JP2011216229A

JP2011216229A - リレー駆動回路

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Publication number: JP2011216229A
Application number: JP2010081037A
Authority: JP
Inventors: Kunitomo Kumaki; 邦知熊木; Yoshiyuki Ideno; 義之出野
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP5618181B2

Abstract

【課題】リレー駆動回路において、コイル電流による自己発熱を抑制しつつ、異音を発生しないようにすることにある。
【解決手段】リレー（４）は、オフ状態からオンさせる時にリレーコイル（７）に流れるコイル電流が、オンした後オン状態を保持し続けるためにリレーコイル（７）に流れるコイル電流よりも大きい電流特性を備え、電源（３）とリレーコイル（７）との間に出力電圧を任意の値に変更可能な可変電圧レギュレータ（６）を設け、この可変電圧レギュレータ（６）の出力電圧値が、リレー（４）をオフ状態からオンさせる時と、リレー（４）がオンした後オン状態を保持し続ける時とで、異なる。
【選択図】図１

Description

この発明は、リレー駆動回路に係り、特にリレーを駆動するリレー駆動回路に関する。

制御系や通信系等の分野においては、リレーを用いたシステムが採用され、また、リレーを駆動するために、リレー駆動回路を設けている。
このようなリレー駆動回路の例として、例えば、図３に示すように、１回路のみの構造のものがある。
図３に示すように、リレー駆動回路１０２は、リレー１０４と、このリレー１０４に接続したローサイドスイッチ（Ｎ−ｃｈＦＥＴ等）１０５とを備えている。このローサイドスイッチ１０５は、リレー制御回路（マイクロコンピュータ等の機器）１０３に接続して駆動信号を受けて、リレー１０４をオン・オフさせる。リレー１０４は、リレーコイル１０７と、所定の配線に接続される接点１０８とを備える。また、リレー駆動回路１０２には、リレー１０４を迂回するように、転流用ダイオード１０９が配置されている。
リレー駆動回路１０２は、リレー制御回路１０３を通じてローサイドスイッチ１０５をオン・オフすることで、リレー１０４の駆動（過励磁及びＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御）を行う。
図４に示すように、このリレー駆動回路１０２においては、ローサイドスイッチ１０５をオンにして（駆動信号）、リレー１０４のリレーコイル１０７への印加電圧を＋Ｂにするとともに、過励磁を行い（時間ｔ１）、そして、コイル電流が所定値Ｓ１になった時に（時間ｔ２）、リレー１０４をオフ状態からオンにさせ、その後、リレー１０４を必ず切り替えるために、リレー１０４のオンへの切り替え時のみ、過励磁時間Ｔ１においてリレー１０４のコイル電流を最大値Ｓ２まで高くする。
そして、この過励磁時間Ｔ１が経過した時に（時間ｔ３）、リレー１０４の自己発熱を抑えるために、ＰＷＭ制御時間Ｔ２中のＰＷＭ制御によってコイル電流を抑制する。
つまり、ＰＷＭ制御により駆動信号パルスのデューティ比（オン・オフ時間の比率）を制御することで、リレーコイル１０７に流れるコイル電流を制御し（駆動信号パルスは高速でスイッチング）、このとき、ローサイドスイッチ１０５をオン・オフさせる。
この場合、ローサイドスイッチ１０５のオン時は（時間ｔ４）、リレーコイル１０７のコイル電流が増加する。一方、ローサイドスイッチ１０５のオフ時は（時間ｔ５）、転流用ダイオード１０９を通じてコイル電流が転流するため、コイル電流の急激な低下はない。
このように、ＰＷＭ制御によりデューティ比を調整することで、コイル電流が保持電流Ｒを下回らない範囲でコイル電流の抑制を可能とする。
また、ＰＷＭ制御によりローサイドスイッチ１０５が高速スイッチングを行うため、ローサイドスイッチ１０５の全てのオン・オフによってスイッチングロス（切替損失）による発熱が発生する。
このようなリレー駆動回路１０２の出力信号においては、１個のリレー１０４に対して駆動信号（過励磁・ＰＷＭ制御）は、１本必要である。リレー数だけ過励磁・ＰＷＭ制御が可能な駆動信号とローサイドスイッチ１０５とが、必要となる。この図３では、リレー１０４が１個のため、駆動信号が１本となる。ここで、上述の駆動信号とは、リレー１０４の駆動状態を過励磁とＰＷＭ制御とを切り替える信号である。

具体的に説明すると、図３のリレー駆動回路１０２において、初期状態としてリレー１０４のオフで且つローサイドスイッチ１０５のオフの状態で、リレー制御回路１０３より、ローサイドスイッチ１０５ヘ駆動信号（過励磁）が入力されると、この駆動信号（過励磁）の入力に伴い、ローサイドスイッチ１０５がオンし、さらに、リレー１０４のリレーコイル１０７の両端に電位差が発生し、リレーコイル１０７側に電流が流れることで、リレー１０４の接点１０８がオンする。その後、一定時間経過後、自己発熱を抑制するため、ＰＷＭ制御でリレーコイル１０７に流れるコイル電流を絞っている。
しかし、高温下でリレー１０４を使用する場合、リレー１０４の駆動時に、コイル電流による自己発熱が問題となる場合があった。
そのような場合、リレー１０４のオン・オフの切り替え時のみ高いコイル電流（過励磁電流）を印加し、リレー１０４の駆動の切り替え後は、コイル電流を抑制（保持電流）することで、自己発熱を抑える方法を採っている。

特開２００３−３２９１９号公報

特許文献１に係る制御装置は、パルス駆動により所定の状態を維持できるスイッチ装置を制御するものであり、スイッチ装置を定格電圧で駆動し、また、スイッチ装置がオンされてから所定時間経過したときに、スイッチ装置に供給するパルス波形をスイッチ装置の状態を所定の状態に保持するための保持電圧となるように調整するものである。

ところで、従来において、ＰＷＭ制御によりリレーのコイル電流を抑制しているが、可聴周波数でリレーコイルへの印加電圧をスイッチングした場合に、リレーからスイッチング周波数に応じて異音が発生する場合がある。
この対策として、可聴周波数以外の周波数でスイッチングをする方法が考えられるが、低周波で駆動した場合は、コイル電流のリプルが大きくなるため、平均電流を高く設定しなければならず、自己発熱の抑制が困難であった。
また、高周波でスイッチングした場合には、スイッチングロスによる駆動素子の発熱と、高周波ノイズの問題とが、発生するおそれがあった。

そこで、この発明の目的は、コイル電流による自己発熱を抑制しつつ、異音を発生しないようにするリレー駆動回路を提供することにある。

この発明は、リレーに流れる電流量に応じてこのリレーをオン・オフさせるリレー駆動回路において、前記リレーは、オフ状態からオンさせる時にリレーコイルに流れるコイル電流が、オンした後オン状態を保持し続けるために前記リレーコイルに流れるコイル電流よりも大きい電流特性を備え、電源と前記リレーコイルとの間に出力電圧を任意の値に変更可能な可変電圧レギュレータを設け、この可変電圧レギュレータの出力電圧値が、前記リレーをオフ状態からオンさせる時と、前記リレーがオンした後オン状態を保持し続ける時とで、異なることを特徴とする。

この発明のリレー駆動回路は、コイル電流による自己発熱を抑制しつつ、異音を発生しないようにすることができる。

図１は複数個のリレーを備えたリレー駆動回路の構成図である。（実施例）図２はリレー駆動制御のタイムチャートである。（実施例）図３は従来の１個のリレーのリレー駆動回路の構成図である。（従来例）図４は従来の１個のリレーのリレー駆動制御のタイムチャートである。（従来例）

この発明は、コイル電流による自己発熱を抑制しつつ、異音を発生しないようにする目的を、可変電圧レギュレータの出力電圧値を変更して実現するものである。

図１、図２は、この発明の実施例を示すものである。
図１において、１はリレー駆動制御装置である。
このリレー駆動制御装置１は、リレー駆動回路２と、このリレー駆動回路２に接続し電源として機能するリレー制御回路（マイクロコンピュータ等の機器）３とからなる。
リレー駆動回路２は、リレー４として、例えば、４個の第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄと、この第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄに接続したローサイドスイッチ（Ｎ−ｃｈＦＥＴ等）５としての第１ローサイドスイッチ５Ａ〜第４ローサイドスイッチ５Ｄと、第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄに接続するとともにリレー制御回路３に接続した可変電圧レギュレータ６とを備える。
第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄは、リレーコイル７としての第１リレーコイル７Ａ〜第４リレーコイル７Ｄと、接点８としての第１接点８Ａ〜第４接点８Ｄとを備える。第１リレーコイル７Ａ〜第４リレーコイル７Ｄには、一端に第１ローサイドスイッチ５Ａ〜第４ローサイドスイッチ５Ｄが接続するとともに、他端に可変電圧レギュレータ６が接続する。第１接点８Ａ〜第４接点８Ｄは、使用用途により任意の配線に接続される。
リレー駆動回路２は、第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄに流れる電流量に応じてこの第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄをオン・オフさせるものである。

リレー制御回路３は、個々のリレーを独立して制御するため、リレー１個に対して駆動信号（オン・オフ制御）が１本が必要となり、よって、４個の第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄを駆動するために４本の駆動信号１〜４を第１ローサイドスイッチ５Ａ〜第４ローサイドスイッチ５Ｄに出力する。
駆動信号１は、第１ローサイドスイッチ５Ａを介して第１リレー４Ａの駆動状態を切り替えるための（オン・オフ制御）信号である。駆動信号２は、第２ローサイドスイッチ５Ｂを介して第２リレー４Ｂの駆動状態を切り替えるための（オン・オフ制御）信号である。駆動信号３は、第３ローサイドスイッチ５Ｃを介して第３リレー４Ｃの駆動状態を切り替えるための（オン・オフ制御）信号である。駆動信号４は、第４ローサイドスイッチ５Ｄを介して第４リレー４Ｄの駆動状態を切り替えるための（オン・オフ制御）信号である。

また、リレー制御回路３は、可変電圧レギュレータ６に、必要な駆動信号（オン・オフ制御：過励磁電圧・保持電圧の切り替え）を共通で１本の駆動信号５を出力する。
この駆動信号５は、可変電圧レギュレータ６を介して、第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄの第１リレーコイル７Ａ〜第４リレーコイル７Ｄの夫々の印加電圧を切り替えるための（オン・オフ制御）信号であり、オン・オフにより過励磁電圧と保持電圧を切り替える。

この実施例では、第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄは、オフ状態からオンさせる時に第１リレーコイル７Ａ〜第４リレーコイル７Ｄに流れるコイル電流が、オンした後オン状態を保持し続けるために第１リレーコイル７Ａ〜第４リレーコイル７Ｄに流れるコイル電流よりも大きい電流特性を備えている。
また、可変電圧レギュレータ６は、電源＋Ｂと第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄの第１リレーコイル７Ａ〜第４リレーコイル７Ｄとの間に設けられて、出力電圧を任意の値に変更可能なものである。
更に、リレー制御回路３は、可変電圧レギュレータ６の第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄへの出力電圧値を、第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄをオフ状態からオンさせる時と、第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄがオンした後オン状態を保持し続ける時とで、異ならせるものである。

即ち、可変電圧レギュレータ６を用いて第１リレーコイル７Ａ〜第４リレーコイル７Ｄに印加する電圧を制御することで、コイル電流を抑制するものである。
この可変電圧レギュレータ６が安定した電圧を出力することにより、従来のＰＷＭ制御のようなスイッチングをなくし、異音の発生をなくするものである。また、ＰＷＭ制御によるスイッチングにより発生していた、高周波ノイズ、スイッチングロス（切替損失）による素子発熱の発生をなくするものである。
また、一般に、個々のリレーを独立制御する場合、リレーコイルへの印加電圧に対して過励磁電圧・保持電圧を作成する必要があり、電圧調整機能を有したスイッチング回路が夫々リレーで必要となっていた。また、同一特性又は同じような特性を持つ複数のリレーを使用する場合、過励磁電圧と保持電圧が同じ設定値で使用可能な場合があった。
そこで、この実施例では、構成が複雑で且つ部品点数・実装面積が多い可変電圧レギュレータ回路６を共通化し、比較的構成が容易な回路を分けることで、複数の第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄを一つの可変電圧レギュレータ回路６で効率的に駆動できるリレー駆動回路２を構成した。
このリレー駆動回路２では、第１リレーコイル７Ａ〜第４リレーコイル７Ｄと電源＋Ｂの間に可変電圧レギュレータ６を新たに追加し、複数の第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄのコイル電流の抑制方法を変更した。これは、従来のリレー駆動回路のＰＷＭ制御ではなく、可変電圧レギュレータ６を用いて第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄの第１リレーコイル７Ａ〜第４リレーコイル７Ｄに印加する電圧を変更することで、過励磁電圧（過励磁電流）と保持電圧（保持電流）を切り替え可能な構成とした。この電圧の切り替えは、リレー制御回路３からの駆動信号５よりＨｉｇｈ電圧信号又はＬｏｗ電圧信号で出力されるため、従来のＰＷＭ信号のようなパルス出力機能が不要となる。
第１ローサイドスイッチ５Ａ〜第４ローサイドスイッチ５Ｄは、個々の第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄを独立してオン・オフさせるため、制御信号１〜４を受けてオン又はオフのみの信号を第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄに出力する。第１ローサイドスイッチ５Ａ〜第４ローサイドスイッチ５Ｄがオンの場合、第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄがオンとなる。
よって、従来のＰＷＭ駆動のような高速スイッチングは行わないため、従来の転流用ダイオードを不要とし、リレー駆動回路２の構成を簡素化できる。また、高速スイッチングを行わないため、スイッチングロスの発生をなくする。

つまり、この実施例では、可変電圧レギュレータ６によるリレーコイル７への印加電圧の変更機能を有し（過励磁電圧・保持電圧を出力可能な構成）、また、リレー４の駆動信号と可変電圧レギュレータ６の制御信号とを分けて制御可能なシステムとすることにより、可聴周波数のスイッチングによるリレーからの異音をなくし、また、ＰＷＭ制御信号により発生する高周波ノイズをなくし、更に、スイッチングロスによる素子の発熱をなくする。また、過励磁電圧と保持電圧が全ての第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄで同じ設定値を使用可能なリレー４であることから、一つの可変電圧レギュレータ６で、複数の第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄを効率的に駆動する。

次に、この実施例に係るリレー駆動制御を、図２のタイムチャートに基づいて具体的に説明する。この図２においては、例えば、第１リレー４Ａ〜第３リレー４Ｃの駆動制御を例示する。なお、この図２中では、「第１リレー４Ａ〜第３リレー４Ｃ」を「リレー１〜リレー３」と記するとともに、「第１ローサイドスイッチ５Ａ〜第３ローサイドスイッチ５Ｃ」を「ローサイドスイッチ１〜ローサイドスイッチ３」と記する。
図２に示すように、可変電圧レギュレータ６がＬｏｗ電圧を第１〜第３リレー４Ａ〜４Ｃ（リレー１〜リレー３）に出力している場合には、第１リレー４Ａ〜第３リレー４Ｃへのコイル電流が零（０）である。
そして、可変電圧レギュレータ６の出力電圧値がＬｏｗ電圧からＨｉｇｈ電圧に変更し（時間ｔ１）、その後、第１ローサイドスイッチ５Ａがオンになると（駆動信号１）（時間ｔ２）、第１リレー４Ａのコイル電流が零（０）の状態から高くなり始め、このコイル電流が保持電流Ｒよりも高い所定値Ｓ１になった時に第１リレー４Ａがオフ状態からオンとなる（時間ｔ３）、そして、このコイル電流が所定値Ｓ１よりも高い最大値Ｓ２に保持される。
その後、第２ローサイドスイッチ５Ｂがオンになると（駆動信号２）（時間ｔ４）、第２リレー４Ｂのコイル電流が零（０）の状態から高くなり始め、このコイル電流が保持電流Ｒよりも高い所定値Ｓ１になった時に第２リレー４Ｂがオフ状態からオンとなり（時間ｔ５）、そして、このコイル電流が所定値Ｓ１よりも高い最大値Ｓ２に保持される。
そして、可変電圧レギュレータ６の出力電圧値がＨｉｇｈ電圧からＬｏｗ電圧に変更すると（時間ｔ６）、第１リレー４Ａ及び第２リレー４Ｂで夫々のコイル電流が下降し始め、そして、この夫々のコイル電流が保持電流Ｒよりも少し高い保持値Ｌの状態に保持される（時間ｔ７）。
その後、再び、可変電圧レギュレータ６の出力電圧値がＬｏｗ電圧からＨｉｇｈ電圧に変更すると（時間ｔ８）、第１リレー４Ａ及び第２リレー４Ｂで夫々のコイル電流が、保持値Ｌの状態から高くなり始まり、最大値Ｓ２に保持される。
そして、第３ローサイドスイッチ５Ｃがオンになると（駆動信号３）（時間ｔ９）、第３リレー４Ｃのコイル電流が零（０）の状態から高くなり始め、このコイル電流が保持電流Ｒよりも高い所定値Ｓ１になった時に第３リレー４Ｃがオフ状態からオンとなり（時間ｔ１０）、そして、このコイル電流が所定値Ｓ１よりも高い最大値Ｓ２に保持される。
さらに、可変電圧レギュレータ６の出力電圧値がＨｉｇｈ電圧からＬｏｗ電圧に変更すると（時間ｔ１１）、第１リレー４Ａ〜第３リレー４Ｃで夫々のコイル電流が下降し始め、そして、このコイル電流が保持電流Ｒよりも少し高い保持値Ｌ程度に保持される（時間ｔ１２）。
その後、第１ローサイドスイッチ５Ａがオンからオフになると（時間ｔ１３）、第１リレー４Ａのコイル電流が保持値Ｌから下降し始め、このコイル電流が保持電流Ｒになると（時間ｔ１４）、第１リレー４Ａがオフになり、その後、この第１リレー４Ａのコイル電流が零（０）となる（時間ｔ１５）。

上記の説明のように、リレー駆動回路２においては、可変電圧レギュレータ６にて、過励磁電圧及び保持電圧の切り替えを行い、そして、第１ローサイドスイッチ５Ａ〜第４ローサイドスイッチ５Ｄにて、第１リレー４Ａ〜第４リレー４Ｄのオン・オフを行い、さらに、第１ローサイドスイッチ５Ａ〜第４ローサイドスイッチ５Ｄがオフからオンになる場合は、過励磁電圧を出力し、この過励磁電圧を一定時間出力した後、保持電圧の出力に移行する。なお、第１ローサイドスイッチ５Ａ〜第４ローサイドスイッチ５Ｄがオンからオフになる場合には、過励磁電圧を必要としない。
この結果、従来のＰＷＭ制御においては、リレー駆動時のコイル電流による自己発熱を抑制するために、リレーコイルに印加する電圧をスイッチングしていたが、このため、可聴周波数でスイッチングする場合に、リレーから異音が発生していた。
これに対し、この実施例においては、そのスイッチングをしないことから、コイル電流による自己発熱を抑制しつつ、異音を発生しないようにすることができる。
また、従来のＰＷＭ制御においては、リレー駆動時のコイル電流による自己発熱を抑制するために、リレーコイルに印加する電圧をスイッチングしていたが、可聴周波数より低周波でスイッチングする場合に、平均電流を高く設定する必要があるので、自己発熱の抑制効果は小さかった。
これに対し、この実施例においては、そのスイッチングをしないことから、コイル電流による自己発熱を十分抑制することができる。
更に、従来のＰＷＭ制御においては、リレー駆動時のコイル電流による自己発熱を抑制するために、リレーコイルに印加する電圧をスイッチングしていたが、可聴周波数より高周波でスイッチングする場合、スイッチングロスによる駆動素子の発熱と高周波ノイズが発生していた。
これに対し、この実施例においては、そのスイッチングをしないことから、コイル電流による自己発熱を抑制しつつ、駆動素子の発熱と高周波ノイズを発生しないようにすることができる。
更にまた、この実施例においては、従来のＰＷＭ制御のような高速スイッチングを行わないため、従来の転流用ダイオードが不要となり、リレー駆動回路２の構成を簡素化できる。

この発明のリレー駆動回路は、リレーの駆動に限らず、ソレノイドの駆動全般にも適応可能である。

１リレー駆動制御装置
２リレー駆動回路
３リレー制御回路
４リレー
５ローサイドスイッチ
６可変電圧レギュレータ
７リレーコイル
８接点

Claims

リレーに流れる電流量に応じてこのリレーをオン・オフさせるリレー駆動回路において、前記リレーは、オフ状態からオンさせる時にリレーコイルに流れるコイル電流が、オンした後オン状態を保持し続けるために前記リレーコイルに流れるコイル電流よりも大きい電流特性を備え、電源と前記リレーコイルとの間に出力電圧を任意の値に変更可能な可変電圧レギュレータを設け、この可変電圧レギュレータの出力電圧値が、前記リレーをオフ状態からオンさせる時と、前記リレーがオンした後オン状態を保持し続ける時とで、異なることを特徴とするリレー駆動回路。