JP5944729B2 - 通電回路の保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載される負荷に電力を供給する通電回路に過電流が流れた際に、即時に回路を遮断して通電回路を保護する通電回路の保護装置に関する。

車両に搭載される負荷を制御する制御装置は、負荷に過電流が流れた際にいち早く回路を遮断するために保護回路が搭載されている。このような保護回路の従来例として、例えば、特開２００９−１３０９４４号公報（特許文献１）に記載されたものが知られている。該特許文献１では、負荷に流れる電流値に基づいて通電回路（負荷と電源を接続する電線、及びスイッチ）の発熱量及び放熱量を算出し、更に、周囲温度を測定して通電回路の温度を推定し、推定温度が所定の閾値に達した場合に通電回路を遮断して、負荷に接続される回路を保護することが開示されている。

しかし、このような従来の保護回路では、半導体スイッチをＰＷＭ制御して負荷を駆動する際に、推定温度に誤差が生じている場合には電線加熱時に適切に半導体スイッチを遮断できない場合がある。以下、これを図４に示すタイミングチャートを参照して説明する。

図４において、（ａ）は温度を推定するサンプリング周期を示し、（ｂ）はＰＷＭ駆動による半導体スイッチのオン、オフタイミングを示し、（ｃ）は電線に流れる電流を示している。すると、電線温度は曲線Ｐ１１に示すように、オンデューティ時には上昇し、オフデューティ時に下降することを繰り返す。つまり、半導体スイッチがオンとなると電線温度が上昇し、オフとなると電線温度が下降に転じ、これを繰り返すように電線温度が変化する。

ここで、電線温度の推定に誤差が生じると、図４の曲線Ｐ１２に示すように、推定温度が実際の電線温度よりも低い数値を示す場合があり、実際の電線温度（曲線Ｐ１１）が閾値温度Ｔthを上回っているにも拘わらず、推定温度（曲線Ｐ１２）が閾値温度Ｔthを上回らないことがあり、この場合には半導体スイッチを遮断することができない。このため、電線の温度が閾値温度Ｔthを超えて上昇してしまうという問題が発生する。

特開２００９−１３０９４４号公報

上述したように、従来における通電回路の保護装置では、電線に流れる電流値と通電時間に基づいて上昇温度、及び下降温度を求め、この上昇温度、及び下降温度に基づいて、電線温度を推定するので、半導体スイッチをＰＷＭ制御して負荷を駆動する場合には、推定温度に誤差が生じている際に、電線温度が閾値温度Ｔthを上回っているにも拘わらず、半導体スイッチを遮断することができないという問題があった。

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、半導体スイッチをＰＷＭ駆動して負荷の駆動を制御する回路の加熱を確実に検出して、通電回路を遮断することが可能な通電回路の保護装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、電源と負荷を接続する通電回路を発熱から保護する通電回路の保護装置において、前記通電回路に設けられ、前記負荷の駆動、停止を切り替える半導体スイッチと、前記通電回路に流れる電流を検出する電流検出手段と、駆動入力信号が与えられた際に、前記半導体スイッチを駆動する駆動手段と、前記通電回路に流れる電流、及び通電時間に基づいて前記通電回路の電線温度を推定する温度推定手段と、前記温度推定手段にて前記通電回路の推定温度が予め設定した閾値温度を上回った際に、前記半導体スイッチにオフ指令を出力する異常判定手段と、前記電流検出手段で検出される電流値が、予め設定した閾値電流を上回ったと判定されるとＰＷＭ駆動指令信号に代えてＤＣ駆動指令信号を出力する過電流判定手段と、を備え、前記駆動手段は、前記駆動入力信号とともに前記過電流判定手段から前記ＤＣ駆動指令信号が与えられた際に、前記半導体スイッチをＰＷＭ駆動からＤＣ駆動に変更することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記駆動手段は、前記過電流判定手段にて前記電流値が前記閾値電流を上回り、その後、前記閾値電流を下回った場合に、前記ＤＣ駆動指令信号に代えて前記ＰＷＭ駆動指令信号が与えられて、前記半導体スイッチを前記ＤＣ駆動からＰＷＭ駆動に戻すことを特徴とする。

本発明に係る通電回路の保護装置では、電源と負荷を接続する回路に設けられる半導体スイッチをＰＷＭ駆動して負荷を駆動する際に、負荷に流れる電流が閾値温度を上回った際に、半導体スイッチをＰＷＭ駆動からＤＣ駆動に切り替えるので、過電流が発生した場合には温度推定手段による推定温度が閾値温度を上回り、半導体スイッチを遮断するので、通電回路を確実に保護することができる。

また、負荷に流れる電流値が閾値電流を下回った場合には、半導体スイッチがＤＣ駆動からＰＷＭ駆動に切り替わるように制御されるので、スイッチ投入時の突入電流やノイズの影響を受けることを防止できる。

本発明の一実施形態に係る通電回路の保護装置を含む負荷駆動回路の構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る通電回路の保護装置の、処理動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る通電回路の保護装置の、各信号の変化を示すタイミングチャートである。 従来における通電回路の保護装置の、各信号の変化を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［構成説明］
図１は、本発明の一実施形態に係る通電回路の保護装置が採用された負荷駆動装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、この負荷駆動装置１００は、電源ＶＢと負荷ＲＬとの間に設けられ、負荷の駆動、停止を切り替える半導体デバイス１１と、該半導体デバイス１１のオン、オフを制御する制御回路１２から構成されている。

半導体デバイス１１は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチを備えており、制御回路１２より出力されるＰＷＭ信号により作動して負荷ＲＬに電力を供給する。また、半導体デバイス１１は、例えばシャント抵抗等の電流センサ１１ａを備えており、該電流センサ１１ａにて検出される電流信号を制御回路１２に出力する。

制御回路１２は、外部機器と接続する３つの接続端子Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３を備えており、更に、駆動信号生成部２１と、電線温度推定部２２と、異常判定部２３と、過電流判定部２４と、反転回路２５と、アンド回路２６を備えている。

駆動信号生成部２１は、外部スイッチ等により入力信号が与えられた際に、ＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号をアンド回路２６に出力する。また、過電流判定部２４よりＤＣ駆動指令信号が供給された場合には、ＰＷＭ信号をＤＣ信号（直流信号）に変更し、このＤＣ信号をアンド回路２６に出力する。

電線温度推定部２２は、半導体デバイス１１に設けられる電流センサ１１ａで検出される電流値、及び電流の通電時間に基づいて、後述する手法により通電回路の電線温度を推定する。

異常判定部２３は、電線温度推定部２２で推定される電線温度が予め設定した閾値温度を上回った場合に、温度異常信号を出力する。即ち、出力信号を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変更する。反転回路２５は、入力された信号を反転して出力する。即ち、異常判定部２３より温度異常信号として「Ｈ」レベルの信号が出力された場合には、これを「Ｌ」レベルに反転して出力する。

過電流判定部２４は、電流センサ１１ａで検出される電流値が予め設定された閾値電流を上回った場合に、駆動信号生成部２１にＤＣ駆動指令信号を出力する。

アンド回路２６は、駆動信号生成部２１の出力信号、及び反転回路２５の出力信号が共に「Ｈ」レベルの場合に「Ｈ」レベルの出力信号を出力する。

［電線温度の推定処理］
次に、上述した電線温度推定部２２における電線温度の推定処理について説明する。初めに、温度の上昇の算出について説明する。負荷ＲＬに接続される電線に電流が流れている場合には、下記の（１）式により電線で消費されるエネルギー（Ｐｃin）を求めることができる。

Ｐｃin＝ｒｃ×Ｉ ² …（１）
但し、ｒｃは電線Ｗ１の導体抵抗［Ω］、Ｉは通電電流［Ａ］である。

また、下記の（２）式により電線より放出されるエネルギー（Ｐｃout）を求めることができる。

Ｐｃout＝Ｑｃ(n-1)／（Ｃth×Ｒth） …（２）
ここで、Ｒthは電線の熱抵抗、Ｃthは電線の熱容量、Ｑｃ(n-1)は前回のサンプリング時における電線の熱量である。

更に、上記（１）、（２）式に基づいてこれらの差分（Ｐｃin−Ｐｃout）を求め、サンプリング時間Δｔを乗じることにより、このサンプリング時間における電線の発熱量、または放熱量を求めることができる。従って、下記の（３）式により、現時点での電線に蓄積されている熱量Ｑｃ(n)を求めることができる。

Ｑｃ(n)＝Ｑｃ(n-1)＋（Ｐｃin−Ｐｃout）×Δｔ …（３）
また、（３）式で求められた熱量Ｑｃ(n)を電線の熱容量Ｃthで除することにより、電線の上昇温度ΔＴを求めることができる。即ち、下記の（４）式で上昇温度ΔＴが求められる。

ΔＴ＝Ｑｃ(n)／Ｃth …（４）
そして、前回のサンプリング時間で求めた推定温度Ｔ１（初期的には周囲温度）に対して、（４）式で求めたΔＴを加算することにより、今回の推定温度Ｔ２を求めることができる。

［動作説明］
次に、上述のように構成された本実施形態の作用を、図２に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、図２に示すステップＳ１１において、駆動信号生成部２１は、入力信号がオンであるか否かを判定する。そして、入力信号がオフの場合には（ステップＳ１１でＮＯ）、ステップＳ１５において、駆動信号をオフとする。即ち、駆動信号を出力しない（出力を「Ｌ」レベルとする）。

また、入力信号がオンの場合には（ステップＳ１１でＹＥＳ）、過電流判定部２４は、電流センサ１１ａで検出される電流値に基づき、電線に流れている電流が閾値電流を上回っているか否かを判定する。そして、過電流が流れていないと判断された場合には（ステップＳ１２でＮＯ）、ステップＳ１３において、ＰＷＭ信号の出力指令を駆動信号生成部２１に出力する。即ち、負荷回路の電線に流れる電流が通常電流である場合には、半導体デバイス１１をＰＷＭ制御して負荷ＲＬを駆動する。

負荷回路に過電流が流れていると判断された場合には（ステップＳ１２でＹＥＳ）、ステップＳ１４において、過電流判定部２４は、ＤＣ信号の出力指令を駆動信号生成部２１に出力する。これにより、駆動信号生成部２１より出力される駆動信号は、ＰＷＭ信号からＤＣ信号に切り替えられる。その結果、半導体デバイス１１はＤＣ駆動、即ち、常時オン状態となって、負荷ＲＬに電力を供給する。

次に、上述した動作を図３に示すタイミングチャートを参照して説明する。図３に示す（ａ）は制御回路１２のサンプリング周期を示し、（ｂ）は半導体デバイス１１のオン、オフ信号を示し、（ｃ）は負荷回路に流れる電流値を示し、（ｄ）は電線温度推定部２２で推定される電線温度を示している。

いま、駆動信号生成部２１よりＰＷＭ信号が出力され、半導体デバイスがＰＷＭ駆動されている場合には、時刻ｔ１にて図３（ｂ）に示すように、半導体デバイス１１がオンとなる。これに伴い、図３（ｃ）に示すように、負荷回路の電線に電流が流れる。この際、負荷回路に流れる電流値が予め設定された閾値電流Ｉthを上回ると、図１に示す過電流判定部２４にて過電流が流れたことが検出され、駆動信号生成部２１は、出力信号をＰＷＭ信号からＤＣ信号に変更する。

これにより、半導体デバイス１１は、ＤＣ駆動される。従って、ＰＷＭ駆動が継続された場合には、時刻ｔ３で半導体デバイス１１はオフとなるところが、ＤＣ駆動に切り替えられたことにより、時刻ｔ３でオン状態が継続されることになる。

一方、電線温度推定部２２では、時刻ｔ１の後のサンプリング周期となる時刻ｔ２で電線の温度推定が開始され、図３（ｄ）に示すように、推定温度が徐々に上昇する。そして、時刻ｔ３を経過しても更に推定温度が上昇し、時刻ｔ４にて閾値温度Ｔthに達する。その結果、異常判定部２３は、電線の温度異常を検出し、出力信号を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変更する。

その結果、アンド回路２６の出力信号は「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに切り替わり、半導体デバイス１１はオフとなる。このように、負荷回路に流れる電流値が閾値電流Ｉthを上回ったことが過電流判定部２４にて検出された際には、半導体デバイス１１をＰＷＭ駆動からＤＣ駆動に変更するので、電線温度推定部２２で推定される電線温度が上昇を続け、閾値温度Ｔthに達して半導体デバイス１１を遮断することができる。

また、電流センサ１１ａで検出される電流値が低下し、閾値電流Ｉthを下回った場合には、過電流判定部２４は、駆動信号生成部２１に出力する信号をＤＣ駆動指令からＰＷＭ駆動指令に変更するので、半導体デバイス１１は再度ＰＷＭ駆動に切り替えられ、通常の動作で負荷ＲＬを駆動することができる。

このようにして、本実施形態に係る通電回路の制御装置では、電流センサ１１ａにて通電回路に流れる電流を検出し、この電流値が閾値電流Ｉthを上回った場合には、半導体デバイス１１をＤＣ駆動させる。従って、従来のように、電線温度推定部２２により推定される電線温度と実際の電線温度との間に誤差が生じている場合であっても、時間経過と共に電線の推定温度が上昇し、閾値温度Ｔthを上回るので、半導体デバイス１１を確実に遮断することができ、通電回路、及び負荷ＲＬを加熱から保護することができる。

このため、例えば通電回路にデッドショートが発生した場合には、電線の推定温度が算出されて半導体デバイス１１を遮断するので、通電回路をデッドショートによる発熱から保護することが可能となる。

また、過電流が流れた際にはＤＣ駆動に切り替えるので、過電流状態での半導体デバイス１１のスイッチング回数を低減することができ、デバイスへのダメージを軽減することができる。

更に、半導体デバイス１１をＤＣ駆動に変更した後、電線の推定温度が閾値温度Ｔthを上回る前に、電流値が低下して閾値電流Ｉthを下回った場合には、半導体デバイス１１を再度ＰＷＭ駆動に変更するので、通常の駆動に戻すことができる。従って、半導体デバイス１１をオンとする際に突入電流が発生する場合や、ノイズ等の、短時間の過電流では遮断されず、一旦はＤＣ駆動になるものの、その後ＰＷＭ駆動に戻るので誤遮断することなく半導体デバイス１１を駆動させることができる。

以上、本発明の通電回路の保護装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明は、負荷を駆動する回路を加熱から保護することに利用することができる。

１１ 半導体デバイス
１１ａ 電流センサ
１２ 制御回路
２１ 駆動信号生成部
２２ 電線温度推定部
２３ 異常判定部
２４ 過電流判定部
２５ 反転回路
２６ アンド回路
１００ 負荷駆動装置

Claims (2)

1. 電源と負荷を接続する通電回路を発熱から保護する通電回路の保護装置において、
   前記通電回路に設けられ、前記負荷の駆動、停止を切り替える半導体スイッチと、
   前記通電回路に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   駆動入力信号が与えられた際に、前記半導体スイッチを駆動する駆動手段と、
   前記通電回路に流れる電流、及び通電時間に基づいて前記通電回路の電線温度を推定する温度推定手段と、
   前記温度推定手段にて前記通電回路の推定温度が予め設定した閾値温度を上回った際に、前記半導体スイッチにオフ指令を出力する異常判定手段と、
   前記電流検出手段で検出される電流値が、予め設定した閾値電流を上回ったと判定されるとＰＷＭ駆動指令信号に代えてＤＣ駆動指令信号を出力する過電流判定手段と、を備え、
   前記駆動手段は、前記駆動入力信号とともに前記過電流判定手段から前記ＤＣ駆動指令信号が与えられた際に、前記半導体スイッチをＰＷＭ駆動からＤＣ駆動に変更する
   ことを特徴とする通電回路の保護装置。
2. 前記駆動手段は、前記過電流判定手段にて前記電流値が前記閾値電流を上回り、その後、前記閾値電流を下回った場合に、前記ＤＣ駆動指令信号に代えて前記ＰＷＭ駆動指令信号が与えられて、前記半導体スイッチを前記ＤＣ駆動からＰＷＭ駆動に戻すことを特徴とする請求項１に記載の通電回路の保護装置。

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