JP2019132633A - 負荷駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の異常をより簡易な回路構成で診断できるとともに、初期診断に要する時間を短縮できる負荷駆動装置を提供する。【解決手段】本発明による負荷駆動装置は、負荷３と電源２の間に設けられ、これらと直列に接続する第１スイッチング素子Ｔｒ１と、第１スイッチング素子Ｔｒ１とグランドに接続し、負荷３と並列に設けられた第２スイッチング素子Ｔｒ２と、一端が第１スイッチング素子Ｔｒ１と第２スイッチング素子Ｔｒ２と負荷３が互いに接続する接続点Ｐに接続し、他端がグランドに接続し、第２スイッチング素子Ｔｒ２と並列かつ負荷３と並列に設けられたコンデンサ５と、接続点Ｐの電圧Ｖｐを測定する電圧モニタ回路４０と、第１スイッチング素子Ｔｒ１と第２スイッチング素子Ｔｒ２と電圧モニタ回路４０に接続し、第１スイッチング素子Ｔｒ１と第２スイッチング素子Ｔｒ２を制御し、電圧Ｖｐに基づいて負荷３の異常を診断する制御回路２０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、負荷を駆動する負荷駆動装置に関する。

一般に、車両が備える負荷は、起動時に初期診断が行われてから、通常の制御が行われる。例えば特許文献１には、負荷駆動装置としてモータ駆動回路が開示されている。特許文献１に記載のモータ駆動回路は、モータに接続された第１〜第４半導体スイッチング素子と制御部を備え、制御部が第１〜第４半導体スイッチング素子のオン・オフを制御し、第１半導体スイッチング素子とモータとの接続点の電位に基づいて第４半導体スイッチング素子で構成される還流回路の異常検出を行う。

特開２０１０−１１７２５号公報

特許文献１に記載のモータ駆動回路等、従来の負荷駆動装置は、使用する部品数が多い回路を初期診断に用いるのでコストがかかるという課題がある。また、診断ステップが複雑であるので初期診断に要する時間が長くなり、負荷の起動後（例えば、車両のエンジンの始動後）に初期診断から通常制御に移行するのに時間がかかるという課題もある。

本発明は、以上のような課題に鑑み、負荷の異常をより簡易な回路構成で診断できるとともに、初期診断に要する時間を短縮できる負荷駆動装置を提供することを目的とする。

本発明による負荷駆動装置は、負荷と電源に接続し、前記負荷と前記電源との間に設けられ、これらと直列に接続する第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子とグランドとに接続し、前記負荷と並列に設けられた第２スイッチング素子と、一端が前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子と前記負荷とが互いに接続する点である接続点に接続し、他端がグランドに接続し、前記第２スイッチング素子と並列、かつ前記負荷と並列に設けられたコンデンサと、前記接続点に接続し、前記接続点における電圧を測定する電圧モニタ回路と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子と前記電圧モニタ回路とに接続し、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを制御し、前記電圧に基づいて前記負荷の異常を診断する制御回路とを備える。

本発明によると、負荷の異常をより簡易な回路構成で診断できるとともに、初期診断に要する時間を短縮できる負荷駆動装置を提供することができる。

実施例１による負荷駆動装置の構成を示す回路ブロック図である。 実施例１による負荷駆動装置が行う駆動回路と負荷の異常診断処理のフローチャートである。 コンデンサの正常充電電圧マップの一例を示す図である。 正常充電電圧の正常範囲の一例を示す図である。 制御回路が複数の経過時間においてモニタ電圧が正常範囲に含まれる否かを判定するときの、正常充電電圧の正常範囲の一例を示す図である。 実施例２による負荷駆動装置の構成を示す回路ブロック図である。 実施例２による負荷駆動装置が行う駆動回路と負荷の異常診断処理のフローチャートである。

本発明による負荷駆動装置は、負荷と電源に接続し、駆動回路と電圧モニタ回路と制御回路を備える。駆動回路は、負荷と電源との間に直列に設けられた第１スイッチング素子と、第１スイッチング素子とグランドとに接続し負荷と並列に設けられた第２スイッチング素子と、一端が第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と負荷とが互いに接続する点である接続点に接続し、他端がグランドに接続し、第２スイッチング素子と並列かつ負荷と並列に設けられたコンデンサを備える。電圧モニタ回路は、接続点における電圧を測定する。制御回路は、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを制御し、電圧モニタ回路が測定した接続点における電圧に基づいて負荷の異常を診断する。

第１スイッチング素子と第２スイッチング素子には、任意のスイッチング素子、例えば半導体スイッチを用いることができる。

本発明による負荷駆動装置は、コンデンサを充電するときと放電するときの電圧を監視することで、負荷の異常診断処理を初期診断として実行する。さらに、負荷駆動装置が備える駆動回路の異常診断処理も、初期診断として実行することができる。本発明による負荷駆動装置は、負荷と駆動回路の異常をより簡易な回路構成で診断でき、初期診断に要する時間を短縮できる。

なお、本明細書において、負荷の異常には、負荷自体の異常の他に、負荷駆動装置の負荷に接続する端子の異常と、負荷駆動装置から負荷への接続線の異常とが含まれる。従って、本発明による負荷駆動装置は、負荷の異常と併せて、負荷に接続する端子の異常と負荷への結線の異常も診断することができる。

以下、本発明の実施例による負荷駆動装置を、図面を参照して説明する。以下の実施例では、負荷駆動装置が車両（自動車）に適用された例を説明する。

本発明の実施例１による負荷駆動装置を説明する。

図１は、本実施例による負荷駆動装置１の構成を示す回路ブロック図である。負荷駆動装置１は、外部の車載電源２と負荷３とに接続し、負荷３を駆動する。負荷３は、車載用の抵抗負荷や誘導性負荷であり、例えば、車両のＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation、排気再循環）装置やＡＴＣＵ（Automatic Transmission Control Unit、ＡＴ用制御装置）が備える駆動ソレノイドバルブ等である。

負荷駆動装置１は、駆動回路１０と制御回路２０を備える。駆動回路１０は、第１半導体スイッチＴｒ１、第２半導体スイッチＴｒ２、及びＥＳＤ（Electrostatic Discharge、静電気放電）からの保護用やサージ吸収用のコンデンサ５を備え、車載電源２から電力が供給されて負荷３を駆動する。制御回路２０は、第１半導体スイッチＴｒ１と第２半導体スイッチＴｒ２を制御する。また、負荷駆動装置１は、車載電源２に接続される端子ＴＥと、負荷３に接続される端子ＴＬと、グランド（ＧＮＤ）に接続される端子ＴＧを備える。

第１半導体スイッチＴｒ１と第２半導体スイッチＴｒ２は、それぞれの制御端子に入力された制御信号に応じて、オンになると回路を接続し、オフになると回路を遮断するスイッチング半導体素子であり、それぞれ、製造過程で必然的に形成される寄生ダイオードＤ１とＤ２を備える。

本実施例では、第１半導体スイッチＴｒ１と第２半導体スイッチＴｒ２は、図１に示すように、ｎ型のＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。但し、第１半導体スイッチＴｒ１と第２半導体スイッチＴｒ２には、例えばｐ型のＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の、寄生ダイオードを備える任意のスイッチング半導体素子を用いることができる。また、第１半導体スイッチＴｒ１と第２半導体スイッチＴｒ２には、寄生ダイオードを備えないスイッチング半導体素子を用いることもできる。この場合には、ダイオードを半導体素子と並列に接続し、このダイオードを寄生ダイオードの代用としてもよい。

第１半導体スイッチＴｒ１は、負荷３に対する通電量を制御するためのものであり、車載電源２と負荷３との間に設けられ、これらと直列に接続する。第１半導体スイッチＴｒ１のドレイン端子は、ハイサイド側（車載電源２のプラス端子）に接続される。第１半導体スイッチＴｒ１のソース端子は、ローサイド側（負荷３）に接続される。このため、第１半導体スイッチＴｒ１が備える寄生ダイオードＤ１は、負荷３から車載電源２のプラス端子に向かう方向を順方向とする。

第２半導体スイッチＴｒ２は、寄生ダイオードＤ２が還流素子として機能して還流回路を構成し、負荷３と並列に設けられる。第２半導体スイッチＴｒ２のドレイン端子は、ハイサイド側（第１半導体スイッチＴｒ１）に接続され、第２半導体スイッチＴｒ２のソース端子は、ＧＮＤに接続される。このため、第２半導体スイッチＴｒ２が備える寄生ダイオードＤ２は、第２半導体スイッチＴｒ２から第１半導体スイッチＴｒ１へ向かう方向を順方向とする。

コンデンサ５は、第２半導体スイッチＴｒ２と並列、かつ負荷３と並列に設けられる。コンデンサ５の一端は、第１半導体スイッチＴｒ１のソース端子と第２半導体スイッチＴｒ２のドレイン端子と負荷３への端子ＴＬとに接続され、他端は、ＧＮＤに接続される。すなわち、コンデンサ５の一端は、第１半導体スイッチＴｒ１と第２半導体スイッチＴｒ２と負荷３とが互いに接続する点である接続点Ｐに接続される。コンデンサ５の内部抵抗は、極めて小さい値である。コンデンサ５には、例えば端子コンデンサ等、任意のコンデンサを用いることができる。

制御回路２０は、第１半導体スイッチＴｒ１と第２半導体スイッチＴｒ２の制御端子（ゲート端子）と接続し、各制御端子に制御信号を出力して、第１半導体スイッチＴｒ１と第２半導体スイッチＴｒ２のオンとオフを切り替える制御を行うように構成されている。

負荷駆動装置１は、さらに、電圧モニタ回路４０と、電流モニタ回路５０を備える。

電圧モニタ回路４０は、制御回路２０と接続点Ｐとの間に設けられ、これらと直列に接続する。電圧モニタ回路４０は、接続点Ｐにおける電圧（ＧＮＤに対する接続点Ｐの電圧）であるモニタ電圧Ｖｐ（第１モニタ電圧）を測定し、モニタ電圧Ｖｐを制御回路２０に出力する。電圧モニタ回路４０は、モニタ電圧Ｖｐを制御回路２０で検出可能な電圧に調整して、制御回路２０に出力する。

電圧モニタ回路４０は、モニタ電圧Ｖｐを測定し、モニタ電圧Ｖｐを制御回路２０で検出可能な電圧に調整して制御回路２０に出力する回路であれば、任意の構成を備えることができる。例えば、電圧モニタ回路４０は、負荷３に接続した抵抗を有する分圧回路、又は車載電源２の電圧Ｅ（電源電圧Ｅ）よりも低い定電圧源を有する分圧回路を備え、この分圧回路でモニタ電圧Ｖｐを測定する構成を備えることができる。

電流モニタ回路５０は、第１半導体スイッチＴｒ１のドレイン端子とソース端子とに接続し、第１半導体スイッチＴｒ１と並列に設けられ、制御回路２０とも接続する。電流モニタ回路５０は、第１半導体スイッチＴｒ１がオンのときの第１半導体スイッチＴｒ１の両端電圧（ドレイン端子とソース端子の間の電圧）であるモニタ電圧Ｖｉ（第２モニタ電圧）を測定する。モニタ電圧Ｖｉは、負荷３に流れる電流ｉ（負荷電流ｉ）に応じた電圧である。電流モニタ回路５０は、モニタ電圧Ｖｉを制御回路２０で負荷電流ｉを検出可能な電圧に調整して、制御回路２０に出力する。なお、第１半導体スイッチＴｒ１の両端電圧は、第１半導体スイッチＴｒ１のドレイン端子と負荷３との間の電圧と考えることができる。

電流モニタ回路５０は、モニタ電圧Ｖｉを測定し、モニタ電圧Ｖｉを制御回路２０で負荷電流ｉを検出可能な電圧に調整して制御回路２０に出力する回路であれば、任意の構成を備えることができる。例えば、電流モニタ回路５０は、ディスクリート半導体や電流検出用ＩＣ（Integrated Circuit）を備えることができ、さらにフィルタ回路や増幅回路を備えることもできる。

制御回路２０は、モニタ電圧Ｖｉと負荷３の抵抗値を用いて、負荷電流ｉを検出することができる。負荷３の抵抗値は、負荷３の仕様等から予め知ることができる。負荷電流ｉは、例えば、過電流の検出や負荷３の地絡の検出等、負荷電流ｉのモニタが必要な場合に用いられる。

制御回路２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算装置、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の書き込み可能な揮発性メモリ、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性メモリを備え、演算装置が不揮発性メモリに予め記憶されたプログラムを揮発性メモリに読み出して実行することで、負荷３の駆動処理、及び駆動回路１０と負荷３の異常診断処理を行う。制御回路２０は、本実施例のように演算装置がソフトウェア処理を行う構成を備えることもでき、ハードウェアが負荷３の駆動処理、及び駆動回路１０と負荷３の異常診断処理を行う構成の一部又は全部を備えることも可能である。

制御回路２０は、負荷３の駆動処理において、第２半導体スイッチＴｒ２をオフにし、第１半導体スイッチＴｒ１の制御端子に対して、負荷３の目標値（例えば、目標回転速度）に応じた制御信号を出力する。制御信号の例として、第１半導体スイッチＴｒ１のオン時間とオフ時間の比率を変化させるパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を挙げることができる。この状態で、第１半導体スイッチＴｒ１がオンの場合には、車載電源２から第１半導体スイッチＴｒ１に流れた電流は、第２半導体スイッチＴｒ２の寄生ダイオードＤ２によって第２半導体スイッチＴｒ２への通電が遮断されて、負荷３に流れる。

第１半導体スイッチＴｒ１をオンからオフにすると、負荷３のインダクタンス成分によって逆起電圧が発生する。しかし、駆動回路１０に形成された還流回路に還流電流が流れるため、発生した逆起電圧を抑制することができる。還流回路としては、第２半導体スイッチＴｒ２の寄生ダイオードＤ２を還流素子として形成される回路、又は第１半導体スイッチＴｒ１をオフにしたときに第２半導体スイッチＴｒ２をオンにすることで形成される回路を用いることができる。

制御回路２０は、駆動回路１０と負荷３の異常診断処理において、第１半導体スイッチＴｒ１と第２半導体スイッチＴｒ２をオン又はオフにする。そして、制御回路２０は、第１半導体スイッチＴｒ１と第２半導体スイッチＴｒ２をオン又はオフにしたときに、電圧モニタ回路４０から出力されたモニタ電圧Ｖｐに基づいて、駆動回路１０と負荷３の異常診断処理を行う。

図２は、負荷駆動装置１が行う駆動回路１０と負荷３の異常診断処理のフローチャートである。制御回路２０は、例えば車両のイグニッションスイッチがオフからオンになったことを契機として、負荷３の駆動処理（通常の制御）の前に、駆動回路１０と負荷３の異常診断処理を初期診断として実行する。

ステップＳ１０１では、第１半導体スイッチＴｒ１と第２半導体スイッチＴｒ２がオフであり、制御回路２０は、モニタ電圧Ｖｐを用いて、第１半導体スイッチＴｒ１のオン固着（オンになったままでオフにならない故障）の有無、及び負荷３の天絡の有無を診断する。モニタ電圧Ｖｐは、電圧モニタ回路４０で検出され、電圧モニタ回路４０から制御回路２０に出力される。

制御回路２０は、モニタ電圧Ｖｐが予め定めた閾値（第１閾値）Ｖ１以下であるか、すなわち、Ｖｐ≦Ｖ１であるか否かを判定する。制御回路２０は、モニタ電圧ＶｐがＶ１以下であれば、ステップＳ１０２に進み、モニタ電圧Ｖｐが第１閾値Ｖ１より大きければ、駆動回路１０又は負荷３は異常である（第１半導体スイッチＴｒ１にオン固着が発生している、又は負荷３に天絡が発生している）と判断して、ステップＳ１０１１に進む。なお、第１閾値Ｖ１は、モニタ電圧Ｖｐを０Ｖとみなすことができる許容範囲を示す値であり、予め任意に定めることができる。

第１半導体スイッチＴｒ１にオン固着が発生しておらず、負荷３に天絡が発生していない場合には、モニタ電圧Ｖｐは０Ｖ又はＶ１以下の値を示す。第１半導体スイッチＴｒ１にオン固着が発生している場合は、駆動回路１０が異常であり、負荷３に天絡が発生している場合は、負荷３が異常である。これらの場合には、モニタ電圧Ｖｐは、０Ｖよりも高い電位（例えば、車載電源２の電圧に相当する電位）を示す。そこで、制御回路２０は、上記のようにモニタ電圧Ｖｐと第１閾値Ｖ１の大きさを比較して、駆動回路１０と負荷３が異常であるか否かを判断する。

但し、第２半導体スイッチＴｒ２にオン固着や負荷３に断線が発生している場合でもモニタ電圧Ｖｐは０Ｖを示すので、制御回路２０は、第２半導体スイッチＴｒ２のオン固着と負荷３の断線を検出することができない。このため、負荷駆動装置１は、次のステップＳ１０２以降を実行することで、第２半導体スイッチＴｒ２のオン固着と負荷３の断線の有無を診断する。また、負荷駆動装置１は、負荷３の地絡と短絡の有無も診断する。

ステップＳ１０１１は、ステップＳ１０１において、モニタ電圧Ｖｐが第１閾値Ｖ１より大きい場合の処理である。制御回路２０は、ステップＳ１０１で、第１半導体スイッチＴｒ１にオン固着が発生しており駆動回路１０は異常である、又は負荷３に天絡が発生しており負荷３は異常であると判断している。制御回路２０は、異常の内容をＲＡＭ等の書き込み可能なメモリに記録する。

ステップＳ１０２で、制御回路２０は、コンデンサ５に電流を流してコンデンサ５を充電し、モニタ電圧Ｖｐを用いて、第２半導体スイッチＴｒ２のオン固着と負荷３の地絡と短絡を診断する。

まず、制御回路２０は、第１半導体スイッチＴｒ１をオンにして第２半導体スイッチＴｒ２をオフにし、所定時間Ｔ１にわたって、車載電源２から第１半導体スイッチＴｒ１を介してコンデンサ５に通電する。このとき、負荷３がコンデンサ５と並列に接続されているため、負荷３にも電流が流れる。しかし、コンデンサ５の内部抵抗が極めて小さいので、負荷３に流れる電流は非常に小さい。なお、所定時間Ｔ１は、負荷３が動作しない程度の極めて短い時間であり、予め任意に定めることができる。

ここで、車載電源２からコンデンサ５に通電を開始してからの経過時間ｔに対するコンデンサ５に加わる電圧（コンデンサ５の両端の電圧）は、以下の式（１）で表される。

式（１）において、Ｒ１は、第１半導体スイッチＴｒ１をオンにして車載電源２から第１半導体スイッチＴｒ１を介してコンデンサ５に通電したときの、第１半導体スイッチＴｒ１のドレイン端子とソース端子の間の抵抗（オン抵抗）とコンデンサ５の内部抵抗の合成抵抗を表す。Ｃは、コンデンサ５の静電容量を表す。Ｅは、車載電源２の電圧（電源電圧）を表す。なお、第１半導体スイッチＴｒ１のオン抵抗とコンデンサ５の内部抵抗は、極めて小さい。

図３は、コンデンサ５の正常充電電圧マップの一例を示す図である。正常充電電圧マップは、電源電圧Ｅごとに、駆動回路１０と負荷３が正常であるときのコンデンサ５の充電時間（経過時間ｔ）と充電電圧（正常充電電圧Ｖｏ）との関係を表すデータであり、式（１）から求めることができる。正常充電電圧マップは、電源電圧Ｅごとに予め求められ、制御回路２０のＲＯＭ等の不揮発性メモリに保存されている。

正常充電電圧マップの正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）は、式（１）に静電容量Ｃの値と合成抵抗Ｒ１の値を代入し、第１半導体スイッチＴｒ１をオンにし第２半導体スイッチＴｒ２をオフにした時刻からのｍ個の経過時間ｔと、想定される電源電圧Ｅのｎ個の値について、式（１）の値を求めることで得られ、以下の式（２）で表される。

但し、
ｔ＝ｔ_１，ｔ_２，…，ｔ_ｋ，…，ｔ_ｍ（ｋは１以上ｍ以下の自然数、ｔ_１＜ｔ_２＜…＜ｔ_ｋ＜…＜ｔ_ｍ≦Ｔ１）
Ｅ＝Ｅ_１，Ｅ_２，…，Ｅ_ｆ，…，Ｅ_ｎ（ｆは１以上ｎ以下の自然数）
である。それぞれの経過時間ｔ_ｋとそれぞれの電源電圧Ｅ_ｆは、予め任意に定めることができる。

制御回路２０は、任意の１つ又は複数の電源電圧Ｅの値についての正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）を、複数の電源電圧Ｅの値から、公知の補間技術を用いて求めることができる。例えば、制御回路２０は、ある経過時間ｔ_ｋでの正常充電電圧Ｖｏ（ｔ_ｋ，Ｅ）が、電源電圧Ｅが１２Ｖのときには１０Ｖであり、電源電圧Ｅが１３Ｖのときには１１Ｖであれば、線形補間を用いて、電源電圧Ｅが１２．５Ｖのときの経過時間ｔ_ｋでの正常充電電圧Ｖｏ（ｔ_ｋ，Ｅ）を１０．５Ｖと求めることができる。

なお、以下では、説明の便宜上、正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）を算出するときに用いる電源電圧Ｅは、正常充電電圧マップの複数の離散値Ｅ_１，Ｅ_２，…，Ｅ_ｆ，…，Ｅ_ｎのいずれか１つであるものとする。この電源電圧Ｅの値には、予め他の回路でモニタした値を用いてもよい。

ステップＳ１０３で、制御回路２０は、モニタ電圧Ｖｐの時間変化と、制御回路２０が備える正常充電電圧マップの正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）とを比較する。モニタ電圧Ｖｐは、コンデンサ５に充電された電圧Ｖ（コンデンサ５の両端の電圧）、すなわちコンデンサ５の充電電圧とみなすことができる。制御回路２０は、モニタ電圧Ｖｐと正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）とを比較することで、コンデンサ５が正常に充電されたか否かを判定する。

本実施例では、制御回路２０は、任意に選んだ１つの経過時間ｔ_ｋにおいて、電圧モニタ回路４０が検出したモニタ電圧Ｖｐが、正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）と等しいとみなすことができる正常範囲内に入っているか否かを判定する。正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）のこの正常範囲は、正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）に周囲温度や製造公差等による電圧のばらつきを考慮して、予め定めることができる電圧の範囲である。

図４は、正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）の正常範囲Ｄ_ｋの一例を示す図である。図４では、経過時間ｔ_ｋにおける正常範囲Ｄ_ｋを示しており、正常範囲Ｄ_ｋは、正常充電電圧Ｖｏ（ｔ_ｋ，Ｅ）±αで表される。正常範囲Ｄ_ｋの幅を表すαは、周囲温度や製造公差等によるコンデンサ５の充電電圧のばらつきを基に定めることができる。なお、αは、一定の値でもよく、経過時間ｔに応じて変化する値でもよい。例えば、経過時間ｔが長くなるに従って充電電圧が高くなることを考慮して、経過時間ｔが長いほどαを大きくしてもよい。

制御回路２０は、経過時間ｔ_ｋにおいてモニタ電圧Ｖｐが正常範囲Ｄ_ｋに含まれる否か、すなわち、
Ｖｏ（ｔ_ｋ，Ｅ）−α≦Ｖｐ≦Ｖｏ（ｔ_ｋ，Ｅ）＋α
であるか否かを判定する。

図２のステップＳ１０３で、制御回路２０が、経過時間ｔ_ｋにおいてモニタ電圧Ｖｐが正常範囲Ｄ_ｋに含まれると判断した場合は、モニタ電圧Ｖｐの時間変化が正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）の時間変化と一致しているとみなせるので、制御回路２０は、第２半導体スイッチＴｒ２のオン固着が発生しておらず、負荷３に短絡と地絡が発生していないと判断して、ステップＳ１０４に進む。

一方、ステップＳ１０３で、制御回路２０が、経過時間ｔ_ｋにおいてモニタ電圧Ｖｐが正常範囲Ｄ_ｋに含まれないと判断した場合は、モニタ電圧Ｖｐの時間変化が正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）の時間変化と不一致であるとみなせる。この場合には、制御回路２０は、駆動回路１０又は負荷３は異常である（第２半導体スイッチＴｒ２にオン固着が発生している、又は負荷３に短絡又は地絡が発生している）と判断して、ステップＳ１０３１に進む。

ステップＳ１０３１は、ステップＳ１０３において、制御回路２０が、第２半導体スイッチＴｒ２にオン固着が発生しており駆動回路１０は異常である、又は負荷３に短絡又は地絡が発生しており負荷３は異常であると判断した場合の処理である。制御回路２０は、異常の内容をＲＡＭ等の書き込み可能なメモリに記録する。

ステップＳ１０４とステップＳ１０５は、ステップＳ１０３において、制御回路２０が、第２半導体スイッチＴｒ２のオン固着が発生しておらず、負荷３に短絡と地絡が発生していないと判断した場合の処理である。ステップＳ１０４とステップＳ１０５では、制御回路２０は、負荷３の断線の発生を検出するため、ステップＳ１０２で充電されたコンデンサ５が放電するか否かを調べる。

ステップＳ１０４で、制御回路２０は、第１半導体スイッチＴｒ１をオフにし、ステップＳ１０２で充電されたコンデンサ５を、所定時間Ｔ２にわたって放電させる。車載電源２からコンデンサ５への通電が停止されており、負荷３がコンデンサ５と並列に接続されているため、コンデンサ５は、充電された電荷が負荷３の抵抗を介してＧＮＤに流れて放電する。このため、コンデンサ５の両端の電圧が低下し、モニタ電圧Ｖｐも低下する。なお、所定時間Ｔ２は、コンデンサ５の仕様（例えば、静電容量Ｃ）と、ステップＳ１０２での予想されるモニタ電圧Ｖｐの大きさ等に基づいて、予め任意に定めることができる。

なお、制御回路２０は、コンデンサ５を充電し経過時間ｔ_ｋにおけるモニタ電圧Ｖｐを取得した後であれば、ステップＳ１０４の処理を開始する前でも、第１半導体スイッチＴｒ１をオフにすることができる。

ステップＳ１０５で、制御回路２０は、モニタ電圧Ｖｐの時間変化（放電によるコンデンサ５の両端の電圧の時間変化）が、駆動回路１０と負荷３が正常であるときのコンデンサ５の放電電圧の時間変化と一致しているか否かを判定する。例えば、制御回路２０は、ステップＳ１０２で充電されたコンデンサ５が放電を開始してからの任意の経過時間ｔ（ｔ≦Ｔ２）におけるモニタ電圧Ｖｐｔが、予め定めた閾値（第２閾値）Ｖ２よりも小さいか、すなわちＶｐｔ＜Ｖ２であるか否かを判定する。負荷３に断線が発生していなければ、コンデンサ５に充電された電荷が負荷３に流れ、コンデンサ５が放電し、Ｖｐｔ＜Ｖ２となる。なお、経過時間ｔと第２閾値Ｖ２は、コンデンサ５の仕様（例えば、静電容量Ｃ）と、ステップＳ１０２での予想されるモニタ電圧Ｖｐの大きさ等に基づいて、予め任意に定めることができる。

ステップＳ１０５で、制御回路２０がＶｐｔ＜Ｖ２でないと判断した場合は、モニタ電圧Ｖｐの時間変化が、駆動回路１０と負荷３が正常であるときのコンデンサ５の放電電圧の時間変化と不一致であるとみなせる。この場合には、制御回路２０は、負荷３は異常である（負荷３に断線が発生している）と判断して、ステップＳ１０５１に進む。

ステップＳ１０５１は、ステップＳ１０５において、制御回路２０が、負荷３に断線が発生しており負荷３は異常であると判断した場合の処理である。制御回路２０は、異常の内容をＲＡＭ等の書き込み可能なメモリに記録する。

ステップＳ１０５で、制御回路２０がＶｐｔ＜Ｖ２であると判断した場合は、負荷３に断線が発生しておらず負荷３は正常であると判断して、初期診断を終了し、負荷３の駆動処理（通常の制御）を開始する。

上述したステップＳ１０３では、制御回路２０は、モニタ電圧Ｖｐの時間変化が正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）の時間変化と一致するとみなすために、１つの経過時間ｔ_ｋにおいて、モニタ電圧Ｖｐが正常範囲Ｄ_ｋに含まれる否かを判定する。制御回路２０は、複数の経過時間ｔ_ｋ（ｔ_ｋ≦Ｔ１）において、この判定を行うことができる。

この場合、制御回路２０は、複数の経過時間ｔ_ｋに対して、モニタ電圧Ｖｐが各経過時間ｔ_ｋにおける正常範囲Ｄ_ｋに含まれるか否かを判定する。そして、モニタ電圧Ｖｐが正常範囲Ｄ_ｋに含まれると判定した経過時間ｔ_ｋの数が所定の数以上であれば、又は所定の回数以上連続してモニタ電圧Ｖｐが正常範囲Ｄ_ｋに含まれると判定すれば、制御回路２０は、モニタ電圧Ｖｐの時間変化が正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）の時間変化と一致しているとみなし、ステップＳ１０４に進む。上記の所定の数と回数は、任意に定めることができる。複数の経過時間ｔ_ｋにおいて制御回路２０が判定することにより、モニタ電圧Ｖｐの時間変化が正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）の時間変化と一致するとみなす精度を向上させることができる。

図５は、制御回路２０が、複数の経過時間ｔ_ｋにおいて、モニタ電圧Ｖｐが正常範囲Ｄ_ｋに含まれる否かを判定するときの、正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）の正常範囲Ｄ_ｋの一例を示す図である。図５には、一例として、２つの経過時間ｔ_ｋ、ｔ_ｋ＋１において制御回路２０が判定する場合の正常範囲を示している。正常範囲Ｄ_ｋは、経過時間ｔ_ｋにおける正常範囲であり、正常充電電圧Ｖｏ（ｔ_ｋ，Ｅ）±αで表される。正常範囲Ｄ_ｋ＋１は、経過時間ｔ_ｋ＋１における正常範囲であり、正常充電電圧Ｖｏ（ｔ_ｋ＋１，Ｅ）±αで表される。例えば、経過時間ｔ_ｋは、所定時間Ｔ１の２０％に相当する時間とし、経過時間ｔ_ｋ＋１は、所定時間Ｔ１の８０％に相当する時間とすることができる。

制御回路２０は、経過時間ｔ_ｋにおけるモニタ電圧Ｖｐが正常範囲Ｄ_ｋに含まれる否か、すなわち、
Ｖｏ（ｔ_ｋ，Ｅ）−α≦Ｖｐ≦Ｖｏ（ｔ_ｋ，Ｅ）＋α
であるか否かを判定し、経過時間ｔ_ｋ＋１におけるモニタ電圧Ｖｐが正常範囲Ｄ_ｋ＋１に含まれる否か、すなわち、
Ｖｏ（ｔ_ｋ＋１，Ｅ）−α≦Ｖｐ≦Ｖｏ（ｔ_ｋ＋１，Ｅ）＋α
であるか否かを判定する。

制御回路２０は、例えば、経過時間ｔ_ｋにおけるモニタ電圧Ｖｐが正常範囲Ｄ_ｋに含まれており、経過時間ｔ_ｋ＋１におけるモニタ電圧Ｖｐが正常範囲Ｄ_ｋ＋１に含まれている場合には、モニタ電圧Ｖｐの時間変化が正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）の時間変化と一致しているとみなし、ステップＳ１０４に進む。

また、図２に示したフローチャートを実行する処理において、ステップＳ１０２で充電されたコンデンサ５をステップＳ１０４で放電させ、コンデンサ５の電圧が零になったとみなせる時間が経過したら、ステップＳ１０２からステップＳ１０５を再実行するというサイクルを、１回又は複数回実行してもよい。

この場合、制御回路２０は、ステップＳ１０３で、それぞれのサイクルでの経過時間ｔ_ｋに対して、モニタ電圧Ｖｐが経過時間ｔ_ｋにおける正常範囲Ｄ_ｋに含まれるか否かを判定する。そして、モニタ電圧Ｖｐが正常範囲Ｄ_ｋに含まれると判定したサイクルの数が所定の数以上であれば、又は所定の回数以上連続したサイクルでモニタ電圧Ｖｐが正常範囲Ｄ_ｋに含まれると判定すれば、制御回路２０は、モニタ電圧Ｖｐの時間変化が正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）の時間変化と一致しているとみなし、ステップＳ１０４に進む。上記の所定の数と回数は、任意に定めることができる。１回又は複数のサイクルにおいて制御回路２０が判定することにより、モニタ電圧Ｖｐの時間変化が正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）の時間変化と一致するとみなす精度を向上させることができる。

また、制御回路２０は、ステップＳ１０３で、コンデンサ５が正常に充電されたか否かを判定する方法として、次のような方法を実行することもできる。

制御回路２０は、任意に選んだ１つの経過時間ｔ_ｋにおいて、電圧モニタ回路４０が検出したモニタ電圧Ｖｐが、予め定めた閾値（第３閾値）Ｖ３より大きいか、すなわち、Ｖｐ＞Ｖ３であるか否かを判定する。第３閾値Ｖ３は、正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）に基づいて予め定めることができる。制御回路２０は、経過時間ｔ_ｋにおいてモニタ電圧Ｖｐが第３閾値Ｖ３より大きいと判断した場合は、モニタ電圧Ｖｐの時間変化が正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）の時間変化と一致しているとみなし、第２半導体スイッチＴｒ２のオン固着が発生しておらず、負荷３に短絡と地絡が発生していないと判断して、ステップＳ１０４に進む。

制御回路２０は、複数の経過時間ｔ_ｋにおいて、又は１回又は複数の上記のサイクルにおいて、モニタ電圧Ｖｐが第３閾値Ｖ３より大きいか否かを判定することもできる。

本実施例による負荷駆動装置１は、第１半導体スイッチＴｒ１をオンにしてコンデンサ５を充電するときの電圧と、コンデンサ５を放電するときの電圧を監視することで、駆動回路１０と負荷３の異常診断処理を初期診断として実行する。このため、本実施例による負荷駆動装置１は、負荷３の異常をより簡易な回路構成で診断でき、初期診断に要する時間を短縮できる。

本発明の実施例２による負荷駆動装置を説明する。

図６は、本実施例による負荷駆動装置１ａの構成を示す回路ブロック図である。図６において、図１と同一の符号は、実施例１と同一または共通する要素を示し、これらの要素については説明を省略又は簡潔にする。

負荷駆動装置１ａは、実施例１による負荷駆動装置１と同様に、制御回路２０が、負荷３の駆動処理（通常の制御）の前に、駆動回路１０と負荷３の異常診断処理を初期診断として実行する。以下では、実施例１による負荷駆動装置１と異なる構成について、本実施例による負荷駆動装置１ａを説明する。

負荷駆動装置１ａは、駆動回路１０のコンデンサ５と制御回路２０とに接続された診断用電流供給回路７０を備える。診断用電流供給回路７０は、制御回路２０からの信号に応じ、コンデンサ５に通電する。診断用電流供給回路７０は、コンデンサ５を充電する電源回路であれば、任意の回路構成を備えることができる。但し、診断用電流供給回路７０がコンデンサ５に印加する電圧は、車載電源２の電圧よりも小さいのが好ましい。

制御回路２０は、電圧モニタ回路４０から出力されたモニタ電圧Ｖｐに基づいて、駆動回路１０と負荷３の異常診断処理を行う。

図７は、負荷駆動装置１ａが行う駆動回路１０と負荷３の異常診断処理のフローチャートである。制御回路２０は、例えば車両のイグニッションスイッチがオフからオンになったことを契機として、負荷３の駆動処理（通常の制御）の前に、駆動回路１０と負荷３の異常診断処理を初期診断として実行する。図７のフローチャートにおいて、図２のフローチャートと同一のステップ番号は、図２のフローチャートと同一または共通する処理を示し、これらの処理については説明を省略又は簡潔にする。

ステップＳ１０１では、第１半導体スイッチＴｒ１と第２半導体スイッチＴｒ２がオフであり、制御回路２０は、モニタ電圧Ｖｐを用いて、第１半導体スイッチＴｒ１のオン固着の有無、及び負荷３の天絡の有無を診断する。

ステップＳ２０２で、制御回路２０は、図２のステップＳ１０２と同様に、コンデンサ５に電流を流してコンデンサ５を充電し、モニタ電圧Ｖｐを用いて、第２半導体スイッチＴｒ２のオン固着と負荷３の地絡と短絡を診断する。但し、ステップＳ２０２では、ステップＳ１０２と異なり、制御回路２０は、診断用電流供給回路７０からコンデンサ５に通電する。従って、制御回路２０は、第１半導体スイッチＴｒ１をオンにしない。制御回路２０は、診断用電流供給回路７０からコンデンサ５に、所定時間Ｔ１にわたって通電する。

ステップＳ１０３、ステップＳ１０４、及びステップＳ１０５では、それぞれ図２のステップＳ１０３、ステップＳ１０４、及びステップＳ１０５と同様の処理を実施する。但し、ステップＳ１０４で、制御回路２０は、診断用電流供給回路７０からコンデンサ５への通電を停止して、コンデンサ５を放電させる。なお、制御回路２０は、コンデンサ５を充電し経過時間ｔ_ｋにおけるモニタ電圧Ｖｐを取得した後であれば、ステップＳ１０４の処理を開始する前でも、診断用電流供給回路７０からコンデンサ５への通電を停止することができる。

本実施例による負荷駆動装置１ａも、実施例１による負荷駆動装置１と同様に、負荷３の異常をより簡易な回路構成で診断でき、初期診断に要する時間を短縮できる。また、本実施例による負荷駆動装置１ａは、診断用電流供給回路７０を備えるので、車載電源２を用いてコンデンサ５を充電する必要がない。このため、診断用電流供給回路７０の電圧が車載電源２の電圧よりも小さければ、本実施例による負荷駆動装置１ａは、実施例１による負荷駆動装置１よりもコンデンサ５に流す電流を小さくしてコンデンサ５を充電する時間を長くでき、コンデンサ５を充電する所定時間Ｔ１を大きくできる（コンデンサ５をゆっくり充電できる）ので、駆動回路１０と負荷３の異常の有無をより正確に診断できるという利点がある。

以上、本発明の実施例による負荷駆動装置１、１ａを説明したが、本発明による負荷駆動装置は、実施例で説明した態様に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

実施例では、負荷として、車載用の抵抗負荷や誘導性負荷であるＥＧＲ装置やＡＴＣＵが備える駆動ソレノイドバルブを例示した。本発明による負荷駆動装置は、負荷として、これらに限らず、インダクタンス成分を有する抵抗負荷や誘導性負荷であれば任意の負荷を駆動し診断することができる。

駆動回路１０が備える第１半導体スイッチＴｒ１と第２半導体スイッチＴｒ２は、ディスクリート半導体で構成してもよく、任意の素子と回路を備えるＩＰＤ（Intelligent Power Device）で構成してもよい。

実施例では、駆動回路１０及び負荷３の異常診断処理は、車両のイグニッションスイッチがオンになったことを契機として開始されるものとして説明した。異常診断処理は、これに限らず、負荷を備える装置（例えば、車両）の運転を阻害しない範囲で、任意のタイミングで開始できる。例えば、負荷を備える装置がアイドリングストップ機能を備える車両である場合には、エンジンの再始動時に異常診断処理を実行することもできる。

実施例では、制御回路２０は、モニタ電圧Ｖｐの時間変化と、正常時のコンデンサ５の充放電電圧の時間変化とを比較することで、駆動回路１０及び負荷３の異常診断処理を実施していた。制御回路２０は、コンデンサ５を充放電したときにモニタ電圧Ｖｐが基準電圧に達する時間を調べて、駆動回路１０及び負荷３の異常診断処理を実施することもできる。

例えば、コンデンサ５を充電するときの基準電圧（第１基準電圧）をＶｃとし、正常時には、図２のステップＳ１０２や図７のステップＳ２０２でコンデンサ５を充電すると、充電時間ｔｃでコンデンサ５の電圧が第１基準電圧Ｖｃに到達するとする。ステップＳ１０２やステップＳ２０２でコンデンサ５を充電したときに、モニタ電圧Ｖｐが第１基準電圧Ｖｃに到達した充電時間ｔｃｐが充電時間ｔｃと等しいとみなすことができれば、モニタ電圧Ｖｐの時間変化が正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）の時間変化と一致しているとみなす。第１基準電圧Ｖｃは、正常充電電圧Ｖｏ（ｔ，Ｅ）に基づいて、予め任意に定めることができる。

また、例えば、コンデンサ５を放電するときの基準電圧（第２基準電圧）をＶｄとし、正常時には、ステップＳ１０２やステップＳ２０２で充電されたコンデンサ５を放電すると、放電時間ｔｄでコンデンサ５の電圧が第２基準電圧Ｖｄに到達するとする。図２と図７のステップＳ１０４でコンデンサ５を放電したときに、モニタ電圧Ｖｐが第２基準電圧Ｖｄに到達した放電時間ｔｄｐが放電時間ｔｄと等しいとみなすことができれば、モニタ電圧Ｖｐの時間変化が正常時のコンデンサ５の放電電圧の時間変化と一致しているとみなす。第２基準電圧Ｖｄは、コンデンサ５の仕様（例えば、静電容量Ｃ）と、ステップＳ１０２やステップＳ２０２での予想されるモニタ電圧Ｖｐの大きさ等に基づいて、予め任意に定めることができる。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

１、１ａ…負荷駆動装置、２…車載電源、３…負荷、５…コンデンサ、１０…駆動回路、２０…制御回路、４０…電圧モニタ回路、５０…電流モニタ回路、７０…診断用電流供給回路、Ｔｒ１…第１半導体スイッチ、Ｔｒ２…第２半導体スイッチ、ＴＥ、ＴＬ、ＴＧ…端子、Ｄ１、Ｄ２…寄生ダイオード、Ｐ…接続点。

Claims (8)

1. 負荷と電源に接続し、
   前記負荷と前記電源との間に設けられ、これらと直列に接続する第１スイッチング素子と、
   前記第１スイッチング素子とグランドとに接続し、前記負荷と並列に設けられた第２スイッチング素子と、
   一端が前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子と前記負荷とが互いに接続する点である接続点に接続し、他端がグランドに接続し、前記第２スイッチング素子と並列、かつ前記負荷と並列に設けられたコンデンサと、
   前記接続点に接続し、前記接続点における電圧を測定する電圧モニタ回路と、
   前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子と前記電圧モニタ回路とに接続し、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを制御し、前記電圧に基づいて前記負荷の異常を診断する制御回路と、
   を備えることを特徴とする負荷駆動装置。
2. 前記制御回路は、前記第１スイッチング素子をオンにして前記第２スイッチング素子をオフにし、予め定めた第１の時間にわたって前記電源で前記コンデンサを充電し、前記コンデンサを充電したときの前記電圧に基づいて前記負荷の異常を診断する、
   請求項１に記載の負荷駆動装置。
3. 前記制御回路は、
   前記負荷が正常であるときの前記コンデンサの充電時間と充電電圧との関係を示すデータを備え、
   前記第１の時間にわたって前記コンデンサを充電したときの前記電圧と前記データで示される充電電圧とを比較し、比較したこれらの電圧が互いに等しいとみなすことができるか判定することで、前記負荷の異常を診断する、
   請求項２に記載の負荷駆動装置。
4. 前記制御回路は、充電した前記コンデンサを予め定めた第２の時間にわたって放電させ、前記コンデンサを放電したときの前記電圧に基づいて前記負荷の異常を診断する、
   請求項２又は３に記載の負荷駆動装置。
5. 前記制御回路は、前記第２の時間にわたって前記コンデンサを放電したときの前記電圧と予め定めた閾値とを比較し、前記電圧が前記閾値より小さいか判定することで、前記負荷の異常を診断する、
   請求項４に記載の負荷駆動装置。
6. 前記制御回路は、前記第１スイッチング素子をオンにして前記第２スイッチング素子をオフにし、前記電源で前記コンデンサを充電し、前記コンデンサを充電したときに前記電圧が予め定めた第１基準電圧に到達した充電時間に基づいて前記負荷の異常を診断する、
   請求項１に記載の負荷駆動装置。
7. 前記制御回路は、充電した前記コンデンサを放電させ、前記コンデンサを放電したときに前記電圧が予め定めた第２基準電圧に到達した放電時間に基づいて前記負荷の異常を診断する、
   請求項２又は６に記載の負荷駆動装置。
8. 前記コンデンサと前記制御回路とに接続された電流供給回路をさらに備え、
   前記制御回路は、前記電流供給回路で前記コンデンサを充電する、
   請求項２又は３に記載の負荷駆動装置。

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