JP3578656B2 - 電源供給装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電源供給装置に関し、より詳しくは、制御信号に応じてスイッチング制御により、電源から負荷への電力供給を制御する半導体スイッチを備えた電源供給装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体スイッチを備えた電源供給装置は、半導体スイッチが制御信号に応じてスイッチング制御することにより、バッテリからの電源を負荷に供給して、負荷への電力供給を制御している。
【0003】
このような電源供給装置に備えられた半導体スイッチとしては、例えば、Nチャンネル型MOS(金属酸化膜半導体)−FET(電界効果トランジスタ)が用いられているが、このNチャンネル型MOS−FETは、オン抵抗が非常に小さく、デバイスコストも安価であることから、自動車用にも使用されるようになってきた。
【0004】
図7に従来のこの種の自動車に搭載された電源供給装置の回路構成図を示す。図7において、12V系電源101からの出力電圧をNチャンネル型MOS−FET105のドレインD−ソースSを介して負荷103に供給する。
【0005】
また、12V系電源101からの出力電圧をON/OFF回路107でオン/オフさせ、ON/OFF回路107からの電圧をチャージポンプ回路109内の昇圧回路111で昇圧し、昇圧された電圧に基づき発振回路113で所定の周波数を持つ昇圧電圧を発振させてその電圧を制御信号としてNチャンネル型MOS−FET105のゲートGに供給している。これにより、Nチャンネル型MOS−FET105がオン/オフして、12V系電源101からの電力が負荷103に供給される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、自動車のアプリケーションにはハイサイド(負荷の上流側)でNチャンネル型MOS−FET105をオン/オフすることが多く、Nチャンネル型MOS−FET105をハイサイドで使用するためには、ゲート−ソース間電圧VGSを常にオン電圧以上に上げておくためにチャージポンプ回路109を設けなければならなかった。
【0007】
すなわち、電源供給装置が安価で低オン抵抗なメリットがある反面、自動車用としては、チャージポンプ回路109等の余分な回路が必要であった。また、このチャージポンプ回路を用いたものとして、例えば、チャージポンプ回路と保護回路内蔵のNチャンネル型MOS−FETとを有するインテリジェントパワーシステム(IPS)があげられるが、このIPSにもかなりのコストがかかっていた。
【0008】
また、チャージポンプ回路109には発振回路113が設けられているが、この発振回路113により発振した発振周波数は、電源供給装置の小型化のために高周波数(数百KHz以上)であった。このため、自動車用ラジオノイズの原因となる可能性が高くなる。その結果、ラジオノイズを低減させる回路が必要となり、電源供給装置がコストアップしてしまう。
【0009】
一方、ハイサイドに使用できるものとしてPチャンネル型MOS−FETもあるが、このPチャンネル型MOS−FETは、Nチャンネル型MOS−FETよりもチップサイズが大きくなり、Nチャンネル型MOS−FETと同一の性能を実現するためには、コストが非常に高くなる。
【0010】
また、従来の電源供給装置として、図8に示すような多電圧化の電源供給装置が知られている。なお、図8に示すような電源供給装置は、未だ自動車には搭載されていない。図8において、オールタネータ121で発生した電圧(42V)は、ダイオードD1を介して36V系バッテリB1に供給され、36V系バッテリB1の電力が駆動モータ等の負荷123に供給される。
【0011】
また、オールタネータ121で発生した電圧(42V)は、DC/DCコンバータ125により14Vに変換されて12V系バッテリB2に供給され、12V系バッテリB2の電力がランプ等の負荷127に供給される。
【0012】
このように、DC/DCコンバータ125により42Vを14Vに変換することにより、36V系バッテリB1と12V系バッテリB2とに多電圧化して、駆動モータ等の36V系の負荷123に電力を供給できるとともに、ランプ等の12V系の負荷127にも電力を供給することができる。
【0013】
この場合、36V系バッテリB1は、12V系バッテリB2に対して電圧が3倍であるため、電流は1/3倍で済む。このため、36V系では、ワイヤーハーネス(W/H)径を12V系に対して約1/3倍とすることができ、W/Hを軽量化することができるとともに負荷効率を向上することができるという効果がある。
【0014】
そこで、本発明は、多電圧化を利用し、複雑なチャージポンプ回路を用いずに、安価で且つ簡単な回路構成からなり、容易に従来の電源系(12V系)の負荷をオン/オフ制御可能な電源供給装置を提供することを課題とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明のように、第1の電源とモータの一端とに接続される第1半導体スイッチと、前記モータの他端と大地とに接続される第2半導体スイッチと、前記第1の電源と前記モータの他端とに接続される第3半導体スイッチと、前記モータの一端と大地とに接続される第4半導体スイッチと、前記第1の電源の第1の電圧よりも大きく且つ前記第1及び第3半導体スイッチをオン/オフ制御可能な第2の電圧を持つ第2の電源と、前記第2の電圧により前記第1半導体スイッチをオン/オフ制御する制御信号を前記第1半導体スイッチの制御入力端子に出力する第1駆動手段と、前記第1半導体スイッチのオン/オフ制御に連動して前記第2半導体スイッチをオン/オフ制御する第2駆動手段と、前記第2の電圧により前記第3半導体スイッチをオン/オフ制御する制御信号を前記第3半導体スイッチの制御入力端子に出力する第3駆動手段と、前記第3半導体スイッチのオン/オフ制御に連動して前記第4半導体スイッチをオン/オフ制御する第4駆動手段とを備えることを特徴とする。
【0023】
請求項1の発明によれば、第2の電源の電圧により第1駆動手段が第1半導体スイッチをオンさせ、第2駆動手段が第2半導体スイッチをオンさせるため、第1の電源から第1半導体スイッチ、モータ、第2半導体スイッチ、大地へ電流が流れるからモータが例えば正回転する。
【0024】
また、第2の電源の電圧により第3駆動手段が第3半導体スイッチをオンさせ、第4駆動手段が第4半導体スイッチをオンさせるため、第1の電源から第3半導体スイッチ、モータ、第4半導体スイッチ、大地へ電流が流れるからモータが例えば逆回転する。
【0025】
従って、複雑なチャージポンプ回路を用いずに、安価で且つ簡単な回路構成からなり、容易にモータを正回転及び逆回転させることができる電源供給装置を提供することができる。
【0026】
請求項2の発明のように、前記第1及び第3半導体スイッチのそれぞれは、Nチャンネル型の電界効果トランジスタであることを特徴とする。
【0027】
請求項2の発明によれば、第1及び第3半導体スイッチのそれぞれが、Nチャンネル型の電界効果トランジスタであることにより、第2の電源をNチャンネル型の電界効果トランジスタのオン/オフ制御に利用できる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電源供給装置の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。電源供給装置は、例えば自動車においてバッテリからの電源をランプ等の負荷に供給して、負荷への電力供給を制御する装置に適用した例について説明する。なお、実施の形態の電源供給装置は、自動車以外のものにも適用可能であるのは勿論である。
【0032】
図1は本発明の実施の形態の電源供給装置の回路構成図である。図2は実施の形態の電源供給装置を車両に搭載したときの第1の実施例を示す図である。図3は実施の形態の電源供給装置を車両に搭載したときの第2の実施例を示す図である。図4は実施の形態の電源供給装置をモータの駆動に適用した例を示す図である。図5は複数のNチャンネル型MOS−FETを備えた従来の電源供給装置をモータの駆動に適用した例を示す図である。図6はNチャンネル型MOS−FETとPチャンネル型MOS−FETとを併用した電源供給装置をモータの駆動に適用した例を示す図である。
【0033】
図1に示す電源供給装置は、12V系電源11、負荷13、Nチャンネル型MOS−FET15、36V系電源17、ON/OFF単純回路19等を備え、12V系電源11及び36V系電源17の多電圧を利用し、36V系電源17をNチャンネル型MOS−FET15のゲートG−ソースS間電圧のオン/オフ制御に利用し、且つ、従来の12V系電源11からの出力電圧を負荷13に供給して、負荷13への電力供給を制御したことを特徴とする。
【0034】
図1において、12V系電源11の出力電圧は、半導体スイッチとしてのNチャンネル型MOS−FET15のドレインD−ソースSを介して負荷13に供給されている。負荷13は、例えばテールランプ、ヘッドランプ等であり、ON/OFF単純回路19がオンすることにより機能する。
【0035】
Nチャンネル型MOS−FET15のゲートG−ソースS間にはツェナーダイオードZDが接続されており、このツェナーダイオードZDはゲートG−ソースS間を約10[V]にクランプしてゲートGに過電圧が印加された場合にバイパスさせる。ゲート−ソース間の最大電圧は、ツェナーダイオードZDのツェナー電圧よりも十分に大きいものとする。
【0036】
駆動手段としてのON/OFF単純回路19は、エミッタが接地されコレクタに抵抗R2の一端が接続され且つベースに入力されるON/OFF信号に応じてオン/オフするトランジスタQ2、エミッタが36V系電源17に接続されベースに抵抗R2の他端が接続され且つコレクタに抵抗R1の一端が接続されトランジスタQ2のオン/オフに応じてオン/オフし抵抗R1を介してゲートGに36V系電源17の電圧を供給するトランジスタQ1を有して構成される。
【0037】
すなわち、Nチャンネル型MOS−FET15を駆動制御するための制御信号をNチャンネル型MOS−FET15のゲートGに出力する。なお、Nチャンネル型MOS−FET15は、温度保護機能内蔵のサーマルFETを用いても良い。
【0038】
次に、このように構成された実施の形態の電源供給装置の動作を説明する。まず、トランジスタQ2のベースに例えば、ON信号が入力されると、このON信号に応じてトランジスタQ2がオンし、トランジスタQ2のオンに応じてトランジスタQ1がオンする。
【0039】
すると、抵抗R1を介してNチャンネル型MOS−FET15のゲートGに36V系電源17の電圧が供給される。すなわち、ゲートGに供給される電圧は、負荷13にかかる電圧よりも十分に高いため、Nチャンネル型MOS−FET15がオンして、12V系電源11の電圧が負荷13に供給される。
【0040】
このように、実施の形態の電源供給装置によれば、12V系や36V系等の多電圧化が自動車に採用された場合に、多電圧の内、36V系電源17をNチャンネル型MOS−FET15のゲートG−ソースS間電圧のオン/オフ制御に利用し、且つ、従来の12V系電源11からの出力電圧を負荷13に供給して、負荷13への電力供給を制御したので、従来のような複雑なチャージポンプ回路109を用いることがなくなり、安価で簡単な回路構成からなり、しかも極めて容易に従来の12V系の負荷13のオン/オフ制御を実現することができる。
【0041】
また、簡単なON/OFF単純回路19によるオン/オフ制御では、チャージポンプ回路109に有する発振回路113を必要とせず、静的な動作が行え、ラジオノイズ等の問題もほとんどなくなる。
【0042】
さらに、36V系電源17の出力インピーダンスは、極めて低いため、ON/OFF単純回路19により高速なオン/オフ制御、例えば、オン時間とオフ時間とのデューティ比を可変させたPWM制御を行うことができる。このPWM制御を行うことで、ランプ等の負荷13の照度調整、モータのリニア制御等を行うことができる。
【0043】
また、自動車用の電源分配用ボックス、すなわち、ジャンクションボックス(以下、J/Bと称する。)等に前述した2種類の電源系を配備すれば、極めて簡単で且つ超小型な電源供給装置を提供することができる。
【0044】
さらに、現在のISOリレー、マイクロリレー等は内部にメカニカル式のリレーが内蔵されているが、実施の形態の電源供給装置に備えたFET15または温度保護内蔵のサーマルFETを用いることで、無接点式メンテナンスフリーリレーを実現できる。また、温度保護内蔵のサーマルFETでは、ヒューズ等の保護部材も不要となる。
【0045】
次に、図2を参照して電源供給装置が車両に搭載された場合の第1の実施例を説明する。図2において、車両21の前部23には、エンジン27、このエンジン27の駆動力により交流電圧を発生するオールタネータ29、オールタネータ29で発生した電圧(例えば、42V)を14Vに変換するDC/DCコンバータ31、36V系バッテリ(36V系電源17に対応)B1、及び12V系バッテリ(12V系電源11に対応)B2が配置される。
【0046】
また、車両21の後部25には、電線33aを介して12V系バッテリB2が供給されるとともに、電線33bを介して36V系バッテリB1が供給されるJ/B35、及びテールランプ13aが配置される。J/B35は、36V系バッテリB1が供給されるON/OFF単純回路19、ヒューズ37を介して12V系バッテリB2が供給されるNチャンネル型MOS−FET15を有する。
【0047】
このように、車両21に実施の形態の電源供給装置を搭載することで、安価で極めて簡単で且つ超小型な電源供給装置を提供することができる。
【0048】
次に、図3を参照して電源供給装置が車両に搭載された場合の第2の実施例を説明する。第2の実施例が第1の実施例に対して特徴とするところは、車両21の後部25に、DC/DCコンバータ31及び12V系バッテリB2を配置した点にある。
【0049】
このような第2の実施例によれば、第1の実施例の効果が得られるとともに、車両21の前部23に36V系バッテリB1を配置し、車両21の後部25に12V系バッテリB2を分配して配置したので、車両の重量配分に効果がある。
【0050】
次に、図4を参照して実施の形態の電源供給装置をモータの駆動に適用した例を説明する。ここでは、モータは、例えば、パワーウィンドモータであり、ウィンドガラスをアップ/ダウンさせるために、モータを正回転/逆回転させるものとする。
【0051】
図4に示す電源供給装置は、12V系電源11とモータ41の一端とに接続されるNチャンネル型MOS−FET(以下、N−FET)15aと、モータ41の他端と大地とに接続されるN−FET15cと、12V系電源11とモータ41の他端とに接続されるN−FET15bと、モータ41の一端と大地とに接続されるN−FET15dとを備える。
【0052】
また、電源供給装置は、N−FET15a,N−FET15bをオン/オフ制御可能な高電圧を持つ36V系電源17と、高電圧によりN−FET15aをオン/オフ制御する制御信号をN−FET15aのゲートGに出力するON/OFF単純回路19aと、N−FET15aのオン/オフ制御に連動してN−FET15cをオン/オフ制御するON/OFF単純回路19cと、高電圧によりN−FET15bをオン/オフ制御する制御信号をN−FET15bのゲートGに出力するON/OFF単純回路19bと、N−FET15bのオン/オフ制御に連動してN−FET15dをオン/オフ制御するON/OFF単純回路19dとを備える。
【0053】
以上の構成によれば、36V系電源17の電圧によりON/OFF単純回路19aがN−FET15aをオンさせ、ON/OFF単純回路19cがN−FET15cをオンさせる。このため、12V系電源11からN−FET15a、モータ41、N−FET15c、大地へ電流が流れるからモータ41が例えば正回転する。
【0054】
また、36V系電源17の電圧によりON/OFF単純回路19bがN−FET15bをオンさせ、ON/OFF単純回路19dがN−FET15dをオンさせる。このため、12V系電源11からN−FET15b、モータ41、N−FET15d、大地へ電流が流れるからモータ41が例えば逆回転する。
【0055】
従って、複雑なチャージポンプ回路109を用いずに、安価で且つ簡単な回路構成からなり、容易にモータ41を正回転及び逆回転させることができる電源供給装置を提供することができる。なお、図4の電源供給装置に備えたFETとしては、サーマルFETを用いても良い。
【0056】
また、図5に示すように、4つのN−FET15a〜15dを備えた従来の電源供給装置をモータ41の駆動に適用した場合には、N−FET15a,N−FET15bをオンさせるために、チャージポンプ回路109a、チャージポンプ回路109bが必要となり、装置がさらに複雑になるとともに、ラジオノイズ等の問題が発生することが容易にわかる。
【0057】
次に、図6を参照して、Nチャンネル型MOS−FETとPチャンネル型MOS−FETとを併用した電源供給装置をモータ41の駆動に適用した例を説明する。
【0058】
図6に示す電源供給装置は、12V系電源11とモータ41の一端とに接続されゲートG−ソース間にツェナーダイオードZD1が接続されるPチャンネル型MOS−FET(以下、P−FET)16aと、モータ41の他端と大地とに接続されるN−FET15cと、12V系電源11とモータ41の他端とに接続されゲートG−ソース間にツェナーダイオードZD2が接続されるP−FET16bと、モータ41の一端と大地とに接続されるN−FET15dとを備える。
【0059】
また、電源供給装置は、ON/OFF信号に応じてP−FET16aをオン/オフ制御する制御信号を抵抗R3を介してP−FET16aのゲートGに出力するトランジスタQ3、ON/OFF信号に応じてP−FET16bをオン/オフ制御する制御信号を抵抗R4を介してP−FET16bのゲートGに出力するトランジスタQ4を備える。
【0060】
以上の構成によっても、モータ41を正回転/逆回転させることができるが、Pチャンネル型MOS−FETは高価であることから、Nチャンネル型MOS−FETのみを用いた図4に示す実施の形態の電源供給装置が最適である。
【0061】
なお、本発明は、前述した実施の形態の電源供給装置に限定されるものではない。実施の形態では、Nチャンネル型MOS−FET15のオン/オフ制御用として36V系電源17を例示したが、この36V系電源17の代わりに、例えば、24V系電源を用いても良い。このほか、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能であるのは勿論である。
【0065】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、第2の電源の電圧により第1駆動手段が第1半導体スイッチをオンさせ、第2駆動手段が第2半導体スイッチをオンさせるため、第1の電源から第1半導体スイッチ、モータ、第2半導体スイッチ、大地へ電流が流れるからモータが例えば正回転する。
【0066】
また、第2の電源の電圧により第3駆動手段が第3半導体スイッチをオンさせ、第4駆動手段が第4半導体スイッチをオンさせるため、第1の電源から第3半導体スイッチ、モータ、第4半導体スイッチ、大地へ電流が流れるからモータが例えば逆回転する。
【0067】
従って、複雑なチャージポンプ回路を用いずに、安価で且つ簡単な回路構成からなり、容易にモータを正回転及び逆回転させることができる電源供給装置を提供することができる。
【0068】
請求項2の発明によれば、第1及び第3半導体スイッチのそれぞれが、Nチャンネル型の電界効果トランジスタであることにより、第2の電源をNチャンネル型の電界効果トランジスタのオン/オフ制御に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の電源供給装置の回路構成図である。
【図2】実施の形態の電源供給装置を車両に搭載したときの第1の実施例を示す図である。
【図3】実施の形態の電源供給装置を車両に搭載したときの第2の実施例を示す図である。
【図4】実施の形態の電源供給装置をモータの駆動に適用した例を示す図である。
【図5】複数のNチャンネル型MOS−FETを備えた従来の電源供給装置をモータの駆動に適用した例を示す図である。
【図6】Nチャンネル型MOS−FETとPチャンネル型MOS−FETとを併用した電源供給装置をモータの駆動に適用した例を示す図である。
【図7】従来の電源供給装置の回路構成図である。
【図8】従来の電源供給装置の他の回路構成図である。
【符号の説明】
11 12V系電源
13 負荷
13a テールランプ
15 Nチャンネル型MOS−FET
17 36V系電源
19 ON/OFF単純回路
ZD ツェナーダイオード
21 車両
27 エンジン
29 オールタネータ
31 DC/DCコンバータ
33a,33b 電線
B1 36V系バッテリ
B2 12V系バッテリ
35 J/B(ジャンクションボックス)
37 ヒューズ
Claims (2)
- 第1の電源とモータの一端とに接続される第1半導体スイッチと、前記モータの他端と大地とに接続される第2半導体スイッチと、前記第1の電源と前記モータの他端とに接続される第3半導体スイッチと、前記モータの一端と大地とに接続される第4半導体スイッチと、前記第1の電源の第1の電圧よりも大きく且つ前記第1及び第3半導体スイッチをオン/オフ制御可能な第2の電圧を持つ第2の電源と、前記第2の電圧により前記第1半導体スイッチをオン/オフ制御する制御信号を前記第1半導体スイッチの制御入力端子に出力する第1駆動手段と、前記第1半導体スイッチのオン/オフ制御に連動して前記第2半導体スイッチをオン/オフ制御する第2駆動手段と、前記第2の電圧により前記第3半導体スイッチをオン/オフ制御する制御信号を前記第3半導体スイッチの制御入力端子に出力する第3駆動手段と、前記第3半導体スイッチのオン/オフ制御に連動して前記第4半導体スイッチをオン/オフ制御する第4駆動手段とを備えることを特徴とする電源供給装置。
- 前記第1及び第3半導体スイッチのそれぞれは、Nチャンネル型の電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1記載の電源供給装置。
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