WO2016143419A1 - 負荷電流制御装置 - Google Patents

Abstract

　本発明の負荷電流制御装置１０は、電源装置２０から負荷装置３０へ電力を供給する電力供給ラインの電流を検出する電流検出回路１２と、電力供給ラインをＯＮ／ＯＦＦする電界効果トランジスタＱ１と、電力供給ラインの電流に応じて電界効果トランジスタＱ１を制御する制御装置１４と、を備え、制御装置１４は、電力供給ラインの電流が過電流検出閾値を越えた時点で、電界効果トランジスタＱ１をＯＮ状態に維持しつつ、その時点から時間の計測を開始し、電界効果トランジスタＱ１の電気的特性に基づいて予め設定されている電流と時間との関係から、そのときの電力供給ラインの電流に対応する上限時間を時間閾値として設定し、時間閾値に相当する時間が経過した時点で、電界効果トランジスタＱ１をＯＦＦする。

Description

負荷電流制御装置

　本発明は、負荷装置に流れる電流を制御する負荷電流制御装置に関する。

　電源装置から負荷装置へ電力を供給する上で、例えば負荷装置や電力供給ラインで短絡故障等が生ずると、定格を大幅に越える過大な電流が電源装置や負荷装置に流れてしまう虞が生ずる。このような過電流を未然に防止するために、負荷装置に流れる電流を制御する負荷電流制御装置が公知である。

　しかし負荷装置においては、定常的に流れる電流よりも大きい電流が一時的に短時間流れることがある。そのため例えば、負荷装置に定常的に流れる電流を基準に過電流を検出する電流閾値を設定すると、それよりも大きな電流が一時的に短時間流れる度に、過電流の誤検出が発生してしまうことになる。他方、その一時的に短時間流れる大きな電流を基準に過電流を検出する電流閾値を設定すると、短絡故障等が生じた場合に、本来検出されるべき過電流が検出されなかったり、過電流の検出が遅れてしまったりする虞が生ずる。

　このような課題を解決することを目的とした従来技術の一例として、例えば特定の負荷装置の電気特性（ランプ負荷の電気特性）に応じて過電流判定条件を予め設定し、その過電流判定条件を満足すると、電力供給ラインをＯＮ／ＯＦＦする半導体スイッチング素子の制御を変更する過電流検出機能付きスイッチ回路が公知である（例えば特許文献１を参照）。また他の従来技術の一例として、例えば定常的に流れる電流よりも大きい電流が流れるタイミングが予測可能な負荷装置（ランプ負荷）に対し、その定常的に流れる電流よりも大きい電流が流れるタイミングで過電流検出信号をマスクして過電流検出を行わないようにする負荷電流制御装置が公知である（例えば特許文献２を参照）。

特開平１０－４１７９７号公報 特開２００１－１１９８５０号公報

　しかしながら上記の従来技術は、いずれも特定の負荷装置の特性（ランプ負荷の特性）に基づいて過電流判定条件を予め設定し、その過電流判定条件で過電流の検出制御（電流閾値の設定、マスク条件の設定等）を変更するものである。そのため上記の従来技術は、適用可能な負荷装置が特定の負荷装置（ランプ負荷）に限定されてしまうことになり、特定の負荷装置（ランプ負荷）以外の負荷装置に対する負荷電流制御に用いることができず、極めて汎用性が低いという課題がある。

　また上記の従来技術は、いずれも特定の負荷装置の特性（ランプ負荷の特性）だけを考慮したものである。つまり上記の従来技術は、例えば電源装置から負荷装置へ電力を供給する電力供給ラインをＯＮ／ＯＦＦする半導体スイッチの電気的特性、その半導体スイッチが発する熱を放熱するヒートシンク等の放熱装置の放熱特性といったものは何ら一切考慮していない。そのため上記の従来技術は、その半導体スイッチや放熱装置がオーバースペックとなって負荷電流制御装置の無駄なコスト増を招来する虞がある。

　このような状況に鑑み本発明はなされたものであり、その目的は、高い汎用性を有する負荷電流制御装置を低コストで提供することにある。

　＜本発明の第１の態様＞
　本発明の第１の態様は、電源装置から負荷装置へ電力を供給する電力供給ラインの電流を検出する電流検出回路と、前記電力供給ラインをＯＮ／ＯＦＦする半導体スイッチと、前記電力供給ラインの電流に応じて前記半導体スイッチを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記電力供給ラインの電流が過電流検出閾値以下である間は前記半導体スイッチをＯＮ状態に維持し、前記電力供給ラインの電流が前記過電流検出閾値を越えた時点で、前記半導体スイッチをＯＮ状態に維持しつつ、その時点から時間の計測を開始し、前記半導体スイッチの電気的特性に基づいて予め設定されている電流と時間との関係から、そのときの前記電力供給ラインの電流に対応する上限時間を特定し、その上限時間を時間閾値として設定し、前記電力供給ラインの電流が前記過電流検出閾値以下に低下することなく前記時間閾値に相当する時間が経過した時点で、前記半導体スイッチをＯＦＦする、負荷電流制御装置である。

　電力供給ラインの電流が過電流検出閾値を越えた場合、制御装置は、半導体スイッチをＯＮ状態に維持しつつ、その時点から時間の計測を開始する。また制御装置は、電力供給ラインの電流が過電流検出閾値を越えたことを条件として時間閾値を設定する。この時間閾値は、半導体スイッチの電気的特性に基づいて予め設定されている電流と時間との関係から、そのときの電力供給ラインの電流に対応する上限時間として設定される。

　制御装置は、電力供給ラインの電流が過電流検出閾値以下に低下することなく時間閾値に相当する時間が経過した時点で半導体スイッチをＯＦＦする。それによって例えば負荷装置で短絡故障等が生じたことに起因する過電流を検出して、電源装置から負荷装置への電力供給を速やかに停止することができる。他方、制御装置は、時間閾値に相当する時間が経過する前に、電力供給ラインの電流が過電流検出閾値以下に低下した場合には、半導体スイッチをＯＮ状態に維持する。それによって例えば定常的に流れる電流（過電流検出閾値以下の電流）よりも大きい電流（過電流検出閾値を越える電流）が一時的に短時間流れることがあっても、それは過電流として検出されず、半導体スイッチがＯＮ状態に維持されて電源装置から負荷装置への電力供給が継続されることになる。

　そして本発明の第１の態様において時間閾値は、半導体スイッチの電気的特性に基づいて予め設定されている電流と時間との関係から、そのときの電力供給ラインの電流に応じて設定される。それによって個々に固有である負荷装置の電気的特性に依存しない負荷電流制御が可能になる。また半導体スイッチの電気的特性の範囲内で、過電流検出閾値を越える電流の許容範囲を最大限にすることができる。したがって本発明の第１の態様によれば、高い汎用性を有する負荷電流制御が可能になるとともに、半導体スイッチがオーバースペックになる虞を低減することができる。

　これにより本発明の第１の態様によれば、高い汎用性を有する負荷電流制御装置を低コストで提供できるという作用効果が得られる。

　＜本発明の第２の態様＞
　本発明の第２の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記半導体スイッチが発する熱を放熱する放熱装置をさらに備え、前記電流と時間との関係は、前記半導体スイッチの電気的特性及び前記放熱装置の放熱特性に基づいて予め設定されている、負荷電流制御装置である。　
　本発明の第２の態様において時間閾値は、半導体スイッチの電気的特性及び放熱装置の放熱特性に基づいて予め設定されている電流と時間との関係から、そのときの電力供給ラインの電流に応じて設定される。それによって半導体スイッチの電気的特性に加えて、さらに放熱装置の放熱特性も考慮した範囲内で、過電流検出閾値を越える電流の許容範囲を最大限にすることができる。したがって本発明の第２の態様によれば、さらに高い汎用性を有する負荷電流制御が可能になるとともに、半導体スイッチがオーバースペックになる虞をさらに低減することができる。

　＜本発明の第３の態様＞
　本発明の第３の態様は、前述した本発明の第１の態様又は第２の態様において、前記制御装置は、前記時間閾値に相当する時間が経過する前に前記電力供給ラインの電流が変化した場合には、前記時間の計測を継続しつつ、前記電流と時間との関係から変化後の電流に対応する上限時間を特定し、その変化後の電流に対応する上限時間で前記時間閾値を更新する、負荷電流制御装置である。　
　本発明の第３の態様において制御装置は、時間閾値に相当する時間が経過する前に電力供給ラインの電流が変化した場合には、そのまま時間の計測を継続し、予め設定された電流と時間との関係から変化後の電流に対応する上限時間を特定して時間閾値を更新する。それによって時間閾値に相当する時間が経過する前に電力供給ラインの電流が変化した場合でも、その電流の変化に応じて、柔軟に時間閾値を変更して適切な負荷電流制御を行うことができる。

　本発明によれば、高い汎用性を有する負荷電流制御装置を低コストで提供することができる。

本発明に係る負荷電流制御装置の構成を図示したブロック図。 本発明に係る負荷電流制御装置における負荷電流制御のタイミングチャート。 本発明に係る負荷電流制御装置における負荷電流制御のタイミングチャート。 本発明に係る負荷電流制御装置における負荷電流制御のタイミングチャート。

　以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。　
　尚、本発明は、以下説明する実施例に特に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

　本発明に係る負荷電流制御装置１０の構成について、図１を参照しながら説明する。　
　図１は、本発明に係る負荷電流制御装置１０の構成を図示したブロック図である。

　本発明に係る負荷電流制御装置１０は、電界効果トランジスタＱ１、シャント抵抗ＳＲ１、ドライバ１１、電流検出回路１２、放熱装置１３、制御装置１４を備える。

　「半導体スイッチ」としての電界効果トランジスタＱ１は、電源装置２０から負荷装置３０へ電力を供給する電力供給ラインをＯＮ／ＯＦＦする。ドライバ１１は、電界効果トランジスタＱ１のゲート電圧を制御して電界効果トランジスタＱ１をＯＮ／ＯＦＦする駆動回路である。電界効果トランジスタＱ１は、例えばエンハンスメント型パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）であるが、特にこれに限定されるものではなく、例えばパワートランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）、半導体リレー（Solid-State Relay：ＳＳＲ）等の半導体スイッチを用いてもよい。

　シャント抵抗ＳＲ１は、電源装置２０から負荷装置３０へ電力を供給する電力供給ラインに直列に接続されている。電流検出回路１２は、電源装置２０から負荷装置３０へ電力を供給する電力供給ラインの電流を検出する回路である。より具体的には電流検出回路１２は、シャント抵抗ＳＲ１で生ずる電位差を検出し、その電位差に基づいて電力供給ラインに流れる電流を演算する。

　放熱装置１３は、電界効果トランジスタＱ１が発する熱を放熱する装置である。放熱装置１３は、例えば電界効果トランジスタＱ１に取り付けられたヒートシンク、電界効果トランジスタＱ１の周辺の空気を循環させる空冷ファン等である。

　制御装置１４は、例えば公知のマイコン制御装置である。制御装置１４は、電流検出回路１２が検出する電力供給ラインの電流に応じて、ドライバ１１へ制御信号を出力して電界効果トランジスタＱ１のＯＮ／ＯＦＦを制御する。

　図２～図４は、本発明に係る負荷電流制御装置１０における負荷電流制御を図示したタイミングチャートである。

　制御装置１４は、電源装置２０から負荷装置３０へ電力を供給する電力供給ラインに流れる電流の過電流を検出するための閾値として予め設定された過電流検出閾値Ｉｓを記憶している。この過電流検出閾値Ｉｓは、負荷電流制御装置１０において時間を制限せずに連続して流れ続けることを許容する電流の最大値である（例えば１０Ａ）。過電流検出閾値Ｉｓは、例えば電界効果トランジスタＱ１のドレイン電流の最大定格に基づいて設定することができる。また過電流検出閾値Ｉｓは、さらに電源装置２０又は負荷装置３０の定格電流等も考慮して設定してもよい。

　制御装置１４は、電界効果トランジスタＱ１の電気的特性に基づいて予め設定されている電流と時間との関係を記憶している。この電流と時間との関係は、例えばデータテーブルとして設定してもよいし、何らかの関係式や計算式として設定してもよい。電界効果トランジスタＱ１の電気的特性としては、例えば電界効果トランジスタＱ１のドレイン電流、パルスドレイン電流、許容チャネル損失、許容チャネル温度の最大定格、最大許容損失等が挙げられる。予め設定された電流と時間との関係は、より具体的には、電力供給ラインに流れる電流とその電流が連続して流れることを許容する上限時間との対応関係である。例えば電力供給ラインに流れる電流として、電流Ｉａに対しては上限時間Ｔ１が設定され、電流Ｉｂに対しては上限時間Ｔ２が設定され、電流Ｉｃに対しては上限時間Ｔ３が設定される。このときの電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃの相対的な関係は、Ｉａ＞Ｉｂ＞Ｉｃ（例えばＩａ＝１００Ａ、Ｉｂ＝５０Ａ、Ｉｃ＝２０Ａ）となる。また上限時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の相対的な関係は、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３（例えばＴ１＝１０秒、Ｔ２＝３０秒、Ｔ３＝６０秒）となる。

　制御装置１４は、電力供給ラインの電流が過電流検出閾値Ｉｓ以下（例えば負荷装置３０の定格電流Ｉｒ）である間は電界効果トランジスタＱ１をＯＮ状態に維持する（図２）。他方、制御装置１４は、電力供給ラインの電流が過電流検出閾値Ｉｓを越えた時点で、電界効果トランジスタＱ１をＯＮ状態に維持しつつ、その時点から時間の計測を開始する。また制御装置１４は、電力供給ラインの電流が過電流検出閾値Ｉｓを越えたことを条件として、予め設定された電流と時間との関係から、そのときの電力供給ラインの電流に対応する上限時間を特定し、その上限時間を時間閾値として設定する。

　より具体的には制御装置１４は、例えば電力供給ラインに過電流検出閾値Ｉｓを越える電流Ｉａが流れている場合には、上限時間Ｔ１を時間閾値として設定する（図２）。例えば電力供給ラインに過電流検出閾値Ｉｓを越える電流Ｉｂが流れている場合には、上限時間Ｔ２を時間閾値として設定する（図２）。例えば電力供給ラインに過電流検出閾値Ｉｓを越える電流Ｉｃが流れている場合には、上限時間Ｔ３を時間閾値として設定する（図２）。

　制御装置１４は、電力供給ラインの電流が過電流検出閾値Ｉｓ以下に低下することなく時間閾値に相当する時間が経過した時点で、電界効果トランジスタＱ１をＯＦＦする。それによって例えば負荷装置３０で短絡故障等が生じたことに起因する過電流を検出して、電源装置２０から負荷装置３０への電力供給を速やかに停止することができる。より具体的には制御装置１４は、例えば電力供給ラインに連続して電流Ｉａが流れている状態で上限時間Ｔ１が経過した時点で、電界効果トランジスタＱ１をＯＦＦする（図２）。例えば電力供給ラインに連続して電流Ｉｂが流れている状態で上限時間Ｔ２が経過した時点で、電界効果トランジスタＱ１をＯＦＦする（図２）。例えば電力供給ラインに連続して電流Ｉｃが流れている状態で上限時間Ｔ３が経過した時点で、電界効果トランジスタＱ１をＯＦＦする（図２）。

　他方、制御装置１４は、時間閾値に相当する時間が経過する前に電力供給ラインの電流が過電流検出閾値Ｉｓ以下に低下した場合には、電界効果トランジスタＱ１をＯＮした状態を維持する。それによって例えば定常的に流れる電流（例えば負荷装置３０の定格電流Ｉｒ）よりも大きい電流（過電流検出閾値Ｉｓを越える電流）が一時的に短時間流れることがあっても、それは過電流として検出されないことになる。したがって電界効果トランジスタＱ１がＯＮ状態に維持され、電源装置２０から負荷装置３０への電力供給が継続されることになる。より具体的には制御装置１４は、例えば電力供給ラインに連続して電流Ｉｄが流れている状態で時間閾値に相当する上限時間Ｔ４が経過する前に、電力供給ラインの電流が過電流検出閾値Ｉｓ以下（例えば負荷装置３０の定格電流Ｉｒ）に低下した場合には、時間の計測を停止して時間閾値をリセットし、電界効果トランジスタＱ１をＯＮ状態に維持する（図３）。

　そして前述したように、本発明において時間閾値は、電界効果トランジスタＱ１の電気的特性に基づいて予め設定された電流と時間との関係から、そのときの電力供給ラインの電流に応じて設定される。それによって個々に固有である負荷装置３０の電気的特性に依存しない負荷電流制御が可能になる。また電界効果トランジスタＱ１の電気的特性の範囲内で、過電流検出閾値Ｉｓを越える電流の許容範囲を最大限にすることができる。したがって本発明によれば、高い汎用性を有する負荷電流制御が可能になるとともに、電界効果トランジスタＱ１がオーバースペックになる虞を低減することができるので、高い汎用性を有する負荷電流制御装置１０を低コストで提供することができる。

　さらに本発明において予め設定される電流と時間との関係は、例えば電界効果トランジスタＱ１の電気的特性及び放熱装置１３の放熱特性（例えばヒートシンクの熱抵抗、空冷ファンの冷却性能等）に基づいて設定されるのが好ましい。それによって電界効果トランジスタＱ１の電気的特性に加えて、さらに放熱装置１３の放熱特性も考慮した範囲内で、過電流検出閾値Ｉｓを越える電流の許容範囲を最大限にすることができる。

　また本発明において時間閾値に相当する時間が経過する前に電力供給ラインの電流が変化した場合には、時間の計測を継続しつつ、予め設定された電流と時間との関係から変化後の電流に対応する上限時間を特定し、その変化後の電流に対応する上限時間で時間閾値を更新するのが好ましい。それによって時間閾値に相当する時間が経過する前に電力供給ラインの電流が変化した場合でも、その電流の変化に応じて、柔軟に時間閾値を変更して適切な負荷電流制御を行うことができる。

　より具体的には制御装置１４は、例えば電力供給ラインの電流が過電流検出閾値Ｉｓを越えた時点で、電界効果トランジスタＱ１をＯＮ状態に維持しつつ、その時点から時間の計測を開始する。また制御装置１４は、予め設定された電流と時間との関係から、そのときに電力供給ラインに流れている電流Ｉｅに対応する上限時間Ｔ５を特定し、その上限時間Ｔ５を時間閾値として設定する（図４）。

　上記のような状況において制御装置１４は、時間閾値に相当する上限時間Ｔ５が経過する前に、電力供給ラインの電流が電流Ｉｅから電流Ｉｆへ上昇した場合には、そのまま時間の計測を継続する。また制御装置１４は、予め設定された電流と時間との関係から変化後の電流Ｉｆに対応する上限時間Ｔ６を特定し、その上限時間Ｔ６で時間閾値を更新する（図４）。そして制御装置１４は、例えば電力供給ラインに連続して電流Ｉｆが流れている状態で上限時間Ｔ６が経過した時点で、電界効果トランジスタＱ１をＯＦＦする（図４）。

　他方、制御装置１４は、時間閾値に相当する上限時間Ｔ５が経過する前に、電力供給ラインの電流が電流Ｉｅから電流Ｉｇへ低下した場合にも同様に、そのまま時間の計測を継続する。また制御装置１４は、予め設定された電流と時間との関係から変化後の電流Ｉｇに対応する上限時間Ｔ７を特定し、その上限時間Ｔ７で時間閾値を更新する（図４）。そして制御装置１４は、例えば電力供給ラインに連続して電流Ｉｇが流れている状態で上限時間Ｔ７が経過した時点で、電界効果トランジスタＱ１をＯＦＦする（図４）。

１０　負荷電流制御装置
１１　ドライバ
１２　電流検出回路
１３　放熱装置
１４　制御装置
２０　電源装置
３０　負荷装置
Ｑ１　電界効果トランジスタ
ＳＲ１　シャント抵抗

Claims (3)

1. 　電源装置から負荷装置へ電力を供給する電力供給ラインの電流を検出する電流検出回路と、
   　前記電力供給ラインをＯＮ／ＯＦＦする半導体スイッチと、
   　前記電力供給ラインの電流に応じて前記半導体スイッチを制御する制御装置と、を備え、
   　前記制御装置は、前記電力供給ラインの電流が過電流検出閾値以下である間は前記半導体スイッチをＯＮ状態に維持し、
   　前記電力供給ラインの電流が前記過電流検出閾値を越えた時点で、前記半導体スイッチをＯＮ状態に維持しつつ、その時点から時間の計測を開始し、前記半導体スイッチの電気的特性に基づいて予め設定されている電流と時間との関係から、そのときの前記電力供給ラインの電流に対応する上限時間を特定し、その上限時間を時間閾値として設定し、
   　前記電力供給ラインの電流が前記過電流検出閾値以下に低下することなく前記時間閾値に相当する時間が経過した時点で、前記半導体スイッチをＯＦＦする、負荷電流制御装置。
2. 　請求項１に記載の負荷電流制御装置において、前記半導体スイッチが発する熱を放熱する放熱装置をさらに備え、
   　前記電流と時間との関係は、前記半導体スイッチの電気的特性及び前記放熱装置の放熱特性に基づいて予め設定されている、負荷電流制御装置。
3. 　請求項１又は２に記載の負荷電流制御装置において、前記制御装置は、前記時間閾値に相当する時間が経過する前に前記電力供給ラインの電流が変化した場合には、前記時間の計測を継続しつつ、前記電流と時間との関係から変化後の電流に対応する上限時間を特定し、その変化後の電流に対応する上限時間で前記時間閾値を更新する、負荷電流制御装置。

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