JP7310386B2

JP7310386B2 - 容量性負荷制御装置

Info

Publication number: JP7310386B2
Application number: JP2019128737A
Authority: JP
Inventors: 拓未有田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2023-07-19
Anticipated expiration: 2039-07-10
Also published as: JP2021014796A

Description

この明細書における開示は、容量性負荷制御装置に関する。

特許文献１には、内燃機関にピエゾインジェクタを用いて燃料を噴射制御するための駆動装置が開示されている。この駆動装置は、ピエゾインジェクタの容量性負荷を駆動するため、容量性負荷に流れる電流を制御する充電スイッチを電源供給ノード側に備える。また、容量性負荷に蓄積された電荷の放電を制御する放電スイッチを、充電スイッチと直列となるようにグランドノード側に備える。特許文献１では、制御回路が、充電スイッチをオンすることでピエゾインジェクタの容量性負荷に電荷を充電してピエゾインジェクタを開弁する。また、放電スイッチをオンすることで容量性負荷から電荷を放電してピエゾインジェクタを閉弁する。

特開２００２－１９９７４８号公報

特許文献１の駆動装置では、放電スイッチがオフ状態で充電スイッチをオンして容量性負荷の充電を開始すると、放電スイッチのソースドレイン電圧が急峻に立ち上がる。この時、放電スイッチの寄生容量ＣｇｄとＣｇｓに電流が流れ、放電用スイッチのゲート電圧が上昇する。この放電スイッチのゲート電圧の上昇分が放電スイッチのスレッショルドよりも大きい場合、放電スイッチが自動でオンとなるセルフターンオン現象が発生する。このセルフターンオン現象が発生すると、充電スイッチと放電スイッチが共にオン状態となり、電源供給ノードからグランドノードへ貫通電流が流れる。貫通電流が流れると駆動装置に高電流が通電され、駆動装置に過大な負担がかかり、駆動装置の不具合の原因となる。

本開示の目的は、容量性負荷制御装置を充電スイッチ及び放電スイッチを用いて制御するとき、セルフターンオンの発生による貫通電流が流れるのを防止できるようにした容量性負荷制御装置を提供することにある。

本開示の一態様による容量性負荷制御装置は、高電位ノード（Ｎ１）と低電位ノード（Ｎ４）との間に接続され、オンされると高電位ノードから電圧を容量性負荷（Ｐ１）に印加することで電荷を充電する充電スイッチ（ＳＷ１）と、高電位ノードと低電位ノード（Ｎ４）との間で充電スイッチと直列に接続され、オンされると容量性負荷に蓄積された電荷の放電を制御する放電スイッチ（ＳＷ２）と、充電スイッチ及び放電スイッチと直列に接続され、アノードが充電スイッチと接続され、カソードが放電スイッチと接続されたダイオード（Ｄ１）と、高電位ノードと一端が接続され、ダイオードのカソードと放電スイッチとが接続された第１ノード（Ｎ３）と他端が接続され、充電スイッチ及びダイオードと並列に接続された抵抗（Ｒ１）とを備え、
第１ノードの電圧が所定の電圧以上になったときに、充電スイッチをオンするタイミング調整部（２１）を備える構成とする。

これによれば、放電スイッチにおけるセルフターンオン現象の発生を防ぐことができる。そのため、貫通電流の発生による装置の不具合発生が防止できる。

この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

図１は、第１実施形態に係る容量性負荷制御装置の概略構成例を示す回路図である。図２は、容量性負荷制御装置１の動作例を示すタイミングチャートである。図３は、セルフターンオン発生の一例を示すタイミングチャートである。図４は、第２実施形態に係る容量性負荷制御装置の概略構成例を示す回路図である。図５は、第３実施形態に係る容量性負荷制御装置３の概略構成例を示す回路図である。図６は、第３実施形態に係る容量性負荷制御装置３の動作例を示すタイミングチャートである。図７は、第４実施形態に係る容量性負荷制御装置４の概略構成例を示す回路図である。図８は、第４実施形態に係る容量性負荷制御装置４の動作例を示すタイミングチャートである。

図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。

（第１実施形態）
図１に示す容量性負荷制御装置１は、燃料噴射弁２と接続されている。燃料噴射弁２は、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関に設置されている。本実施形態の燃料噴射弁２は、例えば、ピエゾ素子Ｐ１を有するピエゾインジェクタである。ピエゾ素子Ｐ１は、容量性負荷に相当する。ピエゾ素子Ｐ１は、電荷の充放電により、ピエゾ素子の特性である逆圧電効果によって伸縮する。ピエゾ素子Ｐ１の伸縮動作により、燃料噴射弁２の噴孔が開閉される。

容量性負荷制御装置１は、上述のように、ピエゾ素子Ｐ１の充放電を行うことによって、燃料噴射弁２を駆動する。そのための構成として、容量性負荷制御装置１は、駆動制御部１２、昇圧回路１３、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ダイオードＤ１、Ｄ３、インダクタＬ３、及び抵抗Ｒ１を備える。スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、ｎチャネル型の電界効果トランジスタである。なお、スイッチＳＷ１は充電スイッチに相当し、スイッチＳＷ２は放電スイッチに相当する。

昇圧回路１３は、バッテリ等の電源電圧ＶＢの電圧を昇圧することにより、燃料噴射弁２のピエゾ素子Ｐ１に供給される高電圧を生成する。昇圧回路１３は、インダクタＬ１、スイッチＳＷ３、抵抗Ｒ２，ダイオードＤ２、及び充電コンデンサＣ１を備える。電源電圧ＶＢとグランドとの間に、インダクタＬ１、スイッチＳＷ３のドレインソース間及び抵抗Ｒ２を直列接続する。また、インダクタＬ１とスイッチＳＷ３のドレインとソースとの間に順方向のダイオードＤ２及び充電コンデンサＣ１を接続させる。

駆動制御部１２は、スイッチＳＷ３のオン及びオフの切り替えを繰り返し行うことで、充電コンデンサＣ１を充電する。具体的には、スイッチＳＷ３がオンになると、インダクタＬ１、スイッチＳＷ３及び抵抗Ｒ２の経路に電流が流れる。その後、スイッチＳＷ３がオフになると、インダクタＬ１に逆起電力が生じ、これによって充電コンデンサＣ１が充電される。そして、駆動制御部１２は、インダクタＬ１に十分なエネルギーが蓄積されたタイミングで、スイッチＳＷ３をオンにする。これにより、充電コンデンサＣ１が充電される。スイッチＳＷ３のスイッチングが適宜実施されることにより、充電コンデンサＣ１の電圧は、所定の昇圧電圧Ｖboostに維持されノードＮ１に供給される。

スイッチＳＷ１は、ドレインにノードＮ１が接続され、ソースにノードＮ２が接続される。スイッチＳＷ２は、ドレインにノードＮ３が接続され、ソースにノードＮ４が接続される。なお、ノードＮ１は高電位ノードに相当し、ノードＮ４は低電位ノードに相当する。また、ノードＮ２は第２ノードに相当し、ノードＮ３は第１ノードに相当する。ノードＮ４は、例えばグランドに接続される。ダイオードＤ１は、アノードがノードＮ２と接続され、カソードがノードＮ３と接続される。従って、スイッチＳＷ１のドレインソース間、ダイオードＤ１のカソードアノード間及びスイッチＳＷ２のドレインソース間が、ノードＮ１、Ｎ４間で直列接続される。抵抗Ｒ１は、ノードＮ１とノードＮ３との間でスイッチＳＷ１及びダイオードＤ１と並列に接続される。

容量性負荷制御装置１は、ノードＮ２からインダクタＬ３を経由してピエゾ素子Ｐ１と接続される。駆動制御部１２がスイッチＳＷ１を制御することで、ピエゾ素子Ｐ１に電荷が充電される。具体的には、スイッチＳＷ１の制御により、ノードＮ１に供給される昇圧電圧Ｖboostがピエゾ素子Ｐ１に供給される。また、駆動制御部１２がスイッチＳＷ２を制御することで、ピエゾ素子Ｐ１の電荷が放電される。

インダクタＬ３は、ノードＮ２とピエゾ素子Ｐ１との間に設けられる。インダクタＬ３は、ピエゾ素子Ｐ１の充電が行われる期間に、ピエゾ素子Ｐ１に流入する電流を制御する。このインダクタＬ３の機能により、スイッチＳＷ１のオンオフ制御が行われても、急峻に変化した電流のピエゾ素子Ｐ１への流入が防止される。

ダイオードＤ３は、アノードがノードＮ４と接続され、カソードがノードＮ２と接続され、ピエゾ素子Ｐ１と並列に設けられる。ダイオードＤ３により、スイッチＳＷ１がオフになったタイミングでインダクタＬ３に流れ続けている電流を、ダイオードＤ３、インダクタＬ３及びピエゾ素子Ｐ１の方向に流し続けることが可能となる。

次に、容量性負荷制御装置１の動作例について、図２のタイミングチャートを参照して説明する。時間Ｔ１においてピエゾ素子Ｐ１への充電フェーズが開始されると、駆動制御部１２は、スイッチＳＷ２をオフにする。この時、ノードＮ１における昇圧電圧Ｖboostが抵抗Ｒ１を通じてノードＮ３に供給され、スイッチＳＷ２のドレイン電圧は昇圧電圧Ｖboostまで上昇する。

ここで、スイッチＳＷ２のドレイン電圧は、図２の時間Ｔ２においてスイッチＳＷ１がオンするまでに所定の値まで上昇している必要がある。スイッチＳＷ１がオンするまでにスイッチＳＷ２のドレイン電圧が所定の値まで上昇していない場合、上述のセルフターンオン現象が発生する虞があるからである。

そのため、抵抗Ｒ１の値は、例えば式（１）に示す条件を満たす。ここでτは充電フェーズ開始から、スイッチＳＷ１がオンされるまでの時間（Ｔ１－Ｔ２）である。また、Ｃ_ＳＷ２はスイッチＳＷ２のドレイン―ソース間の寄生容量である。
Ｃ_ＳＷ２Ｒ１ ≦ τ ・・・（１）

例えば、時間Ｔ１からＴ２までの時間を２μｓとし、スイッチＳＷ２の寄生容量Ｃ_ＳＷ２を１０００ｐＦとすると、抵抗Ｒ１は、２ｋΩ（２μｓ／１０００ｐＦ）以下であることが望ましい。

一方で、抵抗Ｒ１の値が小さくなればなるほど、昇圧回路１３から余分な電流が流れ、消費電力が増大する。従って、抵抗Ｒ１の値は、式（１）における抵抗Ｒ１の最大値として、式（２）で求められる値を用いることが望ましい。
Ｒ１＝ τ／Ｃ_ｓｗ２・・・（２）

また、期間Ｔ１－Ｔ２におけるスイッチＳＷ１のソース電圧は、ダイオードＤ１の逆流防止効果により、スイッチＳＷ２のドレイン電圧の上昇の影響を受けず０Ｖとなる。

次に、時間Ｔ２において、駆動制御部１２は、スイッチＳＷ１をオンにする。この時、既にスイッチＳＷ２のドレインの電圧は、昇圧電圧Ｖboostとなっているため、急峻な電圧の立ち上がりは生じず、セルフターンオンは発生しない。

期間Ｔ２－Ｔ３において、駆動制御部１２からの制御により、スイッチＳＷ１のオン／オフが繰り返されることにより、ピエゾ素子Ｐ１に電荷が充電される。時間Ｔ３において充電フェーズが終わる。期間Ｔ３－Ｔ４は、電荷の保持フェーズであり、駆動制御部１２からスイッチＳＷ１、ＳＷ２への制御は行われない。

その後、時間Ｔ４において、放電フェーズが開始される。期間Ｔ４－Ｔ５において、駆動制御部１２からの制御により、スイッチＳＷ２がオン／オフされることにより、ピエゾ素子Ｐ１から電荷が放電される。

以上のように、容量性負荷制御装置１は、スイッチＳＷ２のドレイン電圧を予め上昇させておくことで、スイッチＳＷ１をオンした時のセルフターンオン現象の発生を防ぐことができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態と同じ符号を用いる場合、第１実施形態と同一の構成を示しており、特に説明がない限り先行する説明を参照する。図４に示すように、第２の実施形態に係る容量性負荷制御装置２０１は、タイミング調整部２１を有する点で、上述の第１実施形態と異なる。

上述の図２に示す第１実施形態の動作例では、時間Ｔ２において、既にスイッチＳＷ２のドレイン電圧が昇圧電圧Ｖboostに達している例を示した。しかし、スイッチＳＷ２のドレインが昇圧電圧Ｖboostに達する前にスイッチＳＷ１がオンとなると、スイッチＳＷ２のドレインソース間電圧が急峻に増加する。このスイッチＳＷ２のドレインソース間電圧の急峻な増加により、図３に示すようなセルフターンオンが発生する虞がある。従って、第２実施形態では、タイミング調整部２１において、スイッチＳＷ２のドレイン電圧が所定の値に達するのを待って、スイッチＳＷ１のゲートをオンにする。

図４に示すタイミング調整部２１は、コンパレータ２２、抵抗Ｒ３～Ｒ６、及び、ゲート回路２３を備える。タイミング調整部２１は、コンパレータ２２において、ノードＮ３の電圧が所定の値となっているか否かを判定する。抵抗Ｒ３及びＲ４によって、所定の電圧を抵抗分圧し、参照電圧Ｖｒｅｆが生成され、コンパレータ２２に入力される。抵抗Ｒ５及びＲ６において、ノードＮ３の電圧を抵抗分圧し、コンパレータ２２に入力する。コンパレータ２２は、ノードＮ３の電圧が参照電圧Ｖｒｅｆに達したと判定すると論理レベルのＨ（Ｈｉｇｈ）を出力する。ゲート回路２３は、駆動制御部１２からスイッチＳＷ１への制御信号とコンパレータ２２の出力値との論理積を行う。つまり、コンパレータ２２からの出力がＨの場合、駆動制御部１２からの信号が有効となる。また、ノードＮ３の電圧が所定の電圧に達していない場合、すなわちコンパレータ２２からの出力がＬ（Ｌｏｗ）の場合、駆動制御部１２からの信号は無効となる。これにより、スイッチＳＷ２のドレイン電圧が所定の電圧に達するまでスイッチＳＷ１の制御開始を待つことが可能となり、セルフターンオンの発生を防ぐことができる。ここで、スイッチＳＷ１の制御が有効となるスイッチＳＷ２のドレイン電圧の所定の電圧は、昇圧電圧Ｖboostの約９０％以上の電圧であることが好ましい。

なお、第２実施形態に係る容量性負荷制御装置２０１の基本的な動作は、第１実施形態と同様であるため説明は省略する。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態と同じ符号を用いる場合、第１実施形態と同一の構成を示しており、特に説明がない限り先行する説明を参照する。図５に示すように、第３の実施形態に係る容量性負荷制御装置３０１は、ノードＮ３の電圧を測定する電圧モニタ部３１を有する点で、上述の第１実施形態と異なる。なお、電圧モニタ部３１は、第１電圧モニタ部に相当する。また、本実施形態では、駆動制御部１２が故障判定部３３を備えている。

図５に示す電圧モニタ部３１は、コンパレータ２２、抵抗Ｒ３～Ｒ６を備える。電圧モニタ部３１は、コンパレータ２２において、ノードＮ３の電圧が所定の値に達したか否かを判定し、判定結果を故障判定部３３へ送る。なお、故障判定部３３は、スイッチ故障判定部に相当する。

スイッチＳＷ２がショート故障を起こしている場合、時間Ｔ１でスイッチＳＷ２がオフになっても、ドレイン電圧は上昇しない。従って、故障判定部３３は、時間Ｔ１から一定期間ノードＮ３の電圧を観測し、ノードＮ３の電圧が所定の電圧に達しない場合に、スイッチＳＷ２のショート故障を検出する。

故障判定部３３は、時間Ｔ１においてスイッチＳＷ１及びＳＷ２をオフしてから一定期間、電圧モニタ部３１からの出力値をチェックする。ここで、一定期間は、期間Ｔ１－Ｔ２よりも長い期間であることが望ましい。従って、例えば、期間Ｔ１－Ｔ２が２μｓの場合、故障判定部３３におけるチェック期間（一定期間）は２μｓより大きな１０μｓ程度とするのが望ましい。一定期間経過後も、ノードＮ３の電圧が所定の値に達しなかった場合、故障判定部３３は、スイッチＳＷ２がショート故障していると判定する。

図６に示す例では、スイッチＳＷ２が正常の場合、時間Ｔ１において、スイッチＳＷ２のドレイン電圧が昇圧電圧Ｖboostとなり、充電フェーズの間、電圧はＶboostで一定となる。一方で、スイッチＳＷ２がショート故障である場合、図６の最下段に示すように、期間Ｔ１－Ｔ２において、スイッチＳＷ２のドレイン電圧はＶboostに上昇しない。時間Ｔ２のタイミングにおいて、スイッチＳＷ１のソース電圧がＨ／Ｌ繰り返される場合にも、スイッチＳＷ２のドレイン電圧は０Ｖのままとなる。

従って、第３実施形態に係る容量性負荷制御装置３０１では、ノードＮ３の電圧を測定し、スイッチＳＷ２のドレイン電圧が所定期間内に上昇しないことを検出する。これにより、スイッチＳＷ２のショート故障を検出することができる。

なお、第３実施形態では、電圧モニタ部３１で、電圧の比較を行った結果を用いてドレイン電圧の立ち上がりを検出する構成を示したが、これに限定されるものではない。例えば、ノードＮ３の電圧を分圧した電圧を直接、故障判定部３３に入力し、故障判定部３３において、ノードＮ３の電圧をモニタし、故障を検出する構成でもよい。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。なお、以下の説明において、第３実施形態と同じ符号を用いる場合、第３実施形態と同一の構成を示しており、特に説明がない限り先行する説明を参照する。図７に示すように、第４の実施形態に係る容量性負荷制御装置４０１は、ノードＮ２の電圧を電圧モニタ部４３１で測定し、ダイオードＤ１の故障を検出する。この点で上述の第３の実施形態に係る容量性負荷制御装置３０１とは異なる。なお、電圧モニタ部４３１は、第２電圧モニタ部に相当する。

ダイオードＤ１が例えばショート故障している場合、図８の最下段に示すようにスイッチＳＷ１のソース電圧は、時間Ｔ１において上昇する。これは、ダイオードＤ１の故障によりダイオードＤ１の逆流防止機能が働かず、スイッチＳＷ２のドレイン電圧の上昇による影響を受けるためである。その後の充電フェーズの期間（期間Ｔ２－Ｔ３）においても、スイッチＳＷ１のソース電圧はＨのまま維持される。

図７に示す電圧モニタ部４３１は、ノードＮ２の電圧が所定の電圧になったか否かを判定し、その判定結果を故障判定部４３３に送る。なお、故障判定部４３３は、ダイオード故障判定部に相当する。故障判定部４３３では、電圧モニタ部４３１から送られて来た判定結果により、期間Ｔ１－Ｔ２において、ノードＮ２の電圧が所定の値に上昇したか否かを確認する。期間Ｔ１－Ｔ２においてノードＮ２の電圧が所定の値に上昇していることが確認できた場合、ダイオードＤ１がショート故障を起こしていると判定する。これにより、通常故障を判定するのが困難なダイオードＤ１の故障を、検出することができる。なお、ピエゾ素子Ｐ１に電荷が蓄積された状態では、ノードＮ２の電圧は所定の値に上昇するため、ダイオードＤ１の故障を検出するのは困難である。従って、第４実施形態に係る故障検出は、ピエゾ素子Ｐ１に電荷が蓄積されていない状態で行うことが望ましい。

なお、第４実施形態では、電圧モニタ部４３１で、電圧の比較を行った結果を用いてノードＮ２の電圧上昇を検出する構成を示したが、これに限定されるものではない。例えば、ノードＮ２の電圧を分圧した電圧を直接、故障判定部４３３に入力し、故障判定部４３３において、ノードＮ２の電圧をモニタし、故障を検出する構成でもよい。

また、期間Ｔ２－Ｔ３における充電フェーズにおいてダイオードＤ１の故障を検出する構成をとることもできる。この場合、正常時はＨ／Ｌを繰り返すスイッチＳＷ１のソース電圧が、期間Ｔ２－Ｔ３において一定となっていると判定した場合に、ダイオードＤ１がショート故障していると判定する。

（他の実施形態）
この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

また、上述した各実施形態では、各部のスイッチＳＷ１～ＳＷ３としてトランジスタを用いる場合について例示した。しかし、これらのスイッチとして、アナログスイッチなどのトランジスタ以外のスイッチング素子を用いてもよい。

また、上述した各実施形態では、容量性負荷として、ピエゾ素子Ｐ１を用いる場合について例示した。しかし、容量性負荷はピエゾ素子に限定されるものではない。

また、上述した各実施形態の駆動制御部１２は、１または複数の制御装置によって構成される。例えば、制御装置は、メモリとメモリに格納されたプログラムを実行するプロセッサとを備える。また例えば、制御装置は、プログラムされた多数の論理ユニット（ゲート回路）を含むデジタル回路によって構成された論理回路を備える。

１容量性負荷制御装置、２燃料噴射弁、１２駆動制御部、１３昇圧回路、２１タイミング調整部、２２コンパレータ、２３ゲート回路、３１電圧モニタ部、３３故障判定部、ＶＢバッテリ電圧、Ｖboost 昇圧電圧、Ｖref 参照電圧

Claims

高電位ノード（Ｎ１）と低電位ノード（Ｎ４）との間に接続され、オンされると前記高電位ノードから電圧を容量性負荷（Ｐ１）に印加することで電荷を充電する充電スイッチ（ＳＷ１）と、
前記高電位ノードと前記低電位ノード（Ｎ４）との間で前記充電スイッチと直列に接続され、オンされると前記容量性負荷に蓄積された電荷の放電を制御する放電スイッチ（ＳＷ２）と、
前記充電スイッチ及び前記放電スイッチと直列に接続され、アノードが前記充電スイッチと接続され、カソードが前記放電スイッチと接続されたダイオード（Ｄ１）と、
前記高電位ノードと一端が接続され、前記ダイオードのカソードと前記放電スイッチとが接続された第１ノード（Ｎ３）と他端が接続され、前記充電スイッチ及び前記ダイオードと並列に接続された抵抗（Ｒ１）とを備え、
前記第１ノードの電圧が所定の電圧以上になったときに、前記充電スイッチをオンするタイミング調整部（２１）を備える容量性負荷制御装置。