JP2009278802A - スイッチング素子駆動回路及びこれを備えるモータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】回路構成の簡素化又は制御回路で行われる演算処理の簡素化が図られたスイッチング素子駆動回路を提供する。
【解決手段】スイッチング素子駆動回路１１０では、マイコン１１１に内蔵された中央演算処理回路ＣＰＵ又はメモリ回路Ｍｅ等によって演算処理を行う。このとき、中央演算処理回路ＣＰＵで、スイッチング素子１２０の温度情報に関係する認識値を抽出し、かかる認識値の結果に応じてＰＷＭ信号の出力制御を行う。メモリ回路Ｍｅには、マップ化された情報群が記録されている。かかる情報群は、電流値情報と電圧値情報と温度情報の認識値との組合せが複数パターン記録され、マイコン１１１では、温度情報の認識値を認識することにより、スイッチング素子１２０の現在温度が危険温度か安全温度であるかの判別を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング素子駆動回路及びこれを備えるモータ駆動回路に関する。

従来より、車両を構成する機構に用いられる制御モータには、車載バッテリの供給電力又はＥＣＵ等から送信される信号を適宜に変換させるモータドライバが用いられる。かかるモータドライバは、例えば、ラジエータ又はフューエルポンプ又はパワーウィンドウ等を駆動させる各種制御モータに接続され、当該モータドライバに内蔵されるモータ駆動回路の動作によって制御モータを適宜に駆動させる。尚、かかる制御モータは、ブラシモータ及びブラシレスモータ等、種々の構造を有するモータが用いられている。

モータ駆動回路は、スイッチング素子を具備し、当該スイッチング素子の動作によって、制御モータに内蔵された駆動コイルの通過電流を断続制御させ、これにより、駆動コイルに軸着されたローター軸へ回転力を与える。このとき、スイッチング素子では、長時間に亘って駆動されると、当該スイッチング素子の出力電流に応じて、電力損失に相当する熱量が発生する。かかる如くスイッチング素子が発熱すると、当該スイッチング素子の周辺に配された回路を誤動作させ、発熱の状態によってはモータ駆動回路の故障又は火災を誘発させてしまう。

そこで、特開平７−２４５３７５号公報（特許文献１）では、ＰＴＣサーミスタを用いてスイッチング素子の温度を検出する負荷駆動装置が検討されている。かかる負荷駆動装置は、制御モータ等の負荷を駆動させるスイッチング素子と、スイッチング素子の発熱を感知するＰＴＣサーミスタと、スイッチング素子及びＰＴＣサーミスタの双方を実装させた回路基板とを具備して成る。そして、スイッチング素子の温度情報がＰＴＣサーミスタからＥＣＵに送信され、ＥＣＵでは、当該温度情報の状態に応じてスイッチング素子の動作を停止させる。

しかしながら、特許文献１の技術では、制御モータを駆動するスイッチング素子と当該スイッチング素子の温度を感知するＰＴＣサーミスタとが独立した構成とされるため、ＰＴＣサーミスタへスイッチング素子の温度が伝達される迄に所定の時間を必要とするため、リアルタイムの正確な温度が検知されず、これによって生じる温度検出の誤差によって、スイッチング素子の最適動作を実現し得ないとの問題が生じる。

そこで、かかる問題を回避すべく、特開２００３−０４７２８４号公報（特許文献２）では、スイッチング素子の温度を正確に検出し得るモータ駆動装置が紹介されている。かかるモータ駆動装置は、スイッチング素子のＯＮ時電流を検出する電流検出手段と、スイッチング素子のＯＮ時電圧を検出する電圧検出手段と、ＯＮ時電流とＯＮ時電圧に基づきスイッチング素子のＯＮ抵抗を検出する抵抗検出手段と、抵抗検出手段スイッチング素子が異常であるか否かの判断を実施する異常判断手段とから構成され、かかる異常判断手段では、算出されたＯＮ抵抗が所定の閾値より高い場合に異常であると判断し、同抵抗が所定の閾値より低い場合に正常であるとする判断を行う。

特開平７−２４５３７５号公報 特開２００３−０４７２８４号公報

しかしながら、特許文献２の技術では、抵抗検出手段として電流値と電圧値との除算値を算出させる新たな回路が必要となるため、モータ駆動装置に内蔵される回路の構成が複雑化し、併せて、当該回路におけるコストの高騰を招くとの問題が生じる。このとき、メモリ回路を具備する制御ＩＣを用いて抵抗検出手段に相当する回路の簡素化を行うことも検討され得るが、かかる場合、制御ＩＣでは、電流値と電圧値との除算値を算出させる除算処理の追加、又は、除算値をフィードフォワード演算するためのメモリ領域の追加、等を余儀なくされ、かかる動作を実現させる制御ＩＣの高スペック化に伴い、当該回路の高コスト化に繋がるとの問題も懸念される。

また、近年の制御ＩＣでは、スイッチング素子の出力端子に接続されたシャント抵抗の電圧値を当該スイッチング素子の出力電流として検出し、当該出力電流の検出値に基づいて種々の制御を行うものが生産されている。ここで、かかる制御ＩＣを用いる場合、スイッチング素子の出力電流の全てがシャント抵抗を通過する構成とされると、当該シャント抵抗にて大きな発熱を生じさせると共に、車載バッテリの電力損失が大きくなるとの問題を生じさせてしまう。

本発明は上記課題に鑑み、回路構成の簡素化又は制御回路で行われる演算処理の簡素化が図られたスイッチング素子駆動回路の提供と、スイッチング素子駆動回路内の発熱量を低減させ電力損失の低減を実現させ得るモータ駆動回路の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では次のようなスイッチング素子駆動回路の構成とする。即ち、外部から受信した信号に基づいてスイッチング素子を制御させる制御回路を具備するスイッチング素子駆動回路において、前記制御回路は、前記スイッチング素子のＯＮ状態に流れる電流値と前記スイッチング素子のＯＮ状態で現われる電圧値とを検出し、前記電流値及び前記電圧値の対応関係に基づいてスイッチング素子を制御させる。

このとき、前記制御回路は、前記スイッチング素子を駆動させる駆動信号と、前記スイッチング素子を停止させる停止信号とを前記スイッチング素子に関する温度情報の認識値に応じて出力させるのが好ましい。また、前記制御回路は、前記温度情報の認識値が閾値温度より低い情報を示す場合に前記駆動信号を出力させ、前記温度情報の認識値が閾値温度より高い情報を示す場合に前記停止信号を出力させるのが好ましい。更に、前記制御回路は、電流値情報と電圧値情報と前記温度情報の認識値との組合せが複数パターン記録されたメモリ回路を具備するのが好ましい。加えて、前記制御回路は、前記電流値情報のうち検出した前記電流値に該当する電流値情報と前記電圧値情報のうち検出した前記電圧値に該当する電圧値情報とに基づいて前記温度情報の認識値を選択するのが好ましい。

また、前記スイッチング素子は、前記駆動信号又は前記停止信号を受信する信号入力端子と、電力が供給される電力入力端子と、前記スイッチング素子を通過する電流のうち検出電流を出力させる検出用出力端子と、前記スイッチング素子を通過する電流のうち前記検出電流を除く主電流を出力させる主出力端子とを備えるのが好ましい。そして、前記検出用出力端子には、シャント抵抗が接続されているのが好ましい。

更に、前記対応関係は、前記スイッチング素子のＯＮ状態でのインダクタンスによって規定されるのが好ましい。但し、これに限定することなく、前記対応関係は、前記スイッチング素子のＯＮ状態での抵抗値によって規定されるようにしても良い。

加えて、本発明では次のような制御モータ駆動回路の構成とする。即ち、上述した発明のうち何れか一つに記載のスイッチング素子駆動回路と、前記スイッチング素子とを少なくとも備え、前記スイッチング素子駆動回路は、外部から受信した信号に基づいてスイッチング素子を制御させ、前記スイッチング素子は、前記スイッチング素子駆動回路の動作に基づいて制御モータを駆動制御させる。

本発明に係るスイッチング素子駆動回路では、検出した電流値と電圧値とに基づいてスイッチング素子の温度情報を認識するので、サーミスタ等の温度測定素子による測定誤差が解消され、これにより、スイッチング素子の正確な温度検知が可能とされる。

また、スイッチング素子のインダクタンス又はスイッチング素子の抵抗値又はスイッチング素子の現在温度を監視することなく、認識した電流値及び電圧値のみによって、スイッチング素子を駆動させる駆動信号の出力を許可させるので、これにより、制御回路における演算処理の簡素化が図られ、また、メモリ領域の少ないメモリ回路を内蔵させたマイコンの選択が可能となる。更に、スイッチング素子駆動回路における不要な回路構成が排除され得る。

また、本発明に係るモータ駆動回路では、スイッチング素子に検出用端子が設けられ、当該検出用端子から出力される検出電流が低値とされるので、電流検出回路のシャント抵抗で生じる発熱量及び車載バッテリの電力損失が抑制される。

以下、本発明に係る実施の形態につき図面を参照して説明する。図１には、本実施の形態に係るモータ駆動回路１００の構成が示されている。尚、同図には、車両の制御を実施するＥＣＵ（Engine Control Unit）と、車両に搭載されたバッテリーボックスから供給される電力ＢＥと、燃料用ポンプとして用いられる制御モータＦＭとが便宜的に示されている。

図を参照すると、モータ駆動回路１００は、スイッチング素子駆動回路１１０とスイッチング素子１２０とフィルター回路１３０とから構成され、互いに適宜な配線によって電気的に接続されている。

フィルター回路１３０は、コイルＬｘ〜Ｌｚ、及び、コンデンサＣｘａ、Ｃｘｂ、Ｃｙ、Ｃｖ、及び、抵抗Ｒｖから構成される。コイルＬｘは、一端に端子ｅを介して電力ＢＥが印加され、他端がダイオードＤｏを介してスイッチング素子１２０に接続されている。また、コイルＬｘは、両端にコンデンサＣｘａ、Ｃｘｂがπ型接続されており、かかる構成により、定電圧回路１１２は、ノイズ成分を排除させた電力ＢＥが供給される。一方、コイルＬｙは、一端に端子ｄを介して制御モータＦＭの出力端子が接続され、他端にスイッチング素子１２０が接続されている。また、コイルＬｙの端子ｄ側にはコンデンサＣｙが接続されおり、かかる構成により、制御モータＦＭを通過しスイッチング素子１２０に流れ込む電流のノイズ成分が吸収される。更に、コイルＬｚは、一端が端子ｃを介して制御モータＦＭの入力端子に接続され、他端がダイオードＤｏを介してスイッチング素子１２０に接続されている。

スイッチング素子駆動回路１１０は、制御回路１１１と定電圧回路１１２と信号入力回路１１３とダイアグ増幅回路１１４とトリガー信号出力回路１１５とドライブ増幅回路１１６と電圧検出回路１１７と電流検出回路１１８とから構成されている。

制御回路１１１は、上述した定電圧回路１１２と信号入力回路１１３とダイアグ増幅回路１１４とトリガー信号出力回路１１５とドライブ増幅回路１１６と電圧検出回路１１７と電流検出回路１１８とがポートＰ１〜Ｐ８に各々接続されている。このうちＶｓｓに相当するポートＰ４はグランドへとアースされている。また、本実施の形態では、制御回路１１１としてマイクロコンピュータが用いられるため、以下、制御回路１１１をマイコン１１１と呼びかえることとする。かかるマイコン１１１は、中央演算処理回路ＣＰＵとメモリ回路Ｍｅと入出力処理回路Ｉ／Ｏとクロック回路ＣＬとが内蔵されている。そして、これら内蔵された回路が互いに協働して、以下の動作を実現させる。即ち、ポートＰ１に入力された電源Ｖｃｃは、内蔵された各回路を駆動させ、ポートＰ４からアースされる。また、ポートＰ２に入力された信号は、当該信号の状態に応じて適宜なデューティー比のＰＷＭ信号へと変換され、当該ＰＷＭ信号をポートＰ６から出力させる。ポートＰ５から入力された信号は、ポートＰ７で受信した信号のうち不要なタイミング期間をマスキングさせ、これにより、ポート７で受信した信号を所望の波形に成形させる。ポートＰ８から入力された信号は、所定閾値を超えている場合に、ポートＰ３からＨｉｇｈ信号を出力させる。更に、ポートＰ７から入力された信号及びポートＰ８から入力された信号は、マイコン１１１に内蔵された中央演算処理回路ＣＰＵ又はメモリ回路Ｍｅ等によって所定の演算処理が行われる。このとき、中央演算処理回路ＣＰＵでは、スイッチング素子１２０の温度情報に関係する認識値を抽出し、かかる認識値の結果に応じてポートＰ６から出力されるＰＷＭ信号の制御を行う。これにより、ポートＰ６では、ＰＷＭ信号が出力又は停止動作が実現される。尚、かかるマイコン１１１の動作については、適宜詳細に説明することとする。

定電圧回路１１２は、バッテリーボックスから供給された電力ＢＥを変換し、変動幅の少ない安定したマイコン駆動電源Ｖｃｃを生成させる。かかる定電圧回路１１２は、マイコン駆動電源ＶｃｃをポートＰ１へ供給させ、マイコン１１１を駆動させる。

信号入力回路１１３は、一端が入力端子ａを介してＥＣＵに接続され、他端がポートＰ２に接続される。信号入力回路１１３では、ＥＣＵから入力された外部信号を変換し、電圧を所望の状態にした矩形信号を生成し、当該矩形信号をポートＰ２へと出力させる。尚、かかる外部信号又は矩形信号は、ＰＷＭ信号ではなく、一定の時間幅を具備する矩形波とされる。

ダイアグ増幅回路１１４は、ポートＰ３から出力されたダイアグ信号を増幅させ、所望の電圧値に成形されたダイアグ信号として、端子ｂからＥＣＵへと出力させる。

トリガー信号出力回路１１５は、一端がポートＰ５に接続され、他端が電圧検出回路１１７の出力ラインに接続されている。かかるトリガー信号出力回路１１５は、電圧検出回路１１７から出力される電圧検出波形Ｖｄｓｉのうち立下りエッジを検出すると、電圧検出波形Ｖｄｓｉが所定閾値以下とされた際に、トリガー信号ＴｒｇをＨｉｇｈ状態とさせる。一方、電圧検出波形Ｖｄｓｉの立ち上がりエッジを検出し、電圧検出波形Ｖｄｓｉが所定閾値以上に回復すると、トリガー信号ＴｒｇをＬｏｗ状態とさせる。即ち、トリガー信号出力回路１１５では、検出した電圧検出波形Ｖｄｓｉの値に応じてＨ−Ｌ信号を連続的に生成し、これにより、連続する矩形波状のトリガー信号Ｔｒｇを出力させる。

ドライブ増幅回路１１６は、一端がポートＰ６に接続され、他端がスイッチング素子１２０に接続されている。そして、ポートＰ６から出力されたＰＷＭ信号を増幅させ、スイッチング素子１２０を駆動可能な状態に変換させる。具体的に説明すると、図２に示す如く、ドライブ増幅回路１１６は、ローパスフィルター１１６ａとプッシュプル回路１１６ｂとから構成されている。ローパスフィルター１１６ａは、抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３とから成り、信号のノイズ成分を吸収させる。プッシュプル回路１１６ｂは、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒａ）とＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒｂ）とから構成され、入力電圧がＨｉｇｈ状態の際、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒａ）がＯＮ状態とされ、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒｂ）がＯＦＦ状態とされる。このとき、スイッチング素子１２０のゲートｇには、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒａ）を介して電源ＢＥが印加される。一方、入力電圧がＬｏｗ状態とされる場合、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒａ）がＯＦＦ状態とされ、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒｂ）がＯＮ状態とされる。このとき、スイッチング素子１２０のゲート端子に蓄積された電荷は、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒｂ）を介してアースへと放電される。即ち、ＰＷＭ信号がドライブ増幅回路１１６へ入力されると、当該ドライブ増幅回路１１６では、マイコンから出力されたＰＷＭ信号の振幅値を増幅させ、これによって変換されたＰＷＭ信号がスイッチング素子１２０のゲートｇに印加される。

電圧検出回路１１７は、一端がポートＰ７に接続され、他端が抵抗Ｒｖを介してスイッチング素子１２０の電力入力端子ｄに接続されている。かかる電圧検出回路１１７は、図２に示す如く、ローパスフィルター１１７ａと増幅回路１１７ｂとから構成されている。増幅回路１１７ｂは、オペアンプＡｍｐ１と抵抗Ｒ２及びＲ３とコンデンサＣ２とから成り、定電圧回路１１２で生成された電源Ｖｃｃが印加されている。オペアンプＡｍｐ１は、反転端子に抵抗Ｒ３及びＲｖの直列回路が接続され、当該直列回路を介してスイッチング素子１２０の電力入力端子ｄに接続される。また、非反転端子はグランドにアースされ、反転端子及び非反転端子の間にはコンデンサＣ２が並列接続され、これにより、入力される波形のノイズ成分が吸収される。また、オペアンプＡｍｐ１は、出力端子と反転端子との間に抵抗Ｒ２が並列接続され、抵抗Ｒ２及びＲ３によって入力された波形が増幅される。即ち、電圧検出回路１１７では、スイッチング素子１２０の電力入力端子で現われる電圧値を検出し、増幅回路１１７ｂにて検出した電圧値をマイコン１１１で処理可能な値に増幅させ、ローパスフィルター１１７ａにてノイズ成分を除去し、その後、マイコン１１１のポートＰ７へと出力させる。

電流検出回路１１８は、一端がポートＰ８に接続され、他端がスイッチング素子１２０の検出用出力端子ｓ２に接続されている。かかる電流検出回路１１８は、図２に示す如く、ローパスフィルター１１８ａと増幅回路１１８ｂとシャント抵抗Ｒ８から構成されている。ローパスフィルター１１８ａ及び増幅回路１１８ｂは、上述した構成及び機能と同様の回路とされる。また、電流検出回路１１８では、スイッチング素子１２０の検出用端子ｓ２がシャント抵抗Ｒ８を介してアースに接続される。即ち、電流検出回路１１８では、スイッチング素子１２０の検出用端子ｓ２から検出電流が出力されると、当該検出電流がシャント抵抗Ｒ８を介してアースへと流れ込む。このとき、増幅回路１１８ｂでは、検出電流の電流値に相当する電圧が印加されることで、スイッチング素子に流れる電流値を検出する。そして、増幅回路１１８ｂにて検出した電流値をマイコン１１１で処理可能な値に増幅させ、ローパスフィルター１１７ａにてノイズ成分を除去し、その後、マイコン１１１のポートＰ８へと出力させる。

本実施の形態で用いられるスイッチング素子１２０は、パワーＭＯＳＦＥＴとされる。但し、ＩＧＢＴ又はバイポーラトランジスタを用いることも可能である。かかるスイッチング素子１２０は、図１に示す如く、ゲート（特許請求の範囲における信号入力端子）ｇとドレイン（特許請求の範囲における電力入力端子）ｄと二次ソース（特許請求の範囲における検出用入力端子）ｓ２と一次ソース（特許請求の範囲における主出力端子）ｓ１とが設けられ、ゲートｇではＰＷＭ信号を受信し、ドレインｄではフィルター回路１３０を介して電力ＢＥが供給され、二次ソースｓ２ではスイッチング素子１２０を通過する電流のうち検出電流を出力させ、一次ソースｓ１ではスイッチング素子１２０を通過する電流のうち検出電流を除く主電流を出力させる。即ち、スイッチング素子１２０を通過する電流は、検出電流と主電流との和によって求められることとなり、本実施の形態では、検出電流が主電流の１／１００程度に設定される。かかるスイッチング素子１２０は、例えば、Ｐ層基板に複数のＭＯＳＦＥＴを構成させ、共通のゲート電圧が印加された際に、異なる大きさのｎチャンネルを生成させる構造とする。そして、小さいｎチャンネルを生成するＭＯＳＦＥＴ領域には二次ソースｓ２が設けられ、大きいｎチャンネルを生成するＭＯＳＦＥＴ領域には一次ソースｓ１が設けられる。かかる二次ソースｓ２を具備するスイッチング素子１２０は、例えば、カレントミラー回路等が代表例とされるが、これに限らず、複数のソース端子を具備するスイッチング素子であれば、本実施の形態に適用可能とされる。

かかる構成を具備するモータ駆動回路１００は以下の如く動作する。先ず、マイコン１１１からＰＷＭ信号が出力されると、スイッチング素子１２０は、微小区間のパルスから成るＰＷＭ信号によって、かかる信号周波数に同期したＯＮ／ＯＦＦ動作を実施する。ここで、スイッチング素子１２０がＯＮ状態のとき、バッテリーボックスから供給された電力ＢＥは、端子ｅから端子ｃを介して制御モータＦＭに供給され、その後、制御モータＦＭ内の駆動コイルを通過した電流は、コイルＬｙを介してスイッチング素子１２０を通過する。一方、スイッチング素子１２０がＯＦＦ状態のとき、電力ＢＥは、制御モータＦＭ−コイルＬｙ−ダイオードＤｏ−コイルＬｚ−制御モータＦＭを循環する。従って、スイッチング素子１２０が駆動されＯＮ／ＯＦＦ状態を連続的に切り替えられると、制御モータＦＭに印加される電位が変動し、これにより、制御モータＦＭでは、励磁駆動と回生駆動とが交互に発生し、ローター軸に回転力が与えられる。

上述の如く、本実施の形態に係るスイッチング素子駆動回路１１０では、スイッチング素子１２０に関する電流値と電圧値とを検出し、かかる電流値及び電圧値に基づいてスイッチング素子１２０の温度情報を認識するので、サーミスタ等の温度測定素子による測定誤差が解消され、これにより、スイッチング素子１２０の正確な温度検知が可能とされる。

また、本実施の形態に係るモータ駆動回路１００では、スイッチング素子１２０に検出用端子ｓ２が設けられ、当該検出用端子ｓ２から出力される検出電流が低値とされるので、電流検出回路１１８のシャント抵抗Ｒ８で生じる発熱量及び車載バッテリの電力損失が抑制される。

以下、マイコン１１１の処理動作とメモリ回路Ｍｅに格納される情報とについて説明する。図３には、スイッチング素子１２０のインダクタンスＧと当該スイッチング素子１２０の温度Ｔｈとの関係が示されている。かかる関係を示したグラフには、ｑ（Ｔｈ、Ｇ）＝ｑａ（Ｔｈａ、Ｇａ）〜ｑｚ（Ｔｈｚ、Ｇｚ）が各々プロットされ、これらｑａ〜ｑｚの軌跡が曲線として示されている。ここで、インダクタンスＧは、スイッチング素子１２０のＯＮ時における電流の流れ易さを示す指標であって、Ｇ＝α／Ｔｈ（αは定数）の関係を有する。また、同図には、閾値温度Ｔｓが示されており、当該閾値温度Ｔｓ以下の場合、スイッチング素子１２０は安定的に動作される。ここで、かかる閾値温度Ｔｓ以下の範囲を安全温度範囲ｄｓと呼び、閾値温度Ｔｓ以上の範囲を危険温度範囲ｄｃと呼ぶこととする。図示の如く、安全温度範囲ｄｓにはｑａ〜ｑｃが含まれ、危険温度範囲ｄｃにはｑｘ〜ｑｚが含まれる。従って、安全温度範囲ｄｓに属するインダクタンスの集合Ｇｃは、ｇａ〜ｇｃを含み、危険温度範囲ｄｃに属するインダクタンスの集合Ｇｓは、ｇｘ〜ｇｙを含む。

図４には、安全温度範囲ｄｓに属するｑａ（Ｔｈａ、Ｇａ）の電流値Ｉａと電圧値Ｖａとの関係が示されている。ここで、電流値Ｉａは、上述した検出電流であっても良く、主電流であっても良く、検出電流及び主電流の和から成る電流であっても良い。また、電圧値Ｖａは、スイッチング素子１２０におけるドレインソース間電圧を直接測定した値であっても良く、ドレインｄの電位を測定したものであっても良い。

点ｑａは、スイッチング素子１２０の温度Ｔｈ＝Ｔａの場合のインダクタンスとされるので、同図では、温度Ｔｈａの場合の電流値及び電圧値の関係が示されることとなる。例えば、Ｅ１は、温度Ｔｈａにおけるドレイン電圧Ｖ１を検出した場合の検出電流の電流値Ｉ１によってプロットされる。また、同様に、測定電圧をＶ２〜Ｖｎと変化させることにより、Ｅ２〜Ｅｎがプロットされる。図を参照すると、Ｅ１〜Ｅｎが線形に配列されるのが観察され、Ｉａ＝（ΔＩ／ΔＶ）・Ｖａの関係を成立させることが解る。ここで、ΔＩ／ΔＶは、微小区間のインダクタンスの値に相当し、インダクタンスＧａは、Ｉａ＝Ｇａ・Ｖａの関係を成立させると共に、スイッチング素子１２０の温度Ｔｈ＝Ｔａの場合についてのみ現われるインダクタンスＧの値である。

図５には、スイッチング素子１２０の温度ＴｈをＴａ〜Ｔｚに変化させた際の電流値及び電圧値の軌跡が示されている。先に述べた如く、同一温度における電圧値と電流値との関係は、線形的な関係を充足させるため、図示の如く、スイッチング素子１２０の温度条件を変更させた場合、それぞれの温度条件に対応した軌跡Ｉａ（Ｖａ）〜Ｉｚ（Ｖｚ）が現われる。前述の如く、スイッチング素子１２０の温度Ｔｈ＝Ｔａのとき、測定される電流及び電圧は軌跡Ｉａ（Ｖａ）の線上に現われる。また、温度Ｔｈ＝Ｔｂのとき、測定される電流及び電圧は軌跡Ｉｂ（Ｖｂ）の線上に現われ、同様に、温度Ｔｈ＝Ｔｃのとき対応する軌跡はＩｃ（Ｖｃ）、温度Ｔｈ＝Ｔｘのとき対応する軌跡はＩｘ（Ｖｘ）、温度Ｔｈ＝Ｔｙのとき対応する軌跡はＩｙ（Ｖｙ）、温度Ｔｈ＝Ｔｚのとき対応する軌跡はＩｚ（Ｖｚ）とされる。ここで、同図のグラフを用いると、温度検出素子を用いることなくスイッチング素子１２０の温度を特定することが可能となる。例えば、スイッチング素子１２０のドレイン電圧がＶ１の場合、検出した電流値ＩがＩｚ１とすると、かかる電流値及び電圧値が軌跡Ｉｚ（Ｖｚ）のライン上とされるため、スイッチング素子１２０の温度は危険温度範囲ｄｃに属するＴｚであることが解る。また、スイッチング素子１２０のドレイン電圧がＶｎの場合、検出した電流値ＩがＩａｎとすると、かかる電流値及び電圧値が軌跡Ｉａ（Ｖａ）のライン上とされるため、スイッチング素子１２０の温度は安全温度範囲ｄｓに属するＴａであることが解る。

図６には、図５のグラフに相当する関係をマップ化させた情報が記されている。尚、かかる情報群は、マイコン１１１のメモリ回路Ｍｅに適宜な形態にて格納される。図示の如く、マップ化された情報群は、電圧値情報Ｖ１〜Ｖｎと、電流値情報Ｉ＿１〜Ｉ＿ｎと、温度情報の認識値Ｔ＿１〜Ｔ＿ｎとから成る。ここで、電圧値情報Ｖ１〜Ｖｎとは、実験的に予め測定された電圧値であって、図５に示すＶ１〜Ｖｎを指す。また、一つの電圧値情報Ｖ＿ｎに対して、Ｖｎ−１〜Ｖｎの範囲を与え、検出した電圧値をＶ＿１〜Ｖ＿ｎの何れかに確実に該当させるようにしても良い。電流値情報Ｉ＿１〜Ｉ＿ｎとは、実験的に予め測定された電流値であって、図５に示すＩ１〜Ｉｎを指す。また、一つの電流値情報Ｉ＿ｎに対して、Ｉｎ−１〜Ｉｎの範囲を与え、検出した電流値をＩ＿１〜Ｉ＿ｎの何れかに確実に該当させるようにしても良い。更に、温度情報の検出値Ｔ＿１〜Ｔ＿ｎとは、図５のグラフから推測され得るスイッチング素子１２０の温度を安全温度範囲ｄｓと危険温度範囲ｄｃとに分別した情報とされる。

当該マップ化された情報群は、図示の如く、電圧値情報としてＶ＿１〜Ｖ＿ｎに分類され、それぞれの電圧値情報について、複数値の電流値情報Ｉ＿１〜Ｉ＿ｎと複数値から成る温度情報の認識値Ｔ＿１〜Ｔ＿ｎとが割り当てられる。かかる情報群は、図５を参照すると、電圧値Ｖ１と交差する軌跡Ｉａ（Ｖａ）〜Ｉｚ（Ｖｚ）において、電流値Ｉａ１〜Ｉｚ１が唯一定まる。かかる電流値を電流値情報Ｉ＿１に割り当てると、図６に示す如く、電圧値情報Ｖ１の際の電流値情報Ｉ＿１が電流値Ｉａ１〜Ｉｚ１として与えられる。また、かかる電流値情報Ｉ＿１の電流値Ｉａ１〜Ｉｚ１に対応する温度情報の認識値Ｔ＿１を各々付与する。本実施例では、安全温度範囲ｄｓに属する温度情報の認識値を０とし、危険温度範囲ｄｃに属する温度情報の認識値を１としているので、電流値情報Ｉ＿１の電流値Ｉａ１〜Ｉｃ１に対応する温度情報の認識値が０とされ、電流値情報Ｉ＿１の電流値Ｉｘ１〜Ｉｚ１に対応する温度情報の認識値が１とされる。また、電圧値情報Ｖ＿２〜Ｖ＿ｎについても、上述と同様の手法にてマップ情報を割り当ててゆく。

かかる如く、マップ化された情報群がマイコン１１１のメモリ回路Ｍｅに記録されると、メモリ回路Ｍｅに電流値情報Ｉ＿ｎと電圧値情報Ｖ＿ｎと温度情報の認識値Ｔ＿ｎとの組合せが複数パターン記録され、かかる情報を具備するマイコン１１１では、スイッチング素子１２０の現在温度が危険温度か安全温度であるかの判別が可能となる。

図７には、マイコン１１１のポート６から出力される出力信号Ｖｇｓと、スイッチング素子１２０のドレインｄの電圧波形Ｖｄｓと、トリガー信号出力回路１１５からポートＰ５へ出力されるトリガー信号Ｔｒｇと、電圧値検出回路１１７から出力される電圧検出波形Ｖｄｓｉと、電流検出回路１１８から出力される電流検出波形Ｉｄｓｉとが、時系列で各々示されている。

図示の如く、マイコン１１１では、メモリ回路Ｍｅに格納された温度情報の認識値に応じて、スイッチング素子１２０を駆動させる駆動信号Ｖｇｓａと、スイッチング素子１２０を停止させる停止信号Ｖｇｓｓとを各々出力させる。具体的に説明すると、メモリ回路Ｍｅにおける温度情報の認識値が「０」とされる場合、マイコン１１１の中央演算処理回路ＣＰＵでは当該認識値に基づいて演算処理を実行させ、駆動信号Ｖｇｓａを出力させる。かかる処理は、安全温度範囲ｄｓに属する温度情報の認識値に対して実施されるので、温度情報の認識値が閾値温度より低い情報を示す場合に、マイコン１１１から駆動信号Ｖｇｓａが出力されることとなる。一方、メモリ回路Ｍｅにおける温度情報の認識値が「１」とされる場合、マイコン１１１では当該認識値に基づいて演算を実行させ、継続的にＬｏｗ状態とされる停止信号Ｖｇｓｓを出力させる。かかる処理は、危険温度範囲ｄｃに属する温度情報の認識値に対して実施されるので、温度情報の認識値が閾値温度より高い情報を示す場合に、マイコン１１１から停止信号Ｖｇｓｓが出力されることとなる。尚、本実施例で出力される駆動信号Ｖｇｓａは、複数のパルスにて構成されるＰＷＭ信号とされる。

図７に示す如く、出力信号Ｖｇｓのうち駆動信号Ｖｇｓａが出力されると、当該駆動信号Ｖｇｓａを構成する各パルスは、スイッチング素子１２０のゲートｇに至るまで適宜に成形され、その後、スイッチング素子１２０をＯＮ／ＯＦＦ動作させる。具体的には、駆動信号ＶｇｓａがＨｉｇｈ状態の部分では、スイッチング素子１２０は、ゲートｇにゲート電圧が印加されることによりＯＮ状態とされる。一方、駆動信号ＶｇｓａがＬｏｗ状態の際、スイッチング素子１２０は、ゲートｇの電位が低下することでＯＦＦ状態とされる。即ち、駆動信号Ｖｇｓａがマイコン１１１から出力されると、スイッチング素子１２０では、ＰＷＭ信号の周波数に応じてゲート電圧がＨ−Ｌに切替えられ、これにより、当該スイッチング素子１２０の出力電流を断続制御させる。尚、当然の如く、停止信号Ｖｇｓｓが出力されている間は、スイッチング素子１２０はＯＦＦ状態を維持する。

駆動信号Ｖｇｓａが出力されると、スイッチング素子１２０のドレインｄでは、電圧値が変動し、図示の如く電圧波形Ｖｄｓが現われる。かかる電圧波形Ｖｄｓは、スイッチング素子１２０がＯＦＦ状態の際にＨｉｇｈ状態を示し、駆動信号Ｖｇｓａの立ち上がりエッジに対応して急峻に低下する。そして、電圧波形Ｖｄｓは、緩勾配にて上昇を示し、駆動信号Ｖｇｓａの立ち下がりエッジに応じて、Ｈｉｇｈ状態に復帰する。

トリガー信号出力回路１１５では、ドレインｄの電圧値の変動を検出し、ドレインｄの電圧値が低下している期間において、パルス状のトリガー信号をマイコン１１１へ出力させる。

ここで、マイコン１１１のポートＰ７には上述した電圧波形Ｖｄｓが印加されるが、入出力回路Ｉ／Ｏはトリガー信号ＴｒｇのＨｉｇｈ状態に対応して電圧波形Ｖｄｓの情報をＡ／Ｄ変換させるため、マイコン１１１では、トリガー信号ＴｒｇがＨｉｇｈ状態の期間において、電圧検出波形Ｖｄｓｉの所定の電圧値が認識されることとなる。ここで、マイコン１１１では、トリガー信号Ｔｒｇの立下りエッジに応じて電圧検出波形Ｖｄｓｉを検出することにより、スイッチング素子１２０におけるＯＮ動作時の電圧値ΔＶｎとして認識しても良く、トリガー信号の出力期間における電圧検出波形ＶｄｓｉのＡ／Ｄ変換値のうち最大値を電圧値ΔＶｎとして認識しても良く、この他、トリガー信号の出力期間における電圧検出波形ＶｄｓｉのＡ／Ｄ変換値の平均値を電圧値ΔＶｎとして認識しても良い。尚、本実施例では、トリガー信号Ｔｒｇの立下りエッジに応じて電圧検出波形Ｖｄｓｉを検出し、かかるタイミングの電圧値をＯＮ動作時の電圧値ΔＶｎとすることとする。

電流検出回路１１８では、検出用出力端子ｓ２から出力された検出電流を受信し、電流検出波形Ｉｄｓｉを出力させる。このとき、マイコン１１１では、当該電流検出波形ＩｄｓｉをＡ／Ｄ変換させ、Ａ／Ｄタイミング毎に電流検出波形Ｉｄｓｉの所定箇所を電流値ΔＩｎとして認識する。尚、本実施例では、電流値は、トリガー信号Ｔｒｇの立下りエッジに応じて電流検出波形Ｉｄｓｉを検出し、かかるタイミングの電流値をＯＮ動作時の電流値ΔＩｎとすることとする。但し、これに限らず、トリガー信号の出力期間における電流検出波形ＩｄｓｉのＡ／Ｄ変換値の最大値又は平均値を電圧値ΔＩｎとしてマイコン１１１へ認識させても良い。

マイコン１１１では、認識された電流値ΔＩｎ及び電圧値ΔＶｎに基づき、以下の処理を実行させる。図８に示す如く、車載バッテリの電源ＢＥが供給されると、マイコン１１１はマイコン駆動電源Ｖｃｃによって起動される。その後、ＥＣＵから外部信号が入力されると、マイコン１１１では、当該外部信号に基づいてＰＷＭ信号のデューティー比を演算処理によって設定する（Ｓ００１）。かかる後、マイコン１１１では、入力された検出電流波形Ｉｄｓｉ及び検出電圧波形Ｖｄｓｉから、ＯＮ状態の電流値ΔＩｎ及びＯＮ状態の電圧値ΔＶｎの値を特定させる（Ｓ００２）。更に後、マイコン１１１では、ＯＮ状態の電流値ΔＩｎに該当する電流値情報Ｉ＿ｎとＯＮ状態の電圧値ΔＶｎに該当する電圧値情報Ｖ＿ｎとに基づいて温度情報の認識値Ｔ＿ｎを選択する（Ｓ００３）。具体的に説明すると、特定した電圧値ΔＶｎが、ΔＶｎ＝Ｖ１に該当する時、マイコン１１１では、メモリ回路ＭｅのＶ＝Ｖ＿１に相当するメモリ領域（図６における〔１〕）の中から温度情報の認識値Ｔ＿１を選択する処理を実行させる。このとき、認識した電流値ΔＩｎが、ΔＩｎ＝Ｉｙ１に該当する時、マイコン１１１は、電流値情報Ｉｙ１に対応する温度情報の認識値Ｔ＿１を「１」として認識し（Ｓ００４）、これにより、スイッチング素子１２０が閾値温度Ｔｓより高温であると判断し、停止信号Ｖｇｓｓを出力させ、スイッチング素子１２０の動作を停止させる（Ｓ００５）。一方、認識した電流値ΔＩｎが、ΔＩｎ＝Ｉａ１に該当する時、マイコン１１１は、電流値情報Ｉａ１に対応する温度情報の認識値Ｔ＿１を「０」として認識し（Ｓ００４）、これにより、スイッチング素子１２０が閾値温度Ｔｓより低温であると判断し、駆動信号Ｖｇｓａを出力させ、スイッチング素子１２０を適宜なデューティー比によって駆動させる（Ｓ００５）。そして、マイコン１１１は、停止信号Ｖｇｓｓを出力した場合、回路起動直後の処理に遡り、外部信号の入力を待ってデューティー比設定処理（Ｓ００１）から前述した一連の処理を繰り返す（Ｓ００Ａ）。一方、マイコン１１１は、電流値ΔＩｎ及び電圧値ΔＶｎに変動が生じた場合、外部信号の入力を待ってデューティー比設定処理（Ｓ００１）から前述した一連の処理を繰り返す（Ｓ００Ｂ）。

上述の如く、本実施例に係るスイッチング素子駆動回路１１０では、スイッチング素子１２０のインダクタンスＧ又はスイッチング素子の現在温度を監視することなく、認識した電流値ΔＩｎ及び電圧値ΔＶｎのみによって、スイッチング素子１２０を駆動させる駆動信号Ｖｓｇａの出力を許可させるので、これにより、マイコン１１１における演算処理の簡素化が図られ、また、メモリ領域の少ないメモリ回路を内蔵させたマイコンの選択が可能となる。更に、スイッチング素子駆動回路１１０における不要な回路構成が排除され得る。

実施例１に係るスイッチング素子駆動回路１１０では、スイッチング素子１２０のＯＮ状態のインダクタンスＧに着目し、検出した電流値ΔＩｎ及び電圧値ΔＶｎに基づいて、マイコン１１１がスイッチング素子１２０の動作を規制させている。これに対し、本実施例に係るスイッチング素子駆動回路では、スイッチング素子１２０のＯＮ状態の抵抗値Ｒに着目し、検出した電流値ΔＩｎ及び電圧値ΔＶｎに基づいて、マイコン１１１がスイッチング素子１２０の動作を規制させることを狙っている。

図９には、スイッチング素子１２０の抵抗値Ｒと当該スイッチング素子１２０の温度との関係が示されている。かかる関係を示したグラフには、ｑ（Ｔｈ、Ｒ）＝ｑａ（Ｔｈａ、ｒａ）〜ｑｚ（Ｔｈｚ、ｒｚ）が各々プロットされ、これらｑａ〜ｑｚの軌跡が示されている。ここで、抵抗値Ｒは、Ｒ＝β×Ｔｈ（βは定数）の関係を有する。

点ｑａは、スイッチング素子１２０の温度Ｔｈ＝Ｔａの場合の抵抗値とされるので、同図では、温度Ｔｈａの場合の電流値及び電圧値の関係が示されることとなる。例えば、Ｅ１は、温度Ｔｈａにおけるドレイン電圧Ｖ１を検出した場合の検出電流の電流値Ｉ１によってプロットされる。また、同様に、測定電圧をＶ２〜Ｖｎと変化させることにより、Ｅ２〜Ｅｎがプロットされる。図を参照すると、抵抗値ｒａは、Ｉａ＝（１／ｒａ）・Ｖａの関係を成立させることが解る。

図１１には、スイッチング素子１２０の温度ＴｈをＴａ〜Ｔｚに変化させた際の電流値及び電圧値の軌跡が示されている。図示の如く、スイッチング素子１２０の温度条件を変化させた場合、それぞれの温度条件に対応した軌跡Ｉａ（Ｖａ）〜Ｉｚ（Ｖｚ）が現われる。前述の如く、スイッチング素子１２０の温度Ｔｈ＝Ｔａのとき、測定される電流及び電圧は軌跡Ｉａ（Ｖａ）の線上に現われる。また、他の温度についても同様の対応関係を有する。ここで、同図のグラフを用いると、温度検出素子を用いることなくスイッチング素子１２０の温度を特定することが可能となる。例えば、スイッチング素子１２０のドレイン電圧がＶ１の場合、検出した電流値ＩがＩｚ１とすると、かかる電流値及び電圧値が軌跡Ｉｚ（Ｖｚ）のライン上とされるため、スイッチング素子１２０の温度は危険温度範囲ｄｃに属するＴｚであることが解る。また、スイッチング素子１２０のドレイン電圧がＶｎの場合、検出した電流値ＩがＩａｎとすると、かかる電流値及び電圧値が軌跡Ｉａ（Ｖａ）のライン上とされるため、スイッチング素子１２０の温度は安全温度範囲ｄｓに属するＴａであることが解る。

そして、かかる関係に基づいて電流値情報及び電圧値情報及び温度情報の検出値をメモリ回路Ｍｅに格納すれば、敢えて説明するまでも無く、実施例１におけるスイッチング素子駆動回路１１０と同様の制御が実現される。

本実施の形態に係るモータ駆動回路の構成を示す図 本実施の形態に係るスイッチング素子駆動回路の構成を示す図 ＯＮ状態におけるスイッチング素子駆動回路のインダクタンスと温度との関係を示す図 所定温度における電圧値と電流値との関係を示す図 複数の温度における電圧値と電流値との関係を示す図 電圧値情報と電流値情報と温度情報の認識値との組合せを示す図 各信号と検出電流及び検出電圧との状態を示す図 制御回路で実行される処理のフローチャート ＯＮ状態におけるスイッチング素子駆動回路の抵抗値と温度との関係を示す図 所定温度における電圧値と電流値との関係を示す図 複数の温度における電圧値と電流値との関係を示す図

符号の説明

１１０ スイッチング素子駆動回路
１２０ スイッチング素子
ΔＩｎ 電流値
ΔＶｎ 電圧値
１１１ 制御回路（マイコン）
Ｔ＿ｎ 温度情報の認識値
Ｉ＿ｎ 電流値情報
Ｖ＿ｎ 電圧値情報
Ｍｅ メモリ回路
ｐ 信号入力端子
ｑ 電力入力端子
ｒ 検出用出力端子
ｓ 主出力端子
Ｒ８ シャント抵抗
ＦＭ 制御モータ
１００ モータ駆動回路

Claims (10)

1. 外部から受信した信号に基づいてスイッチング素子を制御させる制御回路を具備するスイッチング素子駆動回路において、
   前記制御回路は、前記スイッチング素子のＯＮ状態に流れる電流値と前記スイッチング素子のＯＮ状態で現われる電圧値とを検出し、前記電流値及び前記電圧値の対応関係に基づいてスイッチング素子を制御させることを特徴とするスイッチング素子駆動回路。
2. 前記制御回路は、前記スイッチング素子を駆動させる駆動信号と、前記スイッチング素子を停止させる停止信号とを前記スイッチング素子に関する温度情報の認識値に応じて出力させることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子駆動回路。
3. 前記制御回路は、前記温度情報の認識値が閾値温度より低い情報を示す場合に前記駆動信号を出力させ、前記温度情報の認識値が閾値温度より高い情報を示す場合に前記停止信号を出力させることを特徴とする請求項２に記載のスイッチング素子駆動回路。
4. 前記制御回路は、電流値情報と電圧値情報と前記温度情報の認識値との組合せが複数パターン記録されたメモリ回路を具備することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のスイッチング素子駆動回路。
5. 前記制御回路は、前記電流値情報のうち検出した前記電流値に該当する電流値情報と前記電圧値情報のうち検出した前記電圧値に該当する電圧値情報とに基づいて前記温度情報の認識値を選択することを特徴とする請求項４に記載のスイッチング素子駆動回路。
6. 前記スイッチング素子は、前記駆動信号又は前記停止信号を受信する信号入力端子と、電力が供給される電力入力端子と、前記スイッチング素子を通過する電流のうち検出電流を出力させる検出用出力端子と、前記スイッチング素子を通過する電流のうち前記検出電流を除く主電流を出力させる主出力端子とを備えることを特徴とする請求項２乃至請求項５に記載のスイッチング素子駆動回路。
7. 前記検出用出力端子には、シャント抵抗が接続されていることを特徴とする請求項６に記載のスイッチング素子駆動回路。
8. 前記対応関係は、前記スイッチング素子のＯＮ状態でのインダクタンスによって規定されることを特徴とする請求項１乃至請求項７に記載のスイッチング素子駆動回路。
9. 前記対応関係は、前記スイッチング素子のＯＮ状態での抵抗値によって規定されることを特徴とする請求項１乃至請求項７に記載のスイッチング素子駆動回路。
10. 請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載のスイッチング素子駆動回路と、前記スイッチング素子とを少なくとも備え、
    前記スイッチング素子駆動回路は、外部から受信した信号に基づいてスイッチング素子を制御させ、
    前記スイッチング素子は、前記スイッチング素子駆動回路の動作に基づいて制御モータを駆動制御させることを特徴とするモータ駆動回路。

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