JP2014158326A - 電源供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特定の負荷に接続された半導体スイッチの動作状態を、対象システムが安全側となるように維持しつつ、半導体スイッチと電力供給ラインの両方を保護することが可能な電源供給装置を廉価な構成で提供する。
【解決手段】電源供給装置１００は、自己保護手段１１１を有する半導体スイッチ１１０と、１以上の半導体スイッチ１１０を制御するとともに各半導体スイッチ１１０とそれぞれが接続されている各電力供給ライン１１を監視・保護する制御部１２０と、制御部１２０の動作を監視する監視部１３０と、保護特性調整部１３１とを備えている。制御部１２０の異常が検出されたとき、保護特性調整部１３１から半導体スイッチ１１０に所定の調整用信号３３が出力されて自己保護手段１１１の過電流に対する閾値が調整される。
【選択図】図１

Description

本発明は、過電流や過昇温から機器を保護するための保護手段を備えた電源供給装置に関するものである。

車両等の電源系では、過電流等の異常電流の発生によって負荷が損傷したり電力供給ライン（電線）が焼損するのを防止するために、電力供給ラインにヒューズが適宜配置されている。また、近年はリレーとヒューズの機能を兼ね備えた半導体スイッチも用いられるようになっている。半導体スイッチは、それ自身の過電流や過熱等 半導体スイッチ損傷につながる現象を監視して保護する自己保護機能を備えるものが知られている。

ところで、車両の高機能化・多機能化に伴い、近年は車両に搭載される電気負荷が大幅に増加してきており、それに伴って電源系に用いられる半導体スイッチも増加する傾向にある。そのため、複数の半導体スイッチを個々に管理するのが難しくなってきており、これらを統括して管理する技術が開発されている。一例として、引用文献１では、複数の負荷ライン（電力供給ライン）を統括して管理する監視ＥＣＵ（負荷電流監視部）が設けられており、ここで異常が発生した負荷ラインを特定できる構成となっている。

特開２００９−１１０４０号公報

しかしながら、監視部あるいは制御部等の１つのＣＰＵやＡＳＩＣ 等で複数の電力供給ラインに設けられた半導体スイッチを管理する構成では、コストアップが抑えられるという利点があるものの、ＣＰＵに異常が発生するとすべての半導体スイッチの監視・制御ができなくなり、システムの安全性を確保できなくなるおそれが高い。特に車両の電源系では、ヘッドランプやエンジン系システム等の重要な負荷への電力供給が停止されると、車両の安全走行が維持できなくなるといった問題が生じる。

また、半導体スイッチはそれ自身を保護する自己保護機能を有しているが、それが接続されている電力供給ライン（電線）の過電流に対しては、半導体スイッチでは精度よく保護できずＣＰＵ等で補完する構成となっている場合がある。特に電線保護を目的とした保護特性領域において、過電流に対する遮断特性の精度が低い場合には、適用する電線サイズに余裕を持たせる必要が生じる。適用する電線サイズをできるだけ抑えた設計を行うには、過電流に対する遮断特性が高精度であることが要求される。

このように、ＣＰＵ等で電力供給ライン（電線）の過電流に対する保護を補完している場合、ＣＰＵに異常が発生すると、たとえ電力供給が継続されたとしても、電力供給ラインの保護ができなくなる。しかしながら、ＣＰＵの異常（故障）と過電流等の異常事象発生は、車両事故等のトラブルに起因する場合が多く、同時発生も十分ありえるため、ＣＰＵに異常時に電源供給する場合には、電源供給ライン（電線）の保護が必要である。
そのため、重要な負荷への電力供給ラインには、従来は、中央制御部で制御・管理された複数の半導体スイッチのうちの一つを適用することができず、その適用範囲が制約されるといった問題があった。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、特定の負荷に接続された半導体スイッチの動作状態を、対象システムが安全側となるように維持しつつ、半導体スイッチと電力供給ラインの両方を保護することが可能な電源供給装置を廉価な構成で提供することを目的とする。

本発明の電源供給装置の第１の態様は、電源から負荷に電力供給するための電力供給ラインに設けられて通電電流をオン／オフするとともに１以上の過電流保護特性に基づいて過電流を監視する自己保護手段を有する半導体スイッチと、１以上の前記半導体スイッチを制御するとともに前記半導体スイッチ及び前記電力供給ラインを監視・保護する監視・保護手段を有する制御部と、前記制御部の動作を監視する監視部と、前記監視部で前記制御部の異常が検出されたときに前記自己保護手段が有する過電流を監視するための制限値を調整する保護特性調整部と、を備えることを特徴とする。

本発明の電源供給装置の他の態様は、前記保護特性調整部は、前記過電流を監視するための制限値の調整として、前記半導体スイッチに対する前記過電流保護特性と前記電力供給ラインに対する電線発煙特性の両方を満たすように過電流に対する閾値を調整することを特徴とする。

本発明の電源供給装置の他の態様は、前記保護特性調整部は、前記過電流を監視するための制限値の調整として、前記半導体スイッチに対する前記過電流保護特性と前記電力供給ラインに対する電線発煙特性の両方を満たすように前記半導体スイッチの通電電流に対する通電許容時間を調整することを特徴とする。

本発明の電源供給装置の他の態様は、前記監視部で前記制御部の異常が検出されたとき、前記半導体スイッチに所定の駆動信号を出力する異常時制御部をさらに備えることを特徴とする。

本発明の電源供給装置の他の態様は、前記異常時制御部は、前記駆動信号として所定の周期でオンとオフを繰り返すパルス信号を出力することを特徴とする。

本発明の電源供給装置の他の態様は、前記監視部は、所定のクロックパルスを用いて前記制御部の動作を監視しており、前記異常時制御部は、前記監視部から前記クロックパルスを入力して前記パルス信号を生成していることを特徴とする。

本発明の電源供給装置の他の態様は、前記保護特性調整部は、少なくとも短期間の過電流に対する閾値と長期間の過電流に対する閾値を調整することを特徴とする。

本発明の電源供給装置の他の態様は、別の制御装置との間で制御情報を送受信する通信部をさらに備え、前記通信部に異常が発生して前記制御情報が送受信できないときは、前記自己保護手段の前記過電流を監視するための制限値を所定の安全側の設定値に変更することを特徴とする。

本発明によれば、特定の負荷に接続された半導体スイッチの動作状態を、対象システムが安全側となるように維持しつつ、半導体スイッチと電力供給ラインの両方を保護することが可能な電源供給装置を廉価な構成で提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態の電源供給装置の構成を示すブロック図である。 半導体スイッチの過電流保護特性及び電力供給ラインの電線発煙特性の一例を示すグラフである。 過電流保護特性と電線発煙特性の両方を監視できる閾値の一例を示すグラフである。 本発明の第２実施形態の電源供給装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態の電源供給装置の構成を示すブロック図である。

本発明の好ましい実施の形態における電源供給装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

（第１実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る電源供給装置を、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の電源供給装置１００の構成を示すブロック図である。電源供給装置１００は、電源１０から電力供給ライン（電線）１１を経由して各負荷２０に電力を供給する電源系において、各負荷２０への電力供給を制御するとともに、電源系を監視して異常時にこれを保護する機能を有している。

本実施形態の電源供給装置１００は、電源１０から負荷２０への電力供給をオン／オフするための半導体スイッチ１１０と、１以上の半導体スイッチ１１０を制御するとともに各半導体スイッチ１１０とそれぞれが接続されている各電力供給ライン１１を監視・保護するＣＰＵで構成された制御部１２０と、制御部１２０の動作を監視する監視部１３０と、を備えている。また、電源供給装置１００は、他の制御系との間で制御情報を送受信するための通信部１４０を備えていてもよい。

制御部１２０は、各半導体スイッチ１１０に対する外部からの要求信号として外部信号３０を入力している。制御部１２０は、半導体スイッチ１１０に対するオン要求の外部信号３０を入力すると、オン要求された半導体スイッチ１１０に対しこれをオン状態にするための駆動信号３１を出力する。

また制御部１２０は、複数の半導体スイッチ１１０及び電力供給ライン１１を監視・保護する監視・保護手段１２１を有している。半導体スイッチ１１０及び電力供給ライン１１には、過電流に対する制限がそれぞれ設けられており、監視・保護手段１２１はその両方を監視している。過電流に対する制限として、半導体スイッチ１１０に対しては過電流保護特性が設定されている。また、電力供給ライン１１に対しては、電線が過熱して発煙するのを防止するための電線発煙特性が設定されている。制御部１２０は、半導体スイッチ１１０を通電する電流を高精度に検知することができ、これに基づいて過電流を高精度に監視することができる。

半導体スイッチ１１０の過電流保護特性及び電力供給ライン１１の電線発煙特性の一例を図２に示す。図２では、横軸が時間、縦軸が電流をそれぞれ表しており、過電流保護特性及び電線発煙特性をそれぞれ符号Ｃ１、Ｃ２で表している。なお、監視・保護手段１２１で監視される過電流保護特性及び電線発煙特性は、それぞれ１つに限定されず、２以上あってもよい。

半導体スイッチ１１０の過電流に対する制限である過電流保護特性Ｃ１は、短期間であれば比較的大電流を流すことができるが、長期間流すことができる電流値は、期間が長くなるにつれて低下することを示している。また、電力供給ライン１１の発煙を防止するための制限である電線発煙特性Ｃ２は、短期間であれば大電流を流すことができるが、電流を流す期間が長くなると電流値を急激に低下させる必要があることを示している。図２に示す過電流に対する特性より、短期間のときは過電流保護特性Ｃ１が許容される電流の上限となり、長期間のときは電線発煙特性Ｃ２が上限になることが示されている。

半導体スイッチ１１０の過電流を容易に監視・保護できるようにするために、例えば図２に示す過電流保護特性Ｃ１に代えて、短期間（第１の期間Ｔ１以下）の過電流に対する閾値（第１の閾値Ｉ１）と長期間（第１の期間Ｔ１超）の過電流に対する閾値（第２の閾値Ｉ２）に分けて監視するようにしてもよい。同様に、電線発煙特性Ｃ２についても、例えば所定の期間（第２の期間Ｔ２）経過後の電流値に対する閾値（第３の閾値Ｉ３）を設定して監視するようにしてもよい。

制御部１２０の監視・保護手段１２１は、複数の半導体スイッチ１１０とそれぞれの電力供給ライン１１の両方を監視・保護しており、それぞれの過電流保護特性Ｃ１及び電線発煙特性Ｃ２を監視している。そして、監視・保護手段１２１において、過電流保護特性Ｃ１あるいは電線発煙特性Ｃ２に基づく制限を超過する異常を検出すると、当該の半導体スイッチ１１０をオフにして電流を遮断することで、制限を超過した半導体スイッチ１１０あるいは電力供給ライン１１を保護することが可能となっている。

半導体スイッチ１１０は、制御部１２０からの駆動信号３１に従って負荷２０への電流をオン／オフする動作を行うが、それとともにスイッチ自身を保護するための自己保護手段１１１を有している。自己保護手段１１１は、制御部１２０の監視・保護手段１２１と同様に、図２に示す過電流保護特性Ｃ１に対する監視を行っており、過電流保護特性Ｃ１に基づく制限を逸脱する過電流が検出されると、半導体スイッチ１１０自身で電流をオフにして保護する。過電流保護特性Ｃ１に対する監視として、上記説明の短期間（第１の期間Ｔ１以下）の過電流に対する閾値（第１の閾値Ｉ１）と長期間（第１の期間Ｔ１超）の過電流に対する閾値（第２の閾値Ｉ２）を用いて行ってもよい。

制御部１２０は複数の半導体スイッチ１１０を制御していることから、制御部１２０が何らかの不具合で正常に動作しなくなると、すべての負荷への電力供給が停止されてシステムが停止してしまうおそれがある。そこで、本実施形態の電源供給装置１００では、制御部１２０の異常が検出されたとき、少なくとも重要な機能を有する負荷２０への電力供給を上記の過電流に対する制限を超過することなく継続させるために、保護特性調整部１３１を備えている。重要な機能を有する負荷２０として、例えば車両に搭載された電気機器では、ヘッドランプやエンジン系システム等がある。

制御部１２０の異常は、監視部１３０により検出される。監視部１３０は、例えばウォッチドッグ（ＷＤ）の構成のように、制御部１２０から定期的に規定の信号を入力するようにしておき、この規定の信号が入力されないときに制御部１２０が異常と判定するようにすることができる。監視部１３０で制御部１２０の異常が判定されたときは、例えば監視部１３０から制御部１２０にリセット信号（異常判定信号）３２が出力される。監視部１３０からリセット信号３２を入力した制御部１２０は、例えば所定の初期状態にリセットされる。

半導体スイッチ１１０は、自己保護手段１１１により過電流保護特性Ｃ１を監視・保護することができるが、電力供給ライン１１に対する制限である電線発煙特性Ｃ２を監視・保護することができない。電線発煙特性Ｃ２は、制御部１２０により監視・保護されていることから、制御部１２０が異常になると電線発煙特性Ｃ２の監視・保護を行うことができなくなる。そのため、制御部１２０が異常になると、従来は制御部１２０に接続されているすべての半導体スイッチ１１０をオフにする必要があった。

本実施形態の電源供給装置１００では、制御部１２０の異常が検出されたときは、保護特性調整部１３１から半導体スイッチ１１０に所定の調整用信号３３が出力される。半導体スイッチ１１０は、保護特性調整部１３１から調整用信号３３を入力すると、オン状態を維持するとともに自己保護手段１１１で過電流保護特性Ｃ１と電線発煙特性Ｃ２の両方を監視・保護できるようにする。また、半導体スイッチ１１０がオフ状態のときは、オフ状態を維持する。

自己保護手段１１１は、監視用設定値として通常は半導体スイッチ１１０の通電電流に対する過電流保護特性Ｃ１が設定されているが、保護特性調整部１３１から調整用信号３３を入力したときは、これを過電流保護特性Ｃ１と電線発煙特性Ｃ２の両方を監視できるような設定値に変更する。

図２に示すように、所定の電流を流すと短期間のうちは過電流保護特性Ｃ１が過電流に対する制限値となるが、長期間になると電線発煙特性Ｃ２が制限値になってくる。そこで、本実施形態では、過電流保護特性Ｃ１と電線発煙特性Ｃ２の両方を監視できる設定値として、例えば図３に示すＣ３の設定値を自己保護手段１１１で用いるようにしている。これにより、半導体スイッチ１１０と電力供給ライン１１の両方を監視することができる。

制御部１２０の異常が検出されたときの自己保護手段１１１の監視・保護用の設定値として、図３に示す設定値Ｃ３に代えて、同図に示す過電流に対する第４の閾値Ｉ４及び第５のＩ５を用いてもよい。すなわち、通電時間がＴ３までは過電流閾値としてＩ４を用い、通電時間がＴ３を超えると過電流閾値としてＩ５を用いる。これにより、自己保護手段１１１による過電流の監視を簡易化することができる。

制御部１２０の異常が検出されたときの自己保護手段１１１の監視・保護用の別の設定値として、半導体スイッチ１１０の通電電流の大きさに応じて、例えば図３に示す設定値Ｃ３から通電許容時間（以下では過電流検出確定時間という）を求め、これを通電時間に対する制限値に用いることができる。この場合には、通電時間が過電流検出確定時間を超えないように監視する。上記のいずれの方法を用いても、半導体スイッチ１１０と電力供給ライン１１の両方を適切に監視して保護することができる。

本実施形態の電源供給装置１００によれば、制御部１２０に異常が発生しても重要な機能を有する負荷への給電を制御する半導体スイッチ１１０をオン状態のまま維持することができ、システムの安全性向上を図ることができる。これにより、従来は重要度が高いため適用外とされていた負荷の給電制御にも半導体スイッチを適用することが可能となり、半導体スイッチの適用範囲を拡大することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る電源供給装置を、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態の電源供給装置２００の構成を示すブロック図である。本実施形態の電源供給装置２００は、第１実施形態の電源供給装置１００にさらに異常時制御部２３２を備えた構成としている。

異常時制御部２３２は、監視部１３０で制御部１２０の異常が検出されたとき、監視部１３０から制御部１２０に出力されるリセット信号３２を保護特性調整部１３１とともに入力する。それと同時に、制御部１２０に入力されている外部信号３０を入力する。このような構成とすることにより、異常時制御部２３２は、監視部１３０からリセット信号３２を入力すると対象の半導体スイッチ１１０がオン要求されているかを外部信号３０から判定することができる。

異常時制御部２３２において、対象の半導体スイッチ１１０がオン要求されていると判定したときは、制御部１２０の代わりに半導体スイッチ１１０に駆動信号３１を出力する。これにより、半導体スイッチ１１０は、異常時制御部２３２から入力する駆動信号３１に従ってオン状態を維持することができる。

異常時制御部２３２は、半導体スイッチ１１０に対しそれまでのオン状態を維持させる駆動信号３１を出力するように構成することができるが、これに限定されず、制御部１２０の異常に対応した制御を行うように構成することも可能である。一例として、駆動信号３１をＰＷＭ（Ｐulse Ｗidth Ｍodulation）制御信号等のパルス信号とすることができる。負荷２０が例えばランプの場合には、駆動信号３１をパルス信号とすることで、ランプを点滅させることができる。ランプを点滅させることで、電源供給装置２００の異常をユーザに報知することができる。

また、異常時制御部２３２から出力する駆動信号３１をパルス信号としたときは、負荷２０での消費電力が低減されることから、省電力化を図ることができる。さらに、制御部１２０が異常のときは、半導体スイッチ１１０の自己保護手段１１１に設定されている過電流に対する閾値が安全側の低い値に変更されるが、駆動信号３１をパルス信号として通電電流を低下させることにより、低い値に変更されたしきい値を超過させないようにすることができる。

駆動信号３１を間欠的に出力させてパルス信号とする方法として、例えば監視部１３０が制御部１２０を監視するときのクロックパルスを用いることができる。監視部１３０は、前述のように制御部１２０から定期的に規定の信号を入力しているが、定期的に入力するためのクロックパルスを生成している。そこで、異常時制御部２３２は、監視部１３０からこのクロックパルスを入力することで、間欠的な駆動信号３１を半導体スイッチ１１０に出力することが可能となる。これにより、異常時制御部２３２が自らクロックパルスを生成する必要がなくなり、その構成を簡素化することができる。

本実施形態の電源供給装置２００によれば、第１実施形態の電源供給装置１００と同様に、制御部１２０の異常時に重要な負荷２０への給電を維持できるのに加えて、負荷２０への給電を省電力化することができ、これにより過電流閾値を超えないようにすることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る電源供給装置を、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態の電源供給装置３００の構成を示すブロック図である。本実施形態の電源供給装置３００では、保護特性調整部３３１が半導体スイッチ３１０の内部に設けられている。

第１実施形態及び第２実施形態の電源供給装置１００、２００では、制御部１２０の異常を監視部１３０で検知し、監視部１３０からリセット信号３２を入力した保護特性調整部１３１が半導体スイッチ１１０に調整用信号３３を出力することで、半導体スイッチ１１０がそれ自身と電力供給ライン１１の両方を適切に監視できるようにしていた。

これに対し、本実施形態の電源供給装置３００では、制御部１２０の異常を半導体スイッチ３１０で検知するように構成している。半導体スイッチ３１０は、制御部１２０から駆動信号３１を入力していることから、駆動信号３１をチェックすることで制御部１２０の異常を検知することができる。すなわち、半導体スイッチ３１０において、駆動信号３１が正常とされる規定の値になっているか、あるいは正常とされる範囲内にあるかを判定し、正常の規定値になっていない、あるいは正常範囲内にない、と判定したときに制御部１２０の異常を検知することができる。

半導体スイッチ３１０は、上記のようにして制御部１２０の異常を検知すると、内部に備える保護特性調整部３３１により過電流閾値を変更する。これにより、半導体スイッチ３１０と電力供給ライン１１の両方の過電流閾値を満たすように監視することが可能となる。本実施形態では、制御部１２０が異常となったときの処理を半導体スイッチ３１０だけで行えるようにしていることから、電源供給装置３００の構成を簡略化することができる。

本発明の電源供給装置のさらに別の実施形態として、半導体スイッチが制御部から状態通知信号を定期的に入力するようにし、状態通知信号が制御部から出力されなくなったり、状態通知信号の信号値が正常でなくなったときに、半導体スイッチにおいて制御部の異常を判定させるようにすることができる。

また、制御部１２０が正常な場合でも、通信部１４０に異常が発生する等により制御情報の通信が途絶した場合にも、自己保護手段１１１の過電流閾値を例えばあらかじめ記憶された設定値（セーフティーモードの設定値）に変更することで、過電流をより安全側に監視させるようにすることも可能である。

なお、上記実施形態では、電源側（ハイサイド側）のスイッチを例に説明したが、複数のスイッチを少数の制御部によって制御が必要な装置やシステムであれば、その構成には制限されず本発明の電源供給装置を適用することができる。本実施の形態における記述は、本発明に係る電源供給装置の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における電源供給装置の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１０ 電源
１１ 電力供給ライン
２０ 負荷
１００、２００、３００ 電源供給装置
１１０、３１０ 半導体スイッチ
１１１ 自己保護手段
１２０ 制御部
１３０ 監視部
１３１、３３１ 保護特性調整部
１４０ 通信部
２３２ 異常時制御部

Claims (8)

1. 電源から負荷に電力供給するための電力供給ラインに設けられて通電電流をオン／オフするとともに１以上の過電流保護特性に基づいて過電流を監視する自己保護手段を有する半導体スイッチと、
   １以上の前記半導体スイッチを制御するとともに前記半導体スイッチ及び前記電力供給ラインを監視・保護する監視・保護手段を有する制御部と、
   前記制御部の動作を監視する監視部と、
   前記監視部で前記制御部の異常が検出されたときに前記自己保護手段が有する過電流を監視するための制限値を調整する保護特性調整部と、を備える
   ことを特徴とする電源供給装置。
2. 前記保護特性調整部は、前記過電流を監視するための制限値の調整として、前記半導体スイッチに対する前記過電流保護特性と前記電力供給ラインに対する電線発煙特性の両方を満たすように過電流に対する閾値を調整する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源供給装置。
3. 前記保護特性調整部は、前記過電流を監視するための制限値の調整として、前記半導体スイッチに対する前記過電流保護特性と前記電力供給ラインに対する電線発煙特性の両方を満たすように前記半導体スイッチの通電電流に対する通電許容時間を調整する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源供給装置。
4. 前記監視部で前記制御部の異常が検出されたとき、前記半導体スイッチに所定の駆動信号を出力する異常時制御部をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源供給装置。
5. 前記異常時制御部は、前記駆動信号として所定の周期でオンとオフを繰り返すパルス信号を出力する
   ことを特徴とする請求項４に記載の電源供給装置。
6. 前記監視部は、所定のクロックパルスを用いて前記制御部の動作を監視しており、
   前記異常時制御部は、前記監視部から前記クロックパルスを入力して前記パルス信号を生成している
   ことを特徴とする請求項５に記載の電源供給装置。
7. 前記保護特性調整部は、少なくとも短期間の過電流に対する閾値と長期間の過電流に対する閾値を調整する
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電源供給装置。
8. 別の制御装置との間で制御情報を送受信する通信部をさらに備え、
   前記通信部に異常が発生して前記制御情報が送受信できないときは、前記自己保護手段の前記過電流を監視するための制限値を所定の安全側の設定値に変更する
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電源供給装置。
   

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