JP2015115692A - 半導体異常検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体スイッチ素子の故障の有無を高い信頼度で、しかも低コストで識別すること。【解決手段】半導体のスイッチ素子１１及び電流センス機能を備える回路１２を内蔵したインテリジェント・パワー・スイッチ１０を利用する場合に、マイクロコンピュータ２０等の制御部が、センス信号の電圧を監視し、制御入力端子１０ｃに印加される二値信号の高低に応じた閾値と比較した結果により、半導体ショート等の故障の有無を識別する。二値信号の高低の両方の状態で検出した結果を総合的に判断して結果を出力する。最初に二値信号がオフの状態でセンス信号を検出し、次に二値信号がオンの状態でセンス信号を検出する。二値信号がオンになった後、所定の遅延時間だけ待機してから検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、負荷の通電をオンオフ制御する半導体スイッチ素子の異常を検知するために利用可能な半導体異常検出回路に関する。

例えば、車両上には電源の負荷として様々な電装品が搭載されている。このような負荷については、車両側の電源電力をスイッチ素子を介して供給する。例えば、ユーザが何らかのボタンを操作すると、この操作を車両上の電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）が検知してスイッチ素子を非通電から通電状態に切り替える。これにより、車両側の電源電力がスイッチ素子を介して特定の電装品に供給される。

車両上の様々な電装品を負荷として制御するスイッチ素子については、一般的には機械式のリレーが用いられるが、近年ではパワーＭＯＳトランジスタ（ＦＥＴ）のような半導体スイッチ素子に置き換わりつつある。半導体スイッチ素子を用いることにより、装置の小型化や軽量化が可能になる。

しかし、半導体スイッチ素子にはショート（入出力端子間の短絡）、オープン（断線等）等の故障が発生する可能性がある。また、半導体スイッチ素子には電気接点等の可動部が存在しないため、故障の有無を作動音や目視により確認することもできない。

例えば、半導体スイッチ素子がショートした状態になると、長時間にわたって負荷に過大な電流が流れ続けたり、負荷が無駄な電力を消費し続ける可能性がある。そのため、半導体スイッチ素子の故障を検出する必要がある。

このような半導体スイッチ素子の故障検出に関連する従来技術として、特許文献１及び特許文献２に記載された技術が知られている。

特許文献１は、負荷であるモータの起電力による誤検出を抑制しつつ、半導体スイッチ素子の入出力間ショート等を検出することが可能な電力供給制御装置の技術を提案している。具体的には、半導体スイッチ素子であるパワーＭＯＳトランジスタにおけるドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ及びゲート−ソース間電圧Ｖｇｓをそれぞれ閾値と比較して判定信号を生成している。

特許文献２は、半導体リレー及び電線の小型化が可能な負荷回路の保護装置の技術を提案している。具体的には、負荷電流を電流計で測定し、測定した電流値をデッドショート判定電流Ｉmaxと比較する。また、測定した電流値を電線の発熱式、及び放熱式に当てはめて電線の発熱量、及び放熱量を求めている。

特開２００８−２２１５２号公報 特開２０１０−１５８１０８号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、各部の電圧Ｖｄｓ、Ｖｇｓをそれぞれ検出し複数の閾値と比較するために比較的複雑な回路を追加しなければならない。また、半導体スイッチ素子毎にこのような回路を追加することになるので、負荷の数が多くなると大幅なコストアップに繋がる。

また、特許文献２の技術では、半導体スイッチ素子の出力端子から負荷に流れる電流を直接計測しなければならないので、電流計に関して様々な課題がある。例えば、電流が流れる線路中に検出用の抵抗器を挿入する場合には、配線の工数が大幅に増えるし、抵抗器による電圧降下によって負荷に生じる悪影響も考慮しなければならない。また、負荷電流が流れる線路にコイルを結合して電流を検出する場合には、電流計のコストが大幅に上昇する可能性がある。

また、特許文献１、特許文献２以外の方法として、負荷に印加される電圧を監視することも考えられる。しかし、この場合も追加する部品の数が多くなるので、負荷の数が多くなると大幅なコストアップに繋がる。また、例えば車両のイグニッションスイッチがオフの場合のように電源電圧が供給されていない状況では、故障の有無を正しく識別することができない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体スイッチ素子の故障の有無を高い信頼度で、しかも低コストで識別することが可能な半導体異常検出回路を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る半導体異常検出回路は、下記（１）〜（７）を特徴としている。
（１） 電源と負荷との間の通電路に配されるスイッチ素子、及び前記スイッチ素子に流れる電流に対応したセンス信号を生成するセンス信号生成部を含む半導体回路と、
前記スイッチ素子の制御入力端子へ印加する指令電圧レベルの高／低を二値的に切り替えて、前記負荷への電力供給を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記指令電圧レベルが、前記スイッチ素子の非通電に対応するオフ電圧であり、且つ、前記センス信号の電圧値が前記スイッチ素子の非通電に対応した規定オフ電圧と同等であるとき、または、前記指令電圧レベルが、前記スイッチ素子の通電に対応するオン電圧であり、且つ、前記センス信号の電圧値が前記負荷の定常通電状態に対応する規定オン電圧と同等であるとき、前記半導体回路が正常に駆動していると識別する、
こと。
（２） 上記（１）の半導体異常検出回路において、
前記制御部は、前記指令電圧レベルが前記オフ電圧である場合における前記センス信号の電圧値が前記規定オフ電圧と同等であり、且つ、前記指令電圧レベルが前記オン電圧である場合における前記センス信号の電圧値が前記規定オン電圧と同等であるとき、前記半導体回路が正常に駆動していると識別する、
こと。
（３） 上記（２）の半導体異常検出回路において、
前記制御部は、前記指令電圧レベルが前記オフ電圧である場合における前記センス信号の電圧値を検出した後、前記指令電圧レベルが前記オン電圧である場合における前記センス信号の電圧値を検出する、
こと。
（４） 上記（１）〜（３）の半導体異常検出回路において、
前記半導体回路との間で信号の送受が可能な制御回路をさらに備え、
前記制御回路には、前記制御部が含まれる、
こと。
（５） 上記（１）〜（３）の半導体異常検出回路において、
前記半導体回路には、前記制御部が含まれる
こと。
（６） 上記（４）の半導体異常検出回路において、
前記スイッチ素子の出力端子に現れる電圧と同等の信号を前記制御回路に入力するためのモニタ信号線をさらに備え、
前記制御回路は、前記センス信号の電圧値、及び前記モニタ信号線から入力される電圧値に基づき、前記半導体回路が正常に駆動しているか否かを識別する、
こと。
（７） 上記（１）〜（６）の半導体異常検出回路において、
前記制御部は、前記指令電圧レベルが前記オン電圧になったことを検知した後、少なくとも事前に定めた遅延時間を経過するまで待機してから前記センス信号の電圧値を検出する、
こと。

上記（１）の構成の半導体異常検出回路によれば、前記スイッチ素子がショート又はオープンのような故障状態になったか否かを識別することができる。また、前記センス信号の電圧値を監視して状態を識別するので、追加する部品の数を減らすことが可能であり、コストダウンが実現できる。また、前記センス信号を監視し、負荷電流の大きさに基づいて状態を識別するので、完全なショートや完全なオープン以外の故障状態も検出可能である。
上記（２）の構成の半導体異常検出回路によれば、前記スイッチ素子がショート状態、オープン状態のいずれの故障状態になった場合でも確実にこの故障を検出できる。また、完全なショートや完全なオープン以外の故障状態も検出可能である。
上記（３）の構成の半導体異常検出回路によれば、故障の識別に要する時間を短縮することができる。例えば、車両上の電装品の場合には、イグニッションスイッチがオンになった後、何らかのトリガを契機として負荷への通電が開始される。その場合、前記スイッチ素子を制御する前記指令電圧レベルは、最初はオフ電圧であり、トリガによりオン電圧に切り替わる。したがって、最初に前記指令電圧レベルがオフ電圧の状態で前記センス信号の電圧値を識別し、次に前記指令電圧レベルがオン電圧の状態で前記センス信号の電圧値を識別することにより、何回も識別を繰り返すことなく、故障の有無を正しく識別できる。
上記（４）の構成の半導体異常検出回路によれば、前記半導体回路の外側に接続した前記制御回路が、前記スイッチ素子の故障の有無を識別する。したがって、既存の半導体回路をそのまま利用して故障の有無を識別できる。
上記（５）の構成の半導体異常検出回路によれば、前記半導体回路に内蔵した前記制御部が、前記スイッチ素子の故障の有無を識別する。したがって、前記半導体回路の外側にマイクロコンピュータなどの特別な装置を接続していない場合でも故障検出が可能であり、装置の小型化が可能になる。
上記（６）の構成の半導体異常検出回路によれば、互いに異なる箇所から出力される２系統の信号に基づいて故障の有無を識別するので、より信頼性の高い識別結果が得られる。
上記（７）の構成の半導体異常検出回路によれば、負荷自体が特別なスイッチを内蔵し独自のタイミングで通電を開始するような場合であっても、故障の有無を正しく識別できる。例えば、負荷が車両用のＨＩＤ（High Intensity Discharge）ランプや、ＬＥＤ（発光ダイオード）ランプである場合には、これらの負荷に電源電圧の供給が開始された後、ある遅延時間を経過してから電流が流れる。このような遅延時間の影響によるタイミングのずれを考慮することにより、故障を正しく検出可能になる。

本発明の半導体異常検出回路によれば、半導体スイッチ素子の故障の有無を高い信頼度で、しかも低コストで識別することが可能になる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、半導体異常検出回路を含む電子制御装置の構成例（１）を示すブロック図である。 図２は、図１に示す電子制御装置の各部の信号電位の対応関係を表す模式図である。 図３は、第１検出モードにおける半導体ショート検出処理の内容を表すフローチャートである。 図４は、第２検出モードにおける半導体ショート検出処理の内容を表すフローチャートである。 図５は、特殊な負荷における印加電圧と電流との関係の具体例を示すタイムチャートである。 図６は、図３に示した処理の一部分の変形例を表すフローチャートである。 図７は、図４に示した処理の一部分の変形例を表すフローチャートである。 図８は、図３に示した処理の変形例を表すフローチャートである。 図９は、半導体異常検出回路を含む電子制御装置の構成例（２）を示すブロック図である。

本発明の半導体異常検出回路に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

＜第１実施形態＞
本発明の半導体異常検出回路を含む電子制御装置（ＥＣＵ）１００の構成例（１）を図１に示す。

＜装置の概要の説明＞
この電子制御装置１００は、例えば車両に搭載され、車両上の様々な電装品を負荷５０として制御するために利用される。すなわち、電源ライン７０から負荷５０への電力供給のオンオフを制御するために電子制御装置１００が利用される。電源ライン７０には、車両側から例えば＋１２Ｖの直流電圧が供給される。電子制御装置１００内部のスイッチがオンになると、電源ライン７０から電子制御装置１００を経由して負荷５０に電源電圧（＋１２Ｖ）が供給され、負荷５０からアースライン７１に電流が流れる。負荷５０の具体例としては、ヘッドライト、テールランプなどのランプ類やその他の様々な電装品が挙げられる。

図１に示した電子制御装置１００は負荷５０のオンオフを制御するスイッチとして、半導体のスイッチ素子１１を内蔵している。半導体は故障する可能性があるが、電気接点や可動部が存在しないため、故障の有無を目視等で確認することができない。そのため、スイッチ素子１１の故障（ショートやオープン）を検出するための半導体異常検出回路が電子制御装置１００に備わっている。

＜装置の構成＞
図１に示すように、この電子制御装置１００は、パワー半導体デバイス１０、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）２０、インタフェース（Ｉ／Ｆ）３０、及び信号入力回路４０を内蔵している。

パワー半導体デバイス１０は、いわゆるインテリジェントパワースイッチ（ＩＰＳ）として市販されているデバイスであり、スイッチ素子１１及びロジック・センサ回路１２を内蔵している。

スイッチ素子１１は、負荷の高電位側に接続してハイサイドスイッチとして動作可能なパワーＭＯＳＦＥＴで構成してある。このパワーＭＯＳＦＥＴは、ドレイン電極が電源入力端子１０ａと接続してあり、ソース電極が出力端子（ＯＵＴ）１０ｂと接続してあり、ゲート電極がロジック・センサ回路１２の出力と接続してある。つまり、スイッチ素子１１はロジック・センサ回路１２の出力から二値信号として入力される指令電圧レベルの高低に応じてオンオフする。

ロジック・センサ回路１２は、主として２つの機能を内蔵している。すなわち、パワー半導体デバイス１０の制御入力端子（ＩＮ）１０ｃに印加される指令電圧レベルの高低に応じて、スイッチ素子１１をオンオフするための信号をロジック・センサ回路１２が生成する。また、スイッチ素子１１に流れている電流を検出し、この電流の大きさに比例したセンス信号をロジック・センサ回路１２が生成する。センス信号はセンス信号出力端子（ＩＳ）１０ｄに出力される。

例えばロジック・センサ回路１２におけるセンス比が「１／５０００」の場合に、スイッチ素子１１に５［Ａ］の電流が流れると、センス比に従って、１［ｍＡ］の電流がセンス信号として出力される。センス信号出力端子１０ｄに接続されている信号入力回路４０は、センス信号の電流値を電圧に変換してマイクロコンピュータ２０に与える。

マイクロコンピュータ２０は、予め組み込まれているプログラムを実行することにより、電子制御装置１００の制御に必要な各種の機能を実現する。この機能には、スイッチ素子１１の故障（ショート、オープンなど）の有無を診断する機能も含まれる。また、図示しない操作スイッチの状態を読み取った結果や、様々な状況の識別結果に基づいて負荷５０をオンオフ制御するための信号を生成する機能も含まれる。

マイクロコンピュータ２０は、負荷５０のオンオフを制御するための二値信号を出力ポート２０ａに出力することができる。また、マイクロコンピュータ２０は、アナログ入力ポート２０ｂに印加される電圧のアナログレベルをデジタル信号に変換して電圧のレベルを読み取ることもできる。

＜故障診断における識別条件の説明＞
図１に示した電子制御装置１００における各部の信号電位の対応関係の一覧を図２に示す。パワー半導体デバイス１０の制御入力端子１０ｃに印加される「ＩＮ入力」の二値信号ＳＧ１と、出力端子１０ｂに現れる「ＯＵＴ出力」の出力信号ＳＧ２と、センス信号出力端子（ＩＳ）１０ｄに現れるセンス信号ＳＧ３の各々の電圧の状態が図２に示してある。

図２において、「ＬＯ」は二値信号ＳＧ１の低電位（０Ｖに近い電圧）を表し、「ＨＩ」は二値信号ＳＧ１の高電位（電源電圧に近い電圧）を表し、「ＧＮＤ」はグランド（アース）電位に近いアナログ電圧を表す。

例えば、パワー半導体デバイス１０が正常な場合には、二値信号ＳＧ１が「ＬＯ」の時にロジック・センサ回路１２が低い電位をスイッチ素子１１のゲート電極に印加するので、スイッチ素子１１のドレイン−ソース電極間が非導通になり、出力端子１０ｂの出力信号ＳＧ２がＧＮＤ電位になる。また、パワー半導体デバイス１０が正常な場合に二値信号ＳＧ１が「ＨＩ」になると、ロジック・センサ回路１２が高い電位をスイッチ素子１１のゲート電極に印加するので、スイッチ素子１１のドレイン−ソース電極間が導通し、出力端子１０ｂの出力信号ＳＧ２が電源ライン７０の電圧に近い高電位になる。

また、パワー半導体デバイス１０内のスイッチ素子１１が正常の場合と、ショートなどの異常が発生した場合とで、図２に示すように、出力信号ＳＧ２及びセンス信号ＳＧ３の電圧に違いが生じる。したがって、マイクロコンピュータ２０は、出力信号ＳＧ２又はセンス信号ＳＧ３の電圧を監視し、二値信号ＳＧ１の高低に応じた閾値と比較することにより、故障の有無を識別可能である。

図１に示した電子制御装置１００においては、マイクロコンピュータ２０はそれ自身が出力ポート２０ａに出力する信号により二値信号ＳＧ１の高低を把握すると共に、アナログ入力ポート２０ｂでセンス信号ＳＧ３の電圧を監視して故障の有無を識別している。

＜マイクロコンピュータ２０の動作の説明＞
図１に示した電子制御装置１００においては、マイクロコンピュータ２０は２種類の検出モード、すなわち「第１検出モード」及び「第２検出モード」のいずれかを用いてパワー半導体デバイス１０の半導体ショートを検出することができる。

「第１検出モード」における半導体ショート検出処理の内容を図３に示す。また、「第２検出モード」における半導体ショート検出処理の内容を図４に示す。各検出モードの動作について以下に説明する。

＜第１検出モード＞
なお、図３に示した処理においては「ＬＯ時異常フラグ」及び「ＨＩ時異常フラグ」を使用しているが、図３に示した処理を実行する前の初期状態で「ＬＯ時異常フラグ」及び「ＨＩ時異常フラグ」はいずれも「０」にクリアされる。「ＬＯ時異常フラグ」及び「ＨＩ時異常フラグ」はマイクロコンピュータ２０の内部メモリ上に存在する。

図３のステップＳ１１では、マイクロコンピュータ２０は、パワー半導体デバイス１０の制御入力端子１０ｃに印加される二値信号ＳＧ１が「ＨＩ／ＬＯ」のいずれであるかを識別する。二値信号ＳＧ１の「ＨＩ／ＬＯ」は、マイクロコンピュータ２０自身が出力ポート２０ａに出力している二値信号と同様であるので、実際には出力ポート２０ａの信号の「ＨＩ／ＬＯ」を識別する。二値信号ＳＧ１が「ＬＯ」の場合はＳ１２に進み、「ＨＩ」の場合はＳ１５に進む。

ステップＳ１２では、マイクロコンピュータ２０は、センス信号ＳＧ３の電圧をアナログ入力ポート２０ｂで読み取り、この電圧値を事前に定めた閾値と比較する。すなわち、センス信号ＳＧ３の電圧がＧＮＤ電位と同等の「ＧＮＤレベル」とみなせる場合はＳ１３に進み、「ＧＮＤレベル」以外の場合はＳ１４に進む。

ステップＳ１３では、マイクロコンピュータ２０は、二値信号ＳＧ１が「ＬＯ」の状態では正常であったことを記憶するために、「ＬＯ時異常フラグ」を「０」にクリアする。

ステップＳ１４では、マイクロコンピュータ２０は、二値信号ＳＧ１が「ＬＯ」の状態では異常であったことを記憶するために、「ＬＯ時異常フラグ」に「１」をセットする。

ステップＳ１５では、マイクロコンピュータ２０は、センス信号ＳＧ３の電圧をアナログ入力ポート２０ｂで読み取り、この電圧値を事前に定めた閾値と比較する。すなわち、センス信号ＳＧ３の電圧が「想定電圧値」と同等であるか否かを閾値と比較して識別する。「想定電圧値」は、正常時に負荷５０に流れる定格電流と、ロジック・センサ回路１２におけるセンス比と、信号入力回路４０の特性とで定まる電圧である。センス信号ＳＧ３の電圧が「想定電圧値」と同等の場合はＳ１６に進み、「想定電圧値」の範囲外の場合はＳ１７に進む。

ステップＳ１６では、マイクロコンピュータ２０は、二値信号ＳＧ１が「ＨＩ」の状態では正常であったことを記憶するために、「ＨＩ時異常フラグ」を「０」にクリアする。

ステップＳ１７では、マイクロコンピュータ２０は、二値信号ＳＧ１が「ＨＩ」の状態では異常であったことを記憶するために、「ＨＩ時異常フラグ」に「１」をセットする。

ステップＳ１８では、マイクロコンピュータ２０は、「ＬＯ時異常フラグ」及び「ＨＩ時異常フラグ」の状態を参照して状況を識別する。すなわち、「ＬＯ時異常フラグ」が「０」であり、且つ、「ＨＩ時異常フラグ」が「０」である条件を満たす場合はＳ１９に進み、それ以外の場合はＳ２０に進む。

ステップＳ１９では、マイクロコンピュータ２０はスイッチ素子１１が正常な状態であるとみなす。また、ステップＳ２０では、マイクロコンピュータ２０は、スイッチ素子１１がショートしている状態であるとみなす。実際には、ショート以外の異常状態の場合にも、マイクロコンピュータ２０がＳ２０を実行して異常を検出する。

例えば、スイッチ素子１１がオープン（ドレイン−ソース電極間で断線）の場合には、二値信号ＳＧ１が「ＬＯ」の状態でセンス信号ＳＧ３の電圧が「ＧＮＤレベル」になるが、ＳＧ１が「ＨＩ」になってもＳＧ３の電圧が「ＧＮＤレベル」のまま変化しない。この場合は、「ＬＯ時異常フラグ」が「０」であるが、「ＨＩ時異常フラグ」が「１」であるためＳ２０に進む。

次のステップＳ２１では、マイクロコンピュータ２０はスイッチ素子１１がショート状態の場合に必要とされる所定の処理を実行する。例えば、ユーザが視認可能な表示用のランプを点灯又は点滅状態に制御して、異常の発生を報知する。また、電子制御装置１００に接続されている負荷５０に対する通電制御を中止する。

つまり、「第１検出モード」では、スイッチ素子１１の状態が正常であるとみなしうる全ての条件を満たす場合にＳ１９に進み、それ以外の場合にスイッチ素子１１の異常を検出する。

＜第２検出モード＞
図３に示した処理と同様に、図４の処理においても「ＬＯ時異常フラグ」及び「ＨＩ時異常フラグ」を使用している。図４に示した処理を実行する前の初期状態で「ＬＯ時異常フラグ」及び「ＨＩ時異常フラグ」はいずれも「０」にクリアされる。

図４のステップＳ３１では、マイクロコンピュータ２０は、パワー半導体デバイス１０の制御入力端子１０ｃに印加される二値信号ＳＧ１が「ＨＩ／ＬＯ」のいずれであるかを識別する。二値信号ＳＧ１の「ＨＩ／ＬＯ」は、マイクロコンピュータ２０自身が出力ポート２０ａに出力している二値信号と同様であるので、実際には出力ポート２０ａの信号の「ＨＩ／ＬＯ」を識別する。二値信号ＳＧ１が「ＬＯ」の場合はＳ３２に進み、「ＨＩ」の場合はＳ３５に進む。

図４中の各ステップＳ３２、Ｓ３３、及びＳ３４については、それぞれ、既に説明した図３中の各ステップＳ１２、Ｓ１３、及びＳ１４と同様である。したがって、これらの説明は省略する。

ステップＳ３５では、マイクロコンピュータ２０は、センス信号ＳＧ３の電圧をアナログ入力ポート２０ｂで読み取り、この電圧値を事前に定めた閾値と比較する。すなわち、センス信号ＳＧ３の電圧が「ＧＮＤレベル」の範囲内（ＧＮＤ電位と同等）であるか否かを閾値と比較して識別する。センス信号ＳＧ３の電圧が「ＧＮＤレベル」である場合はＳ３７に進み、「ＧＮＤレベル以外」の場合はＳ３６に進む。

ステップＳ３６では、マイクロコンピュータ２０は、二値信号ＳＧ１が「ＨＩ」の状態では正常であったことを記憶するために、「ＨＩ時異常フラグ」を「０」にクリアする。

ステップＳ３７では、マイクロコンピュータ２０は、二値信号ＳＧ１が「ＨＩ」の状態では異常であったことを記憶するために、「ＨＩ時異常フラグ」に「１」をセットする。

そして、二値信号ＳＧ１が「ＬＯ」の状態で正常であることをＳ３３で検出した場合、又は二値信号ＳＧ１が「ＨＩ」の状態で正常であることをＳ３６で検出した場合にＳ３８に進み、マイクロコンピュータ２０はスイッチ素子１１が正常な状態であるとみなす。

一方、二値信号ＳＧ１が「ＬＯ」の状態で異常であることをＳ３４で検出した場合、又は二値信号ＳＧ１が「ＨＩ」の状態で異常であることをＳ３７で検出した場合にＳ３９に進み、マイクロコンピュータ２０は、スイッチ素子１１がショートしている状態であるとみなす。

実際には、ショート以外の異常状態の場合にも、マイクロコンピュータ２０がＳ３９を実行して異常を検出する。すなわち、スイッチ素子１１がショート（ドレイン−ソース電極間が短絡）の時には、二値信号ＳＧ１が「ＬＯ」の状態でＳＧ３の電圧が「ＧＮＤレベル以外」になるため、Ｓ３４で異常を検出してＳ３９に進む。また、スイッチ素子１１がオープン（ドレイン−ソース電極間で断線）の時には、ＳＧ１が「ＨＩ」の状態でＳＧ３の電圧が「ＧＮＤレベル」になるため、Ｓ３７で異常を検出してＳ３９に進む。次のステップＳ４０については図３中のＳ２１と同様である。

つまり、「第２検出モード」では、スイッチ素子１１の状態が異常であるとみなしうるいずれか１つの条件を満たした時にＳ３９に進み、正常であるとみなしうる条件を満たした時にＳ３８に進む。

なお、図４に示した処理については、二値信号ＳＧ１の「ＨＩ／ＬＯ」が頻繁に変化することがない状況を想定している。もしも二値信号ＳＧ１の「ＨＩ／ＬＯ」が頻繁に変化する場合には、図４中の各ステップＳ３８、Ｓ３９を交互に繰り返し実行する可能性があるため、特別な処理を実行する必要がある。例えば、ステップＳ３９を実行した場合に、その後で少なくとも所定時間を経過するまではＳ３８に進まないように変更することが考えられる。

いずれにしても、上述の「第１検出モード」及び「第２検出モード」の処理では、出力端子１０ｂの電圧や負荷５０に流れる電流を直接監視しなくても、センス信号ＳＧ３を用いてスイッチ素子１１の故障の有無を識別できる。

＜第２実施形態＞
＜特殊な負荷の説明＞
電子制御装置１００が一般的な負荷５０を制御する場合には、図２に示した条件に基づいてスイッチ素子１１の異常の有無を正しく識別できる。しかし、特殊な負荷が電子制御装置１００の出力端子１００ａに接続される場合もある。

特殊な負荷を接続した場合における印加電圧Ｖｉｎと負荷電流ＩＬとの関係の具体例を図５に示す。印加電圧Ｖｉｎは、負荷５０に印加される電圧、つまり出力端子１００ａとアースライン７１との間の電位差である。また、負荷電流ＩＬは負荷５０に実際に流れる電流のレベルを表している。

特殊な負荷とは、例えば車両に搭載されるＨＩＤ（High Intensity Discharge）ランプや、ＬＥＤ（発光ダイオード）ランプのことである。このような負荷は、単純な負荷ではなく、駆動回路が内部に組み込まれている電装品である。この駆動回路は、入力された電圧に基づいて負荷の駆動に必要な電圧を生成して電装品内部の負荷に供給する。したがって、この電装品に電源電圧（印加電圧Ｖｉｎ）が供給された後、しばらくの間は電流（負荷電流ＩＬ）がほとんど流れず（図５の左右方向に延びる矢印の期間）、ある程度の遅延時間を経過した後で通常の電流が負荷に流れる。また、このような電装品の内部で負荷のオンオフのスイッチングを独自のタイミングで実施する場合も考えられる。

したがって、図５に示すように、負荷５０の印加電圧Ｖｉｎが低レベルから高レベルに変化した後、この電装品の特性により定まる所定の遅延時間を経過した後で、負荷電流ＩＬが０近傍から定格値まで立ち上がるような波形になる。

＜半導体異常検出回路の説明＞
図５に示したような特性を有する特殊な負荷を電子制御装置１００に接続する場合には、印加電圧Ｖｉｎと負荷電流ＩＬとの間にタイミングのずれがあるので、図２に示したような識別条件をそのまま適用してもスイッチ素子１１の故障の有無を正しく識別することができない。

したがって、第２実施形態では特殊な負荷を電子制御装置１００の出力端子１００ａに接続することを想定し、スイッチ素子１１の故障の有無を正しく識別できるように、マイクロコンピュータ２０の処理の内容を図６及び図７のように変更する。

図６に示した処理Ｐ０１Ｂは、図３に示した一部分の処理Ｐ０１の変形例を表している。また、図７に示した処理Ｐ０２Ｂは、図４に示した一部分の処理Ｐ０２の変形例を表している。

つまり、第２実施形態ではマイクロコンピュータ２０は前述の「第１検出モード」で処理Ｐ０１の代わりに処理Ｐ０１Ｂを実行し、前述の「第２検出モード」で処理Ｐ０２の代わりに処理Ｐ０２Ｂを実行する。これ以外は第１実施形態と同様である。

＜処理Ｐ０１Ｂの説明＞
図６に示すように、マイクロコンピュータ２０は、ステップＳ５１でパワー半導体デバイス１０の制御入力端子（ＩＮ入力）１０ｃにおける二値信号ＳＧ１の「ＬＯ」から「ＨＩ」への立ち上がりを検出したか否かを識別する。実際には、出力ポート２０ａに出力している二値信号の状態を識別する。

二値信号ＳＧ１の立ち上がりを検出すると、マイクロコンピュータ２０はステップＳ５２で内部タイマＴ１の動作を開始する。

次のステップＳ５３では、マイクロコンピュータ２０は内部タイマＴ１の計数している時間を時間閾値Ｔｄと比較する。この時間閾値Ｔｄは、図５に示した印加電圧Ｖｉｎと負荷電流ＩＬの間の立ち上がり時間ずれに相当する遅延時間よりも大きい時間値である。電子制御装置１００に実際に接続する負荷５０の特性は事前に把握できるので、この負荷５０の特性に応じた遅延時間よりも大きい値を時間閾値Ｔｄの定数としてマイクロコンピュータ２０に事前に登録しておく。

二値信号ＳＧ１の立ち上がりを検出した後で更に遅延時間を経過すると、「Ｔ１＞Ｔｄ」の条件が満たされるので、ステップＳ５３からＳ５４に進む。この場合、マイクロコンピュータ２０はＳ５４で内部タイマＴ１をリセットする。更に、図３に示した処理Ｐ０１の場合と同様に、マイクロコンピュータ２０はステップＳ１５を実行し、その結果に応じてステップＳ１６又はＳ１７を実行する。

つまり、二値信号ＳＧ１が「ＨＩ」の時には、遅延時間を経過して、図５に示す負荷電流ＩＬが実際に立ち上がった後で、ステップＳ１５を実行するので、「ＨＩ時正常」と「ＨＩ時異常」とを正しく識別できる。

＜処理Ｐ０２Ｂの説明＞
図６の処理と同様に、図７の処理においても、マイクロコンピュータ２０は、ステップＳ５１でパワー半導体デバイス１０の制御入力端子（ＩＮ入力）１０ｃにおける二値信号ＳＧ１の「ＬＯ」から「ＨＩ」への立ち上がりを検出したか否かを識別する。実際には、出力ポート２０ａに出力している二値信号の状態を識別する。

二値信号ＳＧ１の立ち上がりを検出すると、マイクロコンピュータ２０はステップＳ５２で内部タイマＴ１の動作を開始する。

次のステップＳ５３では、マイクロコンピュータ２０は内部タイマＴ１の計数している時間を時間閾値Ｔｄと比較する。この時間閾値Ｔｄは、図５に示した印加電圧Ｖｉｎと負荷電流ＩＬの間の立ち上がり時間ずれに相当する遅延時間よりも大きい時間値である。電子制御装置１００に実際に接続する負荷５０の特性は事前に把握できるので、この負荷５０の特性に応じた遅延時間よりも大きい値を時間閾値Ｔｄの定数としてマイクロコンピュータ２０に事前に登録しておく。

二値信号ＳＧ１の立ち上がりを検出した後で更に遅延時間を経過すると、「Ｔ１＞Ｔｄ」の条件が満たされるので、ステップＳ５３からＳ５４に進む。この場合、マイクロコンピュータ２０はＳ５４で内部タイマＴ１をリセットする。更に、図４に示した処理Ｐ０２の場合と同様に、マイクロコンピュータ２０はステップＳ３５を実行し、その結果に応じてステップＳ３６又はＳ３７を実行する。

つまり、二値信号ＳＧ１が「ＨＩ」の時には、遅延時間を経過して、図５に示す負荷電流ＩＬが実際に立ち上がった後で、ステップＳ３５を実行するので、「ＨＩ時正常」と「ＨＩ時異常」とを正しく識別できる。

＜第３実施形態＞
＜適用される状況の説明＞
車両に搭載される様々な負荷、すなわち電装品の多くは、車両が停止している時には電源電力が供給されない非通電の状態にあり、イグニッションスイッチがオンになった後、何らかのトリガ入力を契機として、例えば前述のスイッチ素子１１がオフからオンに切り替わり、電源電力の供給が開始される状態になる。

一方、電子制御装置１００がスイッチ素子１１の故障の有無を識別する際には、図２に示したような識別条件に従って判断を実施するので、二値信号ＳＧ１の「ＬＯ」及び「ＨＩ」の両方の状態について識別を行わないと、正確な診断結果は得られない。

したがって、例えば負荷の通電／非通電が長時間にわたって変化しないような状況では、二値信号ＳＧ１の「ＨＩ」又は「ＬＯ」のいずれかの状態のみが長く継続するので、正確な診断結果が得られるまでに長い時間を要する可能性がある。

そこで、第３実施形態では二値信号ＳＧ１の「ＨＩ」の状態と「ＬＯ」の状態の診断の順序や優先順位を考慮した制御を実施する。これにより、正確な診断結果が得られるまでの所要時間を短縮できる。

＜動作の説明＞
図３に示した処理の変形例を図８に示す。すなわち、前述のマイクロコンピュータ２０が図３に示した処理を実行し、スイッチ素子１１の故障の有無を識別する。電子制御装置１００の構成については図１と同一である。

車両のイグニッションスイッチがオンになり、車両側から電子制御装置１００に電源電力が供給されると、マイクロコンピュータ２０は図８のステップＳ６１で所定の初期化を実行する。この初期化において、例えば前述の「ＬＯ時異常フラグ」及び「ＨＩ時異常フラグ」をクリアする。

ステップＳ６２では、マイクロコンピュータ２０は、パワー半導体デバイス１０の制御入力端子１０ｃに印加される二値信号ＳＧ１が「ＬＯ」か否かを識別する。二値信号ＳＧ１が「ＬＯ」になると次のＳ６３に進む。

ステップＳ６３では、マイクロコンピュータ２０は、センス信号ＳＧ３の電圧をアナログ入力ポート２０ｂで読み取り、この電圧値を「ＩＮ入力＝ＬＯ」における条件と比較してその結果をフラグに反映する。すなわち、図３の各ステップＳ１２、Ｓ１３、Ｓ１４と同様の処理を行い、センス信号ＳＧ３が「ＬＯ」の状態における異常の有無を識別する。

次のステップＳ６４では、マイクロコンピュータ２０は、パワー半導体デバイス１０の制御入力端子１０ｃに印加される二値信号ＳＧ１が「ＨＩ」か否かを識別する。二値信号ＳＧ１が「ＨＩ」になると次のＳ６５に進む。

ステップＳ６５では、マイクロコンピュータ２０は、センス信号ＳＧ３の電圧をアナログ入力ポート２０ｂで読み取り、この電圧値を「ＩＮ入力＝ＨＩ」における条件と比較してその結果をフラグに反映する。すなわち、図３の各ステップＳ１５、Ｓ１６、Ｓ１７と同様の処理を行い、センス信号ＳＧ３が「ＨＩ」の状態における異常の有無を識別する。

図８の各ステップＳ６６、Ｓ６７、Ｓ６８、Ｓ６９は、それぞれ図３におけるステップＳ１８、Ｓ１９、Ｓ２０、Ｓ２１と同様である。つまり、マイクロコンピュータ２０は「ＬＯ時異常フラグ＝０」且つ「ＨＩ時異常フラグ＝０」の条件を満たす場合のみ、スイッチ素子１１が正常である状態を検出し、それ以外の場合はスイッチ素子１１のショートを検出する。

図８に示した処理においては、車両のイグニッションスイッチがオンになった後で、「ＩＮ入力＝ＬＯ」の状態における診断をステップＳ６２、Ｓ６３で実行し、それが完了した後で、「ＩＮ入力＝ＨＩ」の状態における診断をステップＳ６４、Ｓ６５で実行し、最終的な診断の結果をステップＳ６６〜Ｓ６９で出力している。

車両のイグニッションスイッチがオンになった直後は、負荷５０は常に非通電であり、「ＩＮ入力＝ＬＯ」の状態になる。そして、何らかのトリガ入力により「ＩＮ入力＝ＨＩ」の状態に変化して負荷５０が通電状態に切り替わる。図８に示した順序で故障の診断を実施することにより、最小限の所要時間で、「ＩＮ入力＝ＬＯ」の状態と「ＩＮ入力＝ＨＩ」の状態とを診断することが可能になる。

＜第４実施形態＞
＜装置の構成＞
半導体異常検出回路を含む電子制御装置の構成例（２）を図９に示す。図９に示す構成は、図１に示した構成の変形例であり、出力モニタ回路６０が追加された点が異なっている。出力モニタ回路６０以外の構成は図１とほぼ同じである。

図９に示すように、出力モニタ回路６０の入力は、出力端子１０ｂと接続されている。すなわち、出力モニタ回路６０は、出力端子１０ｂの電圧をモニタするために設けてある。出力端子１０ｂの電圧は、モニタ信号線６１を介してマイクロコンピュータ２０のアナログ入力ポート２０ｃに印加される。

したがって、図９に示す電子制御装置１００Ｂにおいては、マイクロコンピュータ２０はセンス信号ＳＧ３の電圧、及び出力端子１０ｂの出力信号（ＳＧ２）の両方を監視することができる。

＜故障検出の動作＞
図９の電子制御装置１００Ｂが出力端子１０ｂの出力信号（ＳＧ２）に基づいて故障の有無を識別する場合にも、図２に示した識別条件を利用して診断を実行することができる。つまり、「ＩＮ入力＝ＬＯ」の状態で出力端子１０ｂの出力信号（ＳＧ２）が「ＧＮＤレベル」と同等であれば正常、「ＨＩ」と同等であれば異常とみなすことができる。

また、「ＩＮ入力＝ＨＩ」の状態では、出力端子１０ｂの出力信号（ＳＧ２）が「ＨＩ」と同等であれば正常の可能性があり、出力端子１０ｂの出力信号（ＳＧ２）が「ＨＩ」以外であれば、スイッチ素子１１の断線や劣化の可能性がある。

図９に示す電子制御装置１００Ｂにおいては、出力端子１０ｂの出力信号（ＳＧ２）及びセンス信号ＳＧ３の２系統の信号を用いて故障を診断するので、より精度の高い故障診断が可能になる。

＜第５実施形態＞
図１に示した電子制御装置１００においては、スイッチ素子１１の故障の有無を検出するための機能を有するマイクロコンピュータ２０を、パワー半導体デバイス１０の外側に接続してある。しかし、このような故障検出機能を実現する場合に、必ずしもコンピュータを利用する必要はない。

したがって、図示しないが、第５実施形態では、故障検出機能を実現する制御回路をパワー半導体デバイス１０自体に内蔵する。この制御回路は、図３、図４に示した処理と同等の処理を実行する。つまり、センス信号ＳＧ３の電圧を監視すると共に、制御入力端子１０ｃの二値信号の「ＨＩ／ＬＯ」に応じて、ＳＧ３の電圧の閾値を切り替えて故障の有無を識別する。これにより、マイクロコンピュータ２０を省略することが可能になる。

ここで、上述した本発明に係る半導体異常検出回路の実施形態の特徴をそれぞれ以下（１）〜（７）に簡潔に纏めて列記する。
（１） 電源（電源ライン７０）と負荷（５０）との間の通電路に配されるスイッチ素子（１１）、及び前記スイッチ素子に流れる電流に対応したセンス信号を生成するセンス信号生成部（ロジック・センサ回路１２）を含む半導体回路（パワー半導体デバイス１０）と、
前記スイッチ素子の制御入力端子へ印加する指令電圧（二値信号ＳＧ１）レベルの高／低を二値的に切り替えて、前記負荷への電力供給を制御する制御部（パワー半導体デバイス１０またはマイクロコンピュータ２０）と、
を備え、
前記制御部は、前記指令電圧レベルが、前記スイッチ素子の非通電に対応するオフ電圧であり、且つ、前記センス信号の電圧値が前記スイッチ素子の非通電に対応した規定オフ電圧と同等であるとき、または、前記指令電圧レベルが、前記スイッチ素子の通電に対応するオン電圧であり、且つ、前記センス信号の電圧値が前記負荷の定常通電状態に対応する規定オン電圧と同等であるとき、前記半導体回路が正常に駆動していると識別する、
ことを特徴とする半導体異常検出回路。
（２） 前記制御部は、前記指令電圧レベルが前記オフ電圧である場合における前記センス信号の電圧値が前記規定オフ電圧と同等であり、且つ、前記指令電圧レベルが前記オン電圧である場合における前記センス信号の電圧値が前記規定オン電圧と同等であるとき、前記半導体回路が正常に駆動していると識別する
ことを特徴とする（１）に記載の半導体異常検出回路。
（３） 前記制御部は、前記指令電圧レベルが前記オフ電圧である場合における前記センス信号の電圧値を検出した後、前記指令電圧レベルが前記オン電圧である場合における前記センス信号の電圧値を検出する、
ことを特徴とする（２）に記載の半導体異常検出回路。
（４） 前記半導体回路との間で信号の送受が可能な制御回路（マイクロコンピュータ２０）をさらに備え、
前記制御回路には、前記制御部が含まれる、
ことを特徴とする（１）から（３）のいずれか１項に記載の半導体異常検出回路。
（５） 前記半導体回路（パワー半導体デバイス１０）には、前記制御部が含まれる
ことを特徴とする（１）から（３）のいずれか１項に記載の半導体異常検出回路。
（６） 前記スイッチ素子の出力端子（１０ｂ）に現れる電圧と同等の信号を前記制御回路に入力するためのモニタ信号線（６１）をさらに備え、
前記制御回路は、前記センス信号（ＳＧ３）の電圧値、及び前記モニタ信号線から入力される電圧値（出力信号ＳＧ２）に基づき、前記半導体回路が正常に駆動しているか否かを識別する、
ことを特徴とする（４）に記載の半導体異常検出回路。
（７） 前記制御部は、前記指令電圧レベルが前記オン電圧になったことを検知した後、少なくとも事前に定めた遅延時間（時間閾値Ｔｄ）を経過するまで待機してから前記センス信号の電圧値を検出する、
ことを特徴とする（１）から（６）のいずれか１項に記載の半導体異常検出回路。

１０ パワー半導体デバイス
１０ａ 電源入力端子
１０ｂ 出力端子
１０ｃ 制御入力端子
１０ｄ センス信号出力端子
１１ スイッチ素子
１２ ロジック・センサ回路
２０ マイクロコンピュータ
２０ａ 出力ポート
２０ｂ アナログ入力ポート
２０ｃ アナログ入力ポート
３０ インタフェース
４０ 信号入力回路
５０ 負荷
６０ 出力モニタ回路
６１ モニタ信号線
７０ 電源ライン
７１ アースライン
１００，１００Ｂ 電子制御装置
１００ａ 出力端子

Claims (7)

1. 電源と負荷との間の通電路に配されるスイッチ素子、及び前記スイッチ素子に流れる電流に対応したセンス信号を生成するセンス信号生成部を含む半導体回路と、
   前記スイッチ素子の制御入力端子へ印加する指令電圧レベルの高／低を二値的に切り替えて、前記負荷への電力供給を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記指令電圧レベルが、前記スイッチ素子の非通電に対応するオフ電圧であり、且つ、前記センス信号の電圧値が前記スイッチ素子の非通電に対応した規定オフ電圧と同等であるとき、または、前記指令電圧レベルが、前記スイッチ素子の通電に対応するオン電圧であり、且つ、前記センス信号の電圧値が前記負荷の定常通電状態に対応する規定オン電圧と同等であるとき、前記半導体回路が正常に駆動していると識別する、
   ことを特徴とする半導体異常検出回路。
2. 前記制御部は、前記指令電圧レベルが前記オフ電圧である場合における前記センス信号の電圧値が前記規定オフ電圧と同等であり、且つ、前記指令電圧レベルが前記オン電圧である場合における前記センス信号の電圧値が前記規定オン電圧と同等であるとき、前記半導体回路が正常に駆動していると識別する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体異常検出回路。
3. 前記制御部は、前記指令電圧レベルが前記オフ電圧である場合における前記センス信号の電圧値を検出した後、前記指令電圧レベルが前記オン電圧である場合における前記センス信号の電圧値を検出する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の半導体異常検出回路。
4. 前記半導体回路との間で信号の送受が可能な制御回路をさらに備え、
   前記制御回路には、前記制御部が含まれる、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体異常検出回路。
5. 前記半導体回路には、前記制御部が含まれる
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体異常検出回路。
6. 前記スイッチ素子の出力端子に現れる電圧と同等の信号を前記制御回路に入力するためのモニタ信号線をさらに備え、
   前記制御回路は、前記センス信号の電圧値、及び前記モニタ信号線から入力される電圧値に基づき、前記半導体回路が正常に駆動しているか否かを識別する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の半導体異常検出回路。
7. 前記制御部は、前記指令電圧レベルが前記オン電圧になったことを検知した後、少なくとも事前に定めた遅延時間を経過するまで待機してから前記センス信号の電圧値を検出する、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体異常検出回路。
   

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