圧値または電流値とする。また、図３は、制御端子２０２から入力する制御信号を「Ｖｉｎ」、パワー半導体素子２１０のコレクタ・エミッタ間電流（コレクタ電流とする）を「Ｉｃ」、ワイヤ１８０の両端電圧を「Ｖｗ」、抵抗２２０の両端電圧を「Ｖｓｎｓ」、検出部１３２ｂのインバータ４３０に入力される電位Ｖｉｎｉｎｖと基準電位入力部４０６の電位差を「Ｖｉｎｉｎｖ−Ｖｗ」として、それぞれの時間波形を示す。
【００６８】
図３は、制御端子２０２に入力する制御信号Ｖｉｎが時刻ｔ１において０Ｖから検出部１３２ｂの閾値Ｖｔｈｉｎを超える電圧に立ち上がり、その後、時刻ｔ３において閾値Ｖｔｈｉｎを超える電圧から０Ｖに立ち下がる例を示す。
【００６９】
パワー半導体素子２１０は、図３の例において、時刻ｔ１から時刻ｔ３において、オン状態となり、時刻ｔ１までの期間および時刻ｔ３を超えた期間は、オフ状態となる。
【００７０】
即ち、パワー半導体素子２１０のコレクタ電流Ｉｃは、制御信号Ｖｉｎが検出部１３２ｂの閾値Ｖｔｈｉｎを超えるまでは略零となり（オフ）、制御信号Ｖｉｎが検出部１３２ｂの閾値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２１０の内蔵電位、Ｒｌは一次コイル３２の抵抗、Ｒｏｎはパワー半導体１１０のオン抵抗である。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。
【００７１】
ここで、図１に示す半導体装置２００は、時刻ｔ１においてパワー半導体素子２１０がオンし、コレクタ電流Ｉｃは、徐々に増加する。コレクタ電流Ｉｃの増加に伴いワイヤ１８０の両端電圧Ｖｗも増加する。ワイヤ１８０の両端電圧Ｖｗはワイヤ１８０の抵抗Ｒｗとコレクタ電流Ｉｃと、で決まりＶｗ＝Ｒｗ×Ｉｃとなる。また、コレクタ電流Ｉｃに比例したセンス電流Ｉｓｎｓにより、抵抗２２０の両端電圧であるセンス電圧Ｖｓｎｓも増加する。
【００７２】
時刻ｔ２においてコレクタ電流Ｉｃが最大値に達すると、コレクタ電流Ｉｃは一定値を保持し、時刻ｔ３において制御信号Ｖｉｎが０Ｖになると、パワー半導体素子２１０はオフする。
【００７３】
時刻ｔ１からｔ３の間、半導体装置２００がオンする条件は、検出部１３２ｂのインバータ４３０に入力される電位Ｖｉｎｉｎｖと基準電位入力部４０６の電位差Ｖｉｎｉｎｖ−Ｖｗが、検出部１３２ｂの閾値Ｖｔｈｉｎより大きいことである。
【００７４】
抵抗２２０の抵抗値Ｒｓｎｓを上記（式４）とすることで、Ｖｉｎｉｎｖ−Ｖｗがコレクタ電流Ｉｃに依存しないようにすることができる。このため、Ｖｉｎｉｎｖ−Ｖｗを、Ｖｔｈｉｎより大きくすることができ、パワー半導体素子２１０がオフしてしまうことを防止できる。
【００７５】
以上、説明したように、本実施の形態１にかかる半導体装置によれば、コレクタ電流に比例したセンス電流を出力する第１センス端子を有し、センス電流に比例したセンス電圧を発生させる。これにより、パワー半導体素子がオン状態となっても分圧電位と基準電位入力部の電位差が変化しないようにすることができる。このため、半導体装置は、制御信号がオフからオンに切り換わり、パワー半導体素子のコレクタ電流が流れても、遮断条件検出部の遮断条件は変化せず、誤動作を防止できる。
【００７６】
（実施の形態２）
図４は、本実施の形態２に係る点火装置３０００の構成例を示す図である。図４に示す点火装置３０００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３０００は、半導体装置３００を備える。なお、点火装置３０００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。
【００７７】
半導体装置３００は、制御端子３０２と、第１端子３０４と、第２端子３０６と、パワー半導体素子２１０と、第１ゲート制御部１２０と、第２ゲート制御部３１０と、抵抗１５０と、抵抗１６０と、ツェナーダイオード１７０と、ワイヤ１８０と、第１センス端子２１２と、抵抗２２０と、抵抗３２０と、第２センス端子３３０と、を備える。
【００７８】
制御端子３０２は、パワー半導体素子２１０を制御する制御信号を入力する。制御端子３０２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３０４は、点火コイル３０を介して電源４０に接続される。第２端子３０６は、基準電位に接続される。即ち、第１端子３０４は、第２端子３０６と比較して高電位側の端子であり、第２端子３０６は、第１端子３０４と比較して低電位側の端子である。
【００７９】
なお、第１ゲート制御部１２０、抵抗１５０、抵抗１６０、ツェナーダイオード１７０、ワイヤ１８０、パワー半導体素子２１０、および抵抗２２０については、図１、および図５で説明したので、ここでは説明を省略する。
【００８０】
抵抗３２０は第１センス端子２１２と、抵抗２２０の間に接続され、抵抗２２０に接続された側に第２センス端子３３０を有する。抵抗３２０はセンス電流Ｉｓｎｓに応じたセンス電圧Ｖｓｎｓを出力し、第２ゲート制御部３１０に送る。
【００８１】
第２ゲート制御部３１０は、センス電位Ｖｓｎｓが遮断条件を満たすか否かを検出し、パワー半導体２１０のゲートを制御する。第２ゲート制御部３１０は、センス電流Ｉｓｎｓ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。第２ゲート制御部３１０は、閾値出力部３１２と、比較部３１４と、第２スイッチ素子３１６と、を有する。
【００８２】
閾値出力部３１２は、予め定められた閾値電位Ｖｒｅｆを出力する。閾値出力部３１２は、例えば、抵抗３２０に流れる電流量の許容値に応じた閾値電位を出力する。閾値出力部３１２は、定電流回路および抵抗等の組み合わせによって構成されてよく、また、ツェナーダイオードおよび抵抗等の組み合わせ等によって構成されてもよい。
【００８３】
比較部３１４は、抵抗３２０の検出結果と、閾値出力部３１２が出力する予め定められた閾値電位Ｖｓｎｓとを比較する。比較部３１４は、例えば、抵抗３２０が出力するセンス電位Ｖｓｎｓが閾値電位Ｖｒｅｆを超えたことに応じて、比較結果としてハイ電位を出力し、当該検出電位Ｖｓｎｓが閾値電位Ｖｒｅｆ以下の場合に比較結果としてロー電位を出力する。比較部３１４は、例えば、コンパレータ等を有する。
【００８４】
第２スイッチ素子３１６は、パワー半導体素子２１０のゲートおよびエミッタの間に接続され、比較部３１４の比較結果に応じてパワー半導体素子２１０のゲート電位を制御する。第２スイッチ素子３１６は、例えば、比較部３１４の比較結果がハイ電位になったことに応じて、パワー半導体素子２１０のゲートに接続されるドレイン端子と、エミッタに接続されるソース端子との間の電気抵抗を減少させる。即ち、第２スイッチ素子３１６は、抵抗３２０の検出電位Ｖｓｎｓが閾値Ｖｒｅｆを超える場合、当該検出電位Ｖｓｎｓが閾値Ｖｒｅｆを保つようにパワー半導体素子２１０のゲート電位を調節する。
【００８５】
一方、第２スイッチ素子３１６は、比較部３１４の比較結果がロー電位の場合、パワー半導体素子２１０のゲートおよびエミッタの間の電気的接続を切断する。したがって、制御端子３０２から入力する制御信号に応じた電位が、抵抗１６０を介してパワー半導体素子２１０のゲートに供給されることになる。第２スイッチ素子３１６は、一例として、ノーマリーオフのスイッチ素子であり、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴであることが望ましい。
【００８６】
第２センス端子３３０は入力端子１３６に接続され、図１に示す半導体装置２００の第１センス端子２１２と同じ動作をし、第１ゲート制御部１２０の誤動作を防ぐ。ここで、抵抗２２０と第１センス端子２１２と抵抗３２０と第２センス端子３３０は、パワー半導体素子２１０のコレクタ電流値を検出する電流検出部２３０となる。
【００８７】
以上、説明したように、本実施の形態２にかかる半導体装置によれば、実施の形態２と同様の効果を有する。さらに、本実施の形態２にかかる半導体装置は、パワー半導体素子のコレクタ電流に応じて、パワー半導体素子のゲート電流を制御する第２ゲート制御部を有する。これにより、本実施の形態２にかかる半導体装置は、パワー半導体素子のコレクタ電流を閾値以下の電流値に制限し、過電流が流れることを防止する。また、第１ゲート制御部の誤動作も防止する。この２つの故障防止機能は、第１センス端子から共通に供給されるセンス電流を利用することにより、回路面積の増加を抑えられる。
【００８８】
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。また、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。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
以上のように、本発明にかかる半導体装置は、パワー半導体素子およびその制御回路が同一チップに集積された半導体装置に有用であり、特に、自動車イグナイタ用のスイッチング半導体素子に適している。
【符号の説明】
【００９０】
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  第１ゲート制御部
１３０  遮断条件検出部
１３２ａ  検出部
１３２ｂ  検出部
１３４  信号出力部
１４０  第１スイッチ素子
１５０  抵抗
１６０  抵抗
１７０  ツェナーダイオード
１８０  ワイヤ
２００  半導体装置
２０２  制御端子
２０４  第１端子
２０６  第２端子
２１０  パワー半導体素子
２１２  第１センス端子
２２０  抵抗
２３０  電流検出部
３００  半導体装置
３０２  制御端子
３０４  第１端子
３０６  第２端子
３１０  第２ゲート制御部
３１２  閾値出力部
３１４  比較部
３１６  第２スイッチ素子
３２０  抵抗
３３０  第２センス端子
４０２  制御信号入力部
４０４  検出信号出力部
４０６  基準電位入力部
４０８  センス電位入力部
４１０  抵抗
４２０  抵抗
４３０  インバータ
４４０  インバータ
１０００  点火装置
２０００  点火装置
３０００  点火装置
【図１】
2018078730.tif 000003
【図２】
2018078730.tif 000004
【図３】
2018078730.tif 000005
【図４】
2018078730.tif 000006
【図５】
2018078730.tif 000007
【図６Ａ】
2018078730.tif 000008
【図６Ｂ】
2018078730.tif 000009
【図７】
2018078730.tif 000010