JP2004274900A

JP2004274900A - 直流昇圧装置およびエアバッグシステム

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Publication number: JP2004274900A
Application number: JP2003063118A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Imamura; 寧男今村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】低コスト化や小型化を達成しつつスイッチング素子の保護を図れる直流昇圧装置を提供する。
【解決手段】本発明の直流昇圧装置は、直流電源１と、コイル２３とスイッチング素子２４とコンデンサ２２とダイオード２１とからなる昇圧回路２と、スイッチング素子２４をＯＮ／ＯＦＦさせるスイッチ駆動手段を有し昇圧回路２を制御する制御回路６とを備えた直流昇圧装置Ｓにおいて、前記制御回路６は、前記スイッチング素子２４に印加される素子電圧Ｖ１を検出する電圧検出手段と、この素子電圧Ｖ１に基づいて昇圧回路２の異常状態を判定する異常判定手段と、昇圧回路２の異常状態が判定されたときにスイッチ駆動手段によるスイッチング素子２４のＯＮ／ＯＦＦ動作を停止させるスイッチ停止手段とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、昇圧回路のスイッチイング素子等に過電流が流れるのを防止する直流昇圧装置およびこれを備えたエアバッグシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータやその周辺の電子回路等からなる電子機器は、想定外の過電圧が印加されたり過電流が流れると破壊、焼損等するため、許容電圧や許容電流が設定されている。これは、例えば、昇圧回路を備えた直流昇圧装置においてもいえることである。
【０００３】
直流昇圧装置は、図３または図４に示すように、直流電源１と、この直流電源１から電源電圧が入力される昇圧回路２と、この昇圧回路を制御する制御回路６と、その昇圧回路２から昇圧された出力電圧が印加される負荷回路７とからなる。この内、昇圧回路２は、コイル（インダクタ）２３と、このコイル２３に流れる電流を切替えるＦＥＴ等のスイッチイング素子２４と、コイル２３の出力側に並列接続されたコンデンサ２２と、コイル２３からコンデンサ２２へのみ電流をダイオード２１とから主になる。この昇圧回路２の場合、スイッチイング素子２４をＯＮすると、コイル２３からスイッチイング素子２４を介して電流が流れる。この電流によってコイル２３に電磁エネルギーが蓄えられ、スイッチイング素子２４をＯＦＦした際に電磁エネルギーがダイオード２１を介してコイル２３からコンデンサ２２側へ放出され、コンデンサ２２に充電されることで昇圧される。そして、コンデンサ２２から外部回路へ昇圧された出力電圧が印加される。
【０００４】
ここで、例えば、コイル２３の一部または全部が短絡（インダクタショートまたはインダクタレアショート）した場合、一時的にしろ、コイル２３に逆起電力が生じなくなる結果、スイッチイング素子２４がＯＮすると、入力電圧がスイッチイング素子２４に印加されることとなる。この結果、スイッチイング素子２４には許容電圧以下の電圧が印加さるものの、過電流が流れてスイッチイング素子２４は破壊され得る。
このような事態を回避するため、図３に示すように、スイッチイング素子の入力側に抵抗（シャンク抵抗）２９を設けて、この抵抗２９の両端電圧を検出することによって、昇圧回路の異常状態を判定していた。また、図４に示すように、その電圧検出用の抵抗に加えて、スイッチイング素子に流れる電流が一定となるように、カレントミラー回路Ｃを付加したものもあった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１７６６４１号公報
【特許文献２】
特開２００２−３４５２３７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような抵抗２９の配設やカレントミラー回路Ｃの追加は、電子機器の小型化や低コスト化が求められる昨今の要請に反する。
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、昇圧回路のスイッチイング素子等に過電流が流れるのを防止しつつ、小型化や低コスト化を図れる直流昇圧装置およびこれを備えたエアバッグシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、従来設けていたシャンク抵抗等を廃止して、スイッチイング素子自体をシャンク抵抗等の代替とすることを思い付き、これを発展させて本発明を完成させるに至ったものである。
すなわち、本発明の直流昇圧装置は、直流電源と、該直流電源に接続されたコイルと該コイルに流れる電流を高速切替するスイッチング素子と該コイルの出力側に並列接続されたコンデンサと該コイルから該コンデンサへのみ電流を流すダイオードとからなる昇圧回路と、該スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせるスイッチ駆動手段を有し該昇圧回路を制御する制御回路と、を備えた直流昇圧装置において、
前記制御回路は、前記スイッチング素子に印加される素子電圧を検出する電圧検出手段と、該検出された素子電圧に基づいて前記昇圧回路の異常状態を判定する異常判定手段と、該昇圧回路の異常状態が判定されたときに前記スイッチ駆動手段によるスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を停止させるスイッチ停止手段と、を備えることを特徴とする（請求項１）。
【０００８】
本発明の場合、電圧検出手段は、スイッチング素子に印加される素子電圧を直接検出する。つまり、電圧検出用の抵抗を別途設けていない。このため、その分、直流昇圧装置の小型化や低コスト化を図れる。
検出用の抵抗を設けずに、素子電圧の検出が可能となったのは、スイッチング素子自体の抵抗を利用したためである。すなわち、スイッチング素子を流れる電流量に応じて、その両端には電位差が生じるところ、この電圧を素子電圧として検出するようにしたからである。
【０００９】
なお、素子電圧の検出精度は、高精度の検出用抵抗を設けた場合に比べれば、劣る場合もあり得るが、その検出精度に応じた許容範囲（公差）を設定することで何ら問題はない。また、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの周波数を従来よりも大きくする（つまり、周期を短くする）ことで、１周期あたりにコイルに蓄えられる電磁エネルギーを小さくすると、その分、スイッチング素子に印加される素子電圧も小さくなる。これにより、上記検出精度が多少低下したとしても、スイッチング素子に過電流が流れることはほとんどない。その周波数として、例えば、従来、数十ｋＨｚ程度だったものを１００〜５００ｋＨｚ程度にすれば良い。
そして、この電圧検出手段によって検出された素子電圧に基づき、異常判定手段によって昇圧回路が異常状態であると判定された場合、スイッチ停止手段がスイッチ駆動手段によるスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを停止させる。このような各手段は、制御回路中に設けたコンピュータがプログラム処理を行うことや昇圧回路の制御ブロックを構成するＩＣ等で達成される。
【００１０】
上記異常判定手段による昇圧回路の異常状態の判定方法は複数考えることができる。例えば、前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作に伴って生じる素子電圧の電圧変化量が所定変化量よりも小さいときに、異常判定手段は前記昇圧回路を異常状態と判定しても良い（請求項２）。
これは、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦによって、正常時、素子電圧が大きく変化することに着眼して、その変化量が小さいときに異常判定を行うものである。
【００１１】
この他、異常判定手段は、前記スイッチング素子がＯＮ状態にあって、前記素子電圧が所定電圧以上となったときに前記昇圧回路を異常状態と判定しても良い（請求項３）。
これは、スイッチング素子がＯＮしているとき、昇圧回路が正常なら、素子電圧は相応の低い電圧となる。しかし、コイルの短絡等が生じている場合、スイッチング素子がＯＮ状態にあるにも拘らず、素子電圧が所定電圧以上の高い電圧となる場合がある。異常判定手段は、このような場合に異常判定を行う。
なお、この所定電圧は、例えば、スイッチング素子の許容電流とスイッチング素子の抵抗値とから算出される（請求項４）。単に許容電流と抵抗値とを掛算したものでも良いが、安全率を見込んでマージンを設けておいても良い。
【００１２】
（エアバッグシステム）
本発明は、上記直流昇圧装置に限らず、これを組込んだエアバッグシステムとしても把握できる。
すなわち、本発明のエアバッグシステムは、ガスが充填されることにより展開するバッグと、該ガスを発生させるインフレータと、直流電源と、該インフレータを点火させるスクイブを有し該スクイブに点火電流を供給する点火回路と、該直流電源に接続されたコイルと該コイルに流れる電流を高速切替するスイッチング素子と該コイルの出力側に並列接続されたコンデンサと該コイルから該コンデンサへのみ電流を流すダイオードとからなる昇圧回路と、該点火回路を制御すると共に該スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせるスイッチ駆動手段を有し該昇圧回路を制御する制御回路とを備えてなり、車両の衝突時に得られる衝突信号に基づいて該制御回路が該点火回路を介して該インフレータを点火させ該バッグを展開させるエアバッグシステムにおいて、
前記制御回路は、前記スイッチング素子に印加される素子電圧を検出する電圧検出手段と、該検出された素子電圧に基づいて前記昇圧回路の異常状態を判定する異常判定手段と、該昇圧回路の異常状態が判定されたときに前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を停止させるスイッチ停止手段と、を備えることを特徴とする（請求項５）。
なお、本明細書でいうスイッチング素子には、通常のトランジタス（Ｔｒ）の他、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等が使用される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態であるエアバッグシステムＳについて以下説明する。
エアバッグシステムＳは、図１に示すように、車両衝突時等にガスが充填して展開するバッグ９と、このバッグ９を展開させるためのガスを発生させるインフレータ８と、このインフレータ８に着火するスクイブへ点火電流を流すか否かの制御やシステムの故障や異常等の対応をする電子制御装置（ＥＣＵ）とからなる。なお、スクイブはインフレータ８と共にバッグ９内側に組込まれている。
【００１４】
ＥＣＵは、バッテリ１（直流電源）を電源としてそのバッテリ電圧Ｖ０を昇圧する昇圧回路２と、この昇圧回路２によって昇圧された電圧がコンデンサ２２に印加され、このコンデンサ２２から電力供給されてスクイブに点火電流を供給する点火回路４と、昇圧回路２および点火回路４を制御する制御回路６とからなる。点火回路４等は周知であるので、ここでは、本発明に係る昇圧回路２および制御回路６等について詳細に説明する。
昇圧回路２は、ダイオード２１と、上記コンデンサ２２と、コイル２３（インダクタ）と、コイル２３を流れる電流を高速で切替えるＦＥＴ（スイッチング素子）よりなるスイッチ２４、コンデンサ２５およびダイオード２６〜２８とからなる。
【００１５】
この昇圧回路２は、イグニッションスイッチがＯＮされると、バッテリ１からバッテリ電圧Ｖ０が入力される。そして、スイッチ２４が制御回路６によって高速で切替制御されることで、バッテリ電圧Ｖ０（１２〜１４Ｖ）が規定の出力電圧Ｖ２（例えば、２３Ｖ）まで昇圧される。
制御回路６は、バッテリ１のバッテリ電圧Ｖ０を検出してＡ／Ｄ変換する検出器６０と、スイッチ２４に印加されるスイッチ電圧Ｖ１（素子電圧）を検出してＡ／Ｄ変換する検出器６１と、ダイオード２１以降の出力電圧Ｖ２を検出してＡ／Ｄ変換する検出器６２と、スイッチ２４等を駆動する基本波を発生する発振器６３と、これらから得られた各種入力信号に基づき、スイッチ２４のＯＮ／ＯＦＦ制御（ＰＷＭ制御）するコンピュータ６４とからなる。検出器６１は本発明でいう電圧検出手段に相当し、本発明でいう異常判定手段およびスイッチ駆動手段およびスイッチ停止手段はコンピュータ６４によって構成される。
【００１６】
次に、このエアバッグシステムＳの昇圧回路２を作動させたときの、スイッチ２４のＯＮ／ＯＦＦと、上記スイッチ電圧Ｖ１と、出力電圧Ｖ２およびスイッチ２４に流れるスイッチ電流Ｉのタイムチャートの一例を図２に示した。
ここで昇圧回路２が正常なとき、スイッチ２４をＯＮすると、コイル２３からスイッチ２４へ電流が流れる。これにより、スイッチ電圧Ｖ１が急減し、スイッチ電流Ｉは一定の割合で増加していく。そして、本実施形態では、スイッチ電流Ｉが許容電流Ｉｏを超える手前でスイッチ２４がＯＦＦされるように、スイッチ２４はＰＷＭ制御されている（スイッチ駆動手段）。スイッチ２４がＯＦＦされると、当然にスイッチ２４を流れる電流は無くなり（つまり、スイッチ電流Ｉ＝０）となり、スイッチ電圧Ｖ１は急増する。このような動作を繰返すことで、出力電圧Ｖ２は図２のように、一定範囲に昇圧される。
【００１７】
ところで、図２の中央右寄りに示すように、例えば、コイル２３の一部が短絡（レアショート）した場合、スイッチ２４をＯＮした際のスイッチ電圧Ｖ１の電圧変化量は小さくなる。コンピュータ６４は、この電圧変化量の変動幅によって、昇圧回路２の異常状態を判定する（異常判定手段）。そして、この変動幅が所定値よりも小さくなると、これまでＰＷＭ制御していたスイッチ２４の駆動を停止させる（スイッチ停止手段）。なお、コンピュータ６４は、スイッチ２４をＯＮした際のスイッチ電圧Ｖ１の下限値をモニタして、その下限値が所定値以上となったときに上記のような異常判定を行っても良い。さらには、スイッチ２４がＯＮしている際に、スイッチ電圧Ｖ１がＦＥＴの許容電圧Ｖｏ（所定電圧）以上となったときに上記のような異常判定を行っても良い。なお、この許容電圧Ｖｏは、許容電流Ｉｏとスイッチ２４の抵抗値Ｒとの積により求めた。
【００１８】
ここでは、昇圧回路２の異常検出がされた場合に、一律にスイッチ２４のＯＮ／ＯＦＦを停止させることとしたが、図２に示すレアショートのような場合、昇圧目標電圧が得られ、かつ、スイッチ２４に過電流が流れない範囲で、スイッチ２４のＯＮ時間を短縮して対応することも可能である（ＯＮ時間短縮手段）。
もっとも、図２の右端側に示すように、コイル２３の全体が短絡したような場合、スイッチ２４には、許容電流Ｉｏを超える過電流が当初より流れるため、スイッチ２４のＯＮ／ＯＦＦを一律に停止させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態であるエアバッグシステムの要部回路図である。
【図２】そのタイムチャートである。
【図３】従来の直流昇圧装置の要部回路図である。
【図４】従来の直流昇圧装置の要部回路図である。
【符号の説明】
１バッテリ（直流電源）
２昇圧回路
２４スイッチ（スイッチング素子）
４点火回路
６制御回路
６１検出器（電圧検出手段）
６２コンピュータ
Ｖ１スイッチ電圧（素子電圧）
Ｖ２出力電圧
Ｓエアバッグシステム（直流昇圧装置）

Claims

直流電源と、
該直流電源に接続されたコイルと該コイルに流れる電流を高速切替するスイッチング素子と該コイルの出力側に並列接続されたコンデンサと該コイルから該コンデンサへのみ電流を流すダイオードとからなる昇圧回路と、
該スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせるスイッチ駆動手段を有し該昇圧回路を制御する制御回路と、を備えた直流昇圧装置において、
前記制御回路は、前記スイッチング素子に印加される素子電圧を検出する電圧検出手段と、
該検出された素子電圧に基づいて前記昇圧回路の異常状態を判定する異常判定手段と、
該昇圧回路の異常状態が判定されたときに前記スイッチ駆動手段によるスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を停止させるスイッチ停止手段と、
を備えることを特徴とする直流昇圧装置。
前記異常判定手段は、前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作に伴って生じる前記素子電圧の電圧変化量が所定変化量よりも小さいときに前記昇圧回路を異常状態と判定する請求項１に記載の直流昇圧装置。
前記異常判定手段は、前記スイッチング素子がＯＮ状態にあり、前記素子電圧が所定電圧以上となったときに前記昇圧回路を異常状態と判定する請求項１に記載の直流昇圧装置。
前記所定電圧は、前記スイッチング素子の許容電流と該スイッチング素子の抵抗値とから算出されたものである請求項３に記載の直流昇圧装置。
ガスが充填されることにより展開するバッグと、
該ガスを発生させるインフレータと、
直流電源と、
該インフレータを点火させるスクイブを有し該スクイブに点火電流を供給する点火回路と、
該直流電源に接続されたコイルと該コイルに流れる電流を高速切替するスイッチング素子と該コイルの出力側に並列接続されたコンデンサと該コイルから該コンデンサへのみ電流を流すダイオードとからなる昇圧回路と、
該点火回路を制御すると共に該スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせるスイッチ駆動手段を有し該昇圧回路を制御する制御回路とを備えてなり、
車両の衝突時に得られる衝突信号に基づいて該制御回路が該点火回路を介して該インフレータを点火させ該バッグを展開させるエアバッグシステムにおいて、
前記制御回路は、
前記スイッチング素子に印加される素子電圧を検出する電圧検出手段と、
該検出された素子電圧に基づいて前記昇圧回路の異常状態を判定する異常判定手段と、
該昇圧回路の異常状態が判定されたときに前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を停止させるスイッチ停止手段と、
を備えることを特徴とするエアバッグシステム。