CN108475912B - 供电控制装置 - Google Patents

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Abstract

供电控制装置具备：半导体开关元件(6)，通过PWM控制进行开关动作；PWM信号输出部(1)，输出与PWM控制相关的PWM信号；电流电路(5)，输出与流通过半导体开关元件(6)的电流相关联的电流；滤波器电路(11～13)，将电流电路(5)输出的电流转换成电压，并对转换而得到的电压进行滤波；过电流保护电路(4)，基于滤波器电路(11)进行滤波后的电压的电压值，将半导体开关元件(6)设为断开；电压检测部(2)，在PWM信号的各脉冲的终端附近的时机，检测滤波器电路(11～13)进行滤波后的电压的电压值；温度推断部(1)，基于电压检测部(2)检测出的电压值，推断在半导体开关元件(6)中流通的电流所流通过的电线的温度；以及电线保护部(1)，基于温度推断部(1)推断出的温度，将半导体开关元件(6)设为断开。

Description

供电控制装置
技术领域
本发明涉及通过将半导体开关元件在接通和断开之间进行切换而控制供电的供电控制装置。
背景技术
在车辆中搭载有供电控制装置，该供电控制装置经由通过PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)控制进行开关动作的半导体开关元件，从电池将规定电压值的电力供给到负载。在这样的供电控制装置中，微型计算机(以下，记载为微机)取得电池的电压值，基于所取得的电压值以及所述规定电压值，计算PWM控制的占空比。接下来，微机基于所计算出的占空比，生成PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号，并输出所生成的PWM信号。驱动电路基于微机输出的PWM信号，将半导体开关元件设为接通或者断开。
在这样的供电控制装置中，过电流自我保护电路基于在半导体开关元件中流通的电流的电流值，将半导体开关元件设为断开，保护半导体开关元件。
另外，微机取得在半导体开关元件中流通的电流的电流值，基于所取得的电流值以及电流的流通时间，推断与半导体开关元件一起供电流流通的电线的温度。微机基于所推断出的温度，将半导体开关元件设为断开，保护电线。
图1是示出以往的供电控制装置的过电流保护特性以及电线的冒烟特性的例子的特性图。在该特性图中，在纵轴上示出电线的流通电流值，在横轴上示出时间或者流通电流的连续流通时间。关于包括冲击电流在内的负载电流的波形F，在横轴上示出时间。另外，在表示流通电流值以及流通时间的点相比电线冒烟特性曲线C存在于右上方的情况下，电线的包覆材料由于过热而冒烟。电线冒烟特性曲线C表示在表示电流在流动了流通时间的情况下的电线温度的曲线中开始冒烟的电线温度。
在该供电控制装置中，在电线冒烟特性曲线C的稍低温侧(低电流侧、短时间侧)，确定表示基于温度运算的切断阈值的曲线D。
在该情况下，如电线冒烟特性C所示，流通电流值越大，则达到电线冒烟的流通时间越短。另外，需要用于运算电线温度的时间。因此，表示基于温度运算的切断阈值的曲线D在流通时间例如为10毫秒以下的区域中未设定。
在专利文献1中公开了一种电线保护装置，在该电线保护装置中，IPS(Intelligent Power Switch，智能电源开关)内的感测MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)输出与负载电流成比例的感测电流，微机取得对感测电流进行电流/电压转换而得到的感测电压值。微机周期性地取得感测电压值，基于所取得的感测电压值来运算电线温度。在由于导线线束的短路等而通电电流增加的情况下，感测电压上升，因此，微机在所运算出的电线温度上升而达到电线冒烟之前，判定为电线是过热状态，将半导体开关元件设为断开。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：专利第4624400号公报
发明内容
发明所要解决的课题
作为如上所述的以往的供电控制装置控制供电的负载，存在在启动时流过例如图1所示的冲击电流F的负载。在控制向这样的负载的供电的情况下，为了避免在流过冲击电流F时将半导体开关元件设为断开，需要提高过电流自我保护电路的阈值E。
然而，在将过电流自我保护电路的阈值E设定为高的值的情况下，在未设定切断阈值D(图1)的区域中，产生阈值E超过电线冒烟特性C的区域。在该区域中，流通电流值有可能不超过阈值E、但超过电线冒烟特性C。在该情况下，存在如下这样的问题：流通电流值既不超过过电流自我保护电路的阈值E，也不超过基于温度运算的切断阈值(不设定)，超过电线冒烟特性C而电线冒烟，无法保护电线。
本发明是鉴于上述情形而完成的，其目的在于，提供一种在流过冲击电流的情况下半导体开关元件不变成断开、并且在达到电线冒烟的流通电流值之前能够将半导体开关元件设为断开的供电控制装置。
用于解决课题的技术方案
本发明涉及一种供电控制装置，其特征在于，具备：半导体开关元件，通过PWM控制进行开关动作；PWM信号输出部，输出与所述PWM控制相关的PWM信号；电流电路，输出与流通过所述半导体开关元件的电流相关联的电流；滤波器电路，将该电流电路输出的电流转换成电压，并对转换而得到的电压进行滤波；过电流保护电路，基于该滤波器电路进行滤波后的电压的电压值，将所述半导体开关元件设为断开；电压检测部，在所述PWM信号的各脉冲的终端附近的时机，检测所述滤波器电路进行滤波后的电压的电压值；温度推断部，基于该电压检测部检测出的电压值，推断与所述半导体开关元件一起供电流流通的电线的温度；以及电线保护部，基于该温度推断部推断出的温度，将所述半导体开关元件设为断开。
在该供电控制装置中，半导体开关元件的开关通过PWM控制来进行，PWM信号输出部输出与PWM控制相关的PWM信号。电流电路输出与流通过半导体开关元件的电流相关联的电流，滤波器电路将电流电路输出的电流转换成电压，并对转换而得到的电压进行滤波。过电流保护电路基于滤波器电路进行滤波后的电压的电压值，将半导体开关元件设为断开。
电压检测部在PWM信号的各脉冲的终端附近的时机，检测滤波器电路进行滤波后的电压的电压值。温度推断部基于电压检测部检测出的电压值，推断与半导体开关元件一起供电流流通的电线的温度。电线保护部基于温度推断部推断出的温度，将半导体开关元件设为断开。
在本发明的供电控制装置中，其特征在于，所述PWM信号输出部构成为，输出各周期的终端与各脉冲的终端一致的PWM信号。
在本发明的供电控制装置中，其特征在于，所述各脉冲的终端附近是从自该终端回溯对应的周期的1％以内的时间段而得到的时刻起至该终端为止的期间。
在该供电控制装置中，PWM信号的各脉冲的终端附近是从自该终端回溯对应的周期的1％以内的时间段而得到的时刻起至该终端为止的期间。
发明效果
根据本发明，在流过冲击电流的情况下半导体开关元件不变成断开，并且在达到电线冒烟的流通电流值之前，能够将半导体开关元件设为断开。
附图说明
图1是示出以往的供电控制装置的过电流保护特性以及电线的冒烟特性的例子的特性图。
图2是示出供电控制装置的实施方式的概略结构的框图。
图3是示出通过电阻对电流检测部输出的分流电流进行转换而得到的电压的电压波形的例子的波形图。
图4是示出供电控制装置的过电流保护特性以及电线的冒烟特性的例子的特性图。
具体实施方式
下面，对本发明基于示出其实施方式的附图来进行说明。
图2是示出供电控制装置的实施方式的概略结构的框图。
该供电控制装置具备微机1、驱动电路3、过电流保护部4、电流检测部5、半导体开关元件6、分流电阻8、电阻11、12以及电容器13。
半导体开关元件6是N沟道型的FET(Field Effect Transistor，场效应晶体管)。关于半导体开关元件6，将作为电源的电池7的正极连接到漏极，通过分流电阻8将负载10的正端子连接到源极。电池7的负端子和负载10的负端子接地。
将驱动电路3连接到半导体开关元件6的栅极，驱动电路3基于从微机1的输出端子15提供的PWM信号，将半导体开关元件6设为接通或者断开。PWM信号由高电平电压以及低于高电平电压的低电平电压构成，在PWM信号中，高电平电压以及低电平电压交替地重复。驱动电路3在PWM信号表示高电平电压的情况下，将半导体开关元件6设为接通，在PWM信号表示低电平电压的情况下，将半导体开关元件6设为断开。这样，半导体开关元件6的开关通过PWM控制来进行。PWM控制依照PWM信号来进行。
驱动电路3使以接地电位为基准的半导体开关元件6的栅极的电压上升。由此，在半导体开关元件6中，以源极的电位为基准的栅极的电压成为一定电压以上，半导体开关元件6接通。在半导体开关元件6接通的情况下，电流从电池7的正端子依次流过半导体开关元件6、分流电阻8以及负载10，电池7经由半导体开关元件6对负载10供给电力。
另外，驱动电路3使以接地电位为基准的半导体开关元件6的栅极的电压降低。由此，在半导体开关元件6中，以源极的电位为基准的栅极的电压低于一定电压，半导体开关元件断开。在半导体开关元件6断开的情况下，电流不流过半导体开关元件6的漏极和源极之间，向负载10的供电停止。
分流电阻(电流电路)8的两端子分别连接到电流检测部(电流电路)5。电流值与在分流电阻8中流通的电流的电流值成比例的分流电流从电流检测部5输出。例如，分流电流的电流值是在分流电阻8中流通的电流的电流值的规定数分之一。因此，经由半导体开关元件6以及分流电阻8流过的电流的电流值越大，则分流电流的电流值越大。电流检测部5输出的分流电流通过电阻11流到接地端子，进行分流电流的电流/电压转换。
将电阻12以及电容器13串联连接而成的低通滤波器并联连接到电阻11。电阻11、电阻12以及电容器13构成滤波器电路。
电阻11进行分流电流的电流/电压转换，转换而得到的电压由低通滤波器(12、13)进行滤波。将低通滤波器(12、13)进行滤波后的电压提供给过电流保护部4以及微机1。分流电流的电流值越大，则低通滤波器(12、13)进行滤波后的电压的电压值越大。
过电流保护部(过电流保护电路)4在低通滤波器(12、13)进行滤波后的电压的电压值超过相当于过电流的规定电压值的情况下，通过驱动电路3将半导体开关元件6设为断开而进行保护。此时，驱动电路3无论微机1输出的PWM信号如何，都将半导体开关元件6设为断开。驱动电路3在低通滤波器(12、13)进行滤波后的电压的电压值为规定电压值以下的情况下，基于从微机1的输出端子15提供的PWM信号，将半导体开关元件6设为接通或者断开。
微机1具有将模拟值转换成数字值的A/D(Analog/Digital，模/数)转换部14、2以及输出端子15。微机1在从输出端子15输出的PWM信号的各脉冲的终端附近的时机，通过A/D转换部2取得低通滤波器(12、13)进行滤波后的电压的电压值(电压检测部)。在这里，期望的是，各脉冲的终端附近是指从自该终端回溯对应的周期的1％以内的时间段而得到的时刻起至该终端为止的期间。例如，在PWM信号的周期是100ms的情况下，脉冲终端附近是脉冲的终端到来之前的1ms的期间。此外，对于各脉冲的终端附近，也可以包括终端前后的期间。
微机1基于由A/D转换部2取得的电压值，推断与半导体开关元件6一起供电流流通的电线的电线温度(温度推断部)。将半导体开关元件6以及分流电阻8设置于电线的中途。此外，作为推断电线温度的推断方法，例如能够使用专利文献1所记载的通过车辆用的电线保护装置进行的推断方法。
微机1在所推断出的电线温度超过规定温度的情况下，通过输出端子15以及驱动电路3，将半导体开关元件6设为断开(电线保护部)。此时，微机1通过将PWM信号所表示的电压切换成低电平电压，从而将半导体开关元件6设为断开。其后，微机1将PWM信号所表示的电压维持于低电平电压。
微机1通过A/D转换部14取得作为电源的电池7的电压值(以下，记载为电源电压值)。微机1基于所取得的电源电压值以及应该施加到负载10的规定电压值，计算PWM信号的占空比。微机1例如通过计算公式、(规定电压值/电源电压值)×100％来计算占空比。
微机1将基于所计算出的占空比的PWM信号从输出端子15输出并提供给驱动电路3。此时，PWM信号的占空比与通过微机1计算出的占空比一致。占空比表示在1个周期内PWM信号表示高电平电压的期间的比例。在微机1通过上述计算公式计算出占空比的情况下，即使在电源电压值发生变动时，施加到负载10的电压的平均电压值也维持于规定电压值。
此外，微机1从输出端子15输出各周期的终端与各脉冲的终端一致的PWM信号。即，在PWM信号中，通过调整从低电平电压切换成高电平电压的时刻，从而调整占空比，周期性地进行从高电平电压向低电平电压的切换。
驱动电路3基于从微机1提供的PWM信号，如上所述，将半导体开关元件6在接通和断开之间进行切换。因此，关于半导体开关元件6的开关，通过调整从断开向接通的切换时刻，从而调整占空比，周期性地进行从接通向断开的切换。
下面，说明这样构成的供电控制装置的动作。
微机1通过A/D转换部14，取得电池7的电压值。接下来，微机1基于所取得的电源电压值和规定电压值，计算PWM信号的占空比，从输出端子15输出基于所计算出的占空比的PWM信号。
驱动电路3基于从微机1提供的PWM信号，将半导体开关元件6设为接通或者断开。
电流检测部5输出电流值与在半导体开关元件6中流通而提供给负载10的电流的电流值成比例的分流电流，所输出的分流电流通过电阻11转换成电压。通过电阻11转换而得到的电压通过低通滤波器(12、13)进行滤波。
图3是示出通过电阻11对电流检测部5输出的分流电流进行转换而得到的电压的电压波形的例子的波形图。在这里，A是通过低通滤波器(12、13)进行滤波后的电压的电压波形的例子，B是不存在低通滤波器(12、13)而未进行滤波的情况下的电压波形的例子。
过电流保护部4在通过低通滤波器(12、13)进行滤波后的电压的电压值超过相当于半导体开关元件6的过电流的规定电压值的情况下，通过驱动电路3将半导体开关元件6设为断开。此时，驱动电路3无论PWM信号如何，都将半导体开关元件6设为断开。
低通滤波器(12、13)对通过电阻11转换而得到的电压进行滤波。因此，在冲击电流流过负载10的情况下，抑制电阻11转换而得到的电压的峰值电压。其结果是，能够防止在流过冲击电流的情况下半导体开关元件6断开。
如上所述，通过低通滤波器(12、13)进行滤波后的电压的电压值通过从电流检测部5输出的分流电流的电流值与电阻11的两端间的电阻值之积来表示。蓄积于电容器13的电力越大，则电阻11的两端间的电阻值越大。在电容器13所蓄积的电力是零的情况下，电阻11的两端间的电阻值与将电阻11、12并联连接而成的并联电路的电阻值大致一致，为最小。另外，将电力蓄积到电容器13，在电容器13的两端间的电压与电阻11的两端间的电压一致的情况下，电阻11的两端间的电阻值与电阻11的电阻值大致一致，为最大。
在半导体开关元件6接通的情况下，对电容器13进行充电，在半导体开关元件6断开的情况下，电流从电容器13依次流过电阻12、11，电容器13放电。在为了启动负载10而半导体开关元件6从断开变成接通的时刻下，由于半导体开关元件6断开的期间长，因此，蓄积于电容器13的电力非常少。因此，电阻11的两端间的电阻值非常小。其结果是，通过低通滤波器(12、13)进行滤波后的电压的电压值成为规定电压值所需的分流电流的电流值大。如上所述，从电流检测部5输出的分流电流的电流值与流过分流电阻8的电流的电流值成比例。因此，为了启动负载10，在半导体开关元件6从断开变成接通的情况下，与能够经由半导体开关元件6流过的电流的电流值相关的上限值大。
微机1输出的PWM信号的波形的形状与图3所示的B的波形的形状大致一致。如上所述，微机1在PWM信号的各脉冲的终端附近的时机，通过A/D转换部2取得低通滤波器(12、13)进行滤波后的电压的电压值。各脉冲的终端附近例如是从自该终端回溯周期T的1％以内的时间段而得到的时刻起至该终端为止的期间。各脉冲的终端附近的时机与在图3中箭头所示的时机一致。此外，微机1从输出端子15输出的PWM信号如上所述，各周期T的终端与各脉冲的终端一致。
在半导体开关元件6断开的情况下，从电流检测部5不输出电流，因此，电容器13放电，低通滤波器(12、13)进行滤波后的电压的电压值缓缓降低。在半导体开关元件6接通的情况下，从电流检测部5输出分流电流，因此，对电容器13进行充电，低通滤波器(12、13)进行滤波后的电压的电压值缓缓上升。
如上所述，微机1在PWM信号的各脉冲的终端附近的时机，取得低通滤波器(12、13)进行滤波后的电压的电压值。因此，微机1能够取得低通滤波器(12、13)进行滤波后的电压的电压值的大致最大值。该最大值表示比流过电线的电流的实际电流值(平均电流值)大的电流值。
微机1基于由A/D转换部2取得的电压值，推断与半导体开关元件6一起供电流流通的电线的电线温度。微机1在所推断出的电线温度超过规定温度的情况下，通过输出端子15，将半导体开关元件6设为断开。此时，微机1通过将PWM信号所表示的电压切换成低电平电压，从而将半导体开关元件6设为断开。
在这里，如上所述，基于表示比流过电线的电流的实际电流值(平均电流值)大的电流值的电压值来推断电线温度，因此，在电线冒烟之前，能够将半导体开关元件6可靠地设为断开。
其中，根据低通滤波器的时间常数、PWM信号的周期T以及占空比的关系，微机1有可能取得表示比平均电流值小的电流值的电压值。因此，关于预先设定的低通滤波器的时间常数以及PWM信号的周期T，需要预先确定能够使用的最小占空比。
图4是示出该供电控制装置的过电流保护特性以及电线的冒烟特性的例子的特性图。在该特性图中，在纵轴上示出电线的流通电流值，在横轴上示出时间或者流通电流的连续流通时间。关于包括冲击电流在内的负载电流的波形F，在横轴上示出时间。另外，在表示流通电流值以及流通时间的点相比电线冒烟特性曲线C存在于右上方的情况下，电线的包覆材料由于过热而冒烟。电线冒烟特性曲线C表示在表示电流流动了流通时间的情况下的电线温度的曲线中开始冒烟的电线温度。
在该供电控制装置中，在电线冒烟特性曲线C的稍低温侧(低电流侧、短时间侧)确定表示基于温度运算的经由微机1的切断阈值的曲线D。在该情况下，如电线冒烟特性C所示，流通电流值越大，则达到电线冒烟的流通时间越短。
另外，在该供电控制装置中，需要用于运算电线温度的时间。因此，表示基于温度运算的切断阈值的曲线D在流通时间例如为10毫秒以下的区域中未设定。
另外，过电流保护部4的阈值(规定电压值)G确定为比流通时间是10毫秒的情况下的基于微机1的温度运算的切断阈值稍低的电流值。
在这里，过电流保护部4的阈值G是恒定的，但通过低通滤波器(CR滤波器)(12、13)将冲击电流的峰值电压抑制为不超过电线冒烟特性C。实质上过电流保护部4的阈值G变高通过低通滤波器(12、13)抑制的电压量。此外，未被抑制峰值电压的冲击电流流通过半导体开关元件6。
通过以上所述，在未设定切断阈值D的区域中，过电流保护部4的阈值G不超过电线冒烟特性C。因此，在该区域中，也是流通电流值在达到电线冒烟特性C之前，无论流通时间多少，都能够超过阈值G。因此，通过该供电控制装置，能够无遗漏地保护半导体开关元件6以及电线免受包括冲击电流在内的负载电流F的影响。
应该认为，本实施方式在所有方面都是示例性的，并非限制性的。本发明的范围不通过上述说明而是通过权利要求书来表示，旨在包括与权利要求书等同的含义以及范围内的全部变更。
标号说明
1 微型计算机(PWM信号输出部、温度推断部、电线保护部)
2 A/D转换部(电压检测部)
3 驱动电路
4 过电流保护部(过电流保护电路)
5 电流检测部(电流电路)
6 半导体开关元件
7 电池
8 分流电阻(电流电路)
10 负载
11、12 电阻(滤波器电路)
13 电容器(滤波器电路)
14 A/D转换部
15 输出端子

Claims (3)

1.一种供电控制装置，其特征在于，具备：
半导体开关元件，通过PWM控制进行开关动作；
PWM信号输出部，输出与所述PWM控制相关的PWM信号；
电流电路，输出与流通过所述半导体开关元件的电流相关联的电流；
滤波器电路，将该电流电路输出的电流转换成电压，并对转换而得到的电压进行滤波；
过电流保护电路，基于该滤波器电路进行滤波后的电压的电压值，将所述半导体开关元件设为断开；
电压检测部，在所述PWM信号的各脉冲的终端附近的时机，检测所述滤波器电路进行滤波后的电压的电压值；
温度推断部，基于该电压检测部检测出的电压值，推断与所述半导体开关元件一起供电流流通的电线的温度；以及
电线保护部，基于该温度推断部推断出的温度，将所述半导体开关元件设为断开。
2.根据权利要求1所述的供电控制装置，其特征在于，
所述PWM信号输出部构成为，输出各周期的终端与各脉冲的终端一致的PWM信号。
3.根据权利要求1或2所述的供电控制装置，其特征在于，
所述各脉冲的终端附近是从自该终端回溯对应的周期的1％以内的时间段而得到的时刻起至该终端为止的期间。
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