JP2009532845A - 半導体予充電モジュール - Google Patents

Abstract

【解決手段】半導体型予充電モジュール（２０）は、リレー（５４）と、リレーに接続されたトランジスタと、トランジスタに接続された半導体デバイス（５２）とを有する。半導体デバイスは、トランジスタのスイッチングを制御する。

Description

本発明は、電気リレーに関し、特に電気的負荷用の予充電部品に関する。

リレーは、印加された電流に基づいて開閉する電気スイッチである。異なるタイプの用途又は或る作動パラメータに基づいて、異なるリレーが使用される。リレーは、電磁型又は半導体型が代表的である。高電圧の用途において、リレーは、高電圧の影響を扱うことを意図されなければならない。例えば、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）において、１個以上の付加に電力を供給するために、2000μＦを超える非常に大きな集積キャパシタが設けられる。この種の用途におけるキャパシタは、電力がオンに切り替わる際にリレーコンタクトに突入電流が印加されて損傷することを避けるために、予充電されなければならない。基本的には、充電されていないキャパシタに電力が印加されると、過剰な電流量がキャパシタに流入する。大きな突入電流は、予充電回路が設けられていない場合、過熱を生じたり、キャパシタの寿命を短くしたりするおそれがある。また、大きな突入電流は、キャパシタに電力を切り替えるリレーコンタクトを損傷するおそれがある。さらに、予充電回路がないと、主遮断リレーを非常に大きくする必要があり、システムのヒューズがより容易且つ頻繁に切れるおそれがある。

現在、高電圧用途において、予充電モジュールは、300〜600Ｖ等の大電圧を切り替える能力を有する電磁リレーであるのが代表的である。予充電モジュールは、キャパシタを予充電するためにコンタクタの主コンタクト間の抵抗と直列にして使用される。しかし、このような高電圧電磁予充電モジュールは、非常に高価であり、且つ寸法が大きい。

このため、システムの全体コストが増加し、このリレーを含むモジュールの寸法が大きくなり、これにより他の部品のための空間が制限されることが問題である。

解決手段は、リレー、リレーに接続されたトランジスタ、及びトランジスタに接続された半導体デバイスを有する、本発明の予充電モジュールにより提供される。半導体デバイスは、トランジスタのスイッチングを制御する。

以下、添付図面を参照して、本発明を例示により説明する。

図１は、典型的な実施形態に従って形成された予充電モジュール２０を有する、負荷への電力を制御する予充電回路を示す概略図である。予充電モジュール２０は、半導体型であり、例えば10Ωの予充電抵抗等の予充電抵抗２２と直列接続され、コンタクタ２６のコンタクト２４の両端に接続される半導体モジュールとして構成されてもよい。図示の実施形態において、コンタクタ２６は、負荷（例えば、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）内の負荷）に対する電力のオン・オフを切り替えるための主リレーすなわち主コンタクタである。コンタクタ２６によりオン・オフに切り替えられる電力は、例えば、燃料電池、バッテリ、発電機等の異なるタイプの電力源からのものであってもよい。予充電モジュール２０は特定用途又は特定使用に関連して説明されるが、種々の実施形態はそれに限定されず、予充電モジュール２０は、予充電が必要とされる任意の用途で使用してもよいことに留意されたい。

作動時に、予充電モジュール２０は、１個以上のキャパシタ３６を予充電する。キャパシタ３６は1000μＦ又は2000μＦ等の大きなものであってもよく、予充電モジュール２０は、満電力電圧接地（例えば、300ボルト接地又は600ボルト接地）から予充電電圧接地（例えば、12ボルト接地）を分離する。予充電モジュール２０は、接地が予充電モジュール２０に印加される際にキャパシタ３６を予充電するようオンに切り替え、キャパシタ３６が所定の予充電レベル、例えば、キャパシタ３６の充電容量の80％超、キャパシタ３６の充電容量の90％超、キャパシタ３６の充電容量の95％超、キャパシタ３６の充電容量の96％超、（満充電と考えてもよい）キャパシタ３６の充電容量の99％超等に到達する際にオフに切り替える（これは、コンタクタ２６をオンに切り替え可能にする）。しかし、予充電リレー２０は、上述のレベルより高い又は低い任意の所定予充電レベルにキャパシタ３６が到達することを可能にするよう構成されてもよい。

図２に、リレーの予充電率に基づいた典型的な突入電流を示すグラフ４０が示される。グラフ４０は、充電までの時間を横軸にとり、突入電流量（アンペア）を縦軸にとる。曲線４２はキャパシタ３６の80％の最小予充電での突入電流を表わし、曲線４４はキャパシタ３６の90％の公称予充電での突入電流を表わす。曲線４２の最大突入電流は約650アンペアであるのに対し、曲線４４の最大突入電流は約350アンペアであることに留意されたい。突入電流及び予充電までの時間は、例えば、電力源、キャパシタ３６の容量のタイプ等を含む異なる要素に依存していることを理解されたい。このため、予充電モジュール２０は、キャパシタ３６の充電特性に基づいてキャパシタ３６を異なって予充電するよう構成されてもよい。

図３は、典型的な実施形態に従って形成された予充電モジュール２０の概略図である。予充電モジュール２０は、半導体デバイス、特に半導体ドライバ部品５２と、例示した実施形態では集積した分離電気機械的リレーであるリレー５４とを有する半導体予充電モジュールとして構成される。例えば、典型的な実施形態において、ドライバ部品５２は、米カリフォルニア州のインターナショナルレクティフィアー社から市販されているIR2153Sドライバ等の自己発振型ハーフブリッジドライバである。その実施形態におけるリレー５４は、例えば12ボルト自動車級電気機械的リレーである標準的な12ボルトリレーである。しかし、用途によっては、異なる定格電圧を有する異なるタイプのリレーを使用してもよい。

リレー５４のリレーコイル５５の一端は、ダイオード５６を介して、例えば12ボルト電量供給源（例えば12ボルトバッテリ）等の低電圧電力供給源に接続される。そして、リレー５４のリレーコイル５５の他端は、接地６０に切り替えるスイッチ６１に接続され、接地６０に切り替えられない（例えば電流がない）場合には分離を提供するよう開放される。ダイオード５６は、電源がリレー５４に逆に（例えば、逆極性で）接続された場合、逆電流を阻止するよう作動する。ダイオード６２はまた、リレー５４のコイル５５の両端に接続される。ダイオード６２は、過渡現象を最小にするために、作動中に電力を再循環するよう作動する。

リレー５４は、電力を、例えば300ボルト電力供給源（例えば300ボルトピークのハイブリッド電気自動車電力）等の高電圧電力供給源６３からトランジスタ６４に切り替えるよう作動可能である。特に、低電圧電力供給源５８はリレーコイル５５に接続され、高電圧電力供給源６３は、電力供給されると閉成する常開コンタクト５７（図４に示されるピン５）に接続される。常開コンタクト５７が閉成すると、接地に接続され、電力が可動コンタクト５９（図４に示される可動コンタクト５９のピン４）を通ってトランジスタ６４（Ｑ１）及びドライバ部品５２に供給される。トランジスタ６４は、図示の実施形態では金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。作動時に、高電圧電力供給源６３からの高電圧はトランジスタ６４に供給され、ツェナーダイオード７３（Ｄ３）により制限又はクランプされる低電圧（例えば15〜18ボルト）は、ドライバ部品５２に供給される。過剰電圧（例えば285ボルト）は、抵抗７６（Ｒ３）で降下されることに留意されたい。

ドライバ部品５２は、抵抗８０（Ｒ１）を通ってＭＯＳＦＥＴのゲート７２に接続され、図示の実施形態では以下のピン構成を有する８ピンのIR2153Sチップである。
Ｖ_CC ロジック及び内部ゲートドライブ供給電圧
Ｒ_T 発振器タイミング抵抗入力
Ｃ_T 発振器タイミングキャパシタ入力
ＣＯＭ コモン（Ｖ_CC電圧用の基準）
ＬＯ 低側ゲートドライバ出力
Ｖ_S 高電圧浮動供給戻り
ＨＯ 高側ゲートドライバ出力
Ｖ_B 高側ゲートドライバ浮動供給
本実施形態において、ドライバ部品５２のＬＯピンはトランジスタ６４のソース７０に接続されていないが、ドライバ部品５２のＣＯＭピンは接続されている。ドライバ部品５２のＶ_Sピンは、ドライバ部品５２のＣＯＭピンに接続されている。キャパシタ７５は、Ｖ_CC電力用に15ボルトを供給し、ドライバ部品５２のＶ_Sに対して基準となる。さらに、キャパシタ７５を充電しダイオード７８（Ｄ５）を通ってドライバ部品５２のＶ_Bに供給されるドライバ部品５２のＣＯＭピンに対する基準として、ツェナーダイオード７３が例えば15ボルトで電圧をクランプするので、高電圧は抵抗７６で降下する。トランジスタ６４のソース７０での電圧（ＣＯＭピンでの電圧）がトランジスタ６４のドレーン６６での電圧に近づくと、ドライバ部品５２は遮断する。異なるドライバ部品５２が使用されると、本明細書で説明したように予充電モジュール２０を作動させるよう異なる接続が形成されることを理解されたい。

このため、作動時において、図３の矢印で電流が示され、ドライバ部品５２は、図示の実施形態では、トランジスタ６４のソース７０での電圧がＭＯＳＦＥＴのドレーン６６での電圧に近づく際に、ＭＯＳＦＥＴがオフに切り替えられるように、トランジスタ６４のオン・オフを制御する。従って、予充電モジュール２０は、キャパシタ３６が以下で説明するようにほぼ満充電であってもよい所定レベル（例えば容量の99％）まで予充電されると、予充電モジュール２０が遮断する。

ドライバ部品５２は、低電圧電力供給源５８及び高電圧電力供給源６３の間が接続されないように、基本的には浮動接地を提供する。ドライバ部品５２は、50％のデューティーサイクルで発振する前端発振器を有するハーフブリッジゲートドライバを有する。デューティーサイクルの周波数（例えば1ｋHz）は、キャパシタ８２及び抵抗８２の値により決定される。

一例として、図４に示される実施形態を使用して、例えば低電圧電力供給源５８によってリレー５４に電力が一旦供給されると、高電圧電力供給６３からの電圧（例えば300ボルト）が、リレーコンタクトを通って例えば常開コンタクト５７から可動コンタクト５９を通ってトランジスタ６４に印加される。低電圧（例えば15〜18ボルト）は、ダイオード７３によりクランプ又は制限され、例えばドライバ部品５２のＣＯＭピンであるコモンを関してドライバ部品５２のＶ_CCに印加される。キャパシタ８２（Ｃ１）及び抵抗８４（Ｒ２）により決定される所定の時間遅延の後、トランジスタ６４はドライバ部品５２によりオンになり、予充電抵抗２２（図１参照）を通って300ボルトの電圧供給が始まり、ＭＯＳＦＥＴにより予充電が提供される。

キャパシタ３６用の遅延及び充電時間は、例えば用途、キャパシタ等に基づいてプログラム可能であり構成可能である。キャパシタ８２及び抵抗８４の値は、予充電抵抗２２及びキャパシタ３６の時定数に基づいて選択されてもよい。例えば、予充電抵抗２２及びキャパシタ３６がそれぞれ10オーム及び2000μＦであるなら、充電時定数は10*2000＝20ミリ秒である。本実施形態では、2000μＦのキャパシタを図３に図示される用途ではコンタクタ２６（図１参照）の閉成の前に95％の充電電圧まで充電するためには、時定数の３倍を必要とする。従って、半導体型予充電モジュールとして構成された予充電モジュール２０の遅延及び充電時間は、所望の予充電を許容するために60ミリ秒より大きくなければならない。

キャパシタ３６が満予充電されると、ドライバ部品５２はトランジスタ６４（例えばＭＯＳＦＥＴ）のゲート７２の駆動を停止するので、リレー５４に依然として電力が供給されていてもキャパシタ３６の充電を停止する。次に、リレー５４は、電流を伴うことなく、キャパシタ３６の電力供給を停止することができる。リレー５４に電力が供給されないのに対し、電流は流れる。このため、通常の自動車用12ボルト電機機械的リレーを使用することができる。コンタクタ２６は、キャパシタ３６が予充電されるまで閉成することはない。予充電２０は、以下に説明するように所望の予充電（例えばキャパシタ３６の99％の予充電）の到達時に、自動的にオフに切り替わる。

図４は、別の典型的な実施形態に従って形成された予充電モジュール９０を示す概略図である。予充電モジュール９０は予充電モジュール２０に類似しており、同様の参照番号は同様の要素を表わす。しかし、予充電モジュール９０はまた、トランジスタ６４のゲート７２及びソース７０間に接続された抵抗９２を有する。抵抗８０と組み合わされた抵抗９２は、ドライバ部品５２の発振に基づいてトランジスタ６４が鋭くオン・オフを切り替えることを確保する。

さらに、予充電モジュール９０は、ドライバ部品５２のＬＯピン及びＭＯＳＦＥＴのゲート７２の間に接続された光カプラ９４を有する。図示の実施形態において、光カプラ９４は、ニューヨーク州の東芝アメリカインクから市販されているTLP222G等のフォトカプラ又はフォトリレーである。光カプラ９４は、例えばリレーコイル電圧が突然途切れる（例えば予充電モジュール２０又は９０がオンに切り替わり、その後急激に降伏する）と、トランジスタ６４をオフに切り替えるために保護する。例えば、リレーコイル５５の電圧が突然遮断すると、光カプラ９４はＭＯＳＦＥＴをオフに切り替えて電流を停止し、リレー５４のコンタクトの場合には再度開放する。トランジスタ６４は電流を流すのに対し、リレー５４は閉成する。作動時において、光カプラ９４は、スイッチ６１が接地６０に切り替わる際に閉じ、光カプラ９４が必要時に再度開くことができるようにリレー５４が閉成する前に閉じる。基本的には、光カプラ９４は、安全予防措置を提供し、コンタクトが開離しているときに電流が流れないことを確保するようリレーコンタクトを保護する。

リレー５４の部品は、図４にも示されていることに留意されたい。具体的には、リレーコイル５５に加えて、リレースイッチ９６も図示されている。予充電モジュール９０の作動は、予充電モジュール２０と同じである。予充電モジュール２０及び予充電モジュール９０は共に、例えばリレーコイル５５等のリレーコイルが機能しない（例えば、ＭＯＳＦＥＴを通る漏れ電流を防止する）ときに、漏れ電流に対して分離するＭＯＳＦＥＴと直列接続されたリレー５４等の低電圧リレー（例えば自動車用12ボルトリレー）を有する。この組合せは、例えば低電圧電力供給源５８である12ボルト電力供給源の接地と、例えば高電圧電力供給源６３である600ボルト又は300ボルトの電力供給源の接地との間を分離するために接地（例えばＩＣチップフロート）無しで作動するドライバ部品５２等の例えば自己発振ハーフブリッジドライバを使用して、高電圧キャパシタを予充電する。予充電モジュール２０又は予充電モジュール９０は、キャパシタが一旦予充電されると自動的にオフになる。このため、キャパシタ３６等のキャパシタは予充電され、その後、コンタクタ２６等の主リレーが閉成するか、電流の流れを可能にするようオンに切り替えられる。例えば、予充電モジュール２０又は予充電モジュール９０は、１個以上の大キャパシタを予充電するために主リレーが閉成する前に、所定時間（例えば200ミリ秒）作動する。

種々の特定実施形態で本発明を説明したが、当業者であれば、本発明は特許請求の範囲内で変形して実施することができることを理解するであろう。

典型的な一実施形態に従って形成された、負荷への電力を制御する予充電回路を示す概略図である。 リレーの予充電に基づいた典型的な突入電流を示すグラフである。 典型的な一実施形態に従って形成された予充電モジュールを示す概略図である。 別の典型的な実施形態に従って形成された予充電モジュールを示す概略図である。

符号の説明

２０ 予充電モジュール
３６ キャパシタ
５２ 半導体デバイス
５４ リレー
５７ 常開コンタクト
６１ スイッチ
６３ 電力供給源
６４ トランジスタ
７２ ゲート
８２ キャパシタ
８４ 抵抗
９４ 光カプラ

Claims (13)

1. リレー（５４）と、
   該リレーに接続されたトランジスタと、
   該トランジスタに接続された半導体デバイス（５２）と
   を具備する予充電モジュール（２０）であって、
   前記半導体デバイスは、前記トランジスタのスイッチングを制御することを特徴とする予充電モジュール。
2. 前記トランジスタは金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）であることを特徴とする請求項１記載の予充電モジュール。
3. 前記半導体デバイスは、前記トランジスタのゲート（７２）を50％デューティーサイクルで駆動するドライバ部品を具備することを特徴とする請求項１記載の予充電モジュール。
4. 前記半導体デバイスは自己発振ハーフブリッジドライバを具備することを特徴とする請求項１記載の予充電モジュール。
5. 前記半導体デバイスは浮動接地集積回路チップを具備することを特徴とする請求項１記載の予充電モジュール。
6. 前記リレーは、12ボルトの定格を有する電気機械的リレーを具備することを特徴とする請求項１記載の予充電モジュール。
7. 前記半導体デバイスのＬＯ出力と前記トランシーバのゲート（７２）との間に接続された光カプラ（９４）をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の予充電モジュール。
8. 前記リレーに接続された接地スイッチ（６１）に接続された光カプラ（９４）をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の予充電モジュール。
9. 前記リレーの常開コンタクト（５７）は、少なくとも300ボルトの電力供給源（６３）に接続されていることを特徴とする請求項１記載の予充電モジュール。
10. 前記予充電モジュールは、抵抗（８４）及びキャパシタ（８２）をさらに具備し、
    前記半導体デバイスはハーフブリッジドライバを有し、
    前記抵抗及び前記キャパシタは、前記トランジスタがオンに切り替えられる時間を設定することを特徴とする請求項１記載の予充電モジュール。
11. 前記トランジスタは、予充電されるキャパシタ（３６）に接続され、
    前記トランジスタは、前記キャパシタが所定容量に充電される際にオフに切り替えられることを特徴とする請求項１記載の予充電モジュール。
12. 前記トランジスタは高電圧電力供給源に接続されていることを特徴とする請求項１記載の予充電モジュール。
13. 前記半導体デバイスに接続されると共に前記半導体デバイスへの電圧を低減するツェナーダイオード（７３）をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の予充電モジュール。

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