JP5982632B2

JP5982632B2 - 車載用電源回路およびそれを用いた車載電源ユニット

Info

Publication number: JP5982632B2
Application number: JP2012079151A
Authority: JP
Inventors: 和義高松; 高橋　英樹; 英樹高橋; 政富美中村
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013211959A

Description

本発明は車載用途の電源回路において、蓄電池の逆接続や誤接続から回路を保護する車載用電源回路およびそれを用いた車載電源ユニットに関するものである。

従来の車載用途における電源回路は、図３の電子回路の接続図に示すように、例えば蓄電池１と電子制御ユニット２との間にダイオード３が接続され、電子制御ユニット２の出力側に負荷４を接続するとともにダイオード３のアノード側が蓄電池１の正電極側へ接続されるものであった。

一般的に、蓄電池１は長期間にわたって使用されたことなどによって、その出力が十分に得られなくなった場合に、新しい蓄電池１へと交換することで電子回路５の正常な動作を維持させるようにするものである。そこで、蓄電池１の交換を行うにあたっては、蓄電池１の電子回路５への接続を誤って逆方向に接続してしまうこともあるため、仮に蓄電池１を逆極性の接続とした場合はダイオード３によって、正常な極性接続を行った際に流れる本来の電流方向とは逆方向に流れようとする電流を遮断させる、この動作によって電子回路５全体あるいは電子制御ユニット２を保護させるものであった。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては例えば特許文献１が知られている。

特開２００９−１００５１９号公報

しかしながら従来の保護回路では、順方向に蓄電池１から電力が供給される場合、つまり、正常な極性の接続とした場合には常にダイオード３において約０．７（Ｖ）の電位降下による電力損失を伴うこととなるため、特に車載用途で大電流を必要とする機器の場合は大きな電流の供給が要求されるため、電源としての電力効率の低下が回避できないものであった。

そこで本発明は、電力効率の低下を伴わずに適切な回路保護を行うことを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために本発明の車載用電源回路は、蓄電池と、この蓄電池に接続されたヒューズと、このヒューズに接続された、チョークコイルとスイッチング素子とからなる直列接続体と、前記チョークコイルと前記スイッチング素子との接続点に接続された整流平滑回路と、この整流平滑回路に接続した出力端子と、前記スイッチング素子を制御する制御回路とを備え、前記スイッチング素子には前記スイッチング素子のドレイン・ソース間に接続されたダイオードを前記チョークコイルとの接続側をカソード側として形成し、前記蓄電池の負電極が前記ヒューズ側に接続された際には、前記ダイオードと前記チョークコイルと前記ヒューズとが直列接続で通電状態とされることにより前記ヒューズが切断され、前記直列接続体と前記整流平滑回路と前記制御回路とが保護されることを特徴としたものである。

本発明によれば、蓄電池の正電極をヒューズ側に接続した正常接続の一般状態においての電力損失を抑制するものであるとともに、蓄電池の誤接続を行った際においての電源回路の特に逆電圧に脆弱な制御ユニット部や制御素子などの保護を可能とするものである。

本発明の一実施形態の車載用電源回路の回路ブロック図本発明の一実施形態の車載電源ユニットのブロック図従来の電源回路のブロック図

以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明実施の形態における電源回路の構成を示す回路ブロック図である。蓄電池６の一方側の電極６ａはヒューズ７の一端側に接続されており、このヒューズ７の他端側には電解コンデンサ８と、この電解コンデンサ８に並列に設けられた、チョークコイル９とスイッチング素子１０とからなる直列接続体１１とが接続されている。また、チョークコイル９とスイッチング素子１０との間の接続点には整流平滑回路１２が接続されており、この整流平滑回路１２に接続された出力端子１３から負荷１４へと直流電圧が加えられることとなっている。

ここで、整流平滑回路１２は、チョークコイル９とスイッチング素子１０との接続点にそのアノード側を接続した整流ダイオード１５と、整流ダイオード１５のカソード側に負荷１４と並列接続として設けた平滑コンデンサ１６とによって構成されている。

なお、この電源回路を車載用途に適用する場合、ヒューズ７と電解コンデンサ８との接続点となる入力端子１７と出力端子１３との間の部分が電源機能部１８に準じた機能を果たすこととなる。ここでは、負荷１４への電力の供給、つまり、出力端子１３と負荷１４との接続は必要に応じて適宜行われるものである。

また、スイッチング素子１０には制御回路１９が接続されており、これは出力電圧もしくは出力電流を制御するものである。また、電源機能部１８に設けられた制御端子２０にＯＮ／ＯＦＦ信号を与えることによって、制御回路１９がＯＮ／ＯＦＦ制御される状態としても構わない。

そして、スイッチング素子１０にはこのスイッチング素子１０のドレイン・ソース間に接続されるダイオード２１を、ドレイン側のチョークコイル９との接続側をカソード側、ソース側の接地側をアノード側として設けている。あるいはドレイン・ソース間に寄生してダイオード２１が存在するスイッチング素子１０を、チョークコイル９との接続側をドレイン側にカソード側として、接地側をソース側にアノード側として設けている。このダイオード２１はスイッチング素子１０に電界効果型トランジスタを用いた場合に形成されることとなる寄生ダイオードを用いても、あるいはスイッチング素子１０の外部に接続されるもののいずれであっても構わない。

次に、この電源回路の動作について説明する。蓄電池６の一方側の電極６ａに蓄電池６の正電極を接続させた場合、つまり正常なあるべき状態での接続を行った場合、蓄電池６から供給されたエネルギーはチョークコイル９に加えられることともに、スイッチング素子１０のスイッチング動作によって電圧の変換が行われ、出力端子１３と負荷１４とが接続されると整流平滑回路１２を通じて負荷１４へ直流電圧が加えられる。

その一方で、車両のように蓄電池６を比較的頻繁に交換し、かつ、その交換時に接続を誤る可能性があるもので、その接続を誤って蓄電池６の一方側の電極６ａに蓄電池６の負電極を接続させた場合の動作を説明する。ここで、蓄電池６の一方側の電極６ａに蓄電池６の負電極を接続させると、電源回路全体に流れる電流としては、蓄電池６、ヒューズ７、チョークコイル９およびダイオード２１からなる直接接続の閉じた回路が形成されることとなり、つまりダイオード２１に順方向バイアスが印加されることにより電位の高い方向からとなるＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ｈへと電流が流れることとなる。そして、直流電流に対して短絡状態であるこの閉回路には蓄電池６から大きなエネルギーが供給されるために瞬間的に大電流が流れることとなる。これに対してはヒューズ７が反応して回路を遮断することで、短絡状態から開放されることとなる。

以上の構成およびそれに対する動作により、蓄電池６の接続における電極の方向を誤った場合であっても、電解コンデンサ８や平滑コンデンサ１６やスイッチング素子１０や制御回路１９をはじめとするヒューズ７よりも下流側へ接続した回路やデバイスに対し、これらを破壊する水準の逆電圧は加えられることがなく、当然ながら制御端子２０を通じて外部へその電力が洩れることもない。従って、電源回路全体や特に逆電圧に脆弱な特性を有する電源機能部１８の制御回路１９および電解コンデンサ８、平滑コンデンサ１６は蓄電池６の逆接続時においても保護された形となり、常に健全な状態を維持することができるものである。

これは、蓄電池６の正常な接続を行った際には、常時に電力の損失が伴うダイオードなどを直列に配置した素子をなくすることができることから、損失を抑制することができるものであると同時に、蓄電池６の接続を誤っても、交換が容易なヒューズ７の取替えにより復旧への対処が可能となるものである。

また、先にも述べたようにダイオード２１はスイッチング素子１０に電界効果型トランジスタを用いた場合に等価的に形成されることとなる寄生ダイオードを用いても、あるいはスイッチング素子１０の外部に接続されるものの何れであっても構わない。ダイオード２１を寄生ダイオードかあるいは外部接続とするかの何れを選択するかにおいては、短絡時に流れる電流値に対する許容量を基準として選択すればよいが、スイッチング素子１０の寄生ダイオードを適用した場合は、蓄電池６の逆接続への対策部品は付加する必要がなく、部品点数の抑制および原価低減を行うことが可能な点で有効である。

またさらに、ダイオード２１とチョークコイル９、ヒューズ７とが直列接続された際にそれぞれを接続する導体部２２、２３、２４、２５の電流容量、ダイオード２１の電流容量、チョークコイル９の電流容量のこれらすべてをヒューズ７の電流容量よりも大きくすることが望ましい。ここでの電流容量とは、大きな値の電流が流れることによって導体やデバイスが自身の発熱などによって破壊および溶断するに至るまでの許容量を指している。これにより、蓄電池６の接続における電極の方向を誤った場合であっても、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ｈへと過大電流が生じた際に個々のデバイスやあるいはそれらを接続する導体が損傷を受けるまでにヒューズ７の切断の動作が行われることとなる。つまり、蓄電池６の接続を誤ってもそれに伴う対応は、交換が容易なヒューズ７の取替えのみにより対処を可能とするものである。

ここでのヒューズ７の電流制限値は蓄電池６を正常な接続状態にした場合のものを適用して構わない。これは、蓄電池６を正常に接続して回路全体を通常の動作として機能させる場合は、必ず負荷１４が接続された状態での動作となる。そのため、回路に流れる電流、つまりヒューズ７を通る電流は、蓄電池６を逆極性接続とした短絡時よりも通常の動作時の方が小さくなる。そして、ヒューズ７の電流制限値を通常の動作時を基準として決定していれば安全な方向での設定となるため、ヒューズ７の電流制限値は蓄電池６を正常な接続状態にした場合を基準に決定することで、他のデバイスへ悪影響を及ぼすことはない。

ここまでは、電源回路として限定して説明したが、当然ながら図２の車載電源ユニットのブロック図に示すように蓄電池６や負荷１４に接続した、電源回路２６や電子制御ユニット２７を含んで一体化した車載電源ユニット２８として用いても構わない。ここで、電源回路２６は図１に示すヒューズ７と電源機能部１８とを包含したものである。図２においては、車載電源ユニット２８へ電子制御ユニット２７を搭載することとしているが、電子制御ユニット２７に限ったものでなく、直流電源を必要とする機能部であれば車載電源ユニット２８へ搭載しても構わないものである。そして電源回路２６の下流側、すなわち図１に示す蓄電池６に対してヒューズ７よりも下流側へ図２に示す電子制御ユニット２７を接続することにより、蓄電池６を逆接続した場合であっても電子制御ユニット２７への影響を全く無くすことができるものである。よって、電子制御ユニット２７に逆電圧に対する保護装置（図示せず）は不要となり、車載電源ユニット２８の部品点数抑制による小型化のみならず、原価低減もまた可能となる。これは電子制御ユニット２７に加えて他の電子ユニット（図示せず）あるいは電子機器（図示せず）を車載電源ユニット２８に搭載することで、電源回路２６によって車載電源ユニット２８における他の複数の構成要素の保護機能を持たせることが可能となるものであり、先に述べたように部品点数抑制による小型化のみならず、原価低減についての効果を一層大きなものとすることができる。

また同時に上記の効果については、図１に示すヒューズ７よりも下流側に接続している負荷１４に関しても同様であり、図２に示すように一般的には電源回路２６に対して複数が並列に接続されている負荷１４においても電源回路２６の下流側であることから、逆電圧に対する保護装置（図示せず）は不要となり、個々の負荷１４における部品点数抑制による小型化のみならず、原価低減も可能となる。

本発明の車載用電源回路およびそれを用いた車載電源ユニットは、通常動作時の電力効率を向上させるとともに、蓄電池の接続時における極性を誤っても回路素子を保護する効果を有し、各種車両への搭載時の動作において有用である。

６蓄電池
６ａ電極
７ヒューズ
８電解コンデンサ
９チョークコイル
１０スイッチング素子
１１直列接続体
１２整流平滑回路
１３出力端子
１４負荷
１５整流ダイオード
１６平滑コンデンサ
１７入力端子
１８電源機能部
１９制御回路
２０制御端子
２１ダイオード
２２、２３、２４、２５導体部
２６電源回路
２７電子制御ユニット
２８車載電源ユニット

Claims

蓄電池と、
前記蓄電池に接続されたヒューズと、
前記ヒューズに接続された、チョークコイルとスイッチング素子とからなる直列接続体と、
前記チョークコイルと前記スイッチング素子との接続点に接続された整流平滑回路と、
前記スイッチング素子のドレイン・ソース間に接続され、前記チョークコイルとの接続点をカソード側として接続された外部接続のダイオードと、
前記整流平滑回路に接続した出力端子と、
前記スイッチング素子を制御する制御回路とを備え、
前記ダイオードおよび前記チョークコイルは前記ヒューズよりも大きい電流容量を有し、前記ヒューズの電流制限値は、前記蓄電池の正電極が前記ヒューズに接続された場合に流れる電流値よりも大きく、かつ、前記蓄電池の負電極が前記ヒューズに接続された場合に流れる電流値よりも小さく、
前記蓄電池の負電極が前記ヒューズ側に接続された際には、
前記ダイオードと前記チョークコイルと前記ヒューズとが直列接続で通電状態とされることにより前記ヒューズが切断され、
前記直列接続体と前記整流平滑回路と前記制御回路とが保護される車載用電源回路。
蓄電池と、
前記蓄電池に接続されたヒューズと、
前記ヒューズに接続されたチョークコイルとスイッチング素子とからなる直列接続体と、前記チョークコイルと前記スイッチング素子との接続点に接続された整流平滑回路と、
前記整流平滑回路に接続した出力端子と、
前記スイッチング素子を制御する制御回路とを備え、
前記スイッチング素子は、内部に前記スイッチング素子のドレイン・ソース間に前記チョークコイルとの接続側をカソード側として形成された寄生ダイオードを有するｎ型チャネル電界効果トランジスタであり、
前記寄生ダイオードおよび前記チョークコイルは前記ヒューズよりも大きい電流容量を有し、
前記ヒューズの電流制限値は、前記蓄電池の正電極が前記ヒューズに接続された場合に流れる電流値よりも大きく、かつ、前記蓄電池の負電極が前記ヒューズに接続された場合に流れる電流値よりも小さく、
前記蓄電池の負電極が前記ヒューズ側に接続された際には、
前記寄生ダイオードと前記チョークコイルと前記ヒューズとが直列接続で通電状態とされることにより前記ヒューズが切断され、
前記直列接続体と前記整流平滑回路と前記制御回路とが保護される車載用電源回路。
請求項１または請求項２に記載の車載用電源回路が、前記車載用電源回路から電力を供給される電子機器と一体化された車載電源ユニット。