JP5323451B2 - 電源供給装置及び電源供給方法 - Google Patents
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さらに、短絡時の突入電流に対し、素子の発熱を検知する方法では熱が伝導するまでに時間がかかるため、パワー素子の定格電流をオーバーして、パワー素子にダメージを与えてしまうといった問題がある。
電流変換手段から2乗電流値が与えられることから、熱等価手段ではチップコンデンサや抵抗を組み合わせるだけで、半導体スイッチまたは/及び電線の過渡的な熱変動を電気的に容易に表現することが可能となる。
この構成によれば、電流変換手段としてデジタル演算回路を用いることにより、電流検出手段で検出した電流値から2乗電流値をデジタル演算して出力することができる。
この構成によれば、任意の電流遮断特性を設定することができ、例えば電流遮断特性を実際のデバイスのものよりも保守的に設定することができ、安全性をより高めることが可能となる。
図1は本発明の第1実施形態に係る電源供給装置の概略構成を示すブロック図、図2はその電源供給装置のより詳細な構成を示す回路である。
電線11に流れる負荷電流(Iload)を検出する電流検出手段としての電流検出回路13は、差動増幅器23と、抵抗Rsと、Pチャネル形MOSFET24とを備える。差動増幅器23の非反転入力端子に電線11が、その反転入力端子に抵抗Rsを介してバッテリ2が、その出力端子にMOSFET24のゲート端子がそれぞれ接続されている。MOSFET24のドレイン端子は差動増幅器23の反転入力端子と抵抗Rsの接続点に、そのソース端子は電流変換回路14の入力端子にそれぞれ接続されている。なお、符号24aは、MOSFET24の寄生のダイオードである。また、符号12aは、MOSFET12の寄生のダイオードである。
Tcase=Icase(t)×R2+Tboard ・・・(2式)
Tboard=Iboard(t)×R3+Tair ・・・(3式)
ここで、Tairは外気温度に相当する温度相当値である。上記の各温度相当値は、熱等価回路15では各位置の電位として与えられる。なお、ここでは、熱等価回路15から温度相当値が与えられるものとしたが、所定の温度からの温度上昇相当値が与えられるようにしてもよい。
Ichip(t+Δt)=Iout(t+Δt)・{1−exp(-a1・Δt)}+Ichip(t)・exp(-a1・Δt) …(4式)
Icase(t+Δt)=Ichip(t+Δt)・{1−exp(-a2・Δt)}+Icase(t)・exp(-a2・Δt) …(5式)
Iboard(t+Δt)=Icase(t+Δt)・{1−exp(-a3・Δt)}+Iboard (t)・exp(-a3・Δt) …(6式)
ここで、a1、a2、a3はそれぞれの熱時定数の逆数であり、それぞれa1=1/(C1・R1)、a2=1/(C2・R2)、 a3=1/(C3・R3)となる。また、上記(4式) 〜(6式)で第2項は熱流増大過程を、第3項は熱流縮小過程をそれぞれ表現している。
更にデジタル演算にて計算を進める場合に、このように時間Δtによる変動で計算を進めていくことにより、指数項が定数で表現でき、また連続性をもった簡単な演算となり計算速度の向上が見込める。
で示すように上昇する。また、図6から分かるように、半導体スイッチ12のオン、オフが繰り返されることで、半導体スイッチ12の熱変動は昇温過程と降温過程を繰り返しながら、チップ12a、ケース12b及び基板12cの各温度が、起動時から次第に高くなる。このような半導体スイッチ12の熱変動(昇温過程、降温過程)に応じてVchip、Vcase及びVboardが変動する。
(1)不図示の操作スイッチがオフになっていて制御信号入力端子5からLレベルの制御信号がNAND回路20の一方の入力端子に入力され、かつ、ラッチ回路28の出力信号がLレベルの信号で、その信号がインバータ29で反転されてHレベルの信号がNAND回路20の他方の入力端子に入力されている場合、NAND回路20からHレベルの電圧信号が出力される。これにより、トランジスタ21がオフになってトランジスタ22がオンになるので、チャージポンプ6からの駆動電圧が半導体スイッチ12のゲート端子に印加されず、半導体スイッチ12がオフ状態に維持される。
負荷(例えばヘッドライト)10を駆動するために操作スイッチ(例えばヘッドライトスイッチ)をオン操作すると、NAND回路20の出力がLレベルになり、トランジスタ21がオンになってトランジスタ22がオフになる。これにより、チャージポンプ6から駆動電圧がトランジスタ21を介して半導体スイッチ12のゲート端子に印加され、半導体スイッチ12がオン状態になり、バッテリ電源が電線11を介して負荷10に供給され、負荷10が駆動される。
熱等価回路15は、電線11に流れる電流の検出値(検出電流Is)から演算された2乗電流値を入力し、半導体スイッチ12の温度相当値(Tj(t))として出力電圧(Vout))を出力する。
次に、本発明の第2実施形態に係る電源供給装置1Aを図8に基づいて説明する。
この電源供給装置1Aは、図2に示す上記第1実施形態に係る電源供給装置1において、半導体スイッチ12の過渡的な熱変動を忠実に表現する多段CR時定数回路により構成した熱等価回路15に代えて、熱等価手段として、デジタル演算部(デジタル演算回路)40により構成した熱等価回路15Aを用いている。
また、この電源供給装置1Aは、第1異常判定値のデータを格納する記憶手段としての記憶部41と、記憶部41に格納された第1異常判定値のデータと、デジタル演算部40のデジタル演算値とを比較することで異常を判定する異常判定回路16Aと、を備えている。
以上の構成を有する第2実施形態によれば、上記第1実施形態の奏する作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。
次に、本発明の第3実施形態に係る電源供給装置1Bを図9に基づいて説明する。
この電源供給装置1Bは、図2に示す上記第1実施形態に係る電源供給装置1において、乗算部25を有する電流変換回路14に代えて、電流検出回路13で検出した電流値から2乗電流値を演算するデジタル演算部(デジタル演算回路)70を有する電流変換回路14Aを用いている。
以上の構成を有する第3実施形態によれば、上記第1実施形態及び第2実施形態の奏する作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。
次に、本発明の第4実施形態に係る電源供給装置1を図2に基づいて説明する。この電源供給装置1の特徴は、以下の構成にある。
以上のように構成された第5実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
次に、本発明の第5実施形態に係る電源供給装置1Aを図2及び図8に基づいて説明する。
次に、本発明の第6実施形態に係る電源供給装置1を図2に基づいて説明する。この電源供給装置1の特徴は、以下の構成にある。
以上のように構成された第6実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
次に、本発明の第7実施形態に係る電源供給装置1Aを図2及び図8に基づいて説明する。
この電源供給装置1Aは、図2を用いて説明した上記第7実施形態に係る電源供給装置1において、電線11の過渡的な熱変動を忠実に表現する多段CR時定数回路により構成した熱等価回路15に代えて、熱等価手段として、電線11及び半導体スイッチ12の過渡的な熱変動をそれぞれ演算するデジタル演算部(デジタル演算回路)40により構成した熱等価回路15Aを用いている。
・上記第1実施形態において、熱等価回路15は、半導体スイッチ12の半導体限界過電流特性と電線11の電線限界過電流特性のうち、限界過電流値がより低い方に近い半導体スイッチ12の過渡的な熱変動特性を多段CR時定数回路により忠実に表現する構成にしても良い。この構成によれば、半導体限界過電流特性と電線限界過電流特性が異なる場合、例えば、図10に示すように断続ショートやパルス過電流発生時に半導体限界過電流特性41と電線限界過電流特性42が過渡状態から定常状態に移行する過程で交差する場合でも、電流遮断特性は、図10の曲線43で示すように、過渡状態では半導体限界過電流特性41に近い領域を通り、定常状態では電線限界過電流特性42に近い領域を通る。このため、過渡状態及び定常状態のいずれの状態でも、半導体スイッチ12と電線11のいずれ一方が限界温度に達する前に、半導体スイッチ12をオフ状態にして回路を遮断することができる。
2:バッテリ
3:電源入力端子
4:出力端子
5:制御信号入力端子
10:負荷
11:電線
12:半導体スイッチ
13:電流検出回路
14:電流変換回路
15,15A:熱等価回路
16,16A:異常判定回路
17:FET駆動回路
40:デジタル演算部(デジタル演算回路)
41:記憶手段としての記憶部
70:デジタル演算部(デジタル演算回路)
100:電気接続箱
Claims (10)
- 電源と負荷との間に接続される半導体スイッチと、
前記半導体スイッチと前記負荷との間の電線に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流値から、大きさが前記電流値の2乗に相当する2乗電流値を演算して出力する電流変換手段と、
前記2乗電流値を入力して前記半導体スイッチまたは前記電線の温度上昇の大きさに相当する温度上昇相当値もしくは温度に相当する温度相当値を出力する熱等価手段と、
前記温度上昇相当値もしくは前記温度相当値が、前記半導体スイッチの限界温度に基づき設定される第1異常判定値または前記電線の限界温度に基づき設定される第2異常判定値を超えたときに異常と判定する異常判定手段と、
前記異常判定手段により異常と判定されたときに前記半導体スイッチをオフ状態にする半導体スイッチ駆動手段と、を備え、
前記熱等価手段は、前記半導体スイッチの半導体限界過電流特性と前記電線の電線限界過電流特性のうち、限界過電流値がより低い方の限界過電流特性を超えずかつこれに近い前記半導体スイッチの過渡的な熱変動特性を表現するように構成されている
ことを特徴とする電源供給装置。 - 前記熱等価手段は、前記半導体スイッチ及び前記電線の少なくともいずれか一方における熱容量及び熱伝導に対応させてコンデンサ(C)と抵抗(R)とを組合わせたCR時定数回路で構成され、前記2乗電流値を入力して前記温度上昇相当値もしくは前記温度相当値を出力することを特徴とする請求項1に記載の電源供給装置。
- 前記CR時定数回路は、CとRを多段に組合わせて構成されていることを特徴とする請求項2に記載の電源供給装置。
- 前記CR時定数回路の定数及び前記異常判定値を調整することで、前記半導体スイッチをオフにして電流を遮断する電流遮断特性が任意に設定されることを特徴とする請求項3に記載の電源供給装置。
- 前記第1異常判定値または前記第2異常判定値のデータを格納する記憶手段を備え、
前記熱等価手段は、デジタル演算回路により構成され、前記異常判定手段は、前記記憶手段から前記第1異常判定値または前記第2異常判定値を読み込んで前記熱等価手段のデジタル演算値と比較することで異常を判定することを特徴とする請求項1に記載の電源供給装置。 - 前記電流変換手段は、デジタル演算回路により構成されていることを特徴とする請求項1または5に記載の電源供給装置。
- 前記熱等価手段は、前記デジタル演算回路の定数及び異常判定値を調整することで、前記半導体スイッチの電流遮断特性を任意に設定可能であることを特徴とする請求項5に記載の電源供給装置。
- 前記半導体スイッチは、半導体パッケージ及び基板の構成条件を調整することによって、過渡的な熱変動特性に基づく限界電流特性が前記電線の限界電流特性に略相似するように構成されており、
前記熱等価手段は、前記熱変動特性に基づいて前記温度上昇相当値もしくは前記温度相当値を出力することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の電源供給装置。 - 前記半導体スイッチは、半導体パッケージ及び基板の構成条件により該半導体スイッチの熱容量を調整することによって、負荷電流の過渡的な変動を許容する電流遮断特性を有していることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の電源供給装置。
- 電源と負荷との間に接続される半導体スイッチと前記負荷との間の電線に流れる電流を検出する工程と、
前記工程で検出した電流値から大きさが前記電流値の2乗に相当する2乗電流値を演算して出力する工程と、
前記2乗電流値を入力して前記半導体スイッチまたは前記電線の温度上昇の大きさに相当する温度上昇相当値もしくは温度に相当する温度相当値を出力する工程と、
前記温度上昇相当値もしくは前記温度相当値が、前記半導体スイッチの限界温度に基づき設定される第1異常判定値または前記電線の限界温度に基づき設定される第2異常判定値を超えたときに異常と判定する工程と、
異常と判定されたときに前記半導体スイッチをオフ状態にする工程と、を備え、
前記温度上昇相当値もしくは前記温度相当値を出力する工程では、前記半導体スイッチの半導体限界過電流特性と前記電線の電線限界過電流特性のうち、限界過電流値がより低い方の限界過電流特性を超えずかつこれに近い前記半導体スイッチの過渡的な熱変動特性を表現するように構成された手段を用いている
ことを特徴とする電源供給方法。
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