JP7310530B2

JP7310530B2 - スイッチング回路

Info

Publication number: JP7310530B2
Application number: JP2019188916A
Authority: JP
Inventors: 秀夫山脇
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2023-07-19
Anticipated expiration: 2039-10-15
Also published as: JP2021065047A

Description

本明細書に開示の技術は、スイッチング回路に関する。

特許文献１には、スイッチング素子をスイッチングさせる回路が開示されている。スイッチング素子には、負荷が直列に接続されている。この回路は、スイッチング素子のコレクタ電流が閾値を上回ってから所定時間後に、スイッチング素子をオフする。これによって、負荷が短絡したときに、スイッチング素子を保護する。また、スイッチング素子のコレクタ電流が閾値を上回ってから所定時間待機した後にスイッチング素子をオフすることで、ノイズ等による誤動作を防止する。

特開２０１５－１９２４９１号公報

特許文献１の回路では、コレクタ電流が閾値を上回ってから所定時間待機した後にスイッチング素子をオフするので、待機時間中にスイッチング素子に高いストレスが加わる。本明細書では、ノイズ等による誤動作を防止しながら、負荷短絡時に短時間でスイッチング素子を停止させることが可能なスイッチング回路を提案する。

本明細書が開示するスイッチング回路は、メインスイッチング素子と、前記メインスイッチング素子に流れるメイン電流に対応するセンス電流が流れるセンススイッチング素子と、前記センススイッチング素子に接続されているとともに前記センス電流に比例するセンス電圧を生成するセンス抵抗と、前記センス電圧の入力を受けるローパスフィルタと、前記メインスイッチング素子のゲートに接続されているゲート駆動回路を有している。前記ゲート駆動回路は、前記センス電圧が第１基準値以上であり、かつ、前記センス電圧と前記ローパスフィルタの出力電圧との差分値が第２基準値以上かつ第３基準値未満の場合に、前記メインスイッチング素子を停止させる。

このスイッチング回路は、センス電圧に基づく判定に加えて、センス電圧とローパスフィルタの出力電圧との差分値に基づいた判定を行う。この差分値は、センス電圧の変化率に応じた値となる。スイッチングノイズによってメイン電流（すなわち、センス電圧）が増加している場合には、センス電圧の変化率が高くなるので、差分値が第３基準値よりも高くなる。このため、この場合には、スイッチング回路はメインスイッチング素子を停止させない。また、外部からの電流の流入によってメイン電流が増加している場合には、センス電圧の変化率はそれほど高くならないので、差分値が第２基準値よりも低くなる。このため、この場合には、スイッチング回路はメインスイッチング素子を停止させない。負荷の短絡によってメイン電流が増加している場合には、センス電圧の変化率が中程度になるので、差分値が第２基準値以上かつ第３基準値未満となる。このため、この場合には、スイッチング回路はメインスイッチング素子を停止させる。このように、このスイッチング回路によれば、負荷短絡の場合にスイッチング素子を停止させることが可能であるとともに、その他の要因でメイン電流が増加している場合にはスイッチング素子を停止させない。したがって、誤動作を防止しながら、適切にメインスイッチング素子を保護することができる。また、このスイッチング回路では、負荷短絡の場合には、メイン電流が増加した後に待機することなく、メインスイッチング素子を停止させることができる。すなわち、メイン電流が増加してから短時間でメインスイッチング素子を停止させることができる。したがって、スイッチング素子に加わるストレスを低減することができる。

インバータ回路の回路図。スイッチング回路の回路図。通常のターンオン時の電位Ｖｓｓ、Ｖｌｐｆ、差分値ΔＶの変化を示すグラフ。リカバリ電流が流れるときの電位Ｖｓｓ、Ｖｌｐｆ、差分値ΔＶの変化を示すグラフ。ノイズが印加されるときの電位Ｖｓｓ、Ｖｌｐｆ、差分値ΔＶの変化を示すグラフ。負荷短絡時の電位Ｖｓｓ、Ｖｌｐｆ、差分値ΔＶの変化を示すグラフ。

図１に示すインバータ回路１８は、実施形態のスイッチング回路１０を有している。インバータ回路１８は、車両に搭載されており、走行用モータ１２に交流電力を供給する。インバータ回路１８は、高電位配線１４と低電位配線１６を有している。高電位配線１４と低電位配線１６の間には、直流電圧が印加されている。高電位配線１４と低電位配線１６の間に、スイッチング素子２０が直列に接続されている。インバータ回路１８は、スイッチング素子２０の直列回路を３つ有している。スイッチング素子２０は、ＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor fired effect transistor）により構成されている。但し、スイッチング素子２０は、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）等の他のスイッチング素子により構成されていてもよい。以下では、高電位配線１４側のスイッチング素子２０を上アームのスイッチング素子といい、低電位配線１６側のスイッチング素子２０を下アームのスイッチング素子という場合がある。上アームのスイッチング素子２０のドレインは、高電位配線１４に接続されている。上アームのスイッチング素子２０のソースは、下アームのスイッチング素子２０のドレインに接続されている。下アームのスイッチング素子２０のソースは、低電位配線１６に接続されている。スイッチング素子２０のそれぞれに対して、並列に、還流ダイオード２２が接続されている。各還流ダイオード２２のアノードが、対応するスイッチング素子２０のソースに接続されている。各還流ダイオード２２のカソードが、対応するスイッチング素子２０のドレインに接続されている。各直列回路において、２つのスイッチング素子２０の間の配線に、出力配線２４が接続されている。各出力配線２４は、走行用モータ１２に接続されている。各スイッチング素子２０のゲートに、制御回路３０が接続されている。制御回路３０とスイッチング素子２０によって、スイッチング回路１０が構成されている。制御回路３０は、スイッチング素子２０をスイッチングさせる。インバータ回路１８は、各スイッチング素子２０をスイッチングさせることで、高電位配線１４と低電位配線１６の間に供給されている直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流電力を走行用モータ１２に供給する。なお、各スイッチング回路１０の構成は互いに等しい。したがって、以下では、１つのスイッチング回路１０の構成について詳細に説明する。

図２は、スイッチング回路１０を示している。スイッチング素子２０は、メインスイッチング素子２０ａとセンススイッチング素子２０ｂを有している。なお、図２では、メインスイッチング素子２０ａのソースの電位を、グランドとして示している。還流ダイオード２２は、メインスイッチング素子２０ａに対して並列に接続されている。センススイッチング素子２０ｂは、メインスイッチング素子２０ａと同じ半導体基板に設けられている。センススイッチング素子２０ｂのドレインは、メインスイッチング素子２０ａのドレインに接続されている。センススイッチング素子２０ｂのソースは、センス抵抗４４を介してメインスイッチング素子２０ａのソース（グランド）に接続されている。メインスイッチング素子２０ａのゲートは、センススイッチング素子２０ｂのゲートに接続されている。したがって、メインスイッチング素子２０ａがオンしているときにセンススイッチング素子２０ｂはオンしており、メインスイッチング素子２０ａがオフしているときにセンススイッチング素子２０ｂはオフしている。センススイッチング素子２０ｂは、メインスイッチング素子２０ａよりも小型である。したがって、メインスイッチング素子２０ａとセンススイッチング素子２０ｂがオンしているときに、センススイッチング素子２０ｂに流れるセンス電流Ｉｓｓはメインスイッチング素子２０ａに流れるメイン電流Ｉｓｍよりも小さい。センス電流Ｉｓｓは、メイン電流Ｉｓｍに略比例する。センス電流Ｉｓｓは、センス抵抗４４を介してグランドへ流れる。したがって、センススイッチング素子２０ｂのソースの電位Ｖｓｓは、センス電流Ｉｓｓに比例する。したがって、電位Ｖｓｓは、メイン電流Ｉｓｍに略比例する。

制御回路３０は、上述したセンス抵抗４４を有している。さらに、制御回路３０は、ゲート駆動回路３２、ＡＮＤ回路３４、差分値ピーク判定回路３６、差分値ピーク検出回路３８、コンデンサ４０、抵抗４２、コンパレータ４６、及び、参照電源４８を有している。

ゲート駆動回路３２は、メインスイッチング素子２０ａとセンススイッチング素子２０ｂのゲートに接続されている。また、ゲート駆動回路３２には、外部からＰＷＭ信号Ｖｐｗｍが入力される。ゲート駆動回路３２は、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍに応じて、メインスイッチング素子２０ａとセンススイッチング素子２０ｂをスイッチングさせる。

抵抗４２の一端は、センススイッチング素子２０ｂのソースに接続されている。抵抗４２の他端は、差分値ピーク検出回路３８の第１入力端子３８ａに接続されている。コンデンサ４０の一端は、差分値ピーク検出回路３８の第１入力端子３８ａに接続されている。コンデンサ４０の他端は、グランドに接続されている。コンデンサ４０と抵抗４２によって、ローパスフィルタが構成されている。ローパスフィルタには、電位Ｖｓｓが入力される。ローパスフィルタが出力する電位Ｖｌｐｆ（すなわち、差分値ピーク検出回路３８の第１入力端子３８ａに印加される電位）は、電位Ｖｓｓから高周波成分を除去した電位となる。差分値ピーク検出回路３８の第２入力端子３８ｂは、センススイッチング素子２０ｂのソースに接続されている。第２入力端子３８ｂには、電位Ｖｓｓが印加される。差分値ピーク検出回路３８は、電位Ｖｓｓから電位Ｖｌｐｆを減算した差分値ΔＶを検出する。差分値ピーク検出回路３８は、所定期間に亘って差分値ΔＶを検出し、その期間内に検出した差分値ΔＶのピーク値ΔＶｐを検出する。差分値ピーク判定回路３６には、差分値ΔＶのピーク値ΔＶｐが入力される。また、差分値ピーク判定回路３６は、下限値Ｖｔｈ２と上限値Ｖｔｈ３を記憶している。上限値Ｖｔｈ３は下限値Ｖｔｈ２よりも高い。差分値ピーク判定回路３６は、入力されるピーク値ΔＶｐが下限値Ｖｔｈ２以上かつ上限値Ｖｔｈ３未満の範囲（以下、特定範囲という）内の値である場合にＹＥＳと判定し、ピーク値ΔＶｐが特定範囲外の値である場合にＮＯと判定する。差分値ピーク判定回路３６の判定結果は、ＡＮＤ回路３４に入力される。

コンパレータ４６の非反転入力端子は、センススイッチング素子２０ｂのソースに接続されている。コンパレータ４６の非反転入力端子には、電位Ｖｓｓが印加される。コンパレータ４６の反転入力端子は、参照電源４８の正極に接続されている。参照電源４８の負極は、グランドに接続されている。参照電源４８は、その正極に参照電位Ｖｔｈ１を印加する。コンパレータ４６は、電位Ｖｓｓが参照電位Ｖｔｈ１以上の場合にＹＥＳと判定し、電位Ｖｓｓが参照電位Ｖｔｈ１未満の場合にＮＯと判定する。コンパレータ４６の判定結果は、ＡＮＤ回路３４に入力される。

ＡＮＤ回路３４は、差分値ピーク判定回路３６がＹＥＳと判定し、かつ、コンパレータ４６がＹＥＳと判定したときに、特定信号をゲート駆動回路３２へ送信する。ゲート駆動回路３２は、ＡＮＤ回路３４から特定信号を受信したときは、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍにかかわらず、メインスイッチング素子２０ａとセンススイッチング素子２０ｂをオフする。

次に、スイッチング回路１０の動作について説明する。図３～６は、メインスイッチング素子２０ａがオンするときの電位Ｖｓｓ、電位Ｖｌｐｆ、及び、差分値ΔＶの変化を示している。

図３は、通常のターンオン時の各値の変化を示している。通常時にメインスイッチング素子２０ａがターンオンすると、電位Ｖｓｓ（すなわち、メイン電流Ｉｓｍ）が一定の速度で上昇する。この場合、電位Ｖｓｓは、参照電位Ｖｔｈ１よりも低い値までしか上昇しない。したがって、コンパレータ４６は、ＮＯと判定する。また、ローパスフィルタを通過した後の電位Ｖｌｐｆは、電位Ｖｓｓが少し鈍った波形となる。この場合、電位Ｖｓｓの変化率が小さいので、電位Ｖｓｓと電位Ｖｌｐｆの差は小さい。したがって、差分値ΔＶが小さく、ピーク値ΔＶｐは下限値Ｖｔｈ２よりも小さい。この場合、差分値ピーク判定回路３６は、ＮＯと判定する。コンパレータ４６と差分値ピーク判定回路３６がいずれもＮＯと判定するので、ＡＮＤ回路３４は特定信号を送信しない。したがって、ゲート駆動回路３２は、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍに基づくスイッチング素子２０の制御を継続し、スイッチング素子２０を停止させない。このように、通常時には、スイッチング素子２０の動作が継続される。

図４は、スイッチング素子２０にリカバリ電流が流入した場合の各値の変化を示している。リカバリ電流は、還流ダイオード２２に印加される電圧が順方向から逆方向に切り換えられたときに、還流ダイオード２２に瞬間的に流れる逆電流である。下アームのスイッチング素子２０がオンするときに上アームの還流ダイオード２２にリカバリ電流が流れると、そのリカバリ電流が下アームのスイッチング素子２０に流入する。上アームのスイッチング素子２０がオンするときに下アームの還流ダイオード２２にリカバリ電流が流れると、そのリカバリ電流が上アームのスイッチング素子２０に流入する。スイッチング素子２０にリカバリ電流が流入すると、電位Ｖｓｓ（すなわち、メイン電流Ｉｓｍ）が通常時よりも速い速度で増加する。リカバリ電流の流入によってメイン電流Ｉｓｍが瞬間的に過電流となるため、電位Ｖｓｓがオーバーシュートして瞬間的に参照電位Ｖｔｈ１を超える。その後、電位Ｖｓｓは、短時間のうちに参照電位Ｖｔｈ１よりも低い値まで低下する。この場合、コンパレータ４６は、電位Ｖｓｓが参照電位Ｖｔｈ１を超えるので、ＹＥＳと判定する。また、この場合には、電位Ｖｓｓの変化率がそれほど大きくないので、電位Ｖｌｐｆは電位Ｖｓｓにある程度追随することができる。このため、差分値ΔＶが比較的小さく、ピーク値ΔＶｐは下限値Ｖｔｈ２よりも小さい。この場合、差分値ピーク判定回路３６は、ＮＯと判定する。差分値ピーク判定回路３６がＮＯと判定するので、ＡＮＤ回路３４は特定信号を送信しない。したがって、ゲート駆動回路３２は、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍに基づくスイッチング素子２０の制御を継続し、スイッチング素子２０を停止させない。このように、リカバリ電流により電位Ｖｓｓが参照電位Ｖｔｈ１を超えても、スイッチング素子２０の動作が継続される。リカバリ電流が流れる場合には、メイン電流Ｉｓｍが過電流となってもすぐに減少するので、スイッチング素子２０の動作を継続しても問題はない。

図５は、スイッチング素子２０にスイッチングノイズが印加された場合の各値の変化を示している。この場合、通常のターンオン時の電位Ｖｓｓの波形に対してノイズが重畳している。ノイズによって、電位Ｖｓｓが急激に変化し、電位Ｖｓｓが一時的に参照電位Ｖｔｈ１を超える。その後、電位Ｖｓｓは、短時間のうちに通常の値に戻る。この場合、コンパレータ４６は、電位Ｖｓｓが参照電位Ｖｔｈ１を超えるので、ＹＥＳと判定する。また、この場合には、電位Ｖｓｓの変化率が極めて大きいので、電位Ｖｌｐｆは電位Ｖｓｓのノイズ成分に対して全く追随することができない。このため、差分値ΔＶのピーク値ΔＶｐが上限値Ｖｔｈ３を超える。この場合、差分値ピーク判定回路３６は、ＮＯと判定する。差分値ピーク判定回路３６がＮＯと判定するので、ＡＮＤ回路３４は特定信号を送信しない。したがって、ゲート駆動回路３２は、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍに基づくスイッチング素子２０の制御を継続し、スイッチング素子２０を停止させない。このように、スイッチングノイズにより電位Ｖｓｓが参照電位Ｖｔｈ１を超えても、スイッチング素子２０の動作が継続される。スイッチングノイズが印加された場合には、メイン電流Ｉｓｍが継続的に高くなることが無いので、スイッチング素子２０の動作を継続しても問題はない。

図６は、負荷短絡時の各値の変化を示している。負荷短絡とは、インバータ回路１８または走行用モータ１２の異常によって、スイッチング素子２０を介して高電位配線１４と低電位配線１６の間が短絡した状態を意味する。負荷短絡が生じると、メイン電流Ｉｓｍが急速に増加して過電流となる。このため、電位Ｖｓｓが急速に上昇して参照電位Ｖｔｈ１を超える。負荷短絡時には、スイッチング素子２０をオフしないとスイッチング素子２０に過電流が流れ続けるので、電位Ｖｓｓが参照電位Ｖｔｈ１を超えた後も電位Ｖｓｓは参照電位Ｖｔｈ１よりも高い値に維持される。この場合、コンパレータ４６は、電位Ｖｓｓが参照電位Ｖｔｈ１を超えるので、ＹＥＳと判定する。また、この場合には、電位Ｖｓｓの変化率が大きいので、電位Ｖｌｐｆは電位Ｖｓｓに追随することができない。但し、この場合の電位Ｖｓｓの変化率はノイズが印加された場合（図５）の電位Ｖｓｓの変化率ほど大きくはない。したがって、この場合の差分値ΔＶは図５の場合ほど大きくはならず、差分値ΔＶのピーク値ΔＶｐは下限値Ｖｔｈ２以上かつ上限値Ｖｔｈ３未満の範囲（すなわち、特定範囲）内の値となる。したがって、この場合、差分値ピーク判定回路３６は、ＹＥＳと判定する。コンパレータ４６と差分値ピーク判定回路３６がいずれもＹＥＳと判定するので、ＡＮＤ回路３４は特定信号を送信する。したがって、ゲート駆動回路３２は、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍにかかわらず、強制的にスイッチング素子２０（すなわち、メインスイッチング素子２０ａとセンススイッチング素子２０ｂ）をオフする。スイッチング素子２０がオフすることで、スイッチング素子２０に流れる過電流が停止する。ゲート駆動回路３２は、外部からリセット信号が入力されるまで、スイッチング素子２０をオフに維持する。

以上に説明したように、このスイッチング回路１０では、通常時（図３）、リカバリ電流が流れる場合（図４）、及び、ノイズが印加される場合（図５）には、スイッチング素子２０を停止させず、負荷短絡の場合（図６）にスイッチング素子２０を停止させる。リカバリ電流が流れる場合、及び、ノイズが印加される場合には、スイッチング素子２０に継続的に過電流が流れることが無いので、スイッチング素子２０の動作を継続しても問題はない。また、負荷短絡の場合には、スイッチング素子２０を停止させることで、スイッチング素子２０に継続的に過電流が流れることを防止することができる。このように、実施形態のスイッチング回路１０によれば、リカバリ電流が流れる場合やノイズが印加される場合に誤ってスイッチング素子２０を停止させることを防止しながら、負荷短絡時にスイッチング素子２０を停止させることができる。また、スイッチング回路１０は、待機時間を用いることなく、短時間で負荷短絡を検出してスイッチング素子２０を停止させることができる。このため、過電流の発生からスイッチング素子２０を停止させるまでの時間を短くすることでき、その時間内にスイッチング素子２０に加わるストレスを低減することができる。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０：スイッチング回路
１２：走行用モータ
１４：高電位配線
１６：低電位配線
１８：インバータ回路
２０：スイッチング素子
２０ａ：メインスイッチング素子
２０ｂ：センススイッチング素子
２２：還流ダイオード
２４：出力配線
３０：制御回路
３２：ゲート駆動回路
３４：ＡＮＤ回路
３６：差分値ピーク判定回路
３８：差分値ピーク検出回路
４０：コンデンサ
４２：抵抗
４４：センス抵抗
４６：コンパレータ
４８：参照電源

Claims

スイッチング回路であって、
メインスイッチング素子と、
前記メインスイッチング素子に流れるメイン電流に対応するセンス電流が流れるセンススイッチング素子と、
前記センススイッチング素子に接続されており、前記センス電流に比例するセンス電圧を生成するセンス抵抗と、
前記センス電圧の入力を受けるローパスフィルタと、
前記メインスイッチング素子のゲートに接続されており、前記センス電圧が第１基準値以上であり、かつ、前記センス電圧と前記ローパスフィルタの出力電圧との差分値が第２基準値以上かつ第３基準値未満の場合に、前記メインスイッチング素子を停止させるゲート駆動回路、
を有するスイッチング回路。