JP4000621B2

JP4000621B2 - 車両用負荷駆動装置

Info

Publication number: JP4000621B2
Application number: JP12768597A
Authority: JP
Inventors: 昇山本; 健二米今
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-05-16
Filing date: 1997-05-16
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2017-05-16
Also published as: JPH10315846A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過電圧が発生した場合に、この過電圧から負荷を保護する過電圧保護回路を備えた車両用負荷駆動装置に関し、特に高圧放電灯を点灯する車両用放電灯装置に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
高圧放電灯（以下、ランプという）を点灯する放電灯装置が車両用前照明灯に適用されている。この放電灯装置の回路模式図を図５に示す。放電灯装置の点灯はバッテリ３００からの電力供給によって成されている。バッテリ３００の電圧は、１次側トランス３０２ａ及び始動回路３０１側に設けられた２次側トランス３０２ｂによって高圧変換され、コンデンサ３０３を充電する。そして、コンデンサ３０３の充電電圧が設定電圧以上になると放電ギャップ３０４が放電を行い、この放電によってコンデンサ３０３の充電電圧がトランス３０５ａ、３０５ｂでさらに高圧変換されてランプ３０６に印加される。これにより、ランプ３０６が点灯する。
【０００３】
さらに、直流電源回路３０７に用いるために設けられた２次側トランス３０２ｃを介して、１次側のバッテリ３００から２次側への電力供給が行われて、ランプ３０６の点灯が維持される。このとき、バッテリは直流電源であるため、４つのＭＯＳトランジスタ３０９ａ〜３０９ｄよりなるＨブリッジ回路３０９を備えたインバータ回路３１０によって直流−交流変換を行い、これによりランプ３０６の交流点灯を行っている。つまり、Ｈブリッジ回路３０９における対角線上にあるＭＯＳトランジスタ３０９ａ〜３０９ｄを交互に切り換えてオン・オフすることにより上記交流点灯を行っている。
【０００４】
このランプ３０６の交流点灯を行うに際し、Ｈブリッジ回路３０９の制御やバッテリ３００からの供給電力の制御等は集積回路内に設けられた各制御回路によって行われている。例えば、ＰＷＭ制御回路３１２は集積回路内に形成されるが、ＭＯＳトランジスタ３１１の導通・遮断制御を行っており、これによってトランス３０２ａに流れる１次電流を制御して、バッテリ３００からの供給電力の制御を行っている。
【０００５】
ここで、集積回路（負荷）内に設けられた各制御回路はバッテリ３００からの印加電圧により駆動されているが、ロードダンプ等の過電圧から集積回路を保護できるように、従来においてはバッテリ３００にパワーツェナーダイオード３１３を並列接続して、所定電圧以上が集積回路に印加されないようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パワーツェナーダイオード３１３は上記過電圧に耐えうる程度の電気容量が必要とされるためコスト高となる。
本発明は上記問題に鑑みたもので、パワーツェナーダイオードに代えて、安価な回路構成で過電圧を防止できるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記パワーツェナーダイオードがコスト高になる理由は、ロードダンプ等の過電圧エネルギーを全てパワーツェナーダイオードで消費しなければならない為、大きな電力容量のパワーツェナーダイオードが必要とされるためであり、電力容量の小さいツェナーダイオードによって放電灯装置を過電圧から保護できる回路構成にすれることによりコスト削減を図ることができる。
【０００８】
従って、図４に示すように比較的高耐圧である従来のパワーツェナーダイオードに代えて、比較的電力容量の小さいツェナーダイオード８３ａに抵抗８１ａを直列接続した回路構成を採用することが考えられる。この場合には、ツェナーダイオード８３ａのカソード側電圧を集積回路内の各制御回路の電源電圧としており、抵抗８１ａを介して集積回路内の各制御回路に電流が流れ込むようになっている。
【０００９】
しかしながら、電力容量の小さいツェナーダイオード８３ａで過電圧保護を行うためには、上記抵抗８１ａをある程度大きな抵抗値のものにする必要があり、常に抵抗２０２に電流が流れるような上記回路構成においては、抵抗８１ａでの電圧降下が許容できないものになるという問題がある。
このような問題を鑑みて、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明においては、バッテリ（１）からの印加電圧が所定のしきい値電圧以上である場合に、抵抗（８１）及びツェナーダイオード（８３）に電流を流して過電圧が発生していることを検出する手段（７７）と、過電圧が検出された時にこの過電圧を分圧する手段（７９）とを有てなる過電圧保護回路（１６）を備え、過電圧保護回路（１６）が集積回路（７３）に備えられた定電圧回路（７５）の前段に配置され、過電圧が発生していいることを検出する手段（７７）にて過電圧が検出されたときに、分圧する手段（７９）にて分圧された過電圧を定電圧回路（７５）にて定電圧化するようになっていることを特徴とする。
【００１０】
このように、過電圧が検出された時に過電圧を分圧することにより、集積回路（７３）にかかる印加電圧を集積回路（７３）に備えられた制御回路（９〜１５）の耐圧以下の電圧にすることができる。これにより、集積回路（７３）を過電圧から保護することができる。過電圧を検出する手段として、ツェナーダイオード（８３）と電流制限抵抗（８１）を直列接続している。過電圧が発生したときにツェナーダイオード（８３）に流れる電流は、過電圧を分圧する手段（７９）のスイッチ素子を駆動するための電流であるため数ミリアンペア〜数十ミリアンペアあれば良く、抵抗（８１）にて前記電流値になるように制限している。このため、電力容量の大きなパワーツェナーダイオードを用いる必要がなくコスト削減を図ることができる。
【００１１】
過電圧を検出する手段として、ツェナーダイオード（８３）に抵抗（８１）をまた、過電圧を検出する手段における抵抗（８１）とツェナーダイオード（８３）には、過電圧が発生したとき以外には電流が流れないため、過電圧が発生していないときにおける抵抗（８１）の電力消費を防止することができる。
また、請求項３に記載の発明においては、ツェナーダイオード（８３）のツェナー電圧を超える過電圧が電源ラインに発生すると過電圧検出回路（７７）に第１の抵抗（８１）に応じた電流が流れ、過電圧検出回路（７７）に電流が流れると、分圧回路（７９）の半導体スイッチング素子（９１、９３）が導通して、過電圧が第２の抵抗（８７）と第３の抵抗（８９）により分圧される。ここで、定電圧回路（７５）は第２の抵抗（８７）と第３の抵抗（８９）との接続点に接続されているため、これら第２、第３の抵抗（８７、８９）で分圧された過電圧が供給される。
【００１２】
よって、ツェナーダイオード（８３）によりロードダンプ等の過電圧エネルギーを全て消費する必要がないため硬化なパワーツェナーダイオードを用いることなく、安価な回路構成で集積回路（７３）に過電圧が印加されることを防止することができる。なお、負荷駆動装置は、車両用放電灯（２）の点灯を制御する各種の制御回路を駆動する車両用放電灯装置に適用することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。なお、本実施形態は本発明の放電灯装置１００を車両用前照灯に適用したものである。図１に本実施形態における放電灯装置１００の全体構成図、図２に本実施形態における放電灯装置１００の制御系のブロック図を示す。
【００１４】
１は車両に搭載された直流電源（以下、バッテリという、定格電圧（バッテリ電圧ＶＢ）１２Ｖ）であり、１ａは電源端子、１ｂはアース端子、２は車両前照灯であるメタルハライドランプ等の高圧放電灯（以下、ランプという）である。ＳＷは、車室内に設けられ、使用者の操作により、上記ランプ２の点灯消灯を設定する点灯スイッチである。５０は、放電灯装置１００に過電流が流れたときに溶断するヒューズである。
【００１５】
放電灯装置１００は、図１に示すように逆接保護回路３、平滑回路４、フライバックトランス２９を有する直流電源回路５、テークオーバー回路６、Ｈブリッジ回路７ａを含むインバータ回路７、始動回路８等の回路機能部を有する。
本実施形態では、図２に示すように上記回路機能部を制御する制御回路として、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御回路９、後述のランプ電圧ＶＬおよびランプ電流ＩＬに基づいて、ランプ電力を所望電力に制御するランプパワー制御回路１０、上記Ｈブリッジ回路７ａを制御するＨブリッジ制御回路１１等を有する。
【００１６】
また、本実施形態では、上記制御回路としてその他に、ランプ電圧ＶＬを所定のタイミングでサンプリングおよびホールドするサンプルホールド回路１２、ランプ点灯開始時に、上記始動回路８を制御して、ランプ２に高電圧を印加させてランプ２を電極間で絶縁破壊させる高電圧発生制御回路１３、放電灯装置１００が後述の異常状態となったときに、上記Ｈブリッジ制御回路１１を通じてＨブリッジ回路７ａを制御するフェイルセーフ回路１４と、ランプ２のコネクタ３５の外れを検出するコネクタ外れ検出回路１５とを有している。
【００１７】
さらに、各制御回路９〜１５の駆動電力はバッテリ電圧ＶＢ等に基づいて行われるが、１次側電圧が過電圧となった際に、この過電圧から各制御回路９〜１５を保護するための過電圧保護回路１６も放電灯装置１００には備えられている。ここで、先ず、放電灯装置１００の点灯動作の概略を説明する。上記点灯スイッチＳＷがオンされると、フライバックトランス２９にてバッテリ電圧ＶＢが昇圧され、これにより、Ｈブリッジ回路７ａを通じて始動回路８のコンデンサ５３が充電される。そして、コンデンサ５３が充電されると、始動回路８にて充電された電荷が放電されて、トランス４７にてさらに高電圧化された電圧がランプ２に印加され、ランプ２が電極間で絶縁破壊し点灯されるようになる。
【００１８】
その後、ランプ２が点灯すると、Ｈブリッジ回路７ａによりランプ２への放電電圧の極性（放電電流の向き）を交互に切り換えることで、ランプ２を交流点灯させる。
次に、上記回路機能部および上記制御回路の構成の概略について簡単に説明する。
【００１９】
逆接保護回路３は、抵抗１７、コンデンサ１９、およびＭＯＳトランジスタ１２とからなる。逆接保護回路３は、後述する電源端子に負極性の高電圧が発生したときに、ＭＯＳトランジスタ２１を保護するものである。また、バッテリ１を極性が逆にして車両に取り付けるといった逆接時には、ヒューズ５０を溶断しないようにするものである。
【００２０】
平滑回路４は、上記電源端子１ａに発生する電圧を平滑するものであり、コンデンサ２３、２５と、コイル２７とからなるコンデンサ入力型平滑回路（チョーク入力型平滑回路）である。
直流電源回路５は、一次側と二次側とが共に巻線で構成されたフライバックトランス２９を有している。フライバックトランス２９は、バッテリ側に配された一次巻線２９ａと、ランプ２側に配された二次巻線２９ｂを有している。また、フライバックトランス２９は、図１に示すように一次巻線２９ａと二次巻線２９ｂとは電気的に導通可能となっている。直流電源回路５には、上記ＰＷＭ回路９によりスイッチング制御されるＭＯＳトランジスタ３１が設けられている。上記一次巻線２９ａの一次電流は、このＭＯＳトランジスタ３１により制御される。
【００２１】
つまり、フライバックトランス２９は、ＭＯＳトランジスタ３１がオンのときには、一次巻線２９ａに一次電流が流れることで、一次巻線２９ａにエネルギーが蓄えられるようになっている。そして、フライバックトランス２９は、ＭＯＳトランジスタ３１がオフになると、一次巻線２９ａのエネルギーを二次巻線２９ｂに供給するようになっている。
【００２２】
また、直流電源回路５の二次巻線２９ｂには、整流用のダイオード３３と、平滑用コンデンサ３５が設けられている。
テークオーバー回路６は、コンデンサ３７と抵抗３９とからなる。コンデンサ３７は、上記点灯スイッチＳＷがオンされると電荷が充電されるようになっている。テークオーバー回路６は、上記始動回路８によりランプ２を電極間で絶縁破壊させたのち、速やかにアーク放電に移行させるものである。
【００２３】
インバータ回路７は、フライバックトランス２９の二次巻線２９ｂ側に設けられ、バッテリ１からの電力を交流変換することで、ランプ２を交流点灯させるものである。
インバータ回路７を構成するＨブリッジ回路７ａは、ランプ２の放電電流の向きを交互に反転させるものである。Ｈブリッジ回路７ａは、Ｈブリッジ状に配置された複数のブリッジ用半導体スイッチング素子をなす４つのＭＯＳトランジスタ４１ａ〜４１ｄを有する。これら４つのＭＯＳトランジスタ４１ａ〜４１ｄは、図中４３ａ、４３ｂにて示すブリッジ駆動回路（本例ではＩＣ素子、以下、ＩＣ素子という）によって制御される。
【００２４】
ブリッジ制御回路１１は、ＩＣ素子４３ａ、４３ｂを制御することで、Ｈブリッジ回路７ａのうち対角線上にあるＭＯＳトランジスタ４１ａ、４１ｄがオフ状態であるときは、対角線上にあるＭＯＳトランジスタ４１ｂ、４１ｃをオン状態に切換制御し、ＭＯＳトランジスタ４１ｂ、４１ｃがオン状態であるときは、ＭＯＳトランジスタ４１ａと４１ｄをオフ状態に切換制御する。この結果、ランプ２の放電電流の向きが交互に切り換わる、言い換えるとランプ２の印加電圧（放電電圧）の極性が反転することで、ランプ２は交流点灯する。
【００２５】
Ｈブリッジ回路７ａは、ランプ点灯開始時には長い一定周期でＭＯＳトランジスタ４１ａ〜４１ｄをオン・オフさせ、その後は短い一定周期でＭＯＳトランジスタ４１ａ〜４１ｄをオン・オフさせるようになっている。なお、図中４５は、Ｈブリッジ回路７ａを点灯始動時に発生する高圧パルスから保護する保護用のコンデンサである。
【００２６】
始動回路８は、ランプ２を点灯開始させるものであって、上記Ｈブリッジ回路７ａの中点電位点と、アース端子１ｂとの間に設置されている。始動回路８は、一次巻線４７ａと二次巻線４７ｂとからなるトランス４７、ダイオード４９、５１、コンデンサ５３、抵抗５５、および一方向性半導体素子であるサイリスタ５７とからなる。
【００２７】
サイリスタ５７は、上記点灯スイッチＳＷがオンされたときには、オフとなっており、これにより、コンデンサ５３は充電を開始する。その後、上記高電圧発生制御回路１３によりサイリスタ５７がオンとされる。この結果、コンデンサ５３は放電を開始する。すると、コンデンサ５３に蓄えられたエネルギーが、トランス４７を通じて高電圧化されることで、ランプ２に高電圧が印加される。この結果、ランプ２は、電極間で絶縁破壊し点灯する。
【００２８】
ＰＷＭ制御回路９は、鋸歯状波に対するスレッショルドレベルを可変にすることで、上記ＭＯＳトランジスタ３１のオン・オフ時間、つまりデューティー比を制御するものである。
ランプパワー制御回路１０は、ランプ電流ＩＬと、上記サンプルホールド回路１２によってサンプルホールドされたランプ電圧ＶＬとに基づいて、ランプ電力が所望値となるように制御するものである。なお、ランプ電流ＩＬは、Ｈブリッジ回路７ａに設けられた電流検出用抵抗５９にて検出される。
【００２９】
本実施形態におけるランプパワー制御回路１０によるランプパワー制御は、以下のようなものである。
ランプパワー制御回路１０は、ランプ２の点灯開始時にランプ２の電極温度が低いと、ランプ２に立ち消えが生じ易いので、ランプ電力を大きな値（例えば７５Ｗ）として電極温度を迅速に高め、電極温度が徐々に高くなると、ランプ電力を徐々に低下させていき、ランプ２が安定状態になるとランプ電力を所定値（３５Ｗ）一定に制御するものである。
【００３０】
また、ランプ電圧ＶＬが高電圧（例えば４００Ｖ）となってランプ２の点灯が開始された直後では、ランプ電圧ＶＬは最も小さくなり、その後ランプ電圧ＶＬは徐々に大きくなる。一方、ランプ電流ＩＬは、ランプ２の点灯が開始された直後には、ランプ電圧ＶＬに反して徐々に小さくなる。
そして、このようなランプパワー制御を行うために、上記ＰＷＭ制御回路９は、上記ランプパワー制御回路１０の指令信号を受けて、上記ＭＯＳトランジスタ３１のオン・オフのディーティ比を可変することで、ランプ電力を制御する。
【００３１】
上記サンプルホールド回路１２は、ランプ電圧ＶＬのうち、Ｈブリッジ回路７ａの切換時に発生する後述の過渡電圧をマスクし、上記ランプパワー制御回路１０による制御を精度良く行うものである。
上記フェイルセーフ回路１４は、放電灯装置１００に何らかの異常が生じたときに、上記ＰＷＭ制御回路９の制御を停止するとともに、Ｈブリッジ回路７ａのＭＯＳトランジスタ４１ａ〜４１ｄの導通を全てオフするものである。
【００３２】
なお、上記制御回路９〜１５は、全て図示しない集積回路内に設けられている。
次に、図３に、図２に示す過電圧保護回路１６の回路構成図を示す。以下、図３に基づき過電圧保護回路１６について説明する。
過電圧保護回路１６は、集積回路７３に備えられた各制御回路９〜１５を過電圧から保護するものである。この過電圧保護回路１６は、１次側電圧が所定のしきい値電圧になると過電圧検出を行う過電圧検出回路７７と、１次側電圧がしきい値電圧になったときに１次側電圧を分圧する分圧回路７９とを備えている。そして、この過電圧保護回路１６を介して印加された１次側電圧がこの定電圧回路７５で定電圧化され、各制御回路９〜１５の駆動電圧に使用される。
【００３３】
過電圧検出回路７７は、比較的抵抗値が大きな抵抗８１とツェナーダイオード８３及び抵抗８５で構成されている。このツェナーダイオード８３のツェナーダイ電圧によって上記しきい値電圧が設定されている。また、抵抗８１は電流Ｉ制限用としてツェナーダイオード８３に直列に設けられており、これによってツェナーダイオード８３の耐圧を低くする事ができる。なお、抵抗８５はリーク防止のための逆バイアス抵抗である。
【００３４】
また、分圧回路７９は、抵抗８７、８９及びダーリントン接続されたＮＰＮトランジスタ９１、９３で構成されている。
次に、このように構成された過電圧保護回路１６の作動について説明する。
１次側電圧が所定のしきい値電圧未満の時には、ツェナーダイオード８３は電流を流さないため、ダーリントン接続されたＮＰＮトランジスタ９１、９３がオンしない。このため、集積回路７３内の定電圧回路７５に印加される電圧ＶＩＣは、１次側電圧から抵抗８７での電圧降下を差し引いた電圧となる。
【００３５】
そして、１次側電圧が所定電圧以上に上昇すると、ツェナーダイオード８３がツェナー降伏によって電流を流し、ＮＰＮトランジスタ９１、９３がオンする。このため、集積回路７３内の定電圧回路７５に印加される電圧ＶＩＣは、１次側電圧が抵抗８７及び抵抗８９で分圧された電圧となる。なお、このとき分圧された電圧が各制御回路９〜１５の耐圧以下になるように、抵抗８７及び抵抗８９の抵抗値を設定する必要がある。
【００３６】
なお、集積回路７３の中に定電圧回路７５や各制御回路９〜１５等を形成したものを示したが、ツェナーダイオード８３、抵抗８５及びＮＰＮトランジスタ９１、９３等の過電圧保護回路１６の構成要素も集積回路７３の中に形成しても良い。この場合には、これらの各構成要素を集積回路の他の部分と共に形成すれば良いため、よりコスト削減を図ることができる。
【００３７】
このように、分圧回路７９にて過電圧を分圧しているため、集積回路７３に過電圧が印加されないようにすることができる。
これにより、比較的高耐圧のパワーツェナーダイオードを用いなくても、集積回路７３の中の各制御回路９〜１５を過電圧から保護することができ、コスト削減を図ることができる。また、過電圧検出回路７７における抵抗８１には、過電圧が発生したとき以外には電流がほとんど流れないようになっているため、過電圧が発生していないときにおける抵抗８１の電力消費を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における車両用負荷駆動装置を放電灯装置に適用したときの回路構成図である。
【図２】図１に放電灯装置における制御系を示す模式図である。
【図３】図２に示す過電圧保護回路１６の回路模式図である。
【図４】車両用負荷駆動装置の回路模式図である。
【図５】従来における放電灯装置の回路模式図である。
【符号の説明】
１…バッテリ、２…ランプ、９〜１５…制御回路、１６…過電圧保護回路、
７５…定電圧回路、７７…過電圧検出回路、７９…分圧回路、８１…抵抗、
８３…ツェナーダイオード、８７、８９…抵抗、
９１、９３…ＮＰＮトランジスタ。

Claims

車両用バッテリ（１）からの印加電圧によって定電圧を形成する定電圧回路（７５）および前記定電圧回路（７５）にて形成された前記定電圧が供給されることで駆動される制御回路（９〜１５）が備えられた負荷となる集積回路（７３）と、
直列接続された抵抗（８１）とツェナーダイオード（８３）を有してなり、前記車両用バッテリ（１）から印加電圧が所定のしきい値電圧以上である場合に、前記抵抗（８１）及びツェナーダイオード（８３）に電流を流して過電圧が発生していることを検出する手段（７７）と、前記過電圧が検出された時に、前記過電圧を分圧する手段（７９）とを有してなる過電圧保護回路（１６）を備え、
該過電圧保護回路（１６）が前記集積回路（７３）に備えられた前記定電圧回路（７５）の前段に配置され、過電圧が発生していいることを検出する手段（７７）にて前記過電圧が検出されたときに、前記分圧する手段（７９）にて分圧された過電圧を前記定電圧回路（７５）にて定電圧化することを特徴とする車両用負荷駆動装置。
前記過電圧を分圧する手段（７９）は、前記抵抗（８１）及びツェナーダイオード（８３）に流れた電流によって電気的に導通される半導体スイッチング素子（９１、９３）を備えており、前記半導体スイッチング素子（９１、９３）の電気的導通によって前記過電圧の分圧が行われるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の車両用負荷駆動装置。
車両用バッテリ（１）からの印加電圧によって定電圧を形成する定電圧回路（７５）および前記定電圧回路（７５）にて形成された前記定電圧が供給されることで駆動される制御回路（９〜１５）が備えられた負荷となる集積回路（７３）と、
前記定電圧回路（７５）の前段に配置された過電圧保護回路（１６）を備え、
該過電圧保護回路（１６）は、前記車両用バッテリ（１）に電気的に接続される電源ラインに過電圧が発生していることを検出する過電圧検出手段（７７）と、前記過電圧検出回路（７７）により過電圧が検出されたとき、前記過電圧を分圧した電圧を前記集積回路（７３）に備えられた前記定電圧回路（７５）に供給する分圧回路（７９）とを備え、
前記過電圧検出回路（７７）は、一端が前記電源ラインに、他端がアースに電気的に接続されている第１の抵抗（８１）とツェナーダイオード（８３）との直列回路からなり、
前記分圧回路（７９）は、前記過電圧検出回路（７７）と並列に設けられており、第２の抵抗（８７）と第３の抵抗（８９）と半導体スイッチング素子（９１、９３）との直列回路からなると共に、前記第２の抵抗（８７）と前記第３の抵抗（８９）との接続点は前記定電圧回路（７５）と電気的に接続されており、前記半導体スイッチング素子（９１、９３）は、前記過電圧検出回路（７７）に流れる電流により導通し、前記定電圧回路（７５）に前記第２の抵抗（８７）と前記第３の抵抗（８９）により分圧された電圧を前記定電圧回路（７５）に供給することを特徴とする車両用負荷駆動装置。