JP2014151717A - 車両用灯具用の過電圧保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置構成の小型化および低コスト化を図ることが可能な過電圧保護装置等を提供すること。
【解決手段】過電圧保護装置は、車載された直流電源から電力の供給を受ける負荷回路の前段に接続される過電圧保護装置１であって、負荷回路の一方端と直流電源との間に電流路を接続された第１スイッチ素子Ｑ２と、第１スイッチ素子Ｑ２の制御端と直流電源との間に接続された第１抵抗素子Ｒ５と、一方端を基準電位端に接続された第１ツェナーダイオードＺＤ２と、第１スイッチ素子Ｑ２の制御端とツェナーダイオードの他方端との間に電流路を接続された第２スイッチ素子Ｑ１と、一方端を第１スイッチ素子Ｑ２と直流電源との間に接続され、他方端を基準電位端に接続され、分圧点を第２スイッチ素子Ｑ１の制御端に接続された分圧回路Ｒ３、Ｒ４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、車載される負荷回路（例えば車両用灯具）に対して過電圧が印加されることを防ぐための技術に関する。

車載されたバッテリーから電力供給を受ける負荷回路（例えば車両用灯具）には、自動車試験規格であるロードダンプ試験（過渡電圧試験）への対策として、バッテリーと負荷回路の間にパワーツェナーダイオードを接続することが一般的であった（例えば、特開平１０−３１５８４９号公報の図４等参照）。しかし、上記の試験内容によると、パワーツェナーダイオードを用いることにより大きな電力を消費するため、負荷回路の全体構成やコスト、更に設定条件において難点があった。

例えば、日本自動車技術会規格（ＪＡＳＯ）に基づく試験を例にすると、７０Ｖｐ／２００ｍｓｅｃの減衰波形の電圧を１回、さらに１１０Ｖｐ／２.５μｓｅｃの減衰波形の電圧を３０Ｈｚ周期で１０回与えられた場合に、これらを３０Ｖ前後にクランプして次段の負荷回路を保護する働きを有することが求められる。一方で、自動車試験規格には過電圧試験もあり、例えば１８Ｖ／１ｈ、２４Ｖ／１ｍｉｎの各電圧が入力される。これらの試験による兼ね合いから、パワーツェナーダイオードはそのクランプ電圧下限値をそれらの入力電圧以上に設定する必要があり、具体的にはクランプ電圧を上記した３０Ｖ前後とせざるを得ない。もしそれ以下の設定値とした場合にはパワーツェナーダイオードが破壊することになるため、このような事態は避けなければならない。

また、上記したパワーツェナーダイオードの代わりとしてバリスタが用いられる場合もある。このバリスタは、パワーツェナーダイオードと同じように電源の高電位端と接地電位端の間に接続され、パワーツェナーダイオードと同様に過渡的な高電圧電圧の入力から後段の回路を保護する機能を発揮する。しかし、上記した過電圧試験によるバリスタ自身の破壊を防ぐため、クランプ電圧は同様に高く設定せざるを得えない。また、一般にバリスタの性能はクランプ電圧の上限値が約５０Ｖであり、パワーツェナーダイオードと比較して劣る。以上のように、従来例においては駆動回路に最適なクランプ電圧を設定することが難しいことから、次段の負荷回路の耐電圧を高くする必要があり、装置の大型化および高コスト化を避けがたいという点で改良の余地がある。

特開平１０−３１５８４９号公報

本発明に係る具体的態様は、装置構成の小型化および低コスト化を図ることが可能な過電圧保護装置等を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る一態様の過電圧保護装置は、車載された直流電源から電力の供給を受ける負荷回路の前段に接続される過電圧保護装置であって、（ａ）負荷回路の一方端と直流電源との間に電流路を接続された第１スイッチ素子と、（ｂ）第１スイッチ素子の制御端と直流電源との間に接続された第１抵抗素子と、（ｃ）一方端を基準電位端に接続された第１ツェナーダイオードと、（ｄ）第１スイッチ素子の制御端とツェナーダイオードの他方端との間に電流路を接続された第２スイッチ素子と、（ｅ）一方端を第１スイッチ素子と直流電源との間に接続され、他方端を基準電位端に接続され、分圧点を第２スイッチ素子の制御端に接続された分圧回路を含む、過電圧保護装置である。

かかる構成によれば、分圧回路によって任意のブレークダウン電圧を設定して、過電圧時に第２スイッチ素子をオン状態とすることにより、この第２スイッチ素子および第１スイッチ素子によって、過電圧時における次段の負荷回路への出力電圧を例えば動作電圧範囲内に抑えて負荷回路を保護することができる。各スイッチ素子を用いることで第１ツェナーダイオードとしては省電力用の小型かつ安価なものを用いることができるので、パワーツェナーダイオードを用いる場合に比べて動作安定性を確保しつつ、装置構成の小型化および低コスト化を図ることが可能となる。

上記の過電圧保護装置において、例えば、第１スイッチ素子は電界効果トランジスタであってもよい。

上記の過電圧保護装置において、例えば、分圧回路は、直列接続された第２抵抗素子及び第３抵抗素子を有しており、当該第２抵抗素子と第３の抵抗素子との間に分圧点が設けられていることも好ましい。

上記の過電圧保護装置において、例えば、分圧回路は、第２抵抗素子と第３の抵抗素子の間に直列接続された第２ツェナーダイオードを更に有しており、当該第２ツェナーダイオードと第３抵抗素子との間に分圧点が設けられていることも好ましい。

本発明に係る一態様の車両用電気機器は、上記した過電圧保護装置と、この過電圧保護装置を介して直流電源から電力供給を受ける負荷回路を含んで構成される車両用電気機器である。ここで、負荷回路は、電力供給を受けて所定の動作を行うものである限りにおいて特段に限定されず、例えば、車両用灯具やその他の車載装置が含まれる。

かかる構成によれば、装置構成の小型化および低コスト化を図ることが可能となる。

図１は、一実施形態の過電圧保護装置およびこれを備える車両用電気機器の回路図である。 図２は、過電圧保護装置の変形実施例を示す回路図である。 図３は、過電圧保護装置の動作をシミュレーション解析した結果の一例を示す波形図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、本明細書における「接続」の意味には、回路素子等の回路要素間に他の回路要素が介在している場合も含むものとする。

図１は、一実施形態の過電圧保護装置およびこれを備える車両用電気機器の回路図である。ここでは、車両用電気機器に含まれる負荷回路の一例として、複数の発光素子（ＬＥＤ）を含んで構成される車両用灯具（尾灯）を示している。

図１に示す過電圧保護装置１は、車載された直流電源（バッテリー）から電力の供給を受ける車両用灯具２の前段側に接続されてこの車両用灯具２へ過電圧が印加されることを防ぐものである。この過電圧保護装置１は、車載された直流電源から図示しないスイッチを介して電力を供給するためのＴＡＩＬ端子、ＳＴＯＰ端子および基準電位端子（接地電位端子）ＧＮＤと車両用灯具２の間に接続されている。ＴＡＩＬ端子とＳＴＯＰ端子は並列接続されており、ＴＡＩＬ端子には車幅灯のスイッチがオンとされたときに所定電位が供給され、ＳＴＯＰ端子には車両のブレーキ操作が行われたときに所定電位が供給される。

ＴＡＩＬ端子と過電圧保護装置１の間には抵抗素子Ｒ１および逆接続防止ダイオードＤ１が直列接続されている。また、ＳＴＯＰ端子と過電圧保護装置の間には逆接続防止ダイオードＤ２が直列接続されている。ＴＡＩＬ端子と車両用灯具２の各発光素子ＬＥＤとの間には２つの抵抗素子Ｒ１、Ｒ２が存在することになり、それらによりテールランプとして車両用灯具２を点灯させる際に流す電流の大きさが設定される。ＳＴＯＰ端子と車両用灯具２の各発光素子ＬＥＤとの間には１つの抵抗素子Ｒ２が存在することになり、それらによりストップランプとして車両用灯具２を点灯させる際に流す電流の大きさが設定される。

負荷回路としての車両用灯具２は、９つの発光素子ＬＥＤ１〜９と抵抗素子Ｒ２を備えている。各発光素子ＬＥＤ１〜９は、発光素子ＬＥＤ１〜３、発光素子ＬＥＤ４〜６、発光素子ＬＥＤ７〜９がそれぞれ直列接続されており、かつ、これら３つの直列回路は発光素子ＬＥＤ１，４，７の両端、発光素子ＬＥＤ２，５，８の両端、発光素子ＬＥＤ３，６，９の両端でそれぞれ接続されている。すなわち、各発光素子ＬＥＤ１〜９はマトリクス結線されている（マトリクス回路）。抵抗素子Ｒ２は、各発光素子に流れる電流を設定するためのものであり、発光素子ＬＥＤ１，４，７の一端と過電圧保護装置１の間に接続されている。

図１に示す過電圧保護装置１は、バイポーラトランジスタＱ１、電界効果トランジスタＱ２、抵抗素子Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５およびツェナーダイオードＺＤ２を含んで構成されている。なお、本実施形態では電界効果トランジスタＱ２が「第１スイッチ素子」に対応し、バイポーラトランジスタＱ１が「第２スイッチ素子」に対応し、ツェナーダイオードＺＤ２が「第１ツェナーダイオード」に対応し、抵抗素子Ｒ５が「第１抵抗素子」に対応し、抵抗素子Ｒ３、Ｒ４が「分圧回路」に対応する。

電界効果トランジスタＱ２は、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、車両用灯具２の一方端（本例では抵抗素子Ｒ２の一方端）と直流電源との間に電流路を接続されている。ここでいう電流路とは、電界効果トランジスタＱ２のドレイン−ソース間に設けられ、ゲート（制御端）への印加電圧により電流量の制御を受ける部分をいう。図示の例では、電界効果トランジスタＱ２のドレインがＴＡＩＬ端子とＳＴＯＰ端子の接続点に接続されており、ソースが車両用灯具２の抵抗素子Ｒ２に接続されている。

ここで、電界効果トランジスタＱ２は、過電圧印加時において入力電圧と出力電圧の差分の電圧に車両用灯具２へ供給する電流の積分の電力が加わるため、オン抵抗のできるだけ小さいものを用いることが好ましい。この点で、電界効果トランジスタはバイポーラトランジスタ等に比較して耐圧が高いものが安価に入手でき、動作安定性にも優れるため好ましい。

抵抗素子Ｒ５は、電界効果トランジスタＱ２のゲートと直流電源との間に接続されている。図示の例では、抵抗素子Ｒ５は、一方端がＴＡＩＬ端子とＳＴＯＰ端子の接続点に接続されており、他方端がゲートに接続されている。この抵抗素子Ｒ５は、電界効果トランジスタＱ２へゲート電圧を供給するためのものである。

ツェナーダイオードＺＤ２は、アノードが基準電位端子ＧＮＤと接続され、カソードがバイポーラトランジスタＱ１のエミッタと接続されている。このツェナーダイオードＺＤ２は、クランプ電圧の設定に用いられるものであり、小電力（例えば１Ｗ以下）の安価なものを用いることができる。

バイポーラトランジスタＱ１は、電界効果トランジスタＱ２のゲートとツェナーダイオードのカソードとの間に電流路を接続されており、制御端としてのベースを抵抗素子Ｒ３と抵抗素子Ｒ４の接続点（分圧点）に接続されている。ここでいう電流路とは、バイポーラトランジスタＱ１のコレクタ−エミッタ間に設けられ、ベース（制御端）への印加電圧により電流量の制御を受ける部分をいう。

抵抗素子Ｒ３と抵抗素子Ｒ４は、互いに直列接続されており、抵抗素子Ｒ３の一方端がＴＡＩＬ端子とＳＴＯＰ端子の接続点に接続されており、抵抗素子Ｒ４の一方端が基準電位端子ＧＮＤに接続されている。また、抵抗素子Ｒ３と抵抗素子Ｒ４との間に設けられた分圧点（接続点）は、バイポーラトランジスタＱ１のベースに接続されている。

本実施形態の過電圧保護装置１は上記の構成を備えており、次にその動作について詳細に説明する。

ＴＡＩＬ端子あるいはＳＴＯＰ端子に電圧が与えられたときに、通常の動作電圧範囲（例えば１０〜１６Ｖ：但し１２Ｖバッテリーの場合）においては、抵抗素子Ｒ５を介して電界効果トランジスタＱ２のゲートに電圧が印加され、電界効果トランジスタＱ２がオン状態（導通状態）となる。それにより、電界効果トランジスタＱ２のドレイン−ソース間が導通し、直流電源から車両用灯具２に電流が供給される。このとき、バイポーラトランジスタＱ１はオフ状態を維持する。

一方で、ＴＡＩＬ端子あるいはＳＴＯＰ端子への入力電圧が上記した通常の動作電圧範囲を超えた場合には、バイポーラトランジスタＱ１の動作点を決める抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の各抵抗値によって定まる分圧点の電圧がバイポーラトランジスタＱ１のベースに印加される。それにより、バイポーラトランジスタＱ１がオン状態となり、ツェナーダイオードＺＤ２には抵抗素子Ｒ５を介して直流電源側から電流が流れる。それにより、ツェナーダイオードＺＤ２の順方向電圧ＺＤ２ｖｆ、バイポーラトランジスタＱ１のコレクタ−エミッタ電圧Ｑ１ｖｃｅ、電界効果トランジスタＱ２のゲート−ソース電圧Ｑ２ｖｇｓの３つを加算した電圧値がクランプ電圧となり、車両用灯具２へ供給される電圧値が抑制される。クランプ電圧の設定値は、抵抗素子Ｒ３、Ｒ４とツェナーダイオードＺＤ２の各素子定数によって決められるため、任意の値でクランプ電圧が設定可能となる。

図２は、過電圧保護装置の変形実施例を示す回路図である。図２に示す過電圧保護装置１ａおよびこれに接続される車両用灯具２は、基本的は上記した図１に示した実施形態と同様の構成を備えており、分圧回路が２つの抵抗素子に加えてツェナーダイオードを有する点のみが異なっている。なお、図１と図２で共通する構成要素については同符号を用いており、それらについては詳細な説明を省略する。

図２に示す過電圧保護装置１ａにおける分圧回路は、抵抗素子Ｒ３、ツェナーダイオードＺＤ３および抵抗素子Ｒ４を互いに直列接続して構成されており、抵抗素子Ｒ３の一方端がＴＡＩＬ端子とＳＴＯＰ端子の接続点に接続されており、抵抗素子Ｒ４の一方端が基準電位端子ＧＮＤに接続されている。ツェナーダイオードＺＤ３は、カソードを抵抗素子Ｒ３の他方端を接続され、アノードを抵抗素子の他方端と接続されている。また、抵抗素子Ｒ３と抵抗素子Ｒ４との間に設けられる分圧点（接続点）は、本例ではツェナーダイオードＺＤ３と抵抗素子Ｒ４との間に設けられており、この分圧点がバイポーラトランジスタＱ１のベースに接続されている。このように分圧回路にツェナーダイオードＺＤ３を加えることで、よりバラツキを抑えて入力電圧を検出してバイポーラトランジスタＱ１をオン状態にすることができるようになり、過電圧の検出精度が高められる。

図３は、上記した過電圧保護装置の動作をシミュレーション解析した結果の一例を示す波形図である。図３においては、入力波形として逆接続防止用ダイオードＤ２のアノードにおける波形を示し、出力波形として電界効果トランジスタＱ２のソースにおける波形を示している。なお、波形図のＹ軸は３０Ｖ＿ｍａｘとし、Ｘ軸は４ｍｓ＿ｍａｘとした。各素子の定数は任意のものであって本例に限定されない。過電圧（８０Ｖ）の入力時において、出力電圧は、約１９Ｖにクランプされている。また定格電圧（１３．５Ｖ）の入力時においては、出力電圧は、約１１.６Ｖとなっている。これは入力電圧から逆接続防止用ダイオードＤ２の順方向電圧Ｄ２ｖｆ（０．７Ｖ）と電界効果トランジスタＱ２のドレイン−ソース間電圧（１．２Ｖ）をさし引いた電圧となっている。この波形から、過電圧入力時において出力電圧は抑制されて、次段の負荷回路（車両用灯具）を保護する機能が実証されているといえる。

以上のような実施形態によれば、分圧回路によって任意のブレークダウン電圧を設定して、過電圧時にバイポーラトランジスタをオン状態とすることにより、このバイポーラトランジスタおよび電界効果トランジスタによって、過電圧時における次段の負荷回路（車両用灯具）への出力電圧を例えば動作電圧範囲内に抑えて負荷回路を保護することができる。また、各トランジスタを用いることで、ツェナーダイオードとしては省電力用の小型かつ安価なものを用いることができるので、パワーツェナーダイオードを用いる場合に比べて動作安定性を確保しつつ、かつ任意の値でクランプ電圧が設定でき、装置構成の小型化および低コスト化を図ることが可能となる。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、上記した実施形態におけるツェナーダイオードＺＤ２に代えて複数個のダイオードを直列に接続した回路を用いてもよい。また、バイポーラトランジスタＱ１のエミッタとツェナーダイオードＤ２の間にさらに抵抗素子を直列接続してもよい。また、電界効果トランジスタＱ２に代えてｎチャネル型のバイポーラトランジスタを用いてもよい。

１：過電圧保護装置
２：車両用灯具
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５：抵抗素子
Ｄ１、Ｄ２：逆接続防止ダイオード
ＬＥＤ１〜９：発光素子
ＬＥＤ１〜９
Ｑ１：バイポーラトランジスタ
Ｑ２：電界効果トランジスタ
ＺＤ２、ＺＤ３：ツェナーダイオード

Claims (5)

1. 車載された直流電源から電力の供給を受ける負荷回路の前段に接続される過電圧保護装置であって、
   前記負荷回路の一方端と前記直流電源との間に電流路を接続された第１スイッチ素子と、
   前記第１スイッチ素子の制御端と前記直流電源との間に接続された第１抵抗素子と、
   一方端を基準電位端に接続された第１ツェナーダイオードと、
   前記第１スイッチ素子の制御端と前記ツェナーダイオードの他方端との間に電流路を接続された第２スイッチ素子と、
   一方端を前記第１スイッチ素子と前記直流電源との間に接続され、他方端を基準電位端に接続され、分圧点を前記第２スイッチ素子の制御端に接続された分圧回路と、
   を含む、過電圧保護装置。
2. 前記第１スイッチ素子は、電界効果トランジスタである、請求項１に記載の過電圧保護装置。
3. 前記分圧回路は、直列接続された第２抵抗素子及び第３抵抗素子を有しており、当該第２抵抗素子と第３の抵抗素子との間に前記分圧点が設けられている、請求項１又は２に記載の過電圧保護装置。
4. 前記分圧回路は、前記第２抵抗素子と前記第３の抵抗素子の間に直列接続された第２ツェナーダイオードを更に有しており、当該第２ツェナーダイオードと前記第３抵抗素子との間に前記分圧点が設けられている、請求項３に記載の過電圧保護装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の過電圧保護装置と、
   前記過電圧保護装置を介して直流電源から電力供給を受ける負荷回路、
   を含む、車両用電気機器。

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