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JP2011124269A - Power semiconductor device for igniter - Google Patents

Power semiconductor device for igniter Download PDF

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JP2011124269A
JP2011124269A JP2009278422A JP2009278422A JP2011124269A JP 2011124269 A JP2011124269 A JP 2011124269A JP 2009278422 A JP2009278422 A JP 2009278422A JP 2009278422 A JP2009278422 A JP 2009278422A JP 2011124269 A JP2011124269 A JP 2011124269A
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JP
Japan
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temperature
switching element
semiconductor device
current
power semiconductor
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Application number
JP2009278422A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinsuke Kanbe
伸介 神戸
Yukihisa Yasuda
幸央 安田
Atsunobu Kawamoto
厚信 河本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
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Priority to US12/877,348 priority patent/US20110134581A1/en
Priority to DE102010042046A priority patent/DE102010042046A1/en
Priority to CN2010105925335A priority patent/CN102185597A/en
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02PIGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P3/00Other installations
    • F02P3/02Other installations having inductive energy storage, e.g. arrangements of induction coils
    • F02P3/04Layout of circuits
    • F02P3/055Layout of circuits with protective means to prevent damage to the circuit, e.g. semiconductor devices or the ignition coil
    • F02P3/0552Opening or closing the primary coil circuit with semiconductor devices
    • F02P3/0554Opening or closing the primary coil circuit with semiconductor devices using digital techniques

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

【課題】 異常高温の際半導体スイッチング素子を保護しつつも、電流遮断に伴う不適切なタイミングでの誤点火をすることがないイグナイタ用電力半導体装置を提供する。
【解決手段】 点火コイル6の一次側電流を通電・遮断する半導体スイッチング素子4と、前記半導体スイッチング素子を駆動制御する集積回路3と、前記半導体スイッチング素子4の動作時温度を検出する検温素子43とを有するイグナイタ用電力半導体装置5において、前記検温素子43で検出した温度が所定の設定温度以上であった場合に、検出温度に応じて前記半導体スイッチング素子4に流れる電流を通常動作時より低い値に制限する過熱保護回路を備えた。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power semiconductor device for an igniter that protects a semiconductor switching element at an abnormally high temperature but does not cause an erroneous ignition at an improper timing accompanying current interruption.
A semiconductor switching element 4 for energizing / cutting off a primary current of an ignition coil 6, an integrated circuit 3 for driving and controlling the semiconductor switching element, and a temperature detecting element 43 for detecting an operating temperature of the semiconductor switching element 4. In the igniter power semiconductor device 5 having the above, when the temperature detected by the temperature sensing element 43 is equal to or higher than a predetermined set temperature, the current flowing through the semiconductor switching element 4 is lower than that during normal operation according to the detected temperature With overheat protection circuit to limit the value.
[Selection] Figure 1

Description

この発明は、内燃機関のイグニッションシステムにおいて、異常高温時に半導体スイッチング素子を保護する過熱保護機能を備えたイグナイタ用電力半導体装置に関するものである。   The present invention relates to an igniter power semiconductor device having an overheat protection function for protecting a semiconductor switching element at an abnormally high temperature in an ignition system for an internal combustion engine.

自動車エンジン等の内燃機関用イグニッションシステム(点火システム)は、点火プラグに印加する高電圧を発生させるため、点火コイル(誘導負荷)とこれを駆動する半導体スイッチング素子およびその制御回路素子(半導体集積回路)とを搭載する電力半導体装置、いわゆるイグナイタと、コンピュータを含むエンジン制御装置(ECU)から構成されている。多くの場合、その動作中において異常発熱等が発生した際に半導体スイッチング素子を保護するために、この異常発熱を検知し半導体スイッチング素子に流れる電流を強制的に遮断する過熱保護機能が搭載されている(例えば、特許文献1参照)。   An ignition system (ignition system) for an internal combustion engine such as an automobile engine generates an ignition coil (inductive load), a semiconductor switching element for driving the ignition coil, and a control circuit element (semiconductor integrated circuit) for generating a high voltage to be applied to a spark plug. ) And a so-called igniter, and an engine control unit (ECU) including a computer. In many cases, in order to protect the semiconductor switching element when abnormal heat generation occurs during its operation, an overheat protection function that detects this abnormal heat generation and forcibly cuts off the current flowing through the semiconductor switching element is installed. (For example, refer to Patent Document 1).

前記の過熱保護機能は、電力半導体装置の自己保護による動作のため、その遮断タイミングは、ECUによる点火信号タイミングと無関係に行われる。そのため、過熱保護機能による遮断動作によって点火シーケンス上不適切なタイミングでの点火が起こり、エンジンのバックファイアやノッキング等の問題が発生する場合がある。   Since the overheat protection function is an operation based on self-protection of the power semiconductor device, the cutoff timing is performed regardless of the ignition signal timing by the ECU. Therefore, ignition at an inappropriate timing in the ignition sequence may occur due to the shut-off operation by the overheat protection function, and problems such as engine backfire and knocking may occur.

前記問題の対策として、遮断動作のタイミング時に点火を引き起こさないように電流をソフトに遮断する方法、すなわち点火コイルの一次側コイルに流れる電流の遮断速度を、点火プラグにアーク放電を誘発しない程度に緩やかなものとして、不要な点火動作を防止する方法が各種提案されている。(例えば、特許文献2および特許文献3参照)   As a countermeasure for the above problem, a method of softly interrupting the current so as not to cause ignition at the timing of the interrupting operation, that is, the interrupting speed of the current flowing through the primary coil of the ignition coil is set so as not to induce arc discharge in the spark plug. Various methods for preventing unnecessary ignition operations have been proposed as a gradual method. (For example, see Patent Document 2 and Patent Document 3)

特開平8−338350号公報JP-A-8-338350 特開2001−248529号公報JP 2001-248529 A 特開2008−45514号公報JP 2008-45514

従来のイグナイタ用電力半導体装置の過熱保護機能は、異常高温となった場合に、点火プラグにアーク放電を誘発させないように半導体スイッチング素子に流れる電流をソフト遮断するものの、異常高温を検知すると即座に遮断動作に入ってしまい、その後デバイス温度が低下しない間は遮断状態を維持する。そのため、過熱検知と同時に、ECU側の制御信号と無関係に完全なエンジン停止状態になってしまいその状態を維持するという問題があった。この問題は自動車におけるフェイルセーフの観点からすれば最善の策とは言い難いものである。また、通常は誤動作防止のために過熱判定のコンパレータにヒステリシスを設けており、遮断したときの温度より更に低い温度に戻らないと復旧しないようにされているため、エンジンが再始動できるようになるには相当の時間を要する。   The overheat protection function of the conventional power semiconductor device for igniter is to cut off the current flowing through the semiconductor switching element softly so as not to induce arc discharge in the spark plug when the temperature becomes abnormally high. The shut-off state is maintained while the shut-off operation is started and the device temperature does not decrease thereafter. Therefore, at the same time as overheating detection, there is a problem that the engine is completely stopped regardless of the control signal on the ECU side and the state is maintained. This problem is not the best solution from the viewpoint of fail-safety in automobiles. In addition, normally, a hysteresis is provided in the comparator for overheating judgment to prevent malfunction, so that it does not recover unless it returns to a temperature lower than the temperature at which it was shut off, so that the engine can be restarted It takes a considerable amount of time.

また、点火プラグにアーク放電を誘発させないようソフト遮断を実現するためには、10m〜100msec程度の時定数を生成する回路を設ける必要がある。半導体集積回路上にその種の回路を形成する場合、チップサイズの増大や、あるいは工数の増加といった問題がある。一方、半導体集積回路外部でその一部回路を形成するような場合においても、構成部品の増加により、電力半導体装置のコストが上昇するという問題がある。   Further, in order to realize soft interruption so as not to induce arc discharge in the spark plug, it is necessary to provide a circuit for generating a time constant of about 10 m to 100 msec. When such a circuit is formed on a semiconductor integrated circuit, there are problems such as an increase in chip size and an increase in man-hours. On the other hand, even when some of the circuits are formed outside the semiconductor integrated circuit, there is a problem that the cost of the power semiconductor device increases due to an increase in the number of components.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、異常高温の際、イグナイタ用電力半導体装置を保護しつつも、ECU側の点火信号タイミング以外での半導体スイッチング素子の遮断を行わないので、不適切なタイミングでの点火をも防止することができるイグナイタ用電力半導体装置を得ることを目的としたものである。   The present invention has been made to solve the above-described problems. In the case of an abnormally high temperature, the semiconductor switching element is blocked at a timing other than the ignition signal timing on the ECU side while protecting the igniter power semiconductor device. Therefore, an object of the present invention is to obtain an igniter power semiconductor device that can prevent ignition at an inappropriate timing.

この発明に係るイグナイタ用電力半導体装置においては、点火コイルの一次側電流を通電・遮断する半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子を駆動制御する集積回路と、前記半導体スイッチング素子の動作時温度を検出する検温素子とを有するイグナイタ用電力半導体装置であって、前記集積回路は、前記検温素子で検出した温度が所定の設定温度以上であった場合に、検出温度に応じて前記半導体スイッチング素子に流れる電流を通常動作時より低い値に制限する過熱保護回路とを有する。   In the igniter power semiconductor device according to the present invention, a semiconductor switching element for energizing / cutting off a primary side current of an ignition coil, an integrated circuit for driving and controlling the semiconductor switching element, and an operating temperature of the semiconductor switching element are detected. An integrated power circuit device for an igniter having a temperature sensing element that, when the temperature detected by the temperature sensing element is equal to or higher than a predetermined set temperature, flows to the semiconductor switching element according to the detected temperature And an overheat protection circuit that limits the current to a value lower than that during normal operation.

異常高温の際、半導体スイッチング素子の電流を通常動作時より低く制限することで、半導体スイッチング素子のジュール損失を低減して保護することができる。また、基本的にECUの点火信号タイミング以外で完全遮断動作しないので不適切なタイミングでの誤点火がなく、ソフト電流遮断回路が不要になる。さらに、積極的に遮断動作を行うのではなく、あくまで半導体スイッチング素子の電流を低く制限するだけであり過熱検出直後にエンジン停止とならないので、ECU側で適切な処置を行う時間的余裕が生じる。   By limiting the current of the semiconductor switching element to a value lower than that during normal operation when the temperature is abnormally high, Joule loss of the semiconductor switching element can be reduced and protected. In addition, basically, since there is no complete cutoff operation other than the ignition signal timing of the ECU, there is no erroneous ignition at an inappropriate timing, and a soft current cutoff circuit becomes unnecessary. Furthermore, since the shut-off operation is not actively performed, the current of the semiconductor switching element is only limited to a low level and the engine is not stopped immediately after detection of overheating, so that there is a time margin for performing appropriate measures on the ECU side.

本発明の実施例1の構成を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the structure of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の構成を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the structure of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1〜4で感温素子として用いられるショットキバリアダイオードの逆方向飽和電流と温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the reverse direction saturation current of the Schottky barrier diode used as a temperature sensing element in Examples 1-4 of this invention, and temperature. 本発明の実施例1〜4において、半導体スイッチング素子に適用される電流制限値と温度との関係を示すグラフである。In Examples 1-4 of this invention, it is a graph which shows the relationship between the current limiting value applied to a semiconductor switching element, and temperature. 本発明の実施例2の構成を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the structure of Example 2 of this invention. 本発明の実施例3の構成を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the structure of Example 3 of this invention. 本発明の実施例4の構成を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the structure of Example 4 of this invention.

図1は、この発明に係るイグニッションシステムの1実施例を示すものである。図1のイグニッションシステムにおいて、点火コイル6は、一次側コイル61の一端にバッテリー等の電源Vbatが接続され、他端にはイグナイタ用電力半導体装置5が接続されている。また、二次側コイル62の一端が同様に電源Vbatに接続され、他端には一端が接地された点火プラグ7が接続されている。さらに、ECU1は半導体スイッチング素子41を駆動させる制御入力信号をイグナイタ用電力半導体装置に出力する。   FIG. 1 shows an embodiment of an ignition system according to the present invention. In the ignition system of FIG. 1, the ignition coil 6 is connected to a power source Vbat such as a battery at one end of a primary coil 61 and to the igniter power semiconductor device 5 at the other end. Similarly, one end of the secondary coil 62 is connected to the power source Vbat, and the other end is connected to a spark plug 7 whose one end is grounded. Further, the ECU 1 outputs a control input signal for driving the semiconductor switching element 41 to the igniter power semiconductor device.

この中でイグナイタ用電力半導体装置5は、一次側コイル61に流れる電流を通電・遮断するIGBT41を含む半導体スイッチング素子4と、ECU1からの制御信号とその他動作条件に応じてIGBT41を駆動制御するための集積回路3を備えている。   Among them, the igniter power semiconductor device 5 drives and controls the IGBT 41 in accordance with the semiconductor switching element 4 including the IGBT 41 for energizing / cutting off the current flowing through the primary coil 61, the control signal from the ECU 1, and other operating conditions. The integrated circuit 3 is provided.

半導体スイッチング素子4の主たる構成要素であるIGBT41には、電極端子として一般的なコレクタ、エミッタ、ゲートの他に、コレクタ電流Icを検知するため、これに比例(たとえば、1/1000程度)した電流が流れるセンスエミッタを有したものを採用している。加えて、サージ電圧保護を目的としたツェナーダイオード42がコレクタ−ゲート間に逆方向接続されている。   The IGBT 41, which is a main component of the semiconductor switching element 4, has a current proportional to (for example, about 1/1000) of the collector current Ic in addition to a common collector, emitter, and gate as electrode terminals. The one having a sense emitter through which the current flows is adopted. In addition, a Zener diode 42 for surge voltage protection is connected in the reverse direction between the collector and the gate.

さらに半導体スイッチング素子4の温度を検出する感温素子としてショットキバリアダイオード43が同一基板上に設けられている。ショットキバリアダイオード43はアノード側がIGBT41のエミッタ端子に接続され、カソード側は後述する集積回路3内カレントミラー回路の基準側に接続される。   Further, a Schottky barrier diode 43 is provided on the same substrate as a temperature sensitive element for detecting the temperature of the semiconductor switching element 4. The Schottky barrier diode 43 has an anode connected to the emitter terminal of the IGBT 41 and a cathode connected to a reference side of a current mirror circuit in the integrated circuit 3 described later.

次に図2のタイミングチャートを参照して、集積回路3の機能および本イグニッションシステム全体の点火動作について説明する。   Next, the function of the integrated circuit 3 and the ignition operation of the entire ignition system will be described with reference to the timing chart of FIG.

時刻t1においてECU1から集積回路3の入力端子に印加されるハイレベルの制御入力信号は、シュミットトリガ回路11によって波形整形された後、第1のPchMOS12をオフさせる。これにより、第2のPchMOS17および第3のPchMOS18で構成される第1のカレントミラー回路が動作し、出力電流Ig2が第1の抵抗23に通電されることでIGBT41のゲート駆動電圧が発生する。   The high-level control input signal applied from the ECU 1 to the input terminal of the integrated circuit 3 at time t1 is shaped by the Schmitt trigger circuit 11, and then turns off the first PchMOS 12. As a result, the first current mirror circuit composed of the second PchMOS 17 and the third PchMOS 18 operates, and the gate current of the IGBT 41 is generated by energizing the first resistor 23 with the output current Ig2.

なお、前記第1のカレントミラー回路の基準側電流値Ig1は、定電流源19の出力電流値Ib1から、後述する電流制限回路の出力電流値If2と過熱保護回路の出力電流Is2を減じた電流値となる。この基準側電流Ig1に対し、前記第1のカレントミラー回路のミラー比に応じた電流Ig2が出力電流となる。   The reference current value Ig1 of the first current mirror circuit is a current obtained by subtracting an output current value If2 of a current limiting circuit, which will be described later, and an output current Is2 of an overheat protection circuit, from the output current value Ib1 of the constant current source 19. Value. With respect to the reference side current Ig1, a current Ig2 corresponding to the mirror ratio of the first current mirror circuit becomes an output current.

ここで、一次側コイル61のインダクタンスと配線抵抗で決まる時定数に従って、図2のようなコレクタ電流Icが一次側コイル61およびIGBT41に流れる。   Here, a collector current Ic as shown in FIG. 2 flows through the primary coil 61 and the IGBT 41 according to a time constant determined by the inductance and wiring resistance of the primary coil 61.

次に時刻t2においてECU1からローレベルの制御入力信号が印加されると、前記第1のPchMOS12がオンすることで前記第1のカレントミラー回路が停止し、IGBT41のゲートに蓄積された電荷は前記第1の抵抗23を通じて極短い時間で放電されるのでIGBT41が遮断される。   Next, when a low level control input signal is applied from the ECU 1 at time t2, the first PchMOS 12 is turned on to stop the first current mirror circuit, and the charge accumulated in the gate of the IGBT 41 is Since the first resistor 23 is discharged in a very short time, the IGBT 41 is cut off.

このとき、一次側コイル61によって、今まで流れていた電流を流し続けようとする向きに500V程度の高電圧がIGBT41のコレクタ端子に発生する。この電圧は点火コイル6の巻線比に応じて30kVまで昇圧され、二次側コイル62に接続された点火プラグ7にアーク放電を発生させる。   At this time, the primary side coil 61 generates a high voltage of about 500 V at the collector terminal of the IGBT 41 in a direction in which the current that has been flowing so far continues to flow. This voltage is boosted to 30 kV according to the winding ratio of the ignition coil 6, and arc discharge is generated in the spark plug 7 connected to the secondary coil 62.

次に時刻t3において、比較的長い通電時間となるハイレベル制御入力信号がECU1から印加される場合を説明する。   Next, a case where a high level control input signal that is a relatively long energization time is applied from the ECU 1 at time t3 will be described.

先の説明と同様に、ECU1からのハイレベルの制御入力信号印加により、コレクタ電流Icは時刻t3より徐々に増加していくが、点火コイル6の巻線溶断やトランスの磁気飽和を防止するため、コレクタ電流Icが一定値以上にならないよう電流制限値が設定されている。   Similar to the above description, the collector current Ic gradually increases from time t3 by the application of the high-level control input signal from the ECU 1, but in order to prevent the winding of the ignition coil 6 and the magnetic saturation of the transformer. The current limit value is set so that the collector current Ic does not exceed a certain value.

コレクタ電流Icの制限は、以下のメカニズムで実現される。IGBT41のセンス電流Iesは集積回路3内の第2の抵抗24に通電され、IGBT41のコレクタ電流Icに応じた電圧が前記第2の抵抗24に発生する。この電圧はアンプ21によって第1の基準電圧源22の電圧Vref1と比較され、その差に応じた電流If1がV−I変換回路20によって出力される。この電流If1は第4のPchMOS13および第5のPchMOS14によって構成される第2のカレントミラー回路によってそのミラー比に応じた出力電流が電流制限信号If2として出力される。前記電流制限信号If2は、IGBT41のゲート駆動電圧を発生させる電流Ig2を減らす方向に働くため、ゲート電圧は低下しコレクタ電流Icの増加を妨げる。すなわち、コレクタ電流Icに関し系全体として負帰還動作するように働くため、コレクタ電流Icは所定の一定値に制限されることになる。   The limitation of the collector current Ic is realized by the following mechanism. The sense current Ies of the IGBT 41 is passed through the second resistor 24 in the integrated circuit 3, and a voltage corresponding to the collector current Ic of the IGBT 41 is generated in the second resistor 24. This voltage is compared with the voltage Vref1 of the first reference voltage source 22 by the amplifier 21, and a current If1 corresponding to the difference is output by the VI conversion circuit 20. The current If1 is output as a current limiting signal If2 by the second current mirror circuit constituted by the fourth PchMOS 13 and the fifth PchMOS 14 according to the mirror ratio. Since the current limit signal If2 works to reduce the current Ig2 that generates the gate drive voltage of the IGBT 41, the gate voltage decreases and prevents the collector current Ic from increasing. In other words, the collector current Ic is limited to a predetermined constant value because the entire system operates so as to perform a negative feedback operation.

時刻t4において、コレクタ電流Icが前記電流制限値に達したとき、IGBT41はゲート電圧が低下しており5極管動作している。すなわち、コレクタ電流Icが流れている状態でコレクタ電圧が十分低下しておらず、IGBT41にジュール損失が発生している状態にある。   At time t4, when the collector current Ic reaches the current limit value, the gate voltage of the IGBT 41 has decreased and the pentode is operating. That is, the collector voltage is not sufficiently lowered in the state where the collector current Ic is flowing, and the joule loss is generated in the IGBT 41.

動作温度が高くなるとIGBT41の許容損失が低下するので、IGBT41を保護するために、温度に応じてジュール損失を抑制する過熱保護機能が必要である。以下にその過熱保護機能のメカニズムを説明する。   Since the allowable loss of the IGBT 41 decreases as the operating temperature increases, an overheat protection function that suppresses the Joule loss according to the temperature is required to protect the IGBT 41. The mechanism of the overheat protection function will be described below.

半導体スイッチング素子4に搭載されたショットキバリアダイオード43のカソード側は集積回路3内の第6のPchMOS15及び第7のPchMOS15で構成される第3のカレントミラー回路の基準側に接続されている。また、前記第3のカレントミラー回路の出力電流Is2は前述の電流制限機能と同様に、IGBT41のゲート駆動電圧を発生させる電流Ig2を減らす方向に働く。   The cathode side of the Schottky barrier diode 43 mounted on the semiconductor switching element 4 is connected to the reference side of the third current mirror circuit composed of the sixth PchMOS 15 and the seventh PchMOS 15 in the integrated circuit 3. Further, the output current Is2 of the third current mirror circuit works in the direction of reducing the current Ig2 that generates the gate drive voltage of the IGBT 41, as in the above-described current limiting function.

ここで、ショットキバリアダイオードの逆方向飽和電流Isは、図3に示した温度特性グラフのとおり、約170℃を超えた付近で急激に上昇する。   Here, the reverse saturation current Is of the Schottky barrier diode rises rapidly in the vicinity of over about 170 ° C. as shown in the temperature characteristic graph shown in FIG.

よって、前記ショットキバリアダイオード43と前記第6のPchMOS15および前記第7のPchMOS16で構成される前記第3のカレントミラー回路によって、動作温度が約170℃を超えるとゲート駆動電圧を下げてコレクタ電流Icを低下させるので、IGBT41のジュール損失を抑制する過熱保護機能が実現される。   Therefore, when the operating temperature exceeds about 170 ° C., the gate current is reduced by the third current mirror circuit composed of the Schottky barrier diode 43, the sixth PchMOS 15 and the seventh PchMOS 16 to reduce the collector current Ic. Therefore, the overheat protection function for suppressing the Joule loss of the IGBT 41 is realized.

上記のメカニズムはゲート駆動電圧を発生させる電流Ig2を減らすという点で先の電流制限機能と共通する。換言すれば、上記過熱保護機能は、図4に示したとおり動作温度が約170℃以降になると電流制限値を通常動作時より下げる機能である、ということに他ならない。   The above mechanism is common to the current limiting function in that the current Ig2 that generates the gate drive voltage is reduced. In other words, the overheat protection function is nothing but a function that lowers the current limit value from that during normal operation when the operating temperature is about 170 ° C. or higher as shown in FIG.

本実施例1における過熱保護機能は、あくまでIGBT41のコレクタ電流制限値を低下させるのであって、積極的にIGBT41を遮断するのではない。すなわち、ECU1が意図しないタイミングでの遮断はなく、別途ソフト遮断機能を設置しなくとも点火プラグ7の誤点火を防止することができる。   The overheat protection function in the first embodiment only lowers the collector current limit value of the IGBT 41, and does not actively shut down the IGBT 41. That is, there is no shut-off at a timing unintended by the ECU 1, and erroneous ignition of the spark plug 7 can be prevented without installing a separate soft shut-off function.

動作温度が上昇し続ければ電流制限値は低下し続け、いずれは点火プラグ7をアーク放電させるだけのエネルギーを供給できなくなるが、一般的に動作温度の上昇に比べECU1の動作速度は極めて速い。そのため過熱保護が働き始めてから実際に失火するまでの時間的余裕があるので、ECU1が過熱保護による失火であることを検知し、適切な処置を行うまでの時間的余裕を充分とれることになる。   If the operating temperature continues to rise, the current limit value will continue to drop and eventually will not be able to supply enough energy to arc discharge the spark plug 7, but the operating speed of the ECU 1 is generally much faster than the operating temperature rises. Therefore, since there is a time margin from when the overheat protection starts to operate until an actual misfire occurs, the ECU 1 detects that the misfire has occurred due to the overheat protection, and has enough time to take appropriate measures.

図5にこの発明に係るイグナイタ用電力半導体装置の第2の実施例を示す。図面において、同一の機能を有する構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。   FIG. 5 shows a second embodiment of the igniter power semiconductor device according to the present invention. In the drawings, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

第2の実施例では、実施例1で半導体スイッチング素子4に搭載されていたショットキバリアダイオードを、集積回路3内に搭載することを特徴とする。イグナイタ用電力半導体装置5において、半導体スイッチング素子4と集積回路3は同一導体基板上にて近傍に配置しているので、両者の熱結合性がきわめて良好になる。そのため、半導体スイッチング素子4上に感温素子を搭載しなくても同等の効果が得られる。   The second embodiment is characterized in that the Schottky barrier diode mounted on the semiconductor switching element 4 in the first embodiment is mounted in the integrated circuit 3. In the igniter power semiconductor device 5, since the semiconductor switching element 4 and the integrated circuit 3 are arranged in the vicinity on the same conductor substrate, the thermal coupling between them is extremely good. Therefore, the same effect can be obtained without mounting a temperature sensitive element on the semiconductor switching element 4.

集積回路3内のショットキバリアダイオード25は、レイアウト上半導体スイッチング素子4に近い位置、例えば集積回路3のスイッチング素子4と対向する辺の近傍などに搭載されることがより望ましい。   It is more desirable that the Schottky barrier diode 25 in the integrated circuit 3 is mounted at a position close to the semiconductor switching element 4 in the layout, for example, near a side facing the switching element 4 of the integrated circuit 3.

本実施例においては、実施例1において必要であったショットキバリアダイオード43の接続線やパッドを削減でき、半導体スイッチング素子4のレイアウトパターン効率も上がるほか、面積効率よく配置できるため、イグナイタ用電力半導体装置5を小型で安価に実現することができる。   In this embodiment, the connection lines and pads of the Schottky barrier diode 43 required in the first embodiment can be reduced, the layout pattern efficiency of the semiconductor switching element 4 can be increased, and the area can be arranged efficiently. The device 5 can be realized in a small size and at a low cost.

集積回路3内に感温素子であるショットキバリアダイオード25を搭載していることを積極的に利用することもできる。例えば、定電流源19を生成するために使用するダイオードを通常のPN接合型ではなく、ショットキバリアダイオードを用いることで、定電流源の温度特性を感温素子であるショットキバリアダイオード25の温度特性と合わせるようにしても良い。   The fact that the Schottky barrier diode 25 which is a temperature sensitive element is mounted in the integrated circuit 3 can be positively utilized. For example, a diode used for generating the constant current source 19 is not a normal PN junction type, but a Schottky barrier diode is used, so that the temperature characteristic of the constant current source is the temperature characteristic of the Schottky barrier diode 25 which is a temperature sensitive element. You may make it match.

定電流源19にも温度特性を持たせることで、感温素子の温度特性と併せて過熱保護時の電流制限値の低下特性をより急峻にすることが出来る。同一集積回路3内においては素子間の特性マッチングは極めて高く取れるので、定電流源19と感温素子であるショットキバリアダイオード25の温度特性を高い精度で一致させることが可能である。   By providing the constant current source 19 with temperature characteristics, it is possible to make the current limit value lowering characteristics during overheat protection sharper together with the temperature characteristics of the temperature sensing element. In the same integrated circuit 3, the characteristic matching between the elements can be made extremely high, so that the temperature characteristics of the constant current source 19 and the Schottky barrier diode 25 which is a temperature sensitive element can be matched with high accuracy.

図6にこの発明に係るイグナイタ用電力半導体装置の第3の実施例を示す。実施例1、第2の実施例において、ショットキバリアダイオードの逆方向飽和電流の製造プロセスバラツキにより、過熱保護時の電流制限値について所望の低下特性が得られない場合がある。このバラツキを外部接続端子にて調整することで製品の歩留まり向上が実現できるほか、製品用途に応じた電流制限値減衰感度の調整も可能になる。   FIG. 6 shows a third embodiment of the power semiconductor device for an igniter according to the present invention. In the first and second embodiments, there may be a case where a desired reduction characteristic is not obtained for the current limit value at the time of overheat protection due to the manufacturing process variation of the reverse saturation current of the Schottky barrier diode. By adjusting this variation with the external connection terminals, it is possible to improve the yield of the product, and it is also possible to adjust the current limit value attenuation sensitivity according to the product application.

図6に示した回路例では、出力電流値が異なるS1、S2、S3の3つの感温素子選択回路を設け、イグナイタ用電力半導体装置5の外部からそれぞれの感温素子出力の有効・無効を選択できるようにしている。   In the circuit example shown in FIG. 6, three temperature sensing element selection circuits S1, S2, and S3 having different output current values are provided to enable / disable each temperature sensing element output from the outside of the igniter power semiconductor device 5. You can choose.

S1〜S3の各感温素子選択回路内部には、ショットキバリアダイオード25が内蔵されており、それぞれのダイオードのサイズに二進重み付け(たとえば、S1ではサイズ1とすればS2はサイズ2、S3はサイズ4)をしている。さらに、外部端子を接地または開放することで、第8のPchMOS26をオンまたはオフさせ、各感温素子選択回路を有効・無効化する。   A Schottky barrier diode 25 is built in each temperature sensing element selection circuit of S1 to S3, and binary weighting is given to the size of each diode (for example, if S1 is size 1, S2 is size 2, S3 is Size 4). Further, by grounding or opening the external terminal, the eighth PchMOS 26 is turned on or off, and each temperature sensing element selection circuit is validated / invalidated.

これにより、S1〜S3の各感温素子の組合せで、ショットキバリアダイオードのサイズを0〜7までの8通りの中からの選択することが可能である。感温素子の選択は本実施例のようにイグナイタ用電力半導体装置5の外部から設定できるようにしても良いし、あるいは製造工程内でしか調整を行わないのであれば、外部に端子を設けず、集積回路3上に設けたS1〜S3のパッドと接地端子間のワイヤボンディングの有無で、各感温素子の有効・無効を選択するようにしても良い。   Thereby, it is possible to select the size of the Schottky barrier diode from eight types from 0 to 7 by the combination of the temperature sensitive elements S1 to S3. The selection of the temperature sensitive element may be set from the outside of the igniter power semiconductor device 5 as in this embodiment, or if adjustment is performed only within the manufacturing process, no terminal is provided outside. The validity / invalidity of each temperature sensing element may be selected based on the presence / absence of wire bonding between the pads S1 to S3 provided on the integrated circuit 3 and the ground terminal.

図7にこの発明に係るイグナイタ用電力半導体装置の第4の実施例を示す。実施例1で述べたとおり、動作温度が上昇し過熱保護が動作し始めた場合に、ECU1にその旨を伝達し、制御信号オン時間のテーブルデータを見直しエンジン出力を低下させる、などといった適切なフィードバック処置を行うことが望ましい。   FIG. 7 shows a fourth embodiment of the power semiconductor device for an igniter according to the present invention. As described in the first embodiment, when the operating temperature rises and the overheat protection starts to operate, an appropriate notification is transmitted to the ECU 1, the control signal on-time table data is reviewed, and the engine output is reduced. It is desirable to take a feedback action.

そこで本実施例は、過熱保護動作状態出力手段10を集積回路3内に設ける。感温素子であるショットキバリアダイオード25の逆方向飽和電流Is1を検出する前記第3のカレントミラー回路の出力側に第9のPchMOS40を接続し、出力電流Is3を第3の抵抗43に通電する。前記第3の抵抗43に発生する電圧と第2の基準電圧源42の電圧Vref2とを比較器41で比較し、その出力をECU1によってモニタ出来るようイグナイタ用電力半導体装置5の外部に出している。   Therefore, in this embodiment, the overheat protection operation state output means 10 is provided in the integrated circuit 3. A ninth PchMOS 40 is connected to the output side of the third current mirror circuit for detecting the reverse saturation current Is1 of the Schottky barrier diode 25 which is a temperature sensing element, and the output current Is3 is passed through the third resistor 43. The voltage generated in the third resistor 43 and the voltage Vref2 of the second reference voltage source 42 are compared by the comparator 41, and the output is output to the outside of the igniter power semiconductor device 5 so that it can be monitored by the ECU1. .

以上のように構成された第4の実施例のイグナイタ用電力半導体装置5により、ECU1は前記比較器41の出力によって、現在過熱保護動作しているか否かを随時把握することが出来るので、適切なフィードバック処置を行うことが可能である。   With the igniter power semiconductor device 5 of the fourth embodiment configured as described above, the ECU 1 can grasp from time to time whether or not the overheat protection operation is currently performed, based on the output of the comparator 41. It is possible to perform various feedback procedures.

3.集積回路 4.半導体スイッチング素子 5.イグナイタ用電力半導体装置 6.点火コイル 10.エラー出力回路 15.第6のPchMOS 16.第7のPchMOS 25,43ショットキバリアダイオード   3. Integrated circuit 4. 4. Semiconductor switching element 5. Power semiconductor device for igniter Ignition coil 10. Error output circuit 15. Sixth PchMOS 16. Seventh PchMOS 25,43 Schottky barrier diode

Claims (6)

点火コイルの一次側電流を通電・遮断する半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子を駆動制御する集積回路と、
前記半導体スイッチング素子の動作時温度を検出する検温素子と、
を有するイグナイタ用電力半導体装置であって、
前記集積回路は、前記検温素子で検出した温度が所定の設定温度以上であった場合に、検出温度に応じて前記半導体スイッチング素子に流れる電流を通常動作時より低い値に制限する過熱保護手段と、
を有することを特徴とするイグナイタ用電力半導体装置。
A semiconductor switching element that energizes / cuts off the primary side current of the ignition coil; and
An integrated circuit for driving and controlling the semiconductor switching element;
A temperature sensing element for detecting a temperature during operation of the semiconductor switching element;
An igniter power semiconductor device comprising:
The integrated circuit includes overheat protection means for limiting a current flowing through the semiconductor switching element to a value lower than that during normal operation according to the detected temperature when the temperature detected by the temperature detecting element is equal to or higher than a predetermined set temperature. ,
An igniter power semiconductor device comprising:
前記感温素子は、前記半導体スイッチング素子上に搭載されていることを特徴とする請求項1に記載のイグナイタ用電力半導体装置。 The igniter power semiconductor device according to claim 1, wherein the temperature sensitive element is mounted on the semiconductor switching element. 前記感温素子は、前記集積回路上に搭載されていることを特徴とする請求項1に記載のイグナイタ用電力半導体装置。 The igniter power semiconductor device according to claim 1, wherein the temperature sensitive element is mounted on the integrated circuit. 前記感温素子は、ショットキバリアダイオードを有することを特徴とする請求項1〜3いずれか一項に記載のイグナイタ用電力半導体装置。 The igniter power semiconductor device according to claim 1, wherein the temperature-sensitive element includes a Schottky barrier diode. 前記感温素子は、温度特性を外部から調整可能であることを特徴とする請求項1〜4いずれか一項に記載のイグナイタ用電力半導体装置。 5. The power semiconductor device for an igniter according to claim 1, wherein the temperature sensitive element is capable of adjusting temperature characteristics from the outside. 前記過熱保護回路による電流低下が行われていることを示す信号を出力する過熱保護動作状態出力手段を有することを特徴とする、請求項1〜4いずれか一項に記載のイグナイタ用電力半導体装置。 5. The igniter power semiconductor device according to claim 1, further comprising an overheat protection operation state output unit configured to output a signal indicating that a current drop is performed by the overheat protection circuit. 6. .
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