JP2005137190A - 電力用スイッチのためのバッテリ逆接続の保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 バッテリ逆接続の場合に電力用スイッチを保護するための回路を提供すること。
【解決手段】 電力用スイッチ１０はボディーダイオード１０Ａを有するＭＯＳＦＥＴを含み、ＭＯＳＦＥＴは負荷２０と直列に接続される。回路は、回路に接続されたバッテリの正ＶＤＤと負ＶＳＳのそれぞれに通常（normally）接続可能な端子を含み、バッテリ逆接続で端子が接続される場合に切り換え回路が電力用スイッチ１０をオンに切り換えるように端子に結合した切り換え回路を含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は電力用スイッチのための保護回路に関し、特に、電力用スイッチのためのバッテリ逆接続保護回路に関する。

電力用スイッチは電気的負荷、例えば電気モータといった負荷を切り換えるために使用される。図１を参照すると、ＭＯＳＦＥＴを有する電力用スイッチを作動させるドライバ３０を示す単純化された先行技術の回路が示されている。このＭＯＳＦＥＴは、電気モータを含む可能性のある負荷２０を切り換える。自動車用途では、負荷と電力用スイッチはバッテリ接続を跨いで直列に設けられる。ＭＯＳＦＥＴ電力用スイッチ１０は、通常の動作でバッテリが図１に示したように接続されるときに逆バイアスされるボディーダイオード１０Ａを有する。しかし、図２に示したように、バッテリ接続が不注意で逆接続されたとボディーダイオード１０Ａが導通し、その比較的高い順方向電圧降下のため、かなりの量の電力を消費し、それがスイッチングデバイス１０の破壊につながる可能性がある。例えば、図１に示したようにバッテリが適切に接続されたとき、負荷を通過する電流を約１０アンペア、半導体スイッチ１０のＲＤＳｏｎを約１０ミリオームと仮定すると半導体スイッチ１０の電力損失は約１ワット程度である。バッテリの不適切な取り付け、または不良品バッテリの良品バッテリからの逆流ジャンピング（reverse jumping）時に偶然に起こる可能性がある逆バッテリ接続で、バッテリが不適切に接続された場合、図２に示したように順方向バイアスされるスイッチのボディーダイオード内で消費される電力は約６ワットであり、ダイオードの順方向電圧降下は６ボルト、電流は１０アンペアのままであると考えられる。

この６倍の電力損失はスイッチングデバイスを破壊する可能性がある。
したがって本発明の目的は、バッテリが逆接続された場合に半導体のスイッチングデバイスへの損傷を防止するバッテリ逆接続保護回路を提供することである。

本発明の目的は、バッテリ逆接続（reverse battery connection）の場合に電力用スイッチを保護するための回路によって達成される。電力用スイッチはボディーダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを含み、このＭＯＳＦＥＴは負荷と直列に接続される。この回路は、この回路に接続されたバッテリの正と負のそれぞれに通常（normally）接続可能な端子を含む。この回路は、これらの端子がバッテリ逆接続で接続される場合に切り換え回路が電力用スイッチをターンオンするように端子に結合された切り換え回路を含む。

本発明の目的はまた、バッテリ逆接続の場合に電力用スイッチを保護するための方法によって達成される。電力用スイッチはボディーダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを含み、このＭＯＳＦＥＴは負荷と直列に接続される。この方法は、バッテリの正と負のそれぞれに通常（normally）接続可能な端子を保護回路に設けるステップ、およびこれらの端子がバッテリ逆接続で接続される場合に切り換え回路が電力用スイッチをオンに切り換えるようにこれらの端子に結合した切り換え回路を設け、それによってボディーダイオードの導通を防止するステップを含む。

本発明のその他の特徴および利点は、添付の図面を参照する本発明の以下の説明から明らかになるであろう。

ここで図面を参照しながら以下の詳細説明で本発明をさらに詳しく説明する。

ここで図面を参照すると、図３は本発明によるバッテリ逆接続保護回路を示している。電力用スイッチは、やはり参照番号１０によって示される。ボディーダイオードは１０Ａで表示されている。負荷２０は電力用スイッチと直列に接続される。

本発明は、バッテリ逆接続の場合に電力用スイッチ１０をオンに切り換える回路を提供する。これはボディーダイオード１０Ａの導通および電力損失を防止することになる。負荷は逆の電流方向に電圧印加されるが、ボディーダイオードが導通せず、かつスイッチ１０で消費される電力は、スイッチが適切なバッテリ接続下にあるときスイッチ１０で消費されるはずのものと同じ電力であるため、概してこれはいかなる損傷も引き起こさない。

基本的なバッテリ逆接続保護回路はＭＯＳＦＥＴＭ１およびＭ２あたりに基づくものである。

図３を参照すると、端子ＳＴは、通常、低抵抗Ｒ１を通して論理グラウンドに接続される。負荷２０は電源グラウンドに接続される。ＶＤＤはバッテリからの電圧を表わし、通常では１２〜１４ボルトである。適切なバッテリ接続状況下では、ＶＤＤは１２〜１４ボルトであり、ＳＴはグラウンドレベルにある。これらの環境下では、線路２５に接続されたＭＯＳＦＥＴ Ｍ３のゲートはローレベルであり、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ３はオフである。ＭＯＳＦＥＴ Ｍ４はＭ３のゲートをローレベルに保っている。これは線路２７をフローティングとし、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１のゲート（線路２５）をローレベルにさせ、その結果、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１はオフになる。また、ゲートをＶＤＤに接続されたＭＯＳＦＥＴ Ｍ２はオンになってＭＯＳＦＥＴ Ｍ１のゲートのローレベル、したがってオフを確実化する。したがって、電力用スイッチ１０を作動させるドライバ３０が電力用スイッチ１０をその通常モードで動作させて負荷２０を作動させる。

さらに、トランジスタ５０がオフに維持されるので複数のＭＯＳＦＥＴ ４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃおよび４０Ｄを含むチャージポンプ回路４０はオフに維持される。

バッテリ逆接続の下では、ＶＤＤがグラウンドにあり、ＳＴが通常５〜１４ボルトの正電圧レベルにある。結果として、線路２５がハイレベルになってＭＯＳＦＥＴ Ｍ３をオンに切り換える。ＭＯＳＦＥＴ Ｍ４はオフである。したがって、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１のゲートはハイレベルであり、Ｍ３がオンであるから線路２７もやはりハイレベルである。したがって、Ｍ１がオンになり線路２７上のハイレベル信号を電力用ＭＯＳＦＥＴスイッチングデバイス１０のゲートに供給させてそれをオンに切り換え、それにより、バッテリ逆接続がボディーダイオード１０Ａを導通させるのを防止し、これは電力用スイッチ１０がオンのときに導通することができない。バッテリ逆接続により負荷と電力用ＭＯＳＦＥＴ１０を介して導通するが、ボディーダイオード１０Ａは導通しない。

さらに、チャージポンプ回路４０はＭＯＳトランジスタ４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃと４０Ｄ、およびコンデンサ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃおよび５０Ｄを含んで設けることが可能である。チャージポンプ回路４０は、ローレベルのバッテリ逆接続でＭＯＳＦＥＴをオンにするには電圧降下が大きくなり過ぎる可能性のあるバルク効果に起因する電圧降下を回避するために設けられる。チャージポンプ回路４０はバッテリ逆接続のときにのみ動作する。バッテリが逆接続されると、トランジスタ５０がチャージポンプ回路４０の充電をＳＴとＶＤＤの間で可能にする。通常のバッテリ接続時では、Ｍ１のゲートはトランジスタＭ２によってソース接続Ｓ２に短絡され、それによってＭ１がオンに切り換わるのを防ぐ。

さらに、さらなるトランジスタであるバイポーラトランジスタ７０および電流源６０を設ることができる。ドライバ出力のゲートがソースＳ２に短絡するのを防止するために設けられる。

ドライバ３０の基板に接続されるソースＳ２が約０．６Ｖより高いと、ドライバ３０の出力トランジスタ（図示せず）のボディーダイオードに電流が流れ込む。このケースでは、ドライバトランジスタのすべてのｎ＋ノードは寄生バイポーラトランジスタによってＶＤＤに短絡される。特に、これはゲートがドライバ出力のソースに短絡される原因になる。電流源６０とバイポーラトランジスタ７０はＳ２−ＶＤＤが０．５Ｖよりも大きくなる状態を避けるために設けられる。したがって、ドライバのゲートがソースに短絡されることはない。図５はこれをグラフで示している。電圧Ｓ２が０．６Ｖに上昇することはトランジスタ７０と電流源６０によって阻止される。

図４は簡略化したバッテリ逆接続保護回路を示している。これは基本的に図３の回路と同じであるが、チャージポンプ回路４０並びにトランジスタＭ３、Ｍ４および５０を除外し、トランジスタＭ３およびＭ４を抵抗器Ｒ１ＡおよびダイオードＤ１からＤ５に換えてある。トランジスタＭ１とＭ２は図３に関して説明したのと同様に動作する。したがって、バッテリの極性が適切になっているとき、トランジスタＭ２がオンになってトランジスタＭ１がオフになり、その結果、ドライバ３０がトランジスタ１０を通常の様に動作させることを可能にする。バッテリが逆接続されると、トランジスタＭ２がオフ、Ｍ１がオンになり、トランジスタ１０のゲートがハイレベルになってオンに切り換わり、ボディーダイオード１０Ａが導通するのを防止する。電流源６０とトランジスタ７０は図３と４に関して検討したのと同じ理由で設けられる。バッテリ逆接続の場合には、トランジスタＭ２はオフ、およびトランジスタＭ１はオンになり、その結果、ダイオードＤ１〜Ｄ５、トランジスタＭ１を通って電流が流れてトランジスタ１０をオンに切り換えることを可能にし、逆電流がボディーダイオードを通って流れることを防止する。

本発明をその特定の実施形態に関連して説明したが、多くの他の変形や修正、およびその他の使用は当業者には明らかになるであろう。したがって、本発明は本明細書の特定の開示によってではなく、特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

負荷に接続された先行技術によるＭＯＳＦＥＴの電力用スイッチングデバイスを示す図である。 バッテリ逆接続の影響下で負荷に接続された図１の電力用スイッチングデバイスを示す図である。 本発明によるバッテリ逆接続保護回路を示す図である。 本発明による、単純化したバッテリ逆接続保護回路を示す図である。 図３と４の回路を説明するためのグラフを示す図である。

符号の説明

１０ 電力用スイッチ
１０Ａ ボディーダイオード
２０ 負荷
２５，２７ 線路
３０ ドライバ
４０ チャージポンプ回路
４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ ＭＯＳＦＥＴ
５０ トランジスタ
５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ コンデンサ
６０ 電流源
７０ バイポーラトランジスタ

Claims (13)

1. バッテリ逆接続の場合に電力用スイッチを保護するための回路であって、該電力用スイッチがボディーダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを含み、該ＭＯＳＦＥＴが負荷と直列に接続される回路において、
   該回路には端子が接続され、前記端子はバッテリの正と負のそれぞれに通常接続可能であり、さらに、
   前記端子がバッテリ逆接続で接続される場合に前記電力用スイッチをターンオンするように前記端子に結合された切り換え回路を含む
   ことを特徴とする回路。
2. 前記切り換え回路は、第１および第２のスイッチを備え、
   前記第１のスイッチは、バッテリが適切に接続されると負のバッテリ接続部に結合される第１の主端子と、前記電力用スイッチのゲートに結合される第２の主端子とを有し、
   前記第１のスイッチは、バッテリが適切に接続されると前記負のバッテリ接続部に結合される制御端子を有し、それにより、前記第１のスイッチが、適切なバッテリ接続の場合には通常（normally）非導通で、バッテリ逆接続の場合には導通し、さらに、
   前記第２のスイッチは、バッテリが適切に接続されると正のバッテリ接続部に結合される制御端子を有し、バッテリが適切に接続されると結合して前記第１のスイッチをオフ状態に維持し、
   それにより、バッテリ逆接続の場合に前記第１のスイッチがターンオンし、それによって前記バッテリ逆接続による正のバッテリを通常（normally）負接続された端子上で前記電力用スイッチのゲートに供給して前記電力用スイッチをオンにすることを特徴とする請求項１に記載の回路。
3. 前記第１のスイッチに結合されて、バッテリが適切に接続されると前記第１のスイッチをオフに維持し、かつ、バッテリが逆に接続されると前記第１のスイッチをターンオンさせる第３および第４のスイッチをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の回路。
4. バッテリ逆接続の場合にのみ適切な電圧レベルを前記第１のスイッチの前記制御端子に供給するように制御されたチャージポンプをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の回路。
5. バッテリ逆接続の場合にターンオンして前記チャージポンプの充電を可能にし、かつ、適切なバッテリ接続の場合にターンオフする第５のスイッチをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の回路。
6. ドライバトランジスタの基板を前記ドライバトランジスタの閾値未満に維持することによって前記電力用スイッチの前記ドライバトランジスタの短絡を防止する短絡防止回路をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の回路。
7. 前記短絡防止回路は、前記電力用スイッチのソースから電流をシャントするために前記電力用スイッチのソースに結合されたトランジスタスイッチを含むことを特徴とする請求項６に記載の回路。
8. 前記短絡防止回路は、前記電力用スイッチのソースから電流をシャントするために電流源をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の回路。
9. 前記第１、第２、第３および第４のスイッチはＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項３に記載の回路。
10. 前記第５のスイッチはバイポーラトランジスタを含むことを特徴とする請求項５に記載の回路。
11. 前記トランジスタスイッチはバイポーラトランジスタを含むことを特徴とする請求項７に記載の回路。
12. バッテリ逆接続の場合に電力用スイッチを保護するための方法であって、該電力用スイッチがボディーダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを含み、該ＭＯＳＦＥＴが負荷と直列に接続される方法において、
    バッテリの正と負のバッテリ電位それぞれに通常接続可能な保護回路上の端子を設けるステップと、
    前記端子がバッテリ逆接続で接続される場合に切り換え回路が前記電力用スイッチをターンオンし、それによって前記ボディーダイオードの導通を防止するように前記端子に結合された前記切り換え回路を設けるステップと
    を含むことを特徴とする方法。
13. 前記電力用スイッチのソースから電流をシャントすることによってドライバ回路のボディーダイオードを通る前記電力用スイッチの前記ドライバ回路の短絡状態を防止するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
    

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