WO2010074175A1

WO2010074175A1 - 負荷回路の保護装置

Info

Publication number: WO2010074175A1
Application number: PCT/JP2009/071490
Authority: WO
Inventors: 圭祐上田; 晃則丸山; 中村　吉秀
Original assignee: 矢崎総業株式会社
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2010-07-01
Also published as: CN102265475A; JP2010158109A; US20110242716A1; EP2372856A1; US8760832B2; EP2372856A4; CN102265475B

Abstract

　半導体スイッチ、或いは該半導体スイッチの下流側に設けられるスイッチをオンとした場合の突入電流と、負荷に生じる過電流とを区別し、過電流が発生した場合にのみ半導体スイッチを遮断して負荷回路を保護できる負荷回路の保護装置を提供する。電流計１５で検出された検出電流Ｉ１と、予め設定した閾値電流ＩrefをコンパレータＣＭＰ１で比較し、検出電流Ｉ１が閾値電流Ｉrefに達した場合に、半導体スイッチ１１を遮断して負荷回路を保護する。また、バッテリＶＢと半導体スイッチ１１を接続する電線上の電圧Ｖｄを測定し、逆起電力が発生して電圧Ｖｄが低下した場合に、これに伴って閾値電流Ｉrefを低下させる。従って、デッドショート発生時には、いち早く検出電流Ｉ１が閾値電流Ｉrefに達して半導体スイッチ１１を遮断することができ、突入電流が発生した場合には、検出電流Ｉ１が閾値電流に達しないので、誤遮断の発生を防止できる。

Description

負荷回路の保護装置

　本発明は、直流電源と負荷との間に設けられる半導体スイッチを用いて負荷の駆動、停止を制御する負荷回路を、過電流から保護する負荷回路の保護装置に関する。

　例えば、車両に搭載されるパワーウィンド駆動用モータ、或いはランプ等の負荷は、バッテリより供給される直流電圧をＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチをオン、オフ操作することによりその駆動、停止が制御される。

　このような負荷回路において、過電流が発生した場合に負荷回路を保護するために、閾値電流を設定しておき、負荷電流がこの閾値電流を超えた場合に、半導体スイッチを遮断する保護装置が設けられている。また、半導体スイッチをオンとした直後に発生する突入電流が閾値電流に達した場合に、半導体スイッチの誤遮断が発生することがあり得るので、従来より、例えば日本国特開平１１－５１９８３号公報（特許文献１）に開示されているように、半導体スイッチをオンとした直後において、閾値電流を高く設定することにより半導体スイッチの誤遮断を防止することが提案されている。

　上記の特許文献１では、負荷回路にシャント抵抗を設け、該シャント抵抗に生じる電圧と予め設定した閾値電圧（閾値電流に対応する電圧）とを対比し、シャント抵抗に生じる電圧が閾値電圧を上回った場合に過電流であるものと判定して半導体スイッチを遮断する。更に、半導体スイッチをオンとした直後において、コンデンサに蓄積した電圧を閾値電圧に加算することにより、閾値電圧を通常よりも高く設定し、突入電流による半導体スイッチの誤遮断を防止することが示されている。つまり、突入電流が発生してシャント抵抗に生じる電圧が上昇した場合でも、半導体スイッチがオンとされた直後には閾値電圧が高く設定されているので、シャント抵抗に生じる電圧が閾値電圧を超えることを防止でき、半導体スイッチの誤遮断を防止することができる。

　しかしながら、特許文献１に記載された技術では、半導体スイッチをオンとした直後に生じる突入電流による誤遮断を防止することができるものの、半導体スイッチをオンとした直後にデッドショートが発生して過電流が流れた場合に、該半導体スイッチを即時に遮断することができないという問題が発生する。即ち、半導体スイッチをオンとした直後においては、閾値電圧（閾値電流）が通常よりも高く設定されているので、過電流と判定するまでの所要時間が長くなってしまい、この間に電線、半導体スイッチ等の回路部品が過熱するという問題が生じる。

　また、半導体スイッチの下流側には、複数の負荷が設けられることがあり、更に、各負荷に個別のスイッチが設けられる場合がある。このような場合には、半導体スイッチがオンとされ、その後時間が経過して電流が安定した場合であっても、半導体スイッチの下流側に設けられるスイッチがオンとされた場合には、再度突入電流が流れることになり、この突入電流が閾値電流を上回った場合には、半導体スイッチが誤遮断するという問題が発生する。

日本国特開平１１－５１９８３号公報

　上述したように、特許文献１に開示された従来例は、半導体スイッチをオンとした直後において、閾値電流を高く設定することにより突入電流による半導体スイッチの誤遮断を防止するようにしているので、半導体スイッチをオンとした直後にデッドショート等に起因する過電流が発生した場合には、過電流と判定するまでに長時間を要してしまうという問題が生じる。

　更に、半導体スイッチの下流側に複数の負荷が設けられ、更に、これらの負荷を駆動するためのスイッチが設けられる場合には、このスイッチがオンとされることにより半導体スイッチに突入電流が流れ、この突入電流により半導体スイッチが誤遮断するという問題が発生する。

　本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、半導体スイッチ、或いは該半導体スイッチの下流側に設けられた複数の負荷を駆動するためのスイッチをオンとした場合の突入電流と、負荷に生じる過電流とを区別し、過電流が発生した場合にのみ即時に半導体スイッチを遮断して負荷回路を保護することが可能な負荷回路の保護装置を提供することにある。

　上記目的を達成するため、本発明は、直流電源、半導体スイッチ及び負荷を備えた負荷回路を保護する負荷回路の保護装置において、前記半導体スイッチに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記直流電源と前記半導体スイッチとを接続する電線に生じる電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段で検出される電圧に応じて、過電流が負荷回路に流れたかを判断するための閾値電流を調整する閾値電流調整手段と、前記電流検出手段によって検出される検出電流が前記閾値電流に達したか否かを判定し、前記検出電流が前記閾値電流に達したと判定した場合に、遮断信号を出力する遮断制御手段と、外部入力信号に基づいて前記半導体スイッチのオン、オフを切り換え、前記遮断信号が供給された際に、前記半導体スイッチを遮断する駆動制御手段と、を備えたことを特徴とする。

　好適には、前記閾値電流調整手段は、前記電圧検出手段で検出される電圧が低下した場合に、前記電圧検出手段で検出される電圧の低下に応じて前記閾値電流を低下させることを特徴とする。

　好適には、前記閾値電流調整手段は、前記電圧検出手段で検出される電圧の上限電圧及び下限電圧を設定し、前記下限電圧と上限電圧との間の電圧領域では前記閾値電流を一次関数的に変化させると共に、前記下限電圧以下、及び上限電圧以上の電圧領域では前記閾値電流を一定値に保持することを特徴とする。

　本発明に係る負荷回路の保護装置では、電流検出手段により半導体スイッチに流れる電流を検出し、この検出電流が予め設定した閾値電流に達した場合に、半導体スイッチを遮断して負荷回路を過熱から保護する。また、直流電源と半導体スイッチを接続する電線上の電圧を検出し、この電圧に応じて閾値電流を調整する。例えば、検出した電圧が低下した場合に閾値電流を低下させる。従って、負荷回路にデッドショートが発生した場合に、検出電流が急激に上昇すると共に、直流電源と半導体スイッチとを接続する電線に逆起電力が発生することにより閾値電流が低下するので、より早い時点で検出電流が閾値電流に達して半導体スイッチを遮断することができる。

　また、半導体スイッチがオンとされたり、該半導体スイッチの下流側に設けられるスイッチがオンとされて突入電流が発生した場合には、閾値電流が低下するものの、この低下量は少ないので、検出電流が閾値電流に達することはない。従って、不定期でオン、オフが操作されるスイッチ操作に起因する突入電流による半導体スイッチの誤遮断を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る保護装置が適用された負荷回路の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置に用いられる閾値電流調整部の構成を示す回路図である。本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置に用いられる閾値電流調整部で設定される電圧と閾値電流との関係を示す特性図である。本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置の、検出電流及び閾値電流を示す特性図である。本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置の、検出電流及び閾値電流を示す特性図である。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る負荷回路の保護装置が適用された負荷回路の構成を示す回路図である。同図に示すように、この負荷回路１は、例えば車両に搭載されるランプ、モータ等の負荷１２ａ～１２ｃの駆動を制御するための回路であり、車両に搭載されるバッテリ（直流電源）ＶＢと各負荷１２ａ～１２ｃとの間にＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチ１１が設けられ、該半導体スイッチ１１のオン、オフを制御することにより、各負荷１２ａ～１２ｃの駆動、停止が制御される。更に、負荷１２ａ，１２ｂの上流側には、スイッチ１３ａ，１３ｂが設けられており、負荷１２ａ，１２ｂの駆動、停止を個別に操作することができる。

　バッテリＶＢと半導体スイッチ１１を接続する電線上には、該電線上の点の電圧を検出するための電圧計１４（電圧検出部）が設けられている。また、半導体スイッチ１１と各負荷１２ａ～１２ｃを接続する電線上には半導体スイッチ１１に流れる電流を検出するための電流計１５（電流検出部）が設けられている。そして、電圧計１４で検出される電圧信号、及び電流計１５で検出される電流信号は、制御回路１７に出力される。

　制御回路１７は、電圧計１４より出力される電圧信号に基づいて過電流であるか否かを判定するための閾値電流（これをＩrefとする）を決定する閾値電流調整部２１と、該閾値電流調整部２１で決定した閾値電流Ｉrefと電流計１５で検出される検出電流（これをＩ１とする）とを比較するコンパレータＣＭＰ１（遮断制御部）と、該コンパレータＣＭＰ１の出力信号、及び半導体スイッチ１１のオン、オフを切り換える外部信号が入力される論理回路ＡＮＤ１を備えている。

　電流計１５は、電流センサやシャント抵抗を用いて半導体スイッチ１１に流れる電流を検出する。また、電流センス機能を備える半導体スイッチを用いる場合には、半導体スイッチから電流信号を直接取り出しても良い。

　論理回路ＡＮＤ１の出力信号は、半導体スイッチ１１のオン、オフの切り換え制御を行う駆動回路（駆動制御部）１６に出力される。

　コンパレータＣＭＰ１は、プラス側入力端子に閾値電流Ｉrefが供給され、マイナス側入力端子に検出電流Ｉ１が供給される。そして、検出電流Ｉ１が閾値電流Ｉrefを上回った場合に、コンパレータＣＭＰ１の出力信号はＨレベルからＬレベルに切り替わる。

　閾値電流調整部２１は、電圧計１４で検出される電圧（これをＶｄとする）に基づいて、閾値電流Ｉrefを調整する。図２は、閾値電流調整部２１の構成を示す回路図である。図２に示すように、閾値電流調整部２１は、抵抗Ｒ１、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ２、Ｒ３の直列接続回路を備え、抵抗Ｒ１の一端である点ｐ１には電圧Ｖｄが供給され、抵抗Ｒ３の一端はグランドに接続されている。また、ダイオードＤ１と抵抗Ｒ２の接続点である点ｐ４はダイオードＤ２を介して下限電圧Ｖminが出力される点ｐ２に接続され、更に、点ｐ４はツェナーダイオードＺＤ１を介してグランドに接続されている。また、抵抗Ｒ２とＲ３の接続点が閾値電流信号の出力点ｐ３とされている。

　このような構成により、図２に示す点ｐ１に電圧Ｖｄが供給され、点ｐ２には電圧の下限値を決める下限電圧Ｖmin（例えば、５［Ｖ］）が供給されると、点ｐ３に生じる電圧が閾値電流信号として生成され、この閾値電流信号が図１に示すコンパレータＣＭＰ１に出力される。以下、図３に示す特性図を参照して詳細に説明する。

　いま、電圧Ｖｄが下限電圧Ｖmin以下である場合には、点ｐ４の電圧は下限電圧Ｖminに支配されるので、点ｐ４の電圧は一定値Ｖminとなる。その結果、点ｐ３の電圧は例えば４［Ｖ］の一定値となる。そして、電圧４［Ｖ］は閾値電流３０［Ａ］に対応付けられており、最小の閾値電流は３０［Ａ］となる（図３のｇ１の領域）。

　また、電圧Ｖｄが下限電圧Ｖminよりも大きくなると、点ｐ４の電圧は下限電圧Ｖminよりも大きくなるので、点ｐ３に生じる電圧は上昇する。即ち、電圧Ｖｄの上昇に伴って点ｐ３に生じる電圧は一次関数的に増加する（図３のｇ２の領域）。そして、電圧ＶｄがツェナーダイオードＺＤ１の設定電圧である上限電圧Ｖmax（例えば２０［Ｖ］）に達すると、点ｐ４の電圧は上限電圧Ｖmaxで一定値となる。その結果、点ｐ３の電圧は例えば１６［Ｖ］の一定値となる。そして、電圧１６［Ｖ］は閾値電流９０［Ａ］に対応付けられており、最大の閾値電流は９０［Ａ］となる（図３のｇ３の領域）。

　上記のことから、閾値電流調整部２１では、電圧計１４で検出される電圧Ｖｄに基づいて、３０～９０［Ａ］の範囲で閾値電流を変動させることができる。ここで、電圧Ｖｄが下限電圧Ｖmin以下となった場合に閾値電流Ｉrefを一定値とすることにより、通常時の電圧変動やノイズによる半導体スイッチ１１の誤遮断を防止できる。また、上限電圧Ｖmaxを半導体スイッチ１１の耐性以下の電圧に設定することにより、デッドショート発生時に半導体スイッチ１１を保護することができる。

　なお、上記では閾値電流調整部２１が図２に示す回路構成を備える例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、マイクロコンピュータやＩＣ（Integrated Circuit）を用いてソフトウェア的に閾値電流調整部２１を構成することも可能である。

　次に、図４に示す特性図を参照して、本実施形態に係る負荷回路の保護装置の動作について説明する。図４において、曲線Ｓ１は半導体スイッチ１１に流れる電流、即ち、電流計１５で検出される電流Ｉ１の変化を示す特性図であり、曲線Ｓ２は電圧計１４で検出される電圧Ｖｄの変化を示す特性図であり、曲線Ｓ３は閾値電流調整部２１で設定される閾値電流Ｉrefの変化を示す特性図である。また、曲線Ｓ４は、従来技術を採用した場合の閾値電流の変化を示す特性図である。

　いま、図１に示すスイッチ１３ａ，１３ｂが共にオフとされている状態で、制御回路１７にオン信号が入力されると、コンパレータＣＭＰ１の出力はＨレベルであるから論理回路ＡＮＤ１の出力がＨレベルとなる。このＨレベル信号を受けて、駆動回路１６は半導体スイッチ１１をオンとする。そして、図４に示す時刻ｔ０において半導体スイッチ１１がオンとされると、負荷１２ｃに電流が流れる。この際、突入電流が発生し、図４の符号ｑ１に示すように検出電流Ｉ１（曲線Ｓ１）が急激に上昇する。この電流上昇に伴って、半導体スイッチ１１とバッテリＶＢとの間の電線には、該電線に存在するインダクタンス成分により逆起電力が発生することになり、電圧Ｖｄ（曲線Ｓ２）が減少する。これに伴って、閾値電流Ｉref（曲線Ｓ３）は低下する。この場合において、閾値電流Ｉrefの低下量はそれほど大きくならず、検出電流Ｉ１は閾値電流Ｉrefを上回ることはなく、コンパレータＣＭＰ１の出力信号はＨレベルを維持する。即ち、半導体スイッチ１１のオン状態が維持される。その後、曲線Ｓ１に示す検出電流Ｉ１は通常電流まで低下し、これに伴って電圧Ｖｄも通常電圧まで上昇するので、閾値電流Ｉrefは通常の数値に戻る。

　その後、時刻ｔ１にて負荷回路１にデッドショート（バッテリＶＢとグランドが直接短絡するような事故）が発生した場合には、検出電流Ｉ１（曲線Ｓ１）は急激に上昇し、更に、この電流増加に伴って過大な逆起電力が発生するので、電圧Ｖｄ（曲線Ｓ２）は急激に低下し、閾値電流Ｉref（曲線Ｓ３）も同様に急激に低下する。その結果、時刻ｔ３にて検出電流Ｉ１が閾値電流Ｉrefを上回ることになり、図１に示すコンパレータＣＭＰ１のマイナス側入力端子に供給される信号がプラス側入力端子に供給される信号を上回るので、コンパレータＣＭＰ１の出力信号がＬレベルに変化する。

　その結果、論理回路ＡＮＤ１の出力信号がＬレベルに切り替わり、駆動回路１６は半導体スイッチ１１を遮断する。従って、負荷回路１にデッドショートが発生した場合には、時刻ｔ３の時点で半導体スイッチ１１を遮断することができ、負荷回路１を構成する半導体スイッチ１１、及び電線等の各種構成要素を過熱から保護することができる。

　また、従来例で示した曲線Ｓ４に示す閾値電流と対比すると、従来例の場合では、時刻ｔ４で検出電流Ｉ１が曲線Ｓ４に示す閾値電流を上回る。しかし、本実施形態に係る負荷回路の保護装置を採用することにより、デッドショート発生時にはより早い時点で半導体スイッチ１１を遮断することができることが理解される。

　次に、図５に示す特性図を参照して、半導体スイッチ１１がオンとされ、突入電流が収まって通常電流となった後に、スイッチ１３ａまたは１３ｂがオンとされた場合の動作を説明する。図５において、曲線Ｓ１１は半導体スイッチ１１に流れる電流、即ち、電流計１５で検出される電流Ｉ１の変化を示す特性図であり、曲線Ｓ１２は電圧計１４で検出される電圧Ｖｄの変化を示す特性図であり、曲線Ｓ１３は閾値電流調整部２１で設定される閾値電流Ｉrefの変化を示す特性図である。また、曲線Ｓ１４は、従来技術を採用した場合の閾値電流の変化を示す特性図である。

　図５に示すように、時刻ｔ１０で半導体スイッチ１１がオンとされ、電流が通常電流まで低下した後、時刻ｔ１１でスイッチ１３ａがオンとされると、符号ｑ１１に示すように、再度突入電流が発生し、検出電流Ｉ１（曲線Ｓ１１）が上昇する。しかし、前述した半導体スイッチ１１をオンとした場合と同様に、閾値電流Ｉref（曲線Ｓ１３）が低下するものの、検出電流Ｉ１が閾値電流Ｉrefを上回ることはなく、半導体スイッチ１１のオン状態が維持される。即ち、半導体スイッチ１１がオンとされているときに、該半導体スイッチ１１の下流側に設けられているスイッチ１３ａがオンとされた場合に、半導体スイッチ１１が誤遮断することを防止できる。

　これに対して、従来例で示した曲線Ｓ１４に示す閾値電流と対比すると、従来例の場合では、曲線Ｓ１４に示すように閾値電流は半導体スイッチ１１がオンとされた時刻ｔ１０から徐々に下降しており、符号ｑ１１に示す時点で検出電流Ｉ１を下回ることになる。従って、半導体スイッチ１１の下流側に設けられているスイッチ１３ａがオンとされた場合に、突入電流により半導体スイッチ１１が誤遮断してしまうことになる。即ち、本実施形態に係る保護装置を採用することにより、半導体スイッチ１１の下流側に設けられているスイッチを操作することによる半導体スイッチ１１の誤遮断を確実に防止できる。

　このようにして、本実施形態に係る負荷回路の保護装置では、バッテリＶＢと半導体スイッチ１１との間の電線上の任意の点に生じる電圧Ｖｄを検出し、この電圧Ｖｄに応じて閾値電流Ｉrefを調整し、検出電流Ｉ１が閾値電流Ｉrefを上回った場合に、半導体スイッチ１１を遮断する。そして、デッドショートが発生した場合には過大な逆起電力が発生するので、電圧Ｖｄが大きく低下し、これに伴って閾値電流Ｉrefが大きく低下するので、より早い時点で半導体スイッチ１１を遮断することができる。

　また、半導体スイッチ１１をオンとした直後には、突入電流により逆起電力が発生するものの、閾値電流Ｉrefの低下量はそれほど大きくなく、検出電流Ｉ１が閾値電流Ｉrefを上回ることはない。このため、突入電流による半導体スイッチ１１の誤遮断を防止できる。更に、半導体スイッチ１１をオンとした直後にデッドショートが発生した場合には、即時に半導体スイッチ１１を遮断することができる。

　また、半導体スイッチ１１をオンとし、電流が安定した後に下流側のスイッチ１３ａ，１３ｂがオンとされた場合であっても、この際に生じる突入電流は閾値電流Ｉrefを上回ることはなく、半導体スイッチ１１が誤遮断することを回避することができる。

　以上、本発明の負荷回路の保護装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

　例えば、上記した実施形態では、車両に搭載される負荷回路を保護するための保護装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。また、上記した実施形態では、半導体スイッチ１１の下流側に３個の負荷１２ａ～１２ｃが設けられる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、負荷の個数が１個、２個、４個以上の場合でも良い。

　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明してきたが、本発明の精神、範囲または意図の範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本発明は、２００８年１２月２６日出願の日本特許出願（特願２００８－３３４８０７）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

　負荷回路にデッドショートが発生した場合に、即時に半導体スイッチを遮断して回路を過熱から保護する上で極めて有用である。

　１　負荷回路
　１１　半導体スイッチ
　１２ａ～１２ｃ　負荷
　１３ａ，１３ｂ　スイッチ
　１４　電圧計
　１５　電流計
　１６　駆動回路
　１７　制御回路
　２１　閾値電流調整部
　ＡＮＤ１　論理回路
　ＣＭＰ１　コンパレータ

Claims

　直流電源、半導体スイッチ及び負荷を備えた負荷回路を保護する負荷回路の保護装置において、
　前記半導体スイッチに流れる電流を検出する電流検出手段と、
　前記直流電源と前記半導体スイッチとを接続する電線に生じる電圧を検出する電圧検出手段と、
　前記電圧検出手段で検出される電圧に応じて、過電流が負荷回路に流れたかを判断するための閾値電流を調整する閾値電流調整手段と、
　前記電流検出手段によって検出される検出電流が前記閾値電流に達したか否かを判定し、前記検出電流が前記閾値電流に達したと判定した場合に、遮断信号を出力する遮断制御手段と、
　外部入力信号に基づいて前記半導体スイッチのオン、オフを切り換え、前記遮断信号が供給された際に、前記半導体スイッチを遮断する駆動制御手段と、
　を備えたことを特徴とする負荷回路の保護装置。
　前記閾値電流調整手段は、前記電圧検出手段で検出される電圧が低下した場合に、前記電圧検出手段で検出される電圧の低下に応じて前記閾値電流を低下させることを特徴とする請求項１に記載の負荷回路の保護装置。
　前記閾値電流調整手段は、前記電圧検出手段で検出される電圧の上限電圧及び下限電圧を設定し、前記下限電圧と上限電圧との間の電圧領域では前記閾値電流を一次関数的に変化させると共に、前記下限電圧以下、及び上限電圧以上の電圧領域では前記閾値電流を一定値に保持することを特徴とする請求項２に記載の負荷回路の保護装置。