JP5162335B2 - リレー制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、リレー制御装置に関する。

特許文献１に、リレーを制御するリレー制御装置が記載されている。特許文献１記載のリレー制御装置は、リレーのコイルに直列に接続された抵抗及びトランジスタと、抵抗及びコイルに並列に接続されたダイオードとを備える。特許文献１記載のリレー制御装置は、リレーのコイルに初期電流を流してリレーをオンする。その後、特許文献１記載のリレー制御装置は、抵抗を用いて、リレーのコイルに流れる電流を検知し、検知した値が初期電流の値よりも低い値に保持され、かつリレーがオンされるように、トランジスタをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する。ＰＷＭ制御は、スイッチ素子（ここではトランジスタ）のオンオフを繰り返す制御である。一方、ダイオードには、回生電流が流れる。回生電流は、スイッチ素子のオフ時にコイルに流れる電流である。

特許文献１記載のリレー制御装置は、リレーのコイルに流れる電流の値を初期電流の値よりも低い値に保持することができるので、リレーのコイルの消費電力を低減することができる。
特開平５−１６６４４４号公報

しかしながら、特許文献１記載のリレー制御装置は、リレーをオフすべくトランジスタをオフしても、回生電流がダイオードを介してコイルに流れ続けるため、リレーがオフされるまでに時間がかかるという問題点があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、スイッチ素子をオフしてからリレーがオフされるまでの時間を従来よりも短くすることができるリレー制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願に係る発明は、接点が電源と負荷とを接続し、コイルが電源に接続されたリレースイッチと、コイルに直列に接続された第１スイッチ素子と、第２スイッチ素子と、第２スイッチ素子に直列に接続され、カソードが電源に接続されたダイオードとを備え、コイルに並列に接続される回生電流回路と、第１スイッチ素子をＰＷＭ制御することでリレースイッチをオンし、第１スイッチ素子へのＰＷＭ制御を停止することでリレースイッチをオフする第１スイッチ素子制御手段と、第１スイッチ素子がＰＷＭ制御される時に第２スイッチ素子をオンし、第１スイッチ素子へのＰＷＭ制御が停止される時に第２スイッチ素子をオフする第２スイッチ素子制御手段とを備え、前記第２スイッチ素子のオフ時には、前記コイルの一端と他端との間が電気的に開放されることを特徴とする。

本願に係る発明は、第１スイッチ素子へのＰＷＭ制御が停止される際に、第２スイッチ素子をオフするので、コイルに回生電流が流れないようにすることができる。したがって、本願に係る発明は、第１スイッチ素子へのＰＷＭ制御が停止された後、直ちにリレースイッチをオフすることができるので、第１スイッチ素子がオフされてからリレースイッチがオフされるまでの時間を従来よりも短くすることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態に係るリレー制御装置１の構成を示す説明図である。リレー制御装置１は、リレースイッチ２と、第１ＭＯＳＦＥＴ７（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）（以下、「第１スイッチ素子７」とも称する）と、回生電流回路８と、制御部１２と、電流検出部１３と、ＰＷＭ生成部１４と、第１駆動部１５と、第２駆動部１６と、を備える。リレー制御装置１は、車両に搭載される。

リレースイッチ２は、接点３と、コイル４とを備える。接点３は、電源５と負荷６とを接続する。接点３がオンオフされることで、リレースイッチ２がオンオフされる。コイル４は、一方の端子が電源５に接続され、他方の端子が第１スイッチ素子７に接続される。コイル４に電流が流れることで接点３がオンされる。

電源５は車両のバッテリーであり、負荷６は、車両に搭載される車載機器、たとえばモータやランプ等である。

第１スイッチ素子７は、コイル４に直列に接続される。具体的には、ドレインがコイル４の他方の端子に接続され、ソースが接地され、ゲートが第１駆動部１５に接続される。

回生電流回路８は、第２ＭＯＳＦＥＴ９（以下、「第２スイッチ素子９」とも称する）と、ダイオード１１とを備え、コイル４に並列に接続される。第２スイッチ素子９は、ドレインが電源５及びコイル４の一方の端子に接続され、ソースがダイオード１１のカソードに接続され、ゲートが第２駆動部１６に接続される。第２スイッチ素子９のボディーダイオード１０は、アノードが電源５及びコイル４の一方の端子に接続され、カソードがダイオード１１のカソードに接続される。ダイオード１１のアノードは、コイル４の他方の端子及び第１スイッチ素子７のドレインに接続される。ボディーダイオード１０の順方向とダイオード１１の順方向とは互いに逆になっている。したがって、電源５が逆接されても、各スイッチ素子に貫通電流（短絡電流）は流れないので、各スイッチ素子が保護される。この点、特許文献１記載のリレー制御装置において、トランジスタをＭＯＳＦＥＴに変えた場合、電源が逆接されると、抵抗及びコイルに並列に接続されたダイオードや、ＭＯＳＦＥＴのボディーダイオードを介して、ＭＯＳＦＥＴに短絡電流が流れ、ＭＯＳＦＥＴが破損してしまう可能性がある。したがって、リレー制御装置１は、従来よりも、各スイッチ素子を確実に保護することができる。

制御部１２は、外部からの指示（たとえば、車両の乗員による入力操作）に応じて、リレースイッチ２をオンするためのリレーオン信号、または、リレースイッチ２をオフするためのリレーオフ信号を生成し、ＰＷＭ生成部１４及び第２駆動部１６に出力する。

電流検出部１３は、第２スイッチ素子９に流れる電流、具体的には回生電流の値を検出する。この回生電流は、第１スイッチ素子７のオフ時にコイル４に流れる電流である。電流検出部１３は、検出した値に関する検出信号をＰＷＭ生成部１４に出力する。

ＰＷＭ生成部１４は、制御部１２からリレーオン信号が与えられた際に、第１スイッチ素子７をオンするためのＰＷＭオン信号、及び第１スイッチ素子７をオフするためのＰＷＭオフ信号を交互に生成し、第１駆動部１５に出力する。ＰＷＭ生成部１４は、制御部１２からリレーオフ信号が与えられた際に、ＰＷＭオン信号及びＰＷＭオフ信号の出力を停止する。ＰＷＭ生成部１４は、電流検出部１３から与えられた検出信号に基づいて、ＰＷＭ制御のデューティー比を調整する。ＰＷＭ制御のデューティー比は、ＰＷＭオン信号を出力する時間とＰＷＭオフ信号を出力する時間との比である。

第１駆動部１５は、ＰＷＭ生成部１４からＰＷＭオン信号が与えられた際に第１スイッチ素子７をオンし、ＰＷＭ生成部１４からＰＷＭオフ信号が与えられた際に第１スイッチ素子７をオフする。これにより、第１駆動部１５は、第１スイッチ素子７をＰＷＭ制御する。リレースイッチ２は、第１スイッチ素子７がＰＷＭ制御されることでオンされ、第１スイッチ素子７へのＰＷＭ制御が停止されることで、オフされる。

第２駆動部１６は、制御部１２からリレーオン信号が与えられた際に第２スイッチ素子９をオンし、制御部１２からリレーオフ信号が与えられた際に第２スイッチ素子９をオフする。

次に、リレースイッチ２をオンする時のリレー制御装置１の動作を図２〜図３に基づいて説明する。図２は、リレースイッチ２をオンする際のタイミングチャートである。具体的には、図２（ａ）は、制御部１２から出力される信号の種類を示し、図２（ｂ）は、第１スイッチ素子のオンオフ状態を示し、図２（ｃ）は、コイル４に流れる電流を示す。図３は、回生電流が流れる様子を示す説明図である。

制御部１２は、時刻Ｔ１からリレーオン信号をＰＷＭ生成部１４及び第２駆動部１６に出力し続ける。したがって、ＰＷＭ生成部１４は、ＰＷＭオン信号及びＰＷＭオフ信号を交互に第１駆動部１５に出力し、第１駆動部１５は、ＰＷＭ生成部１４から与えられた信号に基づいて、第１スイッチ素子７をＰＷＭ制御する。一方、第２駆動部１６は、第２スイッチ素子９をオンする。

したがって、第１スイッチ素子７のオン時には、コイル４の下流がグランドに短絡し、コイル４に電源５から供給される電流（以下、「オン電流」とも称する）が流れる。オン電流は、時間の経過とともに大きくなる。一方、第１スイッチ素子７のオフ時には、コイル４の下流が開放され、コイル４に回生電流が流れる。回生電流は、コイル４、ダイオード１１、及び第２スイッチ素子９を流れる。回生電流は、時間の経過とともに小さくなる。コイル４に流れる電流は、連続的に変化する。たとえば、第１スイッチ素子７のオン状態が終了する時点でのオン電流と、第１スイッチ素子７のオフ状態が開始される時点での回生電流とは、同じ大きさとなる。したがって、ＰＷＭ制御中にコイル４に流れる電流は、第１スイッチ素子７がオフからオンに切り替わる際に最低となる。以下、このときの電流を最低電流とも称する。ＰＷＭ生成部１４は、この最低電流の値が目標電流値に一致するように、デューティー比を調整する。目標電流値は、リレースイッチ２をオンさせるために必要な最低値である。具体的には、後述する。

次に、リレースイッチ２をオフする時のリレー制御装置１の動作を図４〜図５に基づいて説明する。図４は、リレースイッチ２をオフする際のタイミングチャートである。図４（ａ）は、制御部１２から出力される信号の種類を示し、図４（ｂ）は、第１スイッチ素子のオンオフ状態を示し、図４（ｃ）は、コイル４に流れる電流を示す。図５は、回生電流が遮断される様子を示す説明図である。

制御部１２は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間、リレーオン信号を出力し続け、その後、リレーオフ信号をＰＷＭ生成部１４及び第２駆動部１６に出力し続ける。したがって、ＰＷＭ生成部１４は、時刻Ｔ３にＰＷＭオン信号及びＰＷＭオフ信号の出力を停止し、第１駆動部１５は、第１スイッチ素子７へのＰＷＭ制御を停止し、第１スイッチ素子７をオフする。一方、第２駆動部１６は、第２スイッチ素子９をオフする。

したがって、コイル４のオン電流が遮断される。さらに、第２スイッチ素子９がオフされるので、コイル４に回生電流は流れない。これにより、リレースイッチ２は、制御部１２からリレーオフ信号が出力された後、直ちにオフされる。なお、第１スイッチ素子７には、リレースイッチ２のオフ時に電源５からの電圧と、コイル４からの誘導電圧（回生電流を発生させる電圧となるもの）とが作用するので、第１スイッチ素子７は、これらの電圧に耐えられるものが使用される。

次に、目標電流値の設定及びデューティー比の調整について、図６に基づいて説明する。図６は、ＰＷＭ制御中のタイミングチャートである。図６（ａ）は、第１スイッチ素子のオンオフ状態を示し、図６（ｂ）は、ＰＷＭ制御中にコイル４に流れる電流を示す。

第２スイッチ素子９をオンした状態でリレースイッチ２をオンし、その後、第１スイッチ素子７をオフすると、リレースイッチ２に回生電流が流れる。この回生電流により、リレースイッチ２はオンに維持されるが、回生電流は時間の経過とともに減少するので、あるタイミングでリレースイッチ２がオフされる。したがって、リレースイッチ２がオフされる直前の回生電流の値が目標電流値となる。

そこで、以下のように目標電流値を設定する。すなわち、第２スイッチ素子９をオンした状態でリレースイッチ２をオンし、その後、第１スイッチ素子７をオフする。その後、電流検出部１３により回生電流を監視する一方、リレースイッチ２のオンオフ状態を監視する。リレースイッチ２のオンオフ状態の監視は、たとえば、接点３と負荷６との間の電圧を監視することで、行われる。そして、リレースイッチ２がオフとなった直前に電流検出部１３が検出した電流の値を、目標電流値とする。目標電流値は、ＰＷＭ生成部１４が記憶する。

目標電流値は、リレースイッチ２をオンするために必要な電流の最低値であるので、コイル４に流れる電流が目標電流値以上となれば、リレースイッチ２をオンに維持することができる。一方、ＰＷＭ制御中にコイル４に流れる電流は、第１スイッチ素子７がオフからオンに切り替わる際に最低となる。そこで、ＰＷＭ生成部１４は、このときの電流、すなわち最低電流の値が目標電流値に一致するように、デューティー比を調整する。

なお、引用文献１記載のリレー制御装置は、本実施の形態の目標電流値に基づく制御を行っていないので、リレーのコイルに流れる電流は、リレー制御装置１よりも大きくなる。したがって、リレー制御装置１は、従来のリレー制御装置よりも、コイル４の発熱及び消費電力を低減することができる。さらに、引用文献１記載のリレー制御装置は、抵抗を用いて、コイルに流れる電流を検出するので、抵抗からの発熱がある。したがって、リレー制御装置全体としての発熱低減効果が少なくなる。しかし、リレー制御装置１は、電流の検出に抵抗を用いていないので、このような問題は生じない。したがって、リレー制御装置１は、装置全体の発熱を従来よりも低減することができる。

次に、異常判定について、図７及び図８に基づいて説明する。図７は、正常にＰＷＭ制御が行われる場合のタイミングチャートであり、図８は、ＰＷＭ制御中に異常が発生した場合のタイミングチャートである。具体的には、図７（ａ）、図８（ａ）は、第１スイッチ素子のオンオフ状態を示し、図７（ｂ）、図８（ｂ）は、コイル４に流れる回生電流を示す。

コイル４に流れる電流は連続的に変化するので、回生電流を検出し、その回生電流に基づいて、オン電流を推定することができる。たとえば、図７のように回生電流が変化する場合、オン電流は波線で示すように変化すると推定することができる。また、時刻Ｔ４で何らかの異常が発生し、オン電流が非常に大きくなると、時刻Ｔ５で第１スイッチ素子７がオンからオフになった際に、回生電流の値も非常に大きくなるので、オン電流が異常であると推定することができる。

そこで、ＰＷＭ生成部１４は、第１スイッチ素子７がオンからオフに切り替わった際に電流検出部１３から与えられた検出信号に基づいて、回生電流の値と所定の異常判定値とを比較する。この結果、ＰＷＭ生成部１４は、回生電流の値が異常判定値以上となる場合には、オン電流が異常であると判定し、ＰＷＭオン信号及びＰＷＭオフ信号の出力を停止する。これにより、第１駆動部１５は、第１スイッチ素子７へのＰＷＭ制御を停止し、第１スイッチ素子７をオフする。さらに、ＰＷＭ生成部１４は、異常発生信号を制御部１２を介して第２駆動部１６に出力し、第２駆動部１６は、異常発生信号を受信した際に、第２スイッチ素子９をオフする。これにより、リレースイッチ２が直ちにオフされる。一方、ＰＷＭ生成部１４は、回生電流の値が異常判定値未満となる場合には、オン電流が正常であると判定し、ＰＷＭオン信号及びＰＷＭオフ信号の出力を継続する。たとえば、ＰＷＭ生成部１４は、回生電流が図７に示す変化を示す場合、オン電流が正常であると判定し、ＰＷＭオン信号及びＰＷＭオフ信号の出力を継続する。一方、時刻Ｔ４でオン電流に異常が発生した場合、時刻Ｔ５に電流検出部１３から与えられた検出信号に基づいて、オン電流が異常であると判定し、ＰＷＭオン信号及びＰＷＭオフ信号の出力を停止する。さらに、ＰＷＭ生成部１４は、異常発生信号を第２駆動部１６に出力する。これにより、リレースイッチ２が直ちにオフされる。

以上により、リレー制御装置１は、第１スイッチ素子７へのＰＷＭ制御が停止される時に、第２スイッチ素子９をオフするので、第１スイッチ素子７へのＰＷＭ制御を停止した後に、直ちにリレースイッチ２をオフすることができる。したがって、リレー制御装置１は、第１スイッチ素子７がオフされてからリレースイッチ２がオフされるまでの時間を従来よりも短くすることができる。

さらに、リレー制御装置１は、ボディーダイオード１０の順方向とダイオード１１の順方向とが逆になっているので、各スイッチ素子を保護することができる。

さらに、リレー制御装置１は、最低電流の値が目標電流値に一致するようにデューティー比を調整するので、従来よりもコイル４の発熱及び消費電力を低減することができる。この結果、電源５の消費電力が減少するので、電源５の充電に必要な燃料が減少し、環境への負荷が減少する。

さらに、リレー制御装置１は、回生電流の値が異常判定値を超えた際に、ＰＷＭ制御を停止するので、この点においても、各スイッチ素子を保護することができる。

さらに、リレー制御装置１は、逆接対策と回生電流の検出を１つの素子、すなわち第２スイッチ素子９を用いて行うことができるので、これらを別々の素子を用いて行う場合よりも、リレー制御装置１の製造コストを低減することができる。

なお、本実施の形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、第１スイッチ素子７は、リレースイッチ２の上流側（電源５に近い側）に設けられてもよく、ダイオード１１は、第２スイッチ素子９の上流側に設けられても良い。リレー制御装置１は車両に搭載されるものでなくてもよい。

本発明の一実施形態に係るリレー制御装置を示す説明図である。 リレースイッチをオンする場合のタイミングチャートである。 回生電流が流れる様子を示す説明図である。 リレースイッチをオフする場合のタイミングチャートである。 回生電流が遮断される様子を示す説明図である。 ＰＷＭ制御が行われる際のタイミングチャートである。 正常にＰＷＭ制御が行われる場合のタイミングチャートである。 ＰＷＭ制御中に異常が発生した場合のタイミングチャートである。

符号の説明

１…リレー制御装置
２…リレースイッチ
３…接点
４…コイル
５…電源
６…負荷
７…第１スイッチ素子
８…回生電流回路
９…第２スイッチ素子
１０…ボディーダイオード
１１…ダイオード
１２…制御部
１３…電流検出部
１４…ＰＷＭ生成部
１５…第１駆動部
１６…第２駆動部

Claims (4)

1. 接点が電源と負荷とを接続し、コイルが電源に接続されたリレースイッチと、
   前記コイルに直列に接続された第１スイッチ素子と、
   第２スイッチ素子と、前記第２スイッチ素子に直列に接続され、カソードが電源に接続されたダイオードとを備え、前記コイルに並列に接続される回生電流回路と、
   前記第１スイッチ素子をＰＷＭ制御することで前記リレースイッチをオンし、前記第１スイッチ素子へのＰＷＭ制御を停止することで前記リレースイッチをオフする第１スイッチ素子制御手段と、
   前記第１スイッチ素子がＰＷＭ制御される時に前記第２スイッチ素子をオンし、前記第１スイッチ素子へのＰＷＭ制御が停止される時に前記第２スイッチ素子をオフする第２スイッチ素子制御手段とを備え、
   前記第２スイッチ素子のオフ時には、前記コイルの一端と他端との間が電気的に開放されることを特徴とするリレー制御装置。
2. 前記第２スイッチ素子は、アノードが電源に接続されたボディーダイオードを備えることを特徴とする請求項１記載のリレー制御装置。
3. 前記第２スイッチ素子に流れる回生電流の値を検出する電流値検出手段を備え、
   前記第１スイッチ素子制御手段は、前記電流値検出手段が検出した値の最低値が、前記リレースイッチをオンさせるために必要な電流の最低値に一致するように、前記第１スイッチ素子へのＰＷＭ制御のデューティ比を調整することを特徴とする請求項１または２記載のリレー制御装置。
4. 前記第１スイッチ素子制御手段は、前記電流値検出手段が検出した値が、所定の異常判定値を超えた場合に、前記第１スイッチ素子へのＰＷＭ制御を停止することを特徴とする請求項３記載のリレー制御装置。

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