JP6668897B2 - 給電制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、スイッチを介した給電を制御する給電制御装置に関する。
車両のバッテリから負荷への給電を制御する給電制御装置として、Nチャネル型のFET(Field Effect Transistor)のドレイン及びソース夫々がバッテリの正極、及び、負荷の一端に接続され、バッテリの負極が負荷の他端に接続されている給電制御装置がある。この給電制御装置では、FETは半導体スイッチとして機能する。FETは、ゲートの電圧をオン閾値以上に上昇させることによってオンに切替わり、ゲートの電圧をオフ閾値未満に低下させることによってオフに切替わる。FETがオンである場合、バッテリから負荷に給電され、FETがオフである場合、バッテリから負荷への給電が停止する。
しかしながら、FETのドレイン及びソース間には寄生ダイオードが形成されている。Nチャネル型のFETでは、ドレイン及びソース夫々に寄生ダイオードのカソード及びアノードが接続されている。このため、バッテリの正極及び負極夫々を、誤って、負荷の他端及びFETのドレインに接続した場合、たとえFETがオフであっても負荷の他端から一端に電流が流れ続け、負荷が誤った動作を行う虞がある。
特許文献1には、バッテリの接続を誤った場合に負荷に電流が流れることを防止することができる給電制御装置が開示されている。特許文献1に記載の給電制御装置は、2つのNチャネル型のFETを備え、一方のFETのドレインが他方のFETのドレインに接続されている。バッテリの正極が一方のFETのソースに接続され、負荷の一端が他方のFETのソースに接続されている。バッテリの負極は負荷の他端に接続されている。2つのFETを共にオン又はオフに切替えることによって、バッテリから負荷への給電を制御する。
一方のFETに形成される寄生ダイオードのカソードは、他方のFETに形成される寄生ダイオードのカソードに接続されている。従って、2つのFETがオフである場合、バッテリの接続状態に無関係に、バッテリから負荷に電流が流れることはない。
特許第5772776号公報
特許文献1に記載されているように、2つのNチャネル型のFETを備える給電制御装置として、1つの駆動回路によって2つのFETをオン又はオフに切替える給電制御装置が考えられる。このような給電制御装置では、例えば、駆動回路の出力端に2つのFET夫々のゲートが直接に接続されている。駆動回路は、出力端から出力する電圧を上昇させることによって、2つのFET夫々のゲートの電圧をゼロVから上昇させ、2つのFETをオンに切替える。また、駆動回路は、出力端から出力する電圧を低下させることによって、2つのFET夫々のゲートの電圧をゼロVに下げ、2つのFETをオフに切替える。
以上のように、駆動回路の出力端が2つのFET夫々のゲートに直接に接続されている給電制御装置は、駆動回路が1つであるため、安価に製造される。しかしながら、この給電制御装置では、1つの駆動回路で2つのFETをオン又はオフに切替えなければいけないため、オンへの切替え及びオフへの切替え夫々にかかる時間が長く、スイッチング損失が大きいという問題がある。
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、スイッチング損失が小さい安価な給電制御装置を提供することにある。
本発明に係る給電制御装置は、第1半導体スイッチと、電流入力端が該第1半導体スイッチの電流出力端に接続されている第2半導体スイッチとをオン又はオフに切替える切替え部を備え、該切替え部の切替えにより、前記第2半導体スイッチを介した給電を制御する給電制御装置において、前記第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチ夫々は、制御端の電圧がオン閾値以上である場合にオンに切替わり、該制御端の電圧がオフ閾値未満である場合にオフに切替わり、前記第1半導体スイッチの前記電流入力端及び制御端間に接続される抵抗と、カソードが前記第1半導体スイッチの前記制御端に接続され、アノードが前記第2半導体スイッチの前記制御端に接続されるダイオードとを備え、前記切替え部は、前記第2半導体スイッチの前記制御端の電圧を調整することによって前記切替えを行い、前記切替え部がオン又はオフに切替える半導体スイッチは、前記第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチのみであることを特徴とする。
本発明にあっては、第1半導体スイッチの電流出力端が第2半導体スイッチの電流入力端に接続され、第1半導体スイッチの電流入力端及び制御端間に抵抗が接続されている。ダイオードのカソード及びアノード夫々が第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチの制御端に接続されている。例えば、バッテリの正極が第1半導体スイッチの電流入力端に接続され、負荷の一端が第2半導体スイッチの電流出力端に接続され、バッテリの負極が負荷の他端に接続される。
第2半導体スイッチの制御端の電圧がバッテリの出力電圧未満である場合、バッテリの正極から抵抗を介して電流が流れず、第1半導体スイッチの制御端の電圧はバッテリの出力電圧に維持される。切替え部は、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチをオンに切替えるため、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチ夫々の制御端に接続されている寄生容量に電流を供給し、第2半導体スイッチの制御端の電圧を上昇させる。
この過程において、第2半導体スイッチの制御端の電圧がバッテリの出力電圧未満である間、切替え部は、第2半導体スイッチの制御端に接続されている寄生容量のみに電流を供給し、第2半導体スイッチの制御端の電圧を上昇させる。更に、第2半導体スイッチの制御端の電圧がバッテリの出力電圧以上となった場合、切替え部は、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチ夫々の制御端に接続されている寄生容量に電流を供給し、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチ夫々の制御端の電圧を上昇させる。これにより、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチはオンに切替わる。第1半導体スイッチの制御端の電圧が予めバッテリの出力電圧に維持されているため、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチは短い期間でオンに切替わり、スイッチング損失が小さい。
また、オン又はオフに切替え半導体スイッチは、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチのみである。
切替え部は、例えば、第2半導体スイッチの制御端を、内部抵抗を介してバッテリの負極に接続することによって、第2半導体スイッチ夫々の制御端に接続されている寄生容量に放電させ、第2半導体スイッチの制御端の電圧を低下させ、第2半導体スイッチをオフに切替える。第2半導体スイッチの制御端がバッテリの負極に接続した場合、第1半導体スイッチの制御端に接続されている寄生容量は、抵抗を介して放電し、第1半導体スイッチの制御端の電圧が低下し、第1半導体スイッチはオフに切替わる。第1半導体スイッチの制御端に接続されている寄生容量は抵抗を介して放電するので、切替え部は、第2半導体スイッチの制御端に接続されている寄生容量のみを放電させればよい。このため、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチは短い期間でオフに切替わり、スイッチング損失が小さい。
また、第2半導体スイッチの制御端の電圧を調整することによって、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチをオン又はオフに切替えているので、製造費用が安価である。
本発明に係る給電制御装置は、第1半導体スイッチと、電流入力端が該第1半導体スイッチの電流出力端に接続されている第2半導体スイッチとをオン又はオフに切替える切替え部を備え、該切替え部の切替えにより、前記第2半導体スイッチを介した給電を制御する給電制御装置において、前記第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチ夫々は、制御端の電圧がオン閾値以上である場合にオンに切替わり、該制御端の電圧がオフ閾値未満である場合にオフに切替わり、前記第1半導体スイッチの前記電流入力端及び制御端間に接続される抵抗と、カソードが前記第1半導体スイッチの前記制御端に接続され、アノードが前記第2半導体スイッチの前記制御端に接続されるダイオードと、カソード及びアノードが前記第1半導体スイッチの前記電流出力端及び電流入力端に接続される寄生ダイオードと、前記第1半導体スイッチの前記制御端、及び、前記第2半導体スイッチの前記電流出力端の間に接続されるキャパシタとを備え、前記切替え部は、前記第2半導体スイッチの前記制御端の電圧を調整することによって前記切替えを行うことを特徴とする。
本発明にあっては、前述したように、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチは短い期間でオン又はオフに切替わるので、スイッチング損失が小さい。第2半導体スイッチの制御端の電圧を調整することによって、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチをオン又はオフに切替えているので、製造費用が安価である。
バッテリの正極が第1半導体スイッチの電流入力端に接続され、負荷の一端が第2半導体スイッチの電流出力端に接続され、バッテリの負極が負荷の他端に接続されている場合において、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチがオフであるとき、バッテリによってキャパシタは充電されている。切替え部が第2半導体スイッチの制御端の電圧を上昇させた場合、第2半導体スイッチを介して負荷に流れる電流が上昇し、第2半導体スイッチの電流出力端の電圧が上昇する。これにより、第2半導体スイッチの制御端の電圧がバッテリの出力電圧未満であっても、キャパシタのバッテリ側の一端における電圧がバッテリの出力電圧を超え、第1半導体スイッチの制御端に接続されている寄生容量が充電される。結果、第1半導体スイッチが、より速くオンに切替わる。
本発明に係る給電制御装置は、第1半導体スイッチと、電流入力端が該第1半導体スイッチの電流出力端に接続されている第2半導体スイッチとをオン又はオフに切替える切替え部を備え、該切替え部の切替えにより、前記第2半導体スイッチを介した給電を制御する給電制御装置において、前記第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチ夫々は、制御端の電圧がオン閾値以上である場合にオンに切替わり、該制御端の電圧がオフ閾値未満である場合にオフに切替わり、前記第1半導体スイッチの前記電流入力端及び制御端間に接続される抵抗と、カソードが前記第1半導体スイッチの前記制御端に接続され、アノードが前記第2半導体スイッチの前記制御端に接続されるダイオードとを備え、前記第2半導体スイッチ及びダイオード夫々の数は、2以上であって同じであり、複数の前記第2半導体スイッチ夫々の前記電流入力端は、前記第1半導体スイッチの電流出力端に接続され、複数の前記ダイオードのカソードは第1半導体スイッチの前記制御端に接続され、前記複数のダイオード夫々のアノードは、前記複数の第2半導体スイッチの制御端に接続され、前記切替え部は、前記複数の第2半導体スイッチの前記制御端の電圧を各別に調整することを特徴とする。
本発明にあっては、前述したように、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチは短い期間でオン又はオフに切替わるので、スイッチング損失が小さい。第2半導体スイッチの制御端の電圧を調整することによって、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチをオン又はオフに切替えているので、製造費用が安価である。
複数の第2半導体スイッチ夫々の電流入力端は、第1半導体スイッチの電流出力端に接続されている。第1半導体スイッチの制御端には、複数のダイオード夫々のカソードが接続されており、複数のダイオード夫々のアノードは、複数の第2半導体スイッチの制御端に接続されている。切替え部が、複数の第2半導体スイッチ中の少なくとも1つの制御端の電圧を上昇させた場合、第1半導体スイッチと、電圧を上昇させた一又は複数の制御端に対応する一又は複数の第2半導体スイッチとがオンに切替わる。複数の第2半導体スイッチを各別にオン又はオフに切替えることによって、複数の第2半導体スイッチを介した給電を制御する。
本発明に係る給電制御装置は、カソード及びアノードが前記第1半導体スイッチの前記電流出力端及び電流入力端に接続される寄生ダイオードと、カソードが前記第1半導体スイッチの前記制御端に接続される複数の第2のダイオードと、カソードが前記複数の第2のダイオード夫々のアノードに接続され、アノードが前記第1半導体スイッチの前記電流出力端に接続される複数の第3のダイオードと、一端が前記複数の第2のダイオード夫々のアノードに接続される複数のキャパシタとを備え、前記第2のダイオード、第3のダイオード及びキャパシタ夫々の数は前記第2半導体スイッチの数と同じであり、前記複数のキャパシタ夫々の他端は、前記複数の第2半導体スイッチの前記電流出力端に接続されることを特徴とする。
本発明にあっては、バッテリの正極が第1半導体スイッチの電流入力端に接続され、負荷の一端が第2半導体スイッチの電流出力端に接続され、バッテリの負極が負荷の他端に接続されている場合において、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチがオフであるとき、複数のキャパシタ夫々は、第3のダイオードを介して充電される。第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチがオフである状態で切替え部が一の第2半導体スイッチの制御端の電圧を上昇させた場合、一の第2半導体スイッチの電流出力端の電圧が上昇する。これにより、一の第2半導体スイッチの制御端の電圧がバッテリの出力電圧未満であっても、一の第2半導体スイッチの電流出力端に一端が接続されているキャパシタのバッテリ側の一端における電圧がバッテリの出力電圧を超え、第2のダイオードを介して第1半導体スイッチの制御端に接続されている寄生容量が充電される。これにより、第1半導体スイッチが、より速くオンに切替わる。
本発明に係る給電制御装置は、第1半導体スイッチと、電流入力端が該第1半導体スイッチの電流出力端に接続されている第2半導体スイッチとをオン又はオフに切替える切替え部を備え、該切替え部の切替えにより、前記第2半導体スイッチを介した給電を制御する給電制御装置において、前記第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチ夫々は、制御端の電圧がオン閾値以上である場合にオンに切替わり、該制御端の電圧がオフ閾値未満である場合にオフに切替わり、前記第1半導体スイッチの前記電流入力端及び制御端間に接続される抵抗と、カソードが前記第1半導体スイッチの前記制御端に接続され、アノードが前記第2半導体スイッチの前記制御端に接続されるダイオードとを備え、前記切替え部は、前記第2半導体スイッチの前記制御端の電圧を調整することによって前記切替えを行い、前記第1半導体スイッチは、電流入力端の電位を基準とした前記制御端の電圧に基づいてオン又はオフに切替わり、前記第2半導体スイッチは、電流出力端の電位を基準とした前記制御端の電圧に基づいてオン又はオフに切替わることを特徴とする。
本発明にあっては、前述したように、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチは短い期間でオン又はオフに切替わるので、スイッチング損失が小さい。第2半導体スイッチの制御端の電圧を調整することによって、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチをオン又はオフに切替えているので、製造費用が安価である。
第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチ夫々は、例えば、Nチャネル型のFETであり、第1半導体スイッチのドレインが第2半導体スイッチのドレインに接続されている。
本発明に係る給電制御装置は、前記第1半導体スイッチの電流入力端及び制御端間に接続され、前記第2半導体スイッチの電流出力端の電位を基準として、前記第1半導体スイッチの電流入力端に負の電圧が印加された場合にオンに切替わるスイッチを備え、前記第1半導体スイッチは、電流入力端及び制御端間の電圧が略ゼロVである場合にオフであることを特徴とする。
本発明にあっては、第2半導体スイッチの電流出力端の電位を基準として、第1半導体スイッチの電流入力端に負の電圧が印加された場合、スイッチがオンに切替わり、第1半導体スイッチの電流入力端及び制御端間の電圧が略ゼロVとなり、第1半導体スイッチがオフに切替わる。従って、第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチがオンであっても、第2半導体スイッチ夫々の電流出力端の電位を基準として、第1半導体スイッチの電流入力端に負の電圧が印加された場合、第1半導体スイッチは強制的にオフに切替わる。このため、第2半導体スイッチから第1半導体スイッチへ電流が流れることが確実に防止される。
本発明によれば、スイッチング損失が小さく、製造費用が安価である。
実施の形態1における電源システムの要部構成を示すブロック図である。 給電制御装置の回路図である。 第2半導体スイッチのオンへの切替えを説明するためのタイミングチャートである。 実施の形態2における給電制御装置の回路図である。 キャパシタの効果を説明するためのタイミングチャートである。 実施の形態3における電源システムの要部構成を示すブロック図である。 給電制御装置の回路図である。 制御回路の回路図である。
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1における電源システム1の要部構成を示すブロック図である。電源システム1は、車両に好適に搭載されており、給電制御装置10、バッテリ11、導体12及び負荷A1を備える。導体12は例えば、車両のボディである。
給電制御装置10は、導体12、負荷A1の一端、及び、正極端子T1に各別に接続されている。負荷A1の他端、及び、負極端子T2も導体12に接続されている。バッテリ11は、正極端子T1及び負極端子T2間に着脱可能に接続される。バッテリ11の正常な接続状態は、バッテリ11の正極及び負極夫々が正極端子T1及び負極端子T2に接続されている状態である。バッテリ11の誤った接続状態は、バッテリ11の正極及び負極夫々が負極端子T2及び正極端子T1に接続されている状態である。
バッテリ11が正常に接続されている場合、給電制御装置10を介して、バッテリ11から負荷A1に給電される。給電制御装置10は、バッテリ11から負荷A1への給電を制御する。負荷A1は、車両に搭載された電気機器であり、給電されている場合に作動し、給電が停止している場合に動作を停止している。
バッテリ11の接続を誤った場合、給電制御装置10は、負極端子T2から負荷A1に電流が流れることを防止する。
図2は給電制御装置10の回路図である。給電制御装置10は、第1半導体スイッチ20、スイッチ21、マイクロコンピュータ(以下、マイコンという)22、制御回路B1、ダイオードD1及び抵抗R1,R2,R3を有する。
第1半導体スイッチ20はNチャネル型のFETである。従って、給電制御装置10は、更に、第1半導体スイッチ20の製造時に形成される寄生ダイオードDp1及び寄生容量Cs1,Cd1を有する。寄生ダイオードDp1は、第1半導体スイッチ20のドレイン及びソース間に接続され、寄生ダイオードDp1のカソード及びアノード夫々は第1半導体スイッチ20のドレイン及びソースに接続されている。寄生容量Cs1は第1半導体スイッチ20のゲート及びソース間に接続され、寄生容量Cd1は第1半導体スイッチ20のゲート及びドレイン間に接続されている。スイッチ21はNPN型のバイポーラトランジスタである。
制御回路B1は、第2半導体スイッチ30、駆動部31及びダイオードD2を有する。
第2半導体スイッチ30はNチャネル型のFETである。従って、制御回路B1は、更に、第2半導体スイッチ30の製造時に形成される寄生ダイオードDp2及び寄生容量Cs2,Cd2を有する。寄生ダイオードDp2は、第2半導体スイッチ30のドレイン及びソース間に接続され、寄生ダイオードDp2のカソード及びアノード夫々は第2半導体スイッチ30のドレイン及びソースに接続されている。寄生容量Cs2は第2半導体スイッチ30のゲート及びソース間に接続され、寄生容量Cd2は第2半導体スイッチ30のゲート及びドレイン間に接続されている。
正極端子T1には、第1半導体スイッチ20のソースが接続されている。第1半導体スイッチ20のドレインは、制御回路B1の第2半導体スイッチ30のドレインに接続されている。第2半導体スイッチ30のソースは負荷A1の一端に接続されている。第1半導体スイッチ20のゲートは、制御回路B1のダイオードD2のカソードに接続されている。ダイオードD2のアノードは第2半導体スイッチ30のゲートに接続されている。第2半導体スイッチ30のゲートには、更に、駆動部31が接続されている。駆動部31には、更に、マイコン22が接続されている。
第1半導体スイッチ20のソースには、更に、スイッチ21のエミッタ、及び、抵抗R1,R2夫々の一端が接続されている。スイッチ21のコレクタ、及び、抵抗R1の他端は第1半導体スイッチ20のゲートに接続されている。このように、スイッチ21及び抵抗R1夫々は、第1半導体スイッチ20のソース及びゲート間に接続されている。
抵抗R2の他端は、スイッチ21のベース、及び、抵抗R3の一端に接続されている。抵抗R3の他端はダイオードD1のカソードに接続されている。ダイオードD1のアノードは導体12に接続されている。
第1半導体スイッチ20に関して、ソースの電位を基準としたゲートの電圧がオン閾値Vn1以上となった場合、ソース及びドレイン間の抵抗値が略ゼロΩとなる。このとき、第1半導体スイッチ20はオンに切替わる。また、第1半導体スイッチ20に関して、ソースの電位を基準としたゲートの電圧がオフ閾値Vf1未満となった場合、ソース及びドレイン間の抵抗値が十分に大きく、ソース及びドレイン間に電流が流れることは殆どない。このように、第1半導体スイッチ20において、ソースの電位を基準としたゲートの電圧がオフ閾値Vf1未満となった場合、第1半導体スイッチ20はオフに切替わる。オフ閾値Vf1は、正であり、オン閾値Vn1未満である。
同様に、第2半導体スイッチ30に関して、ソースの電位を基準としたゲートの電圧がオン閾値Vn2以上となった場合、ソース及びドレイン間の抵抗値が略ゼロΩである。このとき、第2半導体スイッチ30はオンに切替わる。また、第2半導体スイッチ30に関して、ソースの電位を基準としたゲートの電圧がオフ閾値Vf2未満である場合、ソース及びドレイン間の抵抗値が十分に大きく、ソース及びドレイン間に電流が流れることは殆どない。このように、第2半導体スイッチ30において、ソースの電位を基準としたゲートの電圧がオフ閾値Vf2未満となった場合、第2半導体スイッチ30はオフに切替わる。オフ閾値Vf2は、正であり、オン閾値Vn2未満である。
更に、スイッチ21に関して、エミッタの電位を基準としたベースの電圧がオン閾値Vn3以上となった場合、エミッタ及びコレクタ間の抵抗値が略ゼロΩである。このとき、スイッチ21はオンに切替わる。また、スイッチ21に関して、エミッタの電位を基準としたベースの電圧がオフ閾値Vf3未満である場合、エミッタ及びコレクタ間の抵抗値が十分に大きく、エミッタ及びコレクタ間に電流が流れることは殆どない。このように、スイッチ21において、エミッタの電位を基準としたゲートの電圧がオフ閾値Vf3未満となった場合、スイッチ21はオフに切替わる。オフ閾値Vf3は、正であり、オン閾値Vn3未満である。
バッテリ11が正常に接続されている場合、ダイオードD1の作用により、抵抗R2,R3に電流が流れることはない。このため、スイッチ21に関して、エミッタの電位を基準としたベースの電圧は、略ゼロVであり、オフ閾値Vf3未満である。このため、バッテリ11が正常に接続されている場合、スイッチ21はオフである。
バッテリ11の接続を誤った場合、言い換えると、制御回路B1が有する第2半導体スイッチ30のソースの電位を基準として、第1半導体スイッチ20のソースに負の電圧が印加された場合、電流が、負極端子T2から導体12、ダイオードD1、抵抗R3,R2及び正極端子T1の順に流れる。このとき、抵抗R2で電圧降下が生じ、スイッチ21に関して、エミッタの電位を基準としたベースの電圧がオン閾値Vn3以上となり、スイッチ21がオンに切替わる。スイッチ21がオンである場合、第1半導体スイッチ20において、ソースの電位を基準としたゲートの電圧が、略ゼロVであり、オフ閾値Vf1未満である。このとき、第1半導体スイッチ20はオフである。
従って、バッテリ11の接続を誤った場合、スイッチ21がオンに切替わって、第1半導体スイッチ20がオフに切替わる。前述したように、寄生ダイオードDp1のカソードは、第1半導体スイッチ20のドレインに接続されているので、第1半導体スイッチ20がオフである場合、第1半導体スイッチ20においてドレインからソースに電流が流れることはない。このため、バッテリ11の接続を誤った場合に負荷A1に電流が流れることはない。
第1半導体スイッチ20がオフである状態でバッテリ11の接続を誤った場合、スイッチ21がオンであるか否かに無関係に、負極端子T2から負荷A1に電流が流れることはない。
また、たとえ第1半導体スイッチ20及び第2半導体スイッチ30がオンであっても、バッテリ11の接続を誤った場合、第1半導体スイッチ20は強制的にオフに切替わるので、負荷A1に電流が流れることが確実に防止される。
以下では、バッテリ11は正常に接続されている場合における給電制御装置10を説明する。説明を簡単にするため、寄生ダイオードDp1,Dp2及びダイオードD2夫々の順方向の電圧降下の幅は十分に小さいとみなす。
第1半導体スイッチ20においては、ゲートから寄生容量Cs1,Cd1に電流を供給し、ソースの電位を基準としたゲートの電圧をオン閾値Vn1以上に上昇させる。これにより、第1半導体スイッチ20をオンに切替える。
また、寄生容量Cs1,Cd1に放電させることによって、ソースの電位を基準としたゲートの電圧を、オフ閾値Vf1未満に低下させる。これにより、第1半導体スイッチ20がオフに切替わる。
第2半導体スイッチ30においては、ゲートから寄生容量Cs2,Cd2に電流を供給し、ソースの電位を基準としたゲートの電圧をオン閾値Vn2以上に上昇させる。これにより、第2半導体スイッチ30をオンに切替える。
また、寄生容量Cs2,Cd2に放電させることによって、ソースの電位を基準としたゲートの電圧を、オフ閾値Vf2未満に低下させる。これにより、第2半導体スイッチ30がオフに切替わる。
制御回路B1の駆動部31には、マイコン22から、負荷A1の駆動を指示する駆動信号と、負荷A1の駆動の停止を指示する停止信号とが入力される。
駆動部31は、駆動信号が入力された場合、図示しない内部抵抗を介して、バッテリ11の出力電圧Vbよりも高い駆動電圧を、第2半導体スイッチ30のゲートと、第1半導体スイッチ20のゲートとに出力する。駆動部31は、内部抵抗及びダイオードD2を介して、第1半導体スイッチ20のゲートに駆動電圧を出力する。
駆動部31が駆動電圧を出力することによって、第2半導体スイッチ30のゲートから寄生容量Cs2,Cd2に電流が供給されると共に、第1半導体スイッチ20のゲートから寄生容量Cs1,Cd1に電流が供給される。これにより、寄生容量Cs1,Cd1,Cs2,Cd2が充電され、第1半導体スイッチ20及び第2半導体スイッチ30夫々において、ソースの電位を基準としたゲートの電圧が上昇する。
駆動部31が駆動電圧を出力することによって、第1半導体スイッチ20ではソースの電位を基準としたゲートの電圧がオン閾値Vn1以上となり、第2半導体スイッチ30ではソースの電位を基準としたゲートの電圧がオン閾値Vn2以上となる。これにより、第1半導体スイッチ20及び第2半導体スイッチ30がオンに切替わる。
第2半導体スイッチ30がオンである場合、電流は、正極端子T1から、第1半導体スイッチ20のソース及びドレイン、並びに、第2半導体スイッチ30のドレイン及びソースの順に流れる。
このため、第1半導体スイッチ20のソースと、第2半導体スイッチ30のドレインとは電流入力端として機能し、第1半導体スイッチ20のドレインと、第2半導体スイッチ30のソースとは電流出力端として機能する。第1半導体スイッチ20及び第2半導体スイッチ30夫々のゲートは制御端として機能する。
駆動部31は、マイコン22から停止信号が入力された場合、第2半導体スイッチ30のゲートを、内部抵抗を介して導体12に接続させる。これにより、寄生容量Cs2,Cd2から電流が駆動部31に流れ、寄生容量Cs2,Cd2は放電し、第2半導体スイッチ30のゲートの電圧は、オフ閾値Vf2未満となり、第2半導体スイッチ30はオフに切替わる。第2半導体スイッチ30がオフに切替わった場合、負荷A1への給電が停止し、負荷A1は動作を停止する。
第2半導体スイッチ30のゲートが導体12に接続されている状態で放電が終了した時点では、第2半導体スイッチ30のドレインの電圧は、バッテリ11の出力電圧Vbに略一致しており、第2半導体スイッチ30のゲート及びソース夫々の電圧は略ゼロVである。
マイコン22が駆動部31に停止信号を出力し、駆動部31が第2半導体スイッチ30のゲートを導体12に接続させた場合、駆動部31から第1半導体スイッチ20のゲートへの電圧の出力が停止する。このため、寄生容量Cs1,Cd1夫々では、第1半導体スイッチ20のゲート側の一端から、電流が抵抗R1を介して流れ、第1半導体スイッチ20の寄生容量Cs1,Cd1夫々は放電する。これにより、第1半導体スイッチ20において、ソースの電位を基準としたゲートの電圧はオフ閾値Vf1未満となり、第1半導体スイッチ20はオフに切替わる。
マイコン22は、駆動部31に駆動信号又は停止信号を出力することによって、制御回路B1の動作を制御する。
第2半導体スイッチ30のゲートが駆動部31の内部抵抗を介して導体12に接続されている状態で寄生容量Cs1,Cd1の放電が終了した時点では、寄生容量Cs1,Cd1夫々の両端間の電圧は略ゼロVであり、寄生容量Cs1,Cd1夫々が蓄積している電力は略ゼロWである。
以上のように、駆動部31は、内部抵抗を介して駆動電圧を出力したり、内部抵抗を介して第2半導体スイッチ30のゲートを導体12に接続させたりすることによって、第2半導体スイッチ30のゲートの電圧を調整し、第1半導体スイッチ20及び第2半導体スイッチ30をオン又はオフに切替える。これにより、第2半導体スイッチ30を介した負荷A1への給電を制御する。駆動部31は切替え部として機能する。
給電制御装置10において、駆動部31が第1半導体スイッチ20及び第2半導体スイッチ30をオフからオンに切替える速度が速い。
比較対象の給電制御装置は、抵抗R1が設けられておらず、かつ、第1半導体スイッチ20のゲートがダイオードD2を介さずに第2半導体スイッチ30のゲートに接続されている給電制御装置である。比較対象の給電制御装置でも、駆動部31が駆動電圧を出力することによって、第1半導体スイッチ20及び第2半導体スイッチ30をオフからオンに切替えることが可能である。
当然のことながら、給電制御装置10及び比較対象の給電制御装置夫々において、駆動部31が供給する電力は同じである。
図3は第2半導体スイッチ30のオンへの切替えを説明するためのタイミングチャートである。図3には、第2半導体スイッチ30におけるソースの電圧Vs2及びゲートの電圧Vg2夫々の推移が示されている。以下では、ソースの電圧Vs2及びゲートの電圧Vg2夫々をソース電圧Vs2及びゲート電圧Vg2と記載する。ソース電圧Vs2及びゲート電圧Vg2夫々は、導体12の電位を基準とした電圧である。ゲート電圧Vg2及びソース電圧Vs2夫々の推移は太線及び細線で示されている。ゲート電圧Vg2及びソース電圧Vs2の推移が重なる部分は太線で示されている。
給電制御装置10、及び、比較対象の給電制御装置夫々について、ソース電圧Vs2及びゲート電圧Vg2夫々の推移の傾向は、変わらない。
以下では、駆動部31が駆動電圧の出力を開始してからゲート電圧Vg2がオフ閾値Vf2に到達するまでの期間を第1期間と記載し、ゲート電圧がオフ閾値Vf2に到達してからソース電圧Vs2がバッテリ11の出力電圧Vbに到達するまでの期間を第2期間と記載する。更に、ソース電圧Vs2がバッテリ11の出力電圧Vbに到達してから、ゲート電圧Vg2が駆動電圧に到達するまでの期間を第3期間と記載する。給電制御装置10における第1期間及び第2期間夫々の長さは、比較対象の給電制御装置における第1期間及び第2期間の長さよりも短い。給電制御装置10における第3期間の長さは、比較対象の給電制御装置における第3期間の長さと略同じである。
まず、比較対象の給電制御装置におけるオンへの切替えについて述べる。比較対象の給電制御装置では、第1半導体スイッチ20及び第2半導体スイッチ30がオフである場合、電流が正極端子T1から寄生容量Cs1及び駆動部31の順に流れ、更には、電流が正極端子T1から寄生ダイオードDp1、寄生容量Cd1及び駆動部31の順に流れる。このため、第1半導体スイッチ20において、ゲートの電位を基準としたソース及びドレイン夫々の電圧はバッテリ11の出力電圧Vbと略一致している。従って、第1半導体スイッチ20において、ソース及びドレイン夫々の電位を基準としたゲートの電圧は負である。
第1期間では、寄生容量Cs1,Cs2が充電される。寄生容量Cs1には、電流が第1半導体スイッチ20のゲートから供給され、寄生容量Cs2には、電流が第2半導体スイッチ30のゲートから供給される。寄生容量Cs2の充電により、ゲート電圧Vg2が上昇する。ゲート電圧Vg2及びソース電圧Vs2の差がオフ閾値Vf2となるまで、ソース電圧Vs2はゼロVに維持される。
ゲート電圧Vg2及びソース電圧Vs2の差がオフ閾値Vf2となった場合、第2半導体スイッチ30のドレイン及びソース間に電流が流れる。このとき、第1半導体スイッチ20はオフであるため、電流は、正極端子T1から、第1半導体スイッチ20の寄生ダイオードDp1を流れる。
負荷A1に電流が流れた場合、負荷A1の両端間に電圧が発生し、ソース電圧Vs2が上昇する。また、負荷A1に流れる電流の上昇と共に、負荷A1の両端間の電圧も上昇する。第2期間では、寄生容量Cs1,Cd1,Cd2が充電される。寄生容量Cd2の充電により、ゲート電圧Vg2が上昇する。寄生容量Cs1,Cd1に関しては、電流が第1半導体スイッチ20のゲートから供給される。寄生容量Cd2に関しては、電流が第2半導体スイッチ30のゲートから供給される。
ゲート電圧Vg2が上昇した場合、負荷A1に流れる電流が上昇し、ソース電圧Vs2が上昇する。ソース電圧Vs2は、バッテリ11の出力電圧Vbとなるまで、ソース電圧Vs2及びゲート電圧Vg2間の差をオフ閾値Vf2に維持しながら、ゲート電圧Vg2の上昇と共に上昇する。ソース電圧Vs2は、バッテリ11の出力電圧Vbに到達した後、バッテリ11の出力電圧Vbに維持される。
第3期間では、寄生容量Cs1,Cd1,Cs2,Cd2が充電される。寄生容量Cs2,Cd2の充電により、ソース電圧Vs2がバッテリ11の出力電圧Vbに維持された状態でゲート電圧Vg2が駆動電圧まで上昇する。ゲート電圧Vg2及びソース電圧Vs2間の差がオン閾値Vn2以上となった時点で、制御回路B1の第2半導体スイッチ30はオンに切替わる。
導体12の電位を基準とした第1半導体スイッチ20のゲートの電圧はゲート電圧Vg2と同様に推移し、導体12の電位を基準とした第1半導体スイッチ20のソースの電圧はバッテリ11の出力電圧Vbと略一致している。第1半導体スイッチ20では、ソースの電位を基準としたゲートの電圧は、負の電圧から上昇する。ソースの電位を基準としたゲートの電圧がオン閾値Vn1以上となった場合に第1半導体スイッチ20はオンに切替わる。
次に、給電制御装置10におけるオンへの切替えについて述べる。給電制御装置10では、第1半導体スイッチ20及び第2半導体スイッチ30がオフである場合、寄生容量Cs1は抵抗R1を介して放電し、寄生容量Cd1は抵抗R1及び寄生ダイオードDp1を介して放電する。このため、第1半導体スイッチ20において、ソースの電圧を基準としたゲートの電圧と、ドレインの電圧を基準としたゲートの電圧とは略ゼロVである。導体12の電位を基準とした第1半導体スイッチ20のゲートの電圧はバッテリ11の出力電圧Vbと略一致している。
第1期間では、駆動部31が駆動電圧の出力を開始してから、第2半導体スイッチ30のゲート電圧Vg2がバッテリ11の出力電圧Vb以上となるまで、駆動部31から第1半導体スイッチ20のゲートに電圧が出力されることはない。
第1期間では、駆動部31の全ての電力が寄生容量Cs2に供給され、寄生容量Cs2のみが充電される。寄生容量Cs2には、電流が第2半導体スイッチ30のゲートから供給される。寄生容量Cs2の充電により、ゲート電圧Vg2が上昇する。ゲート電圧Vg2及びソース電圧Vs2の差がオフ閾値Vf2となるまで、ソース電圧Vs2はゼロVに維持される。オフ閾値Vf2はバッテリ11の出力電圧Vb未満である。
ゲート電圧Vg2及びソース電圧Vs2の差がオフ閾値Vf2となった場合、第2半導体スイッチ30のドレイン及びソース間に電流が流れる。このとき、第1半導体スイッチ20はオフであるため、電流は、正極端子T1から、第1半導体スイッチ20の寄生ダイオードDp1を流れる。
なお、第1期間において、ゲート電圧Vg2の上昇によって、第1半導体スイッチ20のドレインの電圧が上昇する。一方で、第1半導体スイッチ20のゲートの電圧はバッテリ11の出力電圧Vbに維持されている。このため、寄生容量Cd1が充電される。しかしながら、寄生容量Cd1の静電容量は、例えば、寄生容量Cs1の静電容量の10分の1であり、十分に小さいので、第1期間に寄生容量Cd1に供給される電力は無視できる程度に小さい。
負荷A1に電流が流れた場合、負荷A1の両端間に電圧が発生し、ソース電圧Vs2が上昇する。また、負荷A1に流れる電流の上昇と共に、負荷A1の両端間の電圧も上昇する。第2期間では、寄生容量Cd2が充電され、ゲート電圧Vg2が上昇する。寄生容量Cd2には、電流が第2半導体スイッチ30のゲートから供給される。
給電制御装置10では、比較対象の給電制御装置と同様に、ソース電圧Vs2は、バッテリ11の出力電圧Vbとなるまで、ソース電圧Vs2及びゲート電圧Vg2間の差をオフ閾値Vf2に維持しながら、ゲート電圧Vg2の上昇と共に上昇する。ソース電圧Vs2は、バッテリ11の出力電圧Vbに到達した後、バッテリ11の出力電圧Vbに維持される。
第3期間では、比較対象の給電制御装置と同様に、寄生容量Cs1,Cd1,Cs2,Cd2が充電される。寄生容量Cs2,Cd2の充電により、ソース電圧Vs2がバッテリ11の出力電圧Vbに維持された状態でゲート電圧Vg2が駆動電圧まで上昇する。ゲート電圧Vg2及びソース電圧Vs2間の差がオン閾値Vn2以上となった時点で、制御回路B1の第2半導体スイッチ30はオンに切替わる。
導体12の電位を基準とした第1半導体スイッチ20のゲートの電圧は、ゲート電圧Vg2がバッテリ11の出力電圧Vb未満である間、バッテリ11の出力電圧Vbに維持され、ゲート電圧Vg2がバッテリ11の出力電圧Vb以上となった後、ゲート電圧Vg2と同様に推移する。導体12の電位を基準とした第1半導体スイッチ20のソースの電圧はバッテリ11の出力電圧Vbと略一致している。第1半導体スイッチ20では、ソースの電位を基準としたゲートの電圧は、ゼロVから上昇する。ソースの電位を基準としたゲートの電圧がオン閾値Vn1以上となった場合に第1半導体スイッチ20はオンに切替わる。
以上のように、比較対象の給電制御装置では、駆動部31が駆動電圧を出力することによって、第1期間では寄生容量Cs1,Cs2が充電され、第2期間では寄生容量Cs1,Cd1,Cd2が充電され、第3期間では寄生容量Cs1,Cd1,Cs2,Cd2が充電される。駆動部31が駆動電圧を出力した時点の第1半導体スイッチ20では、ソース及びドレイン夫々の電位を基準としたゲートの電圧は負である。このため、第1期間で寄生容量Cs1を充電し、第2期間で寄生容量Cs1,Cd1を充電している。
一方で、給電制御装置10では、駆動部31が駆動電圧を出力することによって、第1期間では寄生容量Cs2が充電され、第2期間では寄生容量Cd2が充電され、第3期間では寄生容量Cs1,Cd1,Cs2,Cd2が充電される。駆動部31が駆動電圧を出力した時点では、第2半導体スイッチ30のゲートの電圧はバッテリ11の出力電圧Vb未満である。第2半導体スイッチ30のゲートの電圧がバッテリ11の出力電圧Vb未満である間、第1半導体スイッチ20のゲートの電圧は、出力電圧Vbに維持され、ソース及びドレイン夫々の電位を基準とした電圧はゼロVである。このため、第1期間では寄生容量Cs1を充電する必要がなく、第2期間では寄生容量Cs1,Cd1を充電する必要がない。
従って、給電制御装置10では、駆動部31が駆動電圧を出力してから、第1半導体スイッチ20と、第2半導体スイッチ30とがオンに切替わるまでの期間が短い。このため、第1半導体スイッチ20及び第2半導体スイッチ30をオフからオンに切替える場合に生じるスイッチング損失が小さい。更に、電流が第1半導体スイッチ20の寄生ダイオードDp1を流れている期間が短く、消費電力が小さい。
また、給電制御装置10において、駆動部31が、第1半導体スイッチ20及び第2半導体スイッチ30をオンからオフに切替える速度も速い。
比較対象の給電制御装置では、駆動部31が第2半導体スイッチ30のゲートを、内部抵抗を介して導体12に接続した場合、寄生容量Cs1,Cd1,Cs2,Cd2夫々から電流が駆動部31に流れ、寄生容量Cs1,Cd1,Cs2,Cd2夫々は放電する。前述したように、第1半導体スイッチ20においてソースの電位を基準としたゲートの電圧がオフ閾値Vf1未満となった場合、第1半導体スイッチ20はオフに切替わる。第2半導体スイッチ30においてソースの電位を基準としたゲートの電圧がオフ閾値Vf2未満となった場合、第2半導体スイッチ30はオフに切替わる。
給電制御装置10では、駆動部31が、第2半導体スイッチ30のゲートを、内部抵抗を介して導体12に接続した場合、寄生容量Cs2,Cd2夫々から電流が駆動部31に流れ、寄生容量Cs2,Cd2夫々は放電する。寄生容量Cs1,Cd1は抵抗R1を介して放電する。従って、第2半導体スイッチ30において、駆動部31が内部抵抗を介して導体12に接続してから、ソースの電位を基準としたゲートの電圧がオフ閾値Vf2未満となるまでの期間が短い。このため、第1半導体スイッチ20及び第2半導体スイッチ30をオンからオフに切替える場合に生じるスイッチング損失も小さい。
また、給電制御装置10では、駆動部31が第2半導体スイッチ30のゲートの電圧を調整することによって、第1半導体スイッチ20及び第2半導体スイッチ30をオン又はオフに切替えているので、製造費用が安価である。
(実施の形態2)
図4は実施の形態2における給電制御装置10の回路図である。
以下では、実施の形態2について、実施の形態1と異なる点を説明する。後述する構成を除く他の構成については、実施の形態1と共通しているため、実施の形態1と共通する構成部には実施の形態1と同一の参照符号を付してその説明を省略する。
実施の形態2における電源システム1において、給電制御装置10、バッテリ11、導体12及び負荷A1は実施の形態1と同様に接続されている。
実施の形態2における給電制御装置10を実施の形態1における給電制御装置10と比較した場合、制御回路B1がキャパシタC1を更に有する点が異なる。キャパシタC1は、第1半導体スイッチ20のゲートと、第2半導体スイッチ30のソースとの間に接続されている。このため、駆動部31が駆動電圧を第2半導体スイッチ30のゲートに出力した場合に、第1半導体スイッチ20は、より速くオフからオンに切替わる。以下では、バッテリ11が正常に接続されている場合における給電制御装置10を説明する。
図5は、キャパシタC1の効果を説明するためのタイミングチャートである。図5には、図3と同様に、第2半導体スイッチ30のゲート電圧Vg2及びソース電圧Vs2夫々が太線及び細線によって示されている。実施の形態2における給電制御装置10においても、駆動部31が駆動電圧の出力を開始した場合、ゲート電圧Vg2及びソース電圧Vs2夫々は実施の形態1と同様に推移する。
図5には、第1半導体スイッチ20におけるソースの電圧Vs1及びゲートの電圧Vg1夫々の推移が更に示されている。以下では、ソースの電圧Vs1及びゲートの電圧Vg1夫々をソース電圧Vs1及びゲート電圧Vg1と記載する。ソース電圧Vs1及びゲート電圧Vg1夫々は、導体12の電位を基準とした電圧である。ゲート電圧Vg1及びソース電圧Vs1夫々の推移は太線及び細線で示されている。ゲート電圧Vg1及びソース電圧Vs1の推移が重なる部分は太線で示されている。
第2半導体スイッチ30がオフである場合、電流が正極端子T1から抵抗R1及びキャパシタC1の順に流れ、キャパシタC1が充電される。キャパシタC1は、キャパシタC1の両端間の電圧がバッテリ11の出力電圧Vbと略一致するまで充電される。駆動部31が駆動電圧を出力する時点では、キャパシタC1の両端間の電圧は、バッテリ11の出力電圧Vbと略一致している。
図5に示すように、ゲート電圧Vg2がバッテリ11の出力電圧Vb未満であり、かつ、ソース電圧Vs2が略ゼロVである場合、ゲート電圧Vg1及びソース電圧Vs1夫々はバッテリ11の出力電圧Vbに維持されている。
実施の形態1で述べたように、第2期間では、ゲート電圧Vg2の上昇と共に、ソース電圧Vs2、即ち、キャパシタC1の負荷A1側の一端における電圧が上昇する。このとき、キャパシタC1の両端間の電圧がバッテリ11の出力電圧Vbに略一致しているため、キャパシタC1における抵抗R1側の一端の電圧がバッテリ11の出力電圧Vbを超え、キャパシタC1から第1半導体スイッチ20の寄生容量Cd1,Cs1に電流が供給され、寄生容量Cd1,Cs1が充電される。結果、ゲート電圧Vg2がバッテリ11の出力電圧Vb未満であるにもかかわらず、ゲート電圧Vg1は、ゲート電圧Vg2の上昇と共に上昇する。
第1半導体スイッチ20のソース電圧Vs1は、バッテリ11の出力電圧Vbに維持されている。ゲート電圧Vg1及びソース電圧Vs1の差がオン閾値Vn1以上となった場合、第1半導体スイッチ20はオンに切替わる。その後、ゲート電圧Vg1は、駆動部31が出力している駆動電圧に維持され、安定する。
以上のように、実施の形態2における給電制御装置10においては、駆動部31が駆動電圧を出力してから第1半導体スイッチ20がオンに切替わるまでの期間が更に短い。このように、第1半導体スイッチ20は、より速くオンに切替わるため、第1半導体スイッチ20において、電流が寄生ダイオードDp1を流れている期間が更に短く、第1半導体スイッチ20で消費される電力が更に小さい。
第1半導体スイッチ20及び第2半導体スイッチ30がオンである場合、第2半導体スイッチ30のソース電圧Vs2はバッテリ11の出力電圧Vbに略一致しており、第1半導体スイッチ20のゲート電圧Vg1は、駆動部31が出力した駆動電圧に略一致している。
更に、第1半導体スイッチ20のゲートと、第2半導体スイッチ30のソースとの間にキャパシタC1が接続されているので、駆動部31が、第2半導体スイッチ30のゲートを、内部抵抗を介して導体12に接続した場合に、第1半導体スイッチ20は、より速くオンからオフに切替わる。
駆動部31が、第2半導体スイッチ30のゲートを、内部抵抗を介して導体12に接続した場合、実施の形態1で述べたように、寄生容量Cd2,Cs2は放電し、第2半導体スイッチ30のゲート電圧Vg2は低下する。これにより、第2半導体スイッチ30のドレイン及びソース間の抵抗値が上昇し、負荷A1に流れる電流が低下し、第2半導体スイッチ30のソース電圧Vg2が低下する。ソース電圧Vs2の低下と共に、キャパシタC1における抵抗R1側の一端の電圧も低下する。
駆動部31が、第2半導体スイッチ30のゲートを、内部抵抗を介して導体12に接続した場合、寄生容量Cd1,Cs1は、実施の形態1と同様に抵抗R1を介して放電する。更に、実施の形態2における給電制御装置10では、キャパシタC1における抵抗R1側の一端の電圧が低下するため、寄生容量Cd1,Cs1からキャパシタC1にも電流が流れる。これにより、寄生容量Cd1,Cs1は放電し、キャパシタC1は充電される。
従って、寄生容量Cd1,Cs1は、抵抗R1を介して放電すると共に、キャパシタC1に放電するため、第1半導体スイッチ20のゲートの電圧が、より速く低下し、第1半導体スイッチ20は、より速くオンからオフに切替わる。
実施の形態2における給電制御装置10は、実施の形態1における給電制御装置10が有する全ての構成部を有しているので、実施の形態1における給電制御装置10が奏する効果を同様に奏する。
(実施の形態3)
実施の形態2においては、給電制御装置10が給電を制御する負荷の数は1つである。しかしながら、給電制御装置10が給電を制御する負荷の数は2以上であってもよい。
以下では、実施の形態3について、実施の形態2と異なる点を説明する。後述する構成を除く他の構成については、実施の形態2と共通しているため、実施の形態2と共通する構成部には実施の形態2と同一の参照符号を付してその説明を省略する。
図6は、実施の形態3における電源システム1の要部構成を示すブロック図である。実施の形態3における電源システム1は、実施の形態2と同様に、給電制御装置10、バッテリ11、導体12及び負荷A1を有する。これらは、実施の形態2と同様に接続されている。実施の形態3における電源システム1は、更に、(n−1)(n:2以上の整数)個の負荷A2,A3,・・・,Anを備える。負荷A2,A3,・・・,An夫々の一端は給電制御装置10に接続され、負荷A2,A3,・・・,An夫々の他端は導体12に接続されている。
バッテリ11が正常に接続されている場合、給電制御装置10を介して、バッテリ11からn個の負荷A1,A2,・・・,Anに給電される。給電制御装置10は、バッテリ11からn個の負荷A1,A2,・・・,Anへの給電を各別に制御する。負荷A2,A3,・・・,An夫々は、負荷A1と同様に、車両に搭載された電気機器であり、給電されている場合に作動し、給電が停止している場合に動作を停止している。
バッテリ11の接続を誤った場合、給電制御装置10は、負極端子T2からn個の負荷A1,A2,・・・,Anに電流が流れることを防止する。
図7は給電制御装置10の回路図である。実施の形態3における給電制御装置10は、実施の形態2における給電制御装置10と同様に、第1半導体スイッチ20、スイッチ21、マイコン22、制御回路B1、寄生容量Cd1,Cs1、寄生ダイオードDp1、ダイオードD1及び抵抗R1,R2,R3を有する。これらは、実施の形態2と同様に接続されている。
実施の形態3における給電制御装置10は、更に、(n−1)個の制御回路B2,B3,・・・,Bnを有する。制御回路B2,B3,・・・,Bn夫々は、第1半導体スイッチ20のゲート及びドレインと、マイコン22とに各別に接続されている。制御回路B2,B3,・・・,Bn夫々は、更に、負荷A2,A3,・・・,Anの一端に接続されている。
図8は制御回路Bk(k=1,2,・・・,n)の回路図である。実施の形態3における制御回路Bkは、実施の形態2における制御回路B1と同様に、第2半導体スイッチ30、駆動部31、寄生容量Cs2,Cd2、キャパシタC1、寄生ダイオードDp2及びダイオードD2を有する。
第2半導体スイッチ30、駆動部31、寄生容量Cs2,Cd2、寄生ダイオードDp2及びダイオードD2は、第2半導体スイッチ30のソースの接続先を除いて、実施の形態2と同様に接続されている。
従って、制御回路Bkの第2半導体スイッチ30のドレインは、第1半導体スイッチ20のドレインに接続されている。更に、制御回路BkのダイオードD2のカソードは第1半導体スイッチ20のゲートに接続され、制御回路BkのダイオードD2のアノードは、制御回路Bkの第2半導体スイッチ30のゲートに接続されている。
制御回路Bkが有する第2半導体スイッチ30のソースは負荷Akの一端に接続されている。
制御回路Bkは、更に、ダイオードD3,D4を有する。制御回路Bkにおいて、ダイオードD3のカソードは第1半導体スイッチ20のゲートに接続されている。ダイオードD3のアノードは、ダイオードD4のカソードと、キャパシタC1の一端とに接続されている。ダイオードD4のアノードは、第1半導体スイッチ20のドレインに接続されている。キャパシタC1の他端は第2半導体スイッチ30のソースに接続されている。寄生ダイオードDp1,Dp2及びダイオードD2夫々の順方向の電圧降下の幅と同様に、ダイオードD3,D4夫々の順方向の電圧降下の幅も十分に小さいとみなす。
実施の形態3において、給電制御装置10は、前述したように、n個の制御回路B1,B2,・・・,Bnを有し、制御回路Bk(k=1,2,・・・,n)は、第2半導体スイッチ30、キャパシタC1及びダイオードD2,D3,D4を有する。このため、給電制御装置10が有する第2半導体スイッチ30、キャパシタC1及びダイオードD2,D3,D4夫々の数は、nであり、同じである。
ダイオードD3は第2のダイオードとして機能し、ダイオードD4は第3のダイオードとして機能する。
制御回路Bk(k=1,2,・・・,n)の駆動部31には、マイコン22から、負荷Akの駆動を指示する駆動信号と、負荷Akの駆動の停止を指示する停止信号とが入力される。
制御回路Bkの駆動部31は、実施の形態2における駆動部31と同様に、駆動信号が入力された場合、図示しない内部抵抗を介して、駆動電圧を制御回路Bkの第2半導体スイッチ30のゲートと、第1半導体スイッチ20のゲートとに出力する。これにより、第1半導体スイッチ20、及び、制御回路Bkの第2半導体スイッチ30夫々のゲートの電圧が上昇し、第1半導体スイッチ20と、制御回路Bkの第2半導体スイッチ30とがオンに切替わる。
制御回路Bkの第2半導体スイッチ30がオンである場合、電流は、正極端子T1から、第1半導体スイッチ20のソース及びドレイン、並びに、制御回路Bkの第2半導体スイッチ30のドレイン及びソースの順に流れる。第1半導体スイッチ20と、制御回路Bkの第2半導体スイッチ30とがオンである場合、負荷Akに給電され、負荷Akが作動する。
制御回路Bkの駆動部31は、停止信号が入力された場合、実施の形態2における駆動部31と同様に、制御回路Bkの第2半導体スイッチ30のゲートを、内部抵抗を介して導体12に接続させる。これにより、制御回路Bkの寄生容量Cs2,Cd2が放電し、制御回路Bkの第2半導体スイッチ30のゲートの電圧は、オフ閾値Vf2未満となり、第2半導体スイッチ30はオフに切替わる。これにより、負荷Akへの給電が停止し、負荷Akは動作を停止する。
マイコン22は、n個の制御回路B1,B2,・・・,Bn夫々の駆動部31に駆動信号又は停止信号を出力することによって、n個の制御回路B1,B2,・・・,Bnの動作を各別に制御する。
マイコン22がn個の制御回路B1,B2,・・・,Bn夫々の駆動部31に停止信号を出力し、n個の制御回路B1,B2,・・・,Bn夫々の駆動部31が第2半導体スイッチ30のゲートを導体12に接続させた場合、第1半導体スイッチ20のゲートへの電圧の出力が停止する。この場合、寄生容量Cs1,Cd1夫々は抵抗R1を介して放電する。これにより、第1半導体スイッチ20において、ソースの電位を基準としたゲートの電圧はオフ閾値Vf1未満となり、第1半導体スイッチ20はオフに切替わる。
以上のように、n個の制御回路B1,B2,・・・,Bnの駆動部31は、n個の第2半導体スイッチ30のゲートの電圧を各別に調整し、n個の第2半導体スイッチ30を各別にオン又はオフに切替える。これにより、n個の第2半導体スイッチ30夫々を介した負荷A1,A2,・・・,Anへの給電を制御する。実施の形態3では、n個の駆動部31が切替え部として機能する。
n個の駆動部31中の少なくとも1つが駆動電圧を出力した場合、即ち、n個の第2半導体スイッチ30中の少なくとも1つをオンに切替える場合、第1半導体スイッチ20がオンに切替わる。また、n個の駆動部31の全てが第2半導体スイッチ30のゲートを、内部抵抗を介して導体12に接続させた場合、即ち、n個の第2半導体スイッチ30の全てをオフに切替える場合、第1半導体スイッチ20がオフに切替わる。
更に、複数の第2半導体スイッチ30がオンである場合において、オンである複数の第2半導体スイッチ30中の1つのゲートが駆動部31の内部抵抗を介して導体12に接続されたとき、ダイオードD2の作用により、寄生容量Cs1,Cd1が放電することはない。このため、1つの駆動部31が第2半導体スイッチ30のゲートを、内部抵抗を介して導体12に接続させた場合であっても、他の駆動部31中の少なくとも1つが駆動電圧を出力している限り、内部抵抗を介して導体12に接続された第2半導体スイッチ30のみがオフに切替わる。
第1半導体スイッチ20と、n個の第2半導体スイッチ30とがオフである状態で、制御回路Bkの駆動部31が駆動電圧を出力した場合、実施の形態2と同様に、キャパシタC1の作用により、第1半導体スイッチ20がより速くオンに切替わる。
制御回路Bkの第2半導体スイッチ30がオフである場合において、第1半導体スイッチ20がオフであるとき、正極端子T1から、電流が寄生ダイオードDp1及びダイオードD4を介してキャパシタC1に流れ、キャパシタC1が充電される。同様の場合において、第1半導体スイッチ20がオンであるとき、正極端子T1から、電流が第1半導体スイッチ20及びダイオードD4を介してキャパシタC1に流れ、キャパシタC1が充電される。制御回路Bkの第2半導体スイッチ30がオフである場合、第1半導体スイッチ20がオンであるか否かに無関係に、キャパシタC1は、キャパシタC1の両端間の電圧がバッテリ11の出力電圧Vbに略一致するまで充電される。
第1半導体スイッチ20と、n個の第2半導体スイッチ30とがオフである状態で、制御回路Bkの駆動部31が駆動電圧を出力した場合における給電制御装置10の動作を説明する。第2半導体スイッチ30のゲートの電圧がバッテリ11の出力電圧Vb未満であり、かつ、第2半導体スイッチ30のソースの電圧が略ゼロVである場合、実施の形態2と同様に、第1半導体スイッチ20のゲート及びソース夫々の電圧はバッテリ11の出力電圧Vbに維持されている。
第2半導体スイッチ30のゲートの電圧の上昇と共に、第2半導体スイッチ30のソースの電圧が上昇する第2期間では、実施の形態2と同様に、キャパシタC1の両端間の電圧がバッテリ11の出力電圧Vbに略一致しているため、キャパシタC1における抵抗R1側の一端の電圧がバッテリ11の出力電圧Vbを超える。これにより、キャパシタC1からダイオードD3を介して第1半導体スイッチ20の寄生容量Cd1,Cs1に電流が供給され、寄生容量Cd1,Cs1が充電される。結果、ゲート電圧Vg2がバッテリ11の出力電圧Vb未満であるにもかかわらず、ゲート電圧Vg1は、ゲート電圧Vg2の上昇と共に上昇する。
第1半導体スイッチ20のソースの電圧は、バッテリ11の出力電圧Vbに維持されている。第1半導体スイッチ20のゲート電圧Vg1及びソース電圧Vs1の差がオン閾値Vn1以上となった場合、第1半導体スイッチ20はオンに切替わる。その後、ゲート電圧Vg1は、バッテリ11の出力電圧Vbに維持され、安定する。
以上のように、実施の形態3における給電制御装置10においては、駆動部31が駆動電圧を出力してから第1半導体スイッチ20がオンに切替わるまでの期間が更に短い。このように、第1半導体スイッチ20は、より速くオンに切替わるため、第1半導体スイッチ20において、電流が寄生ダイオードDp1を流れている期間が短く、第1半導体スイッチ20で消費される電力が小さい。
実施の形態3においては、ダイオードD3は、ダイオードD2と同様に、オンである複数の第2半導体スイッチ30中の1つがオフに切替わったと同時に第1半導体スイッチ20がオフに切替わることを防止する。制御回路Bkにおいて、駆動部31が駆動電圧の出力を停止して第2半導体スイッチ30のゲートを、内部抵抗を介して導体12に接続させた場合、実施の形態2と同様に、寄生容量Cs2,Cd2が放電し、第2半導体スイッチ30のゲートの電圧が低下する。これにより、負荷Akを流れる電流が低下するため、第2半導体スイッチ30のソースの電圧、即ち、負荷Akの両端間の電圧が低下する。
第2半導体スイッチ30のソースの電圧が低下した場合、キャパシタC1の抵抗R1側の一端の電圧が低下する。しかしながら、制御回路BkではダイオードD3が設けられているため、寄生容量Cs1,Cd1からキャパシタC1に電流が流れることはない。従って、n個の駆動部31中の1つが、駆動電圧の出力を停止して第2半導体スイッチ30のゲートを、内部抵抗を介して導体12に接続した場合であっても、他の駆動部31中の少なくとも1つが駆動電圧を出力している限り、第1半導体スイッチ20はオンに維持される。従って、n個の負荷A1,A2,・・・,Anの中で複数の負荷が作動している場合において、作動中の負荷の1つの動作を停止させたときに、作動中の他の負荷が不意に動作を停止することはない。
実施の形態3において、給電制御装置10は抵抗R1を有し、制御回路Bk(k=1,2,・・・,n)はダイオードD2を有するので、実施の形態1,2と同様に、第1半導体スイッチ20及び第2半導体スイッチ30は短い期間でオン又はオフに切替わり、スイッチング損失が小さい。また、n個の駆動部31は、n個の第2半導体スイッチ30夫々のゲートの電圧を調整することによって、第1半導体スイッチとn個の第2半導体スイッチ30とをオン又はオフに切替えるので給電制御装置10の製造費用は安価である。更に、バッテリ11の接続を誤った場合に第1半導体スイッチ20がオフに切替わるので、負極端子T2からn個の負荷A1,A2,・・・,Anに電流が流れることが確実に防止される。
なお、実施の形態1〜3において、スイッチ21は、バッテリ11の接続を誤った場合にオフからオンに切替わるスイッチであればよいため、NPN型のバイポーラトランジスタに限定されず、PNP型のバイポーラトランジスタ又はFET等であってもよい。
開示された実施の形態1〜3は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
10 給電制御装置
20 第1半導体スイッチ
21 スイッチ
30 第2半導体スイッチ
31 駆動部(切替え部の一部)
C1 キャパシタ
Dp1 寄生ダイオード
D2 ダイオード
D3 ダイオード(第2のダイオード)
D4 ダイオード(第3のダイオード)
R1 抵抗

Claims (6)

  1. 第1半導体スイッチと、電流入力端が該第1半導体スイッチの電流出力端に接続されている第2半導体スイッチとをオン又はオフに切替える切替え部を備え、該切替え部の切替えにより、前記第2半導体スイッチを介した給電を制御する給電制御装置において、
    前記第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチ夫々は、制御端の電圧がオン閾値以上である場合にオンに切替わり、該制御端の電圧がオフ閾値未満である場合にオフに切替わり、
    前記第1半導体スイッチの前記電流入力端及び制御端間に接続される抵抗と、
    カソードが前記第1半導体スイッチの前記制御端に接続され、アノードが前記第2半導体スイッチの前記制御端に接続されるダイオードと
    を備え、
    前記切替え部は、前記第2半導体スイッチの前記制御端の電圧を調整することによって前記切替えを行い、
    前記切替え部がオン又はオフに切替える半導体スイッチは、前記第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチのみであること
    を特徴とする給電制御装置。
  2. 第1半導体スイッチと、電流入力端が該第1半導体スイッチの電流出力端に接続されている第2半導体スイッチとをオン又はオフに切替える切替え部を備え、該切替え部の切替えにより、前記第2半導体スイッチを介した給電を制御する給電制御装置において、
    前記第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチ夫々は、制御端の電圧がオン閾値以上である場合にオンに切替わり、該制御端の電圧がオフ閾値未満である場合にオフに切替わり、
    前記第1半導体スイッチの前記電流入力端及び制御端間に接続される抵抗と、
    カソードが前記第1半導体スイッチの前記制御端に接続され、アノードが前記第2半導体スイッチの前記制御端に接続されるダイオードと、
    カソード及びアノードが前記第1半導体スイッチの前記電流出力端及び電流入力端に接続される寄生ダイオードと、
    前記第1半導体スイッチの前記制御端、及び、前記第2半導体スイッチの前記電流出力端の間に接続されるキャパシタと
    を備え
    前記切替え部は、前記第2半導体スイッチの前記制御端の電圧を調整することによって前記切替えを行うこと
    を特徴とする給電制御装置。
  3. 第1半導体スイッチと、電流入力端が該第1半導体スイッチの電流出力端に接続されている第2半導体スイッチとをオン又はオフに切替える切替え部を備え、該切替え部の切替えにより、前記第2半導体スイッチを介した給電を制御する給電制御装置において、
    前記第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチ夫々は、制御端の電圧がオン閾値以上である場合にオンに切替わり、該制御端の電圧がオフ閾値未満である場合にオフに切替わり、
    前記第1半導体スイッチの前記電流入力端及び制御端間に接続される抵抗と、
    カソードが前記第1半導体スイッチの前記制御端に接続され、アノードが前記第2半導体スイッチの前記制御端に接続されるダイオードと
    を備え、
    前記第2半導体スイッチ及びダイオード夫々の数は、2以上であって同じであり、
    複数の前記第2半導体スイッチ夫々の前記電流入力端は、前記第1半導体スイッチの電流出力端に接続され、
    複数の前記ダイオードのカソードは第1半導体スイッチの前記制御端に接続され、
    前記複数のダイオード夫々のアノードは、前記複数の第2半導体スイッチの制御端に接続され、
    前記切替え部は、前記複数の第2半導体スイッチの前記制御端の電圧を各別に調整すること
    を特徴とする給電制御装置。
  4. カソード及びアノードが前記第1半導体スイッチの前記電流出力端及び電流入力端に接続される寄生ダイオードと、
    カソードが前記第1半導体スイッチの前記制御端に接続される複数の第2のダイオードと、
    カソードが前記複数の第2のダイオード夫々のアノードに接続され、アノードが前記第1半導体スイッチの前記電流出力端に接続される複数の第3のダイオードと、
    一端が前記複数の第2のダイオード夫々のアノードに接続される複数のキャパシタと
    を備え、
    前記第2のダイオード、第3のダイオード及びキャパシタ夫々の数は前記第2半導体スイッチの数と同じであり、
    前記複数のキャパシタ夫々の他端は、前記複数の第2半導体スイッチの前記電流出力端に接続されること
    を特徴とする請求項3に記載に給電制御装置。
  5. 第1半導体スイッチと、電流入力端が該第1半導体スイッチの電流出力端に接続されている第2半導体スイッチとをオン又はオフに切替える切替え部を備え、該切替え部の切替えにより、前記第2半導体スイッチを介した給電を制御する給電制御装置において、
    前記第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチ夫々は、制御端の電圧がオン閾値以上である場合にオンに切替わり、該制御端の電圧がオフ閾値未満である場合にオフに切替わり、
    前記第1半導体スイッチの前記電流入力端及び制御端間に接続される抵抗と、
    カソードが前記第1半導体スイッチの前記制御端に接続され、アノードが前記第2半導体スイッチの前記制御端に接続されるダイオードと
    を備え、
    前記切替え部は、前記第2半導体スイッチの前記制御端の電圧を調整することによって前記切替えを行い、
    前記第1半導体スイッチは、電流入力端の電位を基準とした前記制御端の電圧に基づいてオン又はオフに切替わり、
    前記第2半導体スイッチは、電流出力端の電位を基準とした前記制御端の電圧に基づいてオン又はオフに切替わること
    を特徴とする給電制御装置。
  6. 前記第1半導体スイッチの電流入力端及び制御端間に接続され、前記第2半導体スイッチの電流出力端の電位を基準として、前記第1半導体スイッチの電流入力端に負の電圧が印加された場合にオンに切替わるスイッチを備え、
    前記第1半導体スイッチは、電流入力端及び制御端間の電圧が略ゼロVである場合にオフであること
    を特徴とする請求項5に記載の給電制御装置。
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