JP4050528B2 - 負荷駆動回路及び負荷駆動方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、負荷を正逆反転駆動する負荷駆動回路及びそれに関連する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車の電装品に使用される電源は、乗用車の場合、現状12V(エンジンのオン時には14V)である。
【0003】
しかし、ナビゲーション、オーディオシステム及びエンーコンディショナー(以下「エアコン」と略称する)等の電装品が増えることによって消費電流が大幅にアップしてきたことや、車の燃費に対する考え方が厳しくなってきたことにより、抜本的な車輌電装システムの見直しが進められている。
【0004】
自動車の電源電圧の42V化もその1つである。42V化によって、エアコンファンやラジエータファンなどの大型モーターのエネルギー効率アップが期待できる。また、消費電流低減によって、自動車で電源分配の役割を担っているワイヤーハーネスの細線化を図ることができ、それによってワイヤーハーネスの重量が減って、燃費の向上が期待できる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、パワーウインドやドアロックなどの小型モーターでは、42V用モーターコイルの新規開発には技術的且つコスト的困難があり、負荷の42V化が容易では無いと言われている。
【0006】
そこで、この発明の課題は、12V定格の小型モーター等の負荷を42V電源でPWM駆動することで、支障無く駆動することが可能な負荷駆動回路及びそれに関連する技術を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく、請求項1に記載の発明は、負荷を正逆反転駆動する負荷駆動回路であって、前記負荷の定格電圧を越える電源と前記負荷の両端との間に接続され、前記負荷の両端にそれぞれ接続された2個の接点を切り替えて前記電源からの電圧を出力するリレーと、高速スイッチングにより前記負荷に流れる電流を用いて当該負荷をPWM駆動するスイッチ手段と、前記負荷に電流を流す電流経路に設けられた通電スイッチとを備え、前記スイッチ手段が、前記負荷の他端とグランド端子との間に接続されて、前記リレーが前記負荷の一端に接続された接点に接続したときに高速スイッチングを行う第1の半導体スイッチと、前記負荷の一端とグランド端子との間に接続され、前記リレーが前記負荷の他端に接続された接点に接続したときに高速スイッチングを行う第2の半導体スイッチとを備え、前記負荷と前記各半導体スイッチとの接続点に、前記半導体スイッチがオフに切り替わったときに前記負荷に流れる電流を逃がすための放流経路が形成され、前記負荷をオフ状態から電流を流して駆動する場合に、前記第1の半導体スイッチ又は前記第2の半導体スイッチの高速スイッチングを開始してから、前記通電スイッチをオンにし、前記負荷に加える電流方向を切替える場合に、前記通電スイッチを一旦オフにして、前記第1の半導体スイッチ及び前記第2の半導体スイッチのうちの一方をオフにした後、前記第1の半導体スイッチ及び前記第2の半導体スイッチのうちの他方の高速スイッチングを開始してから、前記通電スイッチをオンにするものである。
【0009】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の負荷駆動回路であって、前記リレーの2個の接点を切り替えるための切替スイッチをさらに備えるものである。
【0012】
請求項3に記載の発明は、負荷を正逆反転駆動する負荷駆動方法であって、2個の接点を有するリレーが、前記負荷の両端にそれぞれ接続された前記2個の接点のうちの一方に接続して、当該一方の接点に接続された前記負荷の一端と、前記負荷の定格電圧を越える電源とを接続し、且つ前記負荷に電流を流す電流経路に接続されたスイッチ手段の高速スイッチングにより前記負荷に流れる電流を用いて当該負荷をPWM駆動する第1の工程と、前記スイッチ手段をオフにする第2の工程と、前記リレーが前記2個の接点のうちの一方から他方に接続切り替えして、当該他方の接点に接続された前記負荷の一端と、前記負荷の定格電圧を越える電源とを接続する第3の工程と、前記第3の工程における前記リレーの前記他方の接点への接続を維持しながら、前記負荷に電流を流す電流経路に接続されたスイッチ手段が高速スイッチングし、前記負荷に流れる電流を用いて当該負荷をPWM駆動する第4の工程とを備え、前記スイッチ手段が、前記負荷の他端とグランド端子との間に接続されて、前記リレーが前記負荷の一端に接続された接点に接続したときに高速スイッチングを行う第1の半導体スイッチと、前記負荷の一端とグランド端子との間に接続され、前記リレーが前記負荷の他端に接続された接点に接続したときに高速スイッチングを行う第2の半導体スイッチと、を備え、前記負荷と前記各半導体スイッチとの接続点に、前記半導体スイッチがオフに切り替わったときに前記負荷に流れる電流を逃がすための放流経路が形成され、前記負荷をオフ状態から電流を流して駆動する場合に、前記負荷に電流を流す電流経路に接続されたスイッチ手段の高速スイッチングを開始してから、前記負荷に電流を流す電流経路に設けられた通電スイッチをオンにし、前記負荷に加える電流方向を切替える場合に、前記通電スイッチを一旦オフにして、前記第1の半導体スイッチ及び前記第2の半導体スイッチのうちの一方をオフにした後、前記第1の半導体スイッチ及び前記第2の半導体スイッチのうちの他方の高速スイッチングを開始してから、前記通電スイッチをオンにする。
【0013】
【発明の実施の形態】
{第1の実施の形態}
図1は関連技術となる第1の実施の形態に係る負荷駆動回路を示す回路図である。この負荷駆動回路は、パワーウインドやドアロックなどの正逆反転制御を必要とする小型モーター等であって、特に、12V定格の小型モーター等の負荷Mを、定格電圧を超えた42V電源3からの電源電圧で駆動する際に、PWM駆動を行うことで、支障無く駆動を行うものである。
【0014】
具体的に、この負荷駆動回路は、図1の如く、トランスファー接点を有する1個のリレーRLY1と、このリレーRLY1を切り替えるための切替スイッチQ1とを用いて、負荷Mの正逆反転駆動を行いつつ、チョッパー制御可能なMOSFET等の2個の半導体スイッチM1,M2を用いて、負荷MのPWM駆動を行う。
【0015】
リレーRLY1は、コイル1及びトランスファー接点(A,B接点)2を有する電磁式メカニカルリレーである。
【0016】
このリレーRLY1のコイル1は、切替スイッチQ1と42V電源3との間に介在接続される。
【0017】
このリレーRLY1のトランスファー接点2のA接点は、負荷Mの一端P1に接続され、B接点は、負荷Mの他端P2に接続される。
【0018】
両半導体スイッチM1,M2は、図示しない制御回路の制御に基づいて高速スイッチングし、負荷MをPWM駆動する。
【0019】
第1の半導体スイッチM1のドレインは、負荷Mの一端P1、即ちリレーRLY1のA接点と負荷Mの接続点に接続される。また、第1の半導体スイッチM1のソースはグランド端子に接続されて接地され、そのゲートは図示しない制御回路に接続される。
【0020】
第2の半導体スイッチM2のドレインは、負荷Mの他端P2、即ちリレーRLY1のB接点と負荷Mの接続点に接続される。また、第2の半導体スイッチM2のソースはグランド端子に接続されて接地され、そのゲートは図示しない制御回路に接続される。
【0021】
尚、各半導体スイッチM1,M2のドレインと42V電源3との間には、ダイオード5,6を有する放流経路がそれぞれ接続されている。このダイオード5,6は、負荷MのPWM駆動中に半導体スイッチM1,M2をオフにする際に、スムーズな負荷Mの駆動のために駆動電流Ia,Ibを流し続けるためのものである。
【0022】
上記構成において、切替スイッチQ1のオフ時には、42V電源3からの電源電圧はB接点に与えられる。このとき、負荷Mにおいては、他端P2から一端P1の方向に電流Ibが流れる。このとき、第1の半導体スイッチM1は高速スイッチングしている。
【0023】
次に、第1の半導体スイッチM1を定常的にオフに切り替える。そうすると、負荷Mの一端P1がグランド端子から遮断され、第1のダイオード5により一端P1が42V電源3の電源電圧と同電位になることから、リレーRLY1を流れる電流が遮断される。このようにして第1の半導体スイッチM1がオフになってから、切替スイッチQ1をオン状態とし、リレーRLY1のトランスファー接点2をB接点からA接点に切り替える。その後、第2の半導体スイッチM2を高速スイッチングさせる。これは、この順序に従わないと、リレーRLY1のB接点から第2の半導体スイッチM2の短絡電流が生じ、第2の半導体スイッチM2の破壊につながるので、好ましくないからである。これにより、負荷Mにおいては、一端P1から他端P2の方向に電流Iaが流れる。
【0024】
また、リレーRLY1をA接点からB接点に切り替える際には、上記と逆の動作を実行する。
【0025】
このようにして、切替スイッチQ1でリレーRLY1のトランスファー接点2をA接点とB接点とで切り替えて、負荷Mに流れる駆動電流Ia,Ibを正逆反転させながら、半導体スイッチM1,M2により高速スイッチングさせて負荷MをPWM駆動する。
【0026】
尚、上記の動作について、負荷Mを流れる電流Ia,Ibの方向と、切替スイッチQ1のオンオフと、両半導体スイッチM1,M2のオンオフ動作の対応関係を、次の表1に示す。
【0027】
【表1】
【0028】
このように、負荷Mの正逆反転駆動を行いつつ、チョッパー制御可能なMOSFET等の2個の半導体スイッチM1,M2を用いて、負荷MのPWM駆動を容易に行うことができるので、12V定格の正逆反転駆動する負荷を42V電源で支障無くPWM駆動することが可能となる。
【0029】
{第2の実施の形態}
図2はこの発明の第2の実施の形態に係る負荷駆動回路を示す回路図である。なお、図2では第1の実施の形態と同様の機能を有する要素については同一符号を付している。この実施の形態の負荷駆動回路は、図2の如く、負荷Mに電流Ia,Ibを流す電流経路、具体的には42V電源3とリレーRLY1との間に、通電スイッチSW1を設けている点で第1の実施の形態と異なる。
【0030】
このように通電スイッチSW1が42V電源3とリレーRLY1との間に設けられる場合、負荷Mのオンオフ切替及び正逆反転切替は以下のように行われる。
【0031】
まず、初期状態は通電スイッチSW1がオフであり、切替スイッチQ1がオフであり、第1の半導体スイッチM1がオフであり、第2の半導体スイッチM2がオフとなっている。
【0032】
ここで、負荷Mをオフ状態からIbの方向に電流を流して駆動する場合を説明する。
【0033】
まず、通電スイッチSW1がオフ状態のまま、第1の半導体スイッチM1の高速スイッチングを開始してから、通電スイッチSW1をオンにして、負荷MのPWM駆動をスタートする。これは、第1の半導体スイッチM1に対する制御回路側のPWMシグナル出だしでの不安定によるトラブルを避けるためである。
【0034】
次に、負荷Mをオフ状態からIaの方向に電流を流して駆動するときには、まず切替スイッチQ1をオンにする。そうすると、リレーRLY1のトランスファー接点2がA接点に変更される。そして、第2の半導体スイッチM2を高速スイッチングしてから、通電スイッチSW1をオンにし、負荷MのPWM駆動を開始する。
【0035】
このようにして、負荷Mについて、オフ状態からIb(またはIa)の方向に電流を流して駆動を開始することができる。
【0036】
次に、負荷Mに加える電流方向をIbからIaに切り替える場合を説明する。
【0037】
まず、通電スイッチSW1を一旦オフにし、第1の半導体スイッチM1をオフにする。そして、この状態で切替スイッチQ1をオンにする。そうすると、リレーRLY1のトランスファー接点2がA接点に変更される。その後、第2の半導体スイッチM2の高速スイッチングを開始した後、通電スイッチSW1をオンにする。そうすると、負荷Mに加える電流方向がIbからIaに支障無く切り替わる。
【0038】
さらに、負荷Mに加える電流方向をIaからIbに切り替える場合を説明する。
【0039】
まず、通電スイッチSW1を一旦オフにし、第2の半導体スイッチM2をオフにする。そして、この状態で切替スイッチQ1をオフにする。そうすると、リレーRLY1のトランスファー接点2がB接点に変更される。その後、第1の半導体スイッチM1の高速スイッチングをオンにしてから、通電スイッチSW1をオンにする。そうすると、負荷Mに加える電流方向がIaからIbに支障無く切り替わる。
【0040】
このように、負荷Mに加える電流方向を、切替スイッチQ1でのオンオフによりIaとIbとに切り替えながら、半導体スイッチM1,M2により負荷MのPWM駆動を支障無く実行できるので、12V定格の正逆反転駆動する負荷を42V電源で支障無くPWM駆動することが可能となる。
【0041】
尚、この第2の実施の形態では、通電スイッチSW1を、42V電源3とリレーRLY1との間に介在させているが、通電スイッチSW1は負荷Mに電流Ia,Ibを流す電流経路中であればどの位置に接続してもよく、例えばこの通電スイッチSW1を各半導体スイッチM1,M2のソースとグランド端子との間に接続しても差し支えない。
【0042】
【発明の効果】
請求項1記載の発明によれば、リレーにより負荷の両端を相互に切り替えて電流を正逆反転して流しながら、この電流を用いて、スイッチ手段の高速スイッチングによりPWM駆動するので、負荷の定格電圧を越える電源を用いても、支障無く負荷の正逆反転駆動を実行することができる。したがって、負荷として、例えば自動車のパワーウインドやドアロックなどの小型モーターを適用する場合に42V用モーターコイルの新規開発に技術的且つコスト的に困難がある場合であっても、負荷の42V化を行わずに正逆反転駆動を支障無く実行できる。また、PWMシグナル出だしでの不安定によるトラブルを避けることができる。また、負荷と各半導体スイッチとの接続点に、半導体スイッチがオフに切り替わったときに負荷に流れる電流を逃がすための放流経路が形成されているので、負荷のPWM駆動中に半導体スイッチをオフにする際に、スムーズな負荷の駆動のために駆動電流を流し続けることが可能となる。
【0044】
請求項2に記載の発明によれば、リレーの2個の接点を、切替スイッチにより容易に切り替えることができる。
【0046】
請求項3に記載の発明によれば、負荷を正逆反転駆動する負荷駆動方法であって、2個の接点を有するリレーが、負荷の両端にそれぞれ接続された2個の接点のうちの一方に接続して、当該一方の接点に接続された負荷の一端と、負荷の定格電圧を越える電源とを接続し、且つ負荷に電流を流す電流経路に接続されたスイッチ手段の高速スイッチングにより負荷に流れる電流を用いて当該負荷をPWM駆動している際に、スイッチ手段をオフにしてから、リレーが2個の接点のうちの一方から他方に接続切り替えして、当該他方の接点に接続された負荷の一端と、負荷の定格電圧を越える電源とを接続し、この状態でリレーの他方の接点への接続を維持しながら、負荷に電流を流す電流経路に接続されたスイッチ手段が高速スイッチングし、負荷に流れる電流を用いて当該負荷をPWM駆動するので、リレーの各接点から半導体スイッチ等で構成される上記スイッチ手段に短絡電流が生じて、スイッチ手段が破壊するのを防止できる。また、PWMシグナル出だしでの不安定によるトラブルを避けることができる。また、負荷と各半導体スイッチとの接続点に、半導体スイッチがオフに切り替わったときに負荷に流れる電流を逃がすための放流経路が形成されているので、負荷のPWM駆動中に半導体スイッチをオフにする際に、スムーズな負荷の駆動のために駆動電流を流し続けることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 関連技術である第1の実施の形態に係る負荷駆動回路を示す回路図である。
【図2】 この発明の第2の実施の形態に係る負荷駆動回路を示す回路図である。
【符号の説明】
1 コイル
2 トランスファー接点
3 42V電源
5,6 ダイオード
M 負荷
M1,M2 半導体スイッチ
Q1 切替スイッチ
RLY1 リレー
SW1 通電スイッチ
Claims (3)
- 負荷を正逆反転駆動する負荷駆動回路であって、
前記負荷の定格電圧を越える電源と前記負荷の両端との間に接続され、前記負荷の両端にそれぞれ接続された2個の接点を切り替えて前記電源からの電圧を出力するリレーと、
高速スイッチングにより前記負荷に流れる電流を用いて当該負荷をPWM駆動するスイッチ手段と、
前記負荷に電流を流す電流経路に設けられた通電スイッチと、
を備え、
前記スイッチ手段が、
前記負荷の他端とグランド端子との間に接続されて、前記リレーが前記負荷の一端に接続された接点に接続したときに高速スイッチングを行う第1の半導体スイッチと、
前記負荷の一端とグランド端子との間に接続され、前記リレーが前記負荷の他端に接続された接点に接続したときに高速スイッチングを行う第2の半導体スイッチと、
を備え、
前記負荷と前記各半導体スイッチとの接続点に、前記半導体スイッチがオフに切り替わったときに前記負荷に流れる電流を逃がすための放流経路が形成され、
前記負荷をオフ状態から電流を流して駆動する場合に、前記第1の半導体スイッチ又は前記第2の半導体スイッチの高速スイッチングを開始してから、前記通電スイッチをオンにし、
前記負荷に加える電流方向を切替える場合に、前記通電スイッチを一旦オフにして、前記第1の半導体スイッチ及び前記第2の半導体スイッチのうちの一方をオフにした後、前記第1の半導体スイッチ及び前記第2の半導体スイッチのうちの他方の高速スイッチングを開始してから、前記通電スイッチをオンにする、負荷駆動回路。 - 請求項1に記載の負荷駆動回路であって、
前記リレーの2個の接点を切り替えるための切替スイッチをさらに備える負荷駆動回路。 - 負荷を正逆反転駆動する負荷駆動方法であって、
2個の接点を有するリレーが、前記負荷の両端にそれぞれ接続された前記2個の接点のうちの一方に接続して、当該一方の接点に接続された前記負荷の一端と、前記負荷の定格電圧を越える電源とを接続し、且つ前記負荷に電流を流す電流経路に接続されたスイッチ手段の高速スイッチングにより前記負荷に流れる電流を用いて当該負荷をPWM駆動する第1の工程と、
前記スイッチ手段をオフにする第2の工程と、
前記リレーが前記2個の接点のうちの一方から他方に接続切り替えして、当該他方の接点に接続された前記負荷の一端と、前記負荷の定格電圧を越える電源とを接続する第3の工程と、
前記第3の工程における前記リレーの前記他方の接点への接続を維持しながら、前記負荷に電流を流す電流経路に接続されたスイッチ手段が高速スイッチングし、前記負荷に流れる電流を用いて当該負荷をPWM駆動する第4の工程と
を備え、
前記スイッチ手段が、
前記負荷の他端とグランド端子との間に接続されて、前記リレーが前記負荷の一端に接続された接点に接続したときに高速スイッチングを行う第1の半導体スイッチと、
前記負荷の一端とグランド端子との間に接続され、前記リレーが前記負荷の他端に接続された接点に接続したときに高速スイッチングを行う第2の半導体スイッチと、
を備え、
前記負荷と前記各半導体スイッチとの接続点に、前記半導体スイッチがオフに切り替わったときに前記負荷に流れる電流を逃がすための放流経路が形成され、
前記負荷をオフ状態から電流を流して駆動する場合に、前記負荷に電流を流す電流経路に接続されたスイッチ手段の高速スイッチングを開始してから、前記負荷に電流を流す電 流経路に設けられた通電スイッチをオンにし、
前記負荷に加える電流方向を切替える場合に、前記通電スイッチを一旦オフにして、前記第1の半導体スイッチ及び前記第2の半導体スイッチのうちの一方をオフにした後、前記第1の半導体スイッチ及び前記第2の半導体スイッチのうちの他方の高速スイッチングを開始してから、前記通電スイッチをオンにする、負荷駆動方法。
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