JP6417427B2

JP6417427B2 - 負荷駆動装置及びそれを用いた車載制御装置

Info

Publication number: JP6417427B2
Application number: JP2016562395A
Authority: JP
Inventors: 理仁曽根原; 洋一郎小林
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2035-11-25
Also published as: WO2016088607A1; EP3229355B1; JPWO2016088607A1; EP3229355A1; EP3229355A4

Description

本発明は、負荷駆動装置及びそれを用いた車載制御装置に関する。

従来、車両に搭載される各種機器の電子制御化が進んでおり、これに伴って、電気信号を機械的運動や油圧に変換するために、モータやソレノイドなどの電動アクチュエータが広く用いられるようになっている。また、これら電動アクチュエータや、それを制御する制御装置は、車載バッテリからスイッチングレギュレータなどの電源回路で電圧値を昇圧・降圧した電力を供給される。これらの電動アクチュエータやスイッチングレギュレータは、通常スイッチング素子に用いられるパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄ−ＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のゲート端子に電圧を印加し、オン・オフを制御することで負荷を駆動する構成となっている。そのため、電動アクチュエータやスイッチングレギュレータを安全に制御するためには、スイッチング素子のゲート端子に電圧が正しく印加されることが必要である。

一方で、ゲート端子を形成するゲート酸化膜の不良の発生確率は、素子面積と比例関係にある。電動アクチュエータやスイッチングレギュレータなど大電流を駆動することが必要な装置は、スイッチング素子の面積が大きくなるため、故障が発生する確率が高くなる。

そのため、高信頼度が求められる車載用途では、製造工程におけるストレス試験（電圧ストレス、温度ストレス、及びストレス印加時間）でゲート酸化膜の寿命を加速し、ストレス印加前後のゲートリーク電流を測定することで、ゲート酸化膜の不良となる素子を出荷前に取り除くことが一般的である。

しかし、スイッチング素子の動作中に発生するサージなどによるゲート酸化膜の破壊や、静電破壊などが出荷後に発生した場合は、ゲート酸化膜の不良を検出することが出来ない。

特許文献１の負荷駆動装置では、半導体スイッチング素子のゲート端子に接続したゲート抵抗を介して前記半導体スイッチング素子に駆動信号を加えるものであって、前記ゲート抵抗に流れるゲート電流測定手段と、該ゲート電流測定手段が検出したゲート電流測定値と正常範囲電流値とを比較し、正常又は異常を判別する正常異常判別手段と、該正常異常判別手段の出力信号を受信し前記半導体スイッチング素子のゲート駆動回路を制御する制御手段と、前記正常異常判別手段の出力信号を該制御手段に伝達する異常信号伝達手段とを有し、さらに前記正常異常判別手段が、前記ゲート抵抗に流れるターンオン時のゲート電流、あるいはゲート抵抗に流れるターンオフ時のゲート電流の少なくともいずれか一方のゲート電流測定値と正常範囲電流値とを比較することで、負荷駆動装置の動作中にゲートリーク電流の異常から、スイッチング素子の不良を検出する回路が記載されている。

特開２００３−１４３８３３号公報

しかし、特許文献１では、ゲート駆動回路の電源と、半導体スイッチング素子のゲート間にゲート抵抗があるため、ゲート端子の高速なスイッチング動作が課題である。具体的には、特許文献１では、ゲート電流が流れなくなるまで、ターンオン・ターンオフから５μｓ経過後が望ましいと記載されている。すなわち、ターンオン・ターンオフ後からゲート電圧が安定して、スイッチング動作が完了するまでに５μｓ以上の期間が必要である。そのため、１００ｋＨｚ以上のスイッチング周波数の負荷駆動装置では、ゲート電圧が安定するまでの５μｓよりターンオンからターンオフまでの期間が短いため、不完全なスイッチング動作になる。

このように、従来のゲート酸化膜不良検出用の電流測定回路を備えた負荷駆動装置では、高速なスイッチング動作が考慮されていなかった。

上記課題に鑑みて、本発明の主な目的は、出荷後であってもゲート酸化膜の不良を検出可能であり、かつ高速なスイッチング動作が可能なゲート電流測定回路を備えた負荷駆動装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、スイッチング素子のゲート端子に電圧を印加してオン・オフを制御することで負荷を駆動する負荷駆動装置であって、前記負荷駆動装置は、前記スイッチング素子のゲート電圧を印加するゲート駆動回路と、前記スイッチング素子のゲート端子を経由して流れる電流を測定する電流測定回路と、を備え、前記ゲート駆動回路が印加する電圧の出力範囲よりも高い電圧である電源から前記ゲート端子を経由して流れる電流を測定し、前記ゲート駆動回路は、当該ゲート駆動回路が印加する電圧の出力範囲よりも高い電圧である前記電源から、前記出力範囲内に制限したゲート電圧を前記スイッチング素子に印加することを特徴とする。

本発明によれば、出荷後であってもゲート酸化膜の不良を検出可能であり、かつ高速なスイッチング動作が可能なゲート電流測定回路を備えた負荷駆動装置を提供できる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施形態による負荷駆動装置１００の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態による負荷駆動装置１００におけるゲート駆動回路３の構成の一例を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態による負荷駆動装置１００における電圧印加回路３１の構成の一例を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態による負荷駆動装置１００における電圧印加回路３１の構成の他の例を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態による負荷駆動装置１００における電流測定回路２の構成の一例を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態による負荷駆動装置１００における電流測定回路２の構成の他の例を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態による負荷駆動装置１００の回路動作の一例を示すタイミングチャートである。本発明の第１の実施形態の変形例である負荷駆動装置１００Ａの構成の一例を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態の変形例である負荷駆動装置１００Ｂの構成の一例を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態の変形例である負荷駆動装置１００Ｃの構成の一例を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態による負荷駆動装置１０１における電流測定回路２の構成の例を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態による負荷駆動装置１０１の回路動作の一例を示すタイミングチャートである。本発明の第３の実施形態による負荷駆動装置１０２の構成の一例を示すブロック図である。本発明の第３の実施形態による負荷駆動装置１０２を用いた負荷制御装置３０１の構成の一例を示すブロック図である。本発明の第４の実施形態による負荷駆動装置１０３の構成の一例を示すブロック図である。本発明の第５の実施形態による負荷駆動装置１０４を昇圧型スイッチングレギュレータ３０２に適用した構成の一例を示すブロック図である。本発明の第６の実施形態による負荷駆動装置１０５を降圧型スイッチングレギュレータ３０３に適用した構成の一例を示すブロック図である。

以下の各実施形態では、高速なスイッチング動作が可能なゲート電流測定回路を備えた負荷駆動装置の構成及び動作について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による負荷駆動装置１００の構成を示すブロック図である。図１に示す負荷駆動装置１００は、ＮＭＯＳで構成され、ドレイン端子Ｄとソース端子Ｓとゲート端子Ｇを有するスイッチング素子１と、入力を負荷駆動装置１００のＩＮ端子と接続し、スイッチング素子１のゲート端子Ｇに電圧を出力するゲート駆動回路３と、電源ＶＨからゲート駆動回路３を経由してスイッチング素子１のゲート電流Ｉｇを測定する電流測定回路２と、を備えている。

スイッチング素子１のオン時にゲートに印加される定格電圧をＶＤＤ、オフ時にゲートに印加される定格電圧をＶＳＳとすると、ゲート駆動回路３は、電源ＶＤＤより高電位の電源ＶＨを電源として、スイッチング素子１のゲート端子ＧにＶＳＳからＶＤＤの定格電圧範囲内に制限した電圧を出力する。

図２は、本発明の第１の実施形態による負荷駆動装置１００のゲート駆動回路３の構成を示すブロック図である。図２に示すゲート駆動回路３は、ＶＨを電源として、ＶＤＤ以下の電圧に制限した電圧を出力する電圧印加回路３１と、電圧印加回路の出力をスイッチング素子１のゲート端子Ｇに出力するスイッチＳ１と、電源ＶＳＳをスイッチング素子１のゲート端子Ｇに出力するスイッチＳ２と、を備え、スイッチＳ１とスイッチＳ２は負荷駆動装置１００の入力ＩＮ端子に応じて排他的にオン、オフに制御される。

図３と図４は、本発明の第１の実施形態による負荷駆動装置１００のゲート駆動回路３と電圧印加回路３１の構成例を説明するブロック図である。

図３に示すゲート駆動回路３は、ＩＮ端子と接続し、ＶＤＤとＶＳＳを電源とするインバータ３２と、ＶＨを電源、ＶＤＤをリファレンス電源として、ＶＤＤと同電位の電圧を出力する電圧印加回路３１Ａと、電圧印加回路３１Ａの出力とＶＳＳを電源とするインバータ３３と、で構成される。

電圧印加回路３１Ａは、ＮＭＯＳ３２と、ＮＭＯＳ３３と、電流源３４と、で構成されており、ＮＭＯＳ３２のソース電位をＶＤＤと同電位を出力するようにＮＭＯＳ３３と電流源３４のサイズを調整することで、簡単な構成でゲート駆動回路３の出力電圧範囲をＶＳＳからＶＤＤに制限した電圧を出力する。また、電流測定回路２は電源ＶＨからスイッチング素子１のゲート電流だけを測定することが可能である。

図４に示すゲート駆動回路３は、ＩＮ端子と接続し、ＶＤＤとＶＳＳを電源とするインバータ３２と、ＶＨを電源、ＶＤＤをリファレンス電源として、ＶＤＤと同電位の電圧を出力する電圧印加回路３１Ｂと、電圧印加回路３１Ｂの出力とＶＳＳを電源とするインバータ３３と、で構成される。電圧印加回路３１Ｂはオペアンプ３５とＮＭＯＳ３２で構成されており、ＮＭＯＳ３２のソース電位がＶＤＤ電源と同電位になるようにフィードバック制御することで、ゲート駆動回路３の出力電圧範囲をＶＳＳからＶＤＤの範囲に高精度に制限が可能である。また、電流測定回路２は電源ＶＨからスイッチング素子１のゲート電流だけを測定することが可能である。

図５は、本発明の第１の実施形態による負荷駆動装置１００の電流測定回路２の構成の一例を示すブロック図である。電流測定回路２は電流検出抵抗Ｒと、電流検出抵抗Ｒの両端子間の電位差を増幅し出力する演算回路２１を備え、電源ＶＨからスイッチング素子１のゲート端子に流れる電流と電流検出抵抗Ｒの積で決まる電圧値ＣＵＲを出力する。

図６は、本発明の第１の実施形態による負荷駆動装置１００の電流測定回路２の構成の別の一例を示すブロック図である。電流測定回路２は、ＰＭＯＳ２２と、ＰＭＯＳ２３と、電流検出抵抗Ｒと、で構成される。ＰＭＯＳ２２とＰＭＯＳ２３はカレントミラーになっている。電流測定回路２のカレントミラーは、電源ＶＨからゲート駆動回路３を経由してスイッチング素子１のゲート端子に流れる電流を入力として、ＰＭＯＳ２２とＰＭＯＳ２３のサイズ比で増幅した電流を出力する。電流検出抵抗Ｒは、一方の端子をカレントミラーの出力と、もう一方の端子をＧＮＤと接続しており、カレントミラーの出力電流と電流検出抵抗Ｒの抵抗値の積で決まる電圧値ＣＵＲを出力する。図５の電流測定回路２に比べて、ＧＮＤ基準の電圧で出力するため電流測定回路の出力を受ける回路の構成が容易になる効果がある。

図７は、本発明の第１の実施形態による回路動作の一例を示すタイミングチャートである。図７のタイミングチャートは、負荷駆動装置１００のターンオンとターンオフのＩＮ端子と、スイッチング素子１のゲート端子と、ゲート端子の電流Ｉｇを示している。時刻Ｔ１にＩＮ端子がＯＦＦからＯＮに遷移すると、スイッチング素子１のゲート端子電圧は、ゲート電圧波形g1に示すように電源ＶＳＳの電位から、電源ＶＨの電位に漸近するように増加するが、電圧印加回路３１の出力電圧で制限される。

一例として、図４の電圧印加回路３１Ｂの場合、ゲート電圧波形ｇ２に示すように、時刻Ｔ２で電源ＶＤＤの電圧に到達し、ゲート端子の電圧はＶＤＤに制限され、スイッチング素子１はオン状態になる。ゲート電流Ｉｇは、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までスイッチング素子１のゲート容量への充電電流が発生するが、電圧がＶＤＤに到達した時刻Ｔ２以降は、正常なスイッチング素子であれば、ほぼ０に等しくなる。よって、時刻Ｔ２以降の電流値をゲートリーク電流として、ゲートリーク電流が異常な値になることで、スイッチング素子１のゲート酸化膜の不良を検出することが可能である。

また、仮に電源ＶＨの電位が電源ＶＤＤの電位と等しい場合、ゲート端子電圧はゲート電圧波形ｇ３に示すように電源ＶＤＤの電位に漸近するように増加するため、スイッチング素子１がオン状態になるのは時刻Ｔ３となる。よって、電源ＶＨと電源ＶＤＤの電位差が大きいほどターンオン時間の短縮に効果があり、高速なスイッチングが可能となる。また、電源ＶＨと電源ＶＤＤの電位差が大きい場合でも、電圧印加回路３１の出力電圧で制限されるため、スイッチング素子１のゲート端子Ｇに印加される電圧が定格電圧範囲を超えることを抑制出来る。

一方で、図４の負荷駆動回路では、時刻Ｔ４にＩＮ端子がオンからオフに遷移する場合、短い期間でターンオフが可能であるが、スイッチング素子１と電源ＶＳＳの間に電流測定回路が無いため、ゲート電流の検出が不可能である。

図８から図１０は、本発明の第１の実施形態による負荷駆動装置１００の変形した構成例である。図１及び図８から図１０の構成例は単独でも実現可能だが、図１と図８、図９と図１０を組み合わせることでターンオン時、ターンオフ時の両方でゲートリーク電流の測定が可能になる。また、第２の実施形態以降の実施形態においても同様に、それぞれの組み合わせが可能である。

図８に示す、負荷駆動装置１００Ａは、ＮＭＯＳで構成されドレイン端子Ｄとソース端子Ｓとゲート端子Ｇを有するスイッチング素子１Ｎと、入力を負荷駆動装置１００ＡのＩＮ端子と接続し、スイッチング素子１Ｎのゲート端子Ｇに電圧を出力するゲート駆動回路３Ａと、電源ＶＳＳより低電位の電源ＶＬからゲート駆動回路３Ａを経由してスイッチング素子１のゲート電流Ｉｇを測定する電流測定回路２と、を備えることで、スイッチング素子１Ｎのオフ時のゲートリーク電流を測定することで、ゲート酸化膜の不良を検出することが可能である。

図９に示す、負荷駆動装置１００Ｂは、ＰＭＯＳで構成されドレイン端子Ｄとソース端子Ｓとゲート端子Ｇを有するスイッチング素子１Ｐと、入力を負荷駆動装置１００ＢのＩＮ端子と接続し、スイッチング素子１Ｐのゲート端子Ｇに電圧を出力するゲート駆動回路３Ｂと、電源ＶＤＤより高電位の電源ＶＨからゲート駆動回路３Ｂを経由してスイッチング素子１Ｐのゲート電流Ｉｇを測定する電流測定回路２と、を備えることで、スイッチング素子１Ｐのオフ時のゲートリーク電流を検出することでゲート酸化膜の不良を検出することが可能である。

図１０に示す、負荷駆動装置１００Ｃは、ＰＭＯＳで構成されドレイン端子Ｄとソース端子Ｓとゲート端子Ｇを有するスイッチング素子１Ｐと、入力を負荷駆動装置１００ＣのＩＮ端子と接続し、スイッチング素子１Ｐのゲート端子Ｇに電圧を出力するゲート駆動回路３Ｃと、電源ＶＳＳより低電位の電源ＶＬからゲート駆動回路３Ｃを経由してスイッチング素子１Ｐのゲート電流Ｉｇを測定する電流測定回路２と、を備えることで、スイッチング素子１Ｐのオン時のゲートリーク電流を検出することでゲート酸化膜の不良を検出することが可能である。

（第２の実施形態）
図１１は、本発明の第２の実施形態による負荷駆動装置１０１の電流測定回路２の構成の一例を示したブロック図である。

図１１に示す、電流測定回路２は、ＰＭＯＳ２２と、ＰＭＯＳ２３１と、ＰＭＯＳ２３２と、電流検出抵抗Ｒと、それぞれ排他的に動作するスイッチＳ３とスイッチＳ４と、で構成される。電流測定回路２は、電源ＶＨからゲート駆動回路３を経由してスイッチング素子１のゲート端子に流れる電流を入力として、ＰＭＯＳ２２とＰＭＯＳ２３１とＰＭＯＳ２３２により構成したカレントミラーで増幅した電流を、電流検出抵抗Ｒによって電圧値ＣＵＲに変換して出力する。スイッチＳ３とスイッチＳ４によって電流測定回路２の入力インピーダンスを変更することで、電流測定回路２の入力電流に対する感度が変更可能である。すなわち、スイッチＳ３がオンかつ、スイッチＳ４がオフの時は、電流測定回路２の入力インピーダンスと、電流測定回路２の入力電流に対する感度が小さくなるため、高速なスイッチング動作に利点がある。一方、スイッチＳ３がオフかつ、スイッチＳ４がオンの時は、電流測定回路２の入力インピーダンスと、電流測定回路２の入力電流に対する感度が大きくなるため、微小電流を高精度に測定出来る利点がある。

図１２は、本発明の第２の実施形態による負荷駆動装置１０１の回路動作の一例を示すタイミングチャートである。ＩＮ端子がオフ状態ではスイッチＳ３がオンかつ、スイッチＳ４がオフで、電流測定回路２は入力インピーダンスと入力電流に対する感度が低い状態になっている。ＩＮ端子が時刻Ｔ１にオフからオンに遷移すると、電流測定回路２の入力インピーダンスが低いため、スイッチング素子１のゲート端子電圧は実施例１に比べて高速に立ち上がる。そして、ゲート端子電圧が時刻Ｔ２で安定した後、スイッチＳ３をオフに、スイッチＳ４をオンに切り替える。電流測定回路２は入力インピーダンスと入力電流に対する感度が高くなるため、微小なゲートリーク電流に対する高精度な測定により、ゲート酸化膜の不良に対する検出精度が向上する。

スイッチＳ３とスイッチＳ４の切り替えタイミングは、ＩＮ端子がオフからオンに遷移後、一定時間ｔｄ経過後とすることが可能であり、また、ゲート端子電圧が一定電圧値ｖｇを検出後とすることも可能である。

以上より、本実施例で説明した負荷駆動装置１０１は、更なるターンオン時間の短縮に効果があり、また、ゲート電流測定回路の高精度化を実現できる。

（第３の実施形態）
図１３は、本発明の第３の実施形態による負荷駆動装置１０２の構成の一例を示したブロック図である。

端子Ｐで電源ＶＰと、端子Ｌで負荷２００と接続した負荷駆動装置１０２は、スイッチング素子１と、入力を負荷駆動装置１０２のＩＮ端子と接続し、スイッチング素子１のゲート端子Ｇに電圧を出力するゲート駆動回路３と、電源ＶＨからゲート駆動回路３を経由してスイッチング素子１のゲート電流Ｉｇを測定する電流測定回路２と、電流測定回路２の測定結果が、予め決められたリーク電流閾値ＴＨ以上の電流となった場合、ゲート酸化膜の不良として検出信号ＤＥＴに出力するゲートリーク電流比較回路４と、ゲートリーク電流比較回路４の検出信号ＤＥＴにより、負荷駆動装置１０２の入力ＩＮ端子に拘わらずスイッチング素子１をオフにする論理回路５と、スイッチング素子１と電源ＶＰを遮断するフェイルセーフスイッチ６と、を備えている。

ゲートリーク電流比較回路４で、電流測定回路２の測定値ＣＵＲと比較するリーク電流閾値ＴＨは、スイッチング素子１のゲート端子のサイズから予め決めることが出来る。電流測定回路の出力ＣＵＲが閾値ＴＨ以上となり、ゲート酸化膜の不良を検出すると、入力ＩＮ端子の状態に拘わらずスイッチング素子１をオフ、またはフェイルセーフスイッチ６をオフにすることで、スイッチング素子１への電力の供給を遮断し、負荷駆動装置１０２は安全な状態で停止することが可能である。

なお、本実施例では、フェイルセーフスイッチ６をＮＭＯＳとしたが、ゲートリーク電流比較回路４の出力結果ＤＥＴによって遮断と導通の制御が可能な素子であれば適用可能である。

図１４は、本実施例の負荷駆動装置１０２を用いた負荷制御装置３０１の構成の一例を示したブロック図である。図１４に示す負荷制御回路３０１は、負荷駆動装置１０２と、制御回路３００と、負荷駆動装置１０２の端子Ｐと電源ＶＰの間で、制御回路３００からの信号で遮断と導通を制御するスイッチＳ５と、を備える。

制御回路３００は制御信号を負荷駆動装置１０２のＩＮ端子に出力し、負荷駆動装置１０２のゲートリーク電流比較結果ＤＥＴを入力とする。制御回路３００はゲートリーク電流比較結果ＤＥＴによって負荷駆動装置１０２のスイッチング素子１のゲート酸化膜の不良を検出すると、スイッチング素子１をオフにするように負荷駆動回路１０２のＩＮ端子に制御信号を出力する。または、スイッチＳ５を遮断することで、負荷制御装置３０１は安全な状態で停止することが可能である。

本実施例では、スイッチング素子１をオフにする制御と、電源ＶＰとの接続の遮断と、両方記載したが、限定したものでは無く、どちらか一方の制御でも良い。

（第４の実施形態）
図１５は、本発明の第４の実施形態による負荷駆動装置１０３の構成の一例を示したブロック図である。端子Ｐで電源ＶＰと、端子Ｌで負荷２００と接続した負荷駆動装置１０３は、負荷駆動装置１０２Ａと、負荷駆動装置１０２Ｂとして端子Ｐと端子ＬとＩＮ端子を共通に、図１３の負荷駆動装置１０２を２つ並列に接続した構成である。すなわち、負荷駆動回路１０２Ａと負荷駆動回路１０２Ｂは、同時にそれぞれのスイッチング素子１をオン・オフさせ、同じ負荷を駆動する。それぞれのスイッチング素子１及び、電流測定回路２は個別であるため、ゲートリーク電流比較結果ＤＥＴは、負荷駆動回路１０２Ａと負荷駆動回路１０２Ｂはそれぞれの負荷駆動回路で独立している。そのため、例えば、負荷駆動回路１０２Ａのスイッチング素子１でゲート酸化膜の不良を検出した場合、負荷駆動回路１０２Ａのスイッチング素子１をオフ状態に、フェイルセーフスイッチ６を遮断することで制御から切り離し、負荷駆動回路１０２Ｂだけで負荷２００を駆動する。ゲート酸化膜の不良発生確率はスイッチング素子の面積に比例するため、大規模なスイッチング素子を複数のスイッチング素子に分割し、故障したスイッチング素子を除外して動作させることで、負荷駆動装置全体が動作不能になることを防止することが可能になる。

（第５の実施形態）
図１６は、本発明の第５の実施形態による負荷駆動装置１０４を車載用電子制御装置の昇圧型スイッチングレギュレータ３０２に適用した構成の一例を示したブロック図である。図１６に示す昇圧型スイッチングレギュレータ３０２は、負荷駆動装置１０４と、電磁負荷２１０と、ダイオード１２と、キャパシタ２２０と、を備える。電磁負荷２１０は片側を車載バッテリ電圧ＶＢに接続し、もう一方を負荷駆動回路１０４の負荷接続端子Ｌ及び、ダイオード１２のアノード端子と接続する。ダイオード１２のカソード端子は、一方の端子をＧＮＤに接続したキャパシタ２２０と接続し、電圧供給端子Ｖｏｕｔとして出力する。負荷駆動装置１０４は、ドレインを負荷接続端子Ｌと、ソースをＧＮＤ端子と接続したスイッチング素子１と、ゲート駆動回路３と、電流測定回路２と、内蔵レギュレータ７と、制御論理回路８と、を備える。

内蔵レギュレータ７は車載用バッテリ電圧ＶＢから電圧を降圧してスイッチング素子１のゲート印加電圧及び制御論理回路８の電源電圧としてＶＤＤを出力する。制御論理回路８は、負荷駆動装置１０４の入力ＩＮ端子からの信号をスイッチング素子１のオン・オフ信号に変換する論理である。スイッチング素子１とゲート駆動回路３と電流測定回路２の動作は、実施形態１から実施形態４と同様であるが、電流測定回路２は、一方をゲート駆動回路３と接続し、もう一方はＶＤＤより高電位の車載用バッテリ電圧ＶＢと接続する。

本実施例により、高速なスイッチング動作が可能なゲート電流測定回路を備えた負荷駆動装置１０４により、数１００ｋＨｚのスイッチング動作が可能で、ゲート酸化膜の不良が検出可能な昇圧型スイッチングレギュレータ３０２を提供できる。なお、本実施例では、電流測定回路２の接続先を車載用バッテリ電圧ＶＢとしたが、車載用バッテリ電圧ＶＢから昇圧した電源または、降圧した電源でゲート印加電圧ＶＤＤより高電位の電源であれば同様の効果が得られる。

（第６の実施形態）
図１７は、本発明の第６の実施形態による負荷駆動装置１０５を車載用電子制御装置の降圧型スイッチングレギュレータ３０３に適用した構成の一例を示したブロック図である。図１７に示す降圧型スイッチングレギュレータ３０３は、負荷駆動装置１０５と、電磁負荷２１０と、ダイオード１２と、キャパシタ２２０と、を備える。電磁負荷２１０は片側を負荷駆動装置１０５の負荷接続端子Ｌ及び、ダイオード１２のカソード端子と接続し、もう一方をキャパシタ２２０と接続し、電圧供給端子Ｖｏｕｔとして出力する。ダイオード１２のアノード端子はＧＮＤと接続し還流電流をＧＮＤから供給する。負荷駆動装置１０５は、ドレインを車載用バッテリ電圧ＶＢと、ソースを負荷接続端子Ｌと接続したスイッチング素子１と、ゲート駆動回路３と、電流測定回路２と、負荷駆動装置１０５の入力ＩＮ端子からの信号をスイッチング素子１のオン・オフ信号に変換する論理である制御論理回路８と、車載用バッテリ電圧ＶＢからスイッチング素子１のゲート印加電圧及び制御論理回路８の電源電圧としてＶＤＤを出力する内蔵レギュレータ７と、車載用バッテリ電圧ＶＢから昇圧した電源ＶＣＰを出力するチャージポンプなどの昇圧電源１０と、ＶＣＰを電源として負荷接続端子Ｌの電位ＶＬからＶＤＤ昇圧した電圧を出力する電源９と、制御論理回路８の出力とゲート駆動回路３の入力との論理の電圧レベル変換をするレベルシフト回路１１と、を備える。

スイッチング素子１とゲート駆動回路３と電流測定回路２の動作は実施形態１から実施形態５と同様であるが、電流測定回路２は、一方をゲート駆動回路３と接続し、もう一方はＶＬ＋ＶＤＤより高電位の昇圧電圧ＶＣＰと接続する。

本実施例により、高速なスイッチング動作が可能なゲート電流測定回路を備えた負荷駆動装置１０５により、数１００ｋＨｚのスイッチング動作が可能で、ゲート酸化膜の不良が検出可能な降圧型スイッチングレギュレータ３０３を提供できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。例えば、本発明では、スイッチング素子１をＭＯＳＦＥＴで構成したが、ＩＧＢＴで構成した場合も同様の効果が得られる。また、実施例２以降ではスイッチング素子１はＮＭＯＳによる構成だが、ＰＭＯＳでも同様の効果が得られる。

また、負荷駆動装置に記載の各構成要素は、全て同じ半導体チップに形成された集積回路でも、それぞれの構成要素が複数の部品に分割されていても良く限定されるものでは無い。

１スイッチング素子
２電流測定回路
３ゲート駆動回路
４ゲートリーク電流比較回路
５論理回路
６フェイルセーフ用素子
７降圧電源回路
８内部論理回路
９、１０昇圧電源回路
１１レベルシフト回路
１２ダイオード
１００〜１０５負荷駆動装置
２００負荷
２１０電磁負荷
２２０キャパシタ
３００制御回路
３０１負荷制御装置
３０２、３０３スイッチングレギュレータ

Claims

スイッチング素子のゲート端子に電圧を印加してオン・オフを制御することで負荷を駆動する負荷駆動装置であって、
前記負荷駆動装置は、前記スイッチング素子のゲート電圧を印加するゲート駆動回路と、
前記スイッチング素子のゲート端子を経由して流れる電流を測定する電流測定回路と、を備え、
前記電流測定回路は、前記ゲート駆動回路が印加する電圧の出力範囲よりも高い電圧である電源から、前記ゲート端子を経由して流れる電流を測定し、
前記ゲート駆動回路は、当該ゲート駆動回路が印加する電圧の出力範囲よりも高い電圧である前記電源から、当該出力範囲内に制限したゲート電圧を前記スイッチング素子に印加することを特徴とした負荷駆動装置。
請求項１に記載の負荷駆動装置において、
前記ゲート駆動回路は、前記電源の電圧値を、前記スイッチング素子の定格電圧範囲内の電圧値に制限する電圧印加回路を備えることを特徴とした負荷駆動装置。
請求項１に記載の負荷駆動装置において、
前記電源の電圧値は、車載用バッテリ電圧または、前記車載用バッテリ電圧を昇圧した電圧であることを特徴とする負荷駆動装置。
請求項１に記載の負荷駆動装置において、
前記電流測定回路は、前記スイッチング素子のゲート端子を経由して流れる電流に限定して測定できることを特徴とする負荷駆動装置。
請求項１に記載の負荷駆動装置において、
前記電流測定回路は、入力インピーダンスと入力電流に対する感度が高い設定と、入力インピーダンスと入力電流に対する感度が低い設定と、を変更することが可能であり、前記スイッチング素子のゲート端子を経由して流れる電流を測定する期間は、入力インピーダンスと入力電流に対する感度が高い設定とすることを特徴とした負荷駆動装置。
請求項１に記載の負荷駆動装置において、
ターンオフまたはターンオンから予め決められた一定期間を経過したことで、前記スイッチング素子のゲート端子を経由して流れる電流の測定を開始することを特徴とした負荷駆動装置。
請求項１に記載の負荷駆動装置において、
前記スイッチング素子のゲート端子の電圧値が予め決められた電圧以上になったことで前記スイッチング素子のゲート端子を経由して流れる電流の測定を開始することを特徴とした負荷駆動装置。
請求項１乃至請求項７に記載の負荷駆動装置において、
前記電流測定回路が出力した前記スイッチング素子のゲート端子を経由して流れる電流の電流値と、予め決められたゲートリーク電流閾値と、を入力とするゲートリーク電流比較回路を備え、前記比較回路は、前記電流測定回路の出力した電流値が、前記ゲートリーク電流閾値以上であった場合、ゲートリーク検出信号を出力することを特徴とした負荷駆動装置。
請求項８に記載の負荷駆動装置において、
前記ゲートリーク電流比較回路がゲートリーク検出信号を出力すると、前記スイッチング素子の制御の状態によらず、前記スイッチング素子のゲート端子をオフに固定することを特徴とした負荷駆動装置。
請求項８に記載の負荷駆動装置において
前記スイッチング素子と電源の間または前記スイッチング素子と負荷の間にフェイルセーフスイッチを備え、前記ゲートリーク電流比較回路がゲートリーク検出信号を出力すると、前記フェイルセーフスイッチを遮断することを特徴とした負荷駆動装置。
駆動する負荷に対して、請求項９乃至請求項１０いずれか一項に記載の負荷駆動装置を複数並列に接続した負荷駆動装置において、
並列に接続した前記負荷駆動装置のうち、ゲートリーク検出信号を出力した前記負荷駆動装置を遮断して制御から切り離し、正常な前記負荷駆動装置で動作を継続する
ことを特徴とした負荷駆動装置。
請求項８乃至請求項１１いずれか一項に記載の負荷駆動装置と、前記負荷駆動装置を制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記負荷駆動装置のゲートリーク検出信号により、前記負荷駆動装置の制御信号をオフに固定することを特徴とした車載制御装置。
請求項１２に記載の車載制御装置において、
前記負荷駆動回路と電源の間または前記負荷駆動回路と負荷の間にフェイルセーフスイッチを備え、
前記制御回路は、前記負荷駆動回路のゲートリーク検出信号によって、前記フェイルセーフスイッチを遮断することを特徴とする車載制御装置。
請求項１乃至請求項１１いずれか一項に記載の負荷駆動装置において、
前記負荷駆動装置は同じ半導体チップに形成され、同じパッケージに実装された集積回路であることを特徴とした負荷駆動装置。
スイッチング素子のゲート端子に電圧を印加してオン・オフを制御することで負荷を駆動する車載制御装置であって、
前記車載制御装置は、前記スイッチング素子のゲート電圧を印加するゲート駆動回路と、
前記ゲート駆動回路を制御する制御回路と、
前記スイッチング素子のゲート端子を経由して流れる電流を測定する電流測定回路と、を備え、
前記電流測定回路は、前記ゲート駆動回路が印加する電圧の出力範囲よりも高い電圧である電源から、前記ゲート端子を経由して流れる電流を測定し、
前記ゲート駆動回路は、当該ゲート駆動回路が印加する電圧の出力範囲よりも高い電圧ある前記電源から、前記出力範囲内に制限したゲート電圧を前記スイッチング素子に印加することを特徴とした車載制御装置。