JP5778022B2 - 車両用電源供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載されたバッテリから負荷に電力を供給するための車両用電源供給装置に関し、特に電流保護特性を調整可能として冗長的な電力供給が可能な車両用電源供給装置に関する。

自動車には、ヘッドライト等の電気部品（負荷）が多数装荷されており、操作スイッチの操作等によって負荷に電力を供給／遮断する電源供給回路を収容したジャンクションボックス（電気接続箱）が複数搭載されている。ジャンクションボックスは、バッテリや操作スイッチ及び負荷等と電線（ハーネス）で接続されている。

電源供給回路には、操作スイッチ等の操作に従って、バッテリから供給される電力を負荷に供給／遮断するためのスイッチが複数設けられている。また、負荷、半導体スイッチ及び電線を過電流から保護するために、ヒューズ等の過電流保護素子が従来より設けられている。

近年、電源供給回路の小型化・高機能化が進められており、従来のヒューズに代えて半導体スイッチの過電流保護機能や過熱保護機能等を用いて電線を保護する電源供給回路が種々提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。半導体スイッチは、従来のメカニカルなヒューズやリレーに比べて高価であることから、低価格化を図る検討も進められている。

特許文献１に開示された技術では、半導体スイッチの温度を検出するのに温度検出手段（温度センサー）を用いており、検出された温度を用いて過電流を判断するためのコンパレータのリファレンス電位をシフトさせている。

また、特許文献２に開示された技術では、可変のセンス抵抗としてＭＯＳＦＥＴを用いており、これによりメインのＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間の電圧変化による特性変化（温度特性等の変化）に対し、特性変化をキャンセルしてメインＩＧＢＴのコレクタ電流がほぼ一定になるようにしている。

特開２０００−２９９６３１号公報 特開平１０−３２４７６号公報

しかしながら、特許文献１の従来技術では、温度センサーが必要となるだけでなく、ＣＰＵを用いて制御するため、ＡＤコンバータやメモリ等も必要になり、回路構成が複雑になってサイズが大きくなりコスト高となってしまう。また、ＣＰＵ演算による制御のため、制御サイクルやサンプリングレート等の影響を受け、リアルタイム性が低下してしまうといった問題もある。

また特許文献２の従来技術では、検出抵抗値がセンス抵抗のＭＯＳＦＥＴによるため、自由度が低く抵抗値も小さくなる。その結果、入出力電流値が大きくなって回路を損失させるおそれがある。また、温度特性に基づいて過電流保護の設定値を変更することはできない。

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、簡単な構成で温度特性の調整が容易な電流検出手段を備えるとともに、電流保護特性を調整可能として冗長的な電力供給が可能な車両用電源供給装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の車両用電源供給装置の第１の態様は、車両に搭載されたバッテリから負荷への電力供給をオン／オフする半導体スイッチと、前記半導体スイッチを流れる負荷電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部から前記負荷電流に相当するセンス電圧を入力して所定の遮断閾値と比較し、前記センス電圧が前記遮断閾値を超えているときに異常検出信号を出力する異常検出部と、前記半導体スイッチをオンまたはオフに駆動させるスイッチ駆動部と、所定の操作スイッチからの操作信号に従って前記半導体スイッチをオンまたはオフに駆動させるための制御信号を前記スイッチ駆動部に出力するとともに、前記異常検出部から前記異常検出信号を入力すると前記半導体スイッチをオフに駆動させるための制御信号を前記スイッチ駆動部に出力する制御部と、を具備する過電流保護回路を２以上備え、前記２以上の過電流保護回路のそれぞれの前記電流検出部と、前記異常検出部と、前記スイッチ駆動部と、前記制御部と、が１つのゲートドライバＩＣ上に形成され、さらに、前記半導体スイッチと、前記電流検出部と、前記異常検出部と、前記スイッチ駆動部と、前記制御部と、を具備するＩＰＳ（Intelligent Power Switch）回路を２以上備え、前記電流検出部が、前記半導体スイッチに近接させて配置されたリニア正温度係数素子を有していることを特徴とする。

本発明の車両用電源供給装置の他の態様は、前記半導体スイッチは、発生した熱を外部に放熱させるための放熱パターンを有し、前記リニア正温度係数素子が前記放熱パターン上に配置されていることを特徴とする。

本発明の車両用電源供給装置の他の態様は、前記放熱パターンは、前記リニア正温度係数素子が配置された位置からの放熱が抑制される形状に形成されていることを特徴とする。

本発明の車両用電源供給装置の他の態様は、前記異常検出部で使用される前記遮断閾値は、所定の過電流保護特性に基づいて決定されており、前記過電流保護特性の温度依存性が補償されるように、前記リニア正温度係数素子の温度係数値が選択されていることを特徴とする。

本発明の車両用電源供給装置の他の態様は、前記リニア正温度係数素子の温度係数値を、過電流保護の対象が有する温度特性と略等しくなるように選択することにより、前記過電流保護特性の温度依存性が補償されていることを特徴とする。

本発明の車両用電源供給装置の他の態様は、前記２以上のＩＰＳ回路に接続されたバックアップ制御回路を備え、前記ゲートドライバＩＣは、過熱を検出すると該ゲートドライバＩＣを停止させるＩＣ過熱検出部と、故障を検出すると該ゲートドライバＩＣを停止させる自己診断部と、を具備し、前記ＩＣ過熱検出部または前記自己診断部の作動により前記ゲートドライバＩＣが停止すると、前記バックアップ制御回路は、所定の前記ＩＰＳ回路を起動させて該ＩＰＳ回路の前記半導体スイッチをオンにすることを特徴とする。

本発明の車両用電源供給装置の他の態様は、前記バックアップ制御回路は、前記操作スイッチから前記操作信号を入力し、該操作信号がオンとなっている前記半導体スイッチを具備する前記ＩＰＳ回路を起動させることを特徴とする。

本発明の車両用電源供給装置の他の態様は、前記バックアップ制御回路は、前記ゲートドライバＩＣの停止により起動させる前記ＩＰＳ回路の前記異常検出部で使用される過電流保護特性を、電線限界過電流特性をカバーするように調整し、前記異常検出部は、前記調整された過電流保護特性に基づいて前記遮断閾値を決定することを特徴とする。

本発明の車両用電源供給装置の他の態様は、前記ＩＰＳ回路は、過熱保護手段を有して前記過電流保護回路に具備される前記半導体スイッチの近傍に配置され、いずれかの前記ＩＰＳ回路の前記過熱保護手段が過熱を検出すると、当該のＩＰＳ回路、又は当該のＩＰＳ回路を含む一部の前記ＩＰＳ回路、またはすべての前記ＩＰＳ回路を停止させることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で温度特性の調整が容易な電流検出手段を備えるとともに、電流保護特性を調整可能として冗長的な電力供給が可能な車両用電源供給装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る車両用電源供給装置の概略構成を示すブロック図である。 第１実施形態の車両用電源供給装置における過電流保護回路及びＩＰＳ回路の詳細な構成を示すブロック図である。 半導体スイッチと温度補償回路との位置関係を模式的に示す平面図である。 バックアップ制御回路によるバックアップ制御の一例を示す説明図である。 バックアップ制御回路により調整される過電流保護特性の一例を説明するためのグラフである。 本発明の第２実施形態に係る車両用電源供給装置の概略構成を示すブロック図である。 ＩＰＳ回路のＩＰＳ自己保護部を用いて過負荷状態を軽減させた一例を説明するためのグラフである。

本発明の好ましい実施の形態における車両用電源供給装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る車両用電源供給装置を、図１を用いて以下に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る車両用電源供給装置について、その概略構成を示すブロック図である。

本実施形態の車両用電源供給装置１００は、複数の過電流保護回路１０１と複数のＩＰＳ（Intelligent Power Switch）回路１０２を備えており、それぞれの回路はバッテリ１０からそれぞれに接続された負荷２０への電力供給をオン／オフするためのスイッチ１１０を有している。スイッチ１１０には、半導体スイッチが用いられている。以下では、過電流保護回路１０１に設けられた半導体スイッチ１１０とＩＰＳ回路１０２に設けられた半導体スイッチ１１０とを区別して説明するときは、前者をＩＣ側半導体スイッチ１１０ａとし後者をＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂとする。

過電流保護回路１０１は、ＩＣ側半導体スイッチ１１０ａのオン／オフを制御するとともに、ＩＣ側半導体スイッチ１１０ａの過電流を防止してこれを保護する機能を有している。過電流保護回路１０１は、ＩＣ側半導体スイッチ１1０ａ以外がゲートドライバＩＣ１０３上に設けられている。ゲートドライバＩＣ１０３は、複数の過電流保護回路１０１に加えて、バッテリ１０と各負荷２０とを接続する電源ラインの電線を保護するための電線保護部１６１と、自身の過熱を検出するためのＩＣ加熱検出部１６２と、それ自身の故障等を検出するためのＩＣ自己診断部１６３とを備えている。

一方、ＩＰＳ回路１０２は、ロジック制御が可能で自己保護機能や診断機能を持つことができるＩＰＤ（Intelligent Power Device）の１つである。また、本実施形態のＩＰＳ回路１０２は、それ自身の過熱等を検出して保護するＩＰＳ自己保護部１７１を有している。各ＩＰＳ回路１０２は、ゲートドライバＩＣ１０３が故障したときの処理を行うバックアップ制御回路１０４に接続されている。

車両用電源供給装置１００は、バッテリ１０から車両に搭載されている複数の負荷２０への電力供給を制御している。所定の負荷２０に電力を供給するために運転者等が所定の操作スイッチ（図示せず）をオンに操作すると、車両用電源供給装置１００では、操作スイッチからの操作信号３０に従って、バッテリ１０から所定の負荷２０への電源ラインに設けられた半導体スイッチ１１０がオンに制御される。また、所定の負荷２０への電力供給を停止するように操作スイッチ（図示せず）をオフに操作すると、操作スイッチからの操作信号３０に従って所定の半導体スイッチ１１０がオフに制御される。

次に、過電流保護回路１０１及びＩＰＳ回路１０２の詳細な構成を、図２を用いて詳細に説明する。図２（ａ）は、本実施形態の車両用電源供給装置１００における過電流保護回路１０１の詳細な構成を示すブロック図であり、図２（ｂ）は、ＩＰＳ回路１０２の詳細な構成を示すブロック図である。過電流保護回路１０１とＩＰＳ回路１０２は、ＩＰＳ回路１０２がＩＰＳ自己保護部１７１を有している点を除いて、同じ構成を有している。

過電流保護回路１０１及びＩＰＳ回路１０２は、半導体スイッチ１１０と、半導体スイッチ１１０を経由して負荷２０に供給される負荷電流（Ｉload）を検出する電流検出部１２０と、半導体スイッチ１１０における過電流や過熱を検出する異常検出部１３０と、異常検出部１３０で異常が検出されると半導体スイッチ１１０をオフに制御させる制御部１４０と、半導体スイッチ１１０のオン／オフを制御するスイッチ駆動部１５０と、を備えている。また、スイッチ駆動部１５０には、半導体スイッチ１１０をオンにするのに必要な電圧まで昇圧させるチャージポンプ１５１が接続されている。

半導体スイッチ１１０には、ｎチャネル形パワーＭＯＳＦＥＴが用いられている。半導体スイッチ１１０のドレイン端子側１１１がバッテリ１０に接続され、ソース端子側１１２が負荷２０に接続されている。また、ゲート端子１１３は、スイッチ駆動部１５０を介してチャージポンプ１５１に接続されている。スイッチ駆動部１５０でチャージポンプ１５１からゲート端子１１３に所定の駆動電圧を出力させるように制御されると、半導体スイッチ１１０がオンになってバッテリ１０から負荷２０に負荷電流（Ｉload）が流れる。一方、チャージポンプ１５１からゲート端子１１３に駆動電圧が入力されなくなると、半導体スイッチ１１０がオン状態からオフ状態に切り換わり、負荷２０への電力供給が停止される。

電流検出部１２０は、温度補償回路１２１、差動増幅器１２２、Ｐチャネル形ＭＯＳＦＥＴ１２３、及びＩ／Ｖ変換回路１２４を備えている。温度補償回路１２１は、温度によって抵抗値（Ｒs1とする）が変化する感温抵抗器で構成されており、一端（入力側）がバッテリ１０に接続され他端（出力側）が差動増幅器１２２の反転入力端子に接続されている。また、差動増幅器１２２の非反転入力端子は、半導体スイッチ１１０と負荷２０とを接続する電線に接続されている。さらに、差動増幅器１２２の出力端子はＰチャネル形ＭＯＳＦＥＴ１２３のゲート端子に接続されている。Ｐチャネル形ＭＯＳＦＥＴ１２３のドレイン端子及びソース端子は、それぞれ温度補償回路１２１の出力側及びＩ／Ｖ変換回路１２４に接続されている。

電流検出部１２０を上記のように構成することにより、半導体スイッチ１１０のソース端子側の電圧と温度補償回路１２１の出口側の電圧とが一致するように、Ｐチャネル形ＭＯＳＦＥＴ１２３を流れる電流Ｉｓが調整される。半導体スイッチ１１０のドレイン端子及び温度補償回路１２１の入力側は、ともにバッテリ１０に接続されていることから、電流Ｉｓは、半導体スイッチ１１０のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓと温度補償回路１２１の端子間電圧とが等しいときの電流値となる。すなわち、電流Ｉｓは、半導体スイッチ１１０に流れる負荷電流Ｉloadに比例する電流値を示し、その比例係数は半導体スイッチ１１０の抵抗値Ｒdsと温度補償回路１２１の抵抗値Ｒs1より与えられる。

上記のように、Ｐチャネル形ＭＯＳＦＥＴ１２３に流れる電流Ｉｓは負荷電流Ｉloadに比例することから、電流Ｉｓを用いて負荷電流Ｉloadを検出することができる。以下では、電流Ｉｓをセンス電流Ｉｓと称する。温度補償回路１２１の抵抗値Ｒs1が大きいほど、センス電流Ｉｓは小さくなる。センス電流Ｉｓは、Ｉ／Ｖ変換回路１２４で電圧に変換され、センス電圧Ｖｓとして異常検出部１３０に出力される。

異常検出部１３０は、比較器１３１を備えており、半導体スイッチ１１０における過電流や過熱を検出して保護する機能を有している。比較器１３１は２つの入力端子を有しており、一方の入力端子に電流検出部１２０からの出力であるセンス電圧Ｖｓが入力され、他方の入力端子に所定の遮断閾値Ｖrefが入力される。この遮断閾値Ｖrefは、これに相当する電流値が半導体スイッチ１１０の過電流保護特性を満たすように設定される。

比較器１３１は、センス電圧Ｖｓと遮断閾値Ｖrefとを比較し、センス電圧Ｖｓが遮断閾値Ｖrefより大きくなると、異常検出信号を制御部１４０に出力する。これにより、後述するように、当該の過電流保護回路１０１またはＩＰＳ回路１０２内の半導体スイッチ１１０が遮断される。

制御部１４０は、外部の操作スイッチから入力する操作信号３０に従って、スイッチ駆動部１５０に対して所定の制御信号を出力する。すなわち、操作スイッチから負荷２０の起動を要求する操作信号を入力すると、スイッチ駆動部１５０に対し半導体スイッチ１１０をオンにさせる制御信号を出力する。また、操作スイッチから負荷２０の停止を要求する操作信号３０を入力すると、スイッチ駆動部１５０に対し半導体スイッチ１１０をオフにさせる制御信号を出力する。制御部１４０はまた、異常検出部１３０から異常検出信号を入力し、これをスイッチ駆動部１５０に出力している。異常検出信号は、通常は異常不検出の信号が出力されており、異常検出部１３０で異常が検出されると、異常検出の信号に切り替えられる。

スイッチ駆動部１５０は、制御部１４０からスイッチ１１０をオフにさせる制御信号を入力しているときは、チャージポンプ１５１からの駆動電圧を半導体スイッチ１１０のゲート端子１１３に印加させない。これにより、半導体スイッチ１１０はオフの状態となり、バッテリ１０から負荷２０への電力供給が停止される。また、制御部１４０からスイッチ１１０をオンにさせる制御信号を入力し、かつ異常検出信号が異常不検出のときは、チャージポンプ１５１から半導体スイッチ１１０のゲート端子１１３に所定の駆動電圧を印加させる。これにより、半導体スイッチ１１０はオンの状態となり、バッテリ１０から負荷２０への電力供給が行われる。

半導体スイッチ１１０がオンの状態にあるとき、制御部１４０から入力している異常検出信号が異常不検出から異常検出に切り替わると、制御部１４０から入力する制御信号がスイッチ１１０をオンにさせる信号であっても、半導体スイッチ１１０をオフの状態に切り替える。これにより、バッテリ１０から負荷２０への電力供給が停止される。

上記構成の本実施形態の過電流保護回路１０１及びＩＰＳ回路１０２では、半導体スイッチ１１０の過電流や過熱を高精度に検出できるようにするために、半導体スイッチ１１０に流れる負荷電流Ｉloadが精度よく得られるようにすることが重要となる。そのためには、電流検出部１２０の温度補償回路１２１を流れるセンス電流Ｉｓと負荷電流Ｉloadとの関係がより正確に決定されている必要がある。センス電流Ｉｓと負荷電流Ｉloadとは、半導体スイッチ１１０の抵抗値Ｒdsと温度補償回路１２１の抵抗値Ｒs1とから決まる比例係数で比例する関係にある。

しかしながら、抵抗値Ｒdsは半導体スイッチ１１０の温度の影響を受け、抵抗値Ｒs1は温度補償回路１２１の温度の影響を受ける。そのため、半導体スイッチ１１０と温度補償回路１２１のそれぞれの温度条件が異なると、上記の比例係数が変化してしまい、センス電流Ｉｓから負荷電流Ｉloadを精度良く求めることができなくなってしまう。そこで、半導体スイッチ１１０の温度条件と温度補償回路１２１の温度条件を同等にする、あるいは両者の温度条件の差を補償することができる構成とするのが好ましい。このような構成を実現するために、本実施形態では温度補償回路１２１にリニア正温度係数素子（感温抵抗）を用いている。

リニア正温度係数素子は、抵抗値が周囲温度にほぼ比例して変化する抵抗器である。本実施形態では、リニア正温度係数素子を用いた温度補償回路１２１を半導体スイッチ１１０に熱結合させることで、半導体スイッチ１１０の温度変化をセンス電流Ｉｓに精度よく反映させるようにしている。

温度補償回路１２１を半導体スイッチ１１０に熱結合させるために、図３に一例を示すように、温度補償回路１２１を半導体スイッチ１１０に近接させて配置する。図３は、半導体スイッチ１１０と温度補償回路１２１との位置関係を模式的に示す平面図である。半導体スイッチ１１０は、基板１１６上に配置されている。また、半導体スイッチ１１０で発生した熱を外部に放出させるために半導体スイッチ１１０の周囲に放熱パターン１１５が形成されているが、半導体スイッチ１１０との熱結合をさらに高めるために、温度補償回路１２１を放熱パターン１１５上に配置するのがよい。なお、温度補償回路１２１の周辺での放熱を抑制するために、放熱パターン１１５のうち温度補償回路１２１が配置されている位置から外部に放熱させるためのパターン部分１１５ａについては、その形状を細くして伝熱しにくくするのがよい。

上記のように、温度補償回路１２１にリニア正温度係数素子（感温抵抗）を用いることで、電流検出部１２０の温度特性を簡単な構成（低コスト、小型）で改善することができる。また、温度補償回路１２１の回路構成が簡単なことから、温度特性のばらつきを低減することができる。本実施形態では、温度補償回路１２１を半導体スイッチ１１０に直接熱結合させていることから、半導体スイッチ１１０の温度を測定するための温度モニター等も必要としない。

さらに、温度補償回路１２１にリニア正温度係数素子（感温抵抗）を用いることで、半導体スイッチ１１０がオン状態のときの抵抗温度特性（以下では、ＦＥＴオン抵抗温度特性という）に対し、異常検出部１３０で用いる遮断閾値を決定するための過電流保護特性を調整することが可能となる。すなわち、感温抵抗の温度係数値を適切に選択することにより、過電流保護特性の温度特性（温度依存性）を、電線発煙特性、ヒューズ溶断、負荷特性、等の過電流を検出する対象に応じて最適に調整することが可能となる。

一例として、半導体スイッチ１１０を過電流保護の対象とするときは、半導体スイッチ１１０のＦＥＴオン抵抗温度特性と同程度の温度係数値（４５００〜６８００ppm/℃）を有する感温抵抗を温度補償回路１２１に用いるのがよい。これにより、半導体スイッチ１１０のＦＥＴオン抵抗温度特性が感温抵抗の温度特性で補償され、異常検出部１３０の遮断閾値を決定するための過電流保護特性を、ほぼ温度依存性のないものとすることができる。

また、電線限界過電流特性、負荷電流特性、あるいはヒューズ溶断特性等を過電流保護の対象とするときは、半導体スイッチ１１０のＦＥＴオン抵抗温度特性と温度補償回路１２１の感温抵抗の温度特性との差分が過電流保護対象の温度特性と同等になるように、感温特性の温度係数値（例えば、２５００〜４５００ppm/℃）を選択するのがよい。これにより、過電流保護対象の温度特性が補償されることになり、異常検出部１３０で用いる過電流保護特性をほぼ温度依存性のないものとすることができる。

温度補償回路１２１は、半導体スイッチ１１０の外部に取り付けられることから、その取付が容易であり、電線発煙特性、ヒューズ溶断、負荷特性等の温度特性に最適なものを選択して取り付けることが容易にできる。また、温度補償回路１２１の抵抗値Ｒs1を大きくすることで、センス電流Ｉｓを小さくするができる。さらに、過渡的（瞬時）な大電流が発生した場合でも、温度補償回路１２１への熱伝達に遅れがあるため、その間に保護機能を動作させることも可能となる。

上記のように構成された複数の過電流保護回路１０１は、ＩＣ側半導体スイッチ１１０ａを除いてゲートドライバＩＣ１０３上に形成されている。ゲートドライバＩＣ１０３は、それ自身の過熱を検出するためのＩＣ加熱検出部１６２と、それ自身の故障等を検出するためのＩＣ自己診断部１６３を備えている。そして、ＩＣ加熱検出部１６２でゲートドライバＩＣ１０３の過熱が検出されるか、あるいはＩＣ自己診断部１６３でゲートドライバＩＣ１０３の故障等が検出されると、ゲートドライバＩＣ１０３が停止される。その結果、すべての過電流保護回路１０１が停止され、それぞれのＩＣ側半導体スイッチ１１０ａがすべてオフ状態になる。

さらに、ＩＰＳ回路１０２もゲートドライバＩＣ１０３との間で、操作信号の入力や異常検出等の信号の入出力を行っている。そのため、ゲートドライバＩＣ１０３が停止するとＩＰＳ回路１０２もすべて停止し、それぞれのＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂがすべてオフ状態になる。その結果、バッテリ１０からの全出力シャットダウンの状態になってしまう。

全出力シャットダウンの状態になると、例えば安全走行に必要な負荷への電力供給も行われなくなり、極めて危険な状態になるおそれがある。そこで、本実施形態の車両用電源供給装置１００では、ゲートドライバＩＣ１０３とは別の、ＩＰＳ回路１０２側にバックアップ制御回路１０４を設け、ゲートドライバＩＣ１０３が停止したときに、ＩＰＳ回路１０２に接続された特定の負荷２０に電力供給を行わせるようにしている。バックアップ制御回路１０４は、ゲートドライバＩＣ１０３とは別に設けられていることから、ゲートドライバＩＣ１０３が停止したときも動作可能に構成することができる。

バックアップ制御回路１０４は、ゲートドライバＩＣ１０３のＩＣ加熱検出部１６２あるいはＩＣ自己診断部１６３からゲートドライバＩＣ１０３の故障情報を入力すると、外部操作スイッチからの操作信号３０に応じて所定のバックアップ制御を行う。すなわち、ゲートドライバＩＣ１０３の故障により全出力シャットダウンの状態になると、バックアップ制御回路１０４は、重要な負荷２０への電源ラインとなっているＩＰＳ回路１０２を起動させてＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂをオンにする。

バックアップ制御回路１０４によるバックアップ制御の一例を、図４を用いて以下に説明する。図４は、バックアップ制御回路１０４によるバックアップ制御の一例を示す説明図である。ここでは、負荷２０の一例として、夜間の走行に重要なヘッドランプを対象に説明する。２つのヘッドランプへの電力供給のオン／オフは、左側のヘッドランプ（Ｈ−ＬＰ Ｌ）に対してはＩＣ側半導体スイッチ１１０ａを用い、右側のヘッドランプ（Ｈ−ＬＰ Ｒ）に対してはＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂを用いるものとする。

ゲートドライバＩＣ１０３の停止によって全出力シャットダウンとなり、２つのヘッドランプへの電力供給も停止されると、ヘッドランプが左右両方とも消灯されて夜間の走行中の場合には極めて危険な状態となる。そこで、本実施形態では、ヘッドランプの操作スイッチの状態によらず（ヘッドランプが点灯されているか否かによらず）、ゲートドライバＩＣ１０３が停止したときは安全側に一方のヘッドランプを自動点灯させるようにする。バックアップ制御回路１０４を用いることで、ゲートドライバＩＣ１０３の故障時に負荷２０を安全側に動作させるようにすることが可能となる。なお、ここでは操作スイッチの状態によらず安全側にヘッドランプを自動点灯させる場合について説明するが、これに限定されず、操作スイッチの状態に応じて半導体スイッチ１１０をオンまたはオフにするようにしてもよい。

図４では、同図（ａ）にゲートドライバＩＣ１０３の状態、同図（ｂ）にヘッドランプの操作スイッチの状態、及び同図（ｃ）に左右のヘッドランプの点等状態、がそれぞれ示されている。ここでは、ゲートドライバＩＣ１０３が正常状態で、ヘッドランプの操作スイッチがオン状態にあって、左右のヘッドランプがともに点灯している状態からの動作を示している。

図４において、時刻ｔ１の時点でヘッドランプの操作スイッチをオンからオフに操作している。これにより、ヘッドランプは左右両方とも消灯する。その後、時刻ｔ２においてゲートドライバＩＣ１０３が故障して全出力シャットダウンが発生している。このとき、バックアップ制御回路１０４は安全側の動作として、右側のヘッドランプ（Ｈ−ＬＰ Ｒ）の電源を制御しているＩＰＳ回路１０２に対しオン操作の要求信号を出力する。これにより、当該ＩＰＳ回路１０２のＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂがオン状態となり、右側のヘッドランプ（Ｈ−ＬＰ Ｒ）のみが点灯される。

その後、時刻ｔ３においてゲートドライバＩＣ１０３が正常に復帰すると、バックアップ制御回路１０４からＩＰＳ回路１０２に出力されていたオン操作の要求信号が停止される。これにより、当該ＩＰＳ回路１０２は、操作スイッチからの操作信号に従ってＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂをオフにし、右側のヘッドランプが消灯される。ここでは、ヘッドランプの操作スイッチがオフ状態のときにゲートドライバＩＣ１０３が故障した場合を例に説明したが、ヘッドランプの操作スイッチがオン状態のときには、ゲートドライバＩＣ１０３の故障により左側のヘッドランプ（Ｈ−ＬＰ Ｌ）のみが消灯となり、ゲートドライバＩＣ１０３の正常復帰後は再び左右のヘッドランプが点灯される。

上記では、ゲートドライバＩＣ１０３の故障時は、安全側の動作として、バックアップ制御回路１０４がＩＰＳ１０２に対しオン操作の要求信号を出力して右側のヘッドランプを自動点灯させるものとしたが、これに限定されず、例えばバックアップ制御回路１０４が操作スイッチから操作信号を入力し、操作信号がオンのときに右側のヘッドランプを点灯させるようにしてもよい。

バックアップ制御回路１０４は、ゲートドライバＩＣ１０３の故障に伴って起動させるＩＰＳ回路１０２に対し、電源ライン（電線）の保護を兼ねた過電流検出を行わせるようにすることも可能である。これは、ＩＰＳ回路１０２の異常検出部１３０において遮断閾値を設定するのに用いる過電流保護特性が、電線限界過電流特性をカバーするように設定されることで可能となる。過電流保護特性を調整するにより、ゲートドライバＩＣ１０３が故障した場合には、一定の制約はあるものの、重要な負荷２０への電力供給を可能にするとともに、電線を保護することも可能となる。このように、バックアップ制御回路１０４により電源確保のための冗長性が高められるとともに、ゲートドライバＩＣ１０３故障に伴うリスクを軽減させることが可能となる。

ゲートドライバＩＣ１０３の故障時に、バックアップ制御回路１０４によりＩＰＳ回路１０２の異常検出部１３０で用いる過電流保護特性を調整させることにより、電源ライン（電線）の保護を兼ねた過電流検出が行われるようにした一例を、図５を用いて以下に説明する。図５は、バックアップ制御回路１０４により調整される過電流保護特性の一例を説明するためのグラフであり、横軸が経過時間を示し、縦軸が電流値を示している。同図では、電線発煙特性、電線保護特性、及びゲートドライバＩＣ１０３が正常時のＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂの過電流保護特性を、それぞれ符号５１、５２、５３で示している。

ゲートドライバＩＣ１０３が正常時には、ゲートドライバＩＣ１０３に設けられている電線保護部１６１において、電線の過電流を監視して保護している。すなわち、図５に示す電線発煙特性５１及び電線保護特性５２については、電線保護部１６１で監視が行われている。そのため、ゲートドライバＩＣ１０３が故障すると、電線保護部１６１による電線保護が行えなくなってしまう。そこで本実施形態では、バックアップ制御回路１０４からの指令により、ＩＰＳ回路１０２の異常検出部１３０で電線保護も行わせるように過電流保護特性を調整している。図５に示す一例では、ゲートドライバＩＣ１０３の故障に伴って、異常検出部１３０で用いる過電流保護特性を、符号５３で示すものから符号５４に示すものに変更している。

ゲートドライバＩＣ１０３が正常時の過電流保護特性５３は、ＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂの過電流保護を目的として設定されたものであり、比較的高い電流まで許容している。これに対し、電線発煙特性５１及び電線保護特性５２は、短時間の過電流に対しては高い電流まで許容しているものの、所定の時間経過後は許容される過電流を大幅に低減している。そのため、過電流保護特性５３で過電流を監視しているだけでは、過電流の経過時間が長くなると電線発煙特性５１及び電線保護特性５２を超過してしまい、電線を保護できなくなってしまうおそれがある。

そこで本実施形態では、過電流保護特性を符号５３で示すものから符号５４で示すものに変更することにより、過電流の時間が長くなっても電線発煙特性５１及び電線保護特性５２を超過させないようにしている。過電流保護特性５４に基づいて異常検出部１３０の遮断閾値を設定させることにより、短時間の過電流に対して低い電流値しか許容されなくなるものの、過電流の時間が長くなっても電線を保護することが可能となる。

本実施形態の車両用電源供給装置によれば、電流検出部１２０の温度補償回路１２１にリニア正温度係数素子（感温抵抗）を用いることで、簡単な構成で電流検出することが可能となる。また、リニア正温度係数素子の温度特性を適切に選択することで、異常検出部１３０で用いる過電流保護特性を好適に調整することができる。さらに、ゲートドライバＩＣ１０３の故障時には、ＩＰＳ回路１０２の異常検出部１３０で用いる過電流保護特性を電線の保護が可能となるように調整することができ、冗長的な電力供給が可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る車両用電源供給装置を、図６を用いて以下に説明する。図６は、本実施形態の車両用電源供給装置の概略構成を示すブロック図である。図６に示す本実施形態の車両用電源供給装置２００では、説明簡単のため１つの過電流保護回路１０１と１つのＩＰＳ回路１０２のみを記載しており、それ以外の過電流保護回路１０１及びＩＰＳ回路１０２の記載を省略している。

ゲートドライバＩＣ１０３のＩＣ加熱検出部１６２が作動して全出力シャットダウンとなるのは、過電流保護回路１０１のＩＣ側半導体スイッチ１１０ａやＩＰＳ回路１０２のＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂ等の発熱部位における温度上昇が主な原因である。このうち、ＩＰＳ回路１０２は、ＩＰＳ自己保護部１７１の機能の一つとして過熱保護機能を有しており、ＩＰＳ回路１０２の過熱を検出するとＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂをオフにして過熱を防止することができる。これに対し、ＩＣ側半導体スイッチ１１０ａによる過熱は、ＩＣ加熱検出部１６２で検出されるように構成されており、ＩＣ加熱検出部１６２で過熱が検出されると、当該のＩＣ側半導体スイッチ１１０ａだけでなく、すべての半導体スイッチ１１０がオフにされて全出力シャットダウンとなってしまう。

そこで、本実施形態の車両用電源供給装置２００では、ＩＰＳ自己保護部１７１を有するＩＰＳ回路１０２をＩＣ側半導体スイッチ１１０ａの近傍等に配置することにより、ＩＰＳ回路１０２の過熱だけでなく、近傍のＩＣ側半導体スイッチ１１０ａの過熱もＩＰＳ自己保護部１７１で検出できるようにしている。そして、ＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂまたはＩＣ側半導体スイッチ１１０ａによる過熱をＩＰＳ自己保護部１７１で検出すると、当該のＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂを停止させる。あるいは、すべてのＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂを停止させるようにしてもよい。これにより、車両用電源供給装置２００の過負荷状態を軽減してＩＣ加熱検出部１６２が作動しないようにする。

上記説明のように、本実施形態の車両用電源供給装置２００によれば、ゲートドライバＩＣ１０３のＩＣ加熱検出部１６２が作動して全出力シャットダウンとなる前に、ＩＰＳ回路１０２のＩＰＳ自己保護部１７１でＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂまたはＩＣ側半導体スイッチ１１０ａの過熱を検出させて当該またはすべてのＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂをオフにさせることにより、過負荷状態を軽減してＩＣ加熱検出部１６２を作動させないようにすることが可能となる。

本実施形態の車両用電源供給装置２００において、ＩＣ加熱検出部１６２による全出力シャットダウンが発生する前に、ＩＰＳ回路１０２のＩＰＳ自己保護部１７１を用いて過負荷状態を軽減させた一例を、図７を用いて以下に説明する。図７では、同図（ａ）に従来のＩＣ加熱検出部１６２による全出力シャットダウンの一例を示し、同図（ｂ）に本実施形態の車両用電源供給装置２００において過負荷状態が軽減される一例を示している。なお、符号６１はＩＣ加熱検出部１６２で過熱を検出するために用いられるＩＣ過熱保護動作ラインを示し、符号６２はＩＰＳ自己保護部１７１で過熱を検出するために用いられるＩＰＳ過熱保護動作ラインを示している。

同図（ａ）に示す従来例では、発熱源である半導体スイッチ１１０によりゲートドライバＩＣ１０３の温度６３が上昇し、その温度がＩＣ過熱保護動作ライン６１に達した経過時間ｔａの時点で、ＩＣ側半導体スイッチ１１０ａ及びＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂのすべてがオフにされている。これにより、全出力シャットダウンが発生する。

これに対し、同図（ｂ）に示す本実施形態の車両用電源供給装置２００では、経過時間ｔｂの時点で、特に温度上昇の大きいＩＰＳ回路１０２の温度６４がＩＰＳ過熱保護動作ライン６２に達したことをＩＰＳ自己保護部１７１が検出し、ＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂをすべてオフにしている。経過時間ｔｂは、図７（ａ）に示す経過時間ｔａよりも短い時間である。ここでは、過負荷状態に対する緩和効果を大きくするために、すべてのＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂをオフにするものとしているが、当該のＩＰＳ半導体スイッチ１１０ｂのみ、あるいはこれを含む一部のＩＰＳ半導体スイッチ１１０ｂをオフにするようにしてもよい。

すべてのＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂをオフにしたことにより過負荷状態が大幅に緩和されるが、ここではＩＣ側半導体スイッチ１１０ａによる発熱が大きく、ゲートドライバＩＣ１０３の温度６５がさらに上昇するものとしている。そして、経過時間ｔｃの時点でＩＣ加熱検出部１６２が過熱を検出し、ＩＣ側半導体スイッチ１１０ａをすべてオフにして全出力シャットダウンとしている。しかしながら、全出力シャットダウンが発生するまでの経過時間ｔｃは、従来例の経過時間ｔａより大幅に延長される。その結果、経過時間ｔｃに達するまでに全出力シャットダウンを回避するための適切な処理を行う余裕が与えられる。

本実施形態の車両用電源供給装置２００によれば、ＩＰＳ自己保護部１７１を有するＩＰＳ回路１０２をＩＣ側半導体スイッチ１１０ａの近傍に配置することにより、ＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂによる過熱だけでなく、ＩＣ側半導体スイッチ１１０ａによる過熱もＩＰＳ自己保護部１７１を用いて検出することができ、過熱を検出するとＩＰＳ側半導体スイッチ１１０ｂの一部またはすべてをオフにして過負荷状態を緩和することが可能となる。これにより、全出力シャットダウンの発生を回避、または遅らせることが可能となる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る車両用電源供給装置の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における車両用電源供給装置の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１０ バッテリ
２０ 負荷
３０ 操作信号
１００ 車両用電源供給装置
１０１ 過電流保護回路
１０２ ＩＰＳ回路
１０３ ゲートドライバＩＣ
１０４ バックアップ制御回路
１１０ 半導体スイッチ
１１１ ドレイン端子
１１２ ソース端子
１１３ ゲート端子
１１５ 放熱パターン
１１６ 基板
１２０ 電流検出部
１２１ 温度補償回路
１２２ 差動増幅器
１２３ Ｐチャネル形ＭＯＳＦＥＴ
１２４ Ｉ／Ｖ変換回路
１３０ 異常検出部
１３１ 過電流検出手段
１３２ 過熱検出手段
１４０ 制御部
１５０ スイッチ駆動部
１５１ チャージポンプ
１６１ 電線保護部
１６２ ＩＣ加熱検出部
１６３ ＩＣ自己診断部
１７１ ＩＰＳ自己保護部

Claims (9)

1. 車両に搭載されたバッテリから負荷への電力供給をオン／オフする半導体スイッチと、
   前記半導体スイッチを流れる負荷電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部から前記負荷電流に相当するセンス電圧を入力して所定の遮断閾値と比較し、前記センス電圧が前記遮断閾値を超えているときに異常検出信号を出力する異常検出部と、
   前記半導体スイッチをオンまたはオフに駆動させるスイッチ駆動部と、
   所定の操作スイッチからの操作信号に従って前記半導体スイッチをオンまたはオフに駆動させるための制御信号を前記スイッチ駆動部に出力するとともに、前記異常検出部から前記異常検出信号を入力すると前記半導体スイッチをオフに駆動させるための制御信号を前記スイッチ駆動部に出力する制御部と、
   を具備する過電流保護回路を２以上備え、
   前記２以上の過電流保護回路のそれぞれの前記電流検出部と、前記異常検出部と、前記スイッチ駆動部と、前記制御部と、が１つのゲートドライバＩＣ上に形成され、
   さらに、前記半導体スイッチと、前記電流検出部と、前記異常検出部と、前記スイッチ駆動部と、前記制御部と、を具備するＩＰＳ（Intelligent Power Switch）回路を２以上備え、
   前記電流検出部が、前記半導体スイッチに近接させて配置されたリニア正温度係数素子を有している
   ことを特徴とする車両用電源供給装置。
2. 前記半導体スイッチは、発生した熱を外部に放熱させるための放熱パターンを有し、前記リニア正温度係数素子が前記放熱パターン上に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両用電源供給装置。
3. 前記放熱パターンは、前記リニア正温度係数素子が配置された位置からの放熱が抑制される形状に形成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の車両用電源供給装置。
4. 前記異常検出部で使用される前記遮断閾値は、所定の過電流保護特性に基づいて決定されており、
   前記過電流保護特性の温度依存性が補償されるように、前記リニア正温度係数素子の温度係数値が選択されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の車両用電源供給装置。
5. 前記リニア正温度係数素子の温度係数値を、過電流保護の対象が有する温度特性と略等しくなるように選択することにより、前記過電流保護特性の温度依存性が補償されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の車両用電源供給装置。
6. 前記２以上のＩＰＳ回路に接続されたバックアップ制御回路を備え、
   前記ゲートドライバＩＣは、過熱を検出すると該ゲートドライバＩＣを停止させるＩＣ過熱検出部と、故障を検出すると該ゲートドライバＩＣを停止させる自己診断部と、を具備し、
   前記ＩＣ過熱検出部または前記自己診断部の作動により前記ゲートドライバＩＣを停止すると、前記バックアップ制御回路は、所定の前記ＩＰＳ回路を起動させて該ＩＰＳ回路の前記半導体スイッチをオンにする
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の車両用電源供給装置。
7. 前記バックアップ制御回路は、前記操作スイッチから前記操作信号を入力し、該操作信号がオンとなっている前記半導体スイッチを具備する前記ＩＰＳ回路を起動させる
   ことを特徴とする請求項６に記載の車両用電源供給装置。
8. 前記バックアップ制御回路は、前記ゲートドライバＩＣの停止により起動させる前記ＩＰＳ回路の前記異常検出部で使用される過電流保護特性を、電線限界過電流特性をカバーするように調整し、
   前記異常検出部は、前記調整された過電流保護特性に基づいて前記遮断閾値を決定する
   ことを特徴とする請求項６または７に記載の車両用電源供給装置。
9. 前記ＩＰＳ回路は、過熱保護手段を有して前記過電流保護回路に具備される前記半導体スイッチの近傍に配置され、いずれかの前記ＩＰＳ回路の前記過熱保護手段が過熱を検出すると、当該のＩＰＳ回路、又は当該のＩＰＳ回路を含む一部の前記ＩＰＳ回路、またはすべての前記ＩＰＳ回路を停止させる
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の車両用電源供給装置。

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