JP2014128076A - 過電流保護装置、過電流保護方法、プログラム及び媒体 - Google Patents

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Abstract

【課題】溶断したヒューズに起因する不具合を発生することなく回路を適切に保護できる過電流保護装置、過電流保護方法、プログラム及び媒体を提供すること。
【解決手段】本発明の過電流保護装置1は、主回路2、3の高電圧部Pの電荷を放電する放電手段M1と、放電手段M1の通電電流を検出する検出手段4aと、放電手段M1を制御する制御手段4bと、制御手段4bに高電圧部Pからの電力に基づいて電源を供給する電源用素子M3、M4を含む電源回路5と、放電手段M1の高圧側に設置される溶断部H1と、を含み、制御手段4bが放電手段M1をオンとしない場合で検出手段4aが通電電流を検出する場合には、電源用素子M3、M4の主極間に高電圧部Pからの電力の印加を行って溶断部H1を加熱する印加手段4cを含むことを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、過電流による素子や回路の不具合発生をヒューズの溶断により防止する過電流保護装置、過電流保護方法、プログラム及び媒体に関する。
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)や抵抗等の受動素子を含む回路の保護のためにヒューズを用いる技術は例えば下記の特許文献1に開示されるものがある。
特開2004−153944号公報
ところがこのような装置においては、ヒューズを接地するための別個の半導体素子を設けてヒューズそのものを過電流により溶断して素子や回路を保護するため、溶断したヒューズの飛散による不具合が発生するおそれがあった。
そこで本発明は、溶断したヒューズに起因する不具合を発生することなく回路を適切に保護できる過電流保護装置、過電流保護方法、プログラム及び媒体を提供することを目的とする。
上記の問題を解決するため、本発明に係る過電流保護装置は、主回路の高圧側に設置される溶断部と、前記主回路とは異なる制御をされる副回路と、前記副回路に配設された素子を含み、前記溶断部に流れる電流量は、前記素子の発生する熱により制御されることを特徴とする。ここで、前記素子を複数含み、前記溶断部は隣接する前記素子の間に配置されることとし、制御基板を含み、当該制御基板内に前記素子と前記溶断部の背面側を熱的に接続する伝熱板を含むこととし、前記伝熱板は前記素子の相互を接続する接続板を兼ねることとしてもよい。
上記の問題を解決するため、本発明に係る過電流保護装置は、主回路の高電圧部の電荷を放電する放電手段と、当該放電手段の通電電流を検出する検出手段と、前記放電手段を制御する制御手段と、当該制御手段に前記高電圧部からの電力に基づいて電源を供給する電源用素子を含む電源回路と、前記放電手段の高圧側に設置される溶断部と、を含み、前記制御手段が前記放電手段をオンとしない場合で前記検出手段が前記通電電流を検出する場合には、前記電源用素子の主極間に前記高電圧部からの電力の印加を行って前記溶断部を加熱する印加手段を含むことを特徴とする。
ここで、前記印加手段は前記印加の量を漸次増大させることとしてもよく、前記印加の後に、前記検出手段が前記通電電流を検出しない場合には、前記印加手段は前記印加を停止することとしてもよく、前記印加手段の前記印加の停止に伴わせて、前記印加による前記溶断部の溶断の発生を含む情報を、前記制御手段以外の他制御手段へ通知する通知手段を含むこととしてもよい。
なお、前記制御手段と前記検出手段と前記印加手段は一の集積回路で構成され、当該集積回路が実装される制御基板内に前記電源用素子と前記溶断部を隣接させて実装配置されることとしてもよく、前記電源用素子を前記電源回路は複数含み、前記溶断部は隣接する前記電源用素子の間に配置されることとしてもよく、前記制御基板内に前記電源用素子と前記溶断部の背面側を熱的に接続する伝熱板を含むこととしてもよく、前記伝熱板は前記電源用素子相互を接続する接続板を兼ねることとしてもよい。
また本発明に係る過電流保護方法は、主回路の高電圧部の電荷を放電用抵抗に放電しない場合において当該放電用抵抗における通電電流を検出する検出ステップと、当該検出ステップにおいて前記通電電流を検出する場合には、前記放電ステップを制御する制御手段に前記高電圧部からの電力に基づいて電源を供給する電源用素子の主極間に前記高電圧部からの電力の印加を行って前記放電用抵抗の高圧側に設置される溶断部を加熱する印加ステップを含むことを特徴とする。本発明に係るプログラムは前記過電流保護方法を実行するプログラムであり、本発明に係る媒体は前記プログラムを格納した媒体である。
本発明によれば、副回路の含む素子又は制御回路の電源回路の含む電源用素子の電力印加に基づく発熱により、溶断部を加熱して少量の通電電流で溶断に至らしめて、主回路の溶断部よりも接地側に位置する回路を適切に保護することができる。
本発明による実施例の過電流保護装置1の一実施形態を示す模式図である。 実施例の過電流保護装置1の電源用素子とヒューズの実装態様(a)(b)と加熱態様(c)を示す模式図である。 実施例の過電流保護装置1のヒューズの周囲温度と定格電流比の相関を示す模式図である。 実施例の過電流保護装置1の制御内容を示すフローチャートである。 比較例の過電流保護装置101の回路構成を示す模式図である。 実施例の過電流保護装置1の他実施形態を示す模式図である。
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。
本実施例の過電流保護装置1は、図1に示すように、主回路を構成するコンバータ2、インバータ3の高電圧部Pの電荷を放電する放電専用IGBTM1(放電手段)と、放電用抵抗R1と、放電専用IGBTM1のリーク電流(通電電流)を放電検出用抵抗R2により検出する検出手段4aと、放電専用IGBTM1のオンオフを制御する制御手段4bとを含む。
さらに過電流保護装置1は、制御手段4bに高電圧部Pからの電力に基づいて電源を供給する電源用素子M3、M4(素子)と、ツェナーダイオードTD、発熱制御用抵抗R3を含む電源回路5(副回路)と、放電専用IGBTM1、放電用抵抗R1の高圧側に設置されるヒューズH1(溶断部)と、を含む。
また、過電流保護回路1は、制御手段4bが放電専用IGBTM1をオンとしない場合で検出手段4aがリーク電流(通電電流)を検出する場合には、放電専用IGBTM1がオン故障しているとみなして、電源用素子M3、M4の主極間に高電圧部Pからの電力の印加を行ってヒューズH1を加熱する印加手段4cを含む。
図1に示すコンバータ2、インバータ3を含む主回路は例えばハイブリッド車用の図示しないMGECU(他制御手段:HVECUでもよい)の制御に基づいてモータジェネレーターMG1、MG2を制御するものである。主回路は高圧バッテリHBの電圧をフィルタコンデンサC1とリアクトルLを含む平滑回路及びコンバータ2の含む二のIGBTにより昇圧して、昇圧した電圧を平滑コンデンサC2からインバータ3の含む六つのIGBTによりそれぞれU相V相W相に変換した電力をモータジェネレーターMG1、MG2に供給して駆動制御を行う。主回路は回生制動時には逆方向の電力の変換を行って高圧バッテリHBを充電する。なお、高圧バッテリHBの接地側にはシステムメインリレーSMRが配置されている。
ここで、検出手段4aと制御手段4bと印加手段4cは一のASIC4(集積回路)で構成される。なお、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)は電子部品の種別の一つを指し、特定の用途向けに複数機能の回路を一つにまとめた集積回路の総称である。ASIC4はデジタル回路が一般的であるが、アナログ回路を含んでいてもよい。印加手段4cの出力最終段の発熱制御用スイッチSW1はここではデジタル回路上の半導体素子で構成するが、アナログ回路のリレーで構成してもよい。発熱制御用抵抗R3については本実施例ではASIC4に対して外付けタイプとして調整を容易なものとしている。
電源回路5は、電源用素子M3のエミッタと電源用素子M4のコレクタを直列接続しさらに電源用素子M4のエミッタを発熱制御用スイッチSW1及び発熱制御用抵抗R3を直列接続して、それぞれの制御端子であるベースに二段の降圧用抵抗で降圧した電圧を印加するとともに、この二段の降圧用抵抗にツェナーダイオードTDを直列に接続して、構成される。電源回路5は、高電圧部Pの高電圧をASIC4の動作に適した低電圧に変換して出力する所謂シリーズ電源である。なお電源用素子の段数は降圧の程度に応じて決まる素子毎の熱容量により定まるものであり、二段以外の数であってもよい。
ここで、印加手段4cは発熱制御スイッチSW1のデューティ比を徐々に上げて電源用素子M3、M4の主極間への電力の印加の量を漸次増大させるものとする。また、印加手段4cは、印加の後に、検出手段4aがリーク電流を検出しない場合には、ヒューズH1が溶断に至ったものと判断して、印加を停止することとする。さらに、ASIC4は、印加手段4cの印加の停止に伴わせて、印加によるヒューズH1の溶断の発生と放電専用IGBTM1による放電が不可となった旨を含む情報を、制御手段4b以外の他制御手段であるMGECUへ通知する通知手段4dを含む。
なお、本実施例では、図2(a)の制御基板6の正面視に示すように、ASIC4が実装される図示しない例えばガラスエポキシ基板よりなる制御基板6内に電源用素子M3、M4とヒューズH1を隣接させて実装配置されることとしている。この場合ヒューズH1は表面実装タイプを選択する。また、本実施例では電源用素子M3、M4を電源回路5は二つつまり複数含んでおり、図2(a)のAA断面である図2(b)に示すように、ヒューズH1は隣接する電源用素子M3、M4の間に挟まれる形態にて配置されることとしている。
図2(b)に示すように、高電圧部P側の電源用素子M3のコレクタCは銅配線7に半田接合部8を介して電気的に接続される。電源用素子M3のエミッタEは銅配線9の高電圧部P側の正面側に半田接合部10を介して電気的、熱的に接続され、電源用素子M4のコレクタCは銅配線9の発熱制御用スイッチSW1側の正面側に半田接合部11を介して電気的、熱的に接続される。発熱制御用スイッチSW1側の電源用素子M4のエミッタEは銅配線12に半田接合部13を介して電気的に接続される。
すなわち、本実施例では、制御基板6内の銅配線9は、電源用素子M3、M4とヒューズH1の背面側を熱的に接続する伝熱板を構成するとともに、電源用素子M3、M4相互を電気的に接続する接続板を兼ねる。銅配線7と銅配線9は制御基板6内にて相互に間隔を置いて配置され絶縁され、銅配線9と銅配線12も相互に間隔を置いて配置され絶縁される。電源用素子M3、M4の図2(b)の左右方向の間隙にヒューズH1が配置されることから、銅配線9を介しての背面からの熱伝導に加えて、電源用素子M3の側面及び電源用素子M4の側面からの輻射熱によってもヒューズH1は加熱される。
つまり図2(c)に示すように、図2(b)のAA断面内における電源用素子M3の熱分布と電源用素子M4の熱分布は上に凸の破線曲線状となり、この双方の熱分布を合成した合成熱分布は左右方向において電源用素子M3と電源用素子M4の中間をピークとする実線曲線状となる。ここで合成熱分布によりヒューズH1が実際に加熱されて発生するヒューズH1の熱分布は合成熱分布に対して伝熱比Y(<1)だけ小さいものとなる。
ここでヒューズH1を加熱して溶断に至らしめる必要条件について述べる。図3に示すように、ヒューズH1は横軸に周囲温度(Ambient temperature:℃)、縦軸に定格電流比(Percent rated current:%)を取ると、周囲温度T0からT1(>T0)までは定格電流比は100%を保ち、T1からT2(>T1)に至るまで徐々に定格電流比が0%に低下する性質を有している。
すなわち定格電流比が0%となる周囲温度T2までヒューズH1を電源用素子M3、M4により加熱することにより、放電専用IGBTM1がオン故障することによる微弱なリーク電流によってヒューズH1を溶断に至らしめることができる。
また、電源用素子M3、M4の熱抵抗をX(℃/W)とし、上述したように、熱源である電源用素子M3、M4から伝熱と輻射によりヒューズH1に伝達される伝達比をYとすると、必要な消費電力Z=(T2−T1)/X/Y(W)となる。消費電力Zを電源用素子M3、M4の電圧で除した電流にASIC4の電圧を乗じたASIC4の消費電力が熱によりASICとしての機能が損なわれない範囲となるようにASIC4の電圧と発熱制御用抵抗R3と伝達比Yを設定する。
上述した本実施例の過電流保護装置1のASIC4の制御内容について図4に示すフローチャートを用いて詳述する。ステップS1に示すように、ASIC4の制御手段4bは放電専用IGBTM1のベースに対してオン信号は印加せず、オフ制御が保持されている状態で、ASIC4の検出手段4aが放電検出用抵抗R2の端子間電圧を監視することにより、放電専用IGBTM1のコレクタとエミッタの間にリーク電流が流れるか否かつまり「リーク有り」であるか否かについて判定する。
ステップS1において肯定である場合にはステップS2にすすみ、否定である場合にはステップS1の手前に戻る。ステップS2において、ASIC4の印加手段4cは高電圧部P側からの電力を電源用素子M3のコレクタと電源用素子M4のエミッタ間に印加して発熱させるように、発熱制御用スイッチSW1をオンとする。ステップS2の発熱処理の後、ASIC4はステップS1と同様の「リーク有り」であるか否かの判定を行い、判定が肯定である間はステップS2を継続し、判定が否定となるとステップS4にすすむ。
ステップS4において、ASIC4の印加手段4cは発熱制御用スイッチSW1をオフとして、電源用素子M3、M4への電力の印加を停止して発熱を停止させる。続いてステップS4において、ASIC4の通知手段4dは、上述したMGECUに「ヒューズH1が溶断した(飛ばした)旨と放電不可である旨を含む情報」を送信する。
なお図4に示すフローチャートはSTARTからENDまで繰り返し実行され本発明の過電流防止方法は繰り返し実行される。また、ASIC4は本発明のプログラムを格納した媒体を予め含む。
以上述べた本実施例の過電流保護装置1及び過電流保護方法によれば、以下の作用効果を得ることができる。つまり、放電専用IGBTM1がオン故障を起こしている場合に発生するリーク電流を検出して、電源用素子M3、M4に電力を印加することにより、ヒューズH1の周囲温度を図3に示すT2まで徐々に上昇させ、少量のリーク電流によりヒューズH1を溶断に至らしめることができる。つまりヒューズに流すことが可能な電流量、換言すれば、ヒューズを溶断に至らしめるために必要な電流量は、素子の発熱により変化する。すなわち、前述した電流量は、素子の発生する熱量に基づいて制御される。これにより、放電専用IGBTM1や放電用抵抗R1を適切に保護することができる。
また、上述した別途のヒューズ切断用IGBTM2を用いる回路形態は図5に示すような形態となるが、この場合は別途のIGBTが必要となり部品点数の増大を招き、かつ、表面実装タイプでないヒューズH2を直接接地するため大電流が流れて溶断後の部材が散乱することを招く。
これに対し本実施例では、ヒューズH1を溶断するにあたって上述した少量のリーク電流を流すこととしているので、ヒューズH1が溶断後に散乱して種々の不都合を招くことを防止することができる。また、ヒューズH1を加熱するにあたっても電源用素子M3、M4への電力の印加を漸次増大させるので周囲温度T2への到達をより緩やかなものとし、これによってもヒューズH1の急激な溶断を防止して、溶断後の散乱を防止できる。
また図5に示す形態においては放電専用IGBTM1の制御方式はパルス放電方式とベタオン制御方式(PWMによるデューティ比制御を用いない)の二種類があり、前者であればオン故障が発生してもデューティ比制御により放電用抵抗R1の損失を抑えることができるが、放電専用IGBTM1自身はパルス駆動が必要となる為、IGBTゲート容量に対して充放電を繰り返すこととなり、消費電流が大きくなるデメリットがある。
特に、主回路の電流値が大きい場合には、後者のベタオン制御方式を採用して消費電流を抑えている。後者を採用する場合には、連続通電しても放電専用IGBTM1やヒューズH2が溶断しないよう放電用抵抗R1を高めに設定する必要が生じるため、オン故障してもヒューズH2を溶断させる電流を確保することができず、この場合には放電用抵抗R1の損失を抑えるためシステムメインリレーSMRをオフとする必要が生じて退避走行が困難となる。これに対しても本実施例によれば、ヒューズH1を溶断するにあたり放電専用IGBTM1の制御を必要とせず、従って放電用抵抗R1の損失増大を考慮してシステムメインリレーSMRをオフとすることも必要としないため、退避走行が不能となる事態も回避することができる。
また本実施例では、ASIC4がヒューズH1を溶断した後、溶断して放電不能である旨をMGECUに通知する通知手段4dを含むため、車両のユーザはMGECUに接続されたディスプレイ等によりいち早くヒューズH1の溶断を知ることができ、ユーザが故障修繕のためにディーラーに寄ることを促すことができる。
また、上述した発熱制御用スイッチSW1の接地側のASIC4の電圧と発熱制御用抵抗R3と伝達比Yを適切に設定することにより、ASIC4の発熱量も抑制することができる。
さらに電源用素子M3、M4とヒューズH1をASIC4が実装される制御基板6に図2に示した形態にて設置するため、電源用素子M3、M4のヒューズH1との間隔の調整や銅配線9の熱伝導率の設定によっての伝達比Yの設定をより容易なものとすることができるとともに、伝達比Yをより高い値に設定して、熱の伝達効率を高めることができる。これにより、電源用素子M3、M4に発生させる熱量をなるべく小さなものとして、電源用素子M3、M4の保護をも図るとともに、過電流保護装置1としての効率を高めることもできる。
以上本発明の一実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。
例えば、本実施例は放電手段として放電専用IGBTM1を用いたが、図6に示すように放電専用MOSに置換することも可能である。また電源用素子M3、M4については実施例ではFETとしているが図6に示すようにIGBTを用いることもできる。この場合は図2(b)のカッコ内に示すようにコレクタCはドレインDに、エミッタEはソースSに置換される。
本発明は、ハイブリッド車や電気自動車等の高電圧部を有する主回路の放電を司る過電流保護装置に関するものであり、放電専用素子にリーク電流が発生した場合でも別個の放電素子を設けることなく電源用素子への電力の印加に基づいてヒューズを溶断に至らしめて、放電専用素子や放電用抵抗を保護することができる。このため、上述した種々の自動車に適用可能であるとともに有用なものである。
1 過電流保護装置
P 高電圧部
H1 ヒューズ(溶断部)
R1 放電用抵抗
M1 放電専用IGBT(放電手段)
M2 ヒューズ切断用IGBT
R2 放電検出用抵抗
2 コンバータ
3 インバータ
4 ASIC(集積回路)
4a 検出手段
4b 制御手段
4c 印加手段
4d 通知手段
SW1 発熱制御用スイッチ
R3 発熱制御用抵抗
M3 電源用素子(素子)
M4 電源用素子(素子)
TD ツェナーダイオード
5 電源回路(副回路)
HB 高圧バッテリ
L リアクトル
C1 フィルタコンデンサ
SMR システムメインリレー
MG1 モータジェネレーター
MG2 モータジェネレーター
C2 平滑コンデンサ
6 制御基板
7 銅配線
8 半田接合部
9 銅配線(伝熱板、接続板)
10 半田接合部
11 半田接合部
12 銅配線
13 半田接合部

Claims (15)

  1. 主回路の高圧側に設置される溶断部と、前記主回路とは異なる制御をされる副回路と、前記副回路に配設された素子を含み、前記溶断部に流れる電流量は、前記素子の発生する熱により制御されることを特徴とする過電流保護装置。
  2. 前記素子を複数含み、前記溶断部は隣接する前記素子の間に配置されることを特徴とする請求項1に記載の過電流保護装置。
  3. 制御基板を含み、当該制御基板内に前記素子と前記溶断部の背面側を熱的に接続する伝熱板を含むことを特徴とする請求項2に記載の過電流保護装置。
  4. 前記伝熱板は前記素子の相互を接続する接続板を兼ねることを特徴とする請求項3に記載の過電流保護装置。
  5. 主回路の高電圧部の電荷を放電する放電手段と、当該放電手段の通電電流を検出する検出手段と、前記放電手段を制御する制御手段と、当該制御手段に前記高電圧部からの電力に基づいて電源を供給する電源用素子を含む電源回路と、前記放電手段の高圧側に設置される溶断部と、を含み、前記制御手段が前記放電手段をオンとしない場合で前記検出手段が前記通電電流を検出する場合には、前記電源用素子の主極間に前記高電圧部からの電力の印加を行って前記溶断部を加熱する印加手段を含むことを特徴とする過電流保護装置。
  6. 前記印加手段は前記印加の量を漸次増大させることを特徴とする請求項5に記載の過電流保護装置。
  7. 前記印加の後に、前記検出手段が前記通電電流を検出しない場合には、前記印加手段は前記印加を停止することを特徴とする請求項6に記載の過電流保護装置。
  8. 前記印加手段の前記印加の停止に伴わせて、前記印加による前記溶断部の溶断の発生を含む情報を、前記制御手段以外の他制御手段へ通知する通知手段を含むことを特徴とする請求項7に記載の過電流保護装置。
  9. 前記制御手段と前記検出手段と前記印加手段は一の集積回路で構成され、当該集積回路が実装される制御基板内に前記電源用素子と前記溶断部を隣接させて実装配置されることを特徴とする請求項8に記載の過電流保護装置。
  10. 前記電源用素子を前記電源回路は複数含み、前記溶断部は隣接する前記電源用素子の間に配置されることを特徴とする請求項9に記載の過電流保護装置。
  11. 前記制御基板内に前記電源用素子と前記溶断部の背面側を熱的に接続する伝熱板を含むことを特徴とする請求項6〜10のいずれか一項に記載の過電流保護装置。
  12. 前記伝熱板は前記電源用素子の相互を接続する接続板を兼ねることを特徴とする請求項11に記載の過電流保護装置。
  13. 主回路の高電圧部の電荷を放電用抵抗に放電しない場合において当該放電用抵抗における通電電流を検出する検出ステップと、当該検出ステップにおいて前記通電電流を検出する場合には、前記放電ステップを制御する制御手段に前記高電圧部からの電力に基づいて電源を供給する電源用素子の主極間に前記高電圧部からの電力の印加を行って前記放電用抵抗の高圧側に設置される溶断部を加熱する印加ステップを含むことを特徴とする過電流保護方法。
  14. 請求項13に記載の過電流保護方法を実行するプログラム。
  15. 請求項14に記載のプログラムを格納した媒体。
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