JPH1127854A - 電源回路 - Google Patents
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Abstract
よび温度検知の機能を低コストで実現する。 【解決手段】 正の入力端子と接地端子を有する電源回
路が、正の入力端子に接続された駆動回路、ボディダイ
オードとソースとドレインとゲートを有するパワー半導
体素子、上記ソースに接続された電流検知端子、及び上
記ゲートに接続された温度端子を備える。ソースは駆動
回路に、ドレインは接地端子に、ゲートは正の入力端子
にそれぞれ接続され、正の入力端子に逆電圧が印加され
ると、パワー半導体素子は電流を遮断し、駆動回路に電
力が印加されないようになっている。電流検知端子から
接地端子までの電圧によって電源回路の電流を測定す
る。温度端子が接地され駆動回路がオフされた時に、電
流検知端子から接地端子までの電圧によってボディダイ
オードの電圧降下を測定し、ボディダイオードの温度を
得る。
Description
検知および温度検知の回路に関し、更に詳しくは、これ
ら3つの機能を有し、それらのデジタル出力を生成する
新規な電源回路に関する。
願された、電池保護、電流検知および温度監視回路(BAT
TERY PROTECTION, CURRENT SENSE, AND TEMPERATURE MO
NITORCIRCUIT)という名称で代理人事件記録番号(Attorn
ey Docket No.)EAR1434号(PROV)(2−1
438)の米国仮特許出願第60/036,019号、並びに、1
997年9月16日に出願された、逆電池保護、電流検
知および温度検知回路(REVERSE BATTERY PROTECTION, C
URRENT SENSE, AND TEMPERATURE SENSE CIRCUIT)という
名称の米国仮特許出願第60/059,025号に関連するもので
ある。
れる従来の電源回路は、電子機械式リレーとダイオード
との組み合わせを利用して、その電源回路を電池の逆接
続による破損から保護していた。従来の電源回路におけ
る電流検知は、一般的には、分路抵抗(shunt resistor)
を用いて行われていた。
路10を図1に示す。この電源回路10は、電池(図示
せず)への接続のための正のDCバス(B+)と接地端
子とを有している。6個のパワートランジスタQ1〜Q
6が、例えば3相誘導電動機を駆動するためのフルブリ
ッジ回路を形成する。当該技術分野において知られてい
るように、ゲート駆動制御回路11、12および13が
パワートランジスタQ1〜Q6を交互にオンおよびオフ
して、端子A、BおよびCにパルス電力(pulsed power)
を発生させる。
パワートランジスタを破損から保護するためにリレー回
路Mが使用される。電池が逆になっていると、ダイオー
ドD1が逆バイアスされて、電流がリレーコイルを流れ
るのが阻止される。このとき、リレー接点が開いて、電
池を電源回路10から切り離す。電池が正しく接続され
ているときは、ダイオードD1およびリレーコイルを順
方向電流が流れ、これにより、リレー接点が閉じ、この
電源回路は電池によりグランドを基準としてB+に電圧
を加えられる。
は、当該技術分野においてよく知られているように、分
路抵抗R1の両端間の電圧を検出することにより行われ
る。従来の電源回路における温度検知は、温度検知素
子、例えば熱電対やサーミスタ等を更に設けなければ不
可能である。
により得られる情報は、自動車の全体の動作の制御にお
いてマイクロプロセッサ等により使用するためにデジタ
ル情報の形式でマイクロプロセッサ等に入力されるた
め、図1の従来の電源回路10は不利である。
において電池の逆接続からの保護(逆電池保護)、電流
検知および温度検知を行う安価な手段であって、最小数
の回路部品を使用し、電流と温度の情報をマイクロプロ
セッサ等に渡すためにデジタルのインタフェースを提供
する安価な手段に対する要求が当該技術分野に存在す
る。
電流検知回路および温度検知回路を使用する従来技術に
よる電源回路についての上記の不利な点を克服するため
に、本発明は、逆電池保護、電流検知、温度検知の機能
を提供するための電力段(power stage)の順方向電流経
路において、パワー半導体素子、好ましくはMOSFE
TやIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)
のようなMOSゲート型素子を使用する。このパワー半
導体素子のゲートは、上記回路の正のバス端子に接続さ
れ、温度が検知されるべきときに、グランドに接続され
る。
を流れる電流と温度検知素子によって生成される温度信
号のうち少なくとも一つを表すアナログ信号をマイクロ
プロセッサに渡すためにデジタル情報に変換する情報変
換デバイスが使用される。
面を参照する、本発明についての以下の説明より明らか
になるであろう。
ている図面を参照すると、図2には、本発明に係る第1
の実施形態による構成を有する電源回路100が示され
ている。図2の電源回路100は、図1の電源回路に類
似した電力段を有しているが、電流検知および温度検知
の機能を提供することも可能な独特の逆電池保護回路を
使用している。
順方向電流経路に対して直列に接続されたNチャネル垂
直導通パワーMOSFET(N-channel vertical conduc
tionpower MOSFET)Q7を有している。適切な向きのボ
ディダイオードを有する任意のパワー半導体素子を使用
することができ、例えば、ボディダイオードが逆向きで
あればPチャネル垂直導通パワーMOSFETを使用す
ることができる。具体的には、Q7のソースが、I S
ENSEという符号が付された端子を有するフルブリッ
ジの共通ソースノードに接続されている。Q7のドレイ
ンは接地されている。したがって、MOSFET Q7
の固有ボディダイオードは、その陰極も接地されその陽
極がI SENSE端子に接続されるように方向が設定
されている。
付されている)は、バイアス抵抗R2を介して電源回路
100のB+バスに接続されている。電池(図示せず)
がB+端子に正しく接続されているとき、Q7のゲート
はソースより高い電圧にバイアスされ、Q7がオンす
る。自動車の用途では、ゲートは約12ボルトの電圧に
バイアスされている。したがって、Q7は、この電源回
路の電力段からグランドへと電流を通し、端子A、Bお
よびCに対しこの電源回路が完全なものとなる。しか
し、電池が逆向きに接続されていると、Q7のゲート
は、ソースの電位を越える電位にはならず、その結果、
Q7はオフのままで、電流を通さず、とりわけ、パワー
トランジスタQ1〜Q7と制御回路11、12および1
3を保護する。好都合なことに、従来技術による逆電圧
保護回路におけるダイオードとリレーの組み合わせ(D
1,M)は、本発明の回路では不要である。
のソースからドレインへの順方向電圧降下(すなわち、
I SENSEからグランドまでの電圧)を検知するこ
とにより、Q7を流れる電流を検出することができる。
Q7を流れる電流は、電力段を流れる総電流と同一であ
るため、I SENSE端子で検知された電圧は、電源
回路100の電流の正確な測定となっている。好都合な
ことに、従来技術による電流検知回路における分路抵抗
(R1)の付加は、本発明の回路では、必要ではない。
素子Q1〜Q6は熱的に共通のヒート・シンクに結合さ
れている。素子Q7を同一のヒート・シンクに結合する
ことができる。Q7のゲート(I/TEMP端子)が接
地されているとき、ボディダイオードD2の特性がQ7
の温度を検知するために使用され、これは、また、電源
回路100の動作温度の正確な測定を提供する。I/T
EMP端子は、ブリッジ回路がオフされるのと同期して
グランドに接続される。通常、ボディダイオードの順方
向電圧降下は、温度が1℃上昇する毎に約2mVだけ小
さくなる(順方向電流が一定の状態において)。したが
って、電源回路100の温度を得るために、I/TEM
P端子が接地されたときにI SENSE端子の電圧が
測定される。
用して、逆電池保護、電流検知および温度検知が最小数
の部品を使用した電源回路で行われる。したがって、本
発明は、最小のコストで従来技術による電源回路の機能
を改善する。
形態を説明する。図3の回路は、正のDCバスB+から
グランドへと接続されるフルブリッジのトランジスタ回
路網を示している。このフルブリッジは、4個のトラン
ジスタQ1〜Q4、例えば4個のMOSFETパワート
ランジスタを含んでおり、図示されているように、トラ
ンジスタQ1およびQ4はオフで、ダイオードD2およ
びD3は、電流がグランドからインダクタLを介してバ
スB+へと戻る方向に流れるようにするためのフリーホ
イール動作をしている(フリーホイールダイオードとし
て動作している)。したがって、ダイオードD2および
D3は、逆並列ダイオード(antiparalell diodes)、例
えばMOSFETトランジスタQ2とQ3(図示せず)
の両端間に接続されたショットキーダイオードを表して
いる。
列に接続された電流検知抵抗R1(分路抵抗)を有して
いて、インダクタLが出力電流をブリッジから受け取
り、インダクタLに供給される電流に対応する出力電圧
を抵抗R1が提供するようになっている。このような構
成は、例えば自動車の用途で、シングルエンド電源装置
からのスイッチリラクタンスモータ(switch reluctance
motor)の駆動に特に適している。
ように8ピンのデュアルインラインパッケージの集積回
路IC1を含んでいるが、本発明には特定形態のパッケ
ージが重要なわけではない。IC1は、抵抗R1の両端
間に生じる電圧より、インダクタLに供給される電流に
対応するアナログ情報を受け取る。抵抗R1の両端間に
現れるアナログ電圧は、ピン7および6を経てIC1に
入力される。IC1は、ピン7および6におけるアナロ
グ電圧入力をデジタルビットストリーム、好ましくはシ
リアルのデジタルビットストリームに変換し、ピン1
(端子SDA)にデジタルデータを出力する。IC1
は、ピン2(端子SCL)においてクロック信号を受け
取る。SDAとSCLのインタフェースは、自動車産業
に特に適合し、I2C規格(I2C standard)による信号を
提供するのに適している。ピン7と6の間に提供される
アナログ電圧が予め決められた限界を越えると、所望に
応じてIC1がピン3(端子O.S.)に信号を提供する
ようにしてもよい。
タや熱電対などを含む温度センサ202を有し、その温
度センサはピン5を介してIC1に接続されている。温
度センサ202は、好ましくは、パワー素子Q1〜Q4
に熱的に結合されて、温度センサがそれらパワー素子の
温度の正確な表現であるアナログ信号を提供するように
なっている。IC1は、温度センサ202から提供され
るアナログ信号を、SDA端子への出力用のデジタル信
号に変換する。したがって、デジタルインタフェース
(すなわちSDAおよびSCL端子)に接続されたマイ
クロプロセッサは、電源回路200の電流および温度の
特性を受け取ることができる。
本発明の第3の実施形態を説明する。電源回路204
は、図3の電源回路と実質的に同じであるが、インダク
タLに直列に接続される電流検知抵抗R1を有していな
い。その代わりに、電源回路204は、高圧側トランジ
スタQ1のオン抵抗を利用してインダクタLに与えられ
る電流を測定する。実際、インダクタLに与えられる電
流が増加するにしたがって、トランジスタQ1の両端間
の電圧も増加する。したがって、IC1のピン7および
6は、トランジスタQ1の両端に接続され、これによ
り、トランジスタQ1の両端間の電圧がIC1に入力さ
れて、インダクタLに与えられる電流を表すアナログ信
号として利用されるようにしている。
ンジスタQ1が制御回路(図示せず)によってオンにバ
イアスされたときにのみインダクタLを流れる電流を表
す。トランジスタQ1がオフにバイアスされ、トランジ
スタQ2およびQ3のダイオードD2およびD3がそれ
ぞれフリーホイール動作をしているとき、トランジスタ
Q1の両端間の電圧は、実質的にインダクタLの両端間
の電圧を表している。したがって、所望に応じて、IC
1は、インダクタLの両端間の電圧を示すデジタル信号
をSDA端子に提供することができる。
第4の実施形態を示す図5を参照する。トランジスタQ
2のオン抵抗が電流検知抵抗として利用され、したがっ
てIC1のピン7および6がトランジスタQ2の両端に
接続されているという点を除き、電源回路206は電源
回路204と実質的に同じである。ダイオードD1およ
びD4は、トランジスタQ1およびQ4の両端間にそれ
ぞれ接続された逆並列ダイオードを表しており、ダイオ
ードD1およびD4はフリーホイール動作していて、グ
ランドからダイオードD4、インダクタL、ダイオード
D1を経てB+バスへと電流が流れるようになってい
る。図4に示した電源回路204の場合のように、IC
1は、トランジスタQ2がオンで電流を通しているとき
にインダクタLを流れる電流を表すピン7と6の間の電
圧を受け取る。
第5の実施形態の概略図を示す図6を参照する。電源回
路208は、インダクタLに接続されたトランジスタQ
1およびQ4を有している。インダクタLは多相スイッ
チリラクタンスモータ(a multi-phase switch reluctan
ce motor)を表し、トランジスタQ2およびQ3のよう
な更なるスイッチングパワー素子は、説明の明確化のた
めに省略されている。電源回路208は、グランドに向
かってパワー素子Q1およびQ4に直列に接続されてい
るMOSFET Q7を有し、これにより、それらのパ
ワー素子およびインダクタLを流れるどの電流もトラン
ジスタQ7を流れるようになっている。したがって、図
2の電源回路100の場合のように、逆電池保護を提供
するためだけでなく電流および温度の双方を検知するた
めに、トランジスタQ7を利用することができる。
びR5を介してトランジスタQ7の両端に接続されてお
り、これらの抵抗はケルビン検知(Kelvin sensing)を
可能とする。したがって、トランジスタQ7がオンにバ
イアスされているとき、IC1のピン7と6の間の電圧
は、インダクタLを流れる電流を表す電圧である。トラ
ンジスタQ7がオフされているとき、トランジスタQ7
の逆並列ダイオードを電流が流れ、これにより、電源回
路208のパワー素子の温度を表す電圧がIC1のピン
7と6の間に生じる。したがって、IC1は、電流およ
び温度の双方を示すデジタル信号を端子SDAに生成す
る。さらに、IC1は、過電流または過温度の条件の少
なくとも一つを示す信号をO.S.端子に提供するように
なっている。
のI2C規格に適したデジタルインタフェースを提供
し、これにより、例えば自動車の用途におけるマイクロ
プロセッサまたは他のプロセッシングデバイスは、自動
車における電源回路の所定の特性、すなわち電源回路に
対する電流値および温度値を受け取ることができるよう
になる。したがって、マイクロプロセッサは、電源回路
における電流および/または温度が予め決められた限界
を越えるときに、救済動作を行うことができる。
形態を説明する。すなわち、この実施形態では、MOS
FET Q7がIGBTで置き換えられていて、図2の
回路における逆電池保護と電流検知の双方の機能を提供
する。IGBTは内部にボディダイオードを有していな
いため、図7の回路は、温度検知の機能を提供しない。
けて説明されたが、当業者にとっては他の多くの変形や
修正および他の用途が明らかであろう。したがって、本
発明は、ここでの特定の開示内容によって限定されるも
のではない。
好ましい形態が図面に示されている。しかし、本発明
は、図示されたそのままの構成および手段に限定される
ものではない。
従来技術による電源回路の概略図。
電流検知および温度検知の回路を使用した電源回路の概
略図。
を使用した電源回路の概略図。
回路を使用した電源回路の概略図。
流検知回路を使用した電源回路の概略図。
温度検知の回路を使用した電源回路の概略図。
および電流検知の回路を使用した電源回路の概略図。
Claims (22)
- 【請求項1】 正の入力端子と接地端子を有する電源回
路は以下のものを備える:上記正の入力端子に接続され
た駆動回路;ボディダイオードとソースとドレインとゲ
ートを有するパワー半導体素子、上記ソースは上記駆動
回路に接続され、上記ドレインは上記接地端子に接続さ
れ、上記ゲートは上記正の入力端子に接続されており、
上記正の入力端子に逆電圧が印加されると上記パワー半
導体素子は、電流を遮断し、上記駆動回路に電力が印加
されないようになっている;上記ソースに接続された電
流検知端子、上記電流検知端子から上記接地端子までの
電圧は上記電源回路を流れる電流を測定する;および上
記ゲートに接続された温度端子、上記温度端子が上記接
地端子に接続されるとともに上記駆動回路がオフされた
時に、上記電流検知端子から接地端子までの電圧は、上
記ボディダイオードの電圧降下を測定し、その測定値は
ボディダイオードの温度を表している。 - 【請求項2】 上記パワー半導体素子はMOSFETで
ある、請求項1記載の電源回路。 - 【請求項3】 上記駆動回路は共通のソースノードを有
するフルブリッジ回路であり、上記パワー半導体素子の
ソースは、上記共通のソースノードに接続されている、
請求項1記載の電源回路。 - 【請求項4】 上記駆動回路は、複数の制御回路とパワ
ートランジスタを含む、請求項1記載の電源回路。 - 【請求項5】 上記電源回路は、自動車バッテリに接続
されている、請求項1記載の電源回路。 - 【請求項6】 正の入力端子と接地端子を有し、誘導性
負荷に電力を供給する電源回路は以下のものを備える:
上記正の入力端子に接続される駆動回路;上記誘導性負
荷に直列に接続された電流検知抵抗、上記電流検知抵抗
の両端間のアナログ電圧は上記電源回路によって上記誘
導性負荷に供給される電流を測定する;複数の入力ピン
と出力ピンを有する集積回路;上記電流検知抵抗の両端
間のアナログ電圧を受け取るべく上記電流検知抵抗に接
続された、上記集積回路の第1および第2電流検知入力
ピン;および上記第1および第2入力検知ピンによって
受け取られたアナログ電圧のデジタル表現を出力する、
上記集積回路の電流検知出力ピン。 - 【請求項7】 クロック信号を受け取るための上記集積
回路のクロック入力ピンをさらに備える、請求項6記載
の電源回路。 - 【請求項8】 上記集積回路のアラーム出力ピンをさら
に備え、上記アラーム出力ピンは上記第1および第2の
電流検知入力ピンの上記アナログ電圧が所定のリミット
を越えた時に信号を出力する、請求項6記載の電源回
路。 - 【請求項9】 上記電源回路は自動車バッテリに接続さ
れる、請求項6記載の電源回路。 - 【請求項10】 上記駆動回路に接続され、上記駆動回
路の温度を表すアナログ電圧を出力する温度センサ:上
記温度センサに接続されるとともに、上記温度センサに
よって出力されるアナログ電圧を受け取る上記集積回路
の温度入力ピン;および上記温度入力ピンによって受け
取られたアナログ電圧のデジタル表現を出力する上記集
積回路の温度出力ピン,をさらに備える、請求項6記載
の電源回路。 - 【請求項11】 上記電流検知出力ピンは上記温度出力
ピンである、請求項10記載の電力装置。 - 【請求項12】 正の入力端子と接地端子を有し、誘導
性負荷に電力を供給する電源回路は以下のものを備え
る:上記正の入力端子に接続された駆動回路、該駆動回
路は複数のパワートランジスタを含む;上記誘導性負荷
に接続される上記複数のパワートランジスタの少なくと
も1つ、上記少なくとも1つのパワートランジスタを横
断するアナログ電圧は、電源回路によって上記誘導性負
荷に供給される電流を測定する;入力ピンと出力ピンを
有する集積回路;上記少なくとも1つのパワートランジ
スタを横断する上記アナログ電圧を受け取るために上記
少なくとも1つのパワートランジスタに接続された上記
集積回路の第1および第2の電流検知入力ピン;および
上記第1および第2の電流検知入力ピンによって受け取
られた上記アナログ電圧のデジタル表現を出力する、上
記集積回路の電流検知出力ピン。 - 【請求項13】 クロック信号を受け取るための上記集
積回路のクロック入力ピンを更に備える、請求項12に
記載の電源回路。 - 【請求項14】 上記集積回路のアラーム出力ピンを更
に備え、上記アラーム出力ピンは上記第1および第2の
電流検知入力ピンのアナログ電圧が所定のリミットを越
えた時に信号を出力する、請求項12記載の電源回路。 - 【請求項15】 上記駆動回路に接続され、上記駆動回
路の温度を表すアナログ電圧を出力する温度センサ:上
記温度センサに接続され、上記温度センサによって出力
される上記アナログ電圧を受け取る上記集積回路の温度
入力ピン;および上記温度入力ピンによって受け取られ
た上記アナログ電圧のデジタル表現を出力する上記集積
回路の温度出力ピン、 を更に備える、請求項12記載の電源回路。 - 【請求項16】 上記電源回路は自動車バッテリに接続
される、請求項12記載の電源回路。 - 【請求項17】 上記誘導性負荷はスイッチリラクタン
スモータである、請求項16記載の電源回路。 - 【請求項18】 正の入力端子と接地端子を有し、誘導
性負荷に電力を供給する電源回路は以下のものを備え
る:上記正の入力端子に接続された駆動回路;上記誘導
性負荷に直列に接続されたパワー半導体素子、上記電源
回路によって上記誘導性負荷に供給される電流は上記パ
ワー半導体素子を通過し、上記パワー半導体素子は上記
駆動回路に接続されるソースと、上記接地端子に接続さ
れるドレインと、上記正の入力端子に接続されるゲート
を有する;複数の入力ピンと出力ピンを有する集積回
路;上記パワー半導体素子を横断するアナログ電圧を受
け取るために上記パワー半導体素子に接続される上記集
積回路の第1および第2の電流検知入力ピン;および上
記第1および第2の電流検知入力ピンによって受け取ら
れた上記アナログ電圧のデジタル表現を出力する上記集
積回路の電流検知出力ピン。 - 【請求項19】 上記パワー半導体素子はMOSFET
である、請求項18記載の電源回路。 - 【請求項20】 上記パワー半導体素子は更にボディダ
イオードを有し、上記パワー半導体素子がオフされた時
に電流が上記ボディダイオードを通過し、上記集積回路
の第1および第2の電流検知ピン上に上記電源回路の温
度を表すアナログ電圧を生成し、上記集積回路の電流検
知出力ピンは上記電源回路の温度のデジタル表現を出力
する、請求項18記載の電源回路。 - 【請求項21】 正の入力端子と接地端子を有する電源
回路は以下のものを備える:上記正の入力端子に接続さ
れる駆動回路;ソースとドレインとゲートを有するパワ
ー半導体素子、上記ソースは上記駆動回路に接続され、
上記ドレインは上記接地端子に接続され、上記ゲートは
上記正の入力端子に接続されており、上記正の入力端子
に逆電圧が印加されると上記パワー半導体素子は電流を
遮断し、上記駆動回路に電力を供給しない;および上記
ソースに接続された電流検知端子、上記電流検知端子か
ら上記接地端子までの電圧は上記電源回路を流れる電流
を測定する。 - 【請求項22】 上記パワー半導体素子は絶縁ゲート型
バイポーラトランジスタである請求項21記載の電源回
路。
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