JP7259779B2 - 過電流検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、過電流検出装置に関する。

従来、半導体スイッチング素子のオン時にドレインソース間に過電流が流れたことを検出する装置が知られている。

例えば特許文献１に開示された過電流保護回路は、負荷電流に応じたセンス電圧が参照値を上回る期間が所定期間を経過したとき、過電流閾値を切り替えることで、瞬時電流による過電流の誤検出を防ぐ。

特開２０１９－８０４３６号公報

例えばＭＯＳＦＥＴのドレインソース間電圧を検出して過電流の判定をする場合、一般にセンス電圧は、素子の個体ばらつきや温度特性の影響を受ける。誤検出を避けるために素子の個体ばらつきや温度特性の範囲を考慮すると、大きな検出閾値を設定する必要がある。したがって、過電流検出精度が悪くなり、検出の信頼性が低下する。

本発明は上述の点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、過電流検出精度を向上させる過電流検出装置を提供することにある。

本発明の過電流検出装置は、通電制御部（２０）からの指令に従って動作する一つ以上の半導体スイッチング素子（３１～３８）を含む回路において、選択されたいずれかの半導体スイッチング素子である「対象素子」について、ドレインソース間電圧またはコレクタエミッタ間電圧に相当する「上下端子間電圧」を監視し、上下端子間電圧に基づいて過電流異常を検出する。

本発明の三つの態様に共通し、過電流検出閾値は、閾値設定部（６５）と、判定部（６６）と、を備える。閾値設定部は、対象素子に流れる出力電流、対象素子の素子温度及びＯＮ抵抗に基づいて、上下端子間電圧についての過電流検出閾値を設定する。判定部は、上下端子間電圧が過電流検出閾値以上のとき、対象素子に過電流が流れたと判定する。

ここで、対象素子について、「素子温度、出力電流及びＯＮ抵抗ばらつきの範囲での正常時の上下端子間電圧の最大値」に基づいて決定される過電流検出閾値を「基準閾値」と定義する。

第１の態様の過電流検出装置は、さらに、対象素子の素子温度を検出する温度検出回路（５１、５３、５４）を備える。閾値設定部は、対象素子について、素子温度の範囲を推定する。閾値設定部は、素子温度の推定範囲における、「出力電流及びＯＮ抵抗ばらつきの範囲での正常時の上下端子間電圧の最大値」に基づいて、過電流検出閾値を基準閾値より小さい値に設定する。

第２の態様の過電流検出装置では、閾値設定部は、対象素子について、通電制御部が指令した出力電流の指令値、又は、電流検出器（４４、４６、４８）が検出した出力電流の検出値により出力電流の範囲を推定する。閾値設定部は、出力電流の推定範囲における、「素子温度及びＯＮ抵抗ばらつきの範囲での正常時の上下端子間電圧の最大値」に基づいて、過電流検出閾値を基準閾値より小さい値に設定する。
第１、第２の過電流装置において、対象素子は、寄生ダイオードの高電位側から低電位側に電流が流れるＭＯＳＦＥＴである。判定部は、上下端子間電圧に基づき、対象素子がＯＮ指令時にＯＮ動作しない故障であるＯＦＦ故障をさらに判定する。

第３の態様の過電流検出装置は、対象素子の素子温度を検出する温度検出回路（５１、５３、５４）をさらに備える。閾値設定部は、対象素子について、電流検出器が検出した出力電流の検出値、所定時間における素子温度の上昇量、及び、対象素子から温度検出回路への熱抵抗に基づいて、ＯＮ抵抗ばらつきの範囲を推定する。閾値設定部は、ＯＮ抵抗ばらつきの推定範囲における、「出力電流及び素子温度の範囲での正常時の上下端子間電圧の最大値」に基づいて、過電流検出閾値を基準閾値より小さい値に設定する。

本発明の過電流検出装置は、対象素子について、素子温度、出力電流、ＯＮ抵抗ばらつきのうち一つ以上の範囲を推定して上下端子間電圧の取り得る範囲を絞り込む。そして、その範囲での正常時の最大値に基づいて、過電流検出閾値を「基準閾値より小さい値」に設定する。これにより、過電流検出精度を向上させることができる。

本実施形態の過電流検出装置が適用される電力変換回路の全体構成図。 低電位側から高電位側に電流が流れる寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを対象素子とする過電流検出装置の構成図。 素子温度－ＤＳ間電圧の特性図。 出力電流－ＤＳ間電圧の特性図。 温度検出回路と各素子との間の熱抵抗モデルを説明する図。 高電位側から低電位側に電流が流れる寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを対象素子とする過電流検出装置の構成図。 過電流検出閾値の補正前後でのＯＦＦ故障の判定を説明する図。

（一実施形態）
以下、本発明の一実施形態による過電流検出装置を図面に基づいて説明する。本実施形態の過電流検出装置は、電力変換回路等において、半導体スイッチング素子のＯＮ時に出力電流として許容値を超える過電流が流れたことを検出する装置である。本実施形態では、半導体スイッチング素子としてｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴが用いられる。ＭＯＳＦＥＴでは、「上下端子間電圧」はドレインソース間電圧（以下「ＤＳ間電圧」）に相当する。

図１に、過電流検出装置が適用される回路の例として、電力変換回路１０の全体構成を示す。電力変換回路１０は、通電制御部２０からの指令に従って動作する一つ以上の「半導体スイッチング素子」として８個のＭＯＳＦＥＴ３１～３８を含む。ＭＯＳＦＥＴ３１はフェールセーフリレー、ＭＯＳＦＥＴ３２は逆接続保護リレーとして用いられる。ＭＯＳＦＥＴ３３、３５、３７及びＭＯＳＦＥＴ３４、３６、３８は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相のハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチとして用いられる。通電制御部２０は、各ＭＯＳＦＥＴ３１～３８のゲートにＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する。また、各ＭＯＳＦＥＴ３１～３８のＤＳ間電圧Ｖｄｓを図示する。

電力変換回路１０は、ハイサイド及びローサイドスイッチ３３～３８のスイッチング動作によりバッテリ１５の電圧Ｖｂを変換し、負荷であるモータ８０に供給する。各相のローサイドスイッチ３４、３６、３８とグランドとの間には、「電流検出器」としてのシャント抵抗４４、４６、４８が設けられている。図１には三相モータ８０を負荷とする三相インバータ回路を例示するが、ＤＣモータを負荷とするＨブリッジ回路でも同様である。

フェールセーフリレー３１及び逆接続保護リレー３２は、バッテリ１５とハイサイドスイッチ３３、３５、３７との間に直列接続されている。バッテリ１５の電極が正規の向きに接続された場合、フェールセーフリレー３１は、ＯＦＦ時にバッテリ１５からスイッチ３３～３８へ向かう電流を遮断する。バッテリ１５の電極が逆向きに接続された場合、逆接続保護リレー３２は、ＯＦＦ時にローサイドスイッチ３４、３６、３８からハイサイドスイッチ３３、３５、３７を通りバッテリ１５へ向かう電流を遮断する。

本実施形態では、ＭＯＳＦＥＴ３１～３８の素子温度を検出する温度検出回路が過電流検出装置の構成要素として設けられる場合がある。温度検出回路は、ＭＯＳＦＥＴ毎に設けられてもよく、複数の各ＭＯＳＦＥＴを含むエリア毎に設けられてもよい。なお、後述するように、過電流検出装置が素子温度を推定せず、且つ、素子温度の上昇量に基づいてＯＮ抵抗を推定しない構成では、温度検出回路が設けられなくてもよい。

図１に示す構成例では、三つの温度検出回路５１、５３、５４が設けられている。温度検出回路５１は、フェールセーフリレー３１及び逆接続保護リレー３２に対して設けられている。温度検出回路５３は、三相のハイサイドスイッチ３３、３５、３７に対して設けられており、温度検出回路５４は、三相のローサイドスイッチ３４、３６、３８に対して設けられている。その他の構成例では、６個のスイッチ３３～３８に対して一つの温度検出回路が設けられてもよい。なお、温度検出回路は、基板レイアウト等により各エリアにおいて相対的に放熱性の悪い箇所に設けられることが好ましい。

このように８個のＭＯＳＦＥＴ３１～３８を含む電力変換回路１０において、過電流検出装置は、８個のうち選択されたいずれかのＭＯＳＦＥＴである「対象素子」について、ＤＳ間電圧Ｖｄｓを監視し、ＤＳ間電圧Ｖｄｓに基づいて過電流異常を検出する。

８個のｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ３１～３８は、フェールセーフリレー３１、ハイサイド及びローサイドスイッチ３３～３８の７個を含む第１グループと、逆接続保護リレー３２を含む第２グループとに分けられる。第１グループのフェールセーフリレー３１、ハイサイド及びローサイドスイッチ３３～３８は、高電位側にドレイン端子、低電位側にソース端子を有し、寄生ダイオードの低電位側から高電位側に電流が流れる。第２グループの逆接続保護リレー３２は、高電位側にソース端子、低電位側にドレイン端子を有し、寄生ダイオードの高電位側から低電位側に電流が流れる。

過電流検出装置による作用効果は、第１及び第２グループの対象素子に対する共通の作用効果と、第２グループの対象素子に対する特有の作用効果とに分かれる。まず図２～図５を参照して両グループの対象素子に対する共通の作用効果を説明した後、図６、図７を参照して第２グループの対象素子に対する特有の作用効果について説明する。

［第１、第２グループの対象素子に対する共通の作用効果］
図２には、第１グループの７個のＭＯＳＦＥＴのうち、代表としてＵ相ハイサイドスイッチ３３を対象素子として示す。以下の明細書中、適宜、「対象素子３３」のように符号を付して記す。また、Ｕ相ハイサイドスイッチ３３に対応して温度検出回路５３及びＵ相シャント抵抗４４を図示し、それ以外の素子の図示及び符号の記載を省略する。対象素子３３のゲート端子には通電制御部２０からゲート信号が入力される。

過電流検出装置６０は、閾値設定部６５、判定部６６及び温度検出回路５３を備える。閾値設定部６５は、対象素子３３に流れる出力電流、対象素子３３の素子温度及びＯＮ抵抗に基づいて、ＤＳ間電圧Ｖｄｓについての過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈを設定する。判定部６６は、ＤＳ間電圧Ｖｄｓが過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈ以上のとき、対象素子３３に過電流が流れたと判定する。温度検出回路５３は、対象素子３３の素子温度Ｔを検出し、閾値設定部６５に出力する。

ここで閾値設定部６５は、対象素子３３に流れる出力電流、対象素子３３の素子温度及びＯＮ抵抗ばらつきの範囲について、部品スペックや使用条件等に応じた最も広い範囲を記憶している。対象素子３３について、素子温度、出力電流及びＯＮ抵抗ばらつきの範囲での正常時のＤＳ間電圧Ｖｄｓの最大値に基づいて決定される過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈを「基準閾値」と定義する。なお、「対象素子のＯＮ抵抗ばらつき」には、「個体ばらつき」及び「一つの素子における経年劣化等のばらつき」の両方の意味が含まれる。

そして閾値設定部６５は、素子温度、出力電流、及びＯＮ抵抗ばらつきのうち一つ以上について、実際の通電時におけるパラメータの値に基づき、基準閾値の設定に反映される範囲よりも狭い範囲を推定する。この場合、範囲推定のために閾値設定部６５が取得する入力情報にはいくつかのパターンがある。図２には、代表的な入力信号を実線矢印で記し、オプションで用いられる入力信号を破線矢印及び二点鎖線矢印で記す。

代表的なパターンでは、温度検出回路５３が検出した対象素子３３の素子温度Ｔ、及び、通電制御部２０が演算した出力電流の指令値Ｉｃｏｍが閾値設定部６５に入力される。出力電流については、指令値Ｉｃｏｍに代えて、シャント抵抗４４により検出された出力電流検出値Ｉｓｎｓが閾値設定部６５に入力されてもよい。以下、出力電流の指令値Ｉｃｏｍ及び検出値Ｉｓｎｓを包括して、「出力電流Ｉ」と記す。

また、閾値設定部６５は、内部にＯＮ抵抗推定部６４を有している。後述するＯＮ抵抗Ｒ_ONの推定方法によっては、出力電流検出値Ｉｓｎｓ又はＤＳ間電圧ＶｄｓがＯＮ抵抗推定部６４に入力され、ＯＮ抵抗Ｒ_ONの推定に用いられる。別の推定方法では、ＯＮ抵抗推定部６４は単にデータを記憶している。

このように、閾値設定部６５は、出力電流の指令値Ｉｃｏｍもしくは検出値Ｉｓｎｓ、素子温度Ｔ、及びＯＮ抵抗Ｒ_ONのばらつきの推定範囲での正常時のＤＳ間電圧Ｖｄｓの最大値に基づいて、過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈを基準閾値より小さい値に設定する。

続いて図３、図４を参照し、閾値設定部６５により過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈを基準閾値より低い値に設定する具体例について、「素子温度」、「出力電流」、「ＯＮ抵抗ばらつき」の三つのパラメータに分けて説明する。閾値設定部６５は、そのうち一つのパラメータの範囲を推定してもよいし、二つ又は三つのパラメータの推定を組み合わせてもよい。複数のパラメータの範囲を推定することで、過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈをより低い値に設定することができ、過電流検出精度の向上に有利となる。

＜素子温度範囲の推定＞
図３に、対象素子のＯＮ抵抗Ｒ_ONが最小値ｍｉｎ、代表値ｔｙｐ、最大値ｍａｘの場合において、出力電流Ｉを上限値２００Ａで固定したときの素子温度ＴとＤＳ間電圧Ｖｄｓとの関係を示す。素子温度Ｔが高いほど、またＯＮ抵抗Ｒ_ONが大きいほど、ＤＳ間電圧Ｖｄｓは高くなる。

まず比較例として、素子温度Ｔの最高値が１７５℃であることのみ決まっている場合を想定する。この場合、１７５℃でのＯＮ抵抗Ｒ_ONの最大値ｍａｘに対応するＤＳ間電圧Ｖｄｓ（約０．５８Ｖ）が「素子温度、出力電流及びＯＮ抵抗ばらつきの範囲での正常時のＤＳ間電圧Ｖｄｓの最大値」に相当する。閾値設定部６５は、この最大値に基づいて、具体的には０．１Ｖ程度のマージンを加え、過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈを０．７Ｖに設定する。つまり、この場合、０．７Ｖが「基準閾値」である。基準閾値を用いると、ＯＮ抵抗Ｒ_ONが代表値ｔｙｐの場合、（＊１）に示すように、対象素子が約３００℃まで上昇しないと異常検出できず、過熱で破損するおそれがある。

これに対し、本実施形態の閾値設定部６５は、対象素子の素子温度Ｔが、例えば２５～７５℃、７５～１２５℃、１２５℃～１７５℃のどの範囲にあるか推定する。そして、閾値設定部６５は、各温度範囲における最高温度でのＯＮ抵抗Ｒ_ONの最大値ｍａｘに対応するＤＳ間電圧Ｖｄｓに０．１Ｖ程度のマージンを加えて、素子温度Ｔが２５～７５℃の範囲では０．５Ｖ、７５～１２５℃の範囲では０．６Ｖ、１２５℃～１７５℃の範囲では０．７Ｖに過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈを設定する。つまり、素子温度Ｔが２５～１２５℃の範囲に注目すると、閾値設定部６５は、過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈを基準閾値より低い値に設定する。

例えば対象素子の素子温度Ｔが２５～７５℃の範囲にあり、ＯＮ抵抗Ｒ_ONが代表値ｔｙｐの場合、（＊２）に示すように、２００Ａの電流が流れて対象素子が２００℃弱まで上昇したとき、異常検出される。したがって、基準閾値を用いる比較例に比べて低い温度で過電流を検出することができ、過電流検出精度が向上する。

＜出力電流範囲の推定＞
図４に、対象素子のＯＮ抵抗Ｒ_ONが最小値ｍｉｎ、代表値ｔｙｐ、最大値ｍａｘの場合において、素子温度Ｔを最高値１７５℃で固定したときの出力電流ＩとＤＳ間電圧Ｖｄｓとの関係を示す。出力電流Ｉが大きいほど、またＯＮ抵抗Ｒ_ONが大きいほど、ＤＳ間電圧Ｖｄｓは高くなる。

閾値設定部６５は、対象素子の素子温度Ｔが、例えば０～１００Ａ、１００～２００Ａのどの範囲にあるか推定する。そして、閾値設定部６５は、出力電流Ｉが０～１００Ａの範囲では０．４Ｖ、１００～２００Ａの範囲では０．７Ｖに過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈを設定する。つまり、出力電流Ｉが０～１００Ａの範囲に注目すると、閾値設定部６５は、過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈを基準閾値より低い値に設定する。これにより、素子温度範囲の推定の場合と同様に過電流検出精度が向上する。

＜ＯＮ抵抗ばらつき範囲の推定＞
図３、図４においてＯＮ抵抗Ｒ_ONの最大値ｍａｘを下げることで、素子温度Ｔ又は出力電流Ｉの推定範囲におけるＤＳ間電圧Ｖｄｓの最大値が低下し、過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈをより小さい値に設定することができる。対象素子のＯＮ抵抗を推定する方法として、以下の３パターンの推定方法について説明する。

（１．出力電流検出値、素子温度上昇量及び熱抵抗に基づく推定）
図５に、基板上の素子及び温度検出回路の配置例を示す。Ｕ相ハイサイドスイッチ３３は温度検出回路５３の直近に配置されており、Ｗ相ローサイドスイッチ３８、シャント抵抗４４、コンデンサ４７等の素子は温度検出回路５３から離れた位置に配置されている。この場合、Ｕ相ハイサイドスイッチ３３から温度検出回路５３への伝熱は速く、他の素子３８、４４、４７から温度検出回路５３への伝熱は遅い。そのため、Ｕ相ハイサイドスイッチ３３を対象素子として温度検出したい場合、通電開始直後の短時間では他の素子の発熱の影響を受けにくく、対象素子の温度を精度良く検出できる。

このように、各素子から温度検出回路までの伝熱特性は、熱抵抗及び熱容量で構造関数を表現した、いわゆる「ＲＣモデル」を用いて解析されることが知られている。閾値設定部６５のＯＮ抵抗推定部６４は、ＲＣモデルを用いて「対象素子から温度検出回路への熱抵抗θ」を求める。

また、ＯＮ抵抗推定部６４は、温度検出回路５３の検出温度から所定時間における素子温度Ｔの上昇量ΔＴを算出する。この所定時間は、通電開始後、他の素子の発熱の影響を受けにくい短い時間に設定されることが好ましい。所定時間が微小時間であるとき、温度上昇量ΔＴを温度の微分値、すなわち温度変化率と考えてもよい。さらに、図２に破線矢印で示すように、ＯＮ抵抗推定部６４は、シャント抵抗４４から出力電流検出値Ｉｓｎｓを取得する。

温度上昇量ΔＴ［℃］、ＯＮ抵抗Ｒ_ON［Ω］、出力電流検出値Ｉｓｎｓ［Ａ］、ＤＳ間電圧Ｖｄｓ［Ｖ］、スイッチング係数α、及び、対象素子から温度検出回路への熱抵抗θ［℃／Ｗ］の関係は、式（１ａ）で表される。
ΔＴ＝（Ｒ_ON×Ｉｓｎｓ²＋Ｖｄｓ×Ｉｓｎｓ×α）×θ ・・・（１ａ）

式（１ａ）を変形すると、対象素子のＯＮ抵抗Ｒ_ONは、式（１ｂ）で表される。
Ｒ_ON＝（ΔＴ―Ｖｄｓ×Ｉｓｎｓ×α×θ）／（Ｉｓｎｓ²×θ） ・・・（１ｂ）

ＯＮ抵抗推定部６４は、上記式より対象素子のＯＮ抵抗Ｒ_ONを推定することができ、経年劣化を含む素子ばらつきを毎回補正可能である。また、過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈの設定に役立てる以外に、過電流検出装置６０は、ＯＮ抵抗ばらつきを記憶することで、ＯＮ抵抗劣化もしくは基板の劣化（熱抵抗変化）を検出することができる。

（２．ＤＳ間電圧のモニタ）
図２に二点鎖線矢印で示すように、閾値設定部６５のＯＮ抵抗推定部６４は対象素子のＤＳ間電圧Ｖｄｓを取得し、推定素子温度Ｔ、推定出力電流Ｉ、及び、ＤＳ間電圧ＶｄｓによりＯＮ抵抗を推定する。

（３．素子単体検査）
閾値設定部６５のＯＮ抵抗推定部６４は、各ＭＯＳＦＥＴの出荷検査時等のＯＮ抵抗データを記憶する。なお、この方法による「ＯＮ抵抗ばらつき」は、個体ばらつきの意味でのみ解釈される。

以上の「素子温度」、「出力電流」、「ＯＮ抵抗ばらつき」の三つのパラメータの推定についてまとめる。対象素子について、素子温度の範囲を推定する場合、閾値設定部６５は、「素子温度の推定範囲における、出力電流及びＯＮ抵抗ばらつきの範囲での正常時のＤＳ間電圧Ｖｄｓの最大値」に基づいて、過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈを設定する。対象素子について、出力電流の範囲を推定する場合、閾値設定部６５は、「出力電流の推定範囲における、素子温度及びＯＮ抵抗ばらつきの範囲での正常時のＤＳ間電圧Ｖｄｓの最大値」に基づいて、過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈを設定する。素子温度及び出力電流の範囲を推定する場合、閾値設定部６５は、「素子温度及び出力電流の推定範囲における、ＯＮ抵抗ばらつきの範囲での正常時のＤＳ間電圧Ｖｄｓの最大値」に基づいて、過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈを設定する。

ＯＮ抵抗ばらつきの範囲を推定する場合、閾値設定部６５は、「ＯＮ抵抗ばらつきの推定範囲における、素子温度及び出力電流の範囲での正常時のＤＳ間電圧Ｖｄｓの最大値」に基づいて、過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈを設定する。素子温度又は出力電流の範囲と、ＯＮ抵抗ばらつきの範囲とを組み合わせて推定する場合についても同様に表される。

このように本実施形態の過電流検出装置６０は、対象素子について、素子温度、出力電流、ＯＮ抵抗ばらつきのうち一つ以上の範囲を推定してＤＳ間電圧Ｖｄｓの取り得る範囲を絞り込む。そして、その範囲での正常時の最大値に基づいて、過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈを「基準閾値より小さい値」に設定する。これにより、過電流検出精度を向上させることができる。

その結果、回路の異常を早期に検出し通電制限や駆動停止等の異常処置を行うことで、素子の破損を防止したり、関連する他の機能部への影響を回避したりすることができる。例えば車両のブレーキシステムのモータ駆動回路では、使用環境や運転状況に応じて素子温度や出力電流が広範囲に変化する。このようなシステムに用いられる回路では、制御の都度、素子温度、出力電流又はＯＮ抵抗ばらつきの範囲を推定し、過電流検出閾値Ｖｄｓ＿ｔｈをできるだけ低く設定することが特に有効である。

［第２グループの対象素子に対する特有の作用効果］
次に図６、図７を参照し、第２グループの逆接続保護リレー３２を対象素子に対する特有の作用効果について説明する。図６において過電流検出装置６０の閾値設定部６５及び判定部６６の構成は基本的に図２と同じであり、上述の通り、ＤＳ間電圧Ｖｄｓに基づいて過電流異常を検出する。また、特有の作用として、判定部６６は、ＤＳ間電圧Ｖｄｓに基づき、逆接続保護リレー３２がＯＮ指令時にＯＮ動作しない故障である「ＯＦＦ故障」をさらに判定する。

正常なＭＯＳＦＥＴのＯＮ時、電流は、相対的に抵抗の小さいスイッチ本体を優先して流れる。ＭＯＳＦＥＴのＤＳ間電圧Ｖｄｓは、図３に参照される通り、素子温度が高くなるほど高くなる温度特性を有する。図７に、ＭＯＳＦＥＴのＯＮ時のＤＳ間電圧の最小値Ｖｄｓ＿ｍｉｎ（最低温時に相当）から最大値Ｖｄｓ＿ｍａｘ（最高温時に相当）までの範囲を「ＯＮ範囲」として示す。

一方、ＭＯＳＦＥＴのＯＦＦ故障時、電流は寄生ダイオードのみを通って高電位側から低電位側に流れる。ここで、ダイオードの順方向電圧Ｖｆは、素子温度が高くなるほど低くなる温度特性を有する。図７に、ダイオードの順方向電圧の最小値Ｖｆ＿ｍｉｎ（最高温時に相当）から最大値Ｖｆ＿ｍａｘ（最低温時に相当）までの範囲を「ＯＦＦ範囲」として示す。

すると、図７の左側に示すように、出力電流、素子温度及びＯＮ抵抗のばらつき範囲に基づき想定されるＤＳ間電圧の最大値Ｖｄｓ＿ｍａｘがダイオードの順方向電圧の最小値Ｖｆ＿ｍｉｎよりも高くなり、ＯＮ範囲とＯＦＦ範囲とがラップする場合がある。この場合、ＤＳ間電圧の最大値Ｖｄｓ＿ｍａｘより大きい基準閾値Ｖｄｓ＿ｔｈ０を用いて判定すると、過電流異常は検出される。しかし、ダイオードの順方向電圧Ｖｆが基準閾値Ｖｄｓ＿ｔｈ０より小さいエラー範囲Ｅｒｒ０においてＯＦＦ故障が検出できず、ＯＦＦ故障の検出精度が低いという問題がある。

これに対し、図７の右側には、素子温度、出力電流及びＯＮ抵抗ばらつきのうち一つ以上の範囲を推定してＤＳ間電圧Ｖｄｓの取り得る範囲を絞り込み、過電流検出閾値を「基準閾値より小さい値」に設定した場合を二例示す。第１例＜１＞では、過電流検出閾値を基準閾値Ｖｄｓ＿ｔｈ０からＶｄｓ＿ｔｈ１まで下げることで、エラー範囲をＥｒｒ０からＥｒｒ１に狭め、ＯＦＦ故障検出精度を高めることができる。また第２例＜２＞では、過電流検出閾値をダイオードの順方向電圧の最小値Ｖｆ＿ｍｉｎよりも低いＶｄｓ＿ｔｈ２まで下げることで、エラー範囲Ｅｒｒ２を０とし、ＯＦＦ故障をほぼ確実に検出することができる。

なお、素子温度の推定により最高温度を下げられる場合、ＯＮ範囲の上限であるＤＳ間電圧の最大値Ｖｄｓ＿ｍａｘが下がると共に、ＯＦＦ範囲の下限であるダイオードの順方向電圧の最小値Ｖｆ＿ｍｉｎが上げる。したがって、ＯＮ範囲とＯＦＦ範囲とのラップ範囲がより減少し、ＯＦＦ故障検出率の向上に有利となる。また、図６に示すように温度検出回路５１が設けられる構成では、ＯＦＦ故障中に検出できない小さい電流が流れた場合、素子温度Ｔが次第に上昇することを温度検出回路５１が検出することで、過電流を検出可能である。このように、逆接続保護リレー３２を対象素子とする場合、本実施形態の過電流検出装置６０は、過電流検出精度の向上に加え、ＯＦＦ故障の検出精度を向上させることができる。

（その他の実施形態）
（ａ）本発明の過電流検出装置６０は、インバータ回路やＨブリッジ回路の他、昇降圧回路等、半導体スイッチング素子を用いるどのような回路に適用されてもよい。

（ｂ）シャント抵抗は、図１に示す箇所に限らず、ハイサイドスイッチ３３、３５、３７の高電位側に直列接続されてもよい。また、シャント抵抗以外の「電流検出器」が上下アーム素子と直列に、又は、各相のモータ巻線に設けられてもよい。

（ｃ）半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ等のバイポーラトランジスタが用いられてもよい。バイポーラトランジスタでは、「上下間端子電圧」はコレクタエミッタ間電圧に相当する。また、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴに代えてｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴが用いられる場合、上記実施形態の説明におけるドレイン端子とソース端子の関係が逆になるが、基本的な考え方は同じである。

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

本開示に記載の閾値設定部、判定部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の閾値設定部、判定部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の閾値設定部、判定部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと一つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

２０・・・通電制御部、
３１～３８・・・ＭＯＳＦＥＴ（半導体スイッチング素子）、
４４、４６、４８・・・電流検出器、
５１、５３、５４・・・温度検出回路、
６０・・・過電流検出装置、
６５・・・閾値設定部、
６６・・・判定部。

Claims (7)

1. 通電制御部（２０）からの指令に従って動作する一つ以上の半導体スイッチング素子（３１～３８）を含む回路において、選択されたいずれかの前記半導体スイッチング素子である対象素子について、ドレインソース間電圧もしくはコレクタエミッタ間電圧に相当する上下端子間電圧を監視し、前記上下端子間電圧に基づいて過電流異常を検出する過電流検出装置であって、
   前記対象素子に流れる出力電流、前記対象素子の素子温度及びＯＮ抵抗に基づいて、前記上下端子間電圧についての過電流検出閾値を設定する閾値設定部（６５）と、
   前記上下端子間電圧が前記過電流検出閾値以上のとき、前記対象素子に過電流が流れたと判定する判定部（６６）と、
   前記対象素子の素子温度を検出する温度検出回路（５１、５３、５４）と、
   を備え、
   前記対象素子について、素子温度、出力電流及びＯＮ抵抗ばらつきの範囲での正常時の前記上下端子間電圧の最大値に基づいて決定される前記過電流検出閾値を基準閾値と定義すると、
   前記閾値設定部は、
   前記対象素子について、電流検出器が検出した出力電流の検出値、所定時間における素子温度の上昇量、及び、前記対象素子から前記温度検出回路への熱抵抗に基づいて、ＯＮ抵抗ばらつきの範囲を推定し、
   ＯＮ抵抗ばらつきの推定範囲における、素子温度及び出力電流の範囲での正常時の前記上下端子間電圧の最大値に基づいて、前記過電流検出閾値を前記基準閾値より小さい値に設定する過電流検出装置。
2. 前記閾値設定部は、
   前記対象素子について、さらに素子温度の範囲を推定し、
   ＯＮ抵抗ばらつき及び素子温度の推定範囲における、出力電流の範囲での正常時の前記上下端子間電圧の最大値に基づいて、前記過電流検出閾値を前記基準閾値より小さい値に設定する請求項１に記載の過電流検出装置。
3. 前記閾値設定部は、
   前記対象素子について、さらに前記通電制御部が指令した出力電流の指令値、又は、電流検出器（４４、４６、４８）が検出した出力電流の検出値により出力電流の範囲を推定し、
   ＯＮ抵抗ばらつき及び出力電流の推定範囲における、素子温度の範囲での正常時の前記上下端子間電圧の最大値に基づいて、前記過電流検出閾値を前記基準閾値より小さい値に設定する請求項１に記載の過電流検出装置。
4. 前記対象素子は、寄生ダイオードの高電位側から低電位側に電流が流れるＭＯＳＦＥＴであり、
   前記判定部は、前記上下端子間電圧に基づき、前記対象素子がＯＮ指令時にＯＮ動作しない故障であるＯＦＦ故障をさらに判定する請求項１～３のいずれか一項に記載の過電流検出装置。
5. 通電制御部（２０）からの指令に従って動作する一つ以上の半導体スイッチング素子（３１～３８）を含む回路において、選択されたいずれかの前記半導体スイッチング素子であり、寄生ダイオードの高電位側から低電位側に電流が流れるＭＯＳＦＥＴである対象素子について、ドレインソース間電圧に相当する上下端子間電圧を監視し、前記上下端子間電圧に基づいて過電流異常を検出する過電流検出装置であって、
   前記対象素子に流れる出力電流、前記対象素子の素子温度及びＯＮ抵抗に基づいて、前記上下端子間電圧についての過電流検出閾値を設定する閾値設定部（６５）と、
   前記上下端子間電圧が前記過電流検出閾値以上のとき、前記対象素子に過電流が流れたと判定する判定部（６６）と、
   前記対象素子の素子温度を検出する温度検出回路（５１、５３、５４）と、
   を備え、
   前記対象素子について、素子温度、出力電流及びＯＮ抵抗ばらつきの範囲での正常時の前記上下端子間電圧の最大値に基づいて決定される前記過電流検出閾値を基準閾値と定義すると、
   前記閾値設定部は、
   前記対象素子について、素子温度の範囲を推定し、
   素子温度の推定範囲における、出力電流及びＯＮ抵抗ばらつきの範囲での正常時の前記上下端子間電圧の最大値に基づいて、前記過電流検出閾値を前記基準閾値より小さい値に設定し、
   前記判定部は、前記上下端子間電圧に基づき、前記対象素子がＯＮ指令時にＯＮ動作しない故障であるＯＦＦ故障をさらに判定する過電流検出装置。
6. 前記閾値設定部は、前記対象素子について、さらに前記通電制御部が指令した出力電流の指令値、又は、電流検出器（４４、４６、４８）が検出した出力電流の検出値により出力電流の範囲を推定し、
   素子温度及び出力電流の推定範囲における、ＯＮ抵抗ばらつきの範囲での正常時の前記上下端子間電圧の最大値に基づいて、前記過電流検出閾値を前記基準閾値より小さい値に設定する請求項５に記載の過電流検出装置。
7. 通電制御部（２０）からの指令に従って動作する一つ以上の半導体スイッチング素子（３１～３８）を含む回路において、選択されたいずれかの前記半導体スイッチング素子であり、寄生ダイオードの高電位側から低電位側に電流が流れるＭＯＳＦＥＴである対象素子について、ドレインソース間電圧に相当する上下端子間電圧を監視し、前記上下端子間電圧に基づいて過電流異常を検出する過電流検出装置であって、
   前記対象素子に流れる出力電流、前記対象素子の素子温度及びＯＮ抵抗に基づいて、前記上下端子間電圧についての過電流検出閾値を設定する閾値設定部（６５）と、
   前記上下端子間電圧が前記過電流検出閾値以上のとき、前記対象素子に過電流が流れたと判定する判定部（６６）と、
   を備え、
   前記対象素子について、素子温度、出力電流及びＯＮ抵抗ばらつきの範囲での正常時の前記上下端子間電圧の最大値に基づいて決定される前記過電流検出閾値を基準閾値と定義すると、
   前記閾値設定部は、
   前記対象素子について、前記通電制御部が指令した出力電流の指令値、又は、電流検出器（４４、４６、４８）が検出した出力電流の検出値により出力電流の範囲を推定し、
   出力電流の推定範囲における、素子温度及びＯＮ抵抗ばらつきの範囲での正常時の前記上下端子間電圧の最大値に基づいて、前記過電流検出閾値を前記基準閾値より小さい値に設定し、
   前記判定部は、前記上下端子間電圧に基づき、前記対象素子がＯＮ指令時にＯＮ動作しない故障であるＯＦＦ故障をさらに判定する過電流検出装置。

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