JP6784252B2 - 出力装置及び電源システム - Google Patents

Description

本発明は、出力装置及び電源システムに関する。

車両には、半導体スイッチを備え、第１端及び第２端間にバッテリが印加した直流電圧を、半導体スイッチを介して出力する出力装置（例えば、特許文献１を参照）が搭載されている。出力装置が出力した電圧は負荷に印加される。特許文献１に記載の出力装置では、半導体スイッチはＮチャネル型のＦＥＴ(Field Effect Transistor)である。半導体スイッチのドレインに第１端子が接続されている。半導体スイッチのソースに負荷の一端が接続されている。負荷の他端に第２端子が接続されている。半導体スイッチの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。半導体スイッチのゲート及び第２端子間に端子スイッチが接続されている。

ソースの電位を基準としたゲートの電圧が所定電圧以上である場合、半導体スイッチはオンであり、ソースの電位を基準としたゲートの電圧が所定電圧未満である場合、半導体スイッチはオフである。特許文献１に記載の出力装置は、半導体スイッチ及び端子スイッチ夫々をオン又はオフに切替えるドライバ回路を更に備える。ドライバ回路は、半導体スイッチ３０のゲートに接続されており、ゲートの電圧を上昇させることによって半導体スイッチをオンに切替え、ゲートの電圧を低下させることによってオフに切替える。ドライバ回路は、半導体スイッチをオンに切替える場合に端子スイッチをオフに切替え、半導体スイッチがオフに切替える場合に端子スイッチをオンに切替える。

半導体スイッチ及び端子スイッチ夫々がオフ及びオンである状態で、バッテリを第１端子及び第２端子間に接続する。バッテリの正極及び負極夫々が第１端子及び第２端子に接続されている場合、ドライバ回路が半導体スイッチをオン又はオフに切替えることによって、電圧出力と、電圧出力の停止とが正常に行われる。

バッテリの正極及び負極夫々を第２端子及び第１端子に誤って接続した場合において、半導体スイッチがオフに維持されているとき、半導体スイッチの寄生ダイオードを介して電流が流れる。寄生ダイオードを介して大きな電流が長時間流れた場合、半導体スイッチの温度が異常な温度に上昇し、半導体スイッチが故障する可能性がある。

特許文献１に記載の出力装置では、バッテリの正極及び負極夫々を第２端子及び第１端子に誤って接続した場合、ソースの電位を基準としたゲートの電圧が、バッテリの出力電圧に略一致し、所定電圧以上となる。これにより、半導体スイッチは強制的にオンに切替わり、電流が、寄生ダイオードではなく、半導体スイッチを流れる。このため、電流が寄生ダイオードを介して流れる期間は、バッテリが接続されてから半導体スイッチがオンに切替わるまでの期間であり、短く、半導体スイッチが故障する可能性は低い。

特開２００７−１９８１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の出力装置では、負荷の抵抗値を基準として、第１端子と、半導体スイッチのドレインとの間の抵抗値が十分に小さいことが前提条件である。

バッテリの正極及び負極夫々を第２端子及び第１端子に誤って接続されている場合においては、第１端子と半導体スイッチのドレインとの間の抵抗値が大きい程、第１端子の電位を基準とした半導体スイッチのソースの電圧は高い。一方で、第１端子の電位を基準とした半導体スイッチのゲートの電圧は、第１端子と半導体スイッチのドレインとの間の抵抗値とは無関係に、バッテリの出力電圧に略一致する。

このため、第１端子と半導体スイッチのドレインとの間の抵抗値が大きい場合においては、バッテリの正極及び負極夫々を第２端子及び第１端子に誤って接続したときに、ソースの電位を基準としたゲートの電圧が所定電圧以上とならず、半導体スイッチが強制的にオンに切替わらない可能性がある。半導体スイッチが強制的にオンに切替わらなかった場合、大きな電流が半導体スイッチの寄生ダイオードに長時間流れ続け、半導体スイッチが故障する可能性がある。

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、２つの端子間に印加する直流電圧の極性が誤っている場合に半導体スイッチを確実にオンに維持することができる出力装置及び電源システムを提供することにある。

本発明の一態様に係る出力装置は、２つの端子間に印加された直流電圧を、半導体スイッチの第１端及び第２端を介して出力する出力装置であって、前記２つの端子に接続されており、前記直流電圧の極性とは無関係に、該直流電圧を所定極性の電圧に変換する変換回路と、前記半導体スイッチの第１端及び制御端に接続されており、該変換回路が変換した電圧を昇圧し、昇圧した電圧を該制御端に印加する昇圧回路とを備え、前記半導体スイッチは、前記第１端の電位を基準とした前記制御端の電圧が所定電圧以上である場合にオンである。

本発明の一態様に係る電源システムは、前述した出力装置と、該出力装置が出力した前記直流電圧が印加される負荷とを備え、前記２つの端子中の一方の端子が前記半導体スイッチを介して前記負荷の一端に接続されており、前記２つの端子中の他方の端子が前記負荷の他端に接続されている。

上記の態様によれば、２つの端子間に印加する直流電圧の極性が誤っている場合に半導体スイッチを確実にオンに維持することができる。

本実施形態における電源システムの回路図である。 出力装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列挙して説明する。以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

（１）本発明の一態様に係る出力装置は、２つの端子間に印加された直流電圧を、半導体スイッチの第１端及び第２端を介して出力する出力装置であって、前記直流電圧の極性とは無関係に、該直流電圧を所定極性の電圧に変換する変換回路と、該変換回路が変換した電圧を昇圧し、昇圧した電圧を前記半導体スイッチの制御端に印加する昇圧回路とを備え、前記半導体スイッチは、前記第１端の電位を基準とした前記制御端の電圧が所定電圧以上である場合にオンである。

上記の一態様にあっては、２つの端子間に印加する直流電圧の極性が誤っている場合において、変換回路は、直流電圧の極性が正しいときと同様に、直流電圧を、極性が例えば正である電圧に変換する。昇圧回路は、変換回路が変換した電圧を昇圧し、昇圧した電圧を半導体スイッチの制御端に印加する。昇圧回路が上昇させる電圧の幅が十分に大きいと仮定する。この場合、昇圧回路が印加する電圧が十分に高いので、半導体スイッチは、他方の端子と半導体スイッチの第２端との間の抵抗値とは無関係に、半導体スイッチは確実にオンに切替わる。

（２）本発明の一態様に係る出力装置では、前記昇圧回路は、前記直流電圧が前記２つの端子間に印加された場合に昇圧を開始する。

上記の一態様にあっては、直流電圧が２つの端子間に印加された場合、直流電圧の極性とは無関係に、昇圧回路は昇圧を開始し、半導体スイッチがオンに切替わる。

（３）本発明の一態様に係る電源システムは、前述した出力装置と、該出力装置が出力した前記直流電圧が印加される負荷とを備える。

上記の一態様にあっては、出力装置は、負荷に電圧を出力し、負荷が作動する。

（４）本発明の一態様に係る電源システムは、所定電流以上の電流が流れた場合に溶断される溶断素子を備え、前記直流電圧は、前記半導体スイッチ及び溶断素子を介して前記負荷に印加される。

上記の一態様にあっては、直流電圧の極性が誤っている場合においても、半導体スイッチはオンに切替わる。この状態で、半導体スイッチを介して流れる電流が大きい場合、断素子が溶断され、過電流が流れることが防止される。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る電源システムの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１は、本実施形態における電源システム１の回路図である。電源システム１は、車両に好適に搭載されており、バッテリ２、出力装置３、負荷４、溶断素子Ｆ１、第１導線Ｌ１、第２導線Ｌ２、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２を備える。バッテリ２は、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２間に接続される。第１導線Ｌ１及び第２導線Ｌ２夫々は抵抗成分を有する。第１導線Ｌ１の等価回路が第１抵抗Ｒ１で表され、第２導線Ｌ２の等価回路が第２抵抗Ｒ２で表されている。

第１端子Ｔ１は溶断素子Ｆ１の一端に接続されている。溶断素子Ｆ１の他端は第１導線Ｌ１の一端に接続されている。第１導線Ｌ１の他端と、第２端子Ｔ２は出力装置３に接続されている。出力装置３は、更に、第２導線Ｌ２の一端に接続されている。第２導線Ｌ２の他端は負荷４の一端に接続されている。負荷４の他端は出力装置３に接続されている。

第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２間にバッテリ２が接続された場合、バッテリ２は、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２間に直流電圧を印加する。出力装置３は、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２間に印加された直流電圧を、第２導線Ｌ２を介して出力する。出力装置３が出力した直流電圧は負荷４に印加される。

負荷４は、車両に搭載された電気機器である。負荷４では、電流は、一端から他端に向かう方向だけではなく、他端から一端に向かう方向にも流れることが可能である。
バッテリ２の正極及び負極夫々が第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２に接続されている場合、バッテリ２の接続は正常接続であり、第２端子Ｔ２の電位を基準とした直流電圧の極性は正である。バッテリ２の接続が正常接続である場合、電流は、第１端子Ｔ１から、溶断素子Ｆ１、第１導線Ｌ１、出力装置３、第２導線Ｌ２、負荷４、出力装置３及び第２端子Ｔ２の順に流れる。これにより、負荷４に電力が供給され、負荷４が正常に作動する。

バッテリ２の正極及び負極夫々が第２端子Ｔ２及び第１端子Ｔ１に接続されている場合、バッテリ２の接続は、逆接続であり、誤った接続である。このとき、第２端子Ｔ２の電位を基準とした直流電圧の極性は負である。バッテリ２の接続が逆接続である場合、電流は、第２端子Ｔ２から、出力装置３、負荷４、第２導線Ｌ２、出力装置３、第１導線Ｌ１、溶断素子Ｆ１及び第１端子Ｔ１の順に流れる。

溶断素子Ｆ１は、ヒューズ又はヒュージブルリンク等である。溶断素子Ｆ１を流れる電流が所定電流以上となった場合、溶断素子Ｆ１は溶断される。溶断素子Ｆ１が溶断された場合、出力装置３、負荷４、第１導線Ｌ１及び第２導線Ｌ２を介して流れる電流が遮断され、過電流が流れることが防止される。

出力装置３は、半導体スイッチ３０、ダイオード３１、変換回路３２及び昇圧回路３３を有する。半導体スイッチ３０は、Ｎチャネル型のＦＥＴである。ダイオード３１は、半導体スイッチ３０の製造過程で形成される寄生ダイオードである。ダイオード３１のカソード及びアノード夫々は、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。変換回路３２は、４つのダイオード５０，５１，５２，５３を有する。

出力装置３では、第１導線Ｌ１の他端は半導体スイッチ３０のドレインに接続され、半導体スイッチ３０のソースは第２導線Ｌ２の一端に接続されている。半導体スイッチ３０のドレインには、更に、ダイオード５０のアノードと、ダイオード５１のカソードとが接続されている。ダイオード５０のカソードは、ダイオード５２のカソードに接続されている。ダイオード５１のアノードは、ダイオード５３のアノードに接続されている。ダイオード５２のアノードと、ダイオード５３のカソードとは、第２端子Ｔ２に接続されている。ダイオード５０，５２間の第１接続ノードと、ダイオード５１，５３間の第２接続ノードとは、昇圧回路３３に各別に接続されている。昇圧回路３３は、更に、半導体スイッチ３０のソース及びゲートに各別に接続されている。負荷４の他端も第２端子Ｔ２に接続されている。

変換回路３２は、受動素子であり、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２間に印加された直流電圧を変換する。変換回路３２が変換した変換電圧は、第１接続ノード及び第２接続ノードから昇圧回路３３に出力される。

バッテリ２の接続が正常接続である場合、電流は、第１端子Ｔ１から、溶断素子Ｆ１、第１導線Ｌ１、ダイオード５０、昇圧回路３３、ダイオード５３及び第２端子Ｔ２の順に流れる。このとき、第２接続ノードの電位を基準とした変換電圧の極性は正である。
バッテリ２の接続が逆接続である場合、電流は、第２端子Ｔ２から、ダイオード５２、昇圧回路３３、ダイオード５１、第１導線Ｌ１、溶断素子Ｆ１及び第１端子Ｔ１の順に流れる。このときも、第２接続ノードの電位を基準とした変換電圧の極性は正である。

以上のように、変換回路３２は、第２端子Ｔ２の電位を基準とした直流電圧の極性に無関係に、この直流電圧を、第２接続ノードの電位を基準とした極性が正である電圧に変換する。
なお、第１接続ノードの電位を基準とした場合、変換電圧の極性は、直流電圧の極性とは無関係に常に負である。以下に記載する変換電圧は、第２接続ノードの電位を基準とした電圧を意味する。

昇圧回路３３は、変換回路３２から入力された変換電圧を昇圧する。昇圧回路３３は、昇圧した電圧（以下では、昇圧電圧という）を半導体スイッチ３０のゲートに印加する。本実施形態で記載する昇圧電圧も第２接続ノードの電位を基準とした電圧を意味する。

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所定電圧以上である場合、ドレイン及びソース間に電流が流れることが可能である。このとき、半導体スイッチ３０はオンである。また、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が所定電圧未満である場合、ドレイン及びソース間に電流が流れることはない。このとき、半導体スイッチ３０はオフである。
半導体スイッチ３０のソース、ドレイン及びゲート夫々は、第１端、第２端及び制御端に相当する。

昇圧回路３３は、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（以下、ゲート電圧という）を監視している。昇圧回路３３は、変換電圧の昇圧幅を調整することによって、昇圧電圧を調整する。具体的には、昇圧回路３３は、ゲート電圧が、予め設定されている一定の設定電圧となるように、昇圧電圧を調整する。設定電圧は所定電圧以上である。このため、昇圧回路３３が昇圧を行っている場合、半導体スイッチ３０はオンである。
昇圧回路３３が昇圧を停止している場合、半導体スイッチ３０のゲートに昇圧電圧が印加されないため、ゲート電圧は所定電圧未満であり、半導体スイッチ３０はオフである。

前述したように、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２間にバッテリ２が接続された場合、バッテリ２の接続が正常接続であるか否かに無関係に、第１接続ノード、昇圧回路３３及び第２接続ノードの順に電流が流れる。このとき、第１接続ノード及び第２接続ノードから変換電圧が昇圧回路３３に出力されると共に、昇圧を行うための電力が昇圧回路３３に供給される。

昇圧回路３３では、例えば、インダクタの一端にスイッチが接続されており、スイッチのオン及びオフへの切替えを交互に繰り返すことによって、昇圧を行う。昇圧を行うための電力には、例えば、昇圧回路３３内のスイッチをオン又はオフに切替えるための電力が含まれる。

図２は出力装置３の動作を説明するためのタイミングチャートである。図２には、半導体スイッチ３０について、オン及びオフに係る推移が示されている。各推移の横軸は時間を表す。
まず、バッテリ２が第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２間に接続されていない場合、即ち、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２が開放されている場合、昇圧回路３３に電力が供給されていない。このため、昇圧回路３３は昇圧回路３３が昇圧を停止しており、半導体スイッチ３０はオフである。半導体スイッチ３０がオフである場合、電流は、半導体スイッチ３０のドレイン及びソースを介して流れず、出力装置３は、半導体スイッチ３０を介した電圧出力を停止している。このとき、負荷４に直流電圧が印加されていないため、負荷４は動作を停止している。

バッテリ２が第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２間に接続された場合、バッテリ２の接続が正常接続であるか否か、即ち、第２端子Ｔ２の電位を基準とした直流電圧の極性とは無関係に、昇圧回路３３に電力が供給され、昇圧回路３３は、変換回路３２が変換した変換電圧の昇圧を開始する。これにより、半導体スイッチ３０がオンに切替わる。

バッテリ２の接続が正常接続である場合において、半導体スイッチ３０にオンであるとき、電流は、第１端子Ｔ１から、溶断素子Ｆ１、第１導線Ｌ１、半導体スイッチ３０、第２導線Ｌ２、負荷４及び第２端子Ｔ２の順に流れる。このとき、出力装置３は、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２間に印加された直流電圧を、半導体スイッチ３０のドレイン及びソースを介して出力し、出力装置３が出力した直流電圧は負荷４に印加される。直流電圧は、半導体スイッチ３０及び溶断素子Ｆ１を介して負荷４に印加される。直流電圧が負荷４に印加された場合、負荷４は作動する。

バッテリ２の接続が逆接続である場合において、半導体スイッチ３０はオンであるとき、電流は、第２端子Ｔ２から、負荷４、第２導線Ｌ２、半導体スイッチ３０、第１導線Ｌ１、溶断素子Ｆ１及び第１端子Ｔ１の順に流れる。

前述したように、溶断素子Ｆ１を介して流れる電流が所定電流以上である場合、溶断素子Ｆ１は溶断される。従って、半導体スイッチ３０を介して流れる電流と、昇圧回路３３を流れる電流との和が所定電流以上となった場合、溶断素子Ｆ１が溶断される。これにより、半導体スイッチ３０を介して流れる電流が遮断され、半導体スイッチ３０を介して過電流が流れることが防止される。
前述したように、バッテリ２が第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２間に接続された場合、バッテリ２の接続が正常接続である否かとは無関係に、半導体スイッチ３０及び溶断素子Ｆ１を介して電流が流れる。そして、溶断素子Ｆ１の作用により、半導体スイッチ３０を介して過電流が流れることが防止される。

バッテリ２の接続が正常接続である場合、昇圧回路３３には、半導体スイッチ３０のオフを指示するオフ指示と、半導体スイッチ３０のオンを指示するオン指示とが入力される。
昇圧回路３３は、オフ指示が入力された場合、昇圧電圧の印加を停止する。これにより、半導体スイッチ３０はオフに切替わる。バッテリ２の接続が正常である場合において、半導体スイッチ３０がオフであるとき、電流は、半導体スイッチ３０のドレイン及びソースを介して流れない。このとき、出力装置３は、半導体スイッチ３０を介した電圧出力を停止する。これにより、負荷４への直流電圧の印加が停止し、負荷４が動作を停止する。

昇圧回路３３は、オン指示が入力された場合、昇圧電圧の印加を再開する。これにより、半導体スイッチ３０はオンに切替わり、負荷４が再び作動する。

バッテリ２の接続が逆接続である場合、オフ指示及びオン指示が昇圧回路３３に入力されることはない。従って、バッテリ２が第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２間に接続された場合において、バッテリ２の接続が逆接続であるとき、昇圧回路３３は昇圧電圧の印加を継続し、半導体スイッチ３０をオンに維持する。
なお、出力装置３は、第２端子Ｔ２の電位を基準とした第１端子Ｔ１の電圧の極性が負である場合にバッテリ２の接続が逆接続であることを示す報知信号を出力してもよい。

以上のように構成された出力装置３では、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２間に印加する直流電圧の極性が誤っている場合、即ち、バッテリ２の接続が逆接続である場合、変換回路３２は、直流電圧の極性が正しいときと同様に、直流電圧を所定極性の電圧に変換する。昇圧回路３３は、変換電圧を昇圧し、昇圧電圧を半導体スイッチ３０のゲートに印加する。昇圧回路３３は、ゲート電圧が設定電圧となるように昇圧電圧を調整し、設定電圧は、半導体スイッチ３０のオン及びオフへの切替えに係る所定電圧以上である。このため、半導体スイッチ３０は、昇圧回路３３が昇圧を行った場合、半導体スイッチ３０は、第１抵抗Ｒ１の抵抗値とは無関係に、確実にオンに切替わる。

また、バッテリ２の接続が逆接続である場合において、半導体スイッチ３０がオフであるとき、ダイオード３１、即ち、半導体スイッチ３０の寄生ダイオードを電流が流れる。しかしながら、バッテリ２の接続が逆接続である場合、半導体スイッチ３０はオンに切替わるので、ダイオード３１を介して電流が流れる期間は短い。半導体スイッチ３０がオンである場合、ダイオード５１のカソード及びアノード間の電圧は略ゼロＶとなるため、電流がダイオード５１を流れることはない。

更に、バッテリ２の接続が逆接続であり、かつ、半導体スイッチ３０を介して電流が流れている場合において、半導体スイッチ３０を介して流れる電流が大きいとき、溶断素子Ｆ１が溶断される。これにより、半導体スイッチ３０を介して過電流が流れることが防止される。

なお、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２に接続されている電源は、バッテリに限定されず、直流電源であればよい。また、半導体スイッチ３０をオンに切替えることが可能である場合、例えば、昇圧回路３３が上昇させる電圧の幅が十分に大きい場合、昇圧回路３３は、ゲート電圧が設定電圧となるように昇圧電圧を調整しなくてもよい。

開示された実施形態はすべ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、上述した意味ではなく、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すべての変更が含まれることが意図される。

１ 電源システム
２ バッテリ
３ 出力装置
３０ 半導体スイッチ
３１，５０，５１，５２，５３ ダイオード
３２ 変換回路
３３ 昇圧回路
４ 負荷
Ｆ１ 溶断素子
Ｌ１ 第１導線
Ｌ２ 第２導線
Ｒ１ 第１抵抗
Ｒ２ 第２抵抗
Ｔ１ 第１端子
Ｔ２ 第２端子

Claims (4)

1. ２つの端子間に印加された直流電圧を、半導体スイッチの第１端及び第２端を介して出力する出力装置であって、
   前記２つの端子に接続されており、前記直流電圧の極性とは無関係に、該直流電圧を所定極性の電圧に変換する変換回路と、
   前記半導体スイッチの第１端及び制御端に接続されており、該変換回路が変換した電圧を昇圧し、昇圧した電圧を該制御端に印加する昇圧回路と
   を備え、
   前記半導体スイッチは、前記第１端の電位を基準とした前記制御端の電圧が所定電圧以上である場合にオンである
   出力装置。
2. 前記昇圧回路は、前記直流電圧が前記２つの端子間に印加された場合に昇圧を開始する
   請求項１に記載の出力装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の出力装置と、
   該出力装置が出力した前記直流電圧が印加される負荷と
   を備え、
   前記２つの端子中の一方の端子が前記半導体スイッチを介して前記負荷の一端に接続されており、
   前記２つの端子中の他方の端子が前記負荷の他端に接続されている
   電源システム。
4. 所定電流以上の電流が流れた場合に溶断される溶断素子を備え、
   前記一方の端子は前記溶断素子及び半導体スイッチを介して前記負荷の一端に接続されており、
   前記直流電圧は、前記半導体スイッチ及び溶断素子を介して前記負荷に印加される
   請求項３に記載の電源システム。

Images