JP2008283776A

JP2008283776A - 電力供給装置

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Publication number: JP2008283776A
Application number: JP2007125420A
Authority: JP
Inventors: Shunzo Oshima; 俊藏大島
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2008-11-20
Also published as: WO2008140061A1

Abstract

【課題】低コスト且つ簡単な構成でサージ電圧の影響を回避することのできる電力供給装置を提供する。
【解決手段】電力供給点Ｑ１に直流電圧を供給するバッテリ１０と、電力供給点Ｑ１にバッテリ１０を充電するための電力を供給するオルタネータ１１と、電力供給点Ｑ１とグランドとの間に並列接続された負荷回路１２-1〜１２-5と、を備える。そして、電力供給点Ｑ１の電圧Ｖ１が過電圧となると、ツェナーダイオードＺＤ１が逆方向に導通して、制御回路１４が作動する。即ち、電子スイッチＴ１０がオンとなって、駆動回路１３-3〜１３-5の入力にＬレベル信号を供給し、半導体スイッチＴ３〜Ｔ５をオンとする。これにより、負荷ＲＬ３〜ＲＬ５に電流が流れるので、電力供給点Ｑ１の電圧を低下させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源から複数系統の負荷回路に電力を供給して、各負荷回路の負荷を駆動する電力供給装置に関する。

車両に搭載されるモータやランプ、ヒータ等の各負荷は、該車両に搭載されるバッテリより電力が供給されて作動する。また、バッテリは、車両走行時にはオルタネータより供給される電力により充電され、所定の電圧が保持される。

オルタネータとバッテリとは、電線で接続されているので、接続端子が外れる等の理由により、オルタネータとバッテリとの間の接続が遮断された場合には、オルタネータより出力されるサージ電圧が直接負荷回路に供給される、所謂ロードダンプが発生することがある。ロードダンプの発生により生じるサージ電圧により、負荷回路に設けられるスイッチング素子としての半導体スイッチ（例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ）に、該半導体素子の耐圧を超える電圧が加えられると、半導体スイッチが劣化するか、或いは破壊に至ることがある。

従って、サージ電圧が発生した場合でも、これに耐えられる高耐圧を有する半導体スイッチを用いることが望まれるが、高耐圧の半導体スイッチを用いることは、コストアップにつながり、できるだけ低耐圧の半導体スイッチを使用したいという要望が高まっている。

また、ロードダンプの発生により生じるサージ電圧の影響を回避する技術として、例えば、特開２００６−２３８６１１号公報（特許文献１）に記載されたものが知られている。

該特許文献１には、発電機の界磁回路にツェナーダイオードを設けることにより、一定のレベル以上の電圧が半導体スイッチに加えられないようにする技術が開示されている。しかしながら、負荷回路にツェナーダイオードを搭載する場合には、大容量のツェナーダイオードを用いる必要があるので、依然としてコストアップの問題は解消されない。
特開２００６−２３８６１１号公報

上述したように、従来における電力供給装置では、ロードダンプにより発生するサージ電圧から半導体スイッチを保護するために、半導体スイッチを高耐圧化する必要があるが、半導体スイッチを高耐圧化することはコストアップにつながるという問題がある。また、特許文献１に開示されているように、負荷回路にツェナーダイオードを設けることにより、半導体スイッチをサージ電圧から保護する構成とする場合においても、大容量のツェナーダイオードが必要となり、コストアップにつながるという問題が発生する。そこで、何とか低コストで、ロードダンプにより生じるサージ電圧の影響を回避したいという要望が高まりつつあった。

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、低コスト且つ簡単な構成でサージ電圧の影響を回避することのできる電力供給装置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、電力供給点に直流電圧を供給する直流電源と、前記電力供給点に、前記直流電源を充電するための電力を供給するオルタネータと、前記電力供給点とグランドとの間に並列接続され、前記直流電源より電力が供給されて駆動する負荷が設けられた複数の負荷回路と、前記電力供給点に接続され、この電力供給点の電圧が過電圧となったことを検知する過電圧検出手段と、前記過電圧検出手段にて、過電圧の発生が検知された際に、前記複数の負荷回路のうちのオフ状態とされている一つまたは複数の負荷回路を所定時間だけオンとする制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記負荷回路は、前記負荷への電力の供給、停止を切り換える半導体スイッチを有し、前記制御手段は、前記過電圧検出手段にて過電圧の発生が検知された際に、所定時間だけ、前記半導体スイッチをオンとすることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記直流電源は車両に搭載されるバッテリであり、前記複数の負荷回路のうちの一つは、リヤデフォッガを負荷として備え、前記制御手段は、前記過電圧検出手段にて過電圧の発生が検知され、且つ、前記リヤデフォッガを備える負荷回路がオフ状態のときには、このリヤデフォッガを備える負荷回路を所定時間だけオンとすることを特徴とする。

請求項１の発明では、直流電源とオルタネータとの間を接続するための接続端子が外れる等のトラブルにより、オルタネータより出力されるサージ電圧（過電圧）が電力供給点を介して、各負荷回路に供給された場合に、サージ電圧の発生が過電圧検出手段で検出され、いくつかの負荷回路が所定時間だけ強制的にオンとされる。従って、オンとされた負荷回路に電流が流れることにより、サージ電圧を低下させることができ、サージ電圧により各負荷回路を構成する部品、電線等が損傷することを防止できる。また、高耐圧の半導体スイッチ、或いは大容量のツェナーダイオードを使用しないので、コストダウンを図ることができる。

請求項２の発明では、サージ電圧が発生したときに、負荷回路に設けられる半導体スイッチをオンとして、負荷回路をオン状態とするので、半導体スイッチに過大なサージ電圧が加えられることを防止でき、半導体スイッチを保護することができる。

請求項３の発明では、サージ電圧が発生した場合には、リヤデフォッガを備える負荷回路をオン状態とする。リヤデフォッガは、多くの車両に搭載され、且つ、発熱させることを目的として設けられているので、サージ電圧が発生した際にこのリヤデフォッガを備える負荷回路がオンとされた場合でも、負荷回路に大きな負担が加えられることがない。

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、本発明の一実施形態に係る電力供給装置の構成を示す回路図である。同図に示すように、この電力供給装置は、車両に搭載されるモータ、ランプ、ヒータ等の各負荷を駆動させるための回路であり、バッテリ（直流電源）１０と、該バッテリ１０を充電するためのオルタネータ１１と、バッテリ１０より電力が供給されて駆動する複数の負荷回路１２-1〜１２-5とを有している。

更に、電力供給装置は、制御回路１４と、駆動回路１３-1〜１３-5と、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１５と、切り換えスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を備えている。

各負荷回路１２-1〜１２-5は、半導体スイッチＴ１〜Ｔ５と、負荷ＲＬ１〜ＲＬ５を備えており、半導体スイッチＴ１〜Ｔ５の一方の端子は、電力供給点Ｑ１にてバッテリ１０のプラス側端子に接続されている。また、半導体スイッチＴ１〜Ｔ５の他方の端子は、負荷ＲＬ１〜ＲＬ５の一端に接続され、各負荷ＲＬ１〜ＲＬ５の他端はグランドに接地されている。負荷ＲＬ１〜ＲＬ５としては、ヘッドランプ、ブレーキランプ等のランプ類、バックミラー傾動用のモータ等のモータ類、リヤデフォッガ等のヒータ類が含まれる。

電力供給点Ｑ１は、オルタネータ１１の出力端子に接続されている。また、オルタネータ１１は内部抵抗を有しており、等価的に抵抗Ｒ０を示している。従って、オルタネータ１１より出力される電力は、電力供給点Ｑ１を介してバッテリ１０に供給され、該バッテリを充電することができる。

各負荷回路１２-1〜１２-5に設けられる半導体スイッチＴ１〜Ｔ５は、例えば、Ｎ型のＭＯＳ−ＦＥＴであり、該ＭＯＳ−ＦＥＴのゲートは、駆動回路１３-1〜１３-5に接続され、更に、各駆動回路１３-1〜１３-5の入力端子は２系統に分岐され、一方の分岐線は切り換えスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を介してグランドに接地されている。また、他方の分岐線は抵抗Ｒ１１〜Ｒ１５を介して電力供給点Ｑ１に接続されている。そして、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５がオンとされると、駆動回路１３-1〜１３-5の入力端子に供給される入力信号がＨレベルからＬレベルに切り換えられ、半導体スイッチＴ１〜Ｔ５に駆動信号を出力する。更に、３つの駆動回路１３-3〜１３-5の入力端子は、制御回路１４に接続されている。

制御回路１４は、ＭＯＳ−ＦＥＴで構成される電子スイッチＴ１０と、ツェナーダイオードＺＤ１と、抵抗Ｒ１，Ｒ２と、コンデンサＣ１と、ダイオードＤ１〜Ｄ３を備えている。ツェナーダイオードＺＤ１のアノードは、電力供給点Ｑ１に接続され、カソードは、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の直列接続回路を介してグランドに接地されている。また、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１との接続点は、電子スイッチＴ１０のゲートに接続され、且つ、この接続点は、抵抗Ｒ２を介してグランドに接地されている。

更に、各ダイオードＤ１〜Ｄ３のアノードは、上述した３個の駆動回路１３-3〜１３-5の入力端子に接続され、各ダイオードＤ１〜Ｄ３のカソードは、電子スイッチＴ１０のドレインに接続されている。

ツェナーダイオードＺＤ１は、本発明の過電圧検出手段に対応し、制御回路１４は本発明の制御手段に対応する。

次に、上記のように構成された本実施形態の電力供給装置の作用について説明する。通常時において車両が走行しているときには、オルタネータ１１が回転することにより発電された電力は電力供給点Ｑ１を介してバッテリ１０に供給され、該バッテリ１０を充電する。

また、例えば、切り換えスイッチＳＷ１がオンとされると、駆動回路１３-1の入力端子の電圧レベルがＨレベルからＬレベルに切り換えられ、これにより駆動回路１３-1より駆動信号が出力され、この駆動信号が半導体スイッチＴ１のゲート（ＭＯＳ−ＦＥＴのゲート）に供給されるので、半導体スイッチＴ１がオンとなる。その結果、負荷ＲＬ１に負荷電流が流れるので、該負荷ＲＬ１が駆動する。

また、端子外れ等の原因により、バッテリ１０と電力供給点Ｑ１との間の接続が遮断されると、図１に示す符号Ｐ１の位置で回路が遮断されたことに相当し、オルタネータ１１からバッテリ１０に流れる電流が遮断されるので、オルタネータ１１の発電電流が急激に減少する。すると、オルタネータ１１自身が有する自己インダクタンスは、電流を遮断前の電流に維持しようとして、オルタネータ１１の出力電圧ＶＡを増大させる。即ち、ロードダンプ現象となり、大きな正極性サージ電圧が発生し、電力供給点Ｑ１の電圧Ｖ１をオーバーシュート的に上昇させる。

電圧Ｖ１が上昇し、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧よりも大きくなると、ツェナーダイオードＺＤ１が逆方向に導通するので、ツェナーダイオードＺＤ１→抵抗Ｒ１→コンデンサＣ１→グランドの経路で電流が流れる。その結果、コンデンサＣ１が瞬時的に充電され、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１との接続点の電圧が瞬時的に一定レベルに達するので、電子スイッチＴ１０がオンとなる。

電子スイッチＴ１０がオンとなることにより、ダイオードＤ１〜Ｄ３のカソードがグランドに接地され、各ダイオードＤ１〜Ｄ３のアノードに接続された各駆動回路１３-3〜１３-5の入力信号がＬレベルとなる。即ち、切り換えスイッチＳＷ３〜ＳＷ５がオンとされた状態と同じ状態となる。

これにより、半導体スイッチＴ３〜Ｔ５がオンとなり、負荷ＲＬ３〜ＲＬ５に負荷電流が流れるので、オルタネータ１１の等価的な内部抵抗Ｒ０に電圧降下が発生する。ここで、半導体スイッチＴ３〜Ｔ５がオンとなったことによる負荷電流の増加量をΔＩＤとすると、電力供給点Ｑ１の電圧Ｖ１は、以下の（１）式で示される。

Ｖ１＝ＶＡ−Ｒ０＊ΔＩＤ・・・（１）
ここで、ＶＡはオルタネータ１１の出力電圧、Ｒ０はオルタネータ１１の内部抵抗である。従って、Ｖ１＜ＶＡとなり、負荷電流の増加量ΔＩＤが十分大きければ、オルタネータの出力電圧ＶＡが大きくなっても、電力供給点Ｑ１の電圧Ｖ１を一定電圧以下に保持することが可能となる。

ここで、負荷ＲＬ３，ＲＬ４，ＲＬ５の並列合成抵抗をＲＬ３５とすると、次の（２）式が成立する。

Ｖ１＝ＲＬ３５＊ΔＩＤ・・・（２）
上記した（１）、（２）式より、次の（３）式が得られる。

Ｖ１＝ＲＬ３５／（Ｒ０＋Ｒ３５）＊ＶＡ・・・（３）
（３）式より、電圧Ｖ１は、電圧ＶＡを並列合成抵抗Ｒ３５と、オルタネータ１１の内部抵抗Ｒ０で分圧した電圧となることが理解される。

電圧ＶＡは、一般に８０［Ｖ］程度のピーク値を有し、時間経過と共に減衰する電圧波形となるので、Ｒ０＝２．５［Ω］とすると、ＲＬ３５＝１．５［Ω］であれば、ピーク値８０［Ｖ］に対して、次の（４）式に示すように、３０［Ｖ］となる。

Ｖ１＝１．５／（２．５＋１．５）＊８０＝３０［Ｖ］・・・（４）
従って、電力供給装置の耐圧、即ち、オフ状態となっている半導体スイッチＴ１，Ｔ２の耐圧が、上記の３０［Ｖ］よりも高ければ、半導体スイッチＴ１，Ｔ２が損傷を受けることが無い。つまり、サージ電圧が発生した場合でも、電力供給点Ｑ１の電圧Ｖ１を、電力供給装置の耐圧よりも低くすることができ、耐圧の低い半導体スイッチを用いた負荷回路であっても、サージ電圧による損傷を受けることが無い。

また、サージ電圧が発生して電子スイッチＴ１０がオンとなり、その後、半導体スイッチＴ３〜Ｔ５がオンとなると、電力供給点Ｑ１の電圧Ｖ１が低下してツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧を下回る。これにより、コンデンサＣ１に充電されていた電圧が抵抗Ｒ２を介して放電され、電子スイッチＴ１０のゲート電圧がスレッショルド電圧以下となると、電子スイッチＴ１０がオフとなる。

その結果、強制的にオンとされていたスイッチＳＷ３〜ＳＷ５がオフ状態となり、負荷回路１２-3〜１２-5が遮断される。このとき、未だサージ電圧が収まっていない場合には、電圧Ｖ１が再度上昇することになるが、電圧Ｖ１が上昇すると、再度ツェナーダイオードＺＤ１が逆方向に導通して、上記と同様の手順でスイッチＳＷ３〜ＳＷ５をオン状態とする。そして、このような動作を繰り返すことにより、電力供給点Ｑ１にサージ電圧が印加された場合でも、この電力供給点Ｑ１の電圧Ｖ１は所定電圧（例えば、３０［Ｖ］）以下に抑制することができる。ここで、電子スイッチＴ１０がオンとされる時間は、５［ｍsec］程度であるので、各負荷回路１２-1〜１２-5にはほとんど影響を与えることがない。

また、強制的にオンとする負荷回路を、車両に搭載される電熱線であるリヤデフォッガを駆動するための回路とすれば、サージ電圧による電力を熱エネルギーに変換して消費することができ、ランプやモータ等の他の負荷と比較した場合に、より負荷にかける影響を軽減することができる。

更に、複数の負荷回路１２-1〜１２-5のうちの、全てがオフ状態のときに限って制御回路１４を作動させるようにすれば、不要なスイッチのオン動作を回避することができる。例えば、半導体スイッチＴ１がオンとされ、負荷回路１２-1が駆動しているときに、ロードダンプによりサージ電圧が発生した場合には、この負荷ＲＬ１に電流が流れることにより、サージ電圧は瞬時に低下するので、負荷回路１２-3〜１２-5をオンとする必要はなく、半導体スイッチの不要なオン、オフ動作を回避できる。

このようにして、本実施形態に係る電力供給装置では、負荷回路１２-1〜１２-5に電力を供給する電力供給点Ｑ１にサージ電圧が発生し、電力供給点Ｑ１の電圧Ｖ１が過電圧となった場合には、複数の負荷回路１２-1〜１２-5のうちの少なくとも一つ（本実施形態では、３つの負荷回路１２-3〜１２-5）を強制的にオン状態とし、これらの負荷回路に負荷電流を流すので、電圧Ｖ１が過電圧となることを防止することができる。その結果、各負荷回路１２-1〜１２-5に設けられる半導体スイッチＴ１〜Ｔ５として、サージ電圧に耐え得る程度の高い耐圧特性を有するものを使用する必要がなくなり、低い耐圧の部品を用いることができるので、装置全体の小型化、低コスト化を図ることができる。

また、各負荷回路１２-1〜１２-5をサージ電圧から保護するために、大容量のツェナーダイオードを使用する必要が無く、装置全体の低コスト化を図ることができる。なお、図１に示すツェナーダイオードＺＤ１は、負荷回路に接続されておらず、電流値が極めて小さいので小容量のものを用いればよい。

以上、本発明の電力供給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。

例えば、上記した実施形態では、半導体スイッチＴ１〜Ｔ５として、Ｎ型のＭＯＳ−ＦＥＴを例に挙げ、該Ｎ型のＭＯＳ−ＦＥＴのハイサイド側にバッテリ１０を接続する場合を説明したが、半導体スイッチＴ１〜Ｔ５としてＰ型のＭＯＳ−ＦＥＴを使用し、該Ｐ型のＭＯＳ−ＦＥＴのハイサイド側にバッテリを接続する構成としても良い。また、ＭＯＳ−ＦＥＴ以外の半導体スイッチを用いることも可能である。

また、上記した実施形態では、サージ電圧が発生したときに、３個の負荷回路１２-3〜１２-5を強制的にオンとする場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、オフ状態にある一つの回路であっても、要求を満たす大きさの負荷電流を流すことができれば、それをオンとするだけでも良い。更に、上記した実施形態では、５個の負荷回路１２-1〜１２-5を備える電力供給装置について説明したが、負荷回路の数は５個に限定されるものでは無い。

また、上記した実施形態では、車両に搭載されるバッテリ１０、及びオルタネータ１１を備える電力供給装置の例について説明したが、車両以外であってもバッテリ、オルタネータを備える装置であれば、本発明の電力供給装置を適用することができる。

低コストでサージ電圧による影響を回避する上で極めて有用である。

本発明の一実施形態に係る電力供給装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０バッテリ（直流電源）
１１オルタネータ
１２-1〜１２-5 負荷回路
１３-1〜１３-5 駆動回路
１４制御回路
Ｔ１〜Ｔ５半導体スイッチ
ＲＬ１〜ＲＬ５負荷
ＳＷ１〜ＳＷ５切り換えスイッチ

Claims

電力供給点に直流電圧を供給する直流電源と、
前記電力供給点に、前記直流電源を充電するための電力を供給するオルタネータと、
前記電力供給点とグランドとの間に並列接続され、前記直流電源より電力が供給されて駆動する負荷が設けられた複数の負荷回路と、
前記電力供給点に接続され、この電力供給点の電圧が過電圧となったことを検知する過電圧検出手段と、
前記過電圧検出手段にて、過電圧の発生が検知された際に、前記複数の負荷回路のうちのオフ状態とされている一つまたは複数の負荷回路を所定時間だけオンとする制御を行う制御手段と、
を備えたことを特徴とする電力供給装置。
前記負荷回路は、前記負荷への電力の供給、停止を切り換える半導体スイッチを有し、
前記制御手段は、前記過電圧検出手段にて過電圧の発生が検知された際に、所定時間だけ、前記半導体スイッチをオンとすることを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
前記直流電源は車両に搭載されるバッテリであり、前記複数の負荷回路のうちの一つは、リヤデフォッガを負荷として備え、前記制御手段は、前記過電圧検出手段にて過電圧の発生が検知され、且つ、前記リヤデフォッガを備える負荷回路がオフ状態のときには、このリヤデフォッガを備える負荷回路を所定時間だけオンとすることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電力供給装置。