JP2023059025A - Power supply control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電源制御装置に関するものである。 The present invention relates to a power control device.
従来より、過電流及び過電圧に対する保護機能を有した、車載電子制御装置用の電源回路に用いる電源コントローラが知られている。例えば、特許文献1記載の電源コントローラは、FETと共にスイッチングレギュレータを構成するスイッチング制御回路、及び、トランジスタと共にシリーズレギュレータを構成するシリーズ制御回路を有し、平滑回路とトランジスタとの間に挿入された、電流検出用抵抗の両端電圧を検出する電流検出回路での検出結果、及び、FETの温度を検出する温度検出回路での検出結果に基づいて、過電流や過電圧等を検出し、FETやトランジスタをオフにする(特許文献1)。
2. Description of the Related Art Conventionally, a power supply controller used in a power supply circuit for an in-vehicle electronic control device, which has a protection function against overcurrent and overvoltage, is known. For example, the power supply controller described in
しかしながら、上記の電源コントローラは、FETのような半導体スイッチが何らかの異常によりオンとオンを切り替えできない場合には、通電を遮断できない可能性があり、保護機能が十分でないという問題がある。 However, the above-described power supply controller may not be able to cut off power supply if a semiconductor switch such as an FET cannot be switched on and off due to some abnormality, and has a problem that the protection function is insufficient.
本発明が解決しようとする課題は、異常発生時の保護機能を高めた電源制御装置を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a power supply control device with an enhanced protection function when an abnormality occurs.
本発明は、電源ラインに接続される半導体スイッチと、半導体スイッチよりも上流側で電源ラインに接続される電源ヒューズと、異常状態を検出する異常検出器とを備え、異常検出器が異常状態を検出した場合には電源ヒューズは電流を遮断し、異常検出器が異常状態を検出していない場合には、半導体スイッチが電流のオン及びオフを切り替えることによって上記課題を解決する。 The present invention comprises a semiconductor switch connected to a power supply line, a power supply fuse connected to the power supply line upstream of the semiconductor switch, and an abnormality detector for detecting an abnormality, wherein the abnormality detector detects an abnormality. The power supply fuse cuts off the current when it is detected, and the semiconductor switch turns the current on and off when the abnormality detector does not detect the abnormality, thereby solving the above problem.
本発明は、異常発生時の保護機能を高めることができる。 The present invention can enhance the protection function when an abnormality occurs.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る電源制御装置のブロック図である。本実施形態に係る電源制御装置は、負荷回路に対してバッテリから電力を供給するための電源システムを制御する装置である。電源システムは、車両に設けられており、車両用バッテリから、車載ディスプレイの補器類などに電力を供給する。電源制御装置は、モータ等の負荷を駆動する駆動システム等に適用される。 FIG. 1 is a block diagram of a power control device according to an embodiment of the invention. A power supply control device according to the present embodiment is a device that controls a power supply system for supplying power from a battery to a load circuit. The power supply system is provided in the vehicle, and supplies power from the vehicle battery to the auxiliary devices of the vehicle display. A power supply control device is applied to a drive system or the like that drives a load such as a motor.
図1に示すように、電源システムは、バッテリ1、負荷回路2、電源ライン3、及び電源制御装置100を備えている。バッテリ1は、車両のバッテリであり、負荷回路を動作するための電源である。バッテリ1は、例えば、補器類等に電力を供給する12Vバッテリ、又は、電気自動車やハイブリッド車両に搭載される大容量のバッテリである。負荷回路2は、ディスプレイやエアコンなどの負荷、及び負荷を制御するための制御回路等を含む。電源ライン3は、バッテリ1と負荷回路2との間を電気的に接続する電力線である。
As shown in FIG. 1, the power system includes a
電源制御装置100は、過電流、過電圧等の異常発生時に負荷回路を保護する機能を有し、バッテリ1と負荷回路2との間の電気的な導通と遮断を切り替える機能を有している。また、電源制御装置100は、異常発生時には、バッテリ1から負荷回路2に流れる電流を遮断する機能を有している。電源制御装置100は、電源ヒューズ10、半導体スイッチ20、異常検出器30、加熱素子40、保護回路50、加熱素子制御用スイッチ60、及び制御回路70を備えている。
The power
電源ヒューズ10は、半導体スイッチ20よりも上流側で電源ライン3に接続されており、バッテリ1から半導体スイッチ20との間を電気的に導通させるための配線の一部である。電源ヒューズ10は、バッテリ1の正極と、半導体スイッチ20の高電位側の端子との間に接続されている。電源ヒューズ10は、外部からの熱を受けて溶断することで、配線を物理的に切断した状態とし、バッテリ1から負荷回路2に流れる電流を遮断する。異常検出器30が異常状態を検出した場合に、電源ヒューズ10は電流を遮断する。
The
半導体スイッチ20は、FET等のトランジスタで構成された半導体部品であり、電源ヒューズ10と負荷回路2との間で電源ライン3に接続されている。半導体スイッチ20は、高電位側端子、低電位側端子、及び制御端子を有している。半導体スイッチ20がFETで構成された場合には、ドレイン端子が高電位側端子に相当し、ソース端子が低電位側端子に相当し、ゲート端子が制御端子に相当する。半導体スイッチ20の高電位側端子は電源ライン3を介して電源ヒューズ10に接続され、半導体スイッチ20の低電位側端子は電源ライン3を介して負荷回路2に接続され、半導体スイッチ20の制御端子は信号線を介して制御回路70に接続されている。制御回路70は、半導体スイッチ20のオン、オフを切り替える回路である。半導体スイッチ20は、制御回路70から送信される制御信号により、オン、オフを切り替える。異常検出器30が異常状態を検出していない場合(正常状態である場合)には、半導体スイッチ20が、電源ライン3に流れる電流のオン及びオフを切り替える。
The
異常検出器30は、過電流、過電圧、高温、及び、アウトガス、半導体スイッチ20の異常のうち少なくとも1つの異常状態を検出する。過電流は、電源ライン3に過剰な電流が流れる状態であり、過電圧は、半導体スイッチ20に過剰な電圧が印可される状態である。異常検出器30は、半導体スイッチ20に流れる電流を検出し、検出電流が定格電流以上になった場合に、過電流による異常状態であると判定する。また、異常検出器30は、半導体スイッチ20に加わる電圧を検出し、検出電圧に基づき過電圧であるか否か判定してもよい。
The
半導体スイッチ20の異常は、半導体スイッチ20の電圧降下の増大、半導体スイッチ20のオープン/クローズ故障等である。半導体スイッチ20は、電気的な動作でオンオフを切り替えるため、偶発的な故障やサージなどにより異常が発生し、リレーのような機械的な動作でオンオフを切り替えるスイッチと比べて異常発生率が高い。半導体スイッチ20が自己診断機能を有している場合には、異常検出器30は、半導体スイッチ20の診断結果から、半導体スイッチ20の異常を検出する。
An abnormality of the
また、異常検出器30は、制御回路70から半導体スイッチ20に送信される制御信号と半導体スイッチ20の検出電流から、半導体スイッチ20の異常を検出してもよい。例えば、制御回路70が、スイッチをオフにする制御信号を半導体スイッチ20に出力した状態で、半導体スイッチ20の検出電流がゼロより高い場合には、半導体スイッチ20の異常により、半導体スイッチ20がオンからオフに戻らないクローズ故障の可能性がある。異常検出器30は、制御信号と検出電流とを比較することで半導体スイッチ20の異常を検出できる。
Further, the
異常検出器30は、図示しない温度センサの検出値に基づき、電源制御装置100の温度、又は、電源制御装置100の周囲温度が所定の温度閾値以上である場合には、高温による異常状態であると判定する。半導体スイッチ20が温度検出機能を有している場合には、異常検出器30は、半導体スイッチ20の検出温度に基づき、半導体スイッチ20の高温異常を検出してもよい。
If the temperature of the power
加熱素子40は、異常検出器30が異常を検出した場合に、熱を発するヒータである。加熱素子40の動作電力はバッテリ1からとっており、加熱素子40は電源ライン3に接続されている。加熱素子40の発した熱が電源ヒューズ10に伝わるような位置に、加熱素子40は設置されている。加熱素子40は、シートヒータ、渦巻き型の電熱線、金属製のプレート等で構成されている。
The
保護回路50は、加熱素子制御用スイッチ60を保護するための回路であり、加熱素子40と加熱素子制御用スイッチ60との間に接続されている。加熱素子40は電源ライン3に接続されているため、サージが発生した場合に、サージ電流が加熱素子40を介して加熱素子制御用スイッチ60に流れるおそれがある。保護回路50は、サージ発生時にサージ電流を遮断して、加熱素子制御用スイッチ60を保護する。
The
加熱素子制御用スイッチ60は、FET等のトランジスタで構成された半導体部品であり、電源ライン3からの電流を加熱素子40からアースまで流す電流経路に接続されている。加熱素子制御用スイッチ60は、異常検出器30の制御により、オンオフを切り替える。異常検出器30が異常状態を検出した場合に、異常検出器30はスイッチをオンにするための制御信号を加熱素子40に出力する。加熱素子制御用スイッチ60がオンの時には、バッテリ1の電流が加熱素子40に流れて、加熱素子40が動作する。一方、異常検出器が異常状態を検出していない場合には、異常検出器30は加熱素子制御用スイッチ60をオフの状態で維持する。加熱素子制御用スイッチ60がオフの時には、加熱素子40は動作しない。なお、加熱素子制御用スイッチ60は、加熱素子40のオンオフの切り替えのために使用されているため、半導体スイッチ20と比較して小型のFETでもよい。
The heating
なお、本実施形態において、バッテリ1と電源ヒューズ10との間に、従来の車両用ヒューズを接続してもよい。車両用ヒューズには、例えば定格以上の大電流が流れた場合に、エレメントが溶断するようなタイプのものが使用される。
In addition, in this embodiment, a conventional vehicle fuse may be connected between the
次に、図2を参照しつつ、電源ヒューズ10と加熱素子40の構造について説明する。図2は、電源制御装置100の断面図である。電源ヒューズ10は弾性体11と溶断部12とを有している。弾性体11は、金属製のバネ材で構成されている。溶断部12は、電流を導通する導通部分であり、外部からの熱を受けて溶断する。溶断部12は、弾性体11をはんだ接合により基板パターン81に接合する際の、はんだの部分である。
Next, the structures of the
加熱素子40は基板80に実装されている。基板80は、基板パターン81、一対の基材82、83を備えている。基板パターン81は配線パターンであり、電源ライン3を含めた導通経路の一部となる。基板パターン81のうち、電源ヒューズ10を実装する部分が、バッテリ1の電流を負荷回路2に流す経路になっている。基材82、83は絶縁性の板状の部材である。基材82の表面には電源ヒューズ10が実装されており、基材82の裏面には加熱素子40が設けられている。図2の例では、加熱素子40はヒートシータであり、基材82の裏面に沿って設けられている。加熱素子40は、基材82と基材83との間で挟持されている。
次に、異常検出器30が異常状態を検出した場合に、電源ヒューズ10が導通から遮断に切り替わる構造的な仕組みを説明する。異常検出器30は、半導体スイッチ20に流れる電流を検出し、検出電流が定格電流(電流閾値)以上になった場合に、過電流による異常状態であると判定し、加熱素子制御用スイッチ60をオンにする。加熱素子制御用スイッチ60がオンになることで、加熱素子40は熱を発する。熱は基材82及び基板パターン81を介して、溶断部12に伝わる。溶断部12が熱を受けるとはんだが溶けて、溶断部12による接合強度が低くなる。溶断部12の加熱が進むと、弾性体11の弾性力により弾性体11が開いた状態になり、弾性体11の両端部のうち一方の端部が基板パターン81から離れる。これにより、電源ライン3を含めた導通経路の一部が遮断されるため、バッテリ1から負荷回路2へ流れる電流が遮断される。
Next, a structural mechanism for switching the
上記のように本実施形態に係る電源制御装置100は、電源ライン3に接続される半導体スイッチ20と、半導体スイッチ20よりも上流側で電源ライン3に接続される電源ヒューズ10と、異常状態を検出する異常検出器30とを備える。そして、異常検出器30が異常状態を検出した場合には電源ヒューズ10は電流を遮断し、異常検出器30が異常状態を検出していない場合には、半導体スイッチ20が電流のオン及びオフを切り替える。これにより、異常発生時の保護機能を高めることができる。すなわち、半導体スイッチ20が何らかの異常によりオンとオンを切り替えできない場合に、バッテリ1から負荷回路2に流れる電流を遮断できる。
As described above, the
ところで、本実施形態とは異なり、過電流等の異常発生時に負荷回路2を保護する電源制御装置として、図3に示すような電源制御装置200が従来より用いられている。電源制御装置200は、電源ライン3に車両用ヒューズ90と半導体スイッチ20を接続する。異常検出器30は異常状態を検出した場合には、半導体スイッチ20をオフに切り替える。半導体スイッチ20が異常によりオンオフを切り替えることができない場合には、電源制御装置200は、車両用ヒューズ90の溶断により、過電流から負荷回路2を保護する。しかしながら、例えば、電流が定格電流以下の状態で、高温による温度異常が生じた場合には、電源制御装置200の構成では、このような温度異常に対応できないという問題がある。
Incidentally, unlike the present embodiment, a
また本実施形態とは異なり、図4に示す電源制御装置300は、電源ライン3に2つの半導体スイッチ20を直列に接続し、一方の半導体スイッチ20の異常時には、他方の半導体スイッチ20により、過電流から負荷回路2を保護するものがある。しかしながら、電源制御装置300では、半導体スイッチ20を増やす分、コストが増える。また、過電流が電源ライン3に流れた場合には、2個の半導体スイッチ20が異常状態になる可能性もある。
Further, unlike the present embodiment, the power
一方、本実施形態では、電源ヒューズ10は機械的な素子のため、半導体スイッチ20で生じやすい偶発的異常の発生確率は低い。
On the other hand, in the present embodiment, since the
さらに、図3の電源制御装置200のように、半導体スイッチ20の異常発生時に、車両用ヒューズ90の溶断だけで保護機能を発揮させる構成では、車両用には必ずしも適さない。車両のバッテリ1が補器類用電源とする場合には、12Vバッテリで、エアコンなどの高電力の負荷を駆動させる必要があるため、電源ラインには高電流が流れる。このような高電流を流すことを想定すると、高めの定格電流のヒューズが車両用ヒューズ90に使用される。その一方で、半導体スイッチ20に、定格電流に近い高電流が長い時間流れた場合には、他の要因とも重なることで、半導体スイッチ20の異常が生じる可能性が高くなる。一方、本実施形態では、車両用ヒューズ90の定格電流未満で、半導体スイッチ20に異常が生じるような電流が流れる場合でも、電源ヒューズ10により電流を遮断できる。これにより、保護機能を高めることができる。
Furthermore, the power
また本実施形態では、異常検出器30が異常状態を検出した場合に、電源ヒューズ10が電源ライン3の電流を遮断する構成のため、コストを抑えつつシンプルな構成で、負荷回路2を保護できる。さらに本実施形態では、半導体スイッチ20では制御できない大電流が通電した場合は、過電圧が印可された場合でも、異常検出器30が、大電流又は過電圧に伴う異常を検出し、電源ヒューズ10が電流を遮断するため、負荷回路2を保護できる。
Further, in this embodiment, when the
また本実施形態では、電源ヒューズ10は、電流を導通する導通部分であり、外部からの熱を受けて溶断する溶断部12を有し、加熱素子40は、異常検出器30が異常状態を検出した場合に、溶断部12に熱を加える。これにより、電源ヒューズ10を設置する際に、レイアウトの自由度を高めることができる。例えば、加熱素子40を設けない場合には、電源ヒューズ10は、基板80のうち、異常発生時に加熱し易い部分に設ける必要があるため、電源ヒューズ10の設置位置が限定されてしまう。一方、本実施形態のように、加熱素子40を設けることで、異常発生時に加熱素子40が熱源となるため、電源ヒューズ10を設置する際、レイアウトの自由度を高めることができる。なお、電源ヒューズ10の代わりに、リレーなどの機械的なスイッチを接続して電流を遮断してもよいが、リレーなどの機械的なスイッチは複雑な構造をもつため、コストが高くなる。一方、本実施形態では、溶断部12の溶断で電流を遮断できるため、コストを抑えつつ、保護機能を高めることができる。
Further, in this embodiment, the
また本実施形態では、異常検出器30は、異常状態を検出した場合に加熱素子40をオンにする。これにより、加熱素子40が熱源となり電源ヒューズ10を溶断できる。
Further, in this embodiment, the
また本実施形態において、電源制御装置100は電源ヒューズ10を表面に実装する基材82を備え、加熱素子40は、基材82の裏面に沿って設けられたパターンヒータである。これにより、基板80の特性上、基材82の直下にパターンヒータを置くことで熱効率を高めることができる。
Further, in this embodiment, the
また本実施形態において、異常検出器30は、電源ライン3に流れる電流を検出し、検出された電流が電流閾値以上である場合に、異常状態であると判定し、異常状態であると判定した場合には、加熱素子40をオンにする。これにより、電源ライン3に過電流が流れた場合には、加熱素子40が熱源となり、電源ヒューズ10を溶断できる。
Further, in the present embodiment, the
また本実施形態において、電源制御装置100は、加熱素子40のオンオフを切り替える加熱素子制御用スイッチ60を有している。これにより、小型FETで加熱素子を駆動できるためコストを抑制できる。
In this embodiment, the power
なお、電源制御装置100において、電源ヒューズ10は電子制御装置(ECU)と一体化したユニット部品として構成されていてもよい。ECUは、負荷回路2に含まれる負荷を制御するコントロールユニットである。ECUが様々な車両に適用できるよう規格化されている場合には、電源ヒューズ10をECUのユニット部品とすることで、電源制御装置100を含めてECUを様々な車両に搭載できる。
In the
また電源制御装置100において、電源ヒューズ10はECUとは別部品で構成されてもよい。これにより、電源ヒューズ10を、ECUに含まれる基板とは別の基板に搭載できる。
Further, in the
なお本実施形態において、加熱素子40が抵抗をもつため、保護回路50は小型化してもよく、又は、保護回路50を庄着してもよい。また、絶縁電源を用いれば電源ライン3と絶縁して構成できロバストネスを向上できる。
In this embodiment, since the
1 バッテリ
2 負荷回路
3 電源ライン
10 電源ヒューズ
20 半導体スイッチ
30 異常検出器
40 加熱素子
50 保護回路
60 加熱素子制御用スイッチ
100 電源制御装置
Claims (8)
前記電源ラインに接続される半導体スイッチと、
前記半導体スイッチよりも上流側で前記電源ラインに接続される電源ヒューズと、
異常状態を検出する異常検出器とを備え、
前記異常検出器が前記異常状態を検出した場合には、前記電源ヒューズは前記電流を遮断し、
前記異常検出器が前記異常状態を検出していない場合には、前記半導体スイッチが前記電流のオン及びオフを切り替える電源制御装置。 In a power supply control device connected to a power supply line that supplies current from a power supply to a load circuit,
a semiconductor switch connected to the power supply line;
a power fuse connected to the power line upstream of the semiconductor switch;
and an anomaly detector for detecting an anomalous state,
when the abnormality detector detects the abnormal condition, the power fuse cuts off the current;
A power supply control device in which the semiconductor switch switches the current on and off when the abnormality detector does not detect the abnormal state.
加熱素子を有し、
前記電源ヒューズは、前記電流を導通する導通部分であり、外部からの熱を受けて溶断する溶断部を有し、
前記加熱素子は、前記異常検出器が前記異常状態を検出した場合に、前記溶断部に前記熱を加える電源制御装置。 The power control device according to claim 1,
having a heating element,
The power fuse is a conductive portion that conducts the current, and has a fusing portion that melts when receiving heat from the outside,
The power control device, wherein the heating element applies the heat to the fusing portion when the abnormality detector detects the abnormal state.
前記異常検出器は、前記異常状態を検出した場合に、前記加熱素子をオンにする電源制御装置。 In the power control device according to claim 2,
The power control device, wherein the abnormality detector turns on the heating element when the abnormality detector detects the abnormality.
前記電源ヒューズを表面に実装する基材を備え、
前記加熱素子は、前記基材の裏面に沿って設けられたパターンヒータである電源制御装置。 In the power control device according to claim 2 or 3,
A base material for mounting the power fuse on the surface,
The power control device, wherein the heating element is a pattern heater provided along the back surface of the base material.
前記異常検出器は、
前記電源ラインに流れる電流を検出し、
検出された前記電流が電流閾値以上である場合に、前記異常状態であると判定し、
前記異常状態であると判定した場合には、前記加熱素子をオンにする電源制御装置。 In the power control device according to any one of claims 2 to 4,
The anomaly detector is
detecting the current flowing through the power supply line;
when the detected current is equal to or greater than the current threshold, determining that the abnormal state is present;
A power control device that turns on the heating element when it is determined that the abnormal condition exists.
前記異常検出器は、過電流、過電圧、高温、アウトガス、及び、前記半導体スイッチの異常のうち、少なくともいずれか1つの状態を検出する電源制御装置。 In the power supply control device according to any one of claims 1 to 5,
The power control device, wherein the abnormality detector detects at least one of overcurrent, overvoltage, high temperature, outgassing, and abnormality of the semiconductor switch.
前記電源ヒューズは、電子制御装置と一体したユニット部品として構成されている電源制御装置。 In the power supply control device according to any one of claims 1 to 6,
The power control device, wherein the power fuse is configured as a unit component integrated with the electronic control device.
前記電源ヒューズは、電子制御装置とは別部品で構成されている電源制御装置。 In the power supply control device according to any one of claims 1 to 6,
The power control device, wherein the power fuse is a component separate from the electronic control device.
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