JP2010279122A

JP2010279122A - スイッチング装置及びその制御方法

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Publication number: JP2010279122A
Application number: JP2009127694A
Authority: JP
Inventors: Kiyokatsu Sato; 清勝佐藤; Yoshihiro Shinoda; 祥宏篠田; Hiroaki Kawaguchi; 広明川口
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2010-12-09
Also published as: WO2010137394A1

Abstract

【課題】負荷を安定に制御できるスイッチング装置を提供する。

【解決手段】スイッチング素子（２）と、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御する制御回路（８）と、を有し、前記スイッチング素子のスイッチング動作により入力電力を負荷に供給するスイッチング装置であって、
前記制御回路が、前記ＰＷＭ制御のデューティ比率の保持とリセットとを周期的に繰り返し、前記スイッチング装置が異常状態になる直前と異常状態から正常状態に復帰した直後とにおいて、同一のデューティ比率でスイッチング素子をＰＷＭ制御することを特徴とするスイッチング装置。

【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング装置に関し、特に異常検知機能及び保護機能を備えるスイッチング装置及びその制御方法に関する。

特許文献１に開示されるスイッチング装置は、負荷としてのソレノイドに流れる負荷電流を検出し、マイコンから入力される制御目標値と負荷電流との偏差を小さくするようにスイッチング素子をＰＷＭ制御するソレノイド駆動装置である。

このようなスイッチング装置は、負荷及びスイッチング装置の破壊を防止するために異常検知機能及び保護機能を備えることが知られている。異常検知機能は、負荷の過電流、過電圧又は過熱を検知するものであり、これらの異常状態を検知したときに保護機能を動作させる。保護機能は、スイッチング素子のＰＷＭ制御を停止させるものや、或いは予め設定された最小デューティ（オン幅）比率でＰＷＭ制御を行うものが知られている。

図３を用いて、従来のスイッチング装置の動作を説明する。

図３は、従来のスイッチング装置の動作を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１０１では、スイッチング装置は通常動作を行う。即ち、制御回路は、ソレノイドに電力を供給するためにスイッチング素子のＰＷＭ制御を行う。また、制御回路は、例えばソレノイドに流れる負荷電流を検出して、負荷電流が所望の大きさになるように駆動信号のデューティ（オン幅）比率を変調する。

ステップＳ１０２では、制御回路は、異常検知機能によってスイッチング装置が異常状態であるか否かを調べる。スイッチング装置が異常状態であれば、ステップＳ１０３において制御回路は、保護機能が働きＰＷＭ制御を停止させるか、或いは予め設定された最小デューティ比率でＰＷＭ制御を行う。一方、スイッチング装置が正常状態であれば、ステップＳ１０１において引き続き、スイッチング装置は通常動作を行う。

ステップＳ１０４では、制御回路は、異常検知機能によってスイッチング装置の異常状態が解除され正常状態に移行したか否かを調べる。スイッチング装置が正常状態であれば、ステップＳ１０５において保護機能が停止し、制御回路はＰＷＭ制御を再開する。一方、スイッチング装置が異常状態であれば、ステップＳ１０３において引き続き保護機能が働き、制御回路は異常状態に応じたＰＷＭ制御を行う。

ステップＳ１０６では、ステップＳ１０１と同様に、スイッチング装置は通常動作を行う。

このように、従来の異常検知機能及び保護機能を備えるスイッチング装置は、異常状態に応じてスイッチング素子を制御することにより、スイッチング装置及び負荷の破壊を防止する。

特開第２０００−１１４０３９号公報

ところで、従来のスイッチング装置は、図３のステップＳ１０５でスイッチング素子のＰＷＭ制御が再開してからステップＳ１０６の通常動作に至るまでの間、駆動信号のデューティ比率を最小から最適値まで徐々に変調するための調整時間を必要とする。

さらに、スイッチングノイズや外来ノイズにより制御回路が異常状態を誤検知した場合は、ＰＷＭ制御の停止時間は瞬時的であるにも関わらず、デューティ比率の調整時間が必要である。このため、従来のスイッチング装置は、通常動作に復帰する際に負荷を安定に駆動できないという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。従って、本発明は、負荷を安定に駆動できるスイッチング装置を提供することである。

上記のような課題を解決するために、請求項１記載の発明は、
スイッチング素子と、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御する制御回路と、を有し、前記スイッチング素子のスイッチング動作により入力電力を負荷に供給するスイッチング装置であって、
前記制御回路が、前記ＰＷＭ制御のデューティ情報の保持とリセットとを周期的に繰り返し、前記スイッチング装置が異常状態になる直前と異常状態から正常状態に復帰した直後とにおいて、同一のデューティ情報に基づきスイッチング素子をＰＷＭ制御することを特徴とする。
また、請求項７記載の発明は、
スイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御する制御回路と、を有し、前記スイッチング素子のスイッチング動作により入力電圧を負荷に供給するスイッチング装置の制御方法であって、
前記スイッチング装置が正常状態のとき前記スイッチング素子のデューティ情報を周期的に保持及びリセットし、且つ、前記スイッチング装置が異常状態のとき前記リセットを休止し、且つ、前記スイッチング装置が異常状態から正常状態に復帰した直後に保持した前記デューティ情報に基づいてスイッチング素子を制御することを特徴とする。

本発明に係るスイッチング装置及びその制御方法によれば、負荷を安定に制御できるスイッチング装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るスイッチング装置の構成を示す回路構成図である。本発明の実施形態に係るスイッチング装置の動作を示すフローチャートである。従来のスイッチング装置の動作を示すフローチャートである。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる。

図１を用いて、本発明の実施形態に係るスイッチング装置１００の構成について説明する。
本実施形態における異常状態とは、スイッチングノイズや外来ノイズにより制御回路が異常状態を誤検知した場合も含むこととする。
図１に示す本実施形態に係るスイッチング装置１００は、直流電圧出力手段としてのバッテリ１と、負荷としてのソレノイド６とバッテリ１との間を開閉するスイッチング素子２と、ソレノイド６に流れる負荷電流を検出する電流検出手段（電力検出手段）３と、保護機能を有し電流検出手段３の出力とマイコン７から入力される制御目標値とに応じてスイッチング素子２をＰＷＭ制御する駆動手段４と、スイッチング装置１００の異常状態を検知する異常検知手段５と、を備える。電流検出手段３と駆動手段４と異常検知手段５とは、制御回路８を構成する。

バッテリ１は、充電式電池から成り、直流電圧をスイッチング素子２のドレイン端子及び制御回路８に出力する。なお、バッテリ１に代わり、商用電源を整流して直流電圧を出力するように構成した回路を設けても良い。

スイッチング素子２は、ＭＯＳＦＥＴから成り、ドレイン端子がバッテリ１に接続され、制御回路８からゲート端子に入力されるゲート駆動信号に応じて、ソース端子から電流検出手段３を介してソレノイド６に断続的に直流電圧を出力する。なお、スイッチング素子２として、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などを用いることができる。

電流検出手段３は、電流検出抵抗３１と、電流検出アンプ３２と、を備える。電流検出抵抗３１の一端は、スイッチング素子２のソース端子と電流検出アンプ３２非反転入力端子と回生ダイオード９のカソードとに接続され、他端は、ソレノイド６の一端と電流検出アンプ３２の反転入力端子とに接続される。電流検出抵抗３１は、ソレノイド６に流れる負荷電流を検出し、電圧信号に変換して電流検出アンプ３２に出力する。電流検出アンプ３２は、反転入力端子と非反転入力端子とに入力される電圧信号を増幅し、検出信号として駆動手段４の第１の入力端子に出力する。

駆動手段４は、保護機能を有する演算回路４１と、ドライバ回路４２と、を備える。演算回路４１は、マイコン７から入力されるクロック信号に同期して、電流検出手段３から第１の入力端子に入力される検出信号とマイコン７から第２の入力端子に入力される制御目標値とから、ゲート駆動信号のデューティ（オン幅）比率を演算し、演算結果に基づくＰＷＭ信号をドライバ回路４２に出力する。演算回路４１の第３乃至第５の入力端子は異常検知手段５の出力端子に接続され、出力端子はドライバ回路４２に接続される。ドライバ回路４２は、図示しないチャージポンプ回路により昇圧された直流電圧が印加され、演算回路４１の出力をゲート駆動信号としてスイッチング素子２のゲート端子に出力する。

演算回路４１は、例えばデジタル回路で構成され、ＰＷＭ信号のデューティ情報（演算結果）の保持及びリセットを周期的に繰り返し、異常検知手段５の出力に応じてリセットを休止する保持手段及びリセット手段（図示せず）を有する。スイッチング装置１００が正常状態にあるとき、保持手段及びリセット手段は、マイコン７から入力されるクロック信号に同期して、デューティ情報のリセットと保持とを周期的に行う。一方、スイッチング装置１００が異常状態にあるとき、保持手段は異常状態になる直前のデューティ情報を保持し、リセット手段はリセット動作を休止する。即ち、スイッチング装置１００の異常時におけるデューティ情報（演算結果）は、電流検出手段３の検出信号とマイコン７の制御目標値とに影響されず一定となる。また、このとき演算回路４１は、保護機能が働きＰＷＭ信号の出力を停止するか、或いは予め設定された最小のデューティ比率となるＰＷＭ信号をドライバ回路４２に出力する。

異常検知手段５は、バッテリ１から直流電圧が供給され、スイッチング装置１００の異常状態を検知すると、異常状態に応じた異常信号を演算回路４１の第３乃至第５の入力端子に出力する。本実施形態に係る異常検知手段５は、スイッチング装置１００及びソレノイド６の破壊を防止するため、過電流検知機能ＯＣＰ（ＯｖｅｒＣｕｒｒｅｎｔＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）、過電圧検知機能ＯＶＰ（ＯｖｅｒＶｏｌｔａｇｅＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）及び過熱検知機能ＴＳＤ（ＴｈｅｒｍａｌＳｈｕｔ−Ｄｏｗｎ）を有する。例えば、過電流検知機能は、電流検出手段３の検出信号の値が所定値よりも大きいときに過電流異常として、異常信号を演算回路４１の第３の入力端子に出力する。また、過電圧検知機能は、図示しない電圧検出手段の検出信号の値に応じて異常信号を演算回路４１の第４の入力端子に出力する。また、過熱検知機能は、スイッチング素子２又は制御回路８の温度に応じて異常信号を演算回路４１の第５の入力端子に出力する。これらの異常信号が演算回路４１に入力されると、上述のように、演算回路４１はデューティ情報のリセットを休止するとともに保護機能を動作させる。

ソレノイド６は、その一端が電流検出抵抗３１の他端に接続され、他端はグランドに接続される。ソレノイド６は、負荷電流の大きさに応じて所定の変位量を得ることができる。

マイコン７は、駆動手段４に制御目標値及び制御クロック信号を出力する。

回生ダイオード９は、アノードがグランドに接続され、カソードが電流検出抵抗３１を介してソレノイド６の一端に接続される。

次に、図２を用いて、本実施形態に係るスイッチング装置１００の動作について説明する。

図２は、図１に示す本発明に係るスイッチング装置１００の動作を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１では、スイッチング装置１００は通常動作を行う。即ち、バッテリ１の直流電圧が制御回路８に印加されると、駆動手段４は、通常動作として、ソレノイド６に電力を供給するためにスイッチング素子２のＰＷＭ制御を開始し、Ｈ（高）レベルとＬ（低）レベルとを交互に繰り返すパルス信号であるゲート駆動信号を出力する。また、演算回路４１が、電流検出手段３の検出信号をマイコン７の制御目標値に近づけるようにゲート駆動信号のデューティ（オン幅）比率を変調する。

ステップＳ２では、演算回路４１の保持手段及びリセット手段は、マイコン７から入力されるクロック信号に同期して、デューティ情報（演算結果）のリセットと保持とを周期的に繰り返す。

ステップＳ３では、異常検知手段５は、スイッチング装置１００及びソレノイド６が異常状態であるか否かを調べる。スイッチング装置１００及びソレノイド６が正常状態であれば、ステップＳ２において引き続き、スイッチング装置１００は通常動作を行う。一方、スイッチング装置１００及びソレノイド６が異常状態であれば、ステップＳ４において、異常検知手段５の異常信号に応じて演算回路４１はデューティ情報のリセットを休止する。詳細には演算回路４１の保持手段は、異常状態となる直前のデューティ情報を保持する。さらにこのとき、ステップＳ５において駆動手段４は、異常検知手段５の異常信号に応じてスイッチング素子２のＰＷＭ制御を行う。より詳細には、過電圧（ＯＶＰ）及び過熱（ＴＳＤ）の異常信号が演算回路４１に入力されたときは、演算回路４１はＰＷＭ信号の出力を停止し、駆動手段４はスイッチング素子２のＰＷＭ制御を停止する。また、過電流の異常信号が演算回路４１に入力されたときは、演算回路４１は予め設定された最小のデューティ比率となるＰＷＭ信号をドライバ回路４２に出力し、駆動手段４はスイッチング素子２をＰＷＭ制御する。

ステップＳ６では、異常検知手段５は、スイッチング装置１００及びソレノイド６の異常状態が解除されたか否かを調べる。スイッチング装置１００及びソレノイド６が正常状態であれば、ステップＳ７において制御回路８は、保持手段が保持しているデューティ情報に基づきＰＷＭ制御を再開する。このとき、制御回路８は、スイッチング装置１００及びソレノイド６が異常状態になる直前と等しい値から最適値まで徐々にゲート駆動信号のデューティ比率を変調する。さらにステップＳ８において演算回路４１は、ステップＳ２と同様にデューティ情報（演算結果）のリセットと保持とを周期的に繰り返す。一方、スイッチング装置１００及びソレノイド６が異常状態であれば、ステップＳ５において継続して駆動手段４が異常検知手段５の異常信号に応じてスイッチング素子２のＰＷＭ制御を行う。

ステップＳ９では、ステップＳ１と同様に、スイッチング装置１００は通常動作を行う。

本発明の実施形態に係るスイッチング装置１００は、このような動作により、スイッチング装置１００及びソレノイド６の破壊を防止するとともに、スイッチング装置１００及びソレノイド６が異常状態から正常状態に復帰した直後、異常状態となる直前のデューティ（オン幅）比率でＰＷＭ制御を再開させることができる。

本実施例に係るスイッチング装置１００は、以下の効果を有する。
（１）異常検知手段５がスイッチング装置１００及びソレノイド６の異常状態を検知し、駆動手段４が異常信号に応じてスイッチング素子２のＰＷＭ制御を行うため、スイッチング装置１００及びソレノイド６の破壊を防止することができる。
（２）最小デューティ比率でＰＷＭ制御を再開する場合に比べ、異常状態から正常状態への復帰時におけるデューティ比率の調整時間を短縮し、通常動作へ素早く移行することができる。
（３）ノイズにより制御回路８が異常状態を誤検知した場合、デューティ比率の変動が非常に小さいため、デューティ比率の調整時間が殆ど発生しない。従って、ノイズによる制御精度の低下を防止することができる。

以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。例えば、本発明は、ソレノイド以外を負荷とするスイッチング装置、或いは負荷電圧を検出して制御するスイッチング装置に適用することができる。

１バッテリ
２スイッチング素子
３電流検出手段
４駆動手段
５異常検知手段
６ソレノイド
７マイコン
８制御回路
９回生ダイオード
３１電流検出抵抗
３２電流検出アンプ
４１演算回路
４２ドライバ回路
１００スイッチング装置

Claims

スイッチング素子と、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御する制御回路と、を有し、前記スイッチング素子のスイッチング動作により入力電力を負荷に供給するスイッチング装置であって、
前記制御回路が、前記ＰＷＭ制御のデューティ情報の保持とリセットとを周期的に繰り返し、前記スイッチング装置が異常状態になる直前と異常状態から正常状態に復帰した直後とにおいて、同一のデューティ情報に基づきスイッチング素子をＰＷＭ制御することを特徴とするスイッチング装置。
前記異常状態において、前記制御回路が、前記デューティ情報のリセットを休止することを特徴とする請求項１記載のスイッチング装置。
前記制御回路が、前記デューティ情報を周期的に保持する保持手段と、前記保持手段が保持する前記デューティ情報を周期的にリセットするリセット手段と、前記スイッチング装置の異常状態を検知する異常検知手段と、を備え、
前記制御回路が、前記スイッチング装置が前記異常状態から正常状態に復帰した直後に、前記保持手段が保持する前記デューティ情報に基づいてスイッチング素子をＰＷＭ制御することを特徴とする請求項１又は２記載のスイッチング装置。
前記負荷がソレノイドであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のスイッチング装置。
前記制御回路が、前記負荷に流れる電流を制御するために電流検出手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のスイッチング装置。
前記入力電圧が、バッテリから入力される直流電圧であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のスイッチング装置。
スイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御する制御回路と、を有し、前記スイッチング素子のスイッチング動作により入力電圧を負荷に供給するスイッチング装置の制御方法であって、
前記スイッチング装置が正常状態のとき前記スイッチング素子のデューティ情報を周期的に保持及びリセットし、且つ、前記スイッチング装置が異常状態のとき前記リセットを休止し、且つ、前記スイッチング装置が異常状態から正常状態に復帰した直後に保持した前記デューティ情報に基づいてスイッチング素子を制御することを特徴とするスイッチング装置の制御方法。