JP4864622B2

JP4864622B2 - 誘導性負荷の駆動装置

Info

Publication number: JP4864622B2
Application number: JP2006262583A
Authority: JP
Inventors: 靖治蓬莱; 優頼阿蘓
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-09-27
Also published as: US7535268B2; US20080074157A1; JP2008085046A

Description

この発明は、誘導性負荷の駆動装置に関する。

従来、電磁ソレノイドや電動モータなどの誘導性負荷を駆動する駆動装置においては、例えば下記の特許文献１記載の技術のように、誘導性負荷の通電回路において外部供給電源と誘導性負荷の間に介挿されるスイッチング素子をパルス信号に応じてオン・オフすることにより、外部供給電源から誘導性負荷への通電を制御し、誘導性負荷をデューティ（ＰＷＭ）駆動している。また、誘導性負荷への通電が遮断される際には誘導性負荷による逆起電圧が生じるが、それによる逆起電流をフライホイールダイオードを介してアースに還流させることにより、逆起電圧による通電回路の損傷を防止している。

さらに、還流する逆起電流を減衰させるべく逆起電圧をツェナーダイオードによって吸収する逆起電力吸収回路を備えると共に、誘導性負荷の下流位置に介挿される第２のスイッチング素子をオン・オフすることにより、逆起電流の還流と逆起電圧の吸収を制御し、よって外部供給電源からの通電が遮断された後の誘導性負荷の通電量について所望の減衰特性を得ている。
特開平５−８４１３号公報（図１など）

しかしながら、上記した特許文献１記載の逆起電力吸収回路は、所定値（具体的には、ツェナーダイオードの降伏電圧値）以上の逆起電圧が作用するときに導通されて所定値相当の逆起電圧を吸収することから、誘導性負荷の駆動装置自体が過度に発熱し、かかる発熱によって誘導性負荷の駆動装置に不具合が生じるという問題があった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、逆起電圧を吸収させるに際しても過度な発熱が生じるのを防止するようにした誘導性負荷の駆動装置を提供することにある。

上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、外部供給電源と誘導性負荷の間に介挿され、第１の駆動信号に応じてオン・オフされる第１のスイッチング素子、前記誘導性負荷とアースの間に介挿され、第２の駆動信号に応じてオン・オフされる第２のスイッチング素子、および前記第１のスイッチング素子と前記誘導性負荷との間で分岐して前記アースに接続される第１の分岐路を有すると共に、前記第１のスイッチング素子がオフ、前記第２のスイッチング素子がオンされるとき、前記誘導性負荷の逆起電圧によって生じる逆起電流を前記アースに還流させる還流回路を備えた誘導性負荷の駆動装置において、前記誘導性負荷と前記第２のスイッチング素子との間で分岐して前記外部供給電源に接続される第２の分岐路を有すると共に、前記第１、第２のスイッチング素子がオフされるとき、前記逆起電流を前記外部供給電源に還元する逆起電流還元回路と、エミッタ端子が前記誘導性負荷側に、コレクタ端子が前記外部供給電源側に、ベース端子がツェナーダイオードを介して前記アース側に接続されるように前記第２の分岐路に介挿され、前記第１、第２のスイッチング素子がオフされるときに作用する前記逆起電力に応じてオン・オフされる第３のスイッチング素子とを備える如く構成した。

また、請求項２にあっては、前記還流回路は、前記第１の駆動信号に応じてオン・オフされる第４のスイッチング素子を含む如く構成した。

請求項１に係る誘導性負荷の駆動装置にあっては、第１のスイッチング素子がオフされるときに誘導性負荷に発生する逆起電流を外部供給電源に還元する逆起電流還元回路を備えるように構成、換言すれば、誘導性負荷による逆起電圧を外部供給電源で吸収させるように構成したので、逆起電圧を吸収させるに際しても誘導性負荷の駆動装置が過度に発熱するのを防止することができる。

また、逆起電流還元回路は、第３のスイッチング素子がそれ自体に作用する逆起電力に応じてオンされるとき、逆起電流を外部供給電源に還元するように構成したので、上記した効果に加え、外部供給電源の電圧に依存することなく逆起電流を外部供給電源に還元することができる。

また、第３のスイッチング素子は、エミッタ端子が前記誘導性負荷側に、コレクタ端子が前記外部供給電源側に、ベース端子がツェナーダイオードを介して前記アース側に接続されるように前記第２の分岐路に介挿され、前記第１、第２のスイッチング素子がオフされるときに作用する前記逆起電力に応じてオン・オフされるように構成、換言すれば、ツェナーダイオードが逆起電圧によって導通されるときにオンされるように構成したので、上記した効果に加え、簡易な構成でありながら、逆起電流還元回路は第３のスイッチング素子に作用する逆起電圧に応じて逆起電流を外部供給電源に還元することができる。また、逆起電流還元回路は、第３のスイッチング素子がオンされるとき、逆起電圧の内、ツェナーダイオードの降伏電圧値に応じた一部を吸収することができる。

請求項２に係る誘導性負荷の駆動装置にあっては、還流回路は、第１の駆動信号に応じてオン・オフされる第４のスイッチング素子を含むように構成したので、上記した効果に加え、還流回路において逆起電流を還流させる際の電力損失、即ち発熱を抑制でき、よって誘導性負荷の駆動装置が過度に発熱するのを一層防止することができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る誘導性負荷の駆動装置を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、この発明に係る誘導性負荷の駆動装置を構成する電気回路図である。

図１において、符号１０は誘導性負荷の駆動装置を示す。ここで、誘導性負荷とは、ソレノイドコイルへの通電によって駆動される電磁アクチュエータ、例えば、電磁ソレノイドや電動モータなどをいう。

図１に示すように、誘導性負荷の駆動装置１０は、外部供給電源１２から電力を供給されて誘導性負荷１４を通電させる通電回路１６と、誘導性負荷１４の逆起電圧によって生じる電流（以下、「逆起電流」という）を還流させる還流回路１８と、誘導性負荷１４の逆起電流を外部供給電源１２に還元する逆起電流還元回路２０から構成される。外部供給電源１２は、誘導性負荷の駆動装置１０の外部に配置される。

通電回路１６は、外部供給電源１２と誘導性負荷１４を接続する電路２２と、および誘導性負荷１４とアース２４を接続する電路２６とからなる。電路２２には、ＰＮＰ型トランジスタからなる第１のスイッチング素子２８が介挿される。また、電路２６には、ＮＰＮ型トランジスタからなる第２のスイッチング素子３０が介挿される。第１、第２のスイッチング素子２８，３０はそれぞれ、信号線３２，３４を介してコントローラ（図示せず）に接続される。

第１、第２のスイッチング素子２８，３０はそれぞれ、コントローラから送信される第１、第２の駆動信号３６，３８に応じてオン・オフされる。第１、第２のスイッチング素子２８，３０がいずれもオンされるとき、誘導性負荷１４は外部供給電源１２から電力を供給され、図１の破線の矢印で示す方向に電流が流れる。第１、第２のスイッチング素子２８，３０のいずれか一方がオフされるとき、外部供給電源１２から誘導性負荷１４への通電は遮断される。

還流回路１８は、電路２２において第１のスイッチング素子２８と誘導性負荷１４の間で分岐されてアース２４に接続される電路４０と、前記した電路２２，２６とからなる。電路４０には、フライホイールダイオード４２が介挿される。具体的に、フライホイールダイオード４２は、そのアノード端子がアース２４側に、カソード端子が誘導性負荷１４側に接続されるように介挿される。

第１のスイッチング素子２８がオフされて外部供給電源１２から誘導性負荷１４への通電が遮断されると、誘導性負荷１４にはその通電状態を維持させるような逆起電圧が生じる。逆起電圧による逆起電流は、第２のスイッチング素子３０がオンされるとき、図１の１点鎖線の矢印で示すように、アース２４から電路４０、フライホイールダイオード４２、電路２２、誘導性負荷１４、電路２６を介してアース２４に還流される。その際、ダイオード４２には、その順方向電圧降下分の電力損失が生じる。

逆起電流還元回路２０は、電路２６において誘導性負荷１４と第２のスイッチング素子３０の間で分岐されて外部供給電源１２に接続される電路４４と、前記した電路２２，２６，４０とからなる。電路４４には、第３のスイッチング素子４６が介挿される。

第３のスイッチング素子４６は、ＰＮＰ型トランジスタ４６ａおよびツェナーダイオード４６ｂからなる。具体的に、ＰＮＰ型トランジスタ４６ａは、そのエミッタ端子が誘導性負荷１４側に、コレクタ端子が外部供給電源１２側に、ベース端子がアース２４側に接続される。また、ツェナーダイオード４６ｂは、そのカソード端子がＰＮＰ型トランジスタ４６ａのベース端子側に、アノード端子がアース２４側に接続される。尚、電路４４には、逆起電流還元回路２０において電流の方向を規制するためのダイオード４８が介挿される。

前記したように第１のスイッチング素子２８がオフされて誘導性負荷１４への通電が遮断されると逆起電圧が生じるが、逆起電圧が外部供給電源１２の電圧より大きい場合、逆起電圧による逆起電流は、第２のスイッチング素子３０がオフされるとき、図１の２点鎖線の矢印で示すように、アース２４から電路４０、フライホイールダイオード４２、電路２２、誘導性負荷１４、電路２６、電路４４を介して外部供給電源１２に流れる。即ち、誘導性負荷１４による逆起電流は、外部供給電源１２の電圧より大きい場合には、第２のスイッチング素子３０がオフされるとき、逆起電流還元回路２０によって外部供給電源１２に還元される。換言すれば、逆起電圧は外部供給電源１２によって吸収される。このため、誘導性負荷の駆動装置１０には、逆起電圧の吸収による発熱が生じることがない。

また、電路４４にはＰＮＰ型トランジスタ４６ａおよびツェナーダイオード４６ｂからなる第３のスイッチング素子４６が介挿されることから、ツェナーダイオード４６ｂの降伏電圧値を超える逆起電圧が第３のスイッチング素子４６に作用してツェナーダイオード４６ｂが導通されるとき、ＰＮＰ型トランジスタ４６ａのエミッタ−コレクト間が導通される。即ち、このとき、第３のスイッチング素子４６はオンされ、逆起電流が外部供給電源１２に流れる。尚、ＰＮＰ型トランジスタ４６ａのエミッタ−ベース間に流れる逆起電流は、エミッタ−コレクト間に流れる逆起電流に比して極僅かである。

一方、ツェナーダイオード４６ｂの降伏電圧値以下の逆起電圧が第３のスイッチング素子４６に作用するとき、ツェナーダイオード４６ｂは導通されず、よってＰＮＰ型トランジスタ４６ａのエミッタ−コレクト間も導通されない。即ち、このとき、第３のスイッチング素子４６はオフされ、逆起電流が外部供給電源１２に流れることはない。

このように、逆起電流還元回路２０において、第３のスイッチング素子４６はそれに作用する逆起電圧に応じてオン・オフされると共に、第３のスイッチング素子４６がオンされるとき、逆起電流は外部供給電源１２に流れる。換言すれば、逆起電流還元回路２０において、第３のスイッチング素子４６がオンされるとき、逆起電流は外部供給電源１２に還元される。また、ツェナーダイオード４６ｂの降伏電圧値は、外部供給電源１２の電圧に比して大きく設定される。このため、逆起電流は外部供給電源１２の電圧に依存することなく、外部供給電源１２に還元される。

また、逆起電流が外部供給電源１２に還元される際には、ツェナーダイオード４６ｂが通電されて第３のスイッチング素子４６がオンされることから、第３のスイッチング素子４６によって逆起電圧の一部が吸収される。

具体的に説明すると、ツェナーダイオード４６ｂの降伏電圧値をＶｚ、外部供給電源１２の電圧をＶＢとした場合、第３のスイッチング素子４６の電圧降下はＶｚ−ＶＢで表される。このため、逆起電流還元回路２０において第３のスイッチング素子４６がオンされるとき、逆起電圧の内の一部（Ｖｚ−ＶＢ）が第３のスイッチング素子４６によって吸収される。また、このとき、逆起電圧の内の残部ＶＢは外部供給電源１２に吸収される。このように、逆起電圧の内の一部（Ｖｚ−ＶＢ）はツェナーダイオード４６ｂの降伏電圧値Ｖｚに応じたものである。

尚、第３のスイッチング素子４６は、降伏電圧値Ｖｚを超える逆起電圧が作用するときに動作されて逆起電圧を吸収するとしても、その一部を吸収するのみであることから過度に発熱することがない。また、ツェナーダイオード４６ｂを適宜選択して降伏電圧値Ｖｚを変更することにより、逆起電力について第３のスイッチング素子４６での吸収量と外部供給電源１２への還元量は容易に変更される。

図２は、図１に示す誘導性負荷の駆動装置１０において第１、第２のスイッチング素子２８，３０の動作と誘導性負荷１４の通電量の関係を示すタイムチャートである。

図２のｔ１からｔ２の期間において、第２のスイッチング素子３０は第２の駆動信号３８に応じて常時オンされると共に、第１のスイッチング素子２８はパルス信号からなる第１の駆動信号３６に応じてオン・オフされる。ｔ１からｔ２の期間において第１のスイッチング素子２８がオンされるとき、オンされる時間に伴って誘導性負荷１４の通電量は増加する。第１のスイッチング素子２８がオフされるとき、誘導性負荷１４による逆起電圧が発生し、それによる逆起電流は還流回路１８で還流されることから、誘導性負荷１４の通電量は一定に保たれる、あるいは僅かながら減少する。

このように、ｔ１からｔ２の期間において誘導性負荷１４の通電量は、第１のスイッチング素子２８がオン・オフされることによって制御される。即ち、誘導性負荷１４はいわゆるデューティ（ＰＷＭ）駆動される。これにより、誘導性負荷１４の通電において所望の立ち上がり特性が得られる。

図２のｔ２からｔ３の期間において、第１のスイッチング素子２８は第１の駆動信号３６に応じて常時オフされると共に、第２のスイッチング素子３０はパルス信号からなる第２の駆動信号３８に応じてオン・オフされる。これに伴い、誘導性負荷１４に流れる電流は徐々に減少する。

具体的に説明すると、ｔ２において第１のスイッチング素子２８がオフされることにより、誘導性負荷１４による逆起電力が発生する。そして、第２のスイッチング素子３０がオンされるとき、逆起電流は還流回路１８で還流されることから、誘導性負荷１４の通電量は一定に保たれる、あるいは僅かながら減少する。第２のスイッチング素子３０がオフされるとき、逆起電流は逆起電流還元回路２０により外部供給電源１２に流れる、即ち、逆起電流が外部供給電源１２に還元（吸収）されることから、誘導性負荷１４の通電量は急激に減少する。

このように、ｔ２からｔ３の期間において誘導性負荷１４の通電量は、第２のスイッチング素子３０がオン・オフされることによって制御される。これにより、誘導性負荷１４の通電において所望の立ち下がり特性が得られる。尚、ｔ３以降は上記の繰り返しである。

このように、第１実施例に係る誘導性負荷の駆動装置１０にあっては、外部供給電源１２と誘導性負荷１４の間に介挿され、第１の駆動信号３６に応じてオン・オフされる第１のスイッチング素子２８、誘導性負荷１４とアース２４の間に介挿され、第２の駆動信号３８に応じてオン・オフされる第２のスイッチング素子３０、第１のスイッチング素子２８と誘導性負荷１４との間で分岐してアース２４に接続される電路４０を有すると共に、第１のスイッチング素子２８がオフ、第２のスイッチング素子３０がオンされるとき、誘導性負荷１４の逆起電圧によって生じる逆起電流をアース２４に還流させる還流回路１８、さらに誘導性負荷１４と第２のスイッチング素子３０との間で分岐して外部供給電源１２に接続される電路４４を有すると共に、第１、第２のスイッチング素子２８，３０がオフされるとき、逆起電流を外部供給電源１２に還元する逆起電流還元回路２０を備えるように構成、換言すれば、誘導性負荷１４による逆起電圧を外部供給電源１２で吸収させるように構成したので、逆起電圧を吸収させるに際しても誘導性負荷の駆動装置１０が過度に発熱するのを防止することができる。

また、エミッタ端子が誘導性負荷１４側に、コレクタ端子が外部供給電源１２側に、ベース端子がツェナーダイオード４６ｂを介してアース２４側に接続されるように電路４４に介挿され、第１、第２のスイッチング素子２８，３０がオフされるときに作用する逆起電力に応じてオン・オフされる第３のスイッチング素子４６を備えると共に、逆起電流還元回路２０は、第３のスイッチング素子４６がオンされるとき、逆起電流を外部供給電源１２に還元するように構成したので、外部供給電源１２の電圧に依存することなく逆起電流を外部供給電源１２に還元することができる。

また、上記のように構成したので、簡易な構成でありながら、逆起電流還元回路２０は第３のスイッチング素子４６に作用する逆起電圧に応じて逆起電流を外部供給電源１２に還元することができる。また、逆起電流還元回路２０は、第３のスイッチング素子４６がオンされるとき、逆起電圧の内、ツェナーダイオード４６ｂの降伏電圧値に応じた一部（Ｖｚ−ＶＢ）を吸収することができる。

次いで、この発明の第２実施例に係る誘導性負荷の駆動装置について説明する。

図３は、第２実施例に係る誘導性負荷の駆動装置を構成する、図１と同様な電気回路図である。尚、第１実施例と共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

第１実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、第２実施例にあっては、還流回路１８においてフライホイールダイオード４２に代え、第４のスイッチング素子５０を介挿するように構成した。

図３に示すように、第４のスイッチング素子５０はＮＰＮ型トランジスタからなると共に、電路４０に介挿される。具体的には、第４のスイッチング素子５０は、エミッタ端子がアース２４側に、コレクタ端子が誘導性負荷１４側に接続されるように電路４０に介挿される。また、第４のスイッチング素子５０のベース端子は、第１のスイッチング素子２８とコントローラ（図示せず）を接続する信号線３２に信号線５２を介して接続される。

第１、第４のスイッチング素子２８，５０は、同一の第１の駆動信号３６に応じて駆動されるが、第１のスイッチング素子２８はＰＮＰ型トランジスタである一方、第４のスイッチング素子５０はＮＰＮ型トランジスタであることから、相反するようにオン・オフされる。

即ち、第１のスイッチング素子２８がオンされるとき、第４のスイッチング素子５０はオフされることから、ダイオード４２が介挿されなくとも通電回路１６において外部供給電源１２から誘導性負荷１４への通電が確実になされる。逆に、第１のスイッチング素子２８がオフされるとき、第４のスイッチング素子５０はオンされることから、ダイオード４２が介挿されなくとも還流回路１８において誘導性負荷１４の逆起電圧による逆起電流の還流が確実になされる。

尚、通電回路１６および逆起電流還元回路２０などの残余の構成は第１実施例と同様である。

このように、第２実施例に係る誘導性負荷の駆動装置にあっては、還流回路１８は、第１の駆動信号３６に応じてオン・オフされる第４のスイッチング素子５０を含むように構成したので、還流回路１８にダイオード４２を介挿する必要がなく、還流回路１８において逆起電流を還流させる際のダイオード４２の順方向電圧降下分の電力損失、即ち発熱を抑制でき、よって誘導性負荷の駆動装置１０が過度に発熱するのを一層防止することができる。

以上のように、この発明の第１および第２実施例にあっては、外部供給電源（１２）と誘導性負荷（１４）の間に介挿され、第１の駆動信号（３６）に応じてオン・オフされる第１のスイッチング素子（２８）、前記誘導性負荷とアース（２４）の間に介挿され、第２の駆動信号（３８）に応じてオン・オフされる第２のスイッチング素子（３０）、および前記第１のスイッチング素子と前記誘導性負荷との間で分岐して前記アースに接続される第１の分岐路（電路４０）を有すると共に、前記第１のスイッチング素子がオフ、前記第２のスイッチング素子がオンされるとき、前記誘導性負荷の逆起電圧によって生じる逆起電流を前記アースに還流させる還流回路（１８）を備えた誘導性負荷の駆動装置において、前記誘導性負荷と前記第２のスイッチング素子との間で分岐して前記外部供給電源に接続される第２の分岐路（電路４４）を有すると共に、前記第１、第２のスイッチング素子がオフされるとき、前記逆起電流を前記外部供給電源に還元する逆起電流還元回路（２０）を備える如く構成した。

エミッタ端子が前記誘導性負荷側に、コレクタ端子が前記外部供給電源側に、ベース端子がツェナーダイオードを介して前記アース側に接続されるように前記第２の分岐路に介挿され、前記第１、第２のスイッチング素子がオフされるときに作用する前記逆起電力に応じてオン・オフされる第３のスイッチング素子（４６）を備えると共に、前記逆起電流還元回路は、前記第３のスイッチング素子がオンされるとき、前記逆起電流を前記外部供給電源に還元する如く構成した。

また、この発明の第２実施例にあっては、前記還流回路は、前記第１の駆動信号に応じてオン・オフされる第４のスイッチング素子（５０）を含む如く構成した。

尚、上記において、第１、第２、第４のスイッチング素子２８，３０，５０はＰＮＰ型トランジスタあるいはＮＰＮ型トランジスタから構成したが、Ｎチャンネル電界効果トランジスタあるいはＰチャンネル電界効果ドランジスタから構成してもよい。

また、第３のスイッチング素子４６はＰＮＰ型トランジスタ４６ａとツェナーダイオード４６ｂから構成したが、例えば図４の（ａ）から（ｄ）に示す回路などから構成してもよい。

この発明の第１実施例に係る誘導性負荷の駆動装置を構成する電気回路図である。図１に示す誘導性負荷の駆動装置において第１、第２のスイッチング素子の動作と誘導性負荷の通電量の関係を示すタイムチャートである。この発明の第２実施例に係る誘導性負荷の駆動装置を構成する、図１と同様な電気回路図である。図１に示す誘導性負荷の駆動装置における第３のスイッチング素子の変形例を示す電気回路図である。

符号の説明

１０：誘導性負荷の駆動装置、１２：外部供給電源、１４：誘導性負荷、１８：還流回路、２０：逆起電流還元回路、２４：アース、２８：第１のスイッチング素子、３０：第２のスイッチング素子、３６：第１の駆動信号、３８：第２の駆動信号、４０：電路（第１の分岐路）、４４：電路（第２の分岐路）、４６：第３のスイッチング素子、４６ａ：ＰＮＰ型トランジスタ（トランジスタ）、４６ｂ：ツェナーダイオード、５０：第４のスイッチング素子

Claims

ａ．外部供給電源と誘導性負荷の間に介挿され、第１の駆動信号に応じてオン・オフされる第１のスイッチング素子、
ｂ．前記誘導性負荷とアースの間に介挿され、第２の駆動信号に応じてオン・オフされる第２のスイッチング素子、
および
ｃ．前記第１のスイッチング素子と前記誘導性負荷との間で分岐して前記アースに接続される第１の分岐路を有すると共に、前記第１のスイッチング素子がオフ、前記第２のスイッチング素子がオンされるとき、前記誘導性負荷の逆起電圧によって生じる逆起電流を前記アースに還流させる還流回路、
を備えた誘導性負荷の駆動装置において、
ｄ．前記誘導性負荷と前記第２のスイッチング素子との間で分岐して前記外部供給電源に接続される第２の分岐路を有すると共に、前記第１、第２のスイッチング素子がオフされるとき、前記逆起電流を前記外部供給電源に還元する逆起電流還元回路と、
ｅ．エミッタ端子が前記誘導性負荷側に、コレクタ端子が前記外部供給電源側に、ベース端子がツェナーダイオードを介して前記アース側に接続されるように前記第２の分岐路に介挿され、前記第１、第２のスイッチング素子がオフされるときに作用する前記逆起電力に応じてオン・オフされる第３のスイッチング素子と、
を備えると共に、前記逆起電流還元回路は、前記第３のスイッチング素子がオンされるとき、前記逆起電流を前記外部供給電源に還元することを特徴とする誘導性負荷の駆動装置。
前記還流回路は、前記第１の駆動信号に応じてオン・オフされる第４のスイッチング素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の誘導性負荷の駆動装置。