本發(fā)明涉及開關裝置。

背景技術：

以往，作為內燃機的點火等中使用的開關裝置，已知有處理大電力的功率半導體器件。已知驅動這樣的功率半導體器件的電路具備利用計時(timer)電路等檢查該功率半導體器件的過電流和過熱等之類的異常的狀態(tài)，保護部件不受內燃機的影響的電路(例如，參照專利文獻1和專利文獻2)。

專利文獻1：日本特開2002-4991號公報

專利文獻2：日本特開2006-109286號公報

技術實現(xiàn)要素：

技術問題

對于檢測功率半導體器件的異常的計時電路，期望不使用專用的電源而是將向功率半導體器件的驅動電路供給的控制信號作為動作電源。即，尋求不設置計時電路專用的電源輸入和輸入電路等而使電路規(guī)模變小，并穩(wěn)定動作的功率半導體器件的驅動電路。

技術方案

在本發(fā)明的第一形態(tài)中，提供一種開關裝置，具備：功率半導體元件，其連接到高電位側的第一端子與低電位側的第二端子之間；電容器；充電部，在功率半導體元件處于截止的期間的至少一部分中，對電容器進行充電；放電部，根據(jù)功率半導體元件成為導通的情況，使電容器放電；以及斷路部，根據(jù)電容器的電壓成為比閾值電壓低的情況，使功率半導體元件成為截止狀態(tài)。

應予說明，上述的發(fā)明內容未列舉本發(fā)明的所有特征。另外，這些特征組的子組合也能夠成為發(fā)明。

附圖說明

圖1表示本實施方式的點火裝置1000的構成例。

圖2表示本實施方式的時鐘電路132的構成例。

圖3表示圖2所示的時鐘電路132的各部分的動作波形的一個例子。

圖4表示本實施方式的開關裝置100的各部分的動作波形的例子。

圖5表示本實施方式的點火裝置2000的構成例。

圖6表示本實施方式的觸發(fā)部140和復位部150的構成例。

圖7表示本實施方式的觸發(fā)部140和復位部150的動作波形的一個例子。

圖8表示本實施方式的開關裝置200的各部分的動作波形的例子。

圖9表示具備本實施方式的開關裝置200的第一變形例的點火裝置2000的構成例。

圖10表示具備本實施方式的開關裝置200的第二變形例的點火裝置2000的構成例。

符號說明

10：控制信號產生部

20：火花塞

30：點火線圈

32：初級線圈

34：次級線圈

40：電源

100：開關裝置

102：控制端子

104：第一端子

106：第二端子

110：功率半導體元件

120：斷路部

122：電阻

130：計時電路

132：時鐘電路

134：倍增器

140：觸發(fā)部

142：控制信號輸入部

144：觸發(fā)信號輸出部

146：基準電位輸入部

150：復位部

152：控制信號輸入部

154：復位信號輸出部

156：基準電位輸入部

160：鎖存部

172：控制信號輸入部

174：時鐘信號輸出部

176：基準電位輸入部

180：晶體管

182：電阻

184：電阻

186：晶體管

188：晶體管

190：電容器

192：比較器

194：晶體管

196：晶體管

200：開關裝置

202：控制端子

204：第一端子

206：第二端子

210：電容器

220：充電部

222：鉗位部

224：第一電阻

226：開關部

230：放電部

240：反相器

272：電阻

274：電阻

276：反相器

282：反相器

284：電阻

286：電容器

288：反相器

510：整流元件

520：開關元件

1000：點火裝置

2000：點火裝置

具體實施方式

以下，通過發(fā)明的實施方式說明本發(fā)明，但以下的實施方式不限定于權利要求的發(fā)明。另外，實施方式中說明的特征的所有組合并不限定為發(fā)明的解決方案所必須的。

圖1表示本實施方式的點火裝置1000的構成例。點火裝置1000對汽車等的內燃機等中使用的火花塞進行點火。在本實施方式中，說明點火裝置1000搭載于汽車的發(fā)動機的例子。點火裝置1000具備控制信號產生部10、火花塞20、點火線圈30、電源40和開關裝置100。

控制信號產生部10產生控制開關裝置100的導通和截止的切換的開關控制信號?？刂菩盘柈a生部10例如是搭載有點火裝置1000的汽車的發(fā)動機控制單元(ecu)的一部分或全部?？刂菩盘柈a生部10將產生的控制信號供給到開關裝置100。通過控制信號產生部10向開關裝置100供給控制信號，從而點火裝置1000開始火花塞20的點火動作。

火花塞20通過放電產生電火花?；鸹ㄈ?0例如利用10kv以上程度的施加電壓進行放電。作為一個例子，火花塞20設置于內燃機，此時，對燃燒室的混合氣體等燃燒氣體進行點火。火花塞20被設置在例如從汽缸的外部貫通到汽缸內部的燃燒室的貫通孔，以密封該貫通孔的方式進行固定。此時，火花塞20的一端向燃燒室內露出，另一端從汽缸外部接收電信號。

點火線圈30向火花塞供給電信號。點火線圈30供給使火花塞20放電的高電壓作為電信號。點火線圈30可以作為變壓器發(fā)揮功能，例如是具有初級線圈32和次級線圈34的點火線圈(ignitioncoil)。初級線圈32和次級線圈34的一端電連接。初級線圈32的繞組數(shù)比次級線圈34的繞組數(shù)少，與次級線圈34共用芯。次級線圈34根據(jù)初級線圈32產生的電動勢而產生電動勢(互感電動勢)。次級線圈34的另一端與火花塞20連接，將產生的電動勢供給到火花塞20而進行放電。

電源40向點火線圈30供給電壓。電源40例如向初級線圈32和次級線圈34的一端供給預先確定的恒定電壓vb(作為一個例子，為14v)。作為一個例子，電源40為汽車的電池。

開關裝置100根據(jù)由控制信號產生部10供給的控制信號，對在點火線圈30的初級線圈32的另一端和基準電位之間的導通和非導通進行切換。開關裝置100例如根據(jù)控制信號為高電位(導通電位)，使初級線圈32和基準電位之間導通，根據(jù)控制信號為低電位(截止電位)，使初級線圈32和基準電位之間不導通。

在此，基準電位可以是汽車的控制系統(tǒng)中的基準電位，另外，也可以是與汽車內的開關裝置100對應的基準電位。基準電位可以是使開關裝置100截止的低電位，作為一個例子，為0v。開關裝置100具備控制端子102、第一端子104、第二端子106、功率半導體元件110、斷路部120、電阻122、計時電路130、觸發(fā)部140、復位部150和鎖存部160。

控制端子102輸入控制功率半導體元件110的控制信號?？刂贫俗?02與控制信號產生部10連接，接收控制信號。第一端子104介由點火線圈30與電源40連接。第二端子106連接到基準電位。即，第一端子104與第二端子106相比為高電位側的端子，第二端子106與第一端子104相比為低電位側的端子。

功率半導體元件110包括柵極端子(g)、集電極端子(c)和發(fā)射極端子(e)，根據(jù)輸入到柵極端子的控制信號，將集電極端子和發(fā)射極端子之間電連接或電斷開。功率半導體元件110連接到高電位側的第一端子104和低電位側的第二端子106之間，根據(jù)柵極電位而被控制為導通或截止。功率半導體元件110根據(jù)控制信號控制柵極電位。作為一個例子，功率半導體元件110為絕緣柵雙極晶體管(igbt)。另外，功率半導體元件110也可以為mosfet。

作為一個例子，功率半導體元件110具有達到幾百v的耐壓。功率半導體元件110例如是在基板的第一面?zhèn)刃纬捎屑姌O，在與第一面相反側的第二面?zhèn)刃纬捎袞烹姌O和發(fā)射電極的垂直型器件。另外，功率半導體元件110可以為垂直型mosfet。作為一個例子，功率半導體元件110的發(fā)射極端子與基準電位連接。另外，集電極端子與初級線圈32的另一端連接。應予說明，在本實施例中，對功率半導體元件110根據(jù)控制信號成為導通電位的情況而將集電極端子和發(fā)射極端子之間電連接的n溝道型igbt的例子進行說明。

斷路部120連接到功率半導體元件110的柵極端子和基準電位之間。作為一個例子，斷路部120是根據(jù)柵極電位而將漏極端子和源極端子之間控制為導通或截止的fet。對于斷路部120，漏極端子與功率半導體元件110的柵極端子連接，源極端子與基準電位連接，在是否將從控制端子102輸入的控制信號供給到功率半導體元件110的柵極端子之間進行切換。作為一個例子，斷路部120是根據(jù)柵極端子為高電位的情況，將漏極端子和源極端子之間電連接的常斷型的開關元件。此時，斷路部120優(yōu)選是n溝道型mosfet。

電阻122連接到控制端子102與功率半導體元件110的柵極端子之間。電阻122在斷路部120為off狀態(tài)的情況下，將控制信號供給到功率半導體元件110的柵極端子。在斷路部120為on狀態(tài)下，使控制信號流向基準電位時，電阻122使該控制信號電壓下降。即，向功率半導體元件110的柵極端子供給基準電位。

計時電路130檢測功率半導體元件110發(fā)生異常的情況。計時電路130在從控制端子102輸入的控制信號成為高電位時起測量該高電位持續(xù)的時間。計時電路130在控制信號持續(xù)高電位的時間經過了預先確定的時間的情況下，在功率半導體元件110中持續(xù)流通電流，判斷為因加熱等而導致發(fā)生異常，將檢測到的異常情況作為計時信號而輸出。應予說明，將預先確定的時間記為計時時間t。作為一個例子，計時電路130根據(jù)檢測到的異常而輸出高電位，在控制信號的高電位持續(xù)的時間為預先確定的時間以內的情況下，輸出低電位。計時電路130具有時鐘電路132和倍增器134。

時鐘電路132產生時鐘信號。時鐘電路132將從控制端子102輸入的控制信號作為電源進行動作。時鐘電路132將產生的時鐘信號供給到倍增器134。倍增器134將接收到的時鐘信號的周期倍增。作為一個例子，倍增器134包括n個t型觸發(fā)器(反轉觸發(fā)器(toggleflipflop))，使輸入的時鐘信號的周期tc成為2ⁿ倍(n為1以上的整數(shù))。

這樣，由于計時電路130將計時時間t作為脈沖寬度，所以將計時時間t設為周期的1/2，即tc·2^n-1。計時電路130在從控制端子102輸入的控制信號為高電位的狀態(tài)持續(xù)的時間比計時時間t長的情況下，輸出下一個周期的時鐘。即，計時電路130以控制信號持續(xù)高電位的情況為條件，在從控制信號為高電位時起算t時間后為高電位。計時電路130將計時信號供給到鎖存部160。

觸發(fā)部140根據(jù)用于控制功率半導體元件110的控制信號比基準電壓高的情況，輸出觸發(fā)信號。作為一個例子，觸發(fā)部140根據(jù)控制信號從低電位變?yōu)楦唠娢坏那闆r，將低電位的觸發(fā)信號輸出到復位部150。作為一個例子，觸發(fā)部140將從控制端子102輸入的控制信號作為電源進行動作，在該控制信號為低電位時不輸出信號。

復位部150根據(jù)控制信號為高電位的情況，在預先確定的期間內輸出復位信號。復位部150根據(jù)從觸發(fā)部140接收的觸發(fā)信號，輸出高電位的復位信號。作為一個例子，復位部150將預先確定的脈沖寬度的脈沖信號作為復位信號輸出到鎖存部160。作為一個例子，復位部150將從控制端子102輸入的控制信號作為電源進行動作，在該控制信號為低電位時不輸出信號。

鎖存部160根據(jù)復位信號被復位，鎖存從計時電路接收計時信號。鎖存部160根據(jù)功率半導體元件超過預先確定的時間而持續(xù)流通電流的情況，產生斷路信號，并將其供給到斷路部120的柵極端子。鎖存部160通過輸出斷路信號，從而斷開從控制端子102向功率半導體元件110的控制信號的供給。作為一個例子，鎖存部160產生從低電位成為高電位的斷路信號。由此，功率半導體元件110切換到截止狀態(tài)。作為一個例子，鎖存部160將從控制端子102輸入的控制信號作為電源進行動作，在該控制信號為低電位時不輸出信號。作為一個例子，鎖存部160為rs觸發(fā)器。

以上的本實施方式的開關裝置100處于功率半導體元件110正常的狀態(tài)，當控制信號為高電位時，功率半導體元件110成為導通狀態(tài)。由此，從電源40介由點火線圈30的初級線圈32而流通集電極電流ic。應予說明，集電極電流ic的時間變化dic/dt根據(jù)初級線圈32的電感和電源40的供給電壓而確定，增加到預先確定的(或設定的)電流值。例如，集電極電流ic增加到幾a、十幾a、或幾十a的程度。

并且，如果控制信號為低電位，則功率半導體元件110成為截止狀態(tài)，集電極電流急劇減少。由于集電極電流的急劇減少，所以初級線圈32的兩端電壓因自感電動勢而急劇增加，使次級線圈34的兩端電壓產生達到幾十kv左右的感應電動勢。點火裝置1000通過將這樣的次級線圈34的電壓供給到火花塞20，從而使火花塞20放電而對燃燒氣體進行點火。

在此，在因控制信號產生部10等的故障而導致控制信號為高電位的狀態(tài)持續(xù)的情況下，計時電路130檢測高電位的持續(xù)，將計時信號供給到鎖存部160，鎖存部160斷開從控制端子102向功率半導體元件110的控制信號的供給。由此，功率半導體元件110的柵極電位成為截止電位，集電極電流ic被斷開。

如果功率半導體元件110流通集電極電流ic的狀態(tài)持續(xù)，則該功率半導體元件110和點火線圈30被加熱，有時產生故障等。本實施方式的點火裝置1000即使發(fā)生導致這樣的故障等的控制信號的高電位的持續(xù)，斷路部120也斷開向功率半導體元件110的控制信號的供給而斷開集電極電流ic，因此能夠防止在該點火裝置1000和汽車的部件產生破壞和動作不良等。

如上所述，對在開關裝置100中，計時電路130檢測到控制信號持續(xù)為高電位的例子進行說明。計時電路130不接收來自外部的電源供給，而是將控制信號作為動作電源，所以可以不設置輸入電源的端子、檢測輸入電源的過電壓的電路、傳輸電路和保護電路等，能夠降低電路規(guī)模。使用圖2對這樣的計時電路130所具有的時鐘電路132進行說明。

圖2表示設置于開關裝置100的時鐘電路132的構成例。時鐘電路132包括控制信號輸入部172、時鐘信號輸出部174、基準電位輸入部176、晶體管180、電阻182、電阻184、晶體管186、晶體管188、電容器190、比較器192、晶體管194和晶體管196。

作為一個例子，晶體管180、晶體管188和晶體管194為耗盡型mosfet，可在連接柵極和源極而成為導通狀態(tài)下使用。晶體管186和晶體管196根據(jù)供給到柵極的電位，在源極和漏極之間進行電連接或電斷開。晶體管180、晶體管186、晶體管188、晶體管194和晶體管196優(yōu)選由nmos形成。

對于晶體管180，漏極端子與控制信號輸入部172連接，柵極端子和源極端子與電阻182的一個端子連接。電阻182的另一個端子與電阻184的一個端子連接，電阻184的另一個端子與基準電位輸入部176連接。即，晶體管180、電阻182和電阻184在控制信號輸入部172和基準電位輸入部176之間串聯(lián)連接。

對于晶體管186，漏極端子連接到電阻182和電阻184之間，源極端子與基準電位輸入部176連接。對于晶體管188，漏極端子與控制信號輸入部172連接，柵極端子和源極端子與電容器190的一個端子連接。另外，電容器190的另一個端子與基準電位輸入部176連接。

比較器192的+側輸入端子與晶體管188的源極端子連接，-側輸入端子與晶體管180的源極端子連接，輸出端子與時鐘信號輸出部174連接。應予說明，比較器192的輸出端子分別與晶體管186和晶體管196的柵極端子連接。

對于晶體管194，漏極端子與電容器190的一個端子連接，源極端子與晶體管196的漏極端子連接。對于晶體管196，源極端子與基準電位輸入部176連接。即，電容器190與晶體管194以及晶體管196在從晶體管188的源極端子到基準電位輸入部176之間并聯(lián)連接。接下來對這樣的時鐘電路132的動作進行說明。

圖3表示圖2所示的時鐘電路132的各部分的動作波形的一個例子。圖3中，橫軸為時間，縱軸為輸出電位。另外，將控制信號記為vin，將比較器192的+側輸入端子的電位記為v+，將比較器192的-側輸入端子的電位記為v-，將時鐘信號輸出部174的輸出信號記為vout。另外，將電阻182的電阻值記為r1，將電阻184的電阻值記為r2。應予說明，使晶體管180和晶體管188為大致相同形狀的晶體管，使晶體管180的源極電流和晶體管188的源極電流大致相同，均記為idep1，將晶體管194的漏極電流記為idep2。

如果控制信號的初期狀態(tài)為低電位，則比較器192的輸出也為低電位，因此晶體管186和晶體管196均處于截止狀態(tài)。在時刻t0，當控制信號成為高電位時，晶體管186處于截止狀態(tài)，因此晶體管180的源極電流idep1流過電阻182和電阻184，比較器192的-側輸入端子的電位v-為idep1·(r1+r2)。

另外，由于晶體管196處于截止狀態(tài)，所以利用晶體管188的源極電流idep1對電容器190進行充電。隨著電容器190的充電，比較器192的+側輸入端子的電位v+從0v起隨著時間而上升。在比較器192的+側輸入端子的電位v+上升到idep1·(r1+r2)之前，由于-側輸入端子的電位v-處于高電位，所以比較器192的輸出(即，時鐘信號輸出部174的輸出信號vout)保持為低電位不變。

在時刻t1，如果電容器190的充電電位(即，比較器192的+側輸入端子的電位v+)超過idep1·(r1+r2)，則時鐘信號輸出部174的輸出信號vout成為高電位，晶體管186和晶體管196切換到導通狀態(tài)。因此，晶體管180的源極電流idep1流過電阻182和晶體管186，比較器192的-側輸入端子的電位v-為idep1·r1。

另外，由于晶體管196處于導通狀態(tài)，所以充電到電容器190中的電荷介由晶體管194和晶體管196，流向基準電位并放電。即，比較器192的+側輸入端子的電位v+隨著電容器190的放電，從idep1·(r1+r2)起，隨著時間而降低。在比較器192的+側輸入端子的電位v+降低到idep1·r1之前，由于-側輸入端子的電位v-為低電位，所以時鐘信號輸出部174的輸出信號vout保持為高電位不變。

在時刻t2，如果比較器192的+側輸入端子的電位v+低于idep1·r1，則時鐘信號輸出部174的輸出信號vout成為低電位，晶體管186和晶體管196切換到截止狀態(tài)。因此，晶體管180的源極電流idep1流過電阻182和電阻184，比較器192的-側輸入端子的電位v-成為idep1·(r1+r2)。

另外，由于晶體管196處于截止狀態(tài)，所以電容器190被充電，比較器192的+側輸入端子的電位v+從idep1·r1起，隨著時間而上升。在比較器192的+側輸入端子的電位v+上升到idep1·(r1+r2)之前，由于-側輸入端子的電位v-為高電位，所以時鐘信號輸出部174的輸出信號vout在時刻t3之前保持為低電位不變。如上所述，時鐘電路132通過反復進行電容器190的充電和放電，從而能夠將輸出信號vout作為時鐘信號而輸出。接下來，對根據(jù)這樣的時鐘信號來切換功率半導體元件110的動作進行說明。

圖4表示本實施方式的開關裝置100的各部分的動作波形的例子。在圖4中，設橫軸為時間，設縱軸為電壓值或電流值。另外，在圖4中，將從控制端子102輸入的控制信號記為“vin”，將功率半導體元件110的柵極端子的電位記為“vg”，將功率半導體元件110的集電極-發(fā)射極間電流(為集電極電流)記為“ic”，將功率半導體元件110的集電極-發(fā)射極間電壓(為集電極電壓)記為“vc”，將復位部150所輸出的復位信號記為“vr”，將計時電路130輸出的計時信號記為“vs”，來示出各自的時間波形。

在輸入到開關裝置200的控制信號vin為低電位(作為一個例子，為0v)的情況下，復位信號vr、計時信號vs和柵極電位vg為低電位(0v)，功率半導體元件110處于截止狀態(tài)，集電極電流ic為0a，集電極電壓vc為電源40的輸出電壓(作為一個例子，為14v)。

并且，如果控制信號vin為高電位(作為一個例子，為5v)，則柵極電位vg成為高電位而功率半導體元件110切換到導通狀態(tài)，集電極電流ic開始增加，集電極電壓vc從約0v開始增加。另外，觸發(fā)部140輸出低電位的觸發(fā)信號，復位部150輸出高電位的復位信號vr。

然后，在控制信號vin成為高電位之后，如果在比計時電路130計數(shù)的計時時間t短的期間，控制信號vin再次成為低電位，則該低電位成為功率半導體元件110的柵極電位vg，因此功率半導體元件110切換到截止狀態(tài)。由此，執(zhí)行圖1中說明的點火動作，集電極電流ic回到約0a，集電極電壓vc回到電源的輸出電位。應予說明，對于集電極電壓vc，作為點火動作，在瞬間成為高電壓后立即回到電源的輸出電位。以上是圖4的控制信號vin顯示為“正?！钡姆秶拈_關裝置100的動作。

接下來，對控制信號vin的成為高電位的狀態(tài)超過計時時間t仍持續(xù)的情況的例子進行說明。此時，對于控制信號vin成為高電位的狀態(tài)為止已經進行了說明，即，功率半導體元件110切換到導通狀態(tài)，集電極電流ic開始增加，集電極電壓vc從約成為0v后立即開始增加。另外，觸發(fā)部140輸出觸發(fā)信號，復位部150輸出復位信號vr。

在此，如果控制信號vin的高電位的狀態(tài)持續(xù)，則集電極電流ic的增加持續(xù)，功率半導體元件110的溫度上升。由此，集電極電壓vc和集電極電流ic飽和，但是如果該狀態(tài)持續(xù)，則開關裝置100和與開關裝置100連接的點火線圈30等部件有時會產生故障等。為了防止這樣的故障等，如果在控制信號vin成為高電位時起經過計時時間t，則計時電路130輸出檢測到異常的計時信號vs。鎖存部160鎖定計時信號vs并輸出斷路信號，使柵極電位vg成為低電位。由此，功率半導體元件110切換到截止狀態(tài)。由此，執(zhí)行圖1中說明的點火動作，集電極電流ic回到約0a，集電極電壓vc回到電源的輸出電壓。

在集電極電流ic和集電極電壓vc回到原始狀態(tài)之后，如果控制信號vin成為低電位，則斷開向鎖存部160的電源供給，因此斷路信號成為低電位。以上是圖4的控制信號vin顯示為“on固定”的范圍的開關裝置100的動作。如上所述，本實施方式的開關裝置100能夠檢測在功率半導體元件110中流通電流的狀態(tài)持續(xù)計時時間t以上的情況，并將功率半導體元件110切換到截止狀態(tài)。

然而，即使將圖1所示的開關裝置100制造為集成電路，使其單芯片化，也有時無法降低芯片尺寸。如以下說明，這是因為時鐘電路132成為比計時時間t小的時鐘周期，倍增器134的面積增加。由于計時電路130的時鐘電路132所生成的時鐘信號的周期取決于電容器190的充電時間，所以取決于于電容器190的容量。然而，如果使電容器190的容量c變大，則電容器190的尺寸也變大，但使開關裝置100小型化時，電容器190的容量c最大為100pf左右。

另外，為了輸出穩(wěn)定的時鐘信號，優(yōu)選-側輸入端子的電位v-的振幅δv-{＝idep1·(r1+r2)-idep1·r1＝idep1·r2}恒定。因此，優(yōu)選晶體管180處于漏極電流飽和的夾斷(pinch-off)的狀態(tài)。在此，作為控制信號的高電位，如果使用2.5v～5v程度的電位，使晶體管180的夾斷電壓為2v，則δv-小于0.5v。應予說明，由于δv-也是+側輸入端子的電位v+的振幅δv+，所以充電到電容器190中的電荷q小于c·δv+。

因此，充電到電容器190中的電荷q與電容器190的容量c和控制信號的高電位成比例。電容器190的容量c的大小如上所述，是有限度的，另外，由于控制信號是從開關裝置100的外部輸入的信號，所以在設計開關裝置100時，無法將控制信號的高電位設定為較高。即，對于時鐘電路132所生成的時鐘信號的周期tc而言，即使改變開關裝置100的設計參數(shù)，也是有限度的，例如，在idep1為1μa左右的情況下，該周期tc為10μs左右。

作為一個例子，在計時電路130使計時時間t為10ms時，倍增器134使時鐘電路132所輸出的時鐘周期為2000倍左右。因此，倍增器134，例如，設置11個左右t型觸發(fā)器，作為結果，計時電路130的電路規(guī)模增大。因此，本實施方式的開關裝置200能夠降低電路規(guī)模，并且能夠輸出穩(wěn)定的計時時間的計時信號。接下來，對這樣的開關裝置200進行說明。

圖5表示本實施方式的點火裝置2000的構成例。在圖5所示的點火裝置2000中，對與圖1中示出的本實施方式的點火裝置1000的動作大致相同的動作標注相同符號，并省略說明。點火裝置2000具備開關裝置200。應予說明，對于點火裝置2000具備的控制信號產生部10、火花塞20、點火線圈30和電源40省略說明。

開關裝置200具備控制端子202、第一端子204、第二端子206、功率半導體元件110、斷路部120、電阻122、觸發(fā)部140、復位部150、鎖存部160、電容器210、充電部220、放電部230和反相器240?？刂贫俗?02輸入控制功率半導體元件110的控制信號?？刂贫俗?02與控制信號產生部10連接，接收控制信號。第一端子204介由點火線圈30與電源40連接。第二端子206與基準電位連接。即，第一端子204與第二端子206相比為高電位側的端子，第二端子206與第一端子204相比為低電位側的端子。

應予說明，對于功率半導體元件110、斷路部120和電阻122，由于已經在圖1中進行了說明，因此在此省略說明。對于電容器210，一個端子介由第二端子206與基準電位連接，另一個端子與充電部220連接。

觸發(fā)部140根據(jù)用于控制功率半導體元件110的控制信號比基準電壓高的情況，輸出觸發(fā)信號。觸發(fā)部140根據(jù)控制信號從低電位成為高電位的情況，將低電位的觸發(fā)信號供給到復位部150和充電部220。作為一個例子，觸發(fā)部140將從控制端子202輸入的控制信號作為電源進行動作，在該控制信號為低電位時不輸出信號。

復位部150根據(jù)控制信號為高電位的情況，在預先確定的期間內輸出復位信號。復位部150根據(jù)從觸發(fā)部140接收到的觸發(fā)信號輸出高電位的復位信號。作為一個例子，復位部150將預先確定的脈沖寬度的脈沖信號作為復位信號輸出到鎖存部160。作為一個例子，復位部150將從控制端子202輸入的控制信號作為電源進行動作，在該控制信號為低電位時不輸出信號。

鎖存部160根據(jù)復位信號進行復位，鎖定從反相器240接收計時信號。鎖存部160根據(jù)功率半導體元件超過預先確定的時間持續(xù)流通電流的情況，產生阻擋信號，并供給到斷路部120的柵極端子。鎖存部160通過輸出阻擋信號，從而阻擋從控制端子102向功率半導體元件110的控制信號的供給。作為一個例子，鎖存部160產生從低電位成為高電位的阻擋信號。由此，功率半導體元件110切換到截止狀態(tài)。作為一個例子，鎖存部160將從控制端子202輸入的控制信號作為電源進行動作，在該控制信號為低電位時不輸出信號。作為一個例子，鎖存部160為rs觸發(fā)器。

充電部220在功率半導體元件110處于截止的期間中的至少一部分時，對電容器210進行充電。充電部220與第一端子204連接，利用來自第一端子204的電壓對電容器210進行充電。充電部220具有鉗位部222、第一電阻224和開關部226。

鉗位部222在第一端子204和基準電位之間與電容器210并聯(lián)連接。鉗位部222在來自第一端子204的電壓是比預先確定的電壓高的電壓的情況下，將來自第一端子204的電壓鉗位在該預先確定的電壓。應予說明，將預先確定的電壓作為鉗位電壓。作為一個例子，鉗位部222具有在第一端子204與基準電位之間與電容器210并聯(lián)連接的齊納二極管。齊納二極管的陽極與第二端子206連接。

第一電阻224連接到電容器210和鉗位部222的第一端子204側的端子與第一端子204之間。第一電阻224的一端與第一端子204連接，另一端與齊納二極管的陰極連接。即，第一電阻224和鉗位部222從第一端子204起到第二端子206之間串聯(lián)連接。在鉗位部222使來自第一端子204的電壓鉗位而流通電流的情況下，第一電阻224限制流過鉗位部222的電流的量而防止因電流導致的溫度上升。

開關部226在第一電阻224的另一端和電容器210的另一個端子之間進行電連接和電斷開的切換。作為一個例子，開關部226具有晶體管。此時，對于開關部226，柵極端子和集電極端子與第一電阻224的另一端連接，發(fā)射極端子與電容器210的另一個端子連接。即，開關部226和電容器210在從第一電阻224的另一端到第二端子206之間串聯(lián)連接。另外，開關部226和電容器210在從第一電阻224的另一端到第二端子206之間，與鉗位部222并聯(lián)連接。

當鉗位部222使來自第一端子204的電壓鉗位時，開關部226根據(jù)鉗位電壓而成為導通狀態(tài)，將該鉗位電壓供給到電容器210。由此，利用被鉗位部222鉗位的電壓對電容器210進行充電。另外，開關部226在柵極端子和發(fā)射極端子中，接收來自觸發(fā)部140的觸發(fā)信號。利用該觸發(fā)信號，由于柵極端子和發(fā)射極端子為低電位，所以開關部226成為截止狀態(tài)而停止向電容器210的鉗位電壓的供給。即，開關部226根據(jù)觸發(fā)信號來斷開第一端子204和電容器210之間的連接。

放電部230根據(jù)功率半導體元件110為導通的情況，使充電到電容器210中的電荷放電。放電部230例如連接到電容器210的另一個端子和第二端子206之間，將由電容器210的另一個端子充電的電荷朝向基準電位而放電。放電部230例如具有在第一端子204和基準電位之間與電容器210并聯(lián)連接的第二電阻和/或恒定電流源。

反相器240連接到電容器210的另一個端子和鎖存部160之間，將根據(jù)電容器210的電位的反相邏輯輸出供給到鎖存部160。作為一個例子，反相器240以將動作電源作為從控制端子202輸入的控制信號，控制信號成為高電位為條件，將反相邏輯輸出供給到鎖存部160。

反相器240例如在向電容器210充電電荷而成為超過閾值的高電位的情況下，將低電位供給到鎖存部160。另外，對于反相器240，如果電容器210的電荷被放電部230放電而成為閾值以下的低電位，則將高電位供給到鎖存部160。即，反相器240將利用放電部230進行的放電為閾值以下的時刻作為計時時間t，輸出高電位的計時信號。

如上所述，本實施方式的開關裝置200，利用充電部220使用第一端子204側的電壓對電容器210進行充電來代替圖1中說明的開關裝置100的計時電路130。由此，在功率半導體元件110為截止狀態(tài)的情況下，由于充電部220可以使用基于電源40的電位(作為一個例子為14v)進行了鉗位的電壓進行充電，所以能夠以5v以上的電壓對電容器210進行充電。因此，對于開關裝置200來說，即使電容器210和電容器190的容量大致相同，充電到電容器210中的電荷的量也能夠增加到計時電路130充電到電容器190中的電荷的量的約10倍以上。

另外，開關裝置200可以使用放電部230使充電到電容器210中的電荷放電，按照由電容器210和放電部230確定的時間常數(shù)進行放電。即，開關裝置200即使電容器210的容量為100pf左右，例如，通過調整放電部230朝向基準電位流通的電流的量，從而與計時電路130相比，能夠延長放電的時間常數(shù)。因此，開關裝置200可以不使用圖1中說明的倍增器134地將反相器240輸出的計時信號的計時時間t作為ms單位的時間。

圖6表示本實施方式的觸發(fā)部140和復位部150的構成例。觸發(fā)部140具有控制信號輸入部142、觸發(fā)信號輸出部144、基準電位輸入部146、電阻272、電阻274和反相器276。復位部150包括控制信號輸入部152、復位信號輸出部154、基準電位輸入部156、反相器282、電阻284、電容器286、和反相器288。

將從控制端子202接收的控制信號輸入控制信號輸入部142和控制信號輸入部152。觸發(fā)信號輸出部144輸出該觸發(fā)部140生成的觸發(fā)信號。復位信號輸出部154輸出該復位部150生成的復位信號。基準電位輸入部146和基準電位輸入部156介由第二端子206與基準電位連接。

電阻272和電阻274在控制信號輸入部142和基準電位輸入部146之間串聯(lián)連接，將從控制信號輸入部142輸入的控制信號vin分壓。當將電阻272的電阻值記為r1，將電阻274的電阻值記為r2時，分壓電位成為vin·r2/(r1+r2)。作為一個例子，在控制信號過渡性地從低電位(作為一個例子，為0v)線性上升到高電位(作為一個例子，為5v)時，分壓電位也從0v線性上升到5·r2/(r1+r2)。

反相器276連接到電阻272和電阻274之間，接收分壓電位而進行反轉輸出。觸發(fā)部140將反相器276的輸出作為觸發(fā)信號而輸出。應予說明，在反相器276控制信號vin為低電位時，由于動作電源為0v，所以無法輸出信號。但是，當使鉗位電壓從充電部220供給到觸發(fā)信號輸出部144時，觸發(fā)信號輸出部144的電位與該鉗位電位大致相等。

反相器282接收反相器276的輸出而進行反轉輸出。電阻284和電容器286構成rc電路，接收反相器282的輸出而具有時間常數(shù)rc的遲延地輸出上升的信號。反相器288接收電阻284和電容器286的輸出而進行反轉輸出。

應予說明，反相器276、反相器282和反相器288分別將控制信號作為動作電源。因此，反相器276、反相器282和反相器288在該控制信號過渡性上升的過程中，該控制信號達到反相器的閾值的期間輸出與控制信號大致相同的電位的信號。應予說明，在本例中，各反相器的閾值為大致相同的值v1。接下來，對這樣的觸發(fā)部140和復位部150的各部的動作進行說明。

圖7表示本實施方式的觸發(fā)部140和復位部150的動作波形的一個例子。在圖7中，設橫軸為時間，縱軸為輸出電位。在圖7中，針對控制信號從截止電位(0v)線性上升到導通電位(5v)的情況來示出反相器276、反相器282和反相器288的輸出電位的一個例子。

在圖7中，將控制信號記為vin，將反相器276的輸出，即觸發(fā)部140的輸出記為vt，將反相器282的輸出記為vout1，將反相器288的輸出，即復位部150的輸出記為vr。反相器276、反相器282和反相器288的輸出電位vt、vout1和vr在輸入電位到達反相器的閾值之前，是與電源電位(即，控制信號vin)大致相同的電位。

對于反相器276，在時刻t1，即使電源的電位(即，vin)超過閾值v1，由于輸入的分壓電位vin·r2/(r1+r2)為閾值v1以下的值，所以將輸入電位作為低電位而反轉輸出高電位。應予說明，對于反相器276，即使以輸出高電位的方式進行動作，在電源電位為到達高電位(例如5v)的過程的過渡性電位的情況下，也將該過渡性電源電位作為高電位而輸出。在圖7中，示出反相器276的輸出電位vt在時刻t1以后，輸出與電源電位vin大致相同的電位的例子。

對于反相器276，在時刻t2，根據(jù)電源的電位vin超過閾值v1，且輸入的分壓電位超過閾值v1(即，高電位的輸入)，將低電位反轉輸出。圖7示出反相器276的輸出電位vt在時刻t2成為低電位(0v)的例子。即，觸發(fā)部140根據(jù)控制信號vin成為高電位的情況，輸出小于閾值v1的低電位。

對于反相器282，在時刻t1，根據(jù)電源的電位vin超過閾值v1，且輸入電位超過閾值v1的電位的情況，反轉輸出低電位。圖7示出反相器282的輸出電位vout1在時刻t1成為低電位的例子。對于反相器282，在時刻t2，根據(jù)電源的電位vin超過閾值v1，且輸入電位為低電位的情況，反轉輸出高電位。應予說明，反相器282在電源電位vin達到高電位的過程的過渡性的電位的情況下，將該過渡性的電源電位作為高電位而輸出。圖7示出反相器282的輸出電位vout1在時刻t2以后，成為與電源電位vin大致相同的電位的例子。

由電阻284和電容器286構成的rc電路使反相器282的輸出信號遲延。圖7示出rc電路使輸出信號遲延10μs的例子。反相器288根據(jù)電源的電位vin為超過閾值1，輸入電位超過閾值v1的電位的情況，將低電位反轉輸出。圖7示出反相器288的輸出電位vr在從時刻t2經過10μs的時刻成為低電位的例子。

如上所述，本實施方式的復位部150在控制信號成為高電位之后經過基準時間t2以后，輸出預先確定的脈沖寬度的復位信號。作為一個例子，圖7所示的復位信號是以由電阻284和電容器286設定的時間常數(shù)10μs作為脈沖寬度的脈沖信號。

據(jù)此，鎖存部160利用對應觸發(fā)信號輸出的復位信號被復位，根據(jù)表示電容器210的電壓比閾值電壓低的情況的計時信號被置位。即，鎖存部160以控制信號成為高電位為條件，根據(jù)功率半導體元件110成為導通狀態(tài)的期間超過計時時間t的情況進行輸出，鎖定計時信號。并且，鎖存部160將斷路信號供給到斷路部120。斷路部120根據(jù)鎖存部被置位的情況，使功率半導體元件110的柵極電位為截止電位，使功率半導體元件110處于截止狀態(tài)。

如上所述，本實施方式的開關裝置200根據(jù)功率半導體元件110的導通狀態(tài)的持續(xù)時間對動作進行限制，并且作為點火器進行動作，在該點火器中，根據(jù)用于控制功率半導體元件的控制信號來控制在與第一端子204連接的點火線圈30中流通的電流。接下來對這樣的開關裝置200的動作進行說明。

圖8表示本實施方式的開關裝置200的各部分的動作波形的例子。在圖8中，設橫軸為時間，縱軸為電壓值或電流值。另外，在圖8中，將從控制端子202輸入的控制信號記為“vin”，將功率半導體元件110的柵極端子的電位記為“vg”，將功率半導體元件110的集電極-發(fā)射極間電流(為集電極電流)記為“ic”，將功率半導體元件110的集電極-發(fā)射極間電壓(為集電極電壓)記為“vc”，將觸發(fā)部140輸出的觸發(fā)信號記為“vt”，將復位部150輸出的復位信號記為“vr”，將電容器210的電位記為“vcap”，將反相器240輸出的計時信號記為“vs”，并示出各自的時間波形。

在輸入到開關裝置100的控制信號vin為低電位(作為一個例子，為0v)的情況下，復位信號vr、計時信號vs和柵極電位vg為低電位(0v)，功率半導體元件110處于截止狀態(tài)，集電極電流ic為0a，集電極電壓vc為電源40的輸出電壓(作為一個例子，為14v)。另外，由于集電極電壓vc為電源40的輸出電壓，所以鉗位部222鉗位到鉗位電壓(作為一個例子，vzd＝6v)。

由于將鉗位部222的鉗位電壓vzd供給到觸發(fā)部140的觸發(fā)信號輸出部144，所以觸發(fā)信號vt為鉗位電壓vzd。另外，對于鉗位部222的鉗位電壓vzd，由于使開關部226處于導通狀態(tài)，所以電容器210被充電而成為恒定的電壓(作為一個例子，為vcapmax)。在此，開關部226具有晶體管，將該晶體管的閾值記為vthm(作為一個例子，為1v)時，vcapmax＝vzd-vthm＝5v。

并且，如果控制信號vin為高電位(作為一個例子，為5v)，則柵極電位vg成為高電位而功率半導體元件110切換到導通狀態(tài)，集電極電流ic開始增加，集電極電壓vc從大致成為0v后立即開始增加。另外，觸發(fā)部140輸出低電位的觸發(fā)信號，復位部150輸出高電位的復位信號vr。

由于觸發(fā)部140輸出觸發(fā)信號，所以開關部226處于截止狀態(tài)而電容器210被放電部230放電。由此，電容器210的電位vcap從vcapmax起衰減。當電容器210的電位vcap衰減到反相器240的閾值(作為一個例子，為vthinv)之前，控制信號vin成為低電位時，該控制信號vin成為高電位以后，在比計時時間t短的期間切換到低電位。

此時，由于該低電位為功率半導體元件110的柵極電位vg，所以功率半導體元件110切換到截止狀態(tài)。由此，執(zhí)行圖1中說明的點火動作，集電極電流ic回到約0a，集電極電壓vc回到電源的輸出電位。應予說明，作為點火動作，集電極電壓vc在瞬時成為高電壓之后立即回到電源的輸出電位。另外，觸發(fā)信號vt為鉗位電壓vzd，電容器210被充電而電位成為vcapmax。以上是圖8的控制信號vin顯示為“正?！钡姆秶拈_關裝置200的動作。

接下來，對控制信號vin的成為高電位的狀態(tài)持續(xù)超過計時時間t的情況的例子進行說明。此時，在控制信號vin成為高電位的狀態(tài)之前，已經進行了說明，功率半導體元件110切換到導通狀態(tài)，集電極電流ic開始增加，集電極電壓vc在大致成為0v后立即開始增加。另外，觸發(fā)部140輸出觸發(fā)信號，復位部150輸出復位信號vr，電容器210的電位vcap衰減。

在此，如果控制信號vin的高電位的狀態(tài)持續(xù)，則放電部230繼續(xù)電容器210的電荷的放電，電容器210的電位vcap的衰減持續(xù)。并且，如果電容器210的電位vcap衰減到反相器240的閾值vthinv，則反相器240的輸入成為低電位，因此反相器240輸出高電位的計時信號。即，反相器240在持續(xù)流通集電極電流ic的情況下，為了防止與開關裝置200和開關裝置200連接的點火線圈30等部件中產生的故障等，在控制信號vin成為高電位之后經過計時時間t時，輸出計時信號vs。

鎖存部160鎖定計時信號vs并輸出斷路信號，斷路部120使柵極電位vg為低電位。即，根據(jù)電容器210的電壓比閾值電壓vthinv低的情況，斷路部120將功率半導體元件110的柵極電壓下拉(pulldown)而成為截止狀態(tài)。由此，執(zhí)行圖1中說明的點火動作，集電極電流ic回到約0a，集電極電壓vc回到電源的輸出電壓。應予說明，由于觸發(fā)部140在控制信號vin的高電位持續(xù)的情況下，繼續(xù)低電位的輸出，所以開關部226的截止狀態(tài)也持續(xù)，電容器210的電位vcap繼續(xù)衰減。

在集電極電流ic和集電極電壓vc回到原始狀態(tài)之后，如果控制信號vin成為低電位，則斷開向鎖存部160的電源供給，因此斷路信號成為低電位。另外，由于向觸發(fā)部140的電源供給也被斷開，所以開關部226切換到導通狀態(tài)，電容器210被充電。以上是圖8的控制信號vin顯示為“on固定”的范圍的開關裝置200的動作。

如上所述，本實施方式的開關裝置200檢測電流流過功率半導體元件110的狀態(tài)持續(xù)了計時時間t以上的情況，能夠將功率半導體元件110切換到截止狀態(tài)。另外，開關裝置200能夠在不使用圖1中說明的計時電路130的情況下控制功率半導體元件110。即，開關裝置200可以作為電路規(guī)模小，且穩(wěn)定動作的計時電路發(fā)揮作用。因此，通過將開關裝置200制造為集成電路，使其單芯片化，從而提供使芯片尺寸降低的點火器。

圖9表示具備本實施方式的開關裝置200的第一變形例的點火裝置2000的構成例。在圖9所示的點火裝置2000中，對與圖5中示出的本實施方式的點火裝置2000的動作大致相同的動作標注相同的符號，并省略說明。第一變形例的開關裝置200在充電部220具有整流元件510。整流元件510例如為二極管。

整流元件510連接到第一電阻224與電容器210之間，作為從第一端子204向電容器210單向地流通電流的整流電路進行連接。整流元件510的陽極端子與第一電阻224連接，陰極端子與電容器210的另一個端子連接。因此，整流元件510能夠執(zhí)行與圖5中說明的開關部226大致相同的動作，第一變形例的開關裝置200能夠執(zhí)行與圖5～圖8中說明的開關裝置200大致相同的動作。由此，第一變形例的開關裝置200可以不具有開關部226。

圖10表示具備本實施方式的開關裝置200的第二變形例的點火裝置2000的構成例。在圖10所示的點火裝置2000中，對與圖5示出的本實施方式的點火裝置2000的動作大致相同的動作標注相同的符號，并省略說明。第二變形例的開關裝置200在充電部220具有開關元件520。

開關元件520連接到第一端子204與開關部226之間，作為限制從第一端子204流過開關部226的柵極端子的電流的電路而進行連接。開關元件520的漏極端子與第一端子204連接，源極端子與開關部226的柵極端子連接，柵極端子與該開關元件520的源極端子連接。此時，開關元件520為耗盡型(常開型)的mosfet即可。

由于開關元件520流通與漏極-源極間(即，漏極-柵極間)電位成比例的電流，所以作為電阻發(fā)揮作用。因此，第二變形例的開關裝置200可以具有開關元件520代替第一電阻224。另外，在開關元件520的漏極電位上升到為40v左右時，由于飽和而在漏極-源極間流通的電流例如為100μa左右。由此，也能夠防止在鉗位部222流通過量的電流。如上所述，由于開關元件520作為第一電阻224發(fā)揮作用，所以第二變形例的開關裝置200能夠執(zhí)行與圖5～圖8中說明的開關裝置200大致相同的動作。另外，也可以像第一變形例那樣，具備整流元件510來代替開關部226。

以上，使用實施方式說明了本發(fā)明，但本發(fā)明的技術的范圍不限于上述實施方式中記載的范圍。本領域技術人員會明白可以對上述實施方式進行各種變更或改良。根據(jù)權利要求書的記載可知，對上述實施方式進行的各種變更或改良的方式顯然也包括在本發(fā)明的技術方案內。

應當注意的是，在權利要求書、說明書和附圖中所示的裝置、系統(tǒng)、程序和方法中的動作、順序、步驟和階段等各處理的執(zhí)行順序并未特別明確“在……之前”，“事先”等，另外，只要不是后續(xù)處理中需要使用之前處理的結果，就可以按任意順序實現(xiàn)。方便起見，對權利要求書、說明書和附圖中的動作流程使用“首先”，“接下來”等進行說明，也不表示一定要按照該順序實施。