(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記電流制限回路は、前記スイッチングデバイスと直列に接続されて前記スイッチングデバイスに流れている電流に比例した電圧値を検出するシャント抵抗と、電流制限値に対応した基準電圧値を生成する基準電圧回路と、前記シャント抵抗の電圧値と前記基準電圧値とを入力とする演算増幅器と、前記演算増幅器の出力によって前記スイッチングデバイスの駆動端子に印加される入力信号の電圧を制御する第１のトランジスタとを有し、
前記主電流漸減回路は、前記基準電圧回路に並列に接続されたコンデンサと、前記タイマ回路の出力信号に応答してターンオンする第２のトランジスタと、前記コンデンサおよび前記第２のトランジスタと直列に接続されて前記第２のトランジスタのターンオン時に前記コンデンサの電荷を放電させて前記基準電圧値を漸減させる抵抗とを有し、
前記タイマ回路の出力信号に応答して前記基準電圧値を漸減させることにより前記スイッチングデバイスをターンオフ動作させることを特徴とする点火用半導体装置。
【請求項２】
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、
前記電流制限回路は、前記スイッチングデバイスと直列に接続されて前記スイッチングデバイスに流れている電流に比例した電圧値を検出するシャント抵抗と、電流制限値に対応した基準電圧値を生成する基準電圧回路と、前記シャント抵抗の電圧値と前記基準電圧値とを入力とする演算増幅器と、前記演算増幅器の出力によって前記スイッチングデバイスの駆動端子に印加される入力信号の電圧を制御する第１のトランジスタとを有し、
前記主電流漸減回路は、前記タイマ回路の出力信号に応答して動作する発振回路と、前記発振回路の発振出力を受けるシフト回路と、前記シフト回路の各出力信号によってターンオン動作する複数の第２のトランジスタと、一端がそれぞれ前記第２のトランジスタと直列に接続され他端がそれぞれ前記基準電圧回路に共通に接続されて前記基準電圧値を階段状に低減させる複数の抵抗とを有し、
前記タイマ回路の出力信号に応答して前記基準電圧値を漸減させることにより前記スイッチングデバイスをターンオフ動作させることを特徴とする点火用半導体装置。
【請求項３】
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、
前記主電流漸減回路は、前記タイマ回路の出力信号に応答してターンオンするトランジスタと、前記トランジスタと直列に接続されて前記トランジスタのターンオン動作時に前記入力信号を分流させて前記スイッチングデバイスの駆動端子に印加される電圧を低減するとともに前記スイッチングデバイスの駆動端子に並列に接続されて前記スイッチングデバイスの入力容量に蓄えられた電荷を放電させる抵抗とを有し、
前記タイマ回路の出力信号に応答して前記入力信号の分流および前記電荷の放電をさせることにより前記スイッチングデバイスをターンオフ動作させることを特徴とする点火用半導体装置。
【請求項４】
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、
前記電流制限回路は、前記スイッチングデバイスと直列に接続されて前記スイッチングデバイスに流れている電流に比例した電圧値を検出するシャント抵抗と、電流制限値に対応した基準電圧値を生成する基準電圧回路と、前記シャント抵抗の電圧値を入力するとともにダイオードを介して前記基準電圧値を入力する演算増幅器と、前記演算増幅器の出力によって前記スイッチングデバイスの駆動端子に印加される入力信号の電圧を制御する第１のトランジスタとを有し、
前記主電流漸減回路は、前記演算増幅器の前記基準電圧値の入力端子に並列に接続されたコンデンサと、前記タイマ回路の出力信号に応答してターンオンされ前記基準電圧回路の出力を無効にする第２のトランジスタと、前記コンデンサに並列に接続されて前記コンデンサの電荷を放電させる定電流放電回路とを有し、
前記タイマ回路の出力信号に応答して前記基準電圧値を漸減させることにより前記スイッチングデバイスをターンオフ動作させることを特徴とする点火用半導体装置。
【請求項５】
前記スイッチングデバイスの主端子間電圧と前記スイッチングデバイスの駆動端子に印加される入力信号の電圧とをモニタし、前記電流制限回路が電流制限動作中に前記主端子間電圧が規定電圧以上にあるとき、前記入力信号を制御して前記主電流漸減回路の動作に拘らず主電流を遮断する主電流遮断回路を備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の点火用半導体装置。
【請求項６】
前記主電流遮断回路は、前記スイッチングデバイスの主端子間電圧に比例した電圧を入力するとともに前記規定電圧に対応した第２の基準電圧を入力し、前記スイッチングデバイスの駆動端子に印加される入力信号の電圧を電源とする第２の演算増幅器と、前記第２の演算増幅器の出力によって前記入力信号の電圧を制御して前記スイッチングデバイスを高速にターンオフさせる第３のトランジスタとを備えていることを特徴とする請求項５記載の点火用半導体装置。
【請求項７】
前記スイッチングデバイスがターンオフ動作時の主端子間電圧を保持することにより前記点火コイルを介して接続される電池の電圧をモニタするオフ時主端子間電圧保持回路と、前記電池の電圧がある規定電圧以上の値に対応した基準電圧を生成する基準電圧源と、前記スイッチングデバイスの駆動端子に印加される入力信号の電圧を電源とし、前記オフ時主端子間電圧保持回路に保持されている前記電池の電圧に比例した電圧と前記基準電圧源の電圧とを比較して前記オフ時主端子間電圧保持回路に保持されている電圧値が前記基準電圧源の電圧を越えたときに前記タイマ回路が前記入力信号の印加から出力信号を出力するまでの時間を短縮させる信号を前記タイマ回路に出力する第２の演算増幅器とを備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の点火用半導体装置。
【請求項８】
前記オフ時主端子間電圧保持回路は、前記スイッチングデバイスの前記点火コイルに接続される側の主端子の電圧を分圧する第１および第２の分圧回路と、前記第２の分圧回路の出力電圧によってターンオン動作する第３のトランジスタと、前記第３のトランジスタのターンオン動作によって前記第１の分圧回路の出力電圧を充電する第２のコンデンサと、前記スイッチングデバイスの駆動端子に印加される入力信号の電圧によってターンオン動作されることで前記第３のトランジスタをターンオフ動作する第４のトランジスタとを備えていることを特徴とする請求項７記載の点火用半導体装置。
【請求項９】
前記第２の演算増幅器および電圧値の異なる前記基準電圧源を複数組備え、前記タイマ回路が出力信号を出力するまでの時間を前記電池の電圧に応じて変化させるようにしたことを特徴とする請求項７記載の点火用半導体装置。
【請求項１０】
前記スイッチングデバイスと、前記電流制限回路と、前記電圧制限回路と、前記タイマ回路と、前記主電流漸減回路とからなる部品を複数組み合わせて構成した混成集積回路であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の点火用半導体装置。
【請求項１１】
前記スイッチングデバイス、前記電流制限回路、前記電圧制限回路、前記タイマ回路、および前記主電流漸減回路を１つのシリコン基板上に構成したモノリシック集積回路であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の点火用半導体装置。
【請求項１２】
前記スイッチングデバイス、前記電流制限回路、前記電圧制限回路、前記タイマ回路、および前記主電流漸減回路を構成する複数の半導体チップのみで構成して１パッケージとしたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の点火用半導体装置。
【請求項１３】
前記スイッチングデバイスの主端子間電圧と前記スイッチングデバイスの駆動端子に印加される入力信号の電圧とをモニタし、前記電流制限回路が電流制限動作中に前記主端子間電圧が規定電圧以上にあるとき、前記入力信号を制御して前記主電流漸減回路の動作に拘らず主電流を高速に遮断する主電流遮断回路を含んでいることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載の点火用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は点火用半導体装置に関し、特に自動車用内燃機関の点火装置系に適用される点火用半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用内燃機関の点火装置系は、内燃機関の気筒ごとに点火コイルおよび点火用半導体装置を取り付けるようにしたディストリビュータレス点火システムが一般的になってきている。このようなシステムで使われる点火用半導体装置は、点火コイルの１次側電流をオン・オフさせるスイッチングデバイスから構成されている。
【０００３】
各気筒に設けられた点火用半導体装置は、エンジンコントロールユニットによって個々にオン・オフ制御されるが、たとえばエンジンがエンストした場合のように、そのオン・オフ制御が正常に行われなくなる場合がある。特に、スイッチングデバイスに連続した駆動信号が印加されるような場合には、１次側に連続電流が流れることにより点火コイルが破壊または焼損したり、特定の気筒だけが勝手に爆発することによってエンジンが異常振動したりするようになる。
【０００４】
このような異常動作に対処した装置が、たとえば特開平８−２８４１５号公報に記載されている。この公報に記載の技術によれば、連続通電防止回路を備え、エンジンコントロールユニットからの駆動信号によりスイッチングデバイスの通電状態が所定時間以上続いた場合に、そのスイッチングデバイスに入力される駆動信号を強制的に遮断してスイッチングデバイスの駆動を停止させるようにしている。これにより、連続通電によるスイッチングデバイスおよび点火コイルの損傷を防止している。
【０００５】
また、このような点火用半導体装置には、電流制限回路が設けられていて、スイッチングデバイスが過電流を検出した場合に、スイッチングデバイスの駆動信号を抑えることで、スイッチングデバイスが破壊されないようにすることも行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の点火用半導体装置では、電流制限回路が出力段素子の過電流を防止して点火用半導体装置および点火コイルが熱破壊することを防止し、さらに連続通電防止回路が一定時間以上の連続した駆動信号が印加された場合にその駆動信号をオフさせて点火用半導体装置の出力段素子をオフ動作させているが、特に、一定時間経過後のオフ動作は通常時と同一速度で行っているため、点火コイルの２次巻線に通常動作時と同様の高圧電圧が発生し、気筒内に残っているガソリン混合気が着火してエンジンに異常な回転力を与えてしまうことがあるという問題点があった。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、駆動信号が連続して印加後に出力段素子をオフ動作させるが、そのオフ動作時に点火コイルの２次巻線に無用な高圧電圧を発生することがないようにした点火用半導体装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記問題を解決するために、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、前記電流制限回路は、前記スイッチングデバイスと直列に接続されて前記スイッチングデバイスに流れている電流に比例した電圧値を検出するシャント抵抗と、電流制限値に対応した基準電圧値を生成する基準電圧回路と、前記シャント抵抗の電圧値と前記基準電圧値とを入力とする演算増幅器と、前記演算増幅器の出力によって前記スイッチングデバイスの駆動端子に印加される入力信号の電圧を制御する第１のトランジスタとを有し、前記主電流漸減回路は、前記基準電圧回路に並列に接続されたコンデンサと、前記タイマ回路の出力信号に応答してターンオンする第２のトランジスタと、前記コンデンサおよび前記第２のトランジスタと直列に接続されて前記第２のトランジスタのターンオン時に前記コンデンサの電荷を放電させて前記基準電圧値を漸減させる抵抗とを有し、前記タイマ回路の出力信号に応答して前記基準電圧値を漸減させることにより前記スイッチングデバイスをターンオフ動作させることを特徴とする点火用半導体装置が提供される。
【０００９】
このような点火用半導体装置によれば、スイッチングデバイスをオン駆動する入力信号が連続して印加されるような場合、タイマ回路が出力信号を出力し、この出力信号に応答して、主電流漸減回路がスイッチングデバイスに流れている電流を低減させるように制御する。これにより、スイッチングデバイスは通常のオフ動作よりも低速度でオフ動作を行うことにより、点火コイルの１次巻線を流れる電流が低速度で遮断され、したがって、２次巻線に高圧電圧が発生することが抑制される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明による点火用半導体装置の第１の実施の形態における構成例を示す回路図である。この点火用半導体装置１は、出力段素子であるスイッチングデバイスとしてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）２を使用している。ＩＧＢＴ２のコレクタとゲートとの間には、点火コイルから放出された電圧をクランプするためのツェナーダイオード３が接続されている。ＩＧＢＴ２のエミッタは、シャント抵抗４を介して接地され、ゲートは抵抗５，６を介して入力端子７に接続されている。ＩＧＢＴ２のエミッタとシャント抵抗４との接続点は演算増幅器８の非反転入力に接続され、演算増幅器８の反転入力は抵抗９，１０、コンデンサ１１および定電流素子１２の共通接続点に接続され、演算増幅器８の出力はＦＥＴ（Field-Effect Transistor：電界効果トランジスタ）１３のゲートに接続されている。このＦＥＴ１３のドレインは抵抗５，６の共通接続点に接続され、ソースは接地されている。入力端子７は、また、演算増幅器８の電源端子、定電流素子１２およびタイマ回路１４に接続されている。タイマ回路１４の出力はＦＥＴ１５のゲートに接続されている。このＦＥＴ１５のドレインは抵抗１０に接続され、ソースは接地されている。さらに、ＩＧＢＴ２のコレクタは、点火コイル１６の１次巻線に接続され、この１次巻線の他端は電池１７に接続されている。点火コイル１６の２次巻線は点火プラグのギャップ１８を介して接地されている。
【００１１】
ここで、シャント抵抗４、演算増幅器８、ＦＥＴ１３、抵抗５、抵抗９、定電流素子１２、および抵抗６は、ＩＧＢＴ２の負荷電流を制限するための電流制限回路を構成している。また、定電流素子１２は、演算増幅器８の基準電圧を作る目的の素子であり、その基準電圧は定電流素子１２が流す電流と抵抗９の抵抗値との積で定まる値であり、ＩＧＢＴ２の制限電流値がシャント抵抗４に流れたときの端子電圧に相当する。
【００１２】
さらに、抵抗９に並列に接続されたコンデンサ１１、抵抗１０、ＦＥＴ１５およびタイマ回路１４は、入力信号１９が連続して入力端子７に印加された場合にＩＧＢＴ２をオフ動作させるセルフシャットダウン回路を構成しているが、特に本発明では、このセルフシャットダウン回路は、ＩＧＢＴ２のターンオフ動作を低速で行う主電流漸減回路としている。タイマ回路１４は、入力信号１９が印加されたときからある一定時間経過後にＦＥＴ１５のゲートに駆動信号を出す回路である。
【００１３】
以上の構成において、入力信号１９が入力端子７に印加されると、ＩＧＢＴ２がターンオン動作をし、電池１７から点火コイル１６の１次巻線およびＩＧＢＴ２を介して電流が流れる。その後、タイマ回路１４の動作時間より短い時間範囲内で入力信号１９がオフになると、ＩＧＢＴ２はターンオフ動作をし、点火コイル１６の１次巻線に流れていた電流が遮断される。これにより、点火コイル１６の１次巻線に蓄えられたエネルギが２次巻線に誘起され、２次巻線に高圧電圧が発生してギャップ１８にて放電が発生し、気筒内の混合気に点火される。この通常動作でのＩＧＢＴ２のターンオフ動作は、ＩＧＢＴ２の入力容量と抵抗５，６および入力信号回路の抵抗値で決定され、一般に、５０マイクロ秒以下で動作する。
【００１４】
入力端子７に入力信号１９が印加されたとき、入力信号１９の電位が演算増幅器８の電源電圧になるとともに、定電流素子１２により抵抗９に一定の電流を供給し、演算増幅器８の反転入力に基準電圧を与える。これにより、この点火用半導体装置１の電流制限回路が動作する。ＩＧＢＴ２がターンオン動作することにより、シャント抵抗４に電流が流れるが、この電流が異常に増えて、シャント抵抗４の端子電圧が基準電圧を越えると、演算増幅器８の出力電位が反転し、ＦＥＴ１３をターンオンし、抵抗５，６の共通接続点をアースに接続することにより、ＩＧＢＴ２のゲートへの入力信号１９を遮断し、ＩＧＢＴ２を強制的にターンオフ動作させる。
【００１５】
次に、エンストなどにより、入力端子７に入力信号１９が連続して印加されるときのこの点火用半導体装置の動作を図２を参照しながら説明する。
図２は点火コイルの２次側電圧と１次側電流・電圧の関係を示す図であって、（Ａ）は点火コイル周りを示し、（Ｂ）は点火コイルの１次側電流・電圧の変化を示し、（Ｃ）は点火コイルの２次側電圧の変化を示している。図２の（Ａ）において、ＩＧＢＴ２はスイッチで表し、点火コイル１６の１次巻線を流れる電流をＩL、ＩＧＢＴ２のコレクタ・エミッタ間電圧をＶSW、２次巻線に発生されるギャップ１８の電圧をＶC2で表している。
【００１６】
まず、点火用半導体装置１の通常動作から説明する。ＩＧＢＴ２がターンオンすると、（Ｂ）に示したように、電圧ＶSWは電池の電圧から接地電位に低下し、点火コイル１６の１次巻線を流れる電流ＩLは徐々に上昇する。その後、電流ＩLが所定の電流値以上になると、電流制限回路が動作し、電流値が制限され、電圧ＶSWが若干上昇する。ＩＧＢＴ２がターンオフ動作をすると、電流ＩLは０まで低下し、これに伴って、電圧ＶSWが急上昇する。この電圧ＶSWは、ツェナーダイオード３によって決まるツェナー電圧でクランプされると、１次巻線のエネルギが２次巻線側に誘起し、その後低下する。２次巻線側は、その誘起されたエネルギによって、マイナスの電位が生起し、（Ｃ）に示したように、ギャップ１８の電圧ＶC2がマイナス方向に上昇していく。この２次巻線に生起された電圧は、ある位相遅れをもって１次巻線側に帰還され、低下していた電圧ＶSWは再度上昇する。そして、２次巻線の電圧、すなわちギャップ１８の電圧ＶC2がある電圧まで上昇すると、ギャップ１８にて放電が発生し、これにより、点火コイル１６の１次巻線および２次巻線の電圧は低下し、電圧ＶSWは電池電圧に、ギャップ１８の電圧ＶC2は０になる。
【００１７】
次に、エンストが発生して、入力信号１９が連続して印加される場合について説明する。入力信号１９の印加が一定時間以上経過すると、タイマ回路１４がＦＥＴ１５のゲートに駆動信号を出す。すると、ＦＥＴ１５はターンオンし、コンデンサ１１に蓄えられた電荷を抵抗１０を介して放電する。この放電する速度はこれらコンデンサ１１および抵抗１０の時定数によって決められる。
【００１８】
タイマ回路１４がＦＥＴ１５に対して駆動信号を出すとき、ＩＧＢＴ２は演算増幅器８、ＦＥＴ１３などにより電流制限が掛かっている状態にある。この状態のときに、コンデンサ１１が放電されると、演算増幅器８の基準電圧が徐々に低下していくことになる。ＩＧＢＴ２は、シャント抵抗４の端子電圧と演算増幅器８の基準電圧とが同じになるよう電流制御するので、図２の（Ｂ）に破線で示したように、基準電圧の低下に伴って徐々に電流ＩLを減少させていく。これにより、電圧ＶSWについても、破線で示したように、電流制限されているときの電位から徐々に上昇するようになり、これに伴って、ギャップ１８の電圧ＶC2は、図２の（Ｃ）に破線で示したように変化することになる。このように、ＩＧＢＴ２の電流制限値を変化させてＩＧＢＴ２を低速でターンオフ動作させるようにしたことで、ギャップ１８の電圧ＶC2は放電に至る電圧まで昇圧されることがなくなり、したがって、無用な爆発が起きることもなくなる。
【００１９】
以上の、ＩＧＢＴ２の負荷電流を制限するための電流制限回路およびＩＧＢＴ２のターンオフ動作を低速で行う主電流漸減回路を備えた点火用半導体装置１はそれらの各部品を組み合わせた混成集積回路によって構成することができる。たとえばセラミック基板上に、ＩＧＢＴ２、演算増幅器８、定電流素子１２、タイマ回路１４、ＦＥＴ１３，１５などのシリコンチップを搭載し、抵抗５，６，９，１０として印刷抵抗または抵抗チップを、シャント抵抗４として抵抗チップを、コンデンサ１１としてコンデンサチップを搭載し、それらをワイヤで接続し、樹脂封止することによって１パッケージに納めることができる。
【００２０】
また、点火用半導体装置１は、ＩＧＢＴ２、電流制限回路および主電流漸減回路の複数の半導体チップ（ベアチップ）のみで構成して１パッケージに納めるようにすることもできる。
【００２１】
さらに、点火用半導体装置１のすべての機能を一つのシリコン基板上に形成することにより、点火用半導体装置１を１チップにて構成することもできる。
図３は点火用半導体装置の第２の実施の形態における構成例を示す回路図である。この図３において、図１に示した要素と同じ要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。本実施の形態では、主電流漸減回路を、タイマ回路１４と、発振回路２０と、シフト回路２１と、ｎ組の抵抗２２−１〜２２−ｎおよびＦＥＴ２３−１〜２３−ｎとで構成している。
【００２２】
タイマ回路１４は、入力信号１９が印加されたときからある一定時間経過後に主電流漸減開始信号を出す回路であり、その出力は発振回路２０に接続される。発振回路２０の出力はシフト回路２１に接続され、シフト回路２１のｎ個の出力はそれぞれＦＥＴ２３−１〜２３−ｎのゲートに接続されている。抵抗２２−１〜２２−ｎおよびＦＥＴ２３−１〜２３−ｎの各直列回路は、演算増幅器８の基準電圧を生成する抵抗９にそれぞれ並列に接続されている。この抵抗９と抵抗２２−１〜２２−ｎとの並列回路により、演算増幅器８の基準電圧を階段状に低減させる回路を構成している。
【００２３】
発振回路２０は、階段状に低減させる速度を決め、シフト回路２１は、ＦＥＴ２３−１、ＦＥＴ２３−ｎあるいはＦＥＴ２３−１とＦＥＴ２３−ｎとの中間に存在するＦＥＴの、どのＦＥＴを駆動するかを決める回路である。抵抗２２−１〜２２−ｎが同一抵抗値の場合には、１番目のＦＥＴ２３−１からｎ番目のＦＥＴ２３−ｎまで、順番に駆動信号を与えれば、抵抗９の両端低抗値は、抵抗９とｎ個の抵抗値の並列値になり、徐々に抵抗値が下がる。そして抵抗９の両端電圧はオームの法則（抵抗×電流＝電圧）で決まる電圧になり、結果としてＩＧＢＴ２のコレクタ電流をゆっくり減少させることができる。それが、点火コイル１６の２次巻線に高圧電圧が発生するのを抑制することにつながる。
【００２４】
図４は点火用半導体装置の第３の実施の形態における構成例を示す回路図である。この図４において、図１に示した要素と同じ要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。本実施の形態では、電流制限回路を、抵抗２４，２５とトランジスタ２６とで構成し、主電流漸減回路を、タイマ回路１４と、抵抗２７と、ＦＥＴ２８とで構成している。
【００２５】
すなわち、電流制限回路では、ＩＧＢＴ２のエミッタとシャント抵抗４との接続点は抵抗２４を介してトランジスタ２６のベースに接続され、トランジスタ２６のコレクタは抵抗５と抵抗６との共通接続点に接続され、エミッタは抵抗２５を介して接地されている。主電流漸減回路では、タイマ回路１４の出力はＦＥＴ２８のゲートに接続され、ドレインは抵抗５と抵抗６との共通接続点に接続され、ソースは接地されている。
【００２６】
入力端子７への入力信号１９の印加によってＩＧＢＴ２がターンオンし、主電流が増加していく途中で、主電流によって生じるシャント抵抗４の端子電圧がトランジスタ２６の順方向バイアス電圧を越えると、トランジスタ２６がターンオンし、抵抗５と抵抗６との共通接続点の電位をアース電位の方向に引き込み、ＩＧＢＴ２のゲート電圧を低下させることにより、主電流を低下させ、主電流を予め決められた値に制限する。
【００２７】
次に、入力信号１９が連続して入力端子７に印加された場合は、入力信号１９の印加時点から所定時間後にタイマ回路１４が駆動信号を出力する。これにより、ＦＥＴ２８がターンオンし、入力信号１９が抵抗２７に分流してＩＧＢＴ２のゲート電圧を下げようとする。また、ＩＧＢＴ２のゲートに蓄えられた電荷は抵抗５および抵抗２７を介し放出され、ＩＧＢＴ２はオフ動作を開始する。ＩＧＢＴ２のターンオフ速度を決めるのは抵抗５および抵抗２７であり、抵抗２７の抵抗値を大きくすることでＩＧＢＴ２のターンオフ速度を遅くすることができる。すなわち、ＩＧＢＴ２および点火コイル１６の１次巻線を流れる電流をゆっくり低減させることができ、点火コイル１６の２次巻線に高圧電圧が発生するのを抑制することができる。
【００２８】
図５は点火用半導体装置の第４の実施の形態における構成例を示す回路図である。この図５において、図１に示した要素と同じ要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。本実施の形態では、主電流漸減回路を、定電流素子１２と、抵抗９と、ダイオード３５と、コンデンサ１１と、タイマ回路１４と、ＦＥＴ３１，３２，３３とで構成している。
【００２９】
すなわち、主電流漸減回路において、コンデンサ１１は、定電流素子１２から抵抗９へ流れる電流の一部がダイオード３５を介して充電するように接続され、また、定電流放電するように、ＦＥＴ３２のドレインに接続されている。このＦＥＴ３２のソースは接地され、ゲートはＦＥＴ３３のゲートおよびドレインに接続され、このＦＥＴ３３のドレインは定電流素子３４に接続され、ソースは接地されている。これらＦＥＴ３２，３３はカレントミラー回路を構成し、コンデンサ１１は定電流素子３４によって決まる電流で定電流放電することになる。タイマ回路１４の出力はＦＥＴ３１のゲートに接続され、ドレインは抵抗５とダイオード３５との共通接続点に接続され、ソースは接地されている。
【００３０】
入力端子７への入力信号１９の印加によってＩＧＢＴ２がターンオンし、主電流が増加していく途中で、主電流によって生じるシャント抵抗４の端子電圧が定電流素子１２と抵抗９とによって決まる基準電圧を越えると、ＦＥＴ１３がターンオンし、抵抗５と抵抗６との共通接続点の電位をアース電位の方向に引き込み、ＩＧＢＴ２のゲート電圧を低下させることにより、主電流を低下させ、主電流を予め決められた値に制限する。
【００３１】
次に、入力信号１９が連続して入力端子７に印加された場合は、入力信号１９の印加時点から所定時間後にタイマ回路１４が駆動信号を出力し、ＦＥＴ３１をターンオンし、ダイオード３５のアノードをアース電位にする。このとき、ダイオード３５は、コンデンサ１１へ充電しないようにするとともにコンデンサ１１の放電電流が、抵抗９とＦＥＴ３１に流れ込まないようにする。これにより、ＦＥＴ３２はコンデンサ１１に蓄えられた電荷を定電流放電する。
【００３２】
タイマ回路１４がＦＥＴ３１に対して駆動信号を出すとき、ＩＧＢＴ２は演算増幅器８，ＦＥＴ１３などにより電流制限がかかっている状態にある。この状態のときにコンデンサ１１が放電されると、ＦＥＴ３２には、定電流素子３４で決まる定電流が流れるＦＥＴ３３とＦＥＴ３２との比で決まる定電流が流れるため、コンデンサ１１は徐々に放電され、演算増幅器８の基準電圧が徐々に低下していくことになる。これにより、ＩＧＢＴ２および点火コイル１６の１次巻線を流れる電流はゆっくり低減されることになり、点火コイル１６の２次巻線に高圧電圧を発生することが抑制される。
【００３３】
ところで、一般の自動車の電池電圧は１２Ｖ仕様であるが、寒冷地などにおいて電池を２個直列にして始動したり、あるいは夏場であっても電池が劣化し、再始動できない状況下で他の車の電源を利用してエンジン始動する場合がある。当然、１２Ｖ車が電池電圧２４Ｖ車の電源を利用するケースがある。このようなケースにおいて、入力信号１９が連続して入力端子７に印加される場合が発生すると、電流制限動作時にスイッチングデバイスであるＩＧＢＴ２に印加される電圧が多大になり、ＩＧＢＴ２が熱破壊することがあり得る。
【００３４】
たとえば電池電圧１２Ｖ、電流制限値２０Ａ、点火コイル抵抗０．５Ωの場合、ＩＧＢＴ２のコレクタ損失は、２０Ａ×（１２Ｖ−２０Ａ×０．５Ω）＝４０Ｗになる。一方、電池電圧１２Ｖ、電流制限値２０Ａ、点火コイル抵抗０．５Ωの回路に２４Ｖの電源を利用した場合には、２０Ａ×（２４Ｖ−２０Ａ×０．５Ω）＝２８０Ｗにもなってしまう。
【００３５】
そこで、電源電圧が通常時より高い場合でもスイッチングデバイスのＩＧＢＴ２が熱破壊しないようにすることが必要である。次に、このような対策を施した点火用半導体装置について説明する。
【００３６】
図６は点火用半導体装置の第５の実施の形態における構成例を示す回路図である。この図６において、図１に示した要素と同じ要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。本実施の形態では、電流制限回路および主電流漸減回路を含む電流制限／主電流漸減回路４０に加え、電池１７の電圧が規定電圧以上であって、連続した入力信号１９がある場合に、ＩＧＢＴ２の主電流を高速に遮断する主電流遮断回路を備えている。
【００３７】
すなわち、主電流遮断回路は、ＩＧＢＴ２のコレクタ電圧を検出する分圧用の抵抗４１，４２と、規定電圧を設定する基準電圧源４３と、非反転入力が抵抗４１，４２の共通接続点に接続され、反転入力が基準電圧源４３に接続された演算増幅器４４と、この演算増幅器４４の出力に接続された抵抗４５と、ドレインがＩＧＢＴ２のゲートに直列に接続された２つの抵抗５ａ，５ｂの接続点に接続され、ソースが接地され、ゲートが抵抗４５を介して演算増幅器４４の出力に接続されたＦＥＴ４６とから構成されている。演算増幅器４４の電源端子は、入力端子７に接続されている。これにより、入力信号１９およびＩＧＢＴ２のコレクタ電圧をモニタし、コレクタ電圧が規定電圧以上のときに入力信号１９が連続して印加された場合、ＩＧＢＴ２のゲート電圧をＩＧＢＴ２がオン状態を持続できない駆動電圧に強制的に低減し、主電流を遮断する回路を構成している。
【００３８】
この構成において、入力信号１９が連続して印加された場合、電流制限／主電流漸減回路４０によりＩＧＢＴ２は一定の主電流を流した後、ゆるやかに主電流を低減させる動作を行う。この場合、電流制限動作時のＩＧＢＴ２のコレクタ電圧は、電池１７の電圧から点火コイル抵抗と電流制限値との積を差し引いた電圧、すなわち、ＶCE＝ＶB−Ｒｃ×Ｉｃｌが加わる。ここで、ＶCEはＩＧＢＴ２のコレクタ・エミッタ間電圧、ＶBは電池電圧、Ｒｃは点火コイル抵抗、Ｉｃｌは電流制限値である。
【００３９】
この場合、電池電圧が高い場合でも電流制限値の増加は殆どないため、ＩＧＢＴ２のコレクタ電圧は、電池電圧の増加分増加することになる。
以上の構成によれば、まず、抵抗４１，４２および基準電圧源４３で決まるコレクタ電圧値で演算増幅器４４に出力が発生し、ＦＥＴ４６を駆動する。ＦＥＴ４６はＩＧＢＴ２のゲート・エミッタ間に並列に接続されているため、電流制限／主電流漸減回路４０の動作に拘らず、ＩＧＢＴ２のゲート電圧を強制的にグランドに落とし、ＩＧＢＴ２を高遠にターンオフ状態に移行させる働きをする。
【００４０】
なお、演算増幅器４４の非反転入力に加えるコレクタ電圧の分圧は、抵抗４１の代わりにツェナーダイオードとしてもよい。また、ツェナーダイオードと抵抗４１との直列構成でもよい。さらに、抵抗４１と直列に定電流素子を接続し、一定電圧以上のコレクタ電圧を定電流素子で分担させてもよい。
【００４１】
また、電流制限／主電流漸減回路４０として、図１、図４または図５に例示した電流制限回路および主電流漸減回路で構成することができる。
次に、上述のように、一般の自動車の電池電圧は１２Ｖ仕様であるが、寒冷地や電池劣化時などではエンジン始動時に電池電圧が降下することがある。このとき、スイッチングデバイスをオン・オフさせる入力信号１９は、通常電池電圧時に比べて長いオン時間に制御されて入力されることがある。したがって、異常に長い時間の入力信号１９が入力されたときの保護回路として動作する上述の主電流漸減回路は、通常電池電圧時に比べて長い時間に制御された入力信号に合せ、その時間を越えて継続して入力されたときに動作するよう構成すればよい。しかし、そのような構成にすると、逆に、電池電圧が高くなった場合には、スイッチングデバイスが熱破壊する可能性がでてくる。これを防止するには、電池電圧がある電圧以上になると、タイマ回路が主電流漸減回路を漸減動作開始させるための出力信号を出力するまでのタイムアウト時間を短くする必要がある。そのためには、電池電圧をスイッチングテバイスがモニタする必要がある。
【００４２】
一般的に、スイッチングデバイスの主電流回路の一方が負荷である点火コイル１６の１次巻線を介して電池に接続され、他方が接地されているような回路構成では、スイッチングデバイス自身で電池電圧を直接モニタすることはできない。このため、電池電圧をモニタしようとすると、電池から直接電圧信号を受け取るための端子がもう１本必要となる。以下では、このような追加の端子を必要とすることなく、電池電圧をモニタして、スイッチングデバイスの熱破壊を防止する機能を備えた点火用半導体装置について説明する。
【００４３】
図７は点火用半導体装置の第６の実施の形態における構成例を示す回路図である。この図７において、図１に示した要素と同じ要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。本実施の形態では、電池１７の電圧をモニタする回路として、ＩＧＢＴ２がターンオフ動作のときにそのコレクタ・エミッタ間にかかる電圧ＶCEを検出して保持するオフ時ＶCE電圧保持回路４７と、電池１７の電圧が高いかどうかを比較するための演算増幅器４８と、電圧比較のための基準電圧源４９とを備え、タイマ制御回路を構成している。なお、この図では、説明のため、主電流漸減回路を構成しているモニタ回路を独立させ、タイマ回路１４ａと電流制限／主電流漸減回路４０ａとで示している。
【００４４】
タイマ制御回路において、オフ時ＶCE電圧保持回路４７は、ＩＧＢＴ２のコレクタに接続されてＩＧＢＴ２がターンオフ動作のときにコレクタに印加される電圧（＝電池１７の電圧）を入力し、電池１７の電圧をその変化に追従して記憶するようにし、ＩＧＢＴ２がターンオン動作する入力信号１９が入力端子７に印加されると、入力信号１９の印加直前に記憶された電圧値を保持し、出力するよう構成されている。ＩＧＢＴ２がターンオフ動作のときにそのコレクタ・エミッタ間電圧ＶCEをモニタすることで、電池１７の電圧値を正確に検知することができる。演算増幅器４８は、ＩＧＢＴ２がターンオン動作する入力信号１９が入力端子７に印加されたとき動作し、非反転入力に印加されたオフ時ＶCE電圧保持回路４７に保持されている電池１７の電圧と反転入力に印加された基準電圧源４９の電圧とを比較し、その比較結果をタイマ回路１４ａに供給する構成にしてある。タイマ回路１４ａは、入力信号１９が印加されてからある一定時間経過後に電流制限／主電流漸減回路４０ａに主電流漸減開始信号を出す回路であるが、演算増幅器４８から電池１７の電圧が高い状態を表す電圧比較結果を受けた場合は、たとえばその時定数を小さく切り換えて、入力信号１９の印加から主電流漸減開始信号を出力するまでの時間が短くなるように構成されている。
【００４５】
このような回路によれば、入力信号１９が入力端子７に印加される前では、オフ時ＶCE電圧保持回路４７によって、入力信号１９の印加前のＶCE電圧、すなわち電池１７の電圧を保持し、入力信号１９が印加されると同時に演算増幅器４８が作動して、オフ時ＶCE電圧保持回路４７によって保持されていたＶCE電圧と基準電圧源４９の電圧との比較の結果を出力し、タイマ回路１４ａに電圧比較結果信号が入力される。電圧比較結果信号が入力されたタイマ回路１４ａは、電圧比較結果信号に応じた時間で主電流漸減開始信号を出力する。すなわち、タイマ回路１４ａは、電圧比較の結果、電池１７の電圧が高い場合に、主電流漸減開始信号を短い時間で出力する。
【００４６】
図８は点火用半導体装置の第６の実施の形態における構成をより具体的に示した回路図である。
この図において、タイマ制御回路のオフ時ＶCE電圧保持回路４７は、２つのデプレッションＩＧＢＴ５０，５１と、抵抗５２〜５５と、２つのＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）５６，５７と、コンデンサ５８とから構成されている。
【００４７】
デプレッションＩＧＢＴ５０，５１は、それぞれコレクタがＩＧＢＴ２のコレクタに接続され、ゲートおよびエミッタはともに接続され、抵抗５２，５３および抵抗５４，５５を介して接地されている。ＭＯＳＦＥＴ５６のゲートは、抵抗５４，５５の共通接続点に接続され、ドレインは抵抗５２，５３の共通接続点に接続され、ソースはコンデンサおよび演算増幅器４８の非反転入力に接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ５７のゲートは、入力端子７に接続され、ドレインはデプレッションＩＧＢＴ５１のゲートおよびエミッタと抵抗５４との共通接続点に接続され、ソースは接地されている。演算増幅器４８では、その電源端子が入力端子７に接続され、非反転入力は基準電圧源４９に接続され、出力はタイマ回路１４ａに接続されている。
【００４８】
この回路によれば、入力信号１９によりＩＧＢＴ２がターンオフ動作しているときには、ＩＧＢＴ２のコレクタ・エミッタ間電圧ＶCEに比例した電流がデプレッションＩＧＢＴ５０に流れ、抵抗５２，５３の共通接続点に分圧された電圧が生じる。このとき、デプレッションＩＧＢＴ５１、抵抗５４，５５に流れる電流によって抵抗５４，５５の共通接続点に分圧された電圧によりＭＯＳＦＥＴ５６がターンオン動作状態になるため、抵抗５２，５３の共通接続点に分圧された電圧は、ＭＯＳＦＥＴ５６を介してコンデンサ５８に充電され、保持される。
【００４９】
次に、入力端子７に入力信号１９が印加されると、ＭＯＳＦＥＴ５７がターンオン動作状態となり、ＭＯＳＦＥＴ５６のゲート電圧をアース電位の方向に引き込むため、ＭＯＳＦＥＴ５６はターンオフ動作状態になり、コンデンサ５８は、入力信号１９の印加直前の電池１７の電圧に対応した電圧を保持することになる。このとき、入力信号１９の印加と同時に、入力信号１９を電源とする演算増幅器４８が動作し、コンデンサ５８の電圧は、演算増幅器４８によって基準電圧源４９の電圧と比較され、その比較結果はタイマ回路１４ａに出力される。演算増幅器４８からの信号が入力されたタイマ回路１４ａは、演算増幅器４８の電圧比較の結果、電池１７の電圧が高い場合には、電池１７の電圧が低い場合よりも短い時間で主電流漸減開始信号を電流制限／主電流漸減回路４０ａに出力し、スイッチングデバイスが熱破壊するのを防止する。
【００５０】
なお、上記の例では、１組の演算増幅器４８および基準電圧源４９を設けて、電池１７の電圧がある規定電圧より高いか低いかを判断し、高い場合に低い場合よりも短い時間で主電流漸減開始信号を出力するようにしたが、そのような演算増幅器および基準電圧源を複数組設けて、電池１７の電圧の高さに応じて主電流漸減開始信号が出力するまでの時間を順次短くするようにタイマ回路１４ａを制御してもよい。
【００５１】
また、電流制限／主電流漸減回路４０ａとして、図１、図４または図５に例示した電流制限回路および主電流漸減回路で構成することができる。
図９は点火用半導体装置を１チップで構成した例を示す図である。この図９において、図４に示した要素と同じ要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。この点火用半導体装置１は、点火コイル１６に流れる主電流を制御する出力段素子のＩＧＢＴ２ａと、主電流の電流検出用のＩＧＢＴ２ｂと、主電流を制限する電流制限回路と、点火コイルから放出される電圧を制限（クランプ）するツェナーダイオード３と、主電流漸減回路とを１つのシリコン基板上に形成したモノリシック集積回路とし、外部端子として、入力端子７と、出力端子５９と、グランド端子６０とを備えている。この回路において、電力容量値の大きなシャント抵抗４をシリコン基板上に作ることができないので、主電流制御用のＩＧＢＴ２ａに電流検出用のＩＧＢＴ２ｂを並列に接続し、このＩＧＢＴ２ｂに主電流の一部を分流させ、その分流電流を検出することで、主電流の値を検出するようにしている。
【００５２】
図示の例では、電流制限回路および主電流漸減回路として図４に例示したものを示したが、もちろん、図１、図３または図５に示した電流制限回路および主電流漸減回路で構成してもよい。また、同時に、図６に示した主電流遮断回路または図８に示したタイマ制御回路を含むように構成することもできる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、入力信号が長時間連続して印加された場合に入力信号に無関係に点火コイル電流を遮断するようにしたセルフシャットダウン回路として、出力段素子を低速でターンオフ動作させるように構成した。これにより、セルフシャットダウンのとき、出力段素子は通常動作時のターンオフ動作よりもゆっくりオフ状態になるため、点火コイルに高圧電圧が発生することが抑制され、エンジンに異常な回転力を与えることがなくなる。また、異常な回転力を与えないため、エンジンからの異常音、異常振動が発生せず、静粛な車両を提供することが可能になる。
【００５４】
また、電池電圧が高い場合であって駆動信号が連続して印加された場合に、スイッチングデバイスの主電流を強制的に高速で遮断する回路を備える構成にした。これにより、スイッチングデバイスに過大な電圧が加わることによる熱破壊を防止することが可能になる。
【００５５】
さらに、スイッチングデバイスがオフ時にこのスイッチングデバイスに印加される電池電圧を記憶保持する手段と、電池電圧に応じてタイマ回路が主電流漸減開始信号を出力するまでの時間を制御する構成にした。これにより、点火用半導体装置を、電池電圧をモニタするための端子を設けることなく、入力端子、点火コイル接続用の出力端子および接地用のグランド端子からなる既存の３端子パッケージのままで構成することができ、かつ、電池電圧に応じて主電流漸減開始信号を出力するまでの時間を制御するようにしたことで、スイッチングデバイスの熱破壊を防止することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による点火用半導体装置の第１の実施の形態における構成例を示す回路図である。
【図２】点火コイルの２次側電圧と１次側電流・電圧の関係を示す図であって、（Ａ）は点火コイル周りを示し、（Ｂ）は点火コイルの１次側電流・電圧の変化を示し、（Ｃ）は点火コイルの２次側電圧の変化を示している。
【図３】点火用半導体装置の第２の実施の形態における構成例を示す回路図である。
【図４】点火用半導体装置の第３の実施の形態における構成例を示す回路図である。
【図５】点火用半導体装置の第４の実施の形態における構成例を示す回路図である。
【図６】点火用半導体装置の第５の実施の形態における構成例を示す回路図である。
【図７】点火用半導体装置の第６の実施の形態における構成例を示す回路図である。
【図８】点火用半導体装置の第６の実施の形態における構成をより具体的に示した回路図である。
【図９】点火用半導体装置を１チップで構成した例を示す図である。
【符号の説明】
１  点火用半導体装置
２  ＩＧＢＴ
３  ツェナーダイオード
４  シャント抵抗
５，５ａ，５ｂ，６  抵抗
７  入力端子
８  演算増幅器
９，１０  抵抗
１１  コンデンサ
１２  定電流素子
１３  ＦＥＴ
１４，１４ａ  タイマ回路
１５  ＦＥＴ
１６  点火コイル
１７  電池
１８  ギャップ
１９  入力信号
２０  発振回路
２１  シフト回路
２２−１〜２２−ｎ  抵抗
２３−１〜２３−ｎ  ＦＥＴ
２４，２５  抵抗
２６  トランジスタ
２７  抵抗
２８  ＦＥＴ
３１，３２，３３  ＦＥＴ
３４  定電流素子
３５  ダイオード
４０，４０ａ  電流制限／主電流漸減回路
４１，４２  抵抗
４３  基準電圧源
４４  演算増幅器
４５  抵抗
４６  ＦＥＴ
４７  オフ時ＶCE電圧保持回路
４８  演算増幅器
４９  基準電圧源
５０，５１  デプレッションＩＧＢＴ
５２〜５５  抵抗
５６，５７  ＭＯＳＦＥＴ
５８  コンデンサ
５９  出力端子
６０  グランド端子
【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】
0004380031.tif 000007
【図７】
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【図８】
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【図９】
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