JP4803161B2 - パワートランジスタ回路 - Google Patents

Description

本発明は、負荷に電流を供給するパワートランジスタに対して、電流検出用トランジスタが並列接続されたパワートランジスタ回路に関する。

負荷に大電流を供給するパワートランジスタに対しては、当該パワートランジスタに規定値以上の電流が流れることによる破壊を防ぐため、電流検出回路や過電流保護回路が設けられる。この電流検出回路として、電流検出用の抵抗をパワートランジスタに直接接続すると、その抵抗による電圧降下の分だけ負荷に印加可能な電圧が減少してしまう。そのため、このパワートランジスタを流れる電流を所定の比率で低減した電流を流す電流検出用トランジスタをパワートランジスタに並列に接続し、その電流検出用トランジスタの電流からパワートランジスタの電流を検出することが一般的である。

例えば、特許文献１に記載された回路では、パワートランジスタと電流検出用トランジスタとのゲートを共通の制御用端子に接続するとともに、それぞれのソースを共通の接地用端子に接続する。さらに、パワートランジスタのドレインをオペアンプの非反転入力端子に接続し、電流検出用トランジスタのドレインを、そのオペアンプの反転入力端子に接続する。このような構成を採用することで、パワートランジスタと電流検出用トランジスタとの動作状態をほぼ同一として、電流検出用トランジスタを流れる電流から、パワートランジスタを流れる電流を精度良く検出できるようにしている。
特開２００４−２５９９０２号公報

上述したように、パワートランジスタに対して電流検出用トランジスタを並列接続することにより、パワートランジスタを流れる電流を検出することができ、それにより、パワートランジスタの過電流保護等を図ることが可能になる。

しかしながら、従来技術においては、電流検出用トランジスタが故障した場合について何ら考慮されていないという問題がある。例えば、電流検出用トランジスタが、故障によって、設計した電流比率に相当する電流値よりも小さい電流値の電流しか流せない場合、パワートランジスタに流れる電流を正確に検出することができなくなる。その結果、パワートランジスタにより供給される電流の制御が不適切となったり、過電流保護が有効に機能しえなくなったりする虞がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、負荷に電流を供給するパワートランジスタに並列接続された電流検出用トランジスタの故障を簡易な構成で検出することが可能なパワートランジスタ回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載のパワートランジスタ回路は、
入力電圧に応じて、負荷に供給する電流を制御するパワートランジスタと、
パワートランジスタと並列に接続され、パワートランジスタが負荷に供給する電流を所定の比率で減少した第１及び第２電流をそれぞれ流す第１及び第２の電流検出用トランジスタと、
第１の電流検出用トランジスタを流れる第１電流の電流値と、第２の電流検出用トランジスタを流れる第２電流の電流値との差が規定範囲内に収まるか否かを判定する判定回路とを備えることを特徴とする。

パワートランジスタに対して並列接続された第１及び第２の電流検出用トランジスタが同時に、同様の態様で故障することは極めて稀である。一方、第１及び第２の電流検出用トランジスタが正常動作している限り、それらを流れる第１及び第２電流は、それぞれ、パワートランジスタが負荷に供給する電流の電流値を所定の比率で減少した電流値を持つので、第１及び第２電流の電流値の差が収まるべき規定範囲を定めることができる。そして、第１及び第２の電流検出用トランジスタをそれぞれ流れる第１及び第２電流の電流値の差が規定範囲内に収まるか否かを判定することにより、その判定結果から、第１及び第２の電流検出用トランジスタのいずれかが故障している故障状態を検出することができる。

請求項２に記載したように、判定回路の判定結果に基づき、第１及び第２の電流検出用トランジスタのいずれかの故障状態が検出されたとき、パワートランジスタによる負荷への電流供給を停止させるダイアグ回路を備えることが好ましい。第１及び第２の電流検出用トランジスタのいずれかの故障状態が検出された場合、これらの電流検出トランジスタを流れる電流から、パワートランジスタを流れる電流を正確に検出できない可能性が大きくなる。上述したダイアグ回路を設けることにより、不正確な電流に基づいて、パワートランジスタの動作が制御されることを防止することができる。

請求項３に記載したように、第１及び第２電流は、パワートランジスタによって負荷に供給される電流を同一比率で減少した電流であることが好ましい。第１及び第２電流が同一比率で減少されたものであれば、それらの電流値に対してなんら調整を行うことなく対比することができるためである。

ただし、第１及び第２電流の減少比率が異なっていても、例えば、それらの電流値に応じた電圧値を端子電圧として取出す抵抗の値を電流比率の相違に応じて調整する等の対策を講じれば、第１及び第２電流を対比することができる。

請求項４に記載したように、パワートランジスタと並列に接続され、パワートランジスタが負荷に供給する電流を所定の比率で減少した第３電流を流す第３の検出用トランジスタをさらに有し、判定回路は、第１電流と第２電流、第２電流と第３電流、及び第３電流と第１電流とのそれぞれの組合せに関して、電流値の差が規定範囲内に収まるか否かを判定することが好ましい。このように構成すると、判定回路における判定結果に基づいて、第１〜第３の電流検出用トランジスタのいずれが故障しているかを特定することができる。

上記構成により、故障している電流検出用トランジスタが特定可能な場合には、請求項５に記載したように、故障している電流検出トランジスタ以外の電流検出トランジスタを流れる電流に基づいて、パワートランジスタが負荷に供給する電流の電流値を検出するダイアグ回路を備えることが好ましい。これにより、正常とみなされる電流検出用トランジスタを流れる電流に基づいて、パワートランジスタに流れる電流を検出することができる。

請求項６に記載したように、第１〜第３電流は、パワートランジスタによって負荷に供給される電流を同一比率で減少した電流であることが好ましい。請求項３に関して説明したように、第１〜第３電流が同一比率で減少されたものであれば、それらの電流値に対してなんら調整を行うことなく対比することができるためである。

以下、本発明の実施形態によるパワートランジスタ回路について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態によるパワートランジスタ回路全体の構成を示す回路ブロック図である。

図１に示すように、パワートランジスタ回路２０は、負荷であるモータ４に対して電流を供給するパワートランジスタ１を備える。さらに、パワートランジスタ回路２０は、パワートランジスタ１とそれぞれ並列に接続された第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３を備える。本実施形態では、電流検出用トランジスタ２，３の故障を検出できるように、２個の電流検出用トランジスタ２，３を備えている。電流検出用トランジスタ２，３の故障検出のための構成等については、後に詳細に説明する。

パワートランジスタ1と、第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３とは、それぞれＭＯＳＦＥＴからなる。パワートランジスタ１は、図示しない半導体基板上に形成された数千個のＭＯＳＦＥＴセルを並列に接続することによって構成されている。従って、パワートランジスタ１は、その数千個のＭＯＳＦＥＴセルを介してモータ４に大電流を供給することが可能である。一方、第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３は、１個又は並列接続された数個のＭＯＳＦＥＴセルから構成される。それぞれのトランジスタ１〜３を構成するＭＯＳＦＥＴセルの個数によって、各トランジスタ１〜３の電流容量が決定され、同一の電圧が各トランジスタ１〜３のゲートに印加されたとき、各トランジスタ１〜３には、各々の電流容量に応じた電流値の電流が流れる。本実施形態では、例えば各トランジスタ１〜３を流れる電流の電流値の比率が、パワートランジスタ１：第１の電流検出用トランジスタ２：第２の電流検出用トランジスタ３＝４０００：１：１となるように、各トランジスタ１〜３の電流容量が設定されている。

パワートランジスタ１のソースは、モータ４に接続されるとともに、第１のオペアンプ５及び第２のオペアンプ８の一方の入力端子（非反転入力端子）に接続されている。第１及び第２のオペアンプ５，８の他方の入力端子（反転入力端子）には、第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３のソースが接続されている。第１のオペアンプ５の出力端子は、第１の電流検出用トランジスタ２のソースにコレクタを接続し、エミッタを電流検出用抵抗７に接続した第１のＮＰＮトランジスタ６のベースに接続されている。同様に、第２のオペアンプ８の出力端子は、第２の電流検出用トランジスタ３のソースにコレクタを接続し、エミッタを電流検出用抵抗１０に接続した第２のＮＰＮトランジスタ９のベースに接続されている。

パワートランジスタ１、第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３のそれぞれのゲートには、各々のトランジスタ１〜３の動作状態を制御するための共通の駆動信号（電圧信号）を出力するドライブ回路１７が接続されている。ドライブ回路１７には、図示しない制御回路から、負荷に供給すべき電流に応じた制御信号が与えられる。ドライブ回路１７は、その制御信号に基づいて、上述した共通の駆動信号を生成して出力する。

ドライブ回路１７が駆動信号を出力すると、パワートランジスタ１がオンしてモータ４へ電流が供給される。すると、モータ４に印加される電圧が、第１及び第２のオペアンプ５，８の各々の入力端子に入力される。このため、第１及び第２のオペアンプ５，８はその出力端子から、それぞれ第１及び第２のトランジスタ６，９をオンする電圧信号を出力する。この第１及び第２のオペアンプ５，８からの電圧信号によって第１及び第２のトランジスタ６，９がオンすると、第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３を介して第１及び第２の電流が流れる。

第１及び第２のオペアンプ５，８と第１及び第２のトランジスタ６，９は、上述した接続構成により負帰還回路を構成しているので、パワートランジスタ１がオンしてモータ４に電流を供給しているときには、同時に、第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３を介して第１及び第２の電流が流れるように、第１及び第２のトランジスタ６，９が導通状態に制御される。そして、上述したように、パワートランジスタ１と、第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３とは、各々の電流値の比率が予め定められているため、これら第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３を介して流れる第１及び第２電流の少なくとも一方の電流値から、パワートランジスタ１を流れる電流の電流値を検出することができる。

例えば、第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３を介して流れる電流は、電流検出用抵抗７，１０によって第１及び第２の電圧信号Ｖ１、Ｖ２に変換され、図示しないＡ／Ｄ変換器に入力される。そして、Ａ／Ｄ変換器によってデジタル値に変換された後、上記の制御回路に入力されて、制御回路が制御信号を生成する際に利用できるようにされる。また、図示していないが、第１及び第２の電圧信号Ｖ１，Ｖ２のいずれかが、パワートランジスタ１の最大許容電流値に対応する基準値を超えたか否かを判定して、基準値を超えた場合には、パワートランジスタ１の電流値を低減又はパワートランジスタ１を遮断するように制御する過電流保護回路を設けても良い。

次に、本実施形態の特徴である電流検出用トランジスタ２，３の故障検出のための構成及びその作動について説明する。

本実施形態では、電流検出用トランジスタ２，３の故障を検出すべく、第１及び第２のコンパレータ１２、１４が設けられている。第１のコンパレータ１２のマイナス側の入力端子には、第１の電流検出用トランジスタ２を流れる第１電流の電流値に応じた第１の電圧信号Ｖ１に対して、補助電源１１による第１のオフセット電圧Ｖｏｆｆ１を加算した電圧（Ｖ１＋Ｖｏｆｆ１）が入力される。第１のコンパレータ１２のプラス側の入力端子には、第２の電流検出用トランジスタ３を流れる第２電流の電流値に応じた第２の電圧信号Ｖ２が入力される。

また、第２のコンパレータ１４のマイナス側の入力端子には、第１の電圧信号Ｖ１に対して、補助電源１３による第２のオフセット電圧Ｖｏｆｆ１を減算した電圧（Ｖ１−Ｖｏｆｆ２）が入力される。第２のコンパレータ１４のプラス側の入力端子には、第２の電圧信号Ｖ２が入力される。

ここで、本実施形態においては、第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３を流れる第１及び第２電流は互いに等しくなるように構成されているので、第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３が正常に作動している場合には、第１及び第２の電圧信号Ｖ１，Ｖ２は、ほぼ等しくなるはずである。しかしながら、第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３の一方が故障して設計値通りの電流値の電流を流すことができなくなると、第１及び第２の電圧信号Ｖ１，Ｖ２に差が生じる。

そのため、本実施形態では、上述した２つのコンパレータ１２，１４を用いて、第１及び第２の電圧信号Ｖ１，Ｖ２間に、第１及び第２の電流検出用トランジスタの一方が故障したとみなしえる差が生じたか否かを判定する。すなわち、第１のコンパレータ１２では、第１の電圧信号Ｖ１と第１のオフセット電圧Ｖｏｆｆ１とを加算した加算電圧（Ｖ１＋Ｖｏｆｆ１）と第２の電圧信号Ｖ２とが比較される。従って、通常、その加算電圧（Ｖ１＋Ｖｏｆｆ１）の方が大きくなるはずである。換言すれば、第２電圧信号Ｖ２が加算電圧（Ｖ１＋Ｖｏｆｆ１）よりも大きくなった場合、第１または第２の電流検出用トランジスタ２，３になんらかの故障が発生したと推測できる。なお、第２電圧信号Ｖ２が加算電圧（Ｖ１＋Ｖｏｆｆ１）よりも大きくなった場合、第１のコンパレータ１２からハイレベル信号が出力される。

第２のコンパレータ１４では、第１の電圧信号Ｖ１から第２のオフセット電圧Ｖｏｆｆ２を減算した減算電圧（Ｖ１−Ｖｏｆｆ２）と第２の電圧信号Ｖ２とが比較される。従って、通常、第２の電圧信号Ｖ２が減算電圧（Ｖ１−Ｖｏｆｆ２）よりも大きくなるはずである。換言すれば、減算電圧（Ｖ１−Ｖｏｆｆ２）が第２の電圧信号Ｖ２よりも大きくなった場合、第１または第２の電流検出用トランジスタ２，３になんらかの故障が発生したと推測できる。減算電圧（Ｖ１−Ｖｏｆｆ２）が第２の電圧信号Ｖ２よりも大きくなった場合、第２のコンパレータ１４からローレベル信号が出力される。

このように、本実施形態では、２つのコンパレータ１２，１４により、図２に示すように、第１の電流検出用トランジスタ２を流れる第１電流の電流値に相当する電圧信号Ｖ１に対して、第１のオフセット電圧Ｖｏｆｆ１を加算した加算電圧（Ｖ１＋Ｖｏｆｆ１）と、第２のオフセット電圧Ｖｏｆｆ２を減算した減算電圧（Ｖ１−Ｖｏｆｆ２）を用いて、第１の電圧信号Ｖ１と第２の電圧信号Ｖ２との電圧差が収まるべき規定範囲を定めている。第２の電圧信号Ｖ２が加算電圧（Ｖ１＋Ｖｏｆｆ１）を超えたり、減算電圧（Ｖ１−Ｖｏｆｆ２）を下回った場合には、第１及び第２の電圧信号Ｖ１，Ｖ２の電圧差が規定範囲を超えたことになるので、第２の電圧信号Ｖ２と加算電圧（Ｖ１＋Ｖｏｆｆ１）及び減算電圧（Ｖ１−Ｖｏｆｆ２）との比較により、第１及び第２の電流検出用トランジスタが正常に動作しているか否かを判別することができる。

第１及び第２のコンパレータ１２，１４の出力は、それぞれＯＲ回路１５に入力される。ただし、第１のコンパレータ１２の出力は、直接ＯＲ回路１５に入力されるが、第２のコンパレータ１４の出力は、反転入力端子を介してＯＲ回路１５に入力される。

第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３の一方に故障が生じた場合には、上述したように、第１のコンパレータ１２からハイレベル信号が出力されるか、もしくは第２のコンパレータ１４からローレベル信号が出力される。従って、第１のコンパレータ１２の出力を直接入力し、第２のコンパレータ１４の出力を反転入力端子を介して入力することにより、第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３の一方の故障を示す信号がいずれかのコンパレータ１２，１４から出力されたとき、ＯＲ回路１５の出力がハイレベルとなる。従って、このＯＲ回路１５の出力信号のレベルによって、第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３の一方に故障が生じたことを識別することができる。

ＯＲ回路１５の出力はダイアグ回路１６に出力される。ダイアグ回路１６は、ＯＲ回路１５からハイレベルの信号が入力されたとき、ドライブ回路１７による駆動信号の出力を停止させる。これにより、第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３の故障に起因して、パワートランジスタ１に過電流が流れたり、パワートランジスタにより供給される電流の制御が不適切となったりする事態の発生を未然に防止することができる。

以上、本発明の好ましい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何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することができる。

例えば、上述した実施形態では、第１及び第２の電流検出用トランジスタ２，３を流れる第１及び第２電流が等しくなるように、パワートランジスタ１を流れる電流の電流値に対する比率を設定した。このようにすると、それら第１及び第２の電流の電流値に対応する第１及び第２の電圧信号Ｖ１，Ｖ２をなんらの調整を行うことなく対比することができるため好ましい。

ただし、例えば、各トランジスタ１〜３を流れる電流の電流値の比率を、パワートランジスタ１：第１の電流検出用トランジスタ２：第２の電流検出用トランジスタ３＝４０００：１：２のように設定し、その結果、第１及び第２電流の電流値が異なってもよい。この場合、例えば、第１及び第２の電流の電流値に相当する電圧信号Ｖ１，Ｖ２を発生する電流検出用抵抗７，１０の抵抗値を、上記比率の相違に応じて調整する等の対策を講じれば、第１及び第２電流の電流値に相当する第１及び第２の電圧信号Ｖ１，Ｖ２を、上述した実施形態と同様の手法で対比することができる。

また、上述した実施形態では、パワートランジスタ１に対して、２個の電流検出用トランジスタ２，３が並列接続されていた。このような構成により、２個の電流検出用トランジスタ２，３の内、いずれか一方が故障した場合には、その故障を検出することは可能となったが、故障した電流検出用トランジスタを特定することはできなかった。

そのため、パワートランジスタ１に対して、３個以上の電流検出用トランジスタを並列に接続するようにして、いずれの電流検出用トランジスタが故障したかを特定できるようにしても良い。例えば、パワートランジスタ１に３個の電流検出用トランジスタを並列に接続した場合について、以下に説明する。

上述した実施形態と同様に、電流検出用抵抗を用いて、第１〜第３の電流検出用トランジスタを流れる第１〜第３の電流に相当する第１〜第３の電圧信号Ｖ１〜Ｖ３をそれぞれ発生させる。そして、第１及び第２の電圧信号Ｖ１、Ｖ２、第２及び第３の電圧信号Ｖ２，Ｖ３、及び第３及び第１の電圧信号Ｖ３，Ｖ１のそれぞれの組合せに関して、上述した実施形態と同様の手法で、組み合わされた電圧信号同士に電圧差が生じているか否かを判定する。いずれか１つの電流検出用トランジスタが故障した場合、その電流検出用トランジスタを流れる電流に対応する電圧信号が異常となるので、その電圧信号を含む組合せについては電圧差が発生しているとの判定がなされる。換言すれば、電圧差が生じていない組合せが、正常な電流検出用トランジスタを示すことになり、残りの電流検出用トランジスタが故障したと判断できる。

また、上述した実施形態では、パワートランジスタ及び電流検出用トランジスタとしてＭＯＳＦＥＴを用いた例について説明したが、ＩＧＢＴやバイポーラトランジスタを用いることも可能である。

実施形態によるパワートランジスタ回路全体の構成を示す回路ブロック図である。 電流検出用トランジスタ２，３の故障検出を行う手法について説明するための説明図である。

符号の説明

１…パワートランジスタ、２…第１の電流検出用トランジスタ、３…第２の電流検出用トランジスタ、４…モータ（負荷）、５…第１のオペアンプ、６…第１のトランジスタ、７…電流検出用抵抗、８…第２のオペアンプ、９…第２のトランジスタ、１０…電流検出用抵抗、１１…補助電源、１２…第１のコンパレータ、１３…補助電源、１４…第２のコンパレータ、１５…ＯＲ回路、１６…ダイアグ回路、１７…ドライブ回路、２０…パワートランジスタ回路

Claims (6)

1. 入力電圧に応じて、負荷に供給する電流を制御するパワートランジスタと、
   前記パワートランジスタと並列に接続され、前記パワートランジスタが負荷に供給する電流を所定の比率で減少した第１及び第２電流をそれぞれ流す第１及び第２の電流検出用トランジスタと、
   前記第１の電流検出用トランジスタを流れる第１電流の電流値と、前記第２の電流検出用トランジスタを流れる第２電流の電流値との差が規定範囲内に収まるか否かを判定する判定回路とを備え、
   前記判定回路の判定結果に基づいて、前記第１及び第２の電流検出用トランジスタのいずれかが故障している故障状態が検出されることを特徴とするパワートランジスタ回路。
2. 前記判定回路の判定結果に基づき、前記第１及び第２の電流検出用トランジスタのいずれかの故障状態が検出されたとき、前記パワートランジスタによる前記負荷への電流供給を停止させるダイアグ回路を備えることを特徴とする請求項１に記載のパワートランジスタ回路。
3. 前記第１及び第２電流は、前記パワートランジスタによって負荷に供給される電流を同一比率で減少した電流であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワートランジスタ回路。
4. 前記パワートランジスタと並列に接続され、前記パワートランジスタが負荷に供給する電流を所定の比率で減少した第３電流を流す第３の検出用トランジスタをさらに有し、前記判定回路は、前記第１電流と前記第２電流、前記第２電流と前記第３電流、及び前記第３電流と前記第１電流とのそれぞれの組合せに関して、電流値の差が前記規定範囲内に収まるか否かを判定し、当該判定結果に基づいて、前記第１〜第３の電流検出用トランジスタのいずれが故障しているかが検出されることを特徴とする請求項１に記載のパワートランジスタ回路。
5. 前記判定回路の判定結果により、前記第１〜第３の電流検出トランジスタのいずれかの故障が検出されたとき、その故障している電流検出トランジスタ以外の電流検出トランジスタを流れる電流に基づいて、前記パワートランジスタが前記負荷に供給する電流の電流値を検出するダイアグ回路を備えることを特徴とする請求項４に記載のパワートランジスタ回路。
6. 前記第１〜第３電流は、前記パワートランジスタによって負荷に供給される電流を同一比率で減少した電流であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のパワートランジスタ回路。

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