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公開番号2024076167
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-06-05
出願番号2022187590
出願日2022-11-24
発明の名称半導体装置およびイグニッションシステム
出願人富士電機株式会社
代理人弁理士法人扶桑国際特許事務所
主分類H03K 17/04 20060101AFI20240529BHJP(基本電子回路)
要約【課題】ゲート制御端子電圧が異なる場合でも、パワー半導体スイッチを流れる電流の遮断時間の変動を抑制する。
【解決手段】半導体装置1は、パワー半導体スイッチ1a、ゲート制御端子gaおよびプルダウン抵抗回路1bを有する。パワー半導体スイッチ1a、ゲート制御端子gaおよびプルダウン抵抗回路1bは、同一チップ上に集積化される。ゲート制御端子gaは、パワー半導体スイッチ1aのゲートに印加されてパワー半導体スイッチ1aをスイッチングさせる制御信号が入力される。プルダウン抵抗回路1bは、ゲート制御端子gaに印加される制御信号にもとづくゲート制御端子電圧Vgにより駆動する。また、プルダウン抵抗回路1bは、パワー半導体スイッチ1aを制御信号によってオンからオフさせる際に、ゲート制御端子電圧Vgの電圧値が高いほど、低いプルダウン抵抗値にもとづいてパワー半導体スイッチ1aのゲートからゲート電荷を引き抜く。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
パワー半導体スイッチと、
前記パワー半導体スイッチのゲートに印加されて前記パワー半導体スイッチをスイッチングさせるハイレベルおよび前記ハイレベルより低いローレベルの制御信号が入力されるゲート制御端子と、
前記ゲート制御端子に印加される前記制御信号にもとづくゲート制御端子電圧により駆動し、前記パワー半導体スイッチをオンからオフさせる際に、前記パワー半導体スイッチのゲートからゲート電荷を引き抜くプルダウン抵抗回路と、
を備え、
前記プルダウン抵抗回路は、
前記ハイレベルの前記ゲート制御端子電圧が第1の電圧値の場合に、第1のプルダウン抵抗値で前記ゲート電荷の引き抜きを開始し、
前記ハイレベルの前記ゲート制御端子電圧が前記第1の電圧値より低い第2の電圧値の場合に、前記第1のプルダウン抵抗値よりも高い抵抗値の第2のプルダウン抵抗値で前記ゲート電荷の引き抜きを開始する、
半導体装置。
続きを表示(約 1,700 文字)【請求項2】
前記ゲート制御端子の電圧が低下するに応じて、前記第1のプルダウン抵抗値および前記第2のプルダウン抵抗値からプルダウン抵抗値が高くなる、
請求項1記載の半導体装置。
【請求項3】
前記ゲート電荷の引き抜きを開始した後、前記ゲート制御端子の電圧が所定の電圧値を下回ると前記第2のプルダウン抵抗値よりも高い抵抗値の第3のプルダウン抵抗値で前記ゲート電荷を引き抜く、
請求項1または2記載の半導体装置。
【請求項4】
前記制御信号は、ゲート抵抗を介して前記パワー半導体スイッチのゲートに印加され、
前記プルダウン抵抗回路は、第1の抵抗、第2の抵抗およびMOSトランジスタを含み、
前記第1の抵抗の一端は、前記ゲート制御端子と、前記ゲート抵抗を介して前記パワー半導体スイッチのゲートとに接続され、前記第1の抵抗の他端は、前記第2の抵抗の一端に接続され、
前記MOSトランジスタは、前記第2の抵抗と並列に接続され、
前記MOSトランジスタの制御電極に前記ゲート制御端子電圧にもとづく電圧が印加される、
請求項1または2記載の半導体装置。
【請求項5】
前記プルダウン抵抗回路の前記第1のプルダウン抵抗値および前記第2のプルダウン抵抗値は、前記第1の抵抗、前記第2の抵抗および前記MOSトランジスタのオン抵抗による合成抵抗値であり、前記第3のプルダウン抵抗値は、前記第1の抵抗、および前記第2の抵抗による合成抵抗値である、
請求項3記載の半導体装置。
【請求項6】
前記プルダウン抵抗回路は、前記ゲート制御端子と前記パワー半導体スイッチの低電位端子との間に直列接続された第1の分圧抵抗と第2の分圧抵抗をさらに有し、前記制御電極は、前記第1の分圧抵抗と前記第2の分圧抵抗との接続点に接続され、前記第1の分圧抵抗と前記第2の分圧抵抗の合成抵抗値は、前記第1の抵抗と前記第2の抵抗の合成抵抗値よりも大きい、
請求項3記載の半導体装置。
【請求項7】
前記第1の分圧抵抗と前記第2の分圧抵抗の合成抵抗値は、前記第1のプルダウン抵抗値の10倍以上である、請求項6に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記パワー半導体スイッチ、前記ゲート制御端子および前記プルダウン抵抗回路は、同一半導体基板上に形成される、請求項1記載の半導体装置。
【請求項9】
前記制御信号を出力する制御回路が前記ゲート制御端子に接続され、前記制御回路は、出力段に出力コンデンサを有し、前記出力コンデンサを充電して高電位の前記制御信号を出力し、前記出力コンデンサを放電して低電位の前記制御信号を出力する、
請求項1記載の半導体装置。
【請求項10】
パワー半導体スイッチと、前記パワー半導体スイッチのゲートに印加されて前記パワー半導体スイッチをスイッチングさせるハイレベルおよび前記ハイレベルより低いローレベルの制御信号が入力されるゲート制御端子と、
前記ゲート制御端子に印加される前記制御信号にもとづくゲート制御端子電圧により駆動し、前記パワー半導体スイッチをオンからオフさせる際に、前記パワー半導体スイッチのゲートからゲート電荷を引き抜くプルダウン抵抗回路と
を備えるイグナイタと、
前記パワー半導体スイッチによって発生させた電圧を増幅する点火コイルと、
前記点火コイルから出力される電圧にもとづいて放電する点火プラグと、
を有し、
前記プルダウン抵抗回路は、
前記ハイレベルの前記ゲート制御端子電圧が第1の電圧値の場合に、第1のプルダウン抵抗値で前記ゲート電荷の引き抜きを開始し、
前記ハイレベルの前記ゲート制御端子電圧が前記第1の電圧値より低い第2の電圧値の場合に、前記第1のプルダウン抵抗値よりも高い第2のプルダウン抵抗値で前記ゲート電荷の引き抜きを開始する、
イグニッションシステム。
(【請求項11】以降は省略されています)

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関の点火コイルの通電制御を行う半導体装置およびイグニッションシステムに関する。
続きを表示(約 1,600 文字)【背景技術】
【0002】
近年、高機能のイグニッションシステムの開発が進んでいる。イグニッションシステムでは、車両エンジン等の内燃機関の点火コイルに通電される電流を制御するイグナイタと呼ばれる半導体装置が、ECU(電子制御ユニット:Electronic Control Unit)からの制御にもとづいて、点火コイルを介して点火プラグの放電(点火)を行う。
【0003】
図9はイグニッションシステムの概略構成を示す図である。イグニッションシステム100は、イグナイタ110、点火コイル2、点火プラグ3、ECU4およびバッテリBaを備える。点火コイル2は、1次側コイルL1と、2次側コイルL2とを含む。
【0004】
また、イグナイタ110は、ゲート制御端子(Gate)、コレクタ端子(Collector)およびエミッタ端子(Emitter)を有し、パワー半導体スイッチとしてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、ゲート抵抗Rg、プルダウン抵抗RpullおよびツェナーダイオードZD1、ZD2を備える。
【0005】
点火コイル2の1次側コイルL1の一端および2次側コイルL2の一端は、バッテリBaの正極端子に接続され、バッテリBaの負極端子は1次側グランド(GND)に接続される。
【0006】
1次側コイルL1の他端は、電流のオン/オフを担うスイッチとしてのイグナイタ110のコレクタ端子に接続され、コレクタ端子は、ツェナーダイオードZD1のカソードおよびIGBTのコレクタに接続される。2次側コイルL2の他端は、点火プラグ3の一端に接続され、点火プラグ3の他端は、2次側GNDに接続される。
【0007】
ECU4の出力端子は、ゲート制御端子を介して、ゲート抵抗Rgの一端およびプルダウン抵抗Rpullの一端に接続される。ゲート抵抗Rgの他端は、ツェナーダイオードZD2のカソードおよびIGBTのゲートに接続され、ツェナーダイオードZD2のアノードは、ツェナーダイオードZD1のアノードに接続される。IGBTのエミッタおよびプルダウン抵抗Rpullの他端は、エミッタ端子を介して1次側GNDに接続される。
【0008】
イグナイタ110は、ゲート制御端子にECU4からの制御信号が入力されると、ゲート抵抗Rgを介してIGBTをオンして1次側コイルL1に1次電流を流す。制御信号が所定時間印加されると、ECU4は制御信号をオフし、イグナイタ110内のIGBTをオフさせて点火コイル2の1次電流は遮断に向かう。
【0009】
1次側コイルL1を流れる1次電流が遮断すると、IGBTのコレクタ電圧が上昇するので、1次側コイルL1と2次側コイルL2の巻き数比に応じた高電圧が2次側コイルL2に発生し、IGBTのオン状態からオフ状態へのスイッチング時に点火プラグ3がスパークして点火する。
【0010】
関連する技術としては、例えば、電圧制御型半導体素子のターンオフ動作時に蓄積されたゲート電荷をグランドに放電させる能動素子を、電圧制御型半導体素子のゲートに接続されたゲート配線に介挿されたゲート側の抵抗とゲートとの間に接続したイグナイタが提案されている(特許文献1)。また、点火プラグに火花放電を発生させるためのタイミングを制御し、イグナイタを駆動させるために要する電流および電圧を出力する回路構成を有するECUが提案されている(特許文献2)。さらに、蓄電素子の残電圧の放電時に蓄電素子に並列接続される放電抵抗の合成抵抗値を減少させるように、複数のスイッチ素子の動作状態を制御する放電回路が提案されている(特許文献3)。
【先行技術文献】
【特許文献】
(【0011】以降は省略されています)

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