JP2014202625A

JP2014202625A - スイッチ素子の故障検出回路

Info

Publication number: JP2014202625A
Application number: JP2013079468A
Authority: JP
Inventors: 謙次恒吉; Kenji Tsuneyoshi; 正文永見; Masabumi Nagami
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2013-04-05
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2014-10-27

Abstract

【課題】スイッチ素子のオープン故障、ショート故障、リーク故障を確実に検出する。【解決手段】故障検出回路２０の電流源回路２２をスイッチ素子１０の電流経路のうち一方の端子１１に接続して、他方の端子１２を故障検出回路２０に帰還するように接続して、基準電圧発生回路２４で発生する基準電圧Ｖrefを、スイッチ素子１０が負荷１４を駆動したときに、スイッチ素子１０の一方の端子１１と他方の端子１２の間に発生する端子間電圧ＶＤＳよりも高い電圧になるように設定する。そして、スイッチ素子１０にリーク故障が発生したときに、スイッチ素子１０に流れるリーク電流Ｉｒによって発生する端子間電圧ＶＤＳが基準電圧Ｖrefよりも低くなるように、電流源回路２２に流す電流を設定する。さらに、負荷１４への電源供給の有無に関わらず、スイッチ素子１０を切断したときに発生する端子間電圧ＶＤＳを基準電圧Ｖrefよりも低くなるように設定する。【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、電気自動車や燃料電池車、あるいはハイブリッド車の空調装置に用いられる車両用電気ヒータ装置、または、車両全般に用いられるソレノイドやモータ等の電力を消費する負荷の駆動制御を行うスイッチ素子の故障検出回路に関するものである。

自動車等の車両には、ヒータ装置やソレノイド、モータ等の電力を消費する負荷が多数用いられており、その負荷に通電を行うために、大電力を短時間で断続することが可能な、パワーＭＯＳＦＥＴや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のパワーデバイスと呼ばれるスイッチ素子が用いられている。（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−１４９８７６号公報

このようなスイッチ素子に発生する可能性がある故障の形態として、スイッチ素子の一部が切断される開放故障（オープン故障）、スイッチ素子の一部が短絡される短絡故障（ショート故障）、および、温度上昇や耐久劣化などの要因によって、スイッチ素子が切断状態であるにも関わらず、電子回路上で絶縁されていて本来電流が流れないはずの場所に微小な電流（リーク電流）が漏れ出すリーク故障の３種類がよく知られている。このうち、リーク故障は、オープン故障やショート故障に至る初期の段階で発生する可能性がある。

特許文献１に記載された発明によると、オープン故障を電圧検出回路によって検出して、ショート故障を電流検出回路によって検出している。

すなわち、特許文献１に記載された発明は、ショート故障とオープン故障をそれぞれ別の検出方法によって検出しているため、故障検出を行うための回路構成が複雑になるという問題があった。さらに、特許文献１に記載された発明は、ショート故障やオープン故障の初期段階で発生する可能性があるリーク故障の検出を行っていない。すなわち、故障を初期段階で検出できる構成にはなっていなかった。

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、スイッチ素子がオープン故障やショート故障、リーク故障を起こしたときに、簡単な回路構成で、それらの故障の発生を容易かつ確実に検出することができるスイッチ素子の故障検出回路を提供することを目的とする。

本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路は、スイッチ素子に、オープン故障、ショート故障、リーク故障のいずれかが発生したときに、故障の発生を確実に検出するものである。

すなわち、本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路は、直流電源に接続されて電力消費を伴う動作を行う負荷と、前記負荷の動作を断続するスイッチ素子と、を有し、さらに、前記スイッチ素子に対して、内部抵抗によって定まる所定の電流を流す電流源と、所定の基準電圧を発生する基準電圧源と、前記電流源から流れた電流を電圧に変換して前記基準電圧と比較する電圧比較部と、を備えた故障検出部と、を有して、前記電流源は、前記スイッチ素子を導通させたときに電流経路をなす両端子のうち一方の端子に接続されるとともに、他方の端子が前記故障検出部に帰還するように接続されて、前記基準電圧が、前記スイッチ素子が前記負荷を動作させたときに前記両端子間に発生する電圧よりも高い電圧に設定されて、前記電流源の内部抵抗が、前記両端子間に所定のリーク電流が流れたときに、前記両端子間に発生する電圧が、前記基準電圧よりも低くなるように設定されることを特徴とする。

このように構成されたスイッチ素子の故障検出回路によれば、故障検出部の電流源が、スイッチ素子を導通させたときに電流経路をなす両端子のうち一方の端子に接続されて、スイッチ素子の電流経路をなす他方の端子が故障検出部に帰還するように接続されて、故障検出部の基準電圧源で発生される基準電圧が、スイッチ素子が負荷を動作させたときに、スイッチ素子の両端子間に発生する電圧よりも高い電圧に設定されるため、スイッチ素子にオープン故障が発生すると、負荷への電源供給の有無に関わらず、スイッチ素子を導通させたときにスイッチ素子の両端子間に発生する電圧が基準電圧よりも高くなるため、電圧比較部において、スイッチ素子にオープン故障が発生したことを確実に検出することができる。

そして、スイッチ素子にリーク故障が発生すると、スイッチ素子を導通させていないときであっても、スイッチ素子に流れるリーク電流によって、スイッチ素子の両端子間に発生する電圧が基準電圧よりも低くなるため、電圧比較部において、スイッチ素子にリーク故障が発生したことを確実に検出することができる。

また、スイッチ素子にショート故障が発生すると、負荷への電源供給の有無に関わらず、スイッチ素子を導通させていないときにスイッチ素子の両端子間に発生する電圧が基準電圧よりも低くなるため、電圧比較部において、スイッチ素子にショート故障が発生したことを確実に検出することができる。

また、本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路は、前記電圧比較部がコンパレータで構成されていることを特徴とする。

このように構成されたスイッチ素子の故障検出回路によれば、コンパレータで構成された電圧比較部において、正極入力端子に入力された端子電圧と負極入力端子に入力された端子電圧を比較することによって、スイッチ素子のオープン故障、ショート故障、リーク故障の発生を検出するため、スイッチ素子に故障が発生したことを、単一の簡単な回路構成によって検出することができる。

また、本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路は、前記スイッチ素子に接続されて、前記スイッチ素子に対して、前記スイッチ素子の導通状態と非導通状態を制御するスイッチ素子制御信号を入力するスイッチ素子制御部と、前記スイッチ素子制御信号と前記電圧比較部の出力信号との排他的論理和を演算するスイッチ素子動作状態確認部と、
を有することを特徴とする

このように構成されたスイッチ素子の故障検出回路によれば、スイッチ素子動作状態確認部において、スイッチ素子の断続を制御するスイッチ素子制御信号と、電圧比較部の出力信号の排他的論理和を演算するため、スイッチ素子制御信号の状態と、電圧比較部から出力される出力信号の状態とによって表現することができるスイッチ素子の故障の状態（オープン故障、ショート故障、リーク故障）を、簡単な回路で容易に識別することができる。

また、本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路は、前記スイッチ素子と、前記故障検出回路と、を、前記負荷の上流側と下流側にそれぞれ設けて、前記負荷の上流側と下流側のうち少なくとも一方の前記故障検出回路で、オープン故障、ショート故障、またはリーク故障が検出されたときは、前記負荷の上流側と下流側の前記スイッチ素子をともに切断することを特徴とする。

このように構成されたスイッチ素子の故障検出回路によれば、負荷の上流側または下流側のスイッチ素子に、オープン故障、ショート故障、またはリーク故障が発生したことを検出したときに、負荷の上流側スイッチ素子、および下流側スイッチ素子を確実に遮断するため、負荷の動作を確実に停止して、負荷の損傷を防止することができる。

本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路によれば、スイッチ素子のオープン故障、ショート故障、およびリーク故障の発生を確実に検出することができるという効果が得られる。

本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路の実施例１の構成を示すブロック図である。本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路の実施例１の具体的な回路構成を示す図である。本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路の動作を示すタイムチャートであり、スイッチ素子が正常な状態であるときのスイッチ素子の故障検出回路の動作を示すタイムチャートである。本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路の動作を示すタイムチャートであり、スイッチ素子にリーク故障が発生したときのスイッチ素子の故障検出回路の動作を示すタイムチャートである。本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路の動作を示すタイムチャートであり、スイッチ素子にショート故障が発生したときのスイッチ素子の故障検出回路の動作を示すタイムチャートである。本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路の動作を示すタイムチャートであり、スイッチ素子にオープン故障が発生したときのスイッチ素子の故障検出回路の動作を示すタイムチャートである。本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路の実施例２の構成を示すブロック図である。

以下、本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路の実施例について、図面を参照して説明する。

以下、本発明の実施例を、図１から図３を用いて説明する。図１は、図示しない車両に搭載された、本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路の構成の一例を表わすブロック図である。

［スイッチ素子の故障検出回路の構成の説明］
本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路５は、図１に示すように、図示しない車両に搭載されて、スイッチ素子１０と、負荷１４と、車両のバッテリー電源１５と、電源スイッチ１６と、スイッチ素子制御部１８と、故障検出回路２０（故障検出部）と、からなる。

スイッチ素子１０は、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のパワーデバイスで構成されて、後述する負荷１４に供給する電力の断続を行う。

負荷１４は、スイッチ素子１０に接続されて、図示しない車両に搭載されたヒータ装置やソレノイド、モータ等の、電力消費を伴う動作を行う。

バッテリー電源１５は、図示しない車両のバッテリーから、負荷１４および電源回路３０に所定の直流電圧を供給する直流電源である。

電源スイッチ１６は、負荷１４へのバッテリー電源１５の供給を断続するスイッチであり、図示しない外部からの制御によって、その導通、非導通を制御できるものとする。

スイッチ素子制御部１８は、ＴＴＬレベルで変化するスイッチ素子制御信号Ｃを発生する。発生されたスイッチ素子制御信号Ｃは、スイッチ素子１０のゲートに相当する端子１３に入力されて、スイッチ素子１０の断続を制御する。

故障検出回路２０（故障検出部）は、スイッチ素子１０の故障の発生を検出する回路であり、内部抵抗によって決定される所定の電流を流す電流源回路２２（電流源）と、所定の基準電圧を発生する基準電圧発生回路２４（基準電圧源）と、電流源から流れ出した電流を電圧に変換して基準電圧と比較して、電圧比較信号Ｄを出力する比較回路２６（電圧比較部）と、スイッチ素子１０の動作状態を確認するスイッチ素子動作状態確認部２８と、故障検出回路２０（故障検出部）の各部に供給する電源を備えた電源回路３０を備えている。そして、電流源回路２２（電流源）は、スイッチ素子１０を導通させたときに電流経路をなす端子１１，１２のうち一方の端子１１に接続されている。また、他方の端子１２は、故障検出回路２０（故障検出部）に帰還するように接続されている。なお、故障検出回路２０（故障検出部）の詳細な回路構成については後述する。

［スイッチ素子の故障検出回路の具体的回路構成の説明］
次に、図２を用いて、図１に示したスイッチ素子の故障検出回路５の詳細な回路構成について説明する。

図２に示すように、スイッチ素子１０には、例えば、ＭＯＳＦＥＴが用いられる。図２において、スイッチ素子１０を導通させると、電流は、ドレインに相当する端子１１と、ソースに相当する端子１２の間の経路を流れる。なお、図２に示すＭＯＳＦＥＴはＮチャネル型だが、これに限定されるものではなく、Ｐチャネル型を用いてもよい。さらに、ＭＯＳＦＥＴではなく、ＩＧＢＴ等のパワーデバイスを用いてもよい。

故障検出回路２０（故障検出部）は、以下の詳細構成を有している。電流源回路２２（電流源）は、直流電源Ｖ_ＤＤ１と内部抵抗Ｒ_ＳＥＮで構成されており、後述する比較回路２６と端子１１とが接続されている。

基準電圧発生回路２４（基準電圧源）は、直流電源Ｖ_ＤＤ２を、抵抗Ｒ_１と抵抗Ｒ_２で分圧して所定の基準電圧Ｖrefを生成し、生成された基準電圧Ｖrefを、後述する比較回路２６に入力する。

比較回路２６（電圧比較部）はコンパレータ２７で構成されている。その正極入力端子２７ａには基準電圧Ｖrefが入力されて、負極入力端子２７ｂには、スイッチ素子１０の端子１１が接続されている。そして、電流源回路２２（電流源）が、比較回路２６（電圧比較部）の負極入力端子２７ｂとスイッチ素子１０の端子１１との間に接続される。比較回路２６（電圧比較部）は、後述する電源回路３０で生成された直流電源Ｖ_ＤＤ１，Ｖ_ＤＤ２が入力されることによって動作する。

スイッチ素子動作状態確認部２８は排他的論理和を演算するＸＯＲ（Exclusive OR）演算素子で構成されている。そして、スイッチ素子動作状態確認部２８には、比較回路２６（電圧比較部）から出力される電圧比較信号Ｄと、スイッチ素子制御部１８から出力されるスイッチ素子制御信号Ｃが入力されて、排他的論理和が演算される。演算結果は故障判定信号Ｅとして出力される。

電源回路３０は、図１，図２に図示しない車両から供給されるバッテリー電源１５（Ｖbat）から直流電源Ｖ_ＤＤ１を生成する第１レギュレータ３１と、バッテリー電源１５（Ｖbat）から直流電源Ｖ_ＤＤ２を生成する第２レギュレータ３２を備えている。第１レギュレータ３１と第２レギュレータ３２としては、ＬＤＯ（Low Drop Output）と呼ばれる入力電圧と出力電圧の差が小さい電源ＩＣが用いられる。そして、生成された直流電源Ｖ_ＤＤ１は、電流源回路２２（電流源）と比較回路２６（電圧比較部）に供給されて、直流電源Ｖ_ＤＤ２は、基準電圧発生回路２４（基準電圧源）と比較回路２６（電圧比較部）に供給される。

なお、スイッチ素子動作状態確認部２８から出力される故障判定信号Ｅはスイッチ素子制御部１８に入力されて、スイッチ素子１０に故障が検出されたときに、スイッチ素子１０の導通を抑止する。そして、これによって、スイッチ素子１０に故障が検出されたときには負荷１４が動作を停止する。

［スイッチ素子の故障検出回路の定数設定方法の説明］
次に、図２の回路の具体的な動作について説明する。

まず、回路の動作に影響する素子の定数を決定する方法について説明する。基準電圧Ｖrefの値と、電流源回路２２（電流源）から流れ出す電流値を規定する内部抵抗Ｒ_ＳＥＮの値は、以下のようにして決定する。

負荷１４として、実際に使用される所定の負荷を駆動したときに、スイッチ素子１０の端子１１とスイッチ素子１０のソースに相当する端子１２間に２０Ａの電流が流れるものと仮定する。このとき、スイッチ素子１０のＯＮ抵抗を０．１Ωと仮定すると、スイッチ素子１０の端子１１と端子１２間に発生する端子間電圧Ｖ_ＤＳは、０．１Ω×２０Ａ＝２Ｖとなる。

さらに、スイッチ素子１０が切断しているときに、スイッチ素子１０の端子１１と端子１２間にリーク電流Ｉｒとして１０μＡの電流が流れたときに、スイッチ素子１０にリーク故障が発生したものとみなすことにする。すなわち、通常数十ＭΩあるスイッチ素子の端子１１と端子１２間のＯＦＦ抵抗が、２Ｖ／１０μＡ＝２００ｋΩ以下に低下した状態を検出する設定とする。

さらに、基準電圧Ｖrefは、回路を構成する素子の定数誤差が１０％あるものと仮定して、負荷１４を駆動したときの端子間電圧Ｖ_ＤＳである２Ｖに対して、素子の定数誤差を加味した電圧値、すなわちＶref＝２Ｖ×１．１＝２．２Ｖに設定する。

なお、図２において、電圧１２Ｖのバッテリー電源１５（Ｖbat）を、第１レギュレータ３１によって、Ｖ_ＤＤ１＝９Ｖに定電圧化するものとする。このとき、リーク電流Ｉｒとして１０μＡの電流が流れたときに、スイッチ素子１０の端子間電圧Ｖ_ＤＳが２Ｖになるように、電流源回路２２（電流源）の内部抵抗Ｒ_ＳＥＮの値を設定する。

ここで、図２の回路では、Ｖbat＞Ｖ_ＤＤ１となるため、電流源回路２２（電流源）とスイッチ素子１０の端子１１の間に、故障検出回路２０（故障検出部）側に電流が逆流しないようにダイオードＤ_１を挿入する。このダイオードＤ_１に順方向電圧をかけたときに生じる順方向電圧Ｖｆを０．６Ｖと仮定する。

以上の条件設定の下で、電流源回路２２（電流源）の内部抵抗Ｒ_ＳＥＮを算出すると、（式１）のようになる。
Ｒ_ＳＥＮ＝（Ｖ_ＤＤ１−Ｖｆ−Ｖ_ＤＳ）／Ｉｒ＝（９−０．６−２）／１０μＡ＝６４０ｋΩ （式１）

また、基準電圧Ｖrefを２．２Ｖに設定するために、第２レギュレータ３２で生成される直流電源Ｖ_ＤＤ２の電圧値に基づいて、基準電圧発生回路２４（基準電圧源）の抵抗Ｒ_１と抵抗Ｒ_２の値が設定される。

なお、図２の回路構成は、上記説明に限定されるものではなく、実際に使用される負荷１４の種類や供給されるバッテリー電源１５の電圧等に応じて、適宜設定される。

例えば、スイッチ素子の故障検出回路５が電気自動車に適用された場合、バッテリー電源１５（Ｖbat）として高電圧電源（例えば３５０Ｖ）が用いられる。このような場合、電源回路３０にはバッテリー電源１５（Ｖbat）ではなく、低電圧系の電源（例えば１２Ｖ）が供給されて、ＤＣＤＣコンバータによって必要な定電圧電源を作る構成とするのが望ましい。

次に、図２の回路の具体的な動作について、図３から図６のタイムチャートを用いて、スイッチ素子１０の状態毎に説明する。

［スイッチ素子が正常なときの動作の説明］
図３は、図２のスイッチ素子１０が正常に動作しているときの、回路各部における信号のタイムチャートを示している。

電源ＳＷと記した信号は、電源スイッチ１６の状態を表わしている。すなわち、時刻ｔ_０から時刻ｔ_２までは電源スイッチ１６が切断（ＯＦＦ）の状態にあり、時刻ｔ_２以降は電源スイッチ１６が導通（ＯＮ）の状態にあることを示している。

スイッチ素子制御信号Ｃは、時刻ｔ_０から時刻ｔ_１まではＬＯレベル、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２まではＨＩレベルに変化して、以降、同様のパターンでＨＩレベルとＬＯレベルを繰り返す。スイッチ素子制御信号ＣがＬＯレベルのときは、スイッチ素子１０が切断状態となって、負荷１４は動作を停止する。また、スイッチ素子制御信号ＣがＨＩレベルのときは、スイッチ素子１０が導通状態となって、負荷１４は動作を行う。

電源スイッチ１６とスイッチ素子制御信号Ｃを上記のように変化させたとき、スイッチ素子１０が正常に動作しているときは、コンパレータ２７の負極入力端子２７ｂの端子電圧Ｖ−が、図３に示すように変化する。

すなわち、電源スイッチ１６がＯＦＦでスイッチ素子制御信号ＣがＬＯのとき（時刻ｔ_０から時刻ｔ_１）は、スイッチ素子１０は非導通であるため、スイッチ素子１０の端子１１と端子１２間には電流が流れない。このとき、負極入力端子２７ｂには、直流電源Ｖ_ＤＤ１の直流電圧がかかる。すなわち端子電圧Ｖ−は、正極入力端子２７ａの端子電圧Ｖ＋である基準電圧Ｖrefよりも高くなる。すなわち、Ｖ−＞Ｖ＋（＝Ｖref）であるため、電圧比較信号ＤはＬＯレベルとなり、スイッチ素子制御信号Ｃと電圧比較信号Ｄの排他的論理和によって生成される故障判定信号ＥはＬＯレベルとなって、スイッチ素子１０は正常な状態であると認識される。

電源スイッチ１６がＯＦＦでスイッチ素子制御信号ＣがＨＩのとき（時刻ｔ_１から時刻ｔ_２）は、負荷１４は動作しないが、電流源回路２２（電流源）からスイッチ素子１０の端子１１に向けて電流が流れ、これによって、端子１１と端子１２間には電流が流れる。そのため、コンパレータ２７の端子電圧Ｖ−は、基準電圧Ｖrefよりも低くなる。すなわち、Ｖ−＜Ｖ＋（＝Ｖref）であるため、電圧比較信号ＤはＨＩレベルとなり、故障判定信号ＥはＬＯレベルとなって、スイッチ素子１０は正常な状態であると認識される。

電源スイッチ１６がＯＮでスイッチ素子制御信号ＣがＬＯのとき（時刻ｔ_２から時刻ｔ_３）は、スイッチ素子１０の端子１１と端子１２間には電流が流れない。このとき、コンパレータ２７の負極入力端子２７ｂには、直流電源Ｖ_ＤＤ１の直流電圧がかかる。すなわち、端子電圧Ｖ−は、正極入力端子２７ａの端子電圧Ｖ＋である基準電圧Ｖrefよりも高くなる。すなわち、Ｖ−＞Ｖ＋（＝Ｖref）であるため、電圧比較信号ＤはＬＯレベルとなり、スイッチ素子制御信号Ｃと電圧比較信号Ｄの排他的論理和によって生成される故障判定信号ＥはＬＯレベルとなって、スイッチ素子１０は正常な状態であると認識される。

電源スイッチ１６がＯＮでスイッチ素子制御信号ＣがＨＩのとき（時刻ｔ_３以降）は、負荷１４が動作して、バッテリー電源１５（Ｖbat）からスイッチ素子１０の端子１１を経て、端子１２に電流が流れる。そのため、コンパレータ２７の負極入力端子２７ｂにかかる端子電圧Ｖ−は、基準電圧Ｖrefよりも低くなる。すなわち、Ｖ−＜Ｖ＋（＝Ｖref）であるため、電圧比較信号ＤはＨＩレベルとなり、故障判定信号ＥはＬＯレベルとなって、スイッチ素子１０は正常な状態であると認識される。

［スイッチ素子がリーク故障を起こしたときの動作の説明］
図４は、図２のスイッチ素子１０がリーク故障を起こしたときの、回路各部の信号のタイムチャートを示している。

電源スイッチ１６がＯＦＦでスイッチ素子制御信号ＣがＬＯのとき（時刻ｔ_０から時刻ｔ_１）、スイッチ素子１０の端子１１と端子１２間にリーク電流Ｉｒが流れると、端子間電圧Ｖ_ＤＳは基準電圧Ｖrefよりも低くなる。そして、この端子間電圧Ｖ_ＤＳがコンパレータ２７の負極入力端子２７ｂにかかるため、負極入力端子２７ｂの端子電圧Ｖ−はＶ−＜Ｖ＋（＝Ｖref）となって、電圧比較信号ＤはＨＩレベルとなり、スイッチ素子制御信号Ｃと電圧比較信号Ｄの排他的論理和によって生成される故障判定信号ＥはＨＩレベルとなって、スイッチ素子１０に故障が発生していることが検出される。

電源スイッチ１６がＯＦＦでスイッチ素子制御信号ＣがＨＩのとき（時刻ｔ_１から時刻ｔ_２）は、負荷１４は動作しないが、電流源回路２２（電流源）からスイッチ素子１０の端子１１に向けて電流が流れ、これによって、端子１１と端子１２間には電流が流れる。そのため、コンパレータ２７の負極入力端子２７ｂの端子電圧Ｖ−は、基準電圧Ｖrefよりも低くなる。すなわち、Ｖ−＜Ｖ＋（＝Ｖref）であるため、電圧比較信号ＤはＨＩレベルとなり、故障判定信号ＥはＬＯレベルとなる。

電源スイッチ１６がＯＮでスイッチ素子制御信号ＣがＬＯのとき（時刻ｔ_２から時刻ｔ_３）は、スイッチ素子１０の端子１１と端子１２間にはリーク電流Ｉｒが流れる。しかし、このとき、コンパレータ２７の負極入力端子２７ｂには、直流電源Ｖ_ＤＤ１の直流電圧がかかるため、端子電圧Ｖ−は基準電圧Ｖrefよりも高くなる。すなわち、Ｖ−はＶ−＞Ｖ＋（＝Ｖref）であるため、電圧比較信号ＤはＬＯレベルとなって、故障判定信号ＥはＬＯレベルとなる。

電源スイッチ１６がＯＮでスイッチ素子制御信号ＣがＨＩのとき（時刻ｔ_３以降）は、負荷１４が動作して、バッテリー電源１５（Ｖbat）からスイッチ素子１０の端子１１を経て、端子１２に電流が流れる。そのため、コンパレータ２７の負極入力端子２７ｂにかかる端子電圧Ｖ−は、基準電圧Ｖrefよりも低くなる。すなわち、Ｖ−＜Ｖ＋（＝Ｖref）であるため、電圧比較信号ＤはＨＩレベルとなり、故障判定信号ＥはＬＯレベルとなる。

［スイッチ素子がショート故障を起こしたときの動作の説明］
図５は、図２のスイッチ素子１０がショート故障を起こしたときの、回路各部の信号のタイムチャートを示している。

電源スイッチ１６がＯＦＦでスイッチ素子制御信号ＣがＬＯのとき（時刻ｔ_０から時刻ｔ_１）は、スイッチ素子１０の端子１１と端子１２間に短絡電流が流れる。そのため、端子間電圧Ｖ_ＤＳは基準電圧Ｖrefよりも低くなる。そして、この端子間電圧Ｖ_ＤＳがコンパレータ２７の負極入力端子２７ｂにかかるため、負極入力端子２７ｂの端子電圧Ｖ−は、正極入力端子２７ａの端子電圧Ｖ＋である基準電圧Ｖrefよりも低くなる。すなわち、Ｖ−＜Ｖ＋（＝Ｖref）であるため、電圧比較信号ＤはＨＩレベルとなり、スイッチ素子制御信号Ｃと電圧比較信号Ｄの排他的論理和によって生成される故障判定信号ＥはＨＩレベルとなって、スイッチ素子１０に故障が発生していることが検出される。

電源スイッチ１６がＯＮでスイッチ素子制御信号ＣがＬＯのとき（時刻ｔ_２から時刻ｔ_３）は、スイッチ素子１０の端子１１と端子１２間に短絡電流が流れる。そのため、端子間電圧Ｖ_ＤＳは基準電圧Ｖrefよりも低くなる。そして、この端子間電圧Ｖ_ＤＳがコンパレータ２７の負極入力端子２７ｂにかかるため、負極入力端子２７ｂの端子電圧Ｖ−は、基準電圧Ｖrefよりも低くなる。すなわち、Ｖ−＜Ｖ＋（＝Ｖref）であるため、電圧比較信号ＤはＨＩレベルとなり、故障判定信号ＥはＨＩレベルとなって、スイッチ素子１０に故障が発生していることが検出される。

［スイッチ素子がオープン故障を起こしたときの動作の説明］
図６は、図２のスイッチ素子１０がオープン故障を起こしたときの、回路各部の信号のタイムチャートを示している。

電源スイッチ１６がＯＦＦでスイッチ素子制御信号ＣがＬＯのとき（時刻ｔ_０から時刻ｔ_１）は、スイッチ素子１０は非導通であるため、スイッチ素子１０の端子１１と端子１２間には電流が流れない。このとき、コンパレータ２７の負極入力端子２７ｂには、直流電源Ｖ_ＤＤ１の直流電圧がかかる。すなわち、負極入力端子２７ｂの端子電圧Ｖ−は、正極入力端子２７ａの端子電圧Ｖ＋である基準電圧Ｖrefよりも高くなる。すなわち、Ｖ−＞Ｖ＋（＝Ｖref）であるため、電圧比較信号ＤはＬＯレベルとなり、スイッチ素子制御信号Ｃと電圧比較信号Ｄの排他的論理和によって生成される故障判定信号ＥはＬＯレベルとなる。

電源スイッチ１６がＯＦＦでスイッチ素子制御信号ＣがＨＩのとき（時刻ｔ_１から時刻ｔ_２）は、負荷１４は動作せず、また、スイッチ素子１０がオープン故障を起こしているため、コンパレータ２７の負極入力端子２７ｂには、直流電源Ｖ_ＤＤ１の直流電圧がかかる。すなわち、負極入力端子２７ｂの端子電圧Ｖ−は、正極入力端子２７ａの端子電圧Ｖ＋である基準電圧Ｖrefよりも高くなる。すなわち、Ｖ−＞Ｖ＋（＝Ｖref）であるため、電圧比較信号ＤはＬＯレベルとなり、スイッチ素子制御信号Ｃと電圧比較信号Ｄの排他的論理和によって生成される故障判定信号ＥはＨＩレベルとなって、スイッチ素子１０に故障が発生していることが検出される。

電源スイッチ１６がＯＮでスイッチ素子制御信号ＣがＬＯのとき（時刻ｔ_２から時刻ｔ_３）は、スイッチ素子１０の端子１１と端子１２間には電流が流れない。このとき、コンパレータ２７の負極入力端子２７ｂには、直流電源Ｖ_ＤＤ１の直流電圧がかかる。すなわち、負極入力端子２７ｂの端子電圧Ｖ−は、正極入力端子２７ａの端子電圧Ｖ＋である基準電圧Ｖrefよりも高くなる。すなわち、Ｖ−＞Ｖ＋（＝Ｖref）であるため、電圧比較信号ＤはＬＯレベルとなり、故障判定信号ＥはＬＯレベルとなる。

電源スイッチ１６がＯＮでスイッチ素子制御信号ＣがＨＩのとき（時刻ｔ_３以降）は、負荷１４は動作せず、また、スイッチ素子１０がオープン故障を起こしているため、コンパレータ２７の負極入力端子２７ｂには、直流電源Ｖ_ＤＤ１の直流電圧がかかる。すなわち、負極入力端子２７ｂの端子電圧Ｖ−は、正極入力端子２７ａの端子電圧Ｖ＋である基準電圧Ｖrefよりも高くなる。すなわち、Ｖ−＞Ｖ＋（＝Ｖref）であるため、電圧比較信号ＤはＬＯレベルとなり、故障判定信号ＥはＨＩレベルとなって、スイッチ素子１０に故障が発生していることが検出される。

以上説明したように、スイッチ素子１０に、リーク故障，ショート故障，オープン故障のいずれの故障が発生した場合であっても、故障検出回路２０（故障検出部）は、それらの故障を確実に検出することができる。

故障判定信号Ｅはスイッチ素子制御部１８に接続されて、スイッチ素子１０の故障（リーク故障，ショート故障，オープン故障）が検出されたときには、それ以降、スイッチ素子制御部１８からスイッチ素子１０に対して、スイッチ素子制御信号Ｃの出力を中止する。これによって負荷１４の動作が停止される。このようにして、スイッチ素子１０に故障が発生したときには、即座に負荷１４の動作を停止して、負荷１４の損傷を防止することができる。

次に、本発明の実施例２について説明する。図７は、本発明に係るスイッチ素子の故障検出回路５０の構成を示すブロック図である。

本実施例は、本発明を、車両（図７に非図示）に搭載されて、負荷６４である車両用電気ヒータ装置を駆動するスイッチ素子の故障検出回路５０に適用した例である。

具体的な構成を説明すると、スイッチ素子の故障検出回路５０は、図示しない車両に搭載されて、通電によって発熱するＰＴＣ素子（Positive Temperature Coefficient）を用いた車両用電気ヒータ装置である負荷６４と、上流側スイッチ素子６０ａと、上流側故障検出回路７０ａ（故障検出部）と、下流側スイッチ素子６０ｂと、下流側故障検出回路７０ｂ（故障検出部）と、スイッチ素子制御部６８と、車両のバッテリー電源６５（Ｖbat）と、からなる。

そして、上流側スイッチ素子６０ａおよび下流側スイッチ素子６０ｂは、負荷６４を挟んで上下（上流と下流）にそれぞれ接続されており、一方のスイッチ素子に対して、他方のスイッチ素子が、図１または図２に示した電源スイッチ１６の役割を担っている。

また、上流側スイッチ素子６０ａが導通したときに電流が流れる電流経路をなす両端子のうち一方の端子６１ａと他方の端子６２ａの間に、上流側故障検出回路７０ａ（故障検出部）が接続されて、下流側スイッチ素子６０ｂが導通したときに電流が流れる電流経路をなす両端子のうち一方の端子６１ｂと他方の端子６２ｂの間に、下流側故障検出回路７０ｂ（故障検出部）が接続されている。

そして、上流側故障検出回路７０ａ（故障検出部）で上流側スイッチ素子６０ａの故障が検出されたことを検出したとき、または、下流側故障検出回路７０ｂ（故障検出部）で下流側スイッチ素子６０ｂの故障が検出されたことを検出したとき、故障検出部７０ａまたは７０ｂは、負荷６４への通電を遮断して負荷６４を保護するように動作する。

なお、負荷６４の上流側と下流側に、それぞれスイッチ素子と故障検出回路を備えているのは、故障が発生した時に、その故障が例えば初期のリーク故障のように微細な故障であっても、その故障を確実に検出するためである。

上流側スイッチ素子６０ａと下流側スイッチ素子６０ｂは、それぞれ、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のパワーデバイスで構成されて、後述する負荷６４に供給する電力の断続を行う。

スイッチ素子制御部６８は、ＴＴＬレベルで変化するスイッチ素子制御信号Ｃを発生する。発生したスイッチ素子制御信号Ｃは、上流側スイッチ素子６０ａのゲートに相当する端子６３ａに入力されて上流側スイッチ素子６０ａの断続を制御するとともに、下流側スイッチ素子６０ｂのゲートに相当する端子６３ｂに入力されて下流側スイッチ素子６０ｂの断続を制御する。また、スイッチ素子制御信号Ｃは、後述する上流側スイッチ素子動作状態確認部７８ａと下流側スイッチ素子動作状態確認部７８ｂにも入力される。

バッテリー電源６５は、図示しない車両のバッテリーから、負荷６４および上流側電源回路８０ａ，下流側電源回路８０ｂに所定の直流電圧を供給する直流電源である。

上流側故障検出回路７０ａ（故障検出部）は、所定の電流を流す上流側電流源回路７２ａ（電流源）と、所定の基準電圧を発生する上流側基準電圧発生回路７４ａ（基準電圧源）と、上流側電流源回路７２ａから流れ出した電流を電圧に変換して基準電圧と比較して、上流側電圧比較信号Ｄａを出力する上流側比較回路７６ａ（電圧比較部）と、上流側電圧比較信号Ｄａ、およびスイッチ素子制御信号Ｃに基づいて上流側スイッチ素子６０ａの動作状態を確認する上流側スイッチ素子動作状態確認部７８ａと、上流側故障検出回路７０ａの各部に供給する電源を備えた上流側電源回路８０ａを備えている。

下流側故障検出回路７０ｂ（故障検出部）は、所定の電流を流す下流側電流源回路７２ｂ（電流源）と、所定の基準電圧を発生する下流側基準電圧発生回路７４ｂ（基準電圧源）と、下流側電流源回路７２ｂから流れ出した電流を電圧に変換して基準電圧と比較して、下流側電圧比較信号Ｄｂを出力する下流側比較回路７６ｂ（電圧比較部）と、下流側電圧比較信号Ｄｂ、およびスイッチ素子制御信号Ｃに基づいて下流側スイッチ素子６０ｂの動作状態を確認する下流側スイッチ素子動作状態確認部７８ｂと、下流側故障検出回路７０ｂの各部に供給する電源を備えた下流側電源回路８０ｂを備えている。

上流側故障検出回路７０ａと下流側故障検出回路７０ｂはともに、実施例１で説明した故障検出回路２０（図２参照）と同様の回路構成を有しているため、その詳細な回路構成の説明は省略する。

［実施例２の作用の説明］
次に、本実施例２の作用について説明する。

本実施例２に係るスイッチ素子の故障検出回路５０に備えられた上流側故障検出回路７０ａ（故障検出部）、および下流側故障検出回路７０ｂ（故障検出部）は、実施例１で説明した故障検出回路２０（図２参照）と同様の詳細構成を有しており、同様の作用を奏する。したがって、上流側故障検出回路７０ａ（故障検出部）、および下流側故障検出回路７０ｂ（故障検出部）のそれぞれの詳細な作用の説明は省略する。

そして、上流側スイッチ素子６０ａ、または下流側スイッチ素子６０ｂのいずれか一方に故障が発生したときの動作について説明する。

上流側スイッチ素子６０ａにリーク故障，ショート故障，オープン故障のいずれの故障が発生したとき、上流側故障検出回路７０ａ（故障検出部）はその故障を検出して、上流側スイッチ素子動作状態確認部７８ａは上流側故障判定信号ＥａとしてＨＩ信号を出力する。上流側故障検出回路７０ａ（故障検出部）が上流側スイッチ素子６０ａの故障を検出したときに、上流側故障判定信号ＥａとしてＨＩ信号を出力するのは、実施例１で説明した通りの作用であるため、説明は省略する。

また、下流側スイッチ素子６０ｂにリーク故障，ショート故障，オープン故障のいずれの故障が発生したとき、下流側故障検出回路７０ｂ（故障検出部）はその故障を検出して、下流側スイッチ素子動作状態確認部７８ｂは下流側故障判定信号ＥｂとしてＨＩレベルの信号を出力する。

上流側故障判定信号Ｅａと下流側故障判定信号Ｅｂは、それぞれ、スイッチ素子制御部６８に入力される。

スイッチ素子制御部６８は、上流側故障判定信号Ｅａおよび下流側故障判定信号Ｅｂとして、ともにＬＯレベルの信号が入力されているときには、図３から図７で説明したように、ＬＯレベルとＨＩレベルが交互に変化するスイッチ素子制御信号Ｃを出力するが、上流側故障判定信号Ｅａと下流側故障判定信号Ｅｂのうち、どちらか一方でもＨＩレベルの信号であったときには、スイッチ素子制御信号Ｃの出力を停止して、常にＬＯレベルの信号を出力する。

スイッチ素子制御部６８から常にＬＯレベルの信号が出力されると、上流側スイッチ素子６０ａおよび下流側スイッチ素子６０ｂはともに導通しないため、負荷６４には通電されず、負荷６４は動作を停止する。このようにして、スイッチ素子の故障による負荷６４の損傷を未然に防止することができる。

以上、説明したように、実施例１に係るスイッチ素子の故障検出回路５によれば、故障検出回路２０（故障検出部）の電流源回路２２（電流源）がスイッチ素子１０を導通させたときに電流経路をなす両端子１１，１２のうち一方の端子１１に接続されて、スイッチ素子１０の電流経路をなす他方の端子１２が故障検出回路２０（故障検出部）に帰還するように接続されて、故障検出回路２０（故障検出部）の基準電圧発生回路２４（基準電圧源）で発生される基準電圧Ｖrefが、スイッチ素子１０が負荷１４を動作させたときに、スイッチ素子１０の端子１１と端子１２の間に発生する端子間電圧Ｖ_ＤＳよりも高い電圧に設定されるため、スイッチ素子１０にオープン故障が発生すると、負荷１４への電源供給の有無に関わらず、スイッチ素子１０を導通させたときにスイッチ素子１０の端子１１と端子１２の間に発生する端子間電圧Ｖ_ＤＳが基準電圧Ｖrefよりも高くなるため、比較回路２６（電圧比較部）において、スイッチ素子１０にオープン故障が発生したことを確実に検出することができる。

そして、スイッチ素子１０にリーク故障が発生すると、スイッチ素子１０を導通させていないときであっても、スイッチ素子１０に流れるリーク電流Ｉｒによって、スイッチ素子１０の端子１１と端子１２の間に発生する端子間電圧Ｖ_ＤＳが基準電圧Ｖrefよりも低くなるため、比較回路２６（電圧比較部）において、スイッチ素子１０にリーク故障が発生したことを確実に検出することができる。

また、スイッチ素子にショート故障が発生すると、負荷１４への電源供給の有無に関わらず、スイッチ素子１０を導通させていないときにスイッチ素子１０の端子１１と端子１２の間に発生する端子間電圧Ｖ_ＤＳが基準電圧Ｖrefよりも低くなるため、比較回路２６（電圧比較部）において、スイッチ素子１０にショート故障が発生したことを確実に検出することができる。

また、実施例１に係るスイッチ素子の故障検出回路５によれば、コンパレータで構成された比較回路２６（電圧比較部）において、正極入力端子２７ａの端子電圧Ｖ＋と負極入力端子２７ｂの端子電圧Ｖ−を比較することによって、スイッチ素子１０のオープン故障、ショート故障、リーク故障の発生を検出するため、スイッチ素子１０に故障が発生したことを、単一の簡単な回路構成によって検出することができる。

また、実施例１に係るスイッチ素子の故障検出回路５によれば、スイッチ素子動作状態確認部２８において、スイッチ素子１０の断続を制御するスイッチ素子制御信号Ｃと、比較回路２６（電圧比較部）から出力される電圧比較信号Ｄ（出力信号）の排他的論理和を演算するため、スイッチ素子制御信号Ｃの状態と、比較回路２６（電圧比較部）から出力される電圧比較信号Ｄ（出力信号）の状態とによって表現することができるスイッチ素子１０の故障の状態（オープン故障、ショート故障、リーク故障）を、簡単な回路で容易に識別することができる。

また、実施例２に係るスイッチ素子の故障検出回路５０によれば、負荷６４の上流側スイッチ素子６０ａまたは下流側スイッチ素子６０ｂに、オープン故障、ショート故障、またはリーク故障が発生したことを検出したときに、負荷６４の上流側スイッチ素子６０ａ、および下流側スイッチ素子６０ｂを確実に遮断するため、負荷６４の動作を確実に停止して、負荷６４の損傷を防止することができる。

以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、実施例はこの発明の例示にしか過ぎないものであるため、この発明は実施例の構成にのみ限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれることは勿論である。

５スイッチ素子の故障検出回路
１０スイッチ素子
１１，１２，１３端子
１４負荷
１５バッテリー電源
１６電源スイッチ
１８スイッチ素子制御部
２０故障検出回路（故障検出部）
２２電流源回路（電流源）
２４基準電圧発生回路（基準電圧源）
２６比較回路（電圧比較部）
２８スイッチ素子動作状態確認部
３０電源回路
Ｃスイッチ素子制御信号
Ｄ電圧比較信号
Ｅ故障判定信号

Claims

直流電源に接続されて電力消費を伴う動作を行う負荷と、
前記負荷の動作を断続するスイッチ素子と、を有し、さらに、
前記スイッチ素子に対して、内部抵抗によって定まる所定の電流を流す電流源と、所定の基準電圧を発生する基準電圧源と、前記電流源から流れた電流を電圧に変換して前記基準電圧と比較する電圧比較部と、を備えた故障検出部と、を有して、
前記電流源は、前記スイッチ素子を導通させたときに電流経路をなす両端子のうち一方の端子に接続されるとともに、他方の端子が前記故障検出部に帰還するように接続されて、
前記基準電圧が、前記スイッチ素子が前記負荷を動作させたときに前記両端子間に発生する電圧よりも高い電圧に設定されて、
前記電流源の内部抵抗が、前記両端子間に所定のリーク電流が流れたときに、前記両端子間に発生する電圧が、前記基準電圧よりも低くなるように設定されることを特徴とするスイッチ素子の故障検出回路。
前記電圧比較部がコンパレータで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のスイッチ素子の故障検出回路。
前記スイッチ素子に接続されて、前記スイッチ素子に対して、前記スイッチ素子の導通状態と非導通状態を制御するスイッチ素子制御信号を入力するスイッチ素子制御部と、
前記スイッチ素子制御信号と前記電圧比較部の出力信号との排他的論理和を演算するスイッチ素子動作状態確認部と、
を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスイッチ素子の故障検出回路。
前記スイッチ素子と、前記故障検出部と、を、前記負荷の上流側と下流側にそれぞれ設けて、前記負荷の上流側と下流側のうち少なくとも一方の前記故障検出部で、オープン故障、ショート故障、またはリーク故障が検出されたときは、前記負荷の上流側と下流側の前記スイッチ素子をともに切断することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のスイッチ素子の故障検出回路。