JP2012507964A - 負荷電圧を供給するためのドライバ回路 - Google Patents

Abstract

負荷（１０４）に給電を行うための負荷電圧を供給するドライバ回路（１００）であって、前記負荷（１０４）はとりわけ車両の負荷であり、当該ドライバ回路（１００）は、給電電圧を供給するための給電電圧源（Ｕ_Ｂ）と、電気エネルギーを一時蓄積するために一時蓄積ユニット（１０１）とを有し、前記一時蓄積ユニット（１０１）は、前記電気エネルギーを供給するための給電電圧源に接続されており、当該ドライバ回路（１００）はさらに、前記給電電圧が電圧降下した場合に前記負荷（１０４）に前記負荷電圧が供給されるように、前記一時蓄積ユニット（１０１）によって必要に応じて前記電気エネルギーが供給されるドライバユニット（１０５）を有することを特徴とする、ドライバ回路（１００）。

Description

本発明は、負荷の給電を行うための負荷電圧を供給するためのドライバ回路に関する。前記負荷は、とりわけ車両の負荷である。

さらに、本発明は車両に関する。

本発明はまた、負荷の給電を行うための負荷電圧を供給するための方法にも関する。前記負荷は、とりわけ車両の負荷である。

また、本発明はプログラム要素にも関する。

本発明はまた、コンピュータ読出し可能な記憶媒体にも関する。

最新の自動車は、ハードウェアとソフトウェアとから成る複雑なシステムとなっており、メカトロニクスシステムである自動車を制御するためには、多数の非常に異なる制御装置が使用される。これらすべての制御装置が、様々なバスシステムないしは通信装置をベースとして高度にネットワーク化されたシステムを構成し、このようなシステムにおけるハードウェアおよびソフトウェアの異種混合性は高度に複雑化している。自動車のエネルギー供給部は特に、快適性の高い装備の場合には不安定な構成要素となり、たとえば車両では、たとえばリレー、他の制御装置または動力源等の種々の負荷を作動させ、作動状態に維持するためには、これらの種々の負荷にエネルギーないしは電圧を供給しなければならない。リレーを作動させるためにはある程度の電圧が必要であり、作動状態に維持するために必要とされる電圧は低くなる。リレーに電圧を供給するためには、たとえばドライバ回路を使用する。従来の半導体ドライバ回路は高い電圧を供給できるが、このドライバ回路の給電電圧が降下するとドライバ回路は遮断してしまう。というのも、半導体ドライバ回路は通常、高い電圧でしか動作できないからである。

本発明の基礎となる課題は、負荷給電用の電圧供給部、とりわけ車両の負荷に給電するための電圧供給部を提供することである。

前記課題は、独立請求項に記載された構成によって解決される。従属請求項に本発明の有利な実施形態が記載されている。

本発明の第１の対象である、負荷の給電を行うための負荷電圧を供給するためのドライバ回路は、給電電圧を供給するための給電電圧源と、電気エネルギーを一時蓄積するための一時蓄積ユニットとを有し、前記一時蓄積ユニットは、電気エネルギーを供給するための給電電圧源に結合されており、当該ドライバ回路はさらに、前記給電電圧が降下した場合に前記負荷に前記負荷電圧を供給するために前記一時蓄積ユニットによって必要に応じて電気エネルギーが供給されるドライバユニットを有する。前記負荷は、とりわけ車両の負荷である。

本発明の別の対象である車両は、当該車両の負荷の給電を行うために負荷電圧を供給する、上記構成を有するドライバ回路を備えている。

本発明の別の実施例として、負荷の給電を行うために負荷電圧を供給するための方法を開示する。前記負荷はとりわけ車両の負荷であり、給電電圧源によって給電電圧を供給し、電気エネルギーを供給するための給電電圧源に結合された一時蓄積ユニットに電気エネルギーを一時蓄積し、前記給電電圧が降下した場合に前記負荷に前記負荷電圧が供給されるように、該一時蓄積ユニットの電気エネルギーをドライバユニットに供給する。

本発明の一実施例によるコンピュータ読出し可能な記憶媒体には、負荷の給電を行うための負荷電圧を供給するためのプログラムが記憶されており、該プログラムは、プロセッサによって実行されたときに上記の方法のステップを制御するプログラムを含むかないしは実行する。前記負荷はとりわけ車両の負荷である。

本発明の一実施例による、負荷に給電するための負荷電圧を供給するためのプログラム要素（コンピュータプログラム要素）は、プロセッサによって実行されたときに上記方法のステップを実施する（ないしは制御または実行する）。前記負荷はとりわけ車両の負荷である。

本発明の実施例は、コンピュータプログラムすなわちソフトウェアで実装することができ、また、１つまたは複数の専用の電気回路すなわちハードウェアで実装することもでき、さらには任意の混成形態で、すなわちソフトウェアコンポーネントとハードウェアコンポーネントとで実装することもできる。

本発明の一実施例は、負荷に負荷電圧を供給する、車両システム用（たとえば自動車用）のドライバ回路を対象とする。当該ドライバ回路は、種々の電気機器に使用することができ、このドライバ回路は、車両に設けられた複数の異なる負荷に供給される電気エネルギーを供給するための内蔵型の給電電圧源を有するか、または、このように電気エネルギーを供給するための外部電圧源に結合可能に構成されている。前記電圧源は、たとえば電池とすることができる。本願では電気エネルギーとは、電気エネルギーおよび電気化学エネルギーの双方を指し、負荷は、リレー、別の制御装置または動力源とすることができる。一時蓄積ユニットは給電電圧源に接続される。この給電電圧源は、ドライバ回路の給電電圧源とするか、または外部の給電電圧源とすることができ、たとえばデカップリングされた電池とすることができる。給電電圧源が正常動作または通常動作を行っている間に、一時蓄積ユニットは充電される。この一時蓄積ユニットは、たとえばキャパシタまたは電池とすることができる。この充電過程により、一時蓄積ユニットは電気エネルギーまたは電気化学エネルギーを供給する。ドライバユニットと一時ユニットとを接続することができ、給電電圧の降下時または給電電圧源のフェール時には、負荷に負荷電圧を供給できるようにするため、前記一時蓄積ユニットから前記ドライバユニットに電気エネルギーを供給することができる。その際には、降下した給電電圧を負荷電圧として負荷に供給することができる。このことにより、給電電圧が降下しても負荷に少なくとも低い電圧が供給されることを保証することができる。たとえばリレーを作動状態に維持するためには、１．５Ｖまたは２Ｖの電圧で十分である。

以下では、ドライバ回路の有利な実施形態を説明する。これらの実施形態は、本発明の方法、車両、プログラム要素およびコンピュータ読出し可能な記憶媒体にも当てはまる。

給電電圧源のフェール時の負荷電圧は、該給電電圧源の正常動作時の給電電圧より低くなることがあり、給電電圧が降下すると、負荷電圧はこの給電電圧の降下に追従する。しかし、給電電圧源のフェール時にドライバユニットを使用することにより、負荷電圧を瞬時の給電電圧より高くし、かつ該給電電圧源の正常動作時の給電電圧より低くすることができる。このことにより、たとえばリレー等の負荷に全く電圧が供給されなくなる事態を防止することができる。当該ドライバユニットは、負荷に瞬時の給電電圧を供給するために使用することができる。

負荷電圧は、負荷に依存する所定の閾値以上とすることができる。この閾値は、特定の負荷に必要な電圧に基づいて決定することができ、この閾値に対応して、一時蓄積ユニットおよびドライバユニットを構成することができる。

ドライバユニットは、低電圧側のドライバユニットとすることができ、低電圧用に当該ドライバユニットを使用することができる。通常のドライバユニットは、低電圧の場合には遮断されていた。前記ドライバユニットは、接地をスイッチングするスイッチング素子とすることができる。このスイッチング素子は、プラススイッチング素子として使用することができる。

一時蓄積ユニットとドライバユニットとの間に結合されるイネーブルユニットを設けることができる。このイネーブルユニットは、ドライバユニットに電圧供給するための電圧供給部をイネーブルすることができる。すなわち、一時蓄積ユニットとドライバユニットとの間の接続を閉成することができる。このようなイネーブルユニットにより、ドライバユニットの制御を行うことができる。

当該ドライバ回路はさらに、高電圧側のドライバユニットを有することができ、この高電圧側のドライバユニットに電気エネルギーが供給され、該高電圧側のドライバユニットが負荷に負荷電圧を供給するように構成することができる。このような構成により、高い電圧の場合には高電圧側のドライバユニットが負荷電圧を供給し、電圧が低くなり該高電圧側のドライバユニットが遮断された場合、または、低電圧に起因して該高電圧側のドライバユニットがフェール状態になった場合には、低電圧側のドライバユニットが負荷電圧を供給することができる。前記高電圧側のドライバユニットは、プラススイッチング素子とすることができる。「供給する」とは本願では、ドライバユニットによって負荷と給電電圧との間の接続が閉成されること、ないしは、これに相応する接続を行えるようにするためにドライバユニットがスイッチングすることを意味することができる。

さらに、高電圧側のドライバユニットとイネーブルユニットとを制御するために該高電圧側のドライバユニットおよび該イネーブルユニットに結合されたマイクロコントローラを設けることができる。この構成により、ドライバユニットを最適かつ効率的に制御し、負荷電圧の供給を最適かつ効率的に制御することができる。

有利には、ドライバユニットはスイッチを有する。この構成は、ドライバユニットを実現できる簡単かつ低コストの構成である。前記スイッチはとりわけ、たとえばＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタやドライバ集積モジュールとすることができる。

以下で、車両の付加的な構成を説明する。これらの実施形態は、本発明のドライバ回路、方法、プログラム要素およびコンピュータ読出し可能な記憶媒体にも当てはまる。

車両はたとえば自動車（とりわけ乗用自動車または貨物自動車）とすることができるが、本発明のドライバ回路を列車、航空機（たとえば飛行機、ヘリコプターまたは飛行船）、または船舶に実装することもできる。

本発明の実施形態の説明は、本発明の種々の対象に関連していることに留意されたい。とりわけ本発明の実施形態のうち、装置クレームで説明される実施形態や、方法クレームで説明される実施形態もあるが、当業者であれば、本願の開示内容から、特記しない限りは、ある１つの種類の対象に属する特徴を組み合わせることや、複数の異なる種類の対象に属する特徴を任意に組み合わせることが可能であることは明らかである。

有利な実施例についての以下の説明から、本発明の別の利点および構成を理解することができる。本願の図面は単なる概略図であり、大きさは実際の比率通りでないことに留意すべきである。

本発明の一実施例の車両用のドライバ回路を示す概略図である。 図１のドライバ回路の一実施例を示す。 本発明のドライバ回路を使用しない場合に生じうる負荷の電圧特性を示す。 本発明のドライバ回路を使用した場合にシステムに生じうる電圧特性を示す。

図面は概略図であり、実際のサイズ比率通りではない。異なる図において同一または同様の構成要素には、同一の参照番号を付している。

ドライバ回路において発生した電圧降下を補償するための手段として、たとえばチャージポンプ給電部やＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータによる離散的な手段等、種々の手段が存在する。さらに、バイポーラトランジスタ等の離散的な手段も使用できるが、バイポーラトランジスタは、５００ｍＡを上回る領域の出力電流で動作させてはならない。さらに、バイポーラトランジスタ等の手段は、車両製造者の仕様を常に満たすとは限らない。したがって、負荷に給電するのに十分な給電電圧を供給できるドライバ回路を設けるのが望ましい。

図１に、本発明のドライバ回路１００の実施例を示す。このドライバ回路は、車両の負荷に電圧を供給するための電圧供給部となる。この実施例では、ドライバ回路は給電電圧源Ｕ_Ｂを有し、たとえば電池を有する。一時蓄積ユニット１０１が給電電圧源Ｕ_Ｂに結合されている。通常電圧動作中に一時蓄積ユニット１０１は充電される。通常動作中にはさらに、高電圧側のドライバユニット１０２が動作する。この高電圧側のドライバユニット１０２は前記給電電圧源Ｕ_Ｂに接続されている。前記高電圧側ドライバユニット１０２は、該高電圧側ドライバユニット１０２に接続されたマイクロコントローラ１０３によって制御される。前記マイクロコントローラ１０３は、負荷１０４に給電電圧が供給されるように前記高電圧側ドライバユニット１０２を制御する。前記負荷１０４は前記高電圧側ドライバユニット１０２に接続されている。前記高電圧側ドライバユニット１０２はトランジスタを有することができ、たとえばＭＯＳＦＥＴを有することができる。その際には、ゲート端子はマイクロコントローラに接続され、ドレイン端子は給電電圧源Ｕ_Ｂに接続され、ソース端子は負荷１０４に接続される。さらに、ドライバ回路１００は低電圧側ドライバユニット１０５も有し、前記低電圧側ドライバユニット１０５はイネーブルユニット１０６を介して前記一時蓄積ユニット１０１に接続され、かつ、給電電圧源Ｕ_Ｂおよび負荷１０４にも接続されている。前記低電圧側ドライバユニット１０５もトランジスタを有することができ、たとえばＭＯＳＦＥＴを有することができる。その際には、ドレイン端子は前記給電電圧源Ｕ_Ｂに接続され、ゲート端子はイネーブルユニット１０６に接続され、ソース端子は負荷１０４に接続される。前記イネーブルユニット１０６は、さらにマイクロコントローラにも接続されている。通常電圧動作時には、出力側ないしは負荷１０４に給電電圧を供給するために前記高電圧側ドライバユニット１０２が使用される。それと同時に、前記一時蓄積ユニット１０１の充電が行われる。給電電圧が降下した場合、ないしは給電電圧源Ｕ_Ｂのフェール時には、電圧が過度に低くなることにより高電圧側ドライバユニット１０２が遮断される。イネーブルユニット１０６は、一時蓄積ユニット１０１と低電圧側ドライバユニット１０５との間の接続部を導通させるように、マイクロコントローラ１０３によってスイッチングされる。このようにして、一時蓄積ユニット１０１から前記低電圧側ドライバユニット１０５の入力側に、給電電圧の電圧レベルより高い電圧レベルのエネルギーが供給される。ゲート端子とソース端子との間の電圧が十分に高くなることにより、低電圧側ドライバユニット１０５が作動する。当該システムの仮想接地電位は、負荷に対する出力側である。前記給電電圧が通常のレベルに戻った場合、たとえば１２Ｖに戻った場合、高電圧側ドライバユニット１０２が再び投入され、前記仮想接地電圧レベルは給電電圧レベルに近くなり、低電圧側ドライバユニット１０５は遮断される。このようなシステム構成により、負荷に生じる電圧は給電電圧とともに降下するが所定のレベルを下回ることがなくなる。というのも、給電電圧が降下した場合には低電圧側ドライバユニット１０５が投入されることにより、負荷に電圧が供給されるからである。この電圧は、たとえば２Ｖまで降下することができる。前記負荷はたとえば、低電圧でも作動状態にとどまることができるリレーとすることができる。最新の車両構成では、給電電圧が非常に低い場合でも、半導体ドライバ出力が短時間にわたって、たとえば始動時に得られることが望まれる。それと同時に、ドライバ性能は高い出力電流まで上昇しており、たとえば５００Ａを上回る。従来の集積半導体ドライバは、出力側をより高い電圧で動作させることしかできなかった。しかし、たとえばイグニッション（第１５端子）またはスタータ（第５０端子）等の出力端を動作させるためには、半導体ドライバ回路を持続的に動作させなければならない。

図２に、本発明のドライバ回路１００の別の実施例を示す。このドライバ回路から、一時蓄積ユニット１０１がたとえばキャパシタ１１１を有することが可能であることが分かる。このキャパシタ１１１は、通常動作中に充電される。この場合、一時蓄積ユニットはさらに、複数の異なる抵抗およびダイオードを有する。給電電圧が降下した場合、マイクロコントローラ１０３はイネーブルユニット１０６のたとえばトランジスタ等であるスイッチ１２０を制御して、該イネーブルユニット１０６のたとえばＭＯＳＦＥＴ等である別のスイッチ１２１を導通させ、一時蓄積ユニット１０１から低電圧側ドライバユニット１０５に電圧が供給されるようにする。さらに前記一時蓄積ユニット１０１は、電気化学エネルギーを供給する電池とすることができる。このような構成により、低電圧側ドライバユニット１０５は最低限の電圧を負荷１０４へ供給する。図２に示されているように、高電圧側ドライバユニット１０２はトランジスタの代わりにスイッチ１２５を有することもできる。

図３に、生じうる給電電圧の電圧特性を示す。ここでは、給電電圧Ｕ_Ｂは値Ｕ_Ｓまで降下し、比較的長い時間にわたってこの値に留まる。本発明のドライバ回路を使用しない場合、このような電圧降下が発生すると、従来のドライバ回路は遮断され、外部の負荷に給電されなくなる。

図４に、本発明のドライバ回路を使用した場合の電圧特性を示す。給電電圧Ｕ_Ｂと、負荷に供給される出力電圧Ｕ_ｏｕｔは１２Ｖであり、これは一時蓄積ユニットの電圧Ｕ_Ｚと等しい。時点ｔ_１において給電電圧Ｕ_Ｂは４Ｖ未満に降下し、出力電圧Ｕ_ｏｕｔも追従する。時点ｔ_２において給電電圧Ｕ_Ｂは上昇して１２Ｖに戻り、出力電圧Ｕ_ｏｕｔもこれに追従して１２Ｖまで戻る。給電電圧Ｕ_Ｂによる一時蓄積ユニットの充電は行われなくなるので、一時蓄積ユニットの電圧Ｕ_Ｚは時点ｔ_１において降下するが、時点ｔ_２において一時蓄積ユニットの電圧Ｕ_Ｚの降下が生じると、この電圧Ｕ_Ｚの降下は８Ｖまでに留まる。このことにより、低電圧側ドライバユニットに電圧が供給されるのが保証される。低電圧側ドライバユニットは、時点ｔ_０において既にマイクロコントローラによって投入されたイネーブルユニット１０６によって投入される。時点ｔ_０は時間的に、時点ｔ_１における給電電圧Ｕ_Ｂの降下前でもよいし、時点ｔ_１と同時点でもよい。イネーブルユニットが低電圧側ドライバユニットを給電電圧の電圧降下前に既に作動させた場合、負荷の入力側における電圧を適時に取り出せるようになる。このことを必要とする負荷は相当数存在する一方で、他方では、低電圧側ドライバユニットを時点ｔ_１において初めて作動させるだけで十分である負荷も存在する。時点ｔ_１とｔ_２との間の時間中に作動させることも可能である。

本願で開示した実施形態は、本発明の実施可能な実施形態から選択された一部にすぎず、個々の実施形態の特徴を適切に組み合わせることは可能であることに留意されたい。したがって当業者であれば、本願で明示された実施形態から、多数の種々の実施形態も開示内容から自明であると見なすことができる。

Claims (14)

1. 負荷（１０４）に給電を行うための負荷電圧を供給するドライバ回路（１００）であって、
   前記負荷（１０４）はとりわけ車両の負荷であり、
   当該ドライバ回路（１００）は、
   ・給電電圧を供給するための給電電圧源（Ｕ_Ｂ）と、
   ・電気エネルギーを一時蓄積するための一時蓄積ユニット（１０１）と
   を有し、
   前記一時蓄積ユニット（１０１）は、前記電気エネルギーを供給するための給電電圧源に接続されており、
   当該ドライバ回路（１００）はさらに、
   ・前記給電電圧が電圧降下した場合に前記負荷（１０４）に前記負荷電圧が供給されるように、前記一時蓄積ユニット（１０１）によって必要に応じて前記電気エネルギーが供給されるドライバユニット（１０５）
   を有することを特徴とする、ドライバ回路（１００）。
2. 前記給電電圧源（Ｕ_Ｂ）のフェール時には、前記負荷電圧は、該給電電圧源（Ｕ_Ｂ）の正常動作時の給電電圧より小さい、請求項１記載のドライバ回路（１００）。
3. 前記負荷電圧は、前記負荷に依存して決定された閾値以上である、請求項１または２記載のドライバ回路（１００）。
4. 前記ドライバユニット（１０５）は低電圧側のドライバユニットである、請求項１から３までのいずれか１項記載のドライバ回路（１００）。
5. 前記一時蓄積ユニット（１０１）と前記ドライバユニット（１０５）との間にイネーブルユニット（１０６）が結合されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のドライバ回路（１００）。
6. 当該ドライバ回路（１００）は高電圧側のドライバユニット（１０２）を有し、該高電圧側のドライバユニット（１０２）に前記給電電圧が供給され、該高電圧側ドライバユニット（１０２）は前記負荷（１０４）に前記負荷電圧を供給する、請求項１から５までのいずれか１項記載のドライバ回路（１００）。
7. 前記高電圧側のドライバユニット（１０２）と前記イネーブルユニット（１０６）とを制御するために、該高電圧側のドライバユニット（１０２）と該イネーブルユニット（１０６）との間にマイクロコントローラ（１０３）が結合されている、請求項６記載のドライバ回路（１００）。
8. 前記ドライバユニット（１０２，１０５）はスイッチを有する、請求項１から７までのいずれか１項記載のドライバ回路（１００）。
9. 前記スイッチはトランジスタ、とりわけＭＯＳＦＥＴであるか、またはドライバ集積モジュールである、請求項６記載のドライバ回路（１００）。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載のドライバ回路（１００）を備えた車両であって、
    前記ドライバ回路（１００）は、当該車両の負荷（１０４）に給電を行うための負荷電圧を供給するのに使用される、車両。
11. 当該車両は、自動車、乗用自動車、貨物自動車、バス、列車、航空機および船舶から成る群のうち１つである、請求項１０記載の車両。
12. 負荷に給電を行うための負荷電圧を供給する方法であって、
    前記負荷はとりわけ車両の負荷であり、
    当該方法は、
    ・給電電圧源（Ｕ_Ｂ）によって給電電圧を供給するステップと、
    ・電気エネルギーを供給するための給電電圧源に結合された一時蓄積ユニット（１０１）に該電気エネルギーを一時蓄積するステップと、
    ・前記給電電圧が電圧降下した場合に前記負荷（１０４）に前記負荷電圧を供給するためにドライバユニット（１０５）に前記電気エネルギーを供給するステップと
    を有することを特徴とする方法。
13. 負荷に給電を行うための負荷電圧を供給するためのプログラムが記憶された、コンピュータ読出し可能な記憶媒体であって、
    前記負荷はとりわけ車両の負荷であり、
    前記プログラムは、プロセッサによって実行される場合に請求項１２記載の方法を実行または制御するように構成されている、コンピュータ読出し可能な記憶媒体。
14. 負荷に給電を行うための負荷電圧を供給するためのプログラム要素あって、
    前記負荷はとりわけ車両の負荷であり、
    当該プログラム要素は、プロセッサによって実行される場合に請求項１２記載の方法を実行または制御するように構成されている、プログラム要素。

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