JP2014239293A - 電力供給制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱損失を抑えることが可能であり、かつ低コストな電力供給制御装置を提供する。【解決手段】電力供給制御装置１であって、負荷への通電路に対して設けられ、過電流検出回路１５を有する第一のＦＥＴ１１と、前記第一のＦＥＴ１１に対して並列接続され、かつ過電流検出回路を有さない第二のＦＥＴ２１と、両ＦＥＴ１１、２１を個別にオン・オフ制御する制御回路１７とを備える。制御回路１７は、負荷に対して電力の供給を開始する場合は、前記第一のＦＥＴ１１をオンしてからタイミングを遅らせて前記第二のＦＥＴ２１をオンさせ、前記負荷への電力供給時は、前記第一のＦＥＴ１１と前記第二のＦＥＴ２１の双方をオンさせ、前記負荷への電力供給を停止する場合は、前記第二のＦＥＴ２１をオフしてからタイミングを遅らせて前記第一のＦＥＴ１１をオフし、更に、前記過電流検出回路１５による過電流の判定値を２つのＦＥＴ１１、２１の分流比に基づいて設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、負荷の短絡を検出する技術に関する。

下記特許文献１には、インテリジェントパワーデバイスを使用して負荷を駆動する装置において、過電流（負荷短絡）を検出した場合に、スイッチング素子のゲート電圧を遮断等することで、スイッチング素子に流れる電流を制限する点が記載されている。

特開２００５−３１２０９９公報

熱損失を抑えるには、オン抵抗の小さいインテリジェントパワーデバイスを使用することが好ましい。しかし、オン抵抗の小さいインテリジェントパワーデバイスは、高価である。そのため、熱損失を抑えることが可能でかつ、低コストな電力供給制御装置の開発が求められていた。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、熱損失を抑えることが可能であり、かつ低コストな電力供給制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、電源から負荷への電力供給を制御する電力供給制御装置であって、前記負荷への通電路に対して設けられ、過電流検出回路を有する第一のＦＥＴと、前記第一のＦＥＴに対して並列接続され、かつ過電流検出回路を有さない第二のＦＥＴと、前記第一のＦＥＴと前記第二のＦＥＴに対して駆動信号をそれぞれ出力することにより、前記第一のＦＥＴと前記第二のＦＥＴを個別にオン・オフ制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記負荷に対して電力の供給を開始する場合は、前記第一のＦＥＴをオンしてからタイミングを遅らせて前記第二のＦＥＴをオンさせ、前記負荷への電力供給時は、前記第一のＦＥＴと前記第二のＦＥＴの双方をオンさせ、前記負荷への電力供給を停止する場合は、前記第二のＦＥＴをオフしてからタイミングを遅らせて前記第一のＦＥＴをオフし、更に、前記第一のＦＥＴと前記第二のＦＥＴの双方がオン状態となる電力供給時は、前記過電流検出回路による過電流の判定値を２つのＦＥＴの分流比に基づいて設定する。

この構成では、電力供給時、インテリジェントパワースイッチ側の第一のＦＥＴに加えて、並列接続された第二のＦＥＴ側もオンし、負荷を２つのＦＥＴを使用して駆動する。そのため、インテリジェントパワースイッチ側の第一のＦＥＴだけを使用して負荷を駆動する場合に比べて、第一のＦＥＴに流れるドレイン電流を抑えることが可能となる。従って、第一のＦＥＴでの熱損失を抑えることが可能となることから、オン抵抗が比較的大きく、安価なインテリジェントパワーデバイスを使用することが可能となり、電力供給制御装置を低コストにできる。

加えて、電力供給制御装置の制御回路は、過電流を検出する判定値を、２つのＦＥＴの分流比に応じて切り換えるので、分流比の相違に関係なく、負荷短絡等の過電流の有無を正確に検出することが出来る。

本発明によれば、熱損失を抑えることが可能であり、かつ低コストな電力供給制御装置を提供できる。

一実施形態に適用された電力供給制御装置の回路図 各ＦＥＴのオンオフと判定値との関係を示す図 分流比と判定値との関係をまとめた図

＜一実施形態＞
本発明の一実施形態を図１ないし図３によって説明する。
本実施形態は、自動車に搭載されたヘッドライト等の電気的負荷に対する電力供給を制御する電力供給制御装置１を例示するものである。

１．電力供給制御装置１の回路構成
図１に示すように、電力供給制御装置１は、インテリジェントパワースイッチ１０と、第二のＦＥＴ２１とを含む構成となっている。

インテリジェントパワースイッチ１０は、同一半導体外囲器（パッケージ）内に第一のＦＥＴ１１と、第一のＦＥＴ１１の過電流を検出する過電流検出回路１５と制御回路１７を形成したものである。

第一のＦＥＴ１１は、Ｎチャンネル、Ｅモード（エンハンスメントモード）のパワーＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）であり、ドレインＤを電源ライン（バッテリＢから引き出された電源ライン）Ｌｖに接続し、ソースＳを負荷Ｒに接続している。そして、インテリジェントパワースイッチ１０には、外部接続端子Ｃ１、Ｃ２が設けられていて、第二のＦＥＴ２１が第一のＦＥＴ１１に対して並列接続される構成となっている。

第二のＦＥＴ２１は、第一のＦＥＴ１１と同様、Ｎチャンネル、ＥモードのパワーＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）であり、ドレインＤを、外部端子Ｃ１を介して電源ラインＬｖに接続し、ソースＳを、外部端子Ｃ２を介して負荷Ｒに接続しており、第一のＦＥＴ１１と並列接続している。また、第二のＦＥＴ２１のゲートは、外部制御端子Ｃ３を介して制御回路１７に接続されている。

制御回路１７は、外部からの入力信号に応答して、並列接続された２つのＦＥＴ、すなわち第一のＦＥＴ１１と第二のＦＥＴ２１を個別にオン・オフ制御する。制御回路１７からゲートＧに駆動信号Ｓ１が出力されている間、第一のＦＥＴ１１はオン状態となり、駆動信号Ｓ１の出力を停止すると、第一のＦＥＴ１１はオフ状態となる。

また、同様、制御回路１７から外部制御端子Ｃ３を通じてゲートＧに駆動信号Ｓ２が出力されている間、第二のＦＥＴ２１はオン状態となり、駆動信号Ｓ２の出力を停止すると、第二のＦＥＴ２１はオフ状態となる。過電流検出回路１５は、第一のＦＥＴ１１に流れる電流（ドレイン電流）を検出して、判定値と比較することで、第一のＦＥＴ１１の過電流を検出する機能を果たす。過電流検出回路１５にて過電流が検出された場合に、制御回路１７が、第一のＦＥＴ１１と第二のＦＥＴ２１のゲートＧに対する駆動信号Ｓ１、Ｓ２を停止して過電流を遮断することにより、電力供給制御装置１を過電流から保護する構成となっている。

尚、以下の説明において、２つのＦＥＴ１１、２１のオン抵抗（オンしている時の抵抗値）は、１０Ωであり、２つのＦＥＴ１１、２１が同時にオンした場合、分流比は１対１となる。

２．電力供給制御装置１の動作説明
（１）電力供給開始時（ターンオン時）
制御回路１７は、負荷Ｒに対する電力の供給を開始する場合（電力供給開始時）は、２つのＦＥＴ１１、２１をオンするタイミングに時間差を設け、インテリジェントパワースイッチ１０側のＦＥＴ１１をオンしてから、外付けされたＦＥＴ２１をオンする制御を行う（ターンオン制御）。

すなわち、図２に示すように、制御回路１７から第一のＦＥＴ１１に対して駆動信号Ｓ１をまず出力する（時刻ｔ１）。これにより、駆動信号Ｓ１の入力に応答して第一のＦＥＴ１１がオフからオンに移行する（時刻ｔ２）。そして、制御回路１７は、第一のＦＥＴ１１がオンに移行した後の時刻ｔ３にて、第二のＦＥＴ２１に対して駆動信号Ｓ２を出力する。第二のＦＥＴ２１は、駆動信号Ｓ２の入力に応答して、時刻ｔ４にてオフからオンに移行する。これにより、２つのＦＥＴ１１、ＦＥＴ２１の双方がオン状態となる（ターンオン完了）。

（２）電力供給時
負荷Ｒに対する電力供給時は、時刻ｔ４にてターンオンした２つのＦＥＴ１１、ＦＥＴ２１に対して駆動信号Ｓ１、Ｓ２の出力が継続され、２つのＦＥＴ１１、２１が双方ともにオン状態となる。そのため、電力供給時（図２では、時刻ｔ４〜時刻ｔ５の期間）は、２つのＦＥＴ１１、２１に対して負荷電流Ｉｒが半分ずつ流れ、２つのＦＥＴ１１、ＦＥＴ２１の分流比は１対１となる。尚、図１に示す「Ｉｄ１」はＦＥＴ１１のドレイン電流、「Ｉｄ２」はＦＥＴ２１のドレイン電流である。

（３）電力供給停止時（ターンオフ時）
制御回路１７は、負荷Ｒに対する電力の供給を停止する場合（電力供給停止時）は、２つのＦＥＴ１１、２１をオフするタイミングに時間差を設け、外付けされたＦＥＴ２１をオフしてから、インテリジェントパワースイッチ１０側のＦＥＴ１１をオフする制御を行う（ターンオフ制御）。

すなわち、図２に示すように、制御回路１７から第二のＦＥＴ２１に対する駆動信号Ｓ２の出力をまず停止する（時刻ｔ５）。そして、駆動信号Ｓ２の出力停止に応答して第二のＦＥＴ２１がオンからオフに移行する（時刻ｔ６）。そして、制御回路１７は、第二のＦＥＴ２１がオフに移行した後の時刻ｔ７にて、第一のＦＥＴ１１に対する駆動信号Ｓ１の出力を停止する。第一のＦＥＴ１１は、駆動信号Ｓ１の出力停止に応答して、時刻ｔ８にてオンからオフに移行する。これにより、２つのＦＥＴ１１、ＦＥＴ２１の双方がオフ状態となる（ターンオフ完了）。

（４）判定値と過電流検出動作
制御回路１７は、過電流検出回路１５による過電流の判定値を、２つのＦＥＴ１１、２１の分流比に応じて切り換える処理を行う。この実施形態では、ＦＥＴ１１、２１の分流比は「１対０」か「１対１」の２パターンあるため、図３に示すように、判定値には、分流比「１対０」に対応する第一判定値Ｉａと、分流比「１対１」に対応する第二判定値Ｉｂの２パターンが設定されている。

尚、分流比が「１対１」の場合は、分流比が「１対０」の場合に比べて、ＦＥＴ１１のドレイン電流Ｉｄ１は「１/２」になる。そのため、下記の（１）式に示すように、分流比が「１対１」に対応する第二判定値Ｉｂは、分流比が「１対０」に対応する第一判定値Ｉａの「１/２」とされる。

Ｉｂ＝Ｉａ／２・・・・・・（１）式

以下、過電流検出動作について具体的に説明すると、電力供給開始時のターンオン期間（時刻ｔ１〜時刻ｔ４）と、電力供給停止時のターンオフ期間（時刻ｔ５〜時刻ｔ８）は、ＦＥＴ１１だけがオンとなる期間があり、その期間、ＦＥＴ１１とＦＥＴ２１の分流比は「１対０」となる。よって、制御回路１７は、ターンオン期間（時刻ｔ１〜時刻ｔ４）とターンオフ期間（時刻ｔ５〜時刻ｔ８）は、過電流検出回路１５に対して指令を送り、過電流の判定値を「第一判定値Ｉａ」とする。

そのため、ターンオン期間（時刻ｔ１〜時刻ｔ４）とターンオフ期間（時刻ｔ５〜時刻ｔ８）中、過電流の判定値は「第一判定値Ｉａ」に設定され、過電流検出回路１５はＦＥＴ１１のドレイン電流Ｉｄ１を「第一判定値Ｉａ」と比較し、ドレイン電流Ｉｄ１が「第一判定値Ｉａ」を上回った場合に、制御回路１７に対して過電流検出信号を出力する。

一方、電力供給時（時刻ｔ４〜時刻ｔ５）は、２つのＦＥＴ１１、ＦＥＴ２１の双方がオンし、ＦＥＴ１１とＦＥＴ２１の分流比は「１対１」となる。よって、制御回路１７は、電力供給時（時刻ｔ４〜時刻ｔ５）は、過電流検出回路１５に対して指令を送り、過電流の判定値を「第一判定値Ｉａ」から「第二判定値Ｉｂ」に切り換える。

そのため、電力供給時（時刻ｔ４〜時刻ｔ５）、過電流の判定値は「第二判定値Ｉｂ」に設定され、過電流検出回路１５はＦＥＴ１１のドレイン電流Ｉｄ１を「第二判定値Ｉｂ」と比較し、ドレイン電流Ｉｄ１が「第二判定値Ｉｂ」を上回った場合に、制御回路１７に対して過電流検出信号を出力する。

制御回路１７は、過電流検出回路１５から過電流検出信号が入力されると、それに応答して、第一のＦＥＴ１１と第二のＦＥＴ２１のゲートＧに対する駆動信号Ｓ１、Ｓ２を停止することにより、過電流を遮断する。

３．効果説明
電力供給制御装置１では、電力供給時（時刻ｔ４〜時刻ｔ５）、インテリジェントパワースイッチ１０側のＦＥＴ１１に加えて、並列接続されたＦＥＴ２１側もオンし、負荷Ｒを２つのＦＥＴ１１、２１を使用して駆動する。

そのため、インテリジェントパワースイッチ１０側のＦＥＴ１１だけを使用して負荷Ｒを駆動する場合に比べて、ＦＥＴ１１に流れるドレイン電流Ｉｄ１を抑えることが可能となる。従って、ＦＥＴ１１での熱損失を抑えることが可能となることから、オン抵抗が比較的大きく、安価なインテリジェントパワースイッチ１０を使用することが可能となり、電力供給制御装置１を低コストにできる。

加えて、電力供給制御装置１の制御回路１７は、過電流を検出する判定値を、２つのＦＥＴ１１、２１の分流比に応じて設定（切り換える）するので、分流比の相違に関係なく、負荷短絡等の過電流の有無を正確に検出することが出来る。従って、過電流が検出された場合に、２つのＦＥＴ１１、２１を遮断等行うことで、２つのＦＥＴ１１、２１の双方を過電流から保護することが可能となる。

また、更に、電力供給制御装置１は、電力供給開始時（ターンオン時）は、インテリジェントパワースイッチ１０側のＦＥＴ１１をオンしてから、タイミングを遅らせて外付けされたＦＥＴ２１をオンする制御を行い、電力供給停止時（ターンオフ時）は、外付けされたＦＥＴ２１をオフしてから、タイミングを遅らせてインテリジェントパワースイッチ１０側のＦＥＴ１１をオフする制御を行う。すなわち、ターンオン時、ターンオフ時とも、ＦＥＴ１１だけがオンしている期間を経て、電力の供給を開始又は停止する。

もし仮に、過電流検出回路を持たないＦＥＴ２１だけがオンしている期間を経て、電力の供給を開始又は停止すると、ＦＥＴ２１だけがオンする期間は過電流を検出できない状態となり、ＦＥＴ２１に破損の恐れがある。この点、本実施形態のように、ＦＥＴ１１だけがオンしている状態を経て、電力の供給を開始又は停止するようにしておけば、ターンオフ時やターンオン時についても、過電流を確実に検出することが可能であり、過電流から２つのＦＥＴ１１、２１を確実に保護できる。
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

（１）上記実施形態では、電力供給時のＦＥＴ１１とＦＥＴ２１の分流比を１対１としたが、電力供給時は２つのＦＥＴ１１、２１が同時にオンしていればよく、分流比は実施形態で例示した比率に限定されない。

（２）上記実施形態では、過電流検出時に２つのＦＥＴ１１、２１に対する駆動信号Ｓ１、Ｓ２の出力を遮断することにより２つのＦＥＴ１１、２１を保護する例を示したが、駆動信号Ｓ１、Ｓ２のデューティ比を下げて電流値を抑えることで、ＦＥＴ１１、２１を保護するようにしてもよい。

１...電力供給制御装置
１０...インテリジェントパワースイッチ
１１...第一のＦＥＴ
１５...過電流検出回路（第一のＦＥＴの過電流検出回路）
１７...制御回路
２１...第二のＦＥＴ

Claims (1)

1. 電源から負荷への電力供給を制御する電力供給制御装置であって、
   前記負荷への通電路に対して設けられ、過電流検出回路を有する第一のＦＥＴと、
   前記第一のＦＥＴに対して並列接続され、かつ過電流検出回路を有さない第二のＦＥＴと、
   前記第一のＦＥＴと前記第二のＦＥＴに対して駆動信号をそれぞれ出力することにより、前記第一のＦＥＴと前記第二のＦＥＴを個別にオン・オフ制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、
   前記負荷に対して電力の供給を開始する場合は、前記第一のＦＥＴをオンしてからタイミングを遅らせて前記第二のＦＥＴをオンさせ、
   前記負荷への電力供給時は、前記第一のＦＥＴと前記第二のＦＥＴの双方をオンさせ、
   前記負荷への電力供給を停止する場合は、前記第二のＦＥＴをオフしてからタイミングを遅らせて前記第一のＦＥＴをオフし、
   更に、前記過電流検出回路による過電流の判定値を２つのＦＥＴの分流比に応じて設定することを特徴とする電力供給制御装置。

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