JP2013236297A - 半導体スイッチの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半オン故障が発生した際に、確実にこれを検出して負荷回路の発熱を抑制することが可能な半導体スイッチの制御装置を提供する。
【解決手段】負荷と電源を接続する回路に２個のＭＯＳＦＥＴ（２１ａ），（２１ｂ）を互いに並列に接続して設置する。また、各ＭＯＳＦＥＴに半オン故障が発生しているか否かを検出する半オン故障検知回路１４を設け、該半オン故障検知回路１４にて、いずれかのＭＯＳＦＥＴにて半オン故障が発生していることが検知された場合には、全てのＭＯＳＦＥＴをオンとする。これにより、半オン故障しているＭＯＳＦＥＴの発熱を防止でき、素子が焼損するという問題を回避することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、負荷と電源との間に設けられる半導体スイッチが半オン状態となった場合に、これを検出して半導体スイッチの発熱を防止する半導体スイッチの制御装置に関する。

例えば、車両に搭載される負荷駆動回路は、ランプやモータ、ヒータ等の負荷と電源との間にＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチが設けられ、該半導体スイッチのオン、オフを切り替えることにより、負荷の駆動、停止を制御している。このような負荷回路においては、半導体スイッチが半オン故障する場合がある。

半オン故障とは、半導体スイッチをオフとしているにも拘わらず半導体スイッチに若干の電流が流れて、負荷に電流が供給されてしまう故障であり、小電流回路ではそれほど問題とはならないが、ヒータ駆動回路等の大電流回路では、発熱量が大きくなり、回路自体を焼損し、更には周囲部品をも焼損するという問題が発生する。

このような半オン故障に対処するために、特許文献１、特許文献２に開示されたものが知られている。特許文献１では、ＦＥＴの劣化を検知して半オン故障を検知する方法を採用しているので、ＦＥＴの劣化以外に起因した半オン故障に対応することができない。また、特許文献２では、２個のＦＥＴを直列に接続することにより、一方のＦＥＴが半オン故障した場合でも確実に回路を遮断する方法を採用している。しかし、この方法では、通電時の電力ロスが大きくなるという問題が発生する。

特開２００７−１７４７５６号公報 特開２０１０−１０８１２９号公報

上述したように、特許文献１に開示された従来例では半オン故障を確実に検出することができず、また、特許文献２に開示された従来例では電力ロスが大きくなるという問題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、半オン故障が発生した際に、確実にこれを検出して負荷回路の発熱を抑制することが可能な半導体スイッチの制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、半導体スイッチを用いて負荷の駆動、停止を制御する負荷回路の、前記半導体スイッチを制御する制御装置において、負荷と電源を接続する回路に設けられ、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ２１ａ，２１ｂ）と、前記複数の半導体スイッチのオン、オフを制御する駆動制御手段（例えば、制御回路１３）と、前記各半導体スイッチに半オン故障が発生しているか否かを検出する半オン故障検出手段（例えば、半オン故障検知回路１４）と、を有し、前記駆動制御手段は、前記半オン故障検出手段にて、前記各半導体スイッチのうちの少なくとも一つにて半オン故障が発生していると判断された際に、前記複数半導体スイッチを全てオンとすることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記半オン故障検出手段は、前記負荷と前記各半導体スイッチを接続する接続線の電圧を測定する電圧検出手段を有し、前記負荷をオフとしたときに前記電圧検出手段で所定値以上の電圧が検出された際に、半オン故障であると判断することを特徴とする。

本発明の半導体スイッチの制御装置では、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチのうち、一つの半導体スイッチにて半オン故障が発生した場合には、他の半導体スイッチをオンとして負荷に電流を流すことにより、半オン故障している半導体スイッチに電流が流れないようにする。従って、半オン故障発生時に半導体スイッチが発熱するという問題を解消することができる。

本発明の一実施形態に係る半導体スイッチの制御回路を含む負荷駆動回路の構成を示す回路図である。 一つの半導体スイッチ回路に半オン故障が発生した場合の電流の流れを示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る負荷回路の制御装置の処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体スイッチの制御回路を含む負荷駆動回路の構成を示すブロック図である。図１に示すように、この負荷駆動回路１００は、車両に搭載されるヒータ等の負荷ＲＬを駆動する回路であり、電源ＶＢと負荷ＲＬとの間に２つの半導体スイッチ回路、即ち、第１半導体スイッチ回路１１ａ、及び第２半導体スイッチ回路１１ｂが並列に設けられている。そして、各半導体スイッチ回路１１ａ，１１ｂのオン、オフを切り替えることにより、負荷ＲＬの駆動、停止を制御することができる。

半導体スイッチ回路１１ａは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）、及び駆動回路１２ａを備えており、ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）の制御電極（ゲート）は駆動回路１２ａに接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）の一方の主電極（ドレイン）は、端子Ｔ１を介して電源ＶＢに接続され、他方の主電極（ソース）は、端子Ｔ２を介して負荷ＲＬに接続されている。また、駆動回路１２ａは、端子Ｔ３を介して制御回路（駆動制御手段）１３に接続されている。

同様に、半導体スイッチ回路１１ｂは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴ（２１ｂ）、及び駆動回路１２ｂを備えており、ＭＯＳＦＥＴ（２１ｂ）の制御電極（ゲート）は駆動回路１２ｂに接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ（２１ｂ）の一方の主電極（ドレイン）は、端子Ｔ４を介して電源ＶＢに接続され、他方の主電極（ソース）は、端子Ｔ５を介して負荷ＲＬに接続されている。また、駆動回路１２ｂは、端子Ｔ６を介して制御回路１３に接続されている。

負荷ＲＬの一端（端子Ｔ２，Ｔ５との接続点）は、半オン故障検知回路１４に接続されている。該半オン故障検知回路１４は、端子Ｔ２，Ｔ５に生じる電圧を検出し、この検出結果に基づいて、ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）、或いはＭＯＳＦＥＴ（２１ｂ）に半オン故障が発生しているか否かを検出する。具体的には、ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）及び（２１ｂ）がオフとされている場合に、端子Ｔ２，Ｔ５に所定値以上の電圧（例えば、０Ｖを上回る電圧）が発生していることが検知された場合には、各ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）、（２１ｂ）のうちのいずれかが半オン故障しているものと判断し、故障検知信号を制御回路１３に出力する。
制御回路１３は、４つの端子Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３，Ｔ１４を備えており、端子Ｔ１１は操作スイッチＳＷ１に接続され、端子Ｔ１２は、警報器１５に接続されている。また、端子Ｔ１３は、第１半導体スイッチ回路１１ａ、及び第２半導体スイッチ回路１１ｂの端子Ｔ３，Ｔ６にそれぞれ接続され、端子Ｔ１４は、半オン故障検知回路１４に接続されている。

次に、上述のように構成された本実施形態に係る負荷回路の制御装置の作用を、図３に示すフローチャートを参照して説明する。

負荷ＲＬを駆動する場合には、操作者によりスイッチＳＷ１がオンとされる。これにより、制御回路１３は、端子Ｔ１３より駆動指令信号を出力し、この駆動指令信号は各半導体スイッチ回路１１ａ，１１ｂの駆動回路１２ａ，１２ｂに入力される。

そして、駆動回路１２ａ，１２ｂはそれぞれＭＯＳＦＥＴ（２１ａ），（２１ｂ）に駆動信号を出力するので、各ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ），（２１ｂ）はオンとなり、負荷ＲＬに電流が流れて該負荷ＲＬが駆動する。また、スイッチＳＷ１がオフとされると、各ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ），（２１ｂ）はオフとなり、負荷回路の電流が遮断されて負荷ＲＬは停止する。

そして、図３に示すステップＳ１１において、制御回路１３は、各駆動回路１２ａ，１２ｂに出力する制御信号がオフであるか否かを判断する。

制御信号がオフである場合には（ステップＳ１１でＹＥＳ）、ステップＳ１２において、ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ），（２１ｂ）の出力信号がＨレベルであるか否かを判断する。例えば、ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）に半オン故障が発生した場合には、駆動回路１２ａより出力される駆動信号が停止した場合（制御信号がオフの場合）であっても、ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）は高い抵抗値でオン状態となり、ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）の出力信号がＨレベルとなる。ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ），（２１ｂ）の出力信号のうちの少なくとも一方がＨレベルである場合には（ステップＳ１２でＮＯ）、ステップＳ１３に処理を進め、双方がＨレベルでなければ（ステップＳＴ１２でＹＥＳ）、ステップＳ１５に処理を進める。

次いで、ステップＳ１３において、制御回路１３は、内蔵されているカウンタを用いて、ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）の出力がＨレベルとなっている継続時間をカウントする。

ステップＳ１４において、制御回路１３は、継続時間が予め設定した閾値時間を上回ったか否かを判断する。そして、閾値時間を上回らない場合には（ステップＳ１４でＮＯ）、ステップＳ１７に処理を進め、半オン故障無しと判断する。一方、閾値時間を上回った場合には（ステップＳ１４でＹＥＳ）、ステップＳ１６において、いずれかのＭＯＳＦＥＴ（２１ａ），（２１ｂ）にて半オン故障が発生しているものと判断する。そして、半オン故障が発生しているものと判断された場合には、各ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ），（２１ｂ）を共にオン状態として、負荷ＲＬに流れる電流を分散させる。

一方、ステップＳ１１の処理で、制御信号がオフでない場合には（ステップＳ１１でＮＯ）、ステップＳ１５にて継続時間をリセットし、更に、ステップＳ１７において、半オン故障は無いものと判断して、本処理を終了する。

次に、上記の動作を図２を参照して説明する。例えば、ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）に半オン故障が発生した場合には、駆動回路１２ａより出力される駆動信号が停止した場合であっても、ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）は高い抵抗値でオン状態となるので、図２（ａ）の矢印Ｙ１に示すように、ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）を通じて電流が流れ、更に、抵抗値が高いのでＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）がジュール熱により温度上昇する。

この際、端子Ｔ２には、グランドレベルよりも高い電圧（０Ｖを上回る電圧）が発生することになり、半オン故障検知回路１４は、この電圧を検出することにより半オン故障が発生していることを検知し、半オン故障の検知信号を制御回路１３に出力する。制御回路１３は、この検知信号が入力されると、端子Ｔ１２より警報信号を出力するので、警報器１５により、半オン故障が発生していることを示す警報信号（例えば、警報ランプ等）が出力されて、半オン故障が発生していることが操作者に報知される。

一方、制御回路１３は、半オン故障の検知信号が入力されることにより、各半導体スイッチ回路１１ａ，１１ｂに駆動指令信号を出力する。即ち、スイッチＳＷ１がオフとされている場合であっても、駆動指令信号を出力することにより、各ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ），（２１ｂ）を強制的にオンとする。

すると、半オン故障しているＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）は抵抗値が大きく、通常動作しているＭＯＳＦＥＴ（２１ｂ）の抵抗値はほぼゼロとなるので、図２（ｂ）に示すように、負荷電流はＭＯＳＦＥＴ（２１ｂ）を経由して流れることになり、半オン故障しているＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）にはほとんど電流は流れない。従って、該ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）が発熱することを抑制することができる。

以下、具体的なジュール熱について説明する。電源ＶＢの電圧を１２Ｖ、負荷ＲＬの抵抗を５００ｍΩ、ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ），（２１ｂ）の抵抗を正常時で２ｍΩ、半オン故障時で１００ｍΩとすると、ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）に半オン故障が発生しているときに、該ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）に流れる電流は２０Ａであり、ジュール熱は４０Ｗとなり、半田溶融等、第１半導体スイッチ回路１１ａの基板に大きなダメージを与えてしまう。

これに対して、第２半導体スイッチ回路１１ｂのＭＯＳＦＥＴ（２１ｂ）を強制的にオンとすると、ＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）に流れる電流は０Ａであり、ジュール熱は０．０２Ｗとなって、熱的な問題はほぼ無くなる。従って、本発明を適用してＭＯＳＦＥＴ（２１ａ），（２１ｂ）を制御することにより、半オン故障が発生した場合でもこの半導体スイッチ回路が熱的な損傷を受けることを防止できる。

この場合、スイッチＳＷ１がオフとされているにも拘わらず、負荷ＲＬが駆動されるので、車両に搭載されるバッテリの電力が消費され、やがてはバッテリが上がることになる。つまり、警報器１５より半オン故障の発生を示す警報が出力されている際に、仮に運転者がそのまま警報を放置した場合であっても（即時に対応しない場合であっても）、バッテリが上がることにより、発熱が抑制されるので半導体スイッチ回路が損傷することを防止することができる。

なお、上述した実施形態では、第１半導体スイッチ回路１１ａのＭＯＳＦＥＴ（２１ａ）が半オン故障した場合の動作について説明したが、第２半導体スイッチ回路１１ｂのＭＯＳＦＥＴ（２１ｂ）が半オン故障した場合においても同様に、ＭＯＳＦＥＴ（２１ａを強制的にオンとすることにより、発熱を防止することができる。

以上、本発明の半導体スイッチの制御装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

例えば、上述の実施形態では２個の半導体スイッチ回路１１ａ，１１ｂを並列に接続する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、３個以上の半導体スイッチ回路を設置し、このうちの一つが半オン故障した場合に、他の半導体スイッチ回路をオンとすることにより、本発明の効果を達成することができる。

また、上述の実施形態では、半オン故障検知回路１４にてグランドレベルを超える電圧が発生した場合に半オン故障が発生しているものと判定する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、検出の誤差やノイズの影響等を考慮し、０Ｖよりも若干高い電圧を閾値電圧として設定し、半導体スイッチ回路のオフ時に検出される電圧が上記の閾値電圧を上回った場合に半オン故障であるものと判断するようにしても良い。

更に、上述の実施形態では、半導体スイッチとしてＭＯＳＦＥＴを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、これ以外の半導体スイッチを用いる場合においても適用することができる。

本発明は、車両に搭載される半導体スイッチに半オン故障が発生した際に、該半導体スイッチが損傷することを防止することに利用することができる。

１１ａ 第１半導体スイッチ回路
１１ｂ 第２半導体スイッチ回路
１２ａ，１２ｂ 駆動回路
１３ 制御回路
１４ 半オン故障検知回路
１５ 警報器
２１ａ，２１ｂ ＭＯＳＦＥＴ
１００ 負荷駆動回路

Claims (2)

1. 半導体スイッチを用いて負荷の駆動、停止を制御する負荷回路の、前記半導体スイッチを制御する制御装置において、
   負荷と電源を接続する回路に設けられ、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチと、
   前記複数の半導体スイッチのオン、オフを制御する駆動制御手段と、
   前記各半導体スイッチに半オン故障が発生しているか否かを検出する半オン故障検出手段と、を有し、
   前記駆動制御手段は、前記半オン故障検出手段にて、前記各半導体スイッチのうちの少なくとも一つにて半オン故障が発生していると判断された際に、前記複数半導体スイッチを全てオンとすることを特徴とする半導体スイッチの制御装置。
2. 前記半オン故障検出手段は、前記負荷と前記各半導体スイッチを接続する接続線の電圧を測定する電圧検出手段を有し、前記負荷をオフとしたときに前記電圧検出手段で所定値以上の電圧が検出された際に、半オン故障であると判断することを特徴とする請求項１に記載の半導体スイッチの制御装置。

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