JP2007134780A

JP2007134780A - 自己診断機能を備えた負荷駆動装置

Info

Publication number: JP2007134780A
Application number: JP2005323439A
Authority: JP
Inventors: Shunzo Oshima; 俊藏大島
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-11-08
Also published as: US20070103832A1; CN1964191A; EP1783886A2; EP1783886A3; JP4643419B2; US7457089B2; KR100843366B1; KR20070049561A

Abstract

【課題】過電流検出・保護機能に異常が発生しているか否かを診断することができる自己診断機能を備えた負荷駆動回路を提供する。
【解決手段】ドライバ２の制御によりＦＥＴ（Ｔ１）のオン、オフを切り替えて、負荷１の駆動、停止を制御する負荷駆動装置において、ＦＥＴ（Ｔ１）のドレイン、ソース間に電流が流れることにより発生する電圧ＶDSと、所定の判定値電圧（Ｖ１−Ｖ４）とを比較し、電圧ＶDSが判定値電圧（Ｖ１−Ｖ４）を超えたときに負荷１に流れる電流が過電流であると判定する過電流判定機能とを備え、更に、ＦＥＴ（Ｔ１）がオン状態のときに、過電流検出機能が正常に作動するか否かを診断する自己診断機能を備える。そして、自己診断機能は、過電流検出機能が正常に作動しないと判定した際に、ＦＥＴ（Ｔ１）をオフとする指令信号をドライバ２に出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、過電流発生時に回路を遮断する機能を備えた負荷駆動装置に係り、特に、過電流検出機能に故障が発生しているときにこれを検知する自己診断機能を備えた負荷駆動装置に関する。

例えば、車両に搭載されるランプ、モータ等の負荷を駆動する負荷駆動装置では、バッテリと負荷との間に電子スイッチとしてのＭＯＳＦＥＴを設け、該ＭＯＳＦＥＴをオン、オフ動作させることにより、負荷の駆動、停止を制御する。また、負荷に過電流が流れた際に、即時に過電流を検出して負荷、ＭＯＳＦＥＴ、電線等からなる回路部品を保護するために、過電流検出機能を備えている。

このような過電流検出機能を備えた負荷駆動装置として、例えば、図７に示す回路が知られている。

同図に示すように、この負荷駆動装置は、バッテリＶＢと、ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１０１；以下単に「ＦＥＴ」という）と、ランプ、モータ等の負荷１０１との直列接続回路を備えている。

そして、ＦＥＴ（Ｔ１０１）のゲートには、ドライバ１０２が接続されており、該ドライバ１０２より駆動信号が出力されると、ＦＥＴ（Ｔ１０１）がオンとなって、バッテリＶＢより出力される電圧が負荷１０１に印加されて、負荷１０１が駆動する。

また、ＦＥＴ（Ｔ１０１）のドレイン（電圧Ｖ１）は、抵抗Ｒ１０１とＲ１０２の直列接続回路を介してグランドに接地されており、抵抗Ｒ１０１とＲ１０２の接続点（電圧Ｖ４）が、比較器ＣＭＰ１０１のプラス側入力端子に接続されている。更に、ＦＥＴ（Ｔ１０１）のソース（電圧Ｖ２）が、比較器ＣＭＰ１０１のマイナス側入力端子に接続されている。ここで、図中に示す抵抗Ｒ１０１の下に記載した「１Ｋ」とは、抵抗Ｒ１０１の抵抗値が１［ＫΩ］であることを示しており、その他についても同様である。即ち、抵抗Ｒ１０２は１５０［ＫΩ］とされている。

抵抗Ｒ１０２に対して、並列的に抵抗Ｒ１０３，Ｒ１０４，Ｒ１０５が設けられており、各抵抗Ｒ１０３，Ｒ１０４，Ｒ１０５はそれぞれ抵抗値が１５０［ＫΩ］、７５［ＫΩ］、３７．５［ＫΩ］に設定されている。更に、抵抗Ｒ１０３は、ＦＥＴ（Ｔ１０２）を介してグランドに接地され、抵抗Ｒ１０４は、ＦＥＴ（Ｔ１０３）を介してグランドに接地され、抵抗Ｒ１０５は、ＦＥＴ（Ｔ１０４）を介してグランドに接地されている。

次に、上記のように構成された負荷駆動装置の動作について説明する。ドライバ１０２より、駆動信号が出力されると、ＦＥＴ（Ｔ１０１）がオンとなり、バッテリＶＢ、ＦＥＴ（Ｔ１０１）、負荷１０１の経路で電流ＩＤが流れ、負荷１０１に電力が供給されるので、負荷１０１が駆動する。ここで、ＦＥＴ（Ｔ１０１）のドレイン（第１の電極）電圧Ｖ１とソース（第２の電極）電圧Ｖ２との差をＶDS（電極間電圧）とすると、電圧ＶDSは、負荷電流ＩＤとＦＥＴ（Ｔ１０１）のオン抵抗Ｒonの積で表すことができる。即ち、（１）式が成立する。

ＶDS＝Ｖ１−Ｖ２＝Ｒon＊ＩＤ・・・（１）
ここで、抵抗Ｒonは一定であるので、電圧ＶDSは負荷電流ＩＤに比例して変化する。従って、電圧ＶDSの大きさを監視することにより、負荷電流ＩＤが過電流であるか否かを判断することができる。即ち、抵抗Ｒ１０１の両端に生じる電圧（Ｖ１−Ｖ４）を判定値電圧として設定しておき、電圧ＶDSがこの判定値電圧Ｖ１−Ｖ４を上回った場合、換言すれば、ＦＥＴ（Ｔ１０１）のソース電圧Ｖ２が電圧Ｖ４を下回った場合に、比較器ＣＭＰ１０１の出力信号を反転させることにより、過電流の発生を検知する。

電圧Ｖ４は、ＦＥＴ（Ｔ１０２）〜（Ｔ１０４）が全てオフであるときには、電圧Ｖ１を抵抗Ｒ１０１，Ｒ１０２で分圧した大きさとなる。ここで、ＦＥＴ（Ｔ１０１）のオン抵抗Ｒonは、通常５［ｍΩ］程度の大きさであり、正常時の負荷電流ＩＤは１０［Ａ］程度であるので、正常時のドレイン、ソース間電圧ＶDSは約５０［ｍＶ］となり、これに基づいて、電圧Ｖ４は、（Ｖ１−Ｖ４）の値が１００［ｍＶ］程度となるように設定される。図７の例では、Ｖ１＝１４．５［Ｖ］のとき、以下の（２）式で示すようになる。

Ｖ１−Ｖ４＝Ｖ１＊Ｒ１０１／（Ｒ１０１＋Ｒ１０２）
＝１４．５＊１／（１＋１５０）
＝９６［ｍＶ］・・・（２）
こうすることにより、通常時には、Ｖ４＜Ｖ２が成立しており、過電流が発生してＶ２が低下し、Ｖ４＞Ｖ２となると、比較器ＣＭＰ１０１の出力が反転するので、この反転を検知することにより、過電流の発生を検知する。

また、負荷１０１の駆動開始時には、突入電流が流れるので、該突入電流を過電流と誤判定することを防止するために、各ＦＥＴ（Ｔ１０２）〜（Ｔ１０４）に制御信号Ａ１〜Ａ３を出力することにより、判定値電圧（Ｖ１−Ｖ４）を変更する制御を行っている。例えば、ＦＥＴ（Ｔ１０２）をオンとすれば、電圧（Ｖ１−Ｖ４）は約２倍となり、加えてＦＥＴ（Ｔ１０３）をオンとすれば、電圧（Ｖ１−Ｖ４）は約４倍となり、加えてＦＥＴ（Ｔ１０４）をオンとすれば、電圧（Ｖ１−Ｖ４）は約８倍となる。そして、これらを制御することにより、突入電流や負荷電流ＩＤの正常な変動に対して回路が誤遮断するというトラブルの発生を回避することができる。

ここで、上記した回路構成において、ＦＥＴ（Ｔ１０２）〜（Ｔ１０４）の少なくとも１つに、オン故障が発生した場合、即ち、本来オフにするべきところが何らかの原因によりオンとなってしまった場合には、通常時において、判定値電圧（Ｖ１−Ｖ４）の値が正常時の２倍以上の値となってしまう。例えば、通常動作時には各ＦＥＴ（Ｔ１０２）〜（Ｔ１０４）は全てオフとなるように制御されるが、オン故障によりＦＥＴ（Ｔ１０２）がオンとなってしまった場合には、判定値電圧（Ｖ１−Ｖ４）の値は、ＦＥＴ（Ｔ１０２）がオフのときの約２倍となってしまう。

このような状態で過電流が発生すると、標準判定値に相当する過電流（ＦＥＴ（Ｔ１０２）〜ＦＥＴ（Ｔ１０４）が全てオフのときに設定される判定値電圧を超える過電流）が流れた場合であっても、過電流の発生を検知することができず、適切な保護が行われなくなり、ＦＥＴ（Ｔ１０１）の破損、配線の焼損に至る場合があり得る。

また、上記のようにＦＥＴ（Ｔ１０２）〜（Ｔ１０４）にオン故障が発生した場合でも、突入電流発生時等の通常動作時に流れる負荷電流ＩＤでは誤動作を生じないので、故障の発生を発見することができず、実際に短絡事故等による過電流が発生したときに気づくことになる。つまり、ＦＥＴ（Ｔ１０２）〜（Ｔ１０４）にオン故障が発生している場合には、この故障は実際に短絡事故等による過電流が発生するまで顕在化せず、このような状況はフェイルセーフの観点から好ましくない。

上記したように、従来における負荷駆動装置では、負荷に流れる電流ＩＤが過電流となった場合には、即時にこれを検知する機能を備え、更に、突入電流などの正常時に流れる電流に対して誤検出しないように、抵抗Ｒ１０３〜Ｒ１０５、及びＦＥＴ（Ｔ１０２）〜（Ｔ１０４）を備えているものの、ＦＥＴ（Ｔ１０２）〜（Ｔ１０４）にオン故障が発生した場合には、過電流発生時に確実に回路を保護できなくなるという問題があった。

また、判定値設定以外にも過電流保護回路には回路素子、これらを接続する配線が含まれるため、これらが故障することにより、回路保護機能が損なわれる可能性がある。回路保護機能が損なわれても直ぐに顕在化しないので、一旦故障が発生するとそれが長期間に亘って継続することになり、過電流事故の発生確率が低くても、発生時には保護できないケースが出てくることがあった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、過電流検出・保護機能に異常が発生しているか否かを診断することができる自己診断機能を備えた負荷駆動回路を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、駆動回路の制御により半導体素子のオン、オフを切り替えて、負荷の駆動、停止を制御する負荷駆動装置において、前記半導体素子の第１の電極と第２の電極の間に電流が流れることにより発生する電極間電圧と、所定の判定値電圧とを比較し、前記電極間電圧が前記判定値電圧を超えたときに前記負荷に流れる電流が過電流であると判定する過電流検出手段と、前記半導体素子がオン状態のときに、前記過電流検出手段が正常に作動するか否かを診断する診断手段とを備え、前記診断手段は、前記過電流検出手段が正常に作動しないと判定した際に、前記半導体素子をオフとする指令信号を前記駆動回路に出力することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記過電流検出手段は、前記電極間電圧と前記判定値電圧とを比較する比較手段を有し、前記診断手段は、前記過電流検出手段の診断時には、前記判定値電圧を、前記負荷に通常電流が流れているときの、前記半導体素子の電極間電圧よりも小さい診断時判定値電圧に変更するべく切り替え操作を行い、前記比較手段にて、前記電極間電圧が前記診断時判定値電圧以下と判定されたときに、前記過電流検出手段に異常が発生しているものと判定することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記過電流検出手段は、前記電極間電圧と前記判定値電圧とを比較する比較手段を有し、前記診断手段は、前記過電流検出手段の診断時には、前記電極間電圧に所定の電圧を加算した加算電圧を生成し、前記比較手段は、前記電極間電圧に替えて、前記加算電圧を入力して、該加算電圧と前記判定値電圧とを比較し、前記比較手段にて、前記加算電圧が前記判定値電圧以下と判定されたときに、前記過電流検出手段に異常が発生しているものと判定することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、前記過電流検出手段は、前記電極間電圧と前記判定値電圧とを比較する比較手段を有し、前記診断手段は、前記過電流検出手段の診断時には、前記判定値電圧を、前記負荷に通常電流が流れているときの、前記半導体素子の電極間電圧よりも小さい診断時判定値電圧に変更するべく切り替え操作を行い、且つ、前記電極間電圧に所定の電圧を加算した加算電圧を生成し、前記比較手段は、前記電極間電圧に替えて、前記加算電圧を入力して、該加算電圧と前記診断時判定値電圧とを比較し、前記比較手段にて、前記加算電圧が前記診断時判定値電圧以下と判定されたときに、前記過電流検出手段に異常が発生しているものと判定することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、前記過電流検出手段は、前記診断時以外の通常時において、前記比較手段にて前記電極間電圧が前記判定値電圧を超えたときに、過電流を検出する機能を備えると共に、前記診断手段による過電流検出手段の診断が行われるときには、前記比較手段の出力に応じた過電流を検出する機能を禁止する禁止手段を備えたことを特徴とする。

請求項１の発明では、半導体素子がオンとされているときに、過電流検出手段が正常に作動するか否かを診断し、異常であると判定されたときには、半導体素子をオフとして負荷の駆動を停止させるので、過電流検出手段に異常が発生している状態で負荷の駆動を継続させるというトラブルの発生を回避することができる。これにより、過電流が発生時には確実に半導体素子を遮断して回路を保護することができる。

請求項２の発明では、診断手段により過電流検出手段の診断を行う際には、電極間電圧との比較を行う判定値電圧を、該判定値電圧よりも小さい診断時判定値電圧に変更する。従って、過電流検出手段に異常が生じていない場合には、比較手段の出力信号が反転することになり、異常が生じている場合には、比較手段の出力信号は反転しない。よって、比較手段の反転、非反転により、過電流検出手段に異常が発生しているか否かを判定することができる。また、負荷に流れる電流が過少電流となっていることをも、併せて検出することができる。

請求項３の発明では、診断手段により過電流検出手段の診断を行う際には、電極間電圧に替えて、該電極間電圧に所定の電圧を加算した加算電圧を比較手段に供給し、該加算電圧と判定値電圧とを比較するようにしている。従って、過電流検出手段に異常が生じていない場合には、通常時の電極間電圧に所定の電圧を加算した加算電圧が、判定値電圧よりも大きくなるので比較手段の出力信号が反転することになる。他方、異常が生じている場合には、比較手段の出力信号は反転しない。よって、比較手段の反転、非反転により、過電流検出手段に異常が発生しているか否かを判定することができる。この診断方法では、負荷電流が過少になった場合でも加算電圧を標準判定値電圧以上に設定しておけば、正常と判定することになる。過少電流は発熱等の不具合要因にならないので、ＦＥＴを遮断する必要がないと考える場合には、この診断方法を用いることができる。

請求項４の発明では、診断手段により過電流検出手段の診断を行う際には、判定値電圧を、該判定値電圧よりも小さい診断時判定値電圧に変更し、且つ、電極間電圧に替えて、該電極間電圧に所定の電圧を加算した加算電圧を比較手段に供給する。従って、過電流検出手段に異常が生じていない場合には、比較手段の出力信号が反転することになり、他方、異常が生じている場合には、比較手段の出力信号は反転しない。よって、比較手段の反転、非反転により、過電流検出手段に異常が発生しているか否かを判定することができる。また、負荷に流れる電流が過少電流となっている場合には、比較手段の出力信号は反転するので、過少電流の発生を含まず、過電流検出手段の異常のみを検出することができる。

請求項５の発明では、診断手段による過電流検出手段の診断が行われているときには、禁止手段により、比較手段の出力信号に基づく過電流判定を禁止するので、診断時において比較手段の出力信号が反転した際に、これが過電流であるとの誤検出を引き起こすことを防止できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る自己診断機能を備えた負荷駆動装置の構成を示す回路図である。

図１に示すように、この負荷駆動装置は、バッテリＶＢと、ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ１；半導体素子、以下単に「ＦＥＴ」という）と、ランプ、モータ等の負荷１と、の直列接続回路を備えている。

そして、ＦＥＴ（Ｔ１）のゲートには、ドライバ（駆動回路）２が接続されており、該ドライバ２より駆動信号が出力されると、ＦＥＴ（Ｔ１）がオンとなって、バッテリＶＢより出力される電圧が負荷１に印加され、負荷１が駆動する。

また、ＦＥＴ（Ｔ１）のドレイン（第１の電極；電圧Ｖ１）は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の直列接続回路を介してグランドに接地されており、抵抗Ｒ１とＲ２の接続点（電圧Ｖ４）が、比較器ＣＭＰ１（比較手段）のプラス側入力端子に接続されている。更に、ＦＥＴ（Ｔ１）のソース（第２の電極；電圧Ｖ２）が、比較器ＣＭＰ１のマイナス側入力端子に接続されている。ここで、図中に示す抵抗Ｒ１の下に記載した「１Ｋ」とは、抵抗Ｒ１の抵抗値が１［ＫΩ］であることを示しており、その他についても同様である。即ち、抵抗Ｒ２は６００［ＫΩ］である。

比較器ＣＭＰ１の出力端子は２系統に分岐されており、一方の分岐線はアンド回路ＡＮＤ１（禁止手段）の一方の入力端子に接続され、他方の分岐線は制御回路３（過電流検出手段、診断手段）に接続されている。更に、アンド回路ＡＮＤ１の他方の入力端子は、制御回路３に接続されている。

また、抵抗Ｒ２に対して、並列的に抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５が設けられており、各抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５はそれぞれ抵抗値が１５０［ＫΩ］、７５［ＫΩ］、３７．５［ＫΩ］に設定されている。更に、抵抗Ｒ３は、ＦＥＴ（Ｔ２）を介してグランドに接地され、抵抗Ｒ４は、ＦＥＴ（Ｔ３）を介してグランドに接地され、抵抗Ｒ５は、ＦＥＴ（Ｔ４）を介してグランドに接地されている。

更に、抵抗Ｒ２に対して並列的に抵抗Ｒ２１が接続されており、該抵抗Ｒ２１はＦＥＴ（Ｔ５）を介してグランドに接地されている。ここで、抵抗Ｒ２の抵抗値を６００［ＫΩ］とし、抵抗Ｒ２１の抵抗値を２００［ＫΩ］としており、これらの並列合成抵抗は１５０［ＫΩ］であり、従来技術の図７に示した抵抗Ｒ１０２の抵抗値と一致している。

また、各ＦＥＴ（Ｔ２）〜（Ｔ５）のゲートは、制御回路３に接続され、該制御回路３より出力される制御信号Ａ１〜Ａ３、Ｃに基づいて、オン、オフが制御される。

次に、上記のように構成された負荷駆動装置の動作について説明する。

＜通常時の動作＞
ドライバ２より、駆動信号が出力され、ＦＥＴ（Ｔ１）のゲートに供給されると、該ＦＥＴ（Ｔ１）がオンとなり、バッテリＶＢ、ＦＥＴ（Ｔ１）、負荷１の経路で電流ＩＤが流れ、負荷１に電力が供給されるので、該負荷１が駆動する。ここで、ＦＥＴ（Ｔ１）のドレイン電圧Ｖ１とソース電圧Ｖ２との差をＶDS（電極間電圧）とすると、この電圧ＶDSは、負荷電流ＩＤとＦＥＴ（Ｔ１）のオン抵抗Ｒonの積で表すことができる。即ち、従来技術で示した（１）式が成立する。

ＶDS＝Ｖ１−Ｖ２＝Ｒon＊ＩＤ・・・（１）
ここで、抵抗Ｒonは一定であるので、電圧ＶDSは負荷電流ＩＤに比例して変化する。従って、電圧ＶDSの大きさを監視することにより、負荷電流ＩＤが過電流であるか否かを判断することができる。即ち、抵抗Ｒ１の両端に生じる電圧、即ちＶ１−Ｖ４を判定値電圧として設定しておき、電圧ＶDSが電圧（Ｖ１−Ｖ４）を上回った場合、換言すれば、ＦＥＴ（Ｔ１）のソース電圧Ｖ２が電圧Ｖ４を下回った場合に、比較器ＣＭＰ１の出力信号を反転させることにより、過電流の発生を検知する。

電圧Ｖ４は、ＦＥＴ（Ｔ２）〜（Ｔ４）が全てオフであり、ＦＥＴ（Ｔ５）がオンであるときには、電圧Ｖ１を抵抗Ｒ１（１［ＫΩ］）と、抵抗Ｒ２とＲ２１の並列合成抵抗（１５０［ＫΩ］）と、で分圧した大きさとなる。ここで、ＦＥＴ（Ｔ１）のオン抵抗Ｒonは、通常５［ｍΩ］程度の大きさであり、正常時の負荷電流ＩＤは１０［Ａ］程度であるので、正常時のドレイン、ソース間電圧ＶDSは約５０［ｍＶ］となり、これに基づいて、電圧Ｖ４は、判定値電圧（Ｖ１−Ｖ４）の値が１００［ｍＶ］程度となるように設定される。図７の例では、Ｖ１＝１４．５［Ｖ］のとき、以下の（３）式で示すようになる。

Ｖ１−Ｖ４＝Ｖ１＊Ｒ１／｛Ｒ１＋（Ｒ２‖Ｒ２１）｝
＝１４．５＊１／（１＋１５０）
＝９６［ｍＶ］・・・（３）
但し、「Ｒ２‖Ｒ２１」は、抵抗Ｒ２とＲ２１の並列合成抵抗を示す。

こうすることにより、通常時には、Ｖ４＜Ｖ２が成立しており、過電流が発生してＶ２が低下し、Ｖ４＞Ｖ２となると、比較器ＣＭＰ１の出力が反転するので、この反転を検知することにより、過電流の発生を検知する。即ち、比較器ＣＭＰ１の出力信号が反転したことが制御回路３にて検出され、ドライバ２にＦＥＴ（Ｔ１）をオフとするための指令信号を出力する。

また、負荷１の駆動開始時には、突入電流が流れるので、該突入電流を過電流と誤判定することを防止するために、制御回路３より各ＦＥＴ（Ｔ２）〜（Ｔ４）に制御信号Ａ１〜Ａ３を出力することにより、判定値電圧を変更する制御を行っている。例えば、ＦＥＴ（Ｔ２）をオンとすれば、判定値電圧（Ｖ１−Ｖ４）は約２倍となり、加えてＦＥＴ（Ｔ３）をオンとすれば、判定値電圧（Ｖ１−Ｖ４）は約４倍となり、加えてＦＥＴ（Ｔ４）をオンとすれば、判定値電圧（Ｖ１−Ｖ４）は約８倍となる。そして、これらを制御することにより、突入電流や負荷電流ＩＤの正常な変動に対して回路が誤遮断するというトラブルの発生を回避することができる。

以下、具体的な動作例について説明する。なお、このときアンド回路ＡＮＤ１の一方の入力端子に供給される制御信号Ｂは「Ｈ」レベルであるものとする。まず、ＦＥＴ（Ｔ２）〜（Ｔ４）が全てオフで、ＦＥＴ（Ｔ５）がオンの状態で比較器ＣＭＰ１の出力信号が反転した場合、即ち過電流検出した場合には、各ＦＥＴ（Ｔ２）〜（Ｔ４）を全てオンとする。このとき、判定値電圧（Ｖ１−Ｖ４）は通常時の８倍となり、この状態で更に過電流が検出されている場合には、デッドショート等の過大な過電流が発生しているものと見なして、即時にＦＥＴ（Ｔ１）を遮断する。

また、判定値電圧を８倍とすることにより、過電流が回避された場合（比較器ＣＭＰ１の出力信号が元に戻った場合）には、所定時間経過後にＦＥＴ（Ｔ４）のみをオフとする。これにより、判定値電圧（Ｖ１−Ｖ４）は通常時の４倍となる。この状態で、再度過電流が検出された場合には、ＦＥＴ（Ｔ１）を遮断する。他方、過電流が検出されない場合には、所定時間経過後にＦＥＴ（Ｔ３）をオフとして、判定値電圧を２倍とする。

この状態で、再度過電流が検出された場合には、ＦＥＴ（Ｔ１）を遮断し、過電流が検出されない場合には、所定時間経過後にＦＥＴ（Ｔ２）をオフとする。この状態で過電流が検出された場合には、ＦＥＴ（Ｔ１）を遮断する。他方、過電流が検出されない場合には、過電流は突入電流等の通常時における電流変化に起因するものと判断して、そのままの状態を継続する。即ち、ＦＥＴ（Ｔ２）〜（Ｔ４）をオフとした状態で、負荷の駆動を継続させる。

上記のように各ＦＥＴ（Ｔ２）〜（Ｔ４）のオン、オフを制御することにより、デッドショートのように過大な電流がＦＥＴ（Ｔ１）及び負荷１に流れた場合には、即時に回路を遮断して、ＦＥＴ（Ｔ１）、負荷１、及び配線を保護することができ、且つ、突入電流のような正常時において発生する電流については過電流と判定せず、誤遮断を防止することができる。

＜診断時の動作＞
次に、過電流検出回路に故障が発生しているか否かを診断する際の動作について説明する。図２は、制御回路３より出力される各ＦＥＴ（Ｔ１）〜（Ｔ５）の制御信号、及びアンド回路ＡＮＤ１の入力端子に出力する制御信号Ｂの変化、及び各電圧の変化を示すタイミングチャートであり、（ａ）は制御信号Ａ１〜Ａ３の出力信号を示し、（ｂ）は制御信号Ｂの出力信号を示し、（ｃ）は制御信号Ｃを示している。また、（ｄ）は電圧Ｖ１、後述する電圧Ｖ２ａ、電圧Ｖ２、電圧Ｖ４、及び後述する電圧Ｖ４ａの各変化を示す。診断はＡ１，Ａ２，Ａ３が全てオフ（Ｌレベル）のとき、即ち判定値電圧が標準状態にあるときに行われる。

診断が開始されると、まず時刻ｔ１にて（ｂ）に示す制御信号Ｂを「Ｈ」から「Ｌ」に切り換える。これにより、アンド回路ＡＮＤ１（禁止手段）の一方の入力端子に供給される信号が「Ｌ」とされるので、アンド回路ＡＮＤ１の出力信号は「Ｌ」に固定される。つまり、比較器ＣＭＰ１による過電流判定信号の出力が禁止される。

この状態で、時刻ｔ２で、（ｃ）に示す制御信号Ｃを「Ｈ」から「Ｌ」に切り換える。これにより、ＦＥＴ（Ｔ５）がオフとなるので、抵抗Ｒ２１が遮断され、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の直列接続回路により、電圧Ｖ４が生成されることになり、抵抗Ｒ２とＲ２１の並列合成抵抗が１５０［ＫΩ］であったものが、抵抗Ｒ２の６００［ＫΩ］となるために、判定値電圧（Ｖ１−Ｖ４）は、急激に小さくなる（診断時判定値電圧）。つまり、図２（ｄ）に示すように電圧Ｖ４が急激に上昇する。従って、電圧Ｖ４が電圧Ｖ２を上回ることになり、比較器ＣＭＰ１の出力信号が反転する。この際、アンド回路ＡＮＤ１の出力が禁止されるので、過電流の発生を検知することはない。

また、制御回路３では、比較器ＣＭＰ１の出力信号が反転されたか否かを検知し、反転が検知された場合には、各ＦＥＴ（Ｔ２）〜（Ｔ４）を含め、過電流検出回路は正常に動作しているものと判断する。そして、時刻ｔ３で制御信号Ｃを「Ｌ」から「Ｈ」に戻すと、電圧Ｖ４は低下して電圧Ｖ２を下回り（診断時判定値電圧から通常時の判定値電圧に戻り）、その後、時刻ｔ４で制御信号Ｂを「Ｌ」から「Ｈ」に戻すことにより、通常時の過電流検出機能を作動させる。そして、時刻ｔ１〜ｔ４の操作を周期的に行うことにより、上記の診断機能を所定時間間隔で行う。

ここで、各ＦＥＴ（Ｔ２）〜（Ｔ４）のうちの少なくとも１つに、オン故障が発生した場合には、診断時において抵抗Ｒ２１が遮断されるものの、抵抗Ｒ３〜Ｒ５のうちの少なくとも１つが接続されることになり、抵抗Ｒ２〜Ｒ５の並列合成抵抗は、１５０［ＫΩ］よりも小さい値となる。従って、電圧Ｖ４は、通常動作時における電圧Ｖ４（抵抗Ｒ２とＲ２１とが並列接続されているときの電圧Ｖ４）よりも小さい値となる。即ち、図２（ｄ）の電圧Ｖ４ａに示すように、抵抗Ｒ２のみの場合の電圧Ｖ４と比較して電圧Ｖｘだけ小さい値となるので、電圧Ｖ４ａは電圧Ｖ２を上回らない。よって、比較器ＣＭＰ１の出力信号は反転しない。

従って、制御回路３では、時刻ｔ２〜ｔ３の間に比較器ＣＭＰ１の出力信号が反転しない場合には、過電流検出回路が機能していないと判断することができる。そして、周期的に行われる時刻ｔ１〜ｔ４間の処理で、複数回（例えば、３回）連続して比較器ＣＭＰ１の出力信号が反転しないことが検出された場合には、過電流検出回路の機能不良が確実なものと判断し、最悪時には車両の火災に至る不具合を回避するため、ドライバ２に停止指令信号を出力し、ＦＥＴ（Ｔ１）を遮断する。更に、図示しないランプやブザー等により過電流検出機能に異常が発生したことを報知する。

このようにして、本実施形態に係る自己診断機能を備えた負荷駆動装置では、通常時における分圧用の抵抗（図７に示した抵抗Ｒ１０２）を、図１に示す抵抗Ｒ２とＲ２１の並列接続で構成し、これらの合成抵抗を上記の抵抗Ｒ１０２と同一の値に設定する。即ち、図７に示した抵抗Ｒ１０２の抵抗値と、抵抗Ｒ２とＲ２１の合成抵抗値を共に、１５０［ＫΩ］に設定する。そして、診断時には、ＦＥＴ（Ｔ５）をオフとして、判定値電圧Ｖ１−Ｖ４を通常よりも小さい値（診断時判定値電圧）に設定し、比較器ＣＭＰ１の出力を反転させる。

また、上記した回路では、負荷１に流れる電流が過少電流になっていることをも検出することができる。即ち、何らかの原因により、負荷１に流れる電流が通常動作時の電流に比べて小さい電流値となっている場合には、負荷電流ＩＤが小さくなり、これに起因して上記した（１）式に基づき、電圧ＶDSは小さくなる。即ち、ＦＥＴ（Ｔ１）のソース電圧Ｖ２は通常よりも大きい値となり、図２の（ｄ）に示す電圧Ｖ２ａの如くとなる。この場合には、ＦＥＴ（Ｔ５）をオンとして電圧Ｖ４を大きい値に設定しても、電圧Ｖ４は電圧Ｖ２ａを上回らない。即ち、比較器ＣＭＰ１の出力信号が反転しないので、制御回路３は過電流検出機能が損なわれていると判定する。これはＦＥＴ（Ｔ５）をオフさせて判定値電圧（Ｖ１−Ｖ４）を標準状態よりも小さくすることにより、負荷１に流れる電流が過少電流となっている異常をも検出することができることを示す。

以上の内容は次のように解釈できる。ＦＥＴ（Ｔ５）をオフさせたときの電圧Ｖ４の増加量をΔＶ４とすると、判定値電圧Ｖ１−Ｖ４が標準状態にあるとき（ＦＥＴ（Ｔ２）〜（Ｔ４）がオフになるように制御されているとき）、電圧Ｖ４をΔＶ４だけ増大すると、Ｖ１−Ｖ４＜ＶDSとなることが確認できれば、配線故障等により、ＶDSがΔＶ４以上増大すると過電流検出機能が確実に働くことを保証することになる。上記説明では、ＦＥＴ（Ｔ２）〜（Ｔ４）のオン故障が過電流保護機能を損なう要因として取り上げたが、電圧Ｖ４をΔＶ４だけ増大すると比較器ＣＭＰ１の出力が反転することが確認できれば、ＦＥＴ（Ｔ２）〜（Ｔ４）が正常であることのみならず、過電流検出機能に関係する部品、配線が全て正常に動作していることを確認できたことになる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３は、第２の実施形態に係る負荷駆動装置の構成を示す回路図である。本実施形態では、図１に示した回路と比較し、抵抗Ｒ６，Ｒ７、及びＦＥＴ（Ｔ６）を備えている点で相違し、その他の構成は同一である。

即ち、第２の実施形態に係る負荷駆動装置は、ＦＥＴ（Ｔ１）のソースと比較器ＣＭＰ１のマイナス側入力端子との間に抵抗Ｒ６が設けられ、更に、抵抗Ｒ６の一端とグランドとの間に、抵抗Ｒ７とＦＥＴ（Ｔ６）の直列接続回路が設けられている。ＦＥＴ（Ｔ６）のゲートは、ＦＥＴ（Ｔ５）のソースに接続されている。

次に、第２の実施形態の動作について説明する。通常時の動作は、前述した第１の実施形態と同様であり、以下、診断時の動作について、図４に示すタイミングチャートを参照して説明する。

診断時には、時刻ｔ１にて制御信号Ｂを「Ｌ」とすることにより、アンド回路ＡＮＤ１の出力信号を「Ｌ」に固定し、時刻ｔ２においてＦＥＴ（Ｔ５）のゲートに制御信号Ｃを出力することにより、ＦＥＴ（Ｔ５）をオフとする。この際、上述した第１の実施形態と同様に、電圧Ｖ４が上昇する。従って、図４（ｄ）に示すように、時刻ｔ２〜ｔ３の間で電圧Ｖ４が上昇し、電圧Ｖ２を上回るので、比較器ＣＭＰ１の出力信号が反転し、ＦＥＴ（Ｔ２）〜（Ｔ４）にオン故障が発生していないことを含め、過電流保護機能が正常であることを検出する。

また、これと同時に、時刻ｔ２においてＦＥＴ（Ｔ６）がオンとなるので、抵抗Ｒ６、Ｒ７を介して電流が流れ、抵抗Ｒ６に電圧降下が発生する。即ち、比較器ＣＭＰ１のマイナス側入力端子に供給される電圧は、電圧Ｖ２よりも低い電圧Ｖ３となる。つまり、Ｖ１−Ｖ３で示される電圧が、電圧ＶDS（電極間電圧）に所定の電圧を加算した加算電圧となる。

従って、負荷１に流れる電流が過少電流となって、図４（ｄ）に示すように、電圧Ｖ２が通常時における電圧Ｖ２よりも大きいＶ２ａとなった場合でも、時刻ｔ２〜ｔ３の間では、Ｖ２ａが低下しなくても、抵抗Ｒ６の電圧降下により電圧Ｖ３が低下し、電圧Ｖ４を下回ることになるので、比較器ＣＭＰ１の出力信号は反転する。その結果、負荷１に流れる電流が過少電流になったことに起因して生じる比較器ＣＭＰ１の非反転を防止することができる。

即ち、上述した第１の実施形態では、診断時において、比較器ＣＭＰ１の出力信号が反転しないことにより、負荷電流ＩＤが過少となったことを検出したが、第２の実施形態では、負荷電流ＩＤが過少となった場合には、比較器ＣＭＰ１の出力は反転するので、上記の検出の対象外とすることができる。過少電流は過電流と異なり、安全上の問題はないから、ＦＥＴを遮断する必要がないとの考えも成り立つ。その場合には、この第２の実施形態を用いることができる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図５は、第３の実施形態に係る負荷駆動装置の構成を示す回路図である。本実施形態では、図３に示した回路に対して、次のように変更する。抵抗Ｒ２１、ＦＥＴ（Ｔ５）を除去し、抵抗Ｒ２（６００ＫΩ）をＲ２０（１５０ＫΩ）に変更し、制御信号ＣをＦＥＴ（Ｔ６）のゲートに供給するように接続し、制御信号Ｃのモードを図４（ｃ）に示した信号に対して反転させている。また、（Ｖ２−Ｖ３）電圧の大きさを変えるため、抵抗Ｒ６，Ｒ７の抵抗値を変更している。図５に示す回路では、診断時に電圧Ｖ４は変更せず、電圧Ｖ２に対する電圧加算のみを行っている。即ち、第１の実施形態にて示した判定値電圧（Ｖ１−Ｖ４）を、これよりも小さい診断時判定値電圧に変更する処理を行わず、電圧ＶDSに所定の電圧を加算して加算電圧を得る処理のみを行っている。

第３の実施形態の動作を、図６に示すタイミングチャートを用いて説明する。各制御信号Ａ１，Ａ２，Ａ３がＬレベルのとき診断を実施し、時刻ｔ１〜ｔ４間で制御信号ＢをＬレベルにしてアンド回路ＡＮＤ１の出力をＬレベルに固定することは、図２，図４にて説明した例と同様である。

制御信号Ｃを時刻ｔ２にてＬレベルからＨレベルに変化させ、ＦＥＴ（Ｔ６）をオンとする。これにより抵抗Ｒ６に電流が流れ、電圧降下が発生する。

電圧降下の大きさ（Ｖ２−Ｖ３）は、標準の判定値電圧（Ｖ１−Ｖ４）よりも若干大きくなるように、抵抗Ｒ６，Ｒ７の抵抗値を選定する。これにより、過電流検出回路が正常に機能していれば時刻ｔ２〜ｔ３の間で、Ｖ３＜Ｖ４となり、比較器ＣＭＰ１の出力が反転することになる。このとき負荷電流ＩＤが正常電流よりも過少になっているときの電圧Ｖ２ａに対しても、比較器ＣＭＰ１の出力は反転する。即ち、過少電流は異常検出の対象外とする第２の実施形態の特徴が、第３の実施形態では、より簡素化された回路構成で実現できる。

以上、本発明の自己診断機能を備えた負荷駆動装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

半導体スイッチに組み込まれた過電流保護機能に対して半導体スイッチが通電状態にあるとき、所定の時間間隔で正常か否かの診断を行い、異常時には半導体スイッチを遮断することにより、半導体スイッチの不良による発熱、火災等の事故を未然に確実に防ぐことができる。これにより、半導体スイッチの信頼性が従来のヒューズとリレーで構成されたスイッチング機構と同等になり、過電流保護機能とスイッチ機能を半導体スイッチで置き換えることができる。

本発明の第１の実施形態に係る自己診断機能を備えた負荷駆動装置の構成を示す回路図である。第１の実施形態に係る負荷駆動装置の各制御信号、電圧の変化を示すタイミングチャートである。本発明の第２の実施形態に係る自己診断機能を備えた負荷駆動装置の構成を示す回路図である。第２の実施形態に係る負荷駆動装置の各制御信号、電圧の変化を示すタイミングチャートである。本発明の第３の実施形態に係る自己診断機能を備えた負荷駆動装置の構成を示す回路図である。第３の実施形態に係る負荷駆動装置の各制御信号、電圧の変化を示すタイミングチャートである。従来における負荷駆動装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１負荷
２ドライバ（駆動回路）
３制御回路（過電流検出手段、診断手段）
Ｔ１ＭＯＳＦＥＴ（半導体素子）
ＶＢバッテリ
ＣＭＰ１比較器（比較手段）
ＡＮＤ１アンド回路（禁止手段）

Claims

駆動回路の制御により半導体素子のオン、オフを切り替えて、負荷の駆動、停止を制御する負荷駆動装置において、
前記半導体素子の第１の電極と第２の電極の間に電流が流れることにより発生する電極間電圧と、所定の判定値電圧とを比較し、前記電極間電圧が前記判定値電圧を超えたときに前記負荷に流れる電流が過電流であると判定する過電流検出手段と、
前記半導体素子がオン状態のときに、前記過電流検出手段が正常に作動するか否かを診断する診断手段とを備え、
前記診断手段は、前記過電流検出手段が正常に作動しないと判定した際に、前記半導体素子をオフとする指令信号を前記駆動回路に出力することを特徴とする自己診断機能を備えた負荷駆動装置。
前記過電流検出手段は、前記電極間電圧と前記判定値電圧とを比較する比較手段を有し、
前記診断手段は、前記過電流検出手段の診断時には、前記判定値電圧を、前記負荷に通常電流が流れているときの、前記半導体素子の電極間電圧よりも小さい診断時判定値電圧に変更するべく切り替え操作を行い、前記比較手段にて、前記電極間電圧が前記診断時判定値電圧以下と判定されたときに、前記過電流検出手段に異常が発生しているものと判定することを特徴とする請求項１に記載の自己診断機能を備えた負荷駆動装置。
前記過電流検出手段は、前記電極間電圧と前記判定値電圧とを比較する比較手段を有し、
前記診断手段は、前記過電流検出手段の診断時には、前記電極間電圧に所定の電圧を加算した加算電圧を生成し、前記比較手段は、前記電極間電圧に替えて、前記加算電圧を入力して、該加算電圧と前記判定値電圧とを比較し、前記比較手段にて、前記加算電圧が前記判定値電圧以下と判定されたときに、前記過電流検出手段に異常が発生しているものと判定することを特徴とする請求項１に記載の自己診断機能を備えた負荷駆動装置。
前記過電流検出手段は、前記電極間電圧と前記判定値電圧とを比較する比較手段を有し、
前記診断手段は、前記過電流検出手段の診断時には、前記判定値電圧を、前記負荷に通常電流が流れているときの、前記半導体素子の電極間電圧よりも小さい診断時判定値電圧に変更するべく切り替え操作を行い、且つ、前記電極間電圧に所定の電圧を加算した加算電圧を生成し、
前記比較手段は、前記電極間電圧に替えて、前記加算電圧を入力して、該加算電圧と前記診断時判定値電圧とを比較し、前記比較手段にて、前記加算電圧が前記診断時判定値電圧以下と判定されたときに、前記過電流検出手段に異常が発生しているものと判定することを特徴とする請求項１に記載の自己診断機能を備えた負荷駆動装置。
前記過電流検出手段は、前記診断時以外の通常時において、前記比較手段にて前記電極間電圧が前記判定値電圧を超えたときに、過電流を検出する機能を備えると共に、前記診断手段による過電流検出手段の診断が行われるときには、前記比較手段の出力に応じた過電流を検出する機能を禁止する禁止手段を備えたことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の自己診断機能を備えた負荷駆動装置。