JP2007019728A - 電力供給制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 外部回路やパワーFETを保護することが可能な電力供給制御装置を提供する。
【解決手段】 短絡電流Is1が流れ続けると、RC並列回路12が次第に高変換率状態となり、通電時間がt1になったときに、端子電圧Voが閾値電圧Vrを超えてコンパレータ32から異常信号S2が出力される。この異常信号S2を受けて保護用論理回路40のRS−FF66はセット状態となってハイレベルの制御信号S4を出力して、パワーMOSFET15及びセンスMOSFET16に自己復帰不能な遮断動作をさせる。
【選択図】 図2
Description
なお、「発煙特性曲線」とは、上記外部回路(例えば配線部材(配線)など)に流れる電流とその電流レベルで焼損(発煙)が生じ得るまでの許容通電時間との関係を示した曲線をいう。
なお、「自己破壊特性曲線」とは、パワーFETに流れる電流とその電流レベルでパワーFETが自己破壊し得るまでの許容通電時間との関係を示した曲線をいう。
なお、「突入電流特性曲線」とは、上記外部回路(例えばランプやモータなど)に流れる負荷電流と、その通電時間との関係を示した曲線をいう。
本構成によれば、変換回路は、センス電流の通電時間経過に伴ってそのセンス電流から電圧への変換率を増大させる特性を示す。つまり、例えば外部回路(配線部材など)の短絡異常や、短絡していなくても所定の規格電流よりも大きい電流がパワーFETに流れる過電流異常が発生した場合、その通電時間経過に伴う変換回路での変換率の増大により端子電圧が上昇し、閾値電圧に達したときに異常信号が出力される。そして、上記電流異常発生時から異常信号出力時までの異常電流の通電時間は、その異常電流レベルが大きいほど短く、小さいほど長くなることを意味する。
要するに、電力供給制御装置は、パワーFETに連なる外部回路(例えば配線部材(配線))に高いレベルの異常電流が流れたときには即時的に異常信号を出力し、比較的に低いレベルの異常電流が流れたときにはある程度の通電時間を許容した後に異常信号を出力するように動作する。これにより、外部回路に大電流が流れて焼損などすることを抑制することが可能となる。
そして、本構成では、変換回路は、センス電流の電流経路に対して直列接続された第1抵抗素子及びコンデンサと、それらに対して並列接続される第2抵抗素子(請求項2では第1抵抗素子よりも抵抗値が大きいもの)と、を有して構成した。このような構成であれば、変換回路の回路定数(各抵抗素子の抵抗値、コンデンサの容量)を変更することで、その端子電圧が閾値電圧に達するまでのセンス電流−通電時間の関係曲線を適切なものに調整することができる。また、変換回路に流れるセンス電流の最大電流量は有限であるため、この最大電流量を、第1抵抗素子、第2抵抗素子のうち少なくともいずれか一方の抵抗値を調整することによりパワーFETの最大許容電流値に対応した値に設定することができる。また、第2抵抗素子の抵抗値を調整することにより過電流状態が長時間継続した場合におけるセンス電流の収束値を調整することができる。更に、第1及び第2の抵抗素子及びコンデンサの値を調整することによりセンス電流−通電時間の関係曲線の経時的な収束度合いを調整することができる。
本構成によれば、変換回路の端子電圧が閾値電圧に達するまでのセンス電流−通電時間の関係曲線を、外部回路の発煙特性曲線よりも下の領域において当該発煙特性曲線に沿った曲線にすることで、外部回路の焼損を確実に防止することができる。
本構成によれば、変換回路の端子電圧が閾値電圧に達するまでのセンス電流−通電時間の関係曲線を、パワーFETの自己破壊特性曲線よりも下の領域において当該自己破壊特性曲線に沿った曲線にすることで、パワーFETを保護することができる。
例えば、外部回路がランプやモータ等である場合、通常、通電開始当初は、定常時よりもレベルが高い突入電流がパワーFET及び外部回路に流れるが、この突入電流が流れたことで異常検出されてしまうのは好ましくない。そこで、本構成では、センス電流−通電時間の関係曲線が、パワーFETに連なる外部回路の突入電流特性曲線よりも上の領域に位置するよう変換回路の回路定数を設定した。これにより、突入電流に対して異常検出を行わずに、定常状態以降における電流の異常検出を行うようにすることができる。
本構成によれば、変換回路を、半導体スイッチ素子内に設けるのではなく、半導体スイッチ素子の外部に外付けとして設けることができるので、製造過程に起因する抵抗値のばらつき(いわゆる倍半分とも称されるような大きなばらつき)を抑えて変換回路の特性を精度よく設定でき、且つ、回路定数を自由に設定でき、ひいては、異常検出を高精度に行うことができ、且つ、異常検出特性を自由に設定できる。
本構成のように、電力供給制御装置自体が、異常検出回路にて異常が検出されたことを条件にパワーFETに自己復帰不能な遮断動作(例えば、電力供給制御装置の外部から信号を受けることで初めて復帰可能な遮断動作)をさせる保護回路を備えて、外部回路を保護するヒューズ機能を有する構成が望ましい。
本発明の実施形態1を図1〜図4を参照しつつ説明する。
(1)全体構成
図1は、本実施形態に係る電力供給制御装置10の全体構成を示すブロック図であり、同図に示すように、本実施形態の電力供給制御装置10は、定電圧信号、或いは、PWM(Pulse Width Modulation。パルス幅変調)制御信号などの制御信号S1を直接又は間接的にパワーMOSFET15(パワーMOSFET15は、本発明の「パワーFET」に相当)の制御入力端子(ゲート端子G)に与えることで、このパワーMOSFET15の出力側に連なる車両用電源61(以下、単に電源61とも称する)から負荷50への電力供給を制御するように構成されている。なお、本実施形態では、電力供給制御装置10は図示しない車両に搭載され、負荷50として例えば車両用のランプ、クーリングファン用モータやデフォッガー用ヒータなどの駆動制御をするために使用される。この電力供給制御装置10は、入力端子P1において、操作スイッチ52が接続される構成をなし、操作スイッチ52がONとなることで動作するようになっている。
また、図1に示すように、電力供給制御装置10は、パワーMOSFET15と、過電流検知回路13と、保護用論理回路40等、同図において点線で囲まれた回路構成がワンチップ化された形態、或いは、複数のチップで構成されてワンパッケージ内に収容された形態にて半導体スイッチ素子11が構成されている。
図2は、パワーMOSFET15に流れる電流の異常検出を行う過電流検知回路13(本発明の「異常検出回路」に相当)を主として示す回路図である。同図において、一点鎖線で囲まれた構成が過電流検知回路13である。この過電流検知回路13は、パワーMOSFET15の電流量に応じたセンス電流が流れるセンスMOSFET16(本発明の「センスFET」に相当)を有している。
(a)回路構成
図2に示すように、RC並列回路12は、直列接続された第1抵抗60(抵抗値r)及びコンデンサ62と、第2抵抗64(抵抗値R)とが並列接続されて構成されている。そして、このRC並列回路12の一端側が外部端子P4に接続され、他端側がグランドに接続される。従って、RC並列回路12の端子電圧Voが外部端子P4を介してコンパレータ32の入力端子に与えられる。
ここで、RC並列回路12にセンス電流Is(詳しくは、センス電流のミラー電流Is”)を流した場合の端子電圧Voは、次の数式1で求めることができる。
C:コンデンサ62の容量
R:第2抵抗64の抵抗値
t:通電時間
以上から、異常電流Ioと通電時間tとの関係は、図3の点線で示す収束曲線L1となる。このことは、通電開始当初、RC並列回路12の電流/電圧の変換率が小さく異常電流Ioは大きなレベルとなり(つまり、大電流を流すことができ)、そのまま通電状態が継続した場合、RC並列回路12における電流/電圧の変換率が徐々に増大し、異常電流Ioのレベルが低減していく(流すことができる電流量が低減していく)ことを意味する。要するに、RC並列回路12は、それに流れたセンス電流Isの通電時間に応じて増大する変換率によって当該センス電流Isを端子電圧Voに変換するのである。
なお、上記発煙特性曲線L2は、電力供給制御装置10に接続される外部回路としての配線部材(例えば配線など)の種類等によって異なるが、外付けされたRC並列回路12の回路定数(r,C,R)を調整することによって、保護対象となる各配線部材の発煙特性曲線に応じた収束曲線を形成することができる。
図4には、前述の制御信号S1を受けることで起動する保護用論理回路40の構成が示されている。この保護用論理回路40は、チャージポンプ回路41、ターンオフ回路42に制御信号S4を与えてオンオフ動作させる、ラッチ回路としてのRS−FF66(RSフリップフロップ)を有している。このRS−FF66はセット端子SにOR回路68からのセット信号SETが入力され、リセット端子RにAND回路70からの出力信号が入力される。OR回路68には、電流異常の異常信号S2と温度異常の異常信号S3が入力され、いずれかの信号が入力されたときにセット信号SETを出力してRS−FF66をセット状態とし、これによりRS−FF66はハイレベルの制御信号S4を出力する。
操作スイッチ52がONされ制御信号S1が電力供給制御装置10に与えられると、保護用論理回路40のRS−FF66がリセット状態となる。これにより、チャージポンプ回路41が駆動しパワーMOSFET15及びセンスMOSFET16がオンして通電状態となり、負荷50への電力供給が開始される。
図5は(請求項5,6の発明に対応する)実施形態2を示す。前記実施形態との相違は、RC回路12の回路定数の設定値にあり、その他の点は前記実施形態1と同様である。従って、実施形態1と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。
なお、上記自己破壊特性曲線L4は、パワーMOSFET15の構成や製造ばらつき等によって異なるが、外付けされたRC並列回路12の回路定数(r,C,R)を調整することによって、保護対象となる各パワーMOSFETの自己破壊特性曲線に応じた収束曲線を形成することができる。
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
(1)上記各実施形態では、閾値電圧を付与する定電圧手段として、ツェナーダイオード34を用いた構成としたが、これに限らず、ダイオード接続したFETを用いた構成であってもよい。
11…半導体スイッチ素子
12…RC並列回路(変換回路)
13…過電流検知回路(異常検出回路)
15…パワーMOSFET(パワーFET)
16…センスMOSFET(センスFET)
40…保護用論理回路(保護回路)
51…配線(外部回路)
60…第1抵抗(第1抵抗素子)
62…コンデンサ
64…第2抵抗(第2抵抗素子)
L1,L3…収束曲線(関係曲線)
L2…発煙特性曲線
L4…自己破壊特性曲線
L5…突入電流特性曲線
P4…外部端子
Claims (9)
- パワーFETを用いて電力供給制御を行う電力供給制御装置であって、
前記パワーFETと、
前記パワーFETの電流量に応じたセンス電流が流れるセンスFETと、
前記センス電流を電圧に変換する変換回路と、
前記変換回路の端子電圧と、閾値電圧との比較に基づき異常信号を出力する異常検出回路と、を備え、
前記変換回路は、前記センス電流の電流経路に対して直列接続された第1抵抗素子及びコンデンサと、これらの第1抵抗素子及びコンデンサに対して並列接続される第2抵抗素子と、を有して構成されていることを特徴とする電力供給制御装置。 - 前記第2抵抗素子は、前記第1抵抗素子よりも抵抗値が大きいことを特徴とする請求項1に記載の電力供給制御装置。
- 前記変換回路は、その端子電圧が前記閾値電圧に達するまでのセンス電流−通電時間の関係曲線が、前記パワーFETに連なる外部回路の発煙特性曲線よりも下の領域において当該発煙特性曲線に沿った曲線になるよう回路定数が設定されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電力供給制御装置。
- 前記変換回路は、その端子電圧が前記閾値電圧に達するまでのセンス電流−通電時間の関係曲線が、前記パワーFETの自己破壊特性曲線よりも下の領域において当該自己破壊特性曲線に沿った曲線になるよう回路定数が設定されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電力供給制御装置。
- 前記センス電流−通電時間の関係曲線が、前記パワーFETに連なる外部回路の突入電流特性曲線よりも上の領域に位置するよう前記回路定数が設定されていることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の電力供給制御装置。
- 前記変換回路は、その端子電圧が前記閾値電圧に達するまでのセンス電流−通電時間の関係曲線が、前記パワーFETに連なる外部回路の突入電流特性曲線よりも上の領域において当該突入電流特性曲線に沿った曲線になるよう回路定数が設定されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電力供給制御装置。
- 前記パワーFET、前記センスFET及び前記異常検出回路は、ワンチップ化された、或いは、複数のチップで構成されてワンパッケージ内に収容された半導体スイッチ素子とされ、
前記変換回路は、前記半導体スイッチ素子の外部に設けられるとともに、当該半導体スイッチの外部端子を介して前記センス電流を受けることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれかに記載の電力供給制御装置。 - 前記異常検出回路から異常信号が出力されたことを条件に、前記パワーFETに自己復帰不能な遮断動作をさせる保護回路を備えていることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれかに記載の電力供給制御装置。
- 前記パワーFET、前記センスFET、前記異常検出回路及び前記保護回路は、ワンチップ化された、或いは、複数のチップで構成されてワンパッケージ内に収容された半導体スイッチ素子とされ、
前記変換回路は、前記半導体スイッチ素子の外部に設けられていることを特徴とする請求項8に記載の電力供給制御装置。
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