JP2011199401A - 電源供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＮＤレベルの入力信号を入力する入力回路を備える場合であっても接地端子がオープン状態にあるときにスイッチング用トランジスタ素子をオフ状態に保持すること。
【解決手段】電源供給装置１は、電源２と負荷３との間に接続されたスイッチング用トランジスタ素子Ｆと、スイッチング用トランジスタ素子Ｆをオン／オフすることによって電源２から負荷３への電力供給を制御する駆動回路４と、電源２からの電力を利用して駆動される周辺回路６と、スイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート端子とソース端子との間に接続された電流駆動型の補償トランジスタユニット５と、接地電圧を供給する接地ユニット８とを備える。補償トランジスタユニット５は、周辺回路６と接地ユニット８を介して電源２から所定値以上の電流が供給された場合、スイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート端子とソース端子との間をショートする。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両に搭載されている電装品に電力を供給する電源供給装置に関するものである。

車両に搭載されている電装品に電力を供給する電源供給装置の中には、電源と電装品との間に接続されたトランジスタ素子を備え、トランジスタ素子をオン／オフすることによって電装品への電力供給を制御するものがある。具体的には、この種の電源供給装置は、電源と電装品との間に接続されたスイッチング用トランジスタ素子と、スイッチング用トランジスタ素子のゲート制御用回路とを備え、ゲート制御用回路は、制御用トランジスタ素子を備える。

この電源供給装置では、制御用トランジスタ素子がオフ状態であるときには、スイッチング用トランジスタ素子はオン状態になるように制御され、電装品には電力が供給される。一方、制御用トランジスタ素子がオン状態であるときには、スイッチング用トランジスタ素子のゲート−ソース間電圧がオン閾値電圧以下になることによって、スイッチング用トランジスタ素子はオフ状態になるように制御され、電装品への電力供給が遮断される。

このような電源供給装置では、電源供給装置の接地端子がオープン状態である場合、スイッチング用トランジスタ素子を完全にオフすることができなくなる。具体的には、電源供給装置の接地端子がオープン状態である場合、電源供給装置全体の電位が電源端子レベルまで上昇する。このため、スイッチング用トランジスタ素子のゲート電圧が上昇し、ゲート−ソース間電圧がオン閾値電圧以上になることによって、スイッチング用トランジスタ素子がオン状態に遷移する。この場合、スイッチング用トランジスタ素子は不飽和オン状態になることから、スイッチング用トランジスタ素子に異常発熱が発生し、いずれは破壊する。

このため、スイッチング用トランジスタ素子のゲート端子とソース端子との間に電圧駆動型の補償トランジスタ素子を挿入した電源供給装置が提案されている（特許文献１参照）。この電源供給装置では、補償トランジスタ素子のゲート端子は接地端子に接続されている。このため、この電源供給装置では、接地端子がオープン状態になった場合、接地端子の電圧、すなわち補償トランジスタ素子のゲート電圧が所定電圧まで上昇することによって、補償トランジスタ素子がオン状態になる。そして、補償トランジスタ素子がオン状態になると、スイッチング用トランジスタ素子のゲート端子とソース端子との間がショートし、スイッチング用トランジスタ素子のゲート-ソース間電圧がオン閾値電圧以下になるので、スイッチング用トランジスタ素子はオフ状態に保持される。

特開２００９−１６５１１３号公報

ところで、電源供給装置の中には、ＧＮＤレベルの入力信号を入力する入力回路を備えるものがある。このような電源供給装置では、ＧＮＤレベルのスイッチ入力信号が入力されているときには、電源供給装置の接地端子がオープン状態である場合であっても、接地端子の電圧が大きく上昇しないことがある。しかしながら、特許文献１記載の電源供給装置では、接地端子の電圧が所定電圧まで上昇しないと補償トランジスタ素子がオン状態にならない。また、補償トランジスタ素子とスイッチング用トランジスタ素子のゲート-ソース間電圧やオン閾値電圧には、素子によってばらつきがあり、一定ではない。また、それぞれのゲート印加電圧に違いもあるため、補償トランジスタ素子がオン状態にならないのにも係わらず、スイッチング用トランジスタ素子がオン状態となる恐れがある。このため、特許文献１記載の電源供給装置によれば、ＧＮＤレベルの入力信号を入力する入力回路を備える場合には、接地端子がオープン状態であるときにスイッチング用トランジスタ素子をオフ状態に保持することができなくなるおそれがある。この場合、スイッチング用トランジスタ素子は不飽和オン状態になることから、スイッチング用トランジスタ素子に異常発熱が発生し、いずれは破壊する。

また、スイッチング用トランジスタ素子のゲート端子とソース端子との間に電圧駆動型の補償トランジスタ素子（MOSFET）を挿入した構成（特許文献１参照）では、電源と接地端子とが逆接続された場合、電圧駆動型の補償トランジスタ素子内部の寄生ダイオードを介してショート回路が発生し、過電流が流れて装置が破壊される。このため、特許文献１記載の構成では、補償トランジスタ素子のバックゲートに与えるバックゲート電圧を制御することによって、補償トランジスタ素子内部の寄生ダイオードを介してショート回路が発生するのを防止している。しかしながら、半導体プロセスによってはバックゲート電圧を制御できない場合があり、またプロセスの複雑化によってコストが上昇するといった問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＧＮＤレベルの入力信号を入力する入力回路を備える場合であっても接地端子がオープン状態にあるときにスイッチング用トランジスタ素子をオフ状態に保持可能な電源供給装置を提供することにある。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電源供給装置は、電源と負荷との間に接続されたスイッチング用トランジスタ素子と、スイッチング用トランジスタ素子をオン／オフすることによって電源から負荷への電力供給を制御する駆動回路と、電源からの電力を利用して駆動される周辺回路と、スイッチング用トランジスタ素子のゲート端子とソース端子との間に接続された電流駆動型の補償トランジスタユニットと、駆動回路、周辺回路、及び補償トランジスタユニットに接地電圧を供給する接地ユニットと、を備え、補償トランジスタユニットは、周辺回路及び接地ユニットを介して電源から所定値以上の電流が供給された場合、スイッチング用トランジスタ素子のゲート端子とソース端子との間をショートする。

本発明に係る電源供給装置によれば、補償トランジスタユニットは接地ユニットを介して供給される電流によって駆動されるので、ＧＮＤレベルの入力信号を入力する入力回路を備える場合であっても接地端子がオープン状態にあるときにスイッチング用トランジスタ素子をオフ状態に保持することができる。

図１は、本発明の一実施形態である電源供給装置の構成を示す回路図である。 図２は、図１に示す電源供給装置の正常時における動作を説明するための波形図である。 図３は、図１に示す電源供給装置の接地端子がオープン状態である場合における動作を説明するための波形図である。 図４は、図１に示す電源供給装置の電源が逆接続された場合における動作を説明するための波形図である。 図５は、図１に示す電源供給装置の変形例の構成を示す回路図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である電源供給装置の構成及び動作について説明する。

〔電源供給装置の構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である電源供給装置の構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である電源供給装置の構成を示す回路図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である電源供給装置１は、電源２と負荷３との間に接続されたスイッチング用トランジスタ素子Ｆをオン／オフすることによって、電源２から負荷３への電力供給を制御するものである。本実施形態では、スイッチング用トランジスタ素子Ｆは、Ｎチャネル型ＦＥＴによって構成されている。スイッチング用トランジスタ素子Ｆのドレイン端子にはコネクタＣ１を介して電源２が接続され、ソース端子にはコネクタＣ２を介して負荷３が接続されている。

電源供給装置１は、駆動回路４，補償トランジスタユニット５，周辺回路６，入力回路７、及び接地ユニット８を備える。駆動回路４は、スイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート端子に接続されている。駆動回路４は、電源２からの電力を利用してスイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート端子に駆動電圧を印加することによって、スイッチング用トランジスタ素子Ｆのオン／オフを制御する。

補償トランジスタユニット５は、スイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート端子とソース端子との間に接続されている。補償トランジスタユニット５は、ＮＰＮバイポーラトランジスタである補償トランジスタ素子Ｔ_Ａを備える。補償トランジスタ素子Ｔ_Ａのコレクタ端子はスイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート端子に接続され、エミッタ端子はダイオードＤ２を介してスイッチング用トランジスタ素子Ｆのソース端子に接続されている。

ダイオードＤ２のアノード端子は補償トランジスタ素子Ｔ_Ａのエミッタ端子に接続され、カソード端子はスイッチング用トランジスタ素子Ｆのソース端子に接続されている。ダイオードＤ２は、スイッチング用トランジスタ素子Ｆのソース端子側から補償トランジスタユニット５側への電流の流れを規制する。

補償トランジスタ素子Ｔ_Ａのベース端子はベース抵抗素子Ｒ１を介して接地ユニット８に接続されている。ベース抵抗素子Ｒ１は、補償トランジスタユニット５を介して接地ユニット８側から電源２側に流れる逆電流を制限する機能を有する。ベース抵抗素子Ｒ１のインダクタンスは、外部入力スイッチＳＷによってＧＮＤ接続されるインピーダンスより低く、且つ、逆電流が発生した際に補償トランジスタ素子Ｔ_Ａを破壊するほどの電流が流れないように逆電流の大きさを制限する値に設定されている。

周辺回路６は、電源２と接地ユニット８との間に接続され、電源２から供給される電力を利用して駆動される。入力回路７は、ダイオード素子Ｄ３を備え、抵抗素子Ｒ３と抵抗素子Ｒ４を介してスイッチ電源９に接続されている。ダイオード素子Ｄ３のアノード端子は接地ユニット８に接続され、カソード端子は抵抗Ｒ３に接続されている。抵抗素子Ｒ３と抵抗素子Ｒ４との間には、コネクタＣ３を介して接地端子との接続／切断を切り替える外部入力スイッチＳＷが接続されている。外部入力スイッチＳＷがオン状態である場合、入力回路７は、ＧＮＤレベルの入力信号を入力し、外部入力スイッチＳＷがオフ状態である場合には、入力回路７はハイレベルの入力信号を入力する。接地ユニット８は、コネクタＣ４を介して接地電位に接続され、駆動回路４，補償トランジスタユニット５，周辺回路６，及び入力回路７に接地電圧を供給する。

〔電源供給装置の動作〕
次に、図２乃至図４を参照して、正常時，接地ユニット８がオープン状態である時、及び電源２が逆接続された時の電源供給装置１の動作について説明する。なお、図２乃至図４に示すグラフの縦軸は電圧又は電流の強度を表す。

〔正常時〕
始めに、図２を参照して、正常時における電源供給装置１の動作について説明する。図２は、正常時におけるスイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート電圧Ｖ_Ｇとソース電圧Ｖ_Ｓ，負荷３への出力電流Ｉ_Ｌ，及び接地電圧Ｖ_ＧＮＤの変化を示す波形図である。図２に示すように、正常時には接地電圧Ｖ_ＧＮＤはゼロに保持されているので、補償トランジスタ素子Ｔ_Ａのベース端子の電位もゼロとなり、補償トランジスタ素子Ｔ_Ａはオフ状態に保持される。このため、時間Ｔ＝Ｔ１において、スイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート電圧Ｖ_Ｇがゲート電圧Ｖ_Ｇ０まで増加すると、スイッチング用トランジスタ素子Ｆはオン状態になり、スイッチング用トランジスタ素子Ｆのソース電圧Ｖ_Ｓはソース電圧Ｖ_Ｓ０まで増加する。これにより、負荷３には電源２から電流Ｉ_Ｌ０が供給される。

〔接地ユニットがオープン状態である時〕
次に、図３を参照して、接地ユニット８がオープン状態である時の電源供給装置１の動作について説明する。図３は、接地ユニット８がオープン状態である時のスイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート電圧Ｖ_Ｇとソース電圧Ｖ_Ｓ，負荷３への出力電流Ｉ_Ｌ，及び接地電圧Ｖ_ＧＮＤの変化を示す波形図である。いま時刻Ｔ＝Ｔ１において接地ユニット８がオープン状態になったとすると、図３に示すように、接地電圧Ｖ_ＧＮＤは接地電圧Ｖ_ＧＮＤ０まで増加する。このため、スイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート電圧Ｖ_Ｇがゲート電圧Ｖ_Ｇ１まで増加することによって、スイッチング用トランジスタ素子Ｆがオン状態になり、スイッチング用トランジスタ素子Ｆのソース電圧Ｖ_Ｓが増加する。

しかしながら、この時同時に、電源２からの電流が周辺回路６，接地ユニット８，ベース抵抗素子Ｒ１，及び補償トランジスタユニット５を介してスイッチングトランジスタ素子Ｆのソース端子に流れる。このため、スイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート端子とソース端子との間がショートされる。これにより、スイッチング用トランジスタ素子Ｆはすぐにオフ状態になり、スイッチング用トランジスタ素子Ｆのソース電圧Ｖ_Ｓはゼロに戻る。なお、スイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート電圧Ｖ_Ｇが一時的にゲート電圧Ｖ_Ｇ１まで増加するために、負荷３には電流Ｉ_Ｌ１が供給される。しかしながら、このときスイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート端子とソース端子との間の電圧は小さいので、ドレイン端子とソース端子との間は高抵抗状態となり、スイッチング用トランジスタ素子Ｆは破壊することはなく、また負荷３への出力電流Ｉ_Ｌ１は大きい値にはならない。

〔電源２が逆接続された時〕
次に、図４を参照して、電源２が逆接続された時の電源供給装置１の動作について説明する。図４は、電源２が逆接続された時のスイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート電圧Ｖ_Ｇとソース電圧Ｖ_Ｓ，負荷３への出力電流Ｉ_Ｌ，及び接地電圧Ｖ_ＧＮＤの変化を示す波形図である。いま時刻Ｔ＝Ｔ１において電源２が逆接続されたとすると、補償トランジスタユニット５及びスイッチング用トランジスタ素子Ｆを介して接地ユニット８側から電源２側に逆電流Ｉ_Ｌ２が流れるために、図４に示すように、接地電圧Ｖ_ＧＮＤは接地電圧Ｖ_ＧＮＤ１まで増加する。しかしながら、この際、ベース抵抗素子Ｒ１及び補償トランジスタ素子Ｔ_ＡのＨＦＥ特性によって逆電流Ｉ_Ｌ２の大きさが制限されるために、逆電流Ｉ_Ｌ２によって補償トランジスタユニット５が破壊することはない。さらに、スイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート電圧Ｖ_Ｇは電源２の電位が印加されることによってゲート電圧Ｖ_Ｇ２まで増加する。このため、スイッチング用トランジスタ素子Ｆはオン状態になる。従って、逆電流Ｉ_Ｌ２がスイッチング用トランジスタ素子Ｆの寄生ダイオードを介して流れることはなく、逆電流Ｉ_Ｌ２によってスイッチング用トランジスタ素子Ｆが破壊されることはない。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である電源供給装置１は、電源２と負荷３との間に接続されたスイッチング用トランジスタ素子Ｆと、スイッチング用トランジスタ素子Ｆをオン／オフすることによって電源２から負荷３への電力供給を制御する駆動回路４と、電源２からの電力を利用して駆動される周辺回路６と、スイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート端子とソース端子との間に接続された電流駆動型の補償トランジスタユニット５と、接地電圧を供給する接地ユニット８とを備え、補償トランジスタユニット５は、周辺回路６と接地ユニット８を介して電源２から所定値以上の電流が供給された場合、スイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート端子とソース端子との間をショートする。そして、このような構成によれば、補償トランジスタユニット５は、周辺回路６と接地ユニット８を介して電源２から供給される電流によって駆動されるので、ＧＮＤレベルの入力信号を入力する入力回路を備える場合であっても、接地端子がオープン状態であるときにスイッチング用トランジスタ素子Ｆをオフ状態に保持することができる。

〔変形例〕
なお、図１に示す電源供給装置１の構成によれば、補償トランジスタユニット５は１つの補償トランジスタ素子Ｔ_Ａによって構成されているので、補償トランジスタ素子Ｔ_ＡのＨＦＥ特性のばらつきによっては逆電流Ｉ_Ｌ２の大きさを制御できないことがある。そこで、図５に示すように、駆動回路４が、寄生ダイオードＤ１を備える場合には、補償トランジスタユニット５を補償トランジスタ素子Ｔ_Ｂと補償トランジスタ素子Ｔ_Ｃとの２段構成にしてもよい。具体的には、図５に示す構成では、補償トランジスタユニット５は、ＮＰＮバイポーラトランジスタである補償トランジスタ素子Ｔ_Ｂ，Ｔ_Ｃを備える。補償トランジスタ素子Ｔ_Ｂのコレクタ端子はオープン状態にあり、エミッタ端子はダイオードＤ２を介してスイッチング用トランジスタ素子Ｆのソース端子に接続されている。

補償トランジスタ素子Ｔ_Ｃのコレクタ端子はスイッチング用トランジスタ素子Ｆのゲート端子に接続され、エミッタ端子は抵抗素子Ｒ２とダイオードＤ２とを介してスイッチング用トランジスタ素子Ｆのソース端子に接続されている。抵抗素子Ｒ２は、補償トランジスタユニット５を介して接地ユニット８側から電源２側に逆電流が流れる際に逆電流の経路を調整する機能を有する。また、ベース抵抗素子Ｒ１のインダクタンスは、外部入力スイッチＳＷによってＧＮＤ接続されるインピーダンスより低く、且つ、逆電流が発生した際に補償トランジスタ素子Ｔ_Ｂ，Ｔ_Ｃを破壊するほどの電流が流れないように逆電流の大きさを制限する値に設定されている。

このような構成によれば、逆電流Ｉ_Ｌ２の電流経路が補償トランジスタ素子Ｔ_Ｂ側と補償トランジスタ素子Ｔ_Ｃ側とに分散されることによって逆電流Ｉ_Ｌ２の大きさが低減されるので、逆電流Ｉ_Ｌ２の大きさを制御することができる。また、補償トランジスタ素子Ｔ_Ｃのコレクタ端子側には抵抗素子Ｒ２が接続されているので、補償トランジスタ素子Ｔ_Ｂ，Ｔ_ＣのＨＦＥ特性のばらつきに依存せずに逆電流Ｉ_Ｌ２の大きさを制御することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１ 電源保護装置
２ 電源
３ 負荷
４ 駆動回路
５ 補償トランジスタユニット
６ 周辺回路
７ 入力回路
８ 接地ユニット
Ｆ スイッチング用トランジスタ素子
Ｔ_Ａ，Ｔ_Ｂ，Ｔ_Ｃ 補償トランジスタ素子

Claims (4)

1. 電源と負荷との間に接続されたスイッチング用トランジスタ素子と、
   前記スイッチング用トランジスタ素子をオン／オフすることによって前記電源から前記負荷への電力供給を制御する駆動回路と、
   前記電源からの電力を利用して駆動される周辺回路と、
   前記スイッチング用トランジスタ素子のゲート端子とソース端子との間に接続された電流駆動型の補償トランジスタユニットと、
   前記駆動回路、前記周辺回路、及び前記補償トランジスタユニットに接地電圧を供給する接地ユニットと、を備え、
   前記補償トランジスタユニットは、前記周辺回路及び前記接地ユニットを介して前記電源から所定値以上の電流が供給された場合、前記スイッチング用トランジスタ素子のゲート端子とソース端子との間をショートすることを特徴とする電源供給装置。
2. 前記補償トランジスタユニットは、コレクタ端子がオープン状態にあり、エミッタ端子がスイッチング用トランジスタ素子のソース端子に接続された第１のトランジスタ素子と、コレクタ端子がスイッチング用トランジスタ素子のゲート端子に接続され、エミッタ端子がスイッチング用トランジスタ素子のソース端子に接続された第２のトランジスタ素子とを備え、第１及び第２のトランジスタ素子のゲート端子が前記接地ユニットに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電源供給装置。
3. 前記第２のトランジスタ素子のエミッタ端子は、抵抗素子を介して前記スイッチング用トランジスタ素子のソース端子に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の電源供給装置。
4. 前記補償トランジスタユニットのベース端子はベース抵抗素子を介して前記接地ユニットに接続され、該補償トランジスタユニットは、電源が逆接続された場合、コレクタ端子とエミッタ端子との間の逆電流を制限することを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の電源供給装置。

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