JP2023148451A - 保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを抑え、短絡が発生するのを防ぐ。【解決手段】保護装置は、入力されるパルス信号に応じてオン又はオフとなり、オンのときに電源からの電力を負荷へ供給し、オフのときに前記電源から前記負荷への電力供給を遮断するスイッチを制御するスイッチ制御部と、前記パルス信号が前記スイッチへ入力されてから所定時間内に測定された前記電源と前記スイッチとの間の電圧の電圧値と、前記スイッチと前記負荷との間の電圧の電圧値を、当該電圧値を測定する電圧測定部から取得し、前記スイッチの抵抗値と、取得した電圧値とに基づいて前記スイッチより後段の抵抗値を算出する演算部と、を有し、前記パルス信号に応じて前記スイッチがオンとなる時間は、前記負荷が動作しない時間であり、前記スイッチ制御部は、前記演算部が算出した抵抗値が閾値未満である場合、前記スイッチをオフにする。【選択図】図１

Description

本発明は、保護装置に関する。

電源から負荷へ過電流が流れるのを防止する発明として、例えば特許文献１に開示されたスイッチ装置がある。このスイッチ装置は、スイッチ回路と、負荷に接続されるコネクタとを有し、スイッチ回路は、直流電源からコネクタへの第１電流経路に設けられたメインスイッチと、直流電源からコネクタへの第２電流経路に設けられたサブスイッチとを有する。また、スイッチ回路は、メインスイッチ及びサブスイッチに並列に抵抗器を有する。スイッチ回路においては、サブスイッチがオンであるときの抵抗値は、メインスイッチがオンであるときの抵抗値より大きくなっている。スイッチ装置は、メインスイッチがオフであり、且つ、サブスイッチがオンである状態でメインスイッチ及びサブスイッチの下流側の接続ノードの電圧を取得する。そしてスイッチ回路は、メインスイッチがオンに切り替わった場合にメインスイッチを介して流れる電流が閾値未満であるかを取得した電圧に基づいて判定する。この閾値は、直流電源の電圧未満であり、且つ、抵抗器と負荷とが直流電源の電圧を分圧することによって得られる電圧を超えた電圧である。スイッチ装置は、取得した電圧が、この閾値以上であった場合にはメインスイッチをオフに維持する。

国際公開第２０２１／１１７４９２号

特許文献１に開示されたスイッチ装置の場合、メインスイッチ及びサブスイッチに並列にさらに抵抗器を必要とし、部品数が増えるためコストがかかる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コストを抑え、短絡が発生するのを防ぐ技術を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る保護装置は、入力されるパルス信号に応じてオン又はオフとなり、オンのときに電源からの電力を負荷へ供給し、オフのときに前記電源から前記負荷への電力供給を遮断するスイッチを制御するスイッチ制御部と、前記パルス信号が前記スイッチへ入力されてから所定時間内に測定された前記電源と前記スイッチとの間の電圧の電圧値と、前記スイッチと前記負荷との間の電圧の電圧値を、当該電圧値を測定する電圧測定部から取得し、前記スイッチの抵抗値と、取得した電圧値とに基づいて前記スイッチより後段の抵抗値を算出する演算部と、を有し、前記パルス信号に応じて前記スイッチがオンとなる時間は、前記負荷が動作しない時間であり、前記スイッチ制御部は、前記演算部が算出した抵抗値が閾値未満である場合、前記スイッチをオフにする。

本発明の一態様に係る保護装置においては、前記パルス信号は、前記負荷が動作しないデューティ比のＰＷＭ信号であり、前記演算部は、前記スイッチと前記負荷との間の電圧変化を平滑化するローパスフィルタの出力電圧を、前記スイッチと前記負荷との間の電圧の電圧値として取得する。

本発明の一態様に係る保護装置においては、前記演算部は、取得した電圧値と前記デューティ比に基づいて、前記負荷のグランド電位と、前記電圧測定部のグランド電位との電位差を算出し、算出した電位差と、前記演算部が取得した電圧値と、前記スイッチの抵抗値に基づいて前記スイッチより後段の抵抗値を算出する。

本発明の一態様に係る保護装置においては、前記演算部は、前記ＰＷＭ信号が第１デューティ比のときに取得した電圧値、前記ＰＷＭ信号が第２デューティ比のときに取得した電圧値、前記第１デューティ比、及び前記第２デューティ比に基づいて前記電位差を算出する。

本発明の一態様に係る保護装置においては、前記スイッチ制御部は、前記スイッチと並列に設けられた第１サブスイッチと、前記負荷に並列に設けられた第２サブスイッチを制御し、前記演算部は、前記第１サブスイッチがオンであり、前記スイッチ及び前記第２サブスイッチがオフのときに取得した前記負荷にかかる電圧の電圧値と、前記第１サブスイッチ及び前記第２サブスイッチがオンであり、前記スイッチがオフのときに取得した前記負荷にかかる電圧の電圧値、及び前記第２サブスイッチに流れる電流の電流値に基づいて、前記負荷のグランド電位と、前記電圧測定部のグランド電位との電位差を算出し、算出した電位差と、前記演算部が取得した電圧値と、前記スイッチの抵抗値に基づいて前記スイッチより後段の抵抗値を算出する。

本発明の一態様に係る保護装置においては、前記演算部が取得する電圧値は、前記パルス信号の立ち下がりの間に前記電圧測定部で測定された電圧値である。

本発明の一態様に係る保護装置においては、前記スイッチはＦＥＴであり、前記パルス信号で前記スイッチがオンのときに前記ＦＥＴのゲートに印可される電圧の電圧値は、前記ＦＥＴのゲート閾値に所定電圧値を加算した電圧値であり、前記スイッチ制御部は、前記パルス信号で前記スイッチがオンのときに取得した前記スイッチと前記負荷との間の電圧の電圧値が前記所定電圧値未満である場合、前記スイッチをオフにする。

本発明によれば、コストを抑え、短絡が発生するのを防ぐことができる、という効果を奏する。

図１は、第１実施形態に係る構成を示すブロック図である。 図２は、第１実施形態の制御に係る信号の波形の一例を示す図である。 図３は、第２実施形態に係る構成を示すブロック図である。 図４は、負荷にかかる電圧と半導体スイッチに入力されるＰＷＭ信号のデューティ比との関係をしめすグラフである。 図５は、第３実施形態に係る構成を示すブロック図である。 図６は、第３実施形態の制御に係る信号の波形の一例を示す図である。 図７は、第３実施形態の制御に係る信号の波形の一例を示す図である。 図８は、第４実施形態に係る構成を示すブロック図である。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素については適宜同一の符号を付している。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る保護装置１Ａの構成を示すブロック図である。電源２は、例えば車両に搭載される蓄電池である。電源２が供給する電力は、電源２の正極から半導体スイッチ４を介して負荷３へ供給される。半導体スイッチ４は、例えばＦＥＴ（Field effect transistor）を含むスイッチであり、電源２の正極に接続されている。半導体スイッチ４は、保護装置１Ａから出力される信号によってオン又はオフとなり、電源２から供給される電力の出力と遮断を行なう。負荷３は、車両において半導体スイッチ４から供給される電力で駆動する電装品である。負荷３は、グランドラインＧで電源２の負極に接続されている。保護装置１Ａは、短絡を防ぐ装置であり、車両に搭載されている。

保護装置１Ａは、制御部１０と、第１電圧測定部１１Ａと、第２電圧測定部１１Ｂとを有する。第１電圧測定部１１Ａは、電圧を測定する回路を有し、半導体スイッチ４と電源２との間と、グランドラインＧに接続されている。第１電圧測定部１１Ａは、半導体スイッチ４と電源２との間の電圧の電圧値を測定する。第１電圧測定部１１Ａが測定した電圧値は、制御部１０へ出力される。第２電圧測定部１１Ｂは、電圧を測定する回路を有し、半導体スイッチ４と負荷３との間と、グランドラインＧに接続されている。第２電圧測定部１１Ｂは、半導体スイッチ４と負荷３との間の電圧の電圧値を測定する。第２電圧測定部１１Ｂが測定した電圧値は、制御部１０へ出力される。

制御部１０は、短絡の発生を防ぐ機能の実現のために、演算部１０１及びスイッチ制御部１０２を有する。演算部１０１は、第１電圧測定部１１Ａが測定した電圧値と、第２電圧測定部１１Ｂが測定した電圧値とを取得する。演算部１０１は、取得した電圧値と、半導体スイッチ４がオンとなったときの半導体スイッチ４の抵抗値とに基づいて、負荷３の抵抗値を演算する。また、演算部１０１は、図示省略した上位装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit）から動作信号を取得する。動作信号は、半導体スイッチ４をオンにするかオフにするかを示す信号である。演算部１０１は、演算結果や動作信号に応じて、出力制御信号Ｓａとパルス信号Ｓｂをスイッチ制御部１０２へ出力する。スイッチ制御部１０２は、ＥＣＵから動作信号を取得する。スイッチ制御部１０２は、動作信号、出力制御信号Ｓａ及びパルス信号Ｓｂに応じて、半導体スイッチ４をオン又はオフにするスイッチ制御信号Ｓｃを出力する。

なお、制御部１０は、各種演算処理を行うプロセッサ及び記憶部を含んで構成されていてもよい。プロセッサは、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのプロセッサを含んで構成される。記憶部は、プロセッサが演算処理を行うために使用する各種プログラムやデータなどが格納される、たとえばＲＯＭ（Read Only Memory）を備えている。また、記憶部は、プロセッサが演算処理を行う際の作業スペースやプロセッサの演算処理の結果などを記憶するなどのために使用される、たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）を備えている。制御部１０の機能は、プロセッサが記憶部から各種プログラムを読み出して実行することで、機能部として実現されてもよい。

次に保護装置１Ａの動作例について、図２を用いて説明する。図２は制御に係る信号の波形の一例を示す図である。ＥＣＵは、負荷３へ電力を供給する場合、ハイレベルの動作信号を出力する。この動作信号は、演算部１０１とスイッチ制御部１０２へ供給される。演算部１０１は、動作信号のレベルがローレベルからハイレベルへ変わると、ローレベルの出力制御信号Ｓａと、半導体スイッチ４を所定時間の間だけオンにするパルス信号Ｓｂを出力する。このパルス信号Ｓｂは、例えば、一定時間の間だけハイレベルとなるワンショットのパルス信号である。このパルス信号でハイレベルとなる一定時間は、短絡があっても半導体スイッチ４が破損しない時間に設定されている。

スイッチ制御部１０２は、パルス信号Ｓｂに応じて、一定時間の間だけハイレベルとなるワンショットのパルス信号であるスイッチ制御信号Ｓｃを出力する。半導体スイッチ４は、スイッチ制御信号Ｓｃがハイレベルのときにオンとなる。半導体スイッチ４がオンとなると、半導体スイッチ４を介して負荷３へ電流が流れる。演算部１０１は、スイッチ制御信号Ｓｃで半導体スイッチ４がオンとなっている期間に第１電圧測定部１１Ａが測定した電圧値と、第２電圧測定部１１Ｂが測定した電圧値とを取得する。

次に演算部１０１は、取得した電圧値と、半導体スイッチ４がオンとなったときの半導体スイッチ４の抵抗値に基づいて、負荷３の抵抗値を算出する。具体的には、演算部１０１は、負荷３の抵抗値をＲＬ、第１電圧測定部１１Ａから取得した電圧値をＶｂ、第２電圧測定部１１Ｂから取得した電圧値をＶＬ、半導体スイッチ４がオンとなったときの半導体スイッチ４の抵抗値をＲｏｎとした場合、ＲＬを式（１）で算出する。なお、Ｒｏｎは、例えば予め演算部１０１に設定されている。

演算部１０１は、算出したＲＬが予め定められた閾値以上である場合、図２に示すようにハイレベルの出力制御信号Ｓａを出力する。この閾値は、例えば、予め演算部１０１に設定されている負荷３の抵抗値である。スイッチ制御部１０２は、動作信号がハイレベルであり、且つ、出力制御信号Ｓａがハイレベルである場合、半導体スイッチ４をオンにするハイレベルのスイッチ制御信号Ｓｃを出力する。半導体スイッチ４は、このスイッチ制御信号Ｓｃによってオンとなる。半導体スイッチ４がオンとなると、半導体スイッチ４を介して負荷３へ電流が流れる。

一方、演算部１０１は、算出したＲＬが予め定められた閾値未満である場合、短絡が生じることを知らせる情報をＥＣＵへ出力する。半導体スイッチ４より後段で短絡が生じる場合にはＲＬが閾値以下になるため、制御部１０は、ＲＬと閾値とを比較することにより短絡が生じることを検知することができる。また、演算部１０１は、算出したＲＬが予め定められた閾値未満である場合、動作信号がハイレベルのときにローレベルの出力制御信号Ｓａを出力する。この場合、スイッチ制御部１０２は、出力制御信号Ｓａがローレベルであるため、半導体スイッチ４をオフにするスイッチ制御信号Ｓｃを出力する。

ＥＣＵは、負荷３への電力供給を停止する場合、ローレベルの動作信号を出力する。この動作信号は、演算部１０１とスイッチ制御部１０２へ供給される。演算部１０１は、図２に示すように、動作信号のレベルがハイレベルからローレベルへ変わると、ローレベルの出力制御信号Ｓａを出力する。スイッチ制御部１０２は、ローレベルの出力制御信号Ｓａが供給されると、半導体スイッチ４をオフにするローレベルのスイッチ制御信号Ｓｃを出力する。半導体スイッチ４は、このローレベルのスイッチ制御信号Ｓｃによってオフとなる。半導体スイッチ４がオフとなると、半導体スイッチ４から負荷３へ電流が流れなくなる。

本実施形態によれば、半導体スイッチ４に並列にサブスイッチを設けなくても、負荷３へ電力を供給するときに短絡が生じるか否かを検知することができ、コストを抑えて短絡の発生を防ぐことができる。また、本実施形態によれば、半導体スイッチ４をオンにし続けてから短絡が生じるか否かを検知する構成よりも、検知するために電流を流す時間を少なくすることができる。

なお、負荷３がキャパシタンスの成分を有する場合、スイッチ制御信号Ｓｃが立ち下がると、第２電圧測定部１１Ｂが測定する電圧は、過渡的に低下する。演算部１０１は、パルス信号の立ち下がりの間に取得した電圧値をＶＬとして式（１）の演算を行ってもよい。

［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態に係る構成を示すブロック図である。第２実施形態においては、パルス信号ＳｂがＰＷＭ信号であり、ローパスフィルタ５を利用する点で第１実施形態と相違する。以下では、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付して説明を省略し、第１実施形態との相違点について説明する。

ローパスフィルタ５は、入力側が半導体スイッチ４と負荷３との間に接続されており、出力側が第２電圧測定部１１Ｂに接続されている。第２電圧測定部１１Ｂは、ローパスフィルタ５の出力側の電圧の電圧値を測定する。

演算部１０１は、ＥＣＵから供給された動作信号のレベルがローレベルからハイレベルへ変わると、ローレベルの出力制御信号Ｓａと、ＰＷＭ信号であるパルス信号Ｓｂを出力する。このパルス信号Ｓｂのデューティ比は、負荷３が動作しないデューティ比に設定されている。

スイッチ制御部１０２は、ＰＷＭ信号であるパルス信号Ｓｂに応じて、パルス信号Ｓｂのデューティ比と同じデューティ比のＰＷＭ信号であるスイッチ制御信号Ｓｃを出力する。このスイッチ制御信号Ｓｃにより、半導体スイッチ４は、ＰＷＭ信号のハイレベルの期間でオンとなり、ＰＷＭ信号のローレベルの期間でオフとなり、オンとオフを繰り返す。半導体スイッチ４がオンとオフを繰り返すことにより、ローパスフィルタ５の入力側の電圧は、半導体スイッチ４がオンの期間でハイレベルとなり、半導体スイッチ４がオフの期間でローレベルとなる。ローパスフィルタ５は、入力側の電圧の変化を平滑化し、第２電圧測定部１１Ｂは、ローパスフィルタ５により平滑化された電圧の電圧値を測定する。

演算部１０１は、第１電圧測定部１１Ａ及び第２電圧測定部１１Ｂが測定した電圧値を取得し、取得した電圧値と、半導体スイッチ４がオンとなったときの半導体スイッチ４の抵抗値に基づいて、負荷３の抵抗値を算出する。具体的には、負荷３の抵抗値をＲＬ、第１電圧測定部１１Ａで測定される電圧値をＶｂ、第２電圧測定部１１Ｂで測定される電圧値をＶＬ、ＰＷＭ信号で半導体スイッチ４がオンとなったときの半導体スイッチ４の抵抗値をＲｏｎ＿ｐｗｍとした場合、演算部１０１は、ＲＬを式（２）で算出する。なお、Ｒｏｎ＿ｐｗｍは、ＰＷＭ信号のデューティ比をＤｎとしてＲｏｎ／Ｄｎで算出した値である。また、ＶＬは、ローパスフィルタ５により平滑化されて飽和した電圧の電圧値である。Ｒｏｎ＿ｐｗｍは、予め演算部１０１に設定されている。

演算部１０１は、式（２）で算出したＲＬが予め定められた閾値以上である場合、ハイレベルの出力制御信号Ｓａを出力する。スイッチ制御部１０２は、動作信号がハイレベルであり、且つ、出力制御信号Ｓａがハイレベルである場合、半導体スイッチ４をオンにするハイレベルのスイッチ制御信号Ｓｃを出力する。半導体スイッチ４は、このスイッチ制御信号Ｓｃによってオンとなる。半導体スイッチ４がオンとなると、半導体スイッチ４を介して負荷３へ電流が流れる。

一方、演算部１０１は、式（２）で算出したＲＬが予め定められた閾値未満である場合、短絡が生じることを知らせる情報をＥＣＵへ出力する。半導体スイッチ４より後段で短絡がある場合にはＲＬが閾値以下になるため、制御部１０は、ＲＬと閾値とを比較することにより短絡が生じることを検知することができる。また、演算部１０１は、算出したＲＬが予め定められた閾値未満である場合、動作信号がハイレベルのときにローレベルの出力制御信号Ｓａを出力する。この場合、スイッチ制御部１０２は、出力制御信号Ｓａがローレベルであるため、半導体スイッチ４をオフにするスイッチ制御信号Ｓｃを出力する。

本実施形態によれば、半導体スイッチ４に並列にサブスイッチを設けなくても、負荷３へ電力を供給するときに短絡が生じるか否かを検知することができ、コストを抑えて短絡の発生を防ぐことができる。また、本実施形態によれば、ワンショットのパルス信号を出力する構成と比較すると、第２電圧測定部１１Ｂで測定される電圧が安定するため、ＶＬを容易に測定することができる。

なお、車両においては、負荷３の位置と、第１電圧測定部１１Ａ及び第２電圧測定部１１Ｂの位置とが離れていることにより、負荷３のグランドの電位と、第１電圧測定部１１Ａ及び第２電圧測定部１１Ｂのグランドの電位に差が生じる場合がある。このようにグランドに電位差があると、ＲＬを正確に算出できなくなるため、第２実施形態に係る制御部１０は、この電位差を考慮してＲＬを算出するようにしてもよい。

具体的には、演算部１０１は、ハイレベルの動作信号をＥＣＵから取得すると、デューティ比が１００％のパルス信号Ｓｂを出力したときに第１電圧測定部１１Ａで測定される電圧値を取得する。以下の説明では、この電圧値をＶｂとする。この電圧値は、予め記憶されていてもよく、短絡が発生していないときに第１電圧測定部１１Ａ測定して記憶しておいてもよい。

次に演算部１０１は、ＰＷＭ信号であるパルス信号Ｓｂを出力する。このＰＷＭ信号のデューティ比は、負荷３が動作しないデューティ比に設定されている。以下の説明では、このＰＷＭ信号のデューティ比をＤｎとする。演算部１０１は、デューティ比がＤｎのパルス信号Ｓｂが出力されているときに第２電圧測定部１１Ｂで測定される電圧値を取得する。演算部１０１は、この第２電圧測定部１１Ｂで測定される電圧値、即ち、ローパスフィルタ５の出力側の電圧の電圧値をＶＬｎとする。次に演算部１０１は、式（３）により負荷３のグランドの電位であるＶｏｆｆｓｅｔを算出する。そして演算部１０１は、算出したＶｏｆｆｓｅｔを用いて、ＲＬを式（４）により算出する。

演算部１０１は、式（４）算出したＲＬが予め定められた閾値以上である場合、ハイレベルの出力制御信号Ｓａを出力する。スイッチ制御部１０２は、動作信号がハイレベルであり、且つ、出力制御信号Ｓａがハイレベルである場合、半導体スイッチ４をオンにするハイレベルのスイッチ制御信号Ｓｃを出力する。半導体スイッチ４は、このスイッチ制御信号Ｓｃによってオンとなる。半導体スイッチ４がオンとなると、半導体スイッチ４を介して負荷３へ電流が流れる。

一方、演算部１０１は、式（４）で算出したＲＬが予め定められた閾値未満である場合、短絡が生じることを知らせる情報をＥＣＵへ出力する。また、演算部１０１は、算出したＲＬが予め定められた閾値未満である場合、動作信号がハイレベルのときにローレベルの出力制御信号Ｓａを出力する。この場合、スイッチ制御部１０２は、出力制御信号Ｓａがローレベルであるため、半導体スイッチ４をオフにするスイッチ制御信号Ｓｃを出力する。

図４は、負荷３のグランドの電位と、第１電圧測定部１１Ａ及び第２電圧測定部１１Ｂのグランドの電位に差があるときのＶＬｎとＤｎとの関係を示すグラフである。負荷３のグランドの電位と、第１電圧測定部１１Ａ及び第２電圧測定部１１Ｂのグランドの電位に差がある場合、ＶＬｎは、第２電圧測定部１１Ｂのグランドの電位を基準としているため、式（２）でＲＬを算出すると正しいＲＬを得ることができない。一方、半導体スイッチ４がオンとなったときのＶｂと、デューティ比がＤｎのＰＷＭ信号を用いて式（３）、式（４）によりＶｏｆｆｓｅｔを算出し、算出したＶｏｆｆｓｅｔを用いてＲＬを算出する構成によれば、負荷３のグランドの電位と、第１電圧測定部１１Ａ及び第２電圧測定部１１Ｂのグランドの電位に差があってもＲＬを正確に算出することができる。

なお、第１のデューティ比をＤｎ、第２のデューティ比をＤｎ２とし、デューティ比がＤｎ２であるときに第２電圧測定部１１Ｂで測定される電圧値をＶＬｎ２とし、Ｖｂに替えてＶＬｎ２を用い、式（３）の分母の１をＤｎ２に替えてＶｏｆｆｓｅｔを算出してもよい。

［第３実施形態］
図５は、本発明の第３実施形態に係る構成を示すブロック図である。第３実施形態に係る保護装置１Ａにおいては、短絡が生じるか否かを検知する構成が第１実施形態と相違する。以下では、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付して説明を省略し、第１実施形態との相違点について説明する。

図５に示すように、第３実施形態においては、保護装置１Ａの外部に抵抗器６、スイッチ７、オペアンプ８、クランプ電源９が設けられる。抵抗器６は、一端がスイッチ制御部１０２に接続され、半導体スイッチ４が有するＦＥＴのゲートに他端が接続されている。スイッチ７は、一端がオペアンプ８の出力端子に接続され、他端が抵抗器６と半導体スイッチ４との間に接続されている。スイッチ７は、スイッチ制御部１０２から出力される診断信号Ｓｄによりオン又はオフとなる。クランプ電源９は、所定の電圧の電源である。オペアンプ８は、非反転入力端子がクランプ電源９の正極に接続されており、反転入力端子が半導体スイッチ４と負荷３との間に接続されている。また、オペアンプ８の出力端子はスイッチ７に接続されている。

次に第３実施形態に係る保護装置１Ａの動作例について、短絡が発生しない場合の動作例を、図６を用いて説明する。図６は、制御に係る信号の波形の一例を示す図である。スイッチ制御部１０２は、動作信号のレベルがローレベルからハイレベルへ変わると、スイッチ７を所定時間の間だけオンにする診断信号Ｓｄを出力する。演算部１０１は、動作信号のレベルがローレベルからハイレベルへ変わると、ローレベルの出力制御信号Ｓａと、パルス信号Ｓｂを出力する。このパルス信号Ｓｂは、例えば、一定時間の間だけハイレベルとなるワンショットのパルス信号である。なお、このパルス信号Ｓｂがハイレベルとなるタイミングは、診断信号Ｓｄがハイレベルになるタイミングより後にされている。スイッチ制御部１０２は、パルス信号Ｓｂに応じて、一定時間だけ半導体スイッチ４をオンにするスイッチ制御信号Ｓｃを出力する。

診断信号Ｓｄによりスイッチ７がオンとなり、スイッチ制御部１０２から半導体スイッチ４をオンにするスイッチ制御信号Ｓｃが出力された後、クランプ電源９の電圧をＶＣＬとすると、短絡が発生していない場合、ＶＬ＝ＶＣＬとなる。診断信号Ｓｄによりスイッチ７がオンとなり、スイッチ制御部１０２から半導体スイッチ４をオンにするスイッチ制御信号Ｓｃが出力された後、演算部１０１は、第１電圧測定部１１Ａが測定した電圧の電圧値を取得する。この電圧値は、半導体スイッチ４のＦＥＴのゲートに印加されるゲート電圧である。半導体スイッチ４のＦＥＴをオンにするゲート閾値電圧をＶｔｈ、半導体スイッチ４のＦＥＴのゲート電圧をＶｇとすると、このＶｇは、短絡が発生していない場合、オペアンプ８の出力によりＶｇ＝ＶＣＬ＋Ｖｔｈとなる。

演算部１０１は、第１電圧測定部１１Ａが取得した電圧値が、ＶＣＬ＋Ｖｔｈである場合、診断信号Ｓｄ及びパルス信号Ｓｂがローレベルとなった後、ハイレベルの出力制御信号Ｓａを出力する。スイッチ制御部１０２は、動作信号がハイレベルであり、且つ、出力制御信号Ｓａがハイレベルである場合、半導体スイッチ４をオンにするスイッチ制御信号Ｓｃを出力する。ここで、スイッチ７はオフとなっているため、このスイッチ制御信号Ｓｃによって半導体スイッチ４のＦＥＴのゲートには、ＦＥＴをオンにする電圧が印加され、半導体スイッチ４がオンとなる。半導体スイッチ４がオンとなると、半導体スイッチ４を介して負荷３へ電流が流れる。

次に第３実施形態に係る保護装置１Ａの動作例について、短絡が発生する場合の動作例を、図７を用いて説明する。図７は、制御に係る信号の波形の一例を示す図である。診断信号Ｓｄによりスイッチ７がオンとなり、スイッチ制御部１０２から半導体スイッチ４をオンにするスイッチ制御信号Ｓｃが出力された後、クランプ電源９の電圧をＶＣＬとすると、短絡が発生している場合、ＶＬ＜ＶＣＬとなる。診断信号Ｓｄによりスイッチ７がオンとなり、スイッチ制御部１０２から半導体スイッチ４をオンにするスイッチ制御信号Ｓｃが出力された後、演算部１０１は、第１電圧測定部１１Ａが測定した電圧の電圧値を取得する。この電圧値は、半導体スイッチ４のＦＥＴのゲートに印加されるゲート電圧である。短絡が発生している場合、取得した電圧値が表すＶｇは、オペアンプ８の出力によりＶｇ＞ＶＣＬ＋Ｖｔｈとなる。

演算部１０１は、第１電圧測定部１１Ａが取得した電圧値が、ＶＣＬ＋Ｖｔｈを超える場合、診断信号Ｓｄ及びパルス信号Ｓｂがローレベルとなった後、ローレベルの出力制御信号Ｓａを出力する。スイッチ制御部１０２は、動作信号がハイレベルであり、且つ、出力制御信号Ｓａがローレベルである場合、半導体スイッチ４をオフにするスイッチ制御信号Ｓｃを出力する。ここで、スイッチ７はオフとなっているため、このスイッチ制御信号Ｓｃによって半導体スイッチ４のＦＥＴのゲートには、ＦＥＴをオフにする電圧が印加され、半導体スイッチ４がオフとなる。半導体スイッチ４がオンとなると、半導体スイッチ４から負荷３へ電流が流れなくなる。

なお、演算部１０１は、診断信号Ｓｄによりスイッチ７がオンとなり、スイッチ制御部１０２から半導体スイッチ４をオンにするスイッチ制御信号Ｓｃが出力された後、第２電圧測定部１１Ｂが測定した電圧の電圧値を取得してもよい。この場合、演算部１０１は、取得した電圧値がＶＣＬ未満であると、診断信号Ｓｄ及びパルス信号Ｓｂがローレベルとなった後、ローレベルの出力制御信号Ｓａを出力してもよい。

［第４実施形態］
図８は、本発明の第４実施形態に係る構成を示すブロック図である。半導体スイッチ４ａ、４ｂ、４ｃは、ＦＥＴ４１を含むスイッチであり、制御部１０に接続されている。半導体スイッチ４ａは、ＦＥＴ４１ａのドレインが電源２に接続され、ゲートが制御部１０に接続され、ソースが電流測定部１２に接続されている。半導体スイッチ４ｂは、ＦＥＴ４１ｂのドレインが電源２に接続され、ゲートが制御部１０に接続され、ソースが抵抗器Ｒ１に接続されている。抵抗器Ｒ１は、電流測定部１２に接続されている。

保護装置１Ｂは、制御部１０、電流測定部１２及び電圧測定部１３を有する。電流測定部１２は、電流を測定する回路を有し、半導体スイッチ４ａのＦＥＴ４１ａのソースと負荷３に接続されている。電流測定部１２は、半導体スイッチ４ａから出力されて負荷３へ流れる電流の電流値を測定する。電流測定部１２が測定した電流値は、制御部１０へ出力される。電圧測定部１３は、電圧を測定する回路を有し、電流測定部１２と負荷３との間の電圧の電圧値を測定する。電圧測定部１３が測定した電圧値は、制御部１０へ出力される。半導体スイッチ４ｃは、抵抗器Ｒ２の一端が電流測定部１２と負荷３との間に接続され、他端が半導体スイッチ４ｃのＦＥＴ４１ｃのドレインに接続されている。また、半導体スイッチ４ｃは、ＦＥＴ４１のゲートが制御部１０に接続され、ソースがグランドＧＮＤに接続されている。

第２実施形態では、グランドＧＮＤの電位に差がある場合、ＰＷＭ信号を用いて電位差を特定していたが、第４実施形態では、他の方法によって電位差を特定する。なお、以下の説明においては、半導体スイッチ４ａでＦＥＴ４１ａがオンのときの半導体スイッチ４ａの抵抗値をＲａ、半導体スイッチ４ｂでＦＥＴ４１ｂがオンのときの半導体スイッチ４ｂの抵抗値をＲｂ、半導体スイッチ４ｃでＦＥＴ４１ｃがオンのときの半導体スイッチ４ｃの抵抗値をＲｃとする。また、半導体スイッチ４ａ、４ｂに印加される電圧をＶＩとし、負荷３に印加される電圧をＶＬとし、グランドの点ａの電位と点ｂの電位の電位差をＶｄｉｆｆとする。また、負荷３に流れる電流をＩＬ、半導体スイッチ４ｂに流れる電流をＩｂ、半導体スイッチ４ｃに流れる電流をＩｃとする。

制御部１０は、Ｖｄｉｆｆの算出にあたり、まず、半導体スイッチ４ａをオフにする信号と、半導体スイッチ４ｂをオンにする信号と、半導体スイッチ４ｃをオフにする信号を出力する。なお、半導体スイッチ４ｂがオンとなった場合に負荷３に流れる電流は、負荷３が駆動しない電流である。制御部１０は、半導体スイッチ４ｂがオンのときに電圧測定部１３が測定した電圧値を取得する。この電圧値をＶＯとすると、ＶＯは式（５）で表される。

次に制御部１０は、半導体スイッチ４ｂをオンにしたまま、半導体スイッチ４ｃをオンにする信号を出力し、電流測定部１２で測定される電流値と、電圧測定部１３で測定される電圧値を取得する。この測定される電流値は、Ｉｂであり、Ｉｂ＝Ｉｃ＋ＩＬである。また、ここで取得した電圧値をＶＯとすると、Ｉｃ＝ＶＯ／Ｒｃであり、ＩＬ＝ＶＬ／ＲＬであり、ＶＬ＝ＶＯ－Ｖｄｉｆｆである。これらの式からＩｃとＩＬが求められるため、式（５）と合わせてＶｄｉｆｆを算出することができる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、他の様々な形態で実施可能である。例えば上述の実施形態を以下のように変形して本発明を実施してもよい。なお、上述した実施形態及び以下の変形例は、各々を組み合わせてもよい。上述した各実施形態及び各変形例の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態や変形例に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

本発明においては、保護装置１Ａは、第１電圧測定部１１Ａ及び第２電圧測定部１１Ｂを保護装置１Ａの外部に設け、保護装置１Ａは、外部に設けられた第１電圧測定部１１Ａ及び第２電圧測定部１１Ｂから電圧値を取得してもよい。

上述した実施形態においては、保護装置１Ａが車両に搭載される場合について説明したが、保護装置１Ａが搭載されるのは車両に限定されるものではなく、半導体スイッチで負荷を駆動する装置に適用することができる。

１Ａ、１Ｂ 保護装置
２ 電源
３ 負荷
４、４ａ、４ｂ、４ｃ 半導体スイッチ
５ ローパスフィルタ
６ 抵抗器
７ スイッチ
８ オペアンプ
９ クランプ電源
１０ 制御部
１１Ａ 第１電圧測定部
１１Ｂ 第２電圧測定部
１２ 電流測定部
１３ 電圧測定部
４１、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ ＦＥＴ
１０１ 演算部
１０２ スイッチ制御部
Ｇ グランドライン
ＧＮＤ グランド
Ｓａ 出力制御信号
Ｓｂ パルス信号
Ｓｃ スイッチ制御信号
Ｓｄ 診断信号

Claims (7)

1. 入力されるパルス信号に応じてオン又はオフとなり、オンのときに電源からの電力を負荷へ供給し、オフのときに前記電源から前記負荷への電力供給を遮断するスイッチを制御するスイッチ制御部と、
   前記パルス信号が前記スイッチへ入力されてから所定時間内に測定された前記電源と前記スイッチとの間の電圧の電圧値と、前記スイッチと前記負荷との間の電圧の電圧値を、当該電圧値を測定する電圧測定部から取得し、前記スイッチの抵抗値と、取得した電圧値とに基づいて前記スイッチより後段の抵抗値を算出する演算部と、
   を有し、
   前記パルス信号に応じて前記スイッチがオンとなる時間は、前記負荷が動作しない時間であり、
   前記スイッチ制御部は、前記演算部が算出した抵抗値が閾値未満である場合、前記スイッチをオフにする
   保護装置。
2. 前記パルス信号は、前記負荷が動作しないデューティ比のＰＷＭ信号であり、
   前記演算部は、前記スイッチと前記負荷との間の電圧変化を平滑化するローパスフィルタの出力電圧を、前記スイッチと前記負荷との間の電圧の電圧値として取得する
   請求項１に記載の保護装置。
3. 前記演算部は、取得した電圧値と前記デューティ比に基づいて、前記負荷のグランド電位と、前記電圧測定部のグランド電位との電位差を算出し、算出した電位差と、前記演算部が取得した電圧値と、前記スイッチの抵抗値に基づいて前記スイッチより後段の抵抗値を算出する
   請求項２に記載の保護装置。
4. 前記演算部は、前記ＰＷＭ信号が第１デューティ比のときに取得した電圧値、前記ＰＷＭ信号が第２デューティ比のときに取得した電圧値、前記第１デューティ比、及び前記第２デューティ比に基づいて前記電位差を算出する
   請求項３に記載の保護装置。
5. 前記スイッチ制御部は、前記スイッチと並列に設けられた第１サブスイッチと、前記負荷に並列に設けられた第２サブスイッチを制御し、
   前記演算部は、前記第１サブスイッチがオンであり、前記スイッチ及び前記第２サブスイッチがオフのときに取得した前記負荷にかかる電圧の電圧値と、前記第１サブスイッチ及び前記第２サブスイッチがオンであり、前記スイッチがオフのときに取得した前記負荷にかかる電圧の電圧値、及び前記第２サブスイッチに流れる電流の電流値に基づいて、前記負荷のグランド電位と、前記電圧測定部のグランド電位との電位差を算出し、算出した電位差と、前記演算部が取得した電圧値と、前記スイッチの抵抗値に基づいて前記スイッチより後段の抵抗値を算出する
   請求項１に記載の保護装置。
6. 前記演算部が取得する電圧値は、前記パルス信号の立ち下がりの間に前記電圧測定部で測定された電圧値である
   請求項１に記載の保護装置。
7. 前記スイッチはＦＥＴであり、
   前記パルス信号で前記スイッチがオンのときに前記ＦＥＴのゲートに印加される電圧の電圧値は、前記ＦＥＴのゲート閾値に所定電圧値を加算した電圧値であり、
   前記スイッチ制御部は、前記パルス信号で前記スイッチがオンのときに取得した前記スイッチと前記負荷との間の電圧の電圧値が前記所定電圧値未満である場合、前記スイッチをオフにする
   請求項１に記載の保護装置。

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