JP2011124269A - イグナイタ用電力半導体装置 - Google Patents

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

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。

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）。

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。

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）

特開平８−３３８３５０号公報 特開２００１−２４８５２９号公報 特開２００８−４５５１４号公報

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の実施例１の構成を説明する回路図である。 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。 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。 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。 本発明の実施例２の構成を説明する回路図である。 本発明の実施例３の構成を説明する回路図である。 本発明の実施例４の構成を説明する回路図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (6)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。

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