JP2018133891A - 給電制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】給電制御装置を提供する。
【解決手段】２つの電源の間に並列に接続された複数の半導体スイッチを備え、複数の半導体スイッチを介して、２つの電源に接続された負荷への給電を制御する給電制御装置であって、複数の半導体スイッチのうちの少なくとも１つから発せられた熱に起因して上昇する温度を検出する温度検出部と、温度検出部が閾値温度以上の温度を検出した場合、複数の半導体スイッチをオフからオンに切り替える制御を実行する切替制御部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、給電制御装置に関する。
車両には、バッテリから負荷への給電経路に設けられたスイッチをオン又はオフに切り替えることによって、バッテリから負荷への給電を制御する給電制御装置が搭載されている（例えば、特許文献１を参照）。
特許文献１に記載の給電制御装置は、バッテリから負荷への給電経路に設けられており、２つのＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）が並列に接続されたスイッチ部を備える。特許文献１に記載の給電制御装置では、これらのＭＯＳＦＥＴをオン又はオフに切り替えることにより、負荷への給電を制御する構成としている。
特開２０１３−２３６２９７号公報
並列に接続された各ＦＥＴの両端にそれぞれ電源及び負荷が接続された電源リレー回路において、ＦＥＴの寄生ダイオードのアノード側がショートした場合、アノード側の電源電圧を維持するために、ＦＥＴをオフにして電流を止めることが望まれる。しかしながら、１つのＦＥＴが半オン故障（ハーフオン故障）した状態において、ＦＥＴの寄生ダイオードのアノード側がショートした場合、ＦＥＴをオフにすると、半オン故障したＦＥＴに電流が集中するため、このＦＥＴが過度に発熱する虞がある。
特許文献１では、ＦＥＴのドレイン・ソース間の電圧により、半オン故障を検出する構成としているが、ＦＥＴの両端に電源が接続された電源リレー回路では、ＦＥＴのドレイン・ソース間電圧により半オン故障を検出することはできないという問題点を有している。
本発明の目的は、半導体スイッチの両端に電源が接続されている場合であっても、半オン故障を検出することができる給電制御装置を提供することにある。
一態様に係る給電制御装置は、２つの電源の間に並列に接続された複数の半導体スイッチを備え、該複数の半導体スイッチを介して、前記２つの電源に接続された負荷への給電を制御する給電制御装置であって、前記複数の半導体スイッチのうちの少なくとも１つから発せられた熱に起因して上昇する温度を検出する温度検出部と、該温度検出部が閾値温度以上の温度を検出した場合、前記複数の半導体スイッチをオフからオンに切り替える制御を実行する切替制御部とを備える。
上記によれば、半導体スイッチの両端に電源が接続されている場合であっても、半オン故障を検出することができる。
実施の形態１に係る電源システムを説明する回路図である。 制御回路の内部構成を説明するブロック図である。 実施の形態１に係る制御回路が実行する処理の手順を説明するフローチャートである。 実施の形態２に係る電源システムを説明する回路図である。 実施の形態２に係る制御回路が実行する処理の手順を説明するフローチャートである。
本発明の実施態様を列記して説明する。また、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
本願の一態様に係る給電制御装置は、２つの電源の間に並列に接続された複数の半導体スイッチを備え、該複数の半導体スイッチを介して、前記２つの電源に接続された負荷への給電を制御する給電制御装置であって、前記複数の半導体スイッチのうちの少なくとも１つから発せられた熱に起因して上昇する温度を検出する温度検出部と、該温度検出部が閾値温度以上の温度を検出した場合、前記複数の半導体スイッチをオフからオンに切り替える制御を実行する切替制御部とを備える。
上記一態様にあっては、半導体スイッチのドレイン側及びソース側の双方に電源が接続されている場合であっても、半導体スイッチのドレイン・ソース間電圧を検知することなく、半オン故障を検出することが可能となる。また、半オン故障を検出した場合、全ての半導体スイッチをオフからオンに切り替える制御を実行するので、半オン故障が生じていない半導体スイッチが存在すれば、当該半導体スイッチに電流を流すことができ、半オン故障した半導体スイッチに電流が集中することが回避される。この結果、過度な温度上昇による半導体スイッチの焼損を防ぐことができる。
本願の一態様に係る給電制御装置は、前記複数の半導体スイッチに並列に接続されたリレー接点を更に備え、該リレー接点をオフにしている場合に、前記温度検出部が前記閾値温度以上の温度を検出した場合、前記切替制御部は、前記リレー接点をオフからオンに切り替える制御を実行する。
上記一態様にあっては、半オン故障を検出した場合、リレー接点をオフからオンに切り替える制御を実行するので、リレー接点を通じて電流を流すことができ、半オン故障した半導体スイッチに電流が集中することが回避される。この結果、過度な温度上昇による半導体スイッチの焼損を防ぐことができる。
本願の一態様に係る給電制御装置は、前記半導体スイッチはＦＥＴであり、前記２つの電源の一方は各半導体スイッチのドレインに接続され、他方は各半導体スイッチのソースに接続されており、前記一方の電源から各半導体スイッチのドレインに流れる電流を検出する逆流検出部を備え、前記切替制御部は、前記複数の半導体スイッチの少なくとも１つをオンにしている場合に、前記逆流検出部が前記電流を検出した場合、前記少なくとも１つの半導体スイッチをオフに切り替える制御を実行する。
上記一態様にあっては、半導体スイッチのドレインからソースに向かう逆向きの電流を検出した場合、全ての半導体スイッチをオンからオフに切り替えることができる。
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１に係る電源システムを説明する回路図である。実施の形態１に係る電源システムは、例えば車両に搭載されており、給電制御装置１０、メインバッテリ２１、サブバッテリ２２、及び負荷３１，３２を備える。
メインバッテリ２１は、正極が負荷３１及び給電制御装置１０に接続されており、負荷３１への給電を行うと共に、給電制御装置１０を介して負荷３２への給電を行う。なお、メインバッテリ２１の負極は接地されている。負荷３１，３２は、スタータモータ、車灯、ワイパー、空気調和機などの電気機器である。負荷３１，３２は、メインバッテリ２１（又はサブバッテリ２２）から給電された場合に動作し、メインバッテリ２１（又はサブバッテリ２２）からの給電が停止した場合に動作を停止するように構成されている。給電制御装置１０には、負荷３１，３２の動作及び動作停止を指示する信号が例えば図に示していないボディＥＣＵ（Electronic Control Unit）等から入力される。給電制御装置１０は、ボディＥＣＵ等から入力された信号に基づき、メインバッテリ２１及びサブバッテリ２２に対する給電制御を実行する。
給電制御装置１０は、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂ、駆動回路１２、制御回路１３、温度素子１４、過熱検出回路１５、及び逆流検出回路１６を備える。
半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂは、例えばＮチャンネル型のＦＥＴであり、メインバッテリ２１及びサブバッテリ２２の間に並列に接続されている。半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのソースは、それぞれメインバッテリ２１の正極に接続されており、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのドレインは、それぞれサブバッテリ２２の正極に接続されている。また、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのゲートは、それぞれ駆動回路１２に接続されている。
なお、本実施の形態では、給電制御装置１０が２つの半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂを備えた構成としたが、３つ以上の半導体スイッチを備えた構成であってもよい。
駆動回路１２は、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのゲートの電圧値を調整することによって、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂを略同時にオン又はオフに切り替える。駆動回路１２には、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのオン又はオフへの切り替えを指示する制御信号が制御回路１３より入力される。
図２は制御回路１３の内部構成を説明するブロック図である。制御回路１３は、例えば、制御部１３１、記憶部１３２、入出力部１３３を備えており、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂをオン又はオフに切り替える制御信号を駆動回路１２へ出力する。
制御部１３１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを備える。制御部１３１が備えるＣＰＵは、ＲＯＭに予め記憶されている制御プログラムを実行することにより、制御回路１３が備えるハードウェア各部の動作を制御し、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂの切替制御を実現する。具体的には、制御部１３１は、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂをオン又はオフに切り替えるための制御信号を、入出力部１３３を通じて駆動回路１２へ出力することにより、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂの切替制御を実現する。また、制御部１３１は、上記制御信号を出力する都度、その旨の情報を例えばＲＡＭに書き込むことにより、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのオン又はオフの制御状態を管理する。
入出力部１３３は、各種回路を接続するインタフェースを備える。本実施の形態では、駆動回路１２、過熱検出回路１５、及び逆流検出回路１６が入出力部１３３に接続されている。入出力部１３３は、過熱検出回路１５及び逆流検出回路１６から出力される検出結果を取得し、取得した検出結果を制御部１３１へ出力する。また、入出力部１３３は、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂをオン又はオフに切り替える制御信号を制御部１３１から取得した場合、取得した制御信号を駆動回路１２へ出力する。
また、入出力部１３３は、ＣＡＮ（Controller Area Network）などの通信プロトコルに従って、ボディＥＣＵなどの機器と通信を行う通信インタフェースを備えていてもよい。この場合、制御部１３１は、負荷３１，３２の動作開始及び動作停止を指示するボディＥＣＵ等からの信号を、入出力部１３３が備える通信インタフェースを通じて取得してもよい。
過熱検出回路１５は、温度素子１４を用いることにより、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂの少なくとも一方から発せられた熱に起因して上昇する温度を検出する。温度素子１４は、周囲の温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタなどの温度センサであり、２つの半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂの近傍に配置される。本実施の形態では、半導体スイッチ１１Ａ（又は半導体スイッチ１１Ｂ）の半オン故障時の発熱に伴う温度上昇を過熱検出回路１５にて検出できれば十分であり、温度素子１４は、例えば２つの半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂが実装されている基板と同一の基板上に実装される。
過熱検出回路１５は、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂの耐熱温度（例えば１４０℃〜１７５℃）よりも低く設定された閾値温度（例えば８０℃）を記憶するメモリ（不図示）を有しており、温度素子１４が示す周囲温度が閾値温度以上である場合、その旨の検出結果を制御回路１３へ出力する。
なお、本実施の形態では、半オン故障時の発熱に伴う温度上昇を過熱検出回路１５にて検出する構成としたが、温度素子１４を制御回路１３の入出力部１３３に接続し、制御回路１３の制御部１３１にて、半オン故障時の発熱に伴う温度上昇を検出してもよい。この場合、温度閾値は記憶部１３２に記憶される。制御部１３１は、温度素子を１４を通じて計測される温度を、記憶部１３２に記憶されている温度閾値と比較することにより、閾値温度以上の温度上昇が発生しているか否かを検出することができる。
逆流検出回路１６は、サブバッテリ２２の正極と半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのドレインとの間に介装されており、サブバッテリ２２から給電制御装置１０を介して負荷３１へ流れ込もうとする電流を検出する。逆流検出回路１６は、サブバッテリ２２の正極から半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのドレインに向かう方向の電流（逆流）を検出した場合、その旨の検出結果を制御回路１３へ出力する。
以下、給電制御装置１０の動作について説明する。
図３は実施の形態１に係る制御回路１３が実行する処理の手順を説明するフローチャートである。制御回路１３の制御部１３１は、例えば車両のＩＧスイッチがオンである場合に、以下の処理を定期的なタイミングで実行する。制御部１３１は、給電制御装置１０が備える２つの半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂの制御状態がオフであるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。制御部１３１は、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのオン又はオフの制御状態を管理しているので、管理している情報を参照することにより、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂの制御状態がオフであるか否かを判断することができる。
半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂの制御状態がオフでないと判断した場合（Ｓ１０１：ＮＯ）、制御部１３１は、入出力部１３３を通じて入力される逆流検出回路１６からの検出結果に基づき、サブバッテリ２２の正極から半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのドレインに向かう方向の電流（逆流）を検出したか否かを判断する（ステップＳ１０２）。逆流を検出していないと判断した場合（Ｓ１０２：ＮＯ）、制御部１３１は、以下の処理を実行することなく、本フローチャートによる処理を終了する。
逆流を検出したと判断した場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、制御部１３１は、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂを全てオフにする制御信号を駆動回路１２へ出力し、駆動回路１２を通じて半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂを全てオフにする（ステップＳ１０３）。
ステップＳ１０１で半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂの制御状態がオフであると判断した場合（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、又はステップＳ１０３で半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂを全てオフに制御した場合、制御部１３１は、入出力部１３３を通じて入力される過熱検出回路１５からの検出結果に基づき、閾値温度以上の温度が過熱検出回路１５によって検出されたか否かを判断する（ステップＳ１０４）。閾値温度以上の温度が過熱検出回路１５によって検出されていない場合（Ｓ１０４：ＮＯ）、制御部１３１は、本フローチャートによる処理を終了する。
閾値温度以上の温度が過熱検出回路１５により検出されたと判断した場合（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、制御部１３１は、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂの少なくとも一方が半オン故障した可能性があるため、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂをオフからオンに切り替える制御信号を駆動回路１２へ出力し、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂをオンにする制御を実行する（ステップＳ１０５）。この制御により、半オン故障が生じていない半導体スイッチ１１Ａ（又は半導体スイッチ１１Ｂ）をオンにすることができるので、半オン故障が生じた半導体スイッチ１１Ｂ（又は半導体スイッチ１１Ａ）に電流が集中することが回避され、過度な温度上昇が防止される。
以上のように、実施の形態１では、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのドレイン側及びソース側の双方に電源（本実施の形態では、メインバッテリ２１及びサブバッテリ２２）が接続されている場合であっても、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのドレイン・ソース間電圧を検知することなく、半オン故障を検出することが可能となる。また、半オン故障を検出した場合、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂをオン制御するので、一方の半導体スイッチ１１Ａ（又は半導体スイッチ１１Ｂ）が半オン故障していなければ、当該半導体スイッチ１１Ａ（又は半導体スイッチ１１Ｂ）に電流を流すことができ、半オン故障した半導体スイッチ１１Ｂ（又は半導体スイッチ１１Ａ）に電流が集中することが回避され、過度な温度上昇による焼損を防ぐことができる。
（実施の形態２）
実施の形態２では、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂに対して並列に接続されたリレー接点１１Ｃを更に備える構成について説明する。
図４は実施の形態２に係る電源システムを説明する回路図である。実施の形態２に係る電源システムは、例えば車両に搭載されており、給電制御装置１０、メインバッテリ２１、サブバッテリ２２、及び負荷３１，３２を備える。給電制御装置１０は、上述した半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂ、駆動回路１２、制御回路１３、温度素子１４、過熱検出回路１５、及び逆流検出回路１６に加え、リレー接点１１Ｃを更に備える。
リレー接点１１Ｃは、２つの半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂに並列に接続されており、ＮＯ端子、ＣＯＭ端子、及びリレー切片を有する。図４に示した例では、リレー接点１１ＣのＮＯ端子は、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのドレインに接続されており、ＣＯＭ端子は、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのソースに接続されている。
リレー接点１１Ｃには、一端が制御回路１３に接続されたリレーコイルが設けられている。リレーコイルの一端が開放されている場合、リレーコイルには電流が流れず、リレー切片はＮＯ端子から離れた状態となる。このとき、ＮＯ端子及びＣＯＭ端子間には電流が流れることはなく、リレー接点１１Ｃはオフとなる。一方、リレーコイルの一端が接地された場合、制御回路１３からリレーコイルに電流が流れ、リレーコイルの周辺に磁場が発生する。これにより、リレー切片はＮＯ端子に引付けられ、リレー切片及びＮＯ端子は接触する。このとき、リレー接点１１Ｃはオンとなり、リレー接点１１ＣのＮＯ端子及びＣＯＭ端子間に電流が流れる。
図５は実施の形態２に係る制御回路１３が実行する処理の手順を説明するフローチャートである。制御回路１３の制御部１３１は、例えば車両のＩＧスイッチがオンである場合に、以下の処理を定期なタイミングで実行する。制御部１３１は、給電制御装置１０が備える２つの半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂの制御状態がオフであるか否かを判断する（ステップＳ２０１）。制御部１３１は、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのオン又はオフの制御状態を管理しているので、管理している情報を参照することにより、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂの制御状態がオフであるか否かを判断することができる。
半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂの制御状態がオフでないと判断した場合（Ｓ２０１：ＮＯ）、制御部１３１は、入出力部１３３を通じて入力される逆流検出回路１６からの検出結果に基づき、サブバッテリ２２の正極から半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのドレインに向かう方向の電流（逆流）を検出したか否かを判断する（ステップＳ２０２）。逆流を検出していないと判断した場合（Ｓ２０２：ＮＯ）、制御部１３１は、以下の処理を実行することなく、本フローチャートによる処理を終了する。
逆流を検出したと判断した場合（Ｓ２０２：ＹＥＳ）、制御部１３１は、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂを全てオフにする制御信号を駆動回路１２へ出力し、駆動回路１２を通じて半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂを全てオフにする（ステップＳ２０３）。
ステップＳ２０１で半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂの制御状態がオフであると判断した場合（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、又はステップＳ２０３で半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂを全てオフに制御した場合、制御部１３１は、入出力部１３３を通じて入力される過熱検出回路１５からの検出結果に基づき、閾値温度以上の温度が過熱検出回路１５によって検出されたか否かを判断する（ステップＳ２０４）。閾値温度以上の温度が過熱検出回路１５によって検出されていない場合（Ｓ２０４：ＮＯ）、制御部１３１は、本フローチャートによる処理を終了する。
閾値温度以上の温度が過熱検出回路１５により検出されたと判断した場合（Ｓ２０４：ＹＥＳ）、制御部１３１は、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂの少なくとも一方が半オン故障した可能性があるため、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂをオンにする制御信号を駆動回路１２へ出力し、駆動回路１２を通じて半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂをオンにする制御を実行すると共に、リレー接点１１Ｃに設けられたリレーコイルに電流を流すことにより、リレー接点１１Ｃをオンに制御する（ステップＳ２０５）。これらの制御により、半オン故障が生じていない半導体スイッチ１１Ａ（又は半導体スイッチ１１Ｂ）、及びリレー接点１１Ｃをオンにすることができるので、半オン故障が生じた半導体スイッチ１１Ｂ（又は半導体スイッチ１１Ａ）に電流が集中することが回避され、過度な温度上昇が防止される。
以上のように、実施の形態２では、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのドレイン側及びソース側の双方に電源（本実施の形態では、メインバッテリ２１及びサブバッテリ２２）が接続されている場合であっても、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂのドレイン・ソース間電圧を検知することなく、半オン故障を検出することが可能となる。また、半オン故障を検出した場合、半導体スイッチ１１Ａ，１１Ｂ及びリレー接点１１Ｃをオン制御するので、半オン故障が生じていない半導体スイッチ１１Ａ（又は半導体スイッチ１１Ｂ）及びリレー接点１１Ｃに電流を流すことができ、半オン故障した半導体スイッチ１１Ｂ（又は半導体スイッチ１１Ａ）に電流が集中することが回避され、過度な温度上昇による焼損を防ぐことができる。
今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
１０ 給電制御装置
１１Ａ，１１Ｂ 半導体スイッチ
１１Ｃ リレー接点
１２ 駆動回路
１３ 制御回路
１４ 温度素子
１５ 過熱検出回路
１６ 逆流検出回路
２１ メインバッテリ
２２ サブバッテリ
３１，３２ 負荷
１３１ 制御部（切替制御部）
１３２ 記憶部
１３３ 入出力部

Claims (3)

  1. ２つの電源の間に並列に接続された複数の半導体スイッチを備え、該複数の半導体スイッチを介して、前記２つの電源に接続された負荷への給電を制御する給電制御装置であって、
    前記複数の半導体スイッチのうちの少なくとも１つから発せられた熱に起因して上昇する温度を検出する温度検出部と、
    該温度検出部が閾値温度以上の温度を検出した場合、前記複数の半導体スイッチをオフからオンに切り替える制御を実行する切替制御部と
    を備える給電制御装置。
  2. 前記複数の半導体スイッチに並列に接続されたリレー接点を更に備え、
    該リレー接点をオフにしている場合に、前記温度検出部が前記閾値温度以上の温度を検出した場合、前記切替制御部は、前記リレー接点をオフからオンに切り替える制御を実行する
    請求項１に記載の給電制御装置。
  3. 前記半導体スイッチはＦＥＴであり、
    前記２つの電源の一方は各半導体スイッチのドレインに接続され、他方は各半導体スイッチのソースに接続されており、
    前記一方の電源から各半導体スイッチのドレインに流れる電流を検出する逆流検出部を備え、
    前記切替制御部は、前記複数の半導体スイッチの少なくとも１つをオンにしている場合に、前記逆流検出部が前記電流を検出した場合、前記少なくとも１つの半導体スイッチをオフに切り替える制御を実行する
    請求項１又は請求項２に記載の給電制御装置。
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