WO2024100775A1 - 車両用保護装置 - Google Patents

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WO2024100775A1
WO2024100775A1 PCT/JP2022/041592 JP2022041592W WO2024100775A1 WO 2024100775 A1 WO2024100775 A1 WO 2024100775A1 JP 2022041592 W JP2022041592 W JP 2022041592W WO 2024100775 A1 WO2024100775 A1 WO 2024100775A1
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WO
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circuit breaker
state
conductive path
semiconductor circuit
fuse
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PCT/JP2022/041592
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English (en)
French (fr)
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嵩大 倉冨
Original Assignee
株式会社オートネットワーク技術研究所
住友電装株式会社
住友電気工業株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/087—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for dc applications

Definitions

  • This disclosure relates to a vehicle protection device.
  • a mechanism is used to cut off the conductive path between the battery and the load (inverter, DCDC converter, charger, etc.) in the event of an abnormality, such as when the vehicle is subjected to an impact or the load is short-circuited.
  • a configuration in which the conductive path is cut off using a physical cut-off mechanism such as a contactor or fuse is exemplified.
  • circuit breaker device that quickly interrupts short-circuit current to electrically isolate the conductive path between the battery and the load.
  • a semiconductor circuit breaker configured as a MOSFET is turned off by a protection circuit, thereby preventing overcurrent from flowing through the power line.
  • This disclosure was made based on the above-mentioned circumstances, and aims to provide technology that can protect semiconductor circuit breakers.
  • the vehicle protection device of the present disclosure is A vehicle protection device for use in a vehicle power supply system including a first conductive path and a second conductive path, a semiconductor circuit breaker that is provided between the first conductive path and the second conductive path and that switches between an allowable state that allows a current to flow from the first conductive path to the second conductive path through the semiconductor circuit breaker and an interruption state that interrupts the current; a control unit that outputs a control signal for switching the semiconductor circuit breaker from the permitting state to the blocking state; having An element portion having at least one of a resistance component, an inductance component, and a capacitance component, and one of a fuse that melts when an overcurrent flows are provided in parallel with the semiconductor circuit breaker.
  • the technology disclosed herein can protect semiconductor circuit breakers.
  • FIG. 1 is a block diagram that illustrates a schematic example of a vehicle power supply system including a vehicle protection device according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a flow of cutoff control performed by the control unit of the vehicle protection device.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating an example of a change over time in the current value of the conductive path and a change over time in the voltage across the semiconductor circuit breaker based on the interruption control by the control unit.
  • FIG. 4 is a block diagram that illustrates a schematic example of a vehicle power supply system including a vehicle protection device according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a flow of cutoff control performed by the control unit of the vehicle protection device of the second embodiment.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a flow of cutoff control performed by the control unit of the vehicle protection device of the third embodiment.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating the change over time in the current value of the conductive path, the change over time in the voltage across a semiconductor circuit breaker, and the change over time in the voltage across a pyrotechnic circuit breaker based on the interruption control by the control unit of the third embodiment.
  • FIG. 8 is a block diagram that illustrates a schematic example of a vehicle power supply system including a vehicle protection device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 9 is a block diagram that illustrates a schematic example of a vehicle power supply system including a vehicle protection device according to another embodiment.
  • FIG. 10 is a block diagram that illustrates a schematic example of a vehicle power supply system including a vehicle protection device according to another embodiment.
  • FIG. 11 is a block diagram that illustrates a schematic example of a vehicle power supply system including a vehicle protection device according to another embodiment.
  • a vehicle protection device for use in a vehicle power supply system having a first conductive path and a second conductive path, a semiconductor circuit breaker that is provided between the first conductive path and the second conductive path and that switches between an allowable state that allows a current to flow from the first conductive path to the second conductive path through the semiconductor circuit breaker and an interruption state that interrupts the current; a control unit that outputs a control signal for switching the semiconductor circuit breaker from the permitting state to the blocking state; having The vehicle protection device further comprises an element portion having at least one of a resistance component, an inductance component, and a capacitance component, and a fuse that melts when an overcurrent flows, the element portion being connected in parallel with the semiconductor circuit breaker.
  • the vehicle protection device described in [1] has the following features:
  • the fuse is provided in parallel with the semiconductor circuit breaker, the vehicle power supply system includes a power supply unit that supplies power to the first conductive path, and the rated current of the fuse is smaller than the current that flows from the first conductive path to the second conductive path when power is supplied from the power supply unit to the first conductive path while the semiconductor circuit breaker is in the permissible state.
  • the vehicle protection device described in [2] has the following features: The impedance of the fuse is greater than the impedance of the semiconductor circuit breaker in the permissible state.
  • the vehicle protection device according to any one of [1] to [3] has the following features:
  • the fuse is provided in parallel with the semiconductor circuit breaker, and the fuse melts after a response time has elapsed after the semiconductor circuit breaker switches from the permissive state to the cutoff state based on the control signal from the control unit.
  • the change in the current value flowing through the fuse within the response time after the semiconductor circuit breaker switches from an open state to a cutoff state can be reduced. This makes it easier to suppress surge voltage.
  • the fuse is provided in parallel with the semiconductor circuit breaker, the semiconductor circuit breaker switches from the interrupted state to the permissive state based on a second control signal output from the control unit, and has a current detection unit that detects a current flowing through one of the first conductive path and the second conductive path, the control unit outputs the control signal when the current detected by the current detection unit becomes an overcurrent state, and outputs the second control signal when the overcurrent state is no longer detected by the current detection unit before a meltdown time t calculated based on the following formula (1) has elapsed.
  • E I 2 ⁇ t ... Equation (1)
  • E power value consumed by the fuse until it melts down
  • I current value detected by the current detection unit when the overcurrent state occurs
  • t time from when the semiconductor circuit breaker switches from the permissive state to the cutoff state until it melts down
  • the control unit can output a second control signal and switch the semiconductor circuit breaker from an interrupted state to an allowed state. This makes it possible to prevent the fuse from melting before the semiconductor circuit breaker is switched from an interrupted state to an allowed state.
  • the meltdown time t is determined based on the current value of one of the first and second conductive paths, the meltdown time t can be determined with high accuracy.
  • the fuse is provided in parallel with the semiconductor circuit breaker, the semiconductor circuit breaker switches from the interrupted state to the permissive state based on a second control signal output from the control unit, and the fuse has a memory unit that stores a meltdown time t, which is a time from when a current starts to flow in the fuse until the fuse melts down and is calculated based on the following formula (2), and a current detection unit that detects a current flowing through one of the first conductive path and the second conductive path, the control unit outputs the control signal when the current detected by the current detection unit becomes an overcurrent state, and outputs the second control signal when the overcurrent state is no longer detected by the current detection unit before the meltdown time t stored in the memory unit has elapsed.
  • E I 2 ⁇ t ... Equation (2)
  • E power value consumed by the fuse until it melts down
  • I predetermined current value t: time from when the semiconductor circuit breaker switches from
  • the control unit can output a second control signal and switch the semiconductor circuit breaker from a cutoff state to an allowable state. This makes it possible to prevent the fuse from melting before the semiconductor circuit breaker is switched from a cutoff state to an allowable state.
  • control when determining whether an overcurrent state exists can be facilitated.
  • the vehicle protection device described in [1] has the following features:
  • the element unit having a resistance component is provided in parallel with the semiconductor circuit breaker, and the resistance value of the element unit is greater than the resistance value of the on-resistance of the semiconductor circuit breaker.
  • the vehicle protection device described in any one of [1] to [7] has the following features: A pyrotechnic circuit breaker that breaks one of the first conductive path and the second conductive path by rupturing due to an explosive explosion based on a third control signal output from the control unit, the semiconductor circuit breaker and the pyrotechnic circuit breaker are connected in series, and when the vehicle power supply system is in an abnormal state, the control unit outputs the control signal and the third control signal, and after the semiconductor circuit breaker is switched from the permissive state to the cut-off state based on the control signal from the control unit, the pyrotechnic circuit breaker cuts off one of the first conductive path and the second conductive path based on the third control signal from the control unit.
  • the semiconductor circuit breaker can be set to an interrupted state to quickly interrupt one of the first conductive path and the second conductive path.
  • the insulation performance during interruption can be improved.
  • First Embodiment [Configuration of vehicle power supply system] 1 is a power supply system mounted on a vehicle, and includes a power supply unit 10, a load 20, a first conductive path 31, a second conductive path 32, and a vehicle protection device 40.
  • the vehicle power supply system 100 is configured to be able to supply power from the power supply unit 10 to the load 20 via the first conductive path 31 and the second conductive path 32, which are paths through which power is transmitted between the power supply unit 10 and the load 20.
  • the power supply unit 10 is, for example, a DC power supply that generates a DC voltage.
  • the power supply unit 10 supplies power to the first conductive path 31 and the second conductive path 32.
  • a power supply means such as a lead battery, a lithium ion battery, or a generator such as an alternator is used as the power supply unit 10.
  • the output voltage of the power supply unit 10 is, for example, 400V or 800V, which is the driving voltage of an electric vehicle.
  • the power supply unit 10 is provided with a high-potential terminal and a low-potential terminal, and the low-potential terminal is electrically connected to the first conductive path 31, and the high-potential terminal is electrically connected to, for example, a conductive path (not shown) through which a current flows to the load 20.
  • the power supply unit 10 is configured to apply a predetermined output voltage to the conductive path (not shown) connected to the high-potential terminal.
  • the voltage is a voltage based on the ground unless otherwise specified.
  • connection objects preferably means a configuration in which the connection objects are connected in a mutually conductive state (a state in which current can flow) so that the potentials of both connection objects are equal.
  • electrically connected may also mean a configuration in which the connection objects are connected in a state in which they can be conductive with an electrical component interposed between them.
  • the load 20 is, for example, an electrical device mounted on a vehicle.
  • the load 20 is, for example, a motor, a compressor, a PTC thermistor, etc.
  • the first conductive path 31 and the second conductive path 32 are provided between the power supply unit 10 and the load 20.
  • the first conductive path 31 and the second conductive path 32 are paths through which power is supplied from the power supply unit 10.
  • the first conductive path 31 and the second conductive path 32 are paths through which a current flows from the load 20 to the power supply unit 10 when power is supplied from the power supply unit 10 to the load 20. Specifically, a current flows from the second conductive path 32 to the first conductive path 31.
  • One end of the first conductive path 31 is electrically connected to a low-potential terminal of the power supply unit 10.
  • the other end of the first conductive path 31 is electrically connected to a source of a semiconductor circuit breaker 51, which will be described later.
  • One end of the second conductive path 32 is electrically connected to a drain of a semiconductor circuit breaker 51, which will be described later.
  • the other end of the second conductive path 32 is electrically connected to the load 20.
  • the vehicle protection device 40 includes a semiconductor circuit breaker 51, a fuse 60, a control unit 41, a drive circuit 42, and a current detection unit 45.
  • the semiconductor circuit breaker 51 is provided between the first conductive path 31 and the second conductive path 32.
  • the semiconductor circuit breaker 51 is configured as a semiconductor switch that performs on/off operation.
  • the semiconductor circuit breaker 51 is, for example, an n-channel MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor).
  • the gate of the semiconductor circuit breaker 51 is electrically connected to the drive circuit 42, which will be described later.
  • the source of the semiconductor circuit breaker 51 is electrically connected to the power supply unit 10.
  • the drain of the semiconductor circuit breaker 51 is electrically connected to the load 20, which will be described later.
  • the semiconductor circuit breaker 51 Based on a control signal (first control signal) output from the control unit 41 described later, the semiconductor circuit breaker 51 switches from a permissive state (on state) in which a current is permitted to flow from the first conductive path 31 to the second conductive path 32 through the semiconductor circuit breaker 51 to a blocked state (off state) in which the first conductive path 31 and the second conductive path 32 are blocked. Specifically, based on the first control signal from the control unit 41, when a first voltage signal from the drive circuit 42 described later is input to the gate, the semiconductor circuit breaker 51 switches from the permissive state to the blocked state.
  • the first control signal corresponds to the "control signal" in this disclosure.
  • the semiconductor circuit breaker 51 Based on a control signal (second control signal) output from the control unit 41 described later, the semiconductor circuit breaker 51 switches from the blocked state to the permissive state. Specifically, based on the second control signal from the control unit 41, when a second voltage signal from the drive circuit 42 is input to the gate, the semiconductor circuit breaker 51 switches from the blocked state to the permissive state.
  • the response time of the semiconductor circuit breaker 51 is longer than the response time of the fuse 60.
  • the response time of the semiconductor circuit breaker 51 is the time from when it acquires a signal based on the first control signal (first voltage signal) to when it starts to cut off (when it goes into a cut-off state).
  • the response time of the fuse 60 is the time from when an overcurrent starts to flow to when it starts to melt.
  • the fuse 60 is an electrical component that melts when an overcurrent flows.
  • the fuse 60 is, for example, a thermal fuse.
  • the fuse 60 is provided in parallel with the semiconductor circuit breaker 51 between the first conductive path 31 and the second conductive path 32. One end of the fuse 60 is electrically connected to the source of the semiconductor circuit breaker 51. The other end of the fuse 60 is electrically connected to the drain of the semiconductor circuit breaker 51.
  • the rated current of the fuse 60 is smaller than the current flowing from the first conductive path 31 to the second conductive path 32 when power is supplied from the power supply unit 10 to the first conductive path 31 while the semiconductor circuit breaker 51 is in the permissible state (the current flowing from the power supply unit 10 to the load 20 via the semiconductor circuit breaker 51).
  • the rated current of the fuse 60 is a current value at which the fuse 60 will not melt when the current is applied steadily.
  • the rated current of the fuse 60 is also a current value at which the fuse 60 will melt after a predetermined time has elapsed when a current larger than the rated current value is passed.
  • the rated current of the fuse 60 is 60 A, 100 A, etc.
  • the fuse 60 is more likely to melt. This allows the fuse 60 to melt and cut off relatively quickly after the semiconductor circuit breaker 51 changes from the permissible state to the cut-off state.
  • the interruption characteristics (melting characteristics) of the fuse 60 determine what current value and how long it must continue to flow before the fuse melts. If a current that exceeds the rated current flows through the fuse 60, the melting characteristics of the fuse 60 will cause the fuse 60 to melt after a specified time has elapsed.
  • the impedance of the fuse 60 is greater than the impedance of the semiconductor circuit breaker 51 in the permissible state.
  • the impedance of the semiconductor circuit breaker 51 in the permissible state includes, for example, the on-resistance of the semiconductor circuit breaker 51.
  • the current flowing through the semiconductor circuit breaker 51 is greater than the current flowing through the fuse 60.
  • the current flowing from the power supply unit 10 to the first conductive path 31 can be prevented from flowing through the fuse 60.
  • the control unit 41 controls the operation of supplying power from the power supply unit 10 to the load 20.
  • the control unit 41 is an information processing device having information processing functions, calculation functions, control functions, etc.
  • the control unit 41 is mainly composed of a microcomputer, for example, and has a calculation device such as a CPU (Central Processing Unit), memory such as a ROM (Read Only Memory) or RAM (Random Access Memory), an A/D converter, etc.
  • the control unit 41 controls the on/off operation of the semiconductor circuit breaker 51.
  • the control unit 41 outputs a first control signal to switch the semiconductor circuit breaker 51 from an open state to a closed state.
  • the control unit 41 outputs a second control signal different from the first control signal to switch the semiconductor circuit breaker 51 from the closed state to the open state.
  • the first control signal is a low-level signal (e.g., 0 V)
  • the second control signal is a high-level signal (a signal with a higher voltage than the low-level signal).
  • the drive circuit 42 is electrically connected to the output terminal of the control unit 41 and the gate of the semiconductor circuit breaker 51.
  • the drive circuit 42 is, for example, a gate driver circuit, and can adopt various circuit configurations using resistors, diodes, bipolar transistors, etc.
  • the drive circuit 42 receives a control signal from the control unit 41.
  • the drive circuit 42 is a circuit that can switch between outputting a first voltage signal (e.g., a low-level signal) for turning the semiconductor circuit breaker 51 to an off state and outputting a second voltage signal (e.g., a high-level signal) for turning the semiconductor circuit breaker 51 to an on state.
  • the second control signal (e.g., a high-level signal) is a voltage signal whose magnitude exceeds the gate threshold voltage of the semiconductor circuit breaker 51.
  • the current detection unit 45 detects the current value of the first conductive path 31.
  • the current value detected by the current detection unit 45 is a value (specifically, an analog voltage value) that can identify the current value of the first conductive path 31.
  • the current detection unit 45 is configured, for example, as a current detection circuit. Specifically, the current detection unit 45 is provided between the power supply unit 10 and the semiconductor circuit breaker 51. The current value detected by the current detection unit 45 is output to the control unit 41.
  • the flowchart shown in Fig. 2 shows a control executed by the control unit 41 when a predetermined start condition is satisfied.
  • the predetermined start condition may be satisfied when a start condition for starting a vehicle equipped with the vehicle power supply system 100 is satisfied (for example, when a start switch such as an ignition switch is switched from an off state to an on state), when power has started to be supplied to the vehicle protection device 40 (specifically, the control unit 41), or when some other condition is satisfied.
  • a start signal indicating that the start switch has been switched to the on state is provided to the control unit 41 from, for example, an external device (for example, an external ECU (Electronic Control Unit)).
  • an external device for example, an external ECU (Electronic Control Unit)
  • the control unit 41 outputs a first control signal (e.g., a low-level signal), the drive circuit 42 outputs a first voltage signal, and the semiconductor circuit breaker 51 is maintained in the off state.
  • a first control signal e.g., a low-level signal
  • the drive circuit 42 outputs a first voltage signal
  • the semiconductor circuit breaker 51 is maintained in the off state.
  • step S11 the control unit 41 outputs a second control signal (e.g., a high-level signal).
  • a second control signal e.g., a high-level signal
  • the drive circuit 42 which outputs a second voltage signal (e.g., a high-level signal) to the semiconductor circuit breaker 51.
  • the semiconductor circuit breaker 51 is then switched from a blocking state to an allowing state by the second voltage signal input based on the second control signal. This allows power to be supplied from the power supply unit 10 to the load 20.
  • the impedance of the fuse 60 is greater than the impedance of the semiconductor circuit breaker 51 in the permissible state. Therefore, when the semiconductor circuit breaker 51 is in the permissible state, the current flowing from the power supply unit 10 to the first conductive path 31 can be prevented from flowing through the fuse 60.
  • the control unit 41 determines whether the first conductive path 31 is in an overcurrent state.
  • An overcurrent state is when the current value of the first conductive path 31 is in an increasing state.
  • An increasing state of the current value of the first conductive path 31 is, for example, a state in which the current value of the first conductive path 31 exceeds a predetermined threshold value, or a state in which the rate of increase of the current value of the first conductive path 31 exceeds a predetermined threshold value.
  • the overcurrent state of the first conductive path 31 is an example of a predetermined abnormal state.
  • the control unit 41 repeats the process of step S12 until it determines that the first conductive path 31 is in an overcurrent state. If the control unit 41 determines that the first conductive path 31 is in an overcurrent state (Yes in step S12), it determines in step S13 whether the overcurrent state has continued for a certain period of time from the time when the overcurrent state was detected. If the control unit 41 determines that the overcurrent state has not continued for a certain period of time (the overcurrent state has been resolved within the certain period of time from the time when the overcurrent state was detected), it proceeds to No in step S13 and performs the process of step S12 again.
  • control unit 41 determines in step S13 that the overcurrent state has continued for a certain period of time (the overcurrent state has not been detected within the certain period of time from the time the overcurrent state was detected), it proceeds to Yes and determines that an abnormal state has been detected (step S14).
  • the control unit 41 outputs a first control signal (e.g., a low-level signal).
  • a first control signal e.g., a low-level signal
  • the drive circuit 42 which outputs a first voltage signal (e.g., a low-level signal) to the semiconductor circuit breaker 51.
  • the semiconductor circuit breaker 51 then switches from the permissive state to the cut-off state due to the first voltage signal input based on the first control signal. This allows the semiconductor circuit breaker 51 to quickly cut off the connection between the first conductive path 31 and the second conductive path 32.
  • the control unit 41 determines whether the overcurrent state of the first conductive path 31 is resolved within a predetermined elapsed time from the time when the overcurrent state of the first conductive path 31 was detected in step S12. In other words, the control unit 41 determines whether the overcurrent state of the first conductive path 31 is no longer detected within a predetermined elapsed time. For example, the overcurrent state of the first conductive path 31 is no longer detected when the current value of the first conductive path 31 falls below a predetermined threshold, when the rate at which the current value of the first conductive path 31 decreases exceeds a predetermined threshold, etc.
  • the predetermined elapsed time in step S16 is a time shorter than the meltdown time t of the fuse 60.
  • the meltdown time t of the fuse 60 is calculated based on the following formula (1).
  • E I 2 ⁇ t ... Equation (1)
  • I current value detected by current detection unit 45 when first conductive path 31 is in an overcurrent state
  • t time from when semiconductor circuit breaker 51 switches from a permissive state to a cutoff state until fuse blows E in the above formula (1) is preset in control unit 41 as, for example, a fixed value. Therefore, when current value I is detected by current detection unit 45, fuse blow time t of fuse 60 is calculated from formula (1) above using the known power value E.
  • step S16 If the control unit 41 determines in step S16 that the overcurrent state of the first conductive path 31 has been resolved within the predetermined elapsed time, it proceeds to Yes and performs the processing of step S11 again. That is, after the semiconductor circuit breaker 51 has switched from the permissive state to the blocked state (after the processing of step S15), if the overcurrent state of the first conductive path 31 is no longer detected by the current detection unit 45 within the predetermined elapsed time, the control unit 41 outputs a second control signal to switch the semiconductor circuit breaker 51 from the blocked state to the permissive state (step S11).
  • control unit 41 proceeds to Yes in step S16, it can output the second control signal before the meltdown time t of the fuse 60 has elapsed, and switch the semiconductor circuit breaker 51 from the cutoff state to the allowable state. This makes it possible to prevent the fuse 60 from melting before the semiconductor circuit breaker 51 is switched from the cutoff state to the allowable state.
  • the meltdown time t is determined based on the current value of the first conductive path 31, the meltdown time t can be determined with high accuracy.
  • control unit 41 determines in step S16 that the overcurrent state of the first conductive path 31 has not been resolved within the specified elapsed time, it proceeds to No and ends the control of FIG. 2.
  • Figure 3 shows the change over time in the current value of the first conductive path 31 and the change over time in the voltage across the semiconductor circuit breaker 51 (source-drain voltage) after the control unit 41 outputs the first control signal in step S15.
  • the control unit 41 outputs the first control signal.
  • the response time of the semiconductor circuit breaker 51 (the time from when the first voltage signal is acquired to when cutting begins) has elapsed, and the semiconductor circuit breaker 51 has switched from the permissive state to the cut-off state.
  • the fuse 60 can reduce the change in current value over time (the value obtained by differentiating the current value over time) within the response time, allowing the current to flow.
  • the magnitude of the surge voltage is determined by the wiring inductance L ( ⁇ H) of the first conductive path 31, etc., and the change in current value over time (current slope di/dt), but the change in current value over time (current slope di/dt) when the fuse 60 cuts off the current is smaller than the change in current value over time (current slope di/dt) when the semiconductor circuit breaker 51 cuts off, so that the generation of the surge voltage in can be suppressed. Therefore, the surge voltage generated when the semiconductor circuit breaker 51 switches from the permissive state to the cutoff state can be suppressed, and the semiconductor circuit breaker 51 can be protected.
  • the vehicle protection device 40 does not adopt a configuration in which a plurality of semiconductor circuit breakers are connected in series or in parallel, or a configuration in which a semiconductor circuit breaker with a tolerance greater than the surge voltage is used, and therefore the semiconductor circuit breaker 51 can be protected while avoiding an increase in size and cost.
  • the vehicle power supply system 100 includes a power supply unit 10 that supplies power to the first conductive path 31.
  • the rated current of the fuse 60 is smaller than the current that flows from the first conductive path 31 to the second conductive path 32 when power is supplied from the power supply unit 10 to the first conductive path 31 while the semiconductor circuit breaker 51 is in an allowable state. This allows the vehicle protection device 40 to melt and cut off the fuse 60 relatively quickly after the semiconductor circuit breaker 51 changes from an allowable state to a cut-off state.
  • the impedance of the fuse 60 is greater than the impedance of the semiconductor circuit breaker 51 in the permissible state.
  • a fuse 60 is provided in parallel with the semiconductor circuit breaker 51, and the fuse 60 melts after a response time has elapsed after the semiconductor circuit breaker 51 switches from an allowable state to a cutoff state based on a control signal from the control unit 41.
  • the vehicle protection device 40 it is possible to reduce the change over time in the value of the current flowing through the fuse 60 within the response time after the semiconductor circuit breaker 51 switches from an allowable state to a cutoff state. This makes it easier to suppress surge voltage.
  • the semiconductor circuit breaker 51 switches from a cut-off state to a permissive state based on a second control signal output from the control unit 41.
  • the vehicle protection device 40 has a current detection unit 45 that detects a current flowing through the first conductive path 31.
  • the vehicle power supply system 200 of the second embodiment is different from the first embodiment mainly in that a pyrotechnic circuit breaker 252 is provided, but is otherwise common to both embodiments. Note that the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the vehicle power supply system 200 includes a power supply unit 10, a load 20, a first conductive path 31, a second conductive path 32, and a vehicle protection device 240.
  • the vehicle protection device 240 includes a semiconductor circuit breaker 51, a pyrotechnic circuit breaker 252, a fuse 60, a control unit 41, a first drive circuit 242, a second drive circuit 243, and a current detection unit 45.
  • the pyrotechnic circuit breaker 252 is provided in the first conductive path 31.
  • the semiconductor circuit breaker 51 and the pyrotechnic circuit breaker 252 are connected in series.
  • the pyrotechnic circuit breaker 252 is provided on the lower potential side (the power supply unit 10 side) of the semiconductor circuit breaker 51.
  • the pyrotechnic circuit breaker 252 is a circuit breaker that physically cuts off the first conductive path 31 based on a control signal.
  • the pyrotechnic circuit breaker 252 is a pyrofuse (PYROFUSE (registered trademark)) that cuts off the first conductive path 31 by rupturing it due to an explosion of explosives based on a second control signal output from the control unit 41 described later.
  • PYROFUSE registered trademark
  • the pyrotechnic circuit breaker 252 causes an explosion when a third voltage signal is input from the second drive circuit 243 described later based on the second control signal output from the control unit 41, and the explosion moves the displacement portion to physically cut off the path.
  • One end of the pyrotechnic circuit breaker 252 is electrically connected to the power supply unit 10.
  • the other end of the pyrotechnic circuit breaker 252 is electrically connected to the source of the semiconductor circuit breaker 51.
  • the response time of the semiconductor circuit breaker 51 is shorter than the response time of the pyrotechnic circuit breaker 252.
  • the response time of the semiconductor circuit breaker 51 is the time from when a signal based on the first control signal (first voltage signal) is acquired until the circuit breaker starts (until the circuit breaker becomes in a cut-off state).
  • the response time of the pyrotechnic circuit breaker 252 is the time from when a signal based on the third control signal (third voltage signal) is acquired until the circuit breaker starts.
  • the control unit 41 controls the interruption operation of the pyrotechnic circuit breaker 252.
  • the control unit 41 outputs a third control signal to cause the pyrotechnic circuit breaker 252 to interrupt the first conductive path 31. While the control unit 41 outputs a fourth control signal different from the third control signal, the control unit 41 does not cause the pyrotechnic circuit breaker 252 to interrupt the first conductive path 31.
  • the third control signal may be the same as or different from one of the voltage level of the first control signal and the voltage level of the second control signal.
  • the third control signal is, for example, a signal (high level signal) that has the same voltage level as the second control signal.
  • the fourth control signal may be the same as or different from one of the voltage level of the first control signal and the voltage level of the second control signal.
  • the fourth control signal is, for example, a signal (low level signal) that has the same voltage level as the first control signal.
  • the first drive circuit 242 has the same configuration as the drive circuit 42 of the first embodiment.
  • the second drive circuit 243 is electrically connected to the output terminal of the control unit 41 and the pyrotechnic circuit breaker 252.
  • the second drive circuit 243 can adopt various circuit configurations using resistors, diodes, bipolar transistors, etc.
  • a control signal is input to the second drive circuit 243 from the control unit 41.
  • the second drive circuit 243 is a circuit that can switch from outputting a fourth voltage signal (e.g., a low-level signal) for putting the pyrotechnic circuit breaker 252 in a state where it does not perform an interruption operation to outputting a third voltage signal (e.g., a high-level signal) for putting the pyrotechnic circuit breaker 252 in an interruption operation state.
  • a fourth voltage signal e.g., a low-level signal
  • a third voltage signal e.g., a high-level signal
  • FIG. 5 shows control executed by the control unit 41 in the vehicle protection device 240 in the second embodiment when a predetermined start condition is satisfied.
  • the predetermined start condition is the same as the condition described in the first embodiment.
  • Steps S11 to S16 in FIG. 5 are similar to steps S11 to S16 in the first embodiment, and detailed explanations will be omitted.
  • step S16 If the control unit 41 determines in step S16 that the overcurrent state of the first conductive path 31 has not been resolved within a predetermined elapsed time, it proceeds to No and performs the processing of step S21.
  • step S21 the control unit 41 outputs a third control signal (e.g., a high-level signal). In this way, the control unit 41 outputs the third control signal if the overcurrent state of the first conductive path 31 continues to be detected by the current detection unit 45 within a predetermined elapsed time after the semiconductor circuit breaker 51 switches from the permissive state to the cut-off state.
  • step S21 the control unit 41 ends the control of FIG. 5.
  • the third control signal is input to the second drive circuit 243, and the second drive circuit 243 outputs a third voltage signal (e.g., a high-level signal) to the pyrotechnic circuit breaker 252.
  • the pyrotechnic circuit breaker 252 performs a cutoff operation (cuts off the first conductive path 31 by breaking it) based on the third voltage signal input based on the third control signal. This allows the pyrotechnic circuit breaker 252 to improve the insulation performance when the first conductive path 31 is cut off. Also, although it takes a relatively long time for the fuse 60 to complete the cutoff, the pyrotechnic circuit breaker 252 allows for faster cutoff.
  • the pyrotechnic circuit breaker 252 cuts off, which increases the time change in the current value (current gradient di/dt) in the first conductive path 31 and the second conductive path 32, but the surge voltage occurs at both ends of the pyrotechnic circuit breaker 252, so the semiconductor circuit breaker 51 can be protected.
  • the vehicle protection device 40 has a pyrotechnic circuit breaker 252 that breaks the first conductive path 31 by being ruptured by an explosion of explosives based on a third control signal output from the control unit 41.
  • the semiconductor circuit breaker 51 and the pyrotechnic circuit breaker 252 are connected in series in the first conductive path 31.
  • the control unit 41 outputs a first control signal and a second control signal when the vehicle power supply system 100 is in an abnormal state.
  • the pyrotechnic circuit breaker 252 cuts off the first conductive path 31 based on the third control signal from the control unit 41. This makes it possible to quickly cut off the first conductive path 31 by putting the semiconductor circuit breaker 51 into a cut-off state. In addition, the cut-off of the first conductive path 31 by the pyrotechnic circuit breaker 252 can improve insulation performance during cut-off.
  • the vehicle power supply system of the third embodiment differs from the second embodiment in the operation of the vehicle protection device, but is otherwise common to both. Note that the same components as those of the second embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 6 illustrates the control executed by the control unit 41 in the vehicle protection device 240 in the third embodiment when a predetermined start condition is met.
  • the predetermined start condition is the same as the condition described in the first embodiment.
  • Steps S11 to S14 in FIG. 6 are similar to steps S11 to S14 in the first embodiment, and detailed description will be omitted.
  • the control unit 41 After determining that an abnormal state has been detected in step S14, the control unit 41 outputs a first control signal (e.g., a low-level signal) and a third control signal (e.g., a high-level signal) in step S31.
  • a first control signal e.g., a low-level signal
  • a third control signal e.g., a high-level signal
  • Figure 7 shows the change over time in the current value of the first conductive path 31, the change over time in the voltage across the semiconductor circuit breaker 51 (source-drain voltage), and the change over time in the voltage across the pyrotechnic circuit breaker 252 after the control unit 41 outputs the first control signal and the third control signal in step S31.
  • the control unit 41 outputs the first control signal and the third control signal.
  • the response time of the semiconductor circuit breaker 51 (the time from obtaining the first control signal to the start of blocking) has elapsed, and the semiconductor circuit breaker 51 has switched from the permissive state to the blocking state.
  • the current value of the first conductive path 31 decreases, and the voltage across the semiconductor circuit breaker 51 increases due to a surge voltage caused by the inductance of the first conductive path 31, etc.
  • the fuse 60 allows current to flow while reducing the current change. Therefore, the surge voltage can be kept small, and the semiconductor circuit breaker 51 can be protected from the surge voltage.
  • the response time of the pyrotechnic circuit breaker 252 (the time from when the second voltage signal is acquired until the start of the circuit breaker) elapses, and the pyrotechnic circuit breaker 252 starts the circuit breaker operation (breaks the first conductive path 31).
  • the pyrotechnic circuit breaker 252 cuts off the first conductive path 31 without the voltage applied to the semiconductor circuit breaker 51 (voltage across both ends) exceeding the absolute maximum rating. Even if the voltage across the semiconductor circuit breaker 51 increases after time t13 has elapsed, the pyrotechnic circuit breaker 252 cuts off the first conductive path 31 without the voltage across the semiconductor circuit breaker 51 exceeding the absolute maximum rating, so it is possible to prevent a voltage exceeding the absolute maximum rating from being applied to the semiconductor circuit breaker 51.
  • the vehicle power supply system 400 of the fourth embodiment is the same as the first embodiment except that a resistor 460 is provided instead of the fuse 60.
  • the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.
  • the vehicle power supply system 400 includes a power supply unit 10, a load 20, a first conductive path 31, a second conductive path 32, and a vehicle protection device 440.
  • the vehicle protection device 440 includes a semiconductor circuit breaker 51, a resistor 460, a control unit 41, a drive circuit 42, and a current detection unit 45.
  • the resistor 460 is an element portion (electrical resistance element) having a resistive component.
  • the resistor 460 is provided in parallel with the semiconductor circuit breaker 51 between the first conductive path 31 and the second conductive path 32.
  • One end of the resistor 460 is electrically connected to the source of the semiconductor circuit breaker 51.
  • the other end of the resistor 460 is electrically connected to the drain of the semiconductor circuit breaker 51.
  • the resistor 460 may be a variable resistor.
  • the resistance value of resistor 460 is 50 m ⁇ and can be set according to the tolerance of the surrounding components. When the output voltage of power supply unit 10 is 400 V and semiconductor circuit breaker 51 is in the cutoff state, it is possible to limit the current flow so as not to exceed 8000 A.
  • the impedance of resistor 460 is greater than the impedance of semiconductor circuit breaker 51 in the permissible state.
  • the impedance of semiconductor circuit breaker 51 in the permissible state includes, for example, the on-resistance of semiconductor circuit breaker 51.
  • the resistance value of resistor 460 is greater than the resistance value of the on-resistance of semiconductor circuit breaker 51.
  • the resistance value of resistor 460 is much greater than the resistance value of the on resistance of semiconductor circuit breaker 51, the current flowing from power supply unit 10 to first conductive path 31 when semiconductor circuit breaker 51 is in an allowable state can be prevented from flowing through resistor 460.
  • the current flowing from power supply unit 10 to first conductive path 31 is the output voltage of power supply unit 10 divided by the resistance value of resistor 460 (limiting resistance value).
  • the vehicle protection device 440 of the fourth embodiment has the same effect as the vehicle protection device 40 of the first embodiment. Based on the switching of the semiconductor circuit breaker 51 from the permissive state to the cut-off state, a current can be passed through the resistor 460 with a reduced change in the current value over time, thereby limiting the short-circuit current. Therefore, the surge voltage generated when the semiconductor circuit breaker 51 switches from the permissive state to the cut-off state can be suppressed, and the semiconductor circuit breaker 51 can be protected.
  • the first conductive path 31 may be connected to the high potential terminal of the power supply unit 10 as in the vehicle power supply system 500 shown in FIG. 9.
  • the source of the semiconductor circuit breaker 551 is electrically connected to the load 20.
  • the drain of the semiconductor circuit breaker 551 is electrically connected to the power supply unit 10.
  • the first conductive path 31 may be connected to the high-potential terminal of the power supply unit 10 as in the vehicle power supply system 600 shown in FIG. 10.
  • the source of the semiconductor circuit breaker 651 is electrically connected to the load 20.
  • the drain of the semiconductor circuit breaker 651 is electrically connected to the pyrotechnic circuit breaker 252.
  • the first conductive path 31 may be connected to the high potential terminal of the power supply unit 10 as in the vehicle power supply system 700 shown in FIG. 11.
  • the source of the semiconductor circuit breaker 751 is electrically connected to the load 20.
  • the drain of the semiconductor circuit breaker 751 is electrically connected to the power supply unit 10.
  • the melting time t of the fuse 60 is calculated from the above formula (1) using the current value I detected by the current detection unit 45, but a predetermined time may be used as the melting time t.
  • the control unit 41 stores the melting time t calculated based on the following formula (2).
  • an overcurrent state of the first conductive path 31 has been shown as an example of a predetermined abnormal state (a state determined in step S12), but other abnormal states may also be used.
  • the predetermined abnormal state may be a state in which an abnormal state of the vehicle (such as a vehicle collision) has been detected.
  • a signal indicating that the vehicle is in an abnormal state is given to the control unit 41 from an external device (for example, an external ECU (Electronic Control Unit)).
  • an external device for example, an external ECU (Electronic Control Unit)
  • an example was given in which the resistor 460 was provided in parallel with the semiconductor circuit breaker 51, but an element portion having at least one of a resistive component, an inductive component, and a capacitive component may be provided in parallel with the semiconductor circuit breaker 51.
  • An element portion having an inductive component is, for example, a coil.
  • An element portion having a capacitive component is, for example, a capacitor.
  • a configuration in which two or more of resistors, coils, and capacitors are connected in series or parallel may be provided in parallel with the semiconductor circuit breaker 51.
  • the semiconductor circuit breaker 51 is an n-channel MOSFET, but it may be another semiconductor switch, such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • a charger may be connected to the first conductive path 31 instead of the load 20.
  • the current detection unit 45 is provided in the first conductive path 31, but it may be provided in the second conductive path 32. In the second and third embodiments, the current detection unit 45 is provided between the power supply unit 10 and the pyrotechnic circuit breaker 252 in the first conductive path 31, but it may be provided between the pyrotechnic circuit breaker 252 and the semiconductor circuit breaker 51 in the first conductive path 31, or between the semiconductor circuit breaker 51 and the load 20 in the second conductive path 32.
  • a fuse resistor having a resistance greater than that of the fuse may be provided instead of the fuse 60.

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Abstract

半導体遮断器を保護し得る技術を提供する。　車両用保護装置（４０）は、第１導電路（３１）と第２導電路（３２）との間に設けられ、自身を介して第１導電路（３１）から第２導電路（３２）へ電流が流れることを許容する許容状態と遮断する遮断状態とに切り替わる半導体遮断器（５１）と、半導体遮断器（５１）を許容状態から遮断状態に切り替えさせる制御信号を出力する制御部（４１）と、を有している。半導体遮断器（５１）に並列して、過電流が流れる場合に溶断するヒューズ（６０）が設けられている。

Description

車両用保護装置
　本開示は、車両用保護装置に関する。
　電動車に用いられる通電制御システムにおいて、車両に衝撃が加わった場合や負荷が短絡した場合などの異常時に、バッテリと負荷（インバータ、ＤＣＤＣコンバータ、チャージャーなど）の間の導電路を遮断するための機構が用いられている。例えば、コンタクタやヒューズ等の物理的な遮断機構を用いて導電路を遮断する構成が挙げられる。
　近年、バッテリの高出力化や急速充電への対応を背景として、バッテリの低インピーダンス化が進んでおり、更なる低インピーダンス化が進むことが考えられる。低インピーダンスによる短絡電流の増大と、短絡電流の増加率の増大は、周辺回路を含めて大きな短絡耐量を必要とし、従来の物理的な遮断機構を用いる構成では高コスト化を招いてしまう。
　短絡電流を高速に遮断する遮断デバイスを用いて、電気的な絶縁によってバッテリと負荷との間の導電路を遮断することが考えられている。例えば、特許文献１に開示される過電流保護装置では、ＭＯＳＦＥＴとして構成される半導体遮断器が保護回路によりオフすることによって、過電流が電源ラインに流れることを防止する。
特開２０１２－８５３８２号公報
　特許文献１に開示されるようにＭＯＳＦＥＴを遮断機構として用いる構成において、ＭＯＳＦＥＴのドレイン－ソース間におけるショート破壊等が生じた場合に、遮断動作後に導通してしまう懸念がある。例えば、配線のインダクタンスにより半導体遮断器の遮断動作時のサージ電圧で、ＭＯＳＦＥＴのアバランシェ耐量を超えてしまうおそれ等がある。
　本開示は、上述した事情に基づいてなされたものであり、半導体遮断器を保護し得る技術の提供を目的とするものである。
　本開示の車両用保護装置は、
　第１導電路および第２導電路を備える車両用電源システムに用いられる車両用保護装置であって、
　前記第１導電路と前記第２導電路との間に設けられ、自身を介して前記第１導電路から前記第２導電路へ電流が流れることを許容する許容状態と遮断する遮断状態とに切り替わる半導体遮断器と、
　前記半導体遮断器を前記許容状態から前記遮断状態に切り替えさせる制御信号を出力する制御部と、
を有し、
　前記半導体遮断器に並列して、抵抗成分、インダクタンス成分、容量成分のうちの少なくともいずれかの成分を有する素子部、および過電流が流れる場合に溶断するヒューズの一方が設けられている。
　本開示に係る技術は、半導体遮断器を保護することができる。
図１は、第１実施形態の車両用保護装置を含む車両用電源システムを概略的に例示するブロック図である。 図２は、車両用保護装置の制御部で行われる遮断制御の流れを例示するフローチャートである。 図３は、制御部による遮断制御に基づく、導電路の電流値の時間変化と、半導体遮断器の両端電圧の時間変化を例示する説明図である。 図４は、第２実施形態の車両用保護装置を含む車両用電源システムを概略的に例示するブロック図である。 図５は、第２実施形態の車両用保護装置の制御部で行われる遮断制御の流れを例示するフローチャートである。 図６は、第３実施形態の車両用保護装置の制御部で行われる遮断制御の流れを例示するフローチャートである。 図７は、第３実施形態の制御部による遮断制御に基づく、導電路の電流値の時間変化と、半導体遮断器の両端電圧の時間変化と、火工遮断器の両端電圧の時間変化とを例示する説明図である。 図８は、第４実施形態の車両用保護装置を含む車両用電源システムを概略的に例示するブロック図である。 図９は、他の実施形態の車両用保護装置を含む車両用電源システムを概略的に例示するブロック図である。 図１０は、他の実施形態の車両用保護装置を含む車両用電源システムを概略的に例示するブロック図である。 図１１は、他の実施形態の車両用保護装置を含む車両用電源システムを概略的に例示するブロック図である。
〔１〕第１導電路および第２導電路を備える車両用電源システムに用いられる車両用保護装置であって、
　前記第１導電路と前記第２導電路との間に設けられ、自身を介して前記第１導電路から前記第２導電路へ電流が流れることを許容する許容状態と遮断する遮断状態とに切り替わる半導体遮断器と、
　前記半導体遮断器を前記許容状態から前記遮断状態に切り替えさせる制御信号を出力する制御部と、
を有し、
　前記半導体遮断器に並列して、抵抗成分、インダクタンス成分、容量成分のうちの少なくともいずれかの成分を有する素子部、および過電流が流れる場合に溶断するヒューズの一方が設けられている
　車両用保護装置。
　上記の〔１〕の車両用保護装置では、半導体遮断器の許容状態から遮断状態への切り替わりに基づき、素子部又はヒューズを介して電流値の時間変化を低減させた状態で電流を流すことができる。そのため、半導体遮断器が許容状態から遮断状態に切り替わることに基づいて生じるサージ電圧を抑えることができ、半導体遮断器を保護できる。
　〔２〕〔１〕に記載の車両用保護装置において、以下の特徴を有する。前記半導体遮断器に並列して前記ヒューズが設けられており、前記車両用電源システムは、前記第１導電路に電力を供給する電源部を備え、前記ヒューズの定格電流は、前記半導体遮断器が前記許容状態であるときに前記電源部から前記第１導電路に電力が供給される際に前記第１導電路から前記第２導電路へ流れる電流よりも小さい。
　上記の〔２〕の車両用保護装置では、半導体遮断器が許容状態から遮断状態になった後、ヒューズを比較的早く溶断させて遮断させることができる。
　〔３〕〔２〕に記載の車両用保護装置において、以下の特徴を有する。前記ヒューズのインピーダンスは、前記許容状態にある前記半導体遮断器のインピーダンスよりも大きい。
　上記の〔３〕の車両用保護装置では、半導体遮断器が許容状態であるときに電源部から第１導電路に流れる電流がヒューズを介して流れることを抑制できる。
　〔４〕〔１〕から〔３〕のいずれか一つに記載の車両用保護装置において、以下の特徴を有する。前記半導体遮断器に並列して前記ヒューズが設けられており、前記制御部からの前記制御信号に基づき前記半導体遮断器が前記許容状態から前記遮断状態に切り替わった後、応答時間の経過後に前記ヒューズが溶断する。
　上記の〔４〕の車両用保護装置では、半導体遮断器が許容状態から遮断状態に切り替わった後、応答時間内においてヒューズに流れる電流値の時間変化を低減することができる。そのため、サージ電圧を抑え易くなる。
　〔５〕〔１〕から〔４〕のいずれか一つに記載の車両用保護装置において、以下の特徴を有する。前記半導体遮断器に並列して前記ヒューズが設けられており、前記半導体遮断器は、前記制御部から出力される第２制御信号に基づき、前記遮断状態から前記許容状態に切り替わり、前記第１導電路および前記第２導電路の一方を流れる電流を検出する電流検出部を有し、前記制御部は、前記電流検出部によって検出された電流が過電流状態となった場合に、前記制御信号を出力し、以下の式（１）に基づいて算出される溶断時間ｔが経過する前に、前記電流検出部によって前記過電流状態が検出されなくなった場合に、前記第２制御信号を出力する。
　　Ｅ＝Ｉ２×ｔ　…式（１）
　Ｅ：溶断するまでに必要な前記ヒューズで消費される電力値
　Ｉ：前記過電流状態となった時に前記電流検出部で検出される電流値
　ｔ：前記半導体遮断器が前記許容状態から前記遮断状態に切り替わった時から溶断するまでの時間
　上記の〔５〕の車両用保護装置では、制御部は、溶断時間ｔが経過する前に、電流検出部によって過電流状態が検出されなくなった場合に、第２制御信号を出力し、半導体遮断器を遮断状態から許容状態に切り替えることができる。そのため、半導体遮断器を遮断状態から許容状態に切り替える前に、ヒューズが溶断することを防ぐことができる。また、第１導電路および第２導電路の一方の電流値に基づいて溶断時間ｔを決定するため、溶断時間ｔを精度良く決定することができる。
　〔６〕〔１〕から〔４〕のいずれか一つに記載の車両用保護装置において、以下の特徴を有する。前記半導体遮断器に並列して前記ヒューズが設けられており、前記半導体遮断器は、前記制御部から出力される第２制御信号に基づき、前記遮断状態から前記許容状態に切り替わり、前記ヒューズにおいて電流が流れ始めてから溶断するまでの時間であって、以下の式（２）に基づいて算出される溶断時間ｔを記憶する記憶部と、前記第１導電路および前記第２導電路の一方を流れる電流を検出する電流検出部と、を有し、前記制御部は、前記電流検出部によって検出された電流が過電流状態となった場合に、前記制御信号を出力し、前記記憶部によって記憶されている溶断時間ｔが経過する前に、前記電流検出部によって前記過電流状態が検出されなくなった場合に、前記第２制御信号を出力する。
　　Ｅ＝Ｉ２×ｔ　…式（２）
　Ｅ：溶断するまでに必要な前記ヒューズで消費される電力値
　Ｉ：予め定められた電流値
　ｔ：前記半導体遮断器が前記許容状態から前記遮断状態に切り替わった時から溶断するまでの時間
　上記の〔６〕の車両用保護装置では、制御部は、溶断時間ｔが経過する前に、電流検出部によって過電流状態が検出されなくなった場合に、第２制御信号を出力し、半導体遮断器を遮断状態から許容状態に切り替えることができる。そのため、半導体遮断器を遮断状態から許容状態に切り替える前に、ヒューズが溶断することを防ぐことができる。また、予め定められた溶断時間ｔを用いることで、過電流状態の判断時における制御を容易にすることができる。
　〔７〕〔１〕に記載の車両用保護装置において、以下の特徴を有する。前記半導体遮断器に並列して、抵抗成分を有する前記素子部が設けられており、前記素子部の抵抗値は、前記半導体遮断器のオン抵抗の抵抗値よりも大きい。
　上記の〔７〕の車両用保護装置では、半導体遮断器の許容状態から遮断状態への切り替わりに基づき、抵抗成分を有する素子部を介して電流値の時間変化を低減させた状態で電流を流すことができ、短絡電流を制限することができる。そのため、半導体遮断器が許容状態から遮断状態に切り替わることに基づいて生じるサージ電圧を抑えることができ、半導体遮断器を保護できる。
　〔８〕〔１〕から〔７〕のいずれか一つに記載の車両用保護装置において、以下の特徴を有する。前記制御部から出力される第３制御信号に基づき、火薬の爆発によって断裂することで前記第１導電路および前記第２導電路の一方を遮断する火工遮断器を有し、前記半導体遮断器および前記火工遮断器は、直列に接続されており、前記制御部は、前記車両用電源システムが異常状態となった場合に、前記制御信号および前記第３制御信号を出力し、前記制御部からの前記制御信号に基づいて前記半導体遮断器が前記許容状態から前記遮断状態に切り替えられた後、前記制御部からの前記第３制御信号に基づいて前記火工遮断器によって前記第１導電路および前記第２導電路の一方を遮断させる。
　上記の〔８〕の車両用保護装置では、半導体遮断器を遮断状態として、第１導電路および第２導電路の一方を迅速に遮断できる。また、火工遮断器による第１導電路および第２導電路の一方の遮断によって、遮断時の絶縁性能を向上できる。
　＜第１実施形態＞
〔車両用電源システムの構成〕
　図１に示す車両用電源システム１００は、車両に搭載される電源システムであり、電源部１０と、負荷２０と、第１導電路３１と、第２導電路３２と、車両用保護装置４０と、を備えている。車両用電源システム１００は、電源部１０と負荷２０との間において電力が伝送される経路である第１導電路３１および第２導電路３２を介して、電源部１０から負荷２０に電力を供給し得る構成をなす。
　電源部１０は、例えば、直流電圧を生じる直流電源である。電源部１０は、第１導電路３１および第２導電路３２に電力を供給する。電源部１０として、例えば、鉛バッテリ、リチウムイオン電池、オルタネータ等の発電機等の電源手段が用いられる。電源部１０の出力電圧は、例えば電動車の駆動電圧である４００Ｖや８００Ｖ等である。電源部１０には高電位側の端子と低電位側の端子が設けられ、低電位側の端子は第１導電路３１に電気的に接続され、高電位側の端子は例えば負荷２０に電流が流れ込む導電路（図示略）に電気的に接続されている。電源部１０は、高電位側の端子に接続される導電路（図示略）に所定の出力電圧を印加する構成をなしている。なお、本明細書において、電圧とは、特に限定がない限り、グラウンドを基準とする電圧である。
　本開示において、「電気的に接続される」とは、接続対象の両方の電位が等しくなるように互いに導通した状態（電流を流せる状態）で接続される構成であることが望ましい。ただし、この構成に限定されない。例えば、「電気的に接続される」とは、両接続対象の間に電気部品が介在しつつ両接続対象が導通し得る状態で接続された構成であってもよい。
　負荷２０は、例えば、車載用の電気機器である。負荷２０は、例えば、モータ、コンプレッサー、ＰＴＣサーミスタ等である。
　第１導電路３１および第２導電路３２は、電源部１０と負荷２０との間に設けられている。第１導電路３１および第２導電路３２は、電源部１０から電力が供給される経路である。第１導電路３１および第２導電路３２は、電源部１０から負荷２０に電力を供給する際に、負荷２０から電源部１０に向かって電流が流れる経路である。具体的には、第２導電路３２から第１導電路３１に電流が流れる。第１導電路３１の一端は、電源部１０の低電位側の端子に電気的に接続されている。第１導電路３１の他端は、後述する半導体遮断器５１のソースに電気的に接続されている。第２導電路３２の一端は、後述する半導体遮断器５１のドレインに電気的に接続されている。第２導電路３２の他端は、負荷２０に電気的に接続されている。
　車両用保護装置４０は、半導体遮断器５１と、ヒューズ６０と、制御部４１と、駆動回路４２と、電流検出部４５と、を有している。
　半導体遮断器５１は、第１導電路３１と第２導電路３２の間に設けられている。半導体遮断器５１は、オンオフ動作する半導体スイッチとして構成されている。半導体遮断器５１は、例えばｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）である。半導体遮断器５１のゲートは、後述する駆動回路４２に電気的に接続されている。半導体遮断器５１のソースは、電源部１０に電気的に接続されている。半導体遮断器５１のドレインは、後述する負荷２０に電気的に接続されている。
　半導体遮断器５１は、後述する制御部４１から出力される制御信号（第１制御信号）に基づき、自身を介して第１導電路３１から第２導電路３２へ電流が流れることを許容する許容状態（オン状態）から、第１導電路３１と第２導電路３２の間を遮断する遮断状態（オフ状態）に切り替わる。具体的には、制御部４１の第１制御信号に基づき、後述する駆動回路４２からの第１電圧信号がゲートに入力された場合に、許容状態から遮断状態に切り替わる。第１制御信号は、本開示の「制御信号」に相当する。半導体遮断器５１は、後述する制御部４１から出力される制御信号（第２制御信号）に基づき、遮断状態から許容状態に切り替わる。具体的には、制御部４１の第２制御信号に基づき、駆動回路４２からの第２電圧信号がゲートに入力された場合に、遮断状態から許容状態に切り替わる。
　半導体遮断器５１の応答時間は、ヒューズ６０の応答時間よりも長い。半導体遮断器５１の応答時間とは、第１制御信号に基づく信号（第１電圧信号）を取得してから遮断が開始するまで（遮断状態となるまで）の時間である。ヒューズ６０の応答時間とは、過電流が流れ始めてから溶断が開始するまでの時間である。
　ヒューズ６０は、過電流が流れる場合に溶断する電気部品である。ヒューズ６０は、例えばサーマルヒューズである。ヒューズ６０は、第１導電路３１と第２導電路３２の間において半導体遮断器５１に並列して設けられている。ヒューズ６０の一端は、半導体遮断器５１のソースに電気的に接続されている。ヒューズ６０の他端は、半導体遮断器５１のドレインに電気的に接続されている。
　ヒューズ６０の定格電流は、半導体遮断器５１が許容状態であるときに電源部１０から第１導電路３１に電力が供給される際に第１導電路３１から第２導電路３２に流れる電流（電源部１０から負荷２０に半導体遮断器５１を介して流れる電流）よりも小さい。ヒューズ６０の定格電流とは、その電流を定常的に印加した場合に溶断しない電流値である。また、ヒューズ６０の定格電流とは、その電流値よりも大きな電流を流した場合に所定時間の経過後に溶断する電流値である。例えば、電源部１０から第１導電路３１に流れる電流値が２００Ａ、５００Ａ等である場合、ヒューズ６０の定格電流は、６０Ａ、１００Ａ等である。過電流がヒューズ６０に流れる場合に、ヒューズ６０が溶断し易くなる。これにより、半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態になった後、ヒューズ６０を比較的早く溶断させて遮断させることができる。
　ヒューズ６０の遮断特性（溶断特性）は、どの程度の電流値の電流がどの程度の時間継続して流れた場合に溶断するかを定めたものである。ヒューズ６０に定格電流を超える電流が流れると、ヒューズ６０の溶断特性により所定時間の経過後にヒューズ６０が溶断する。
　ヒューズ６０のインピーダンスは、許容状態にある半導体遮断器５１のインピーダンスよりも大きい。許容状態にある半導体遮断器５１のインピーダンスとは、例えば半導体遮断器５１のオン抵抗が含まれる。半導体遮断器５１が許容状態にあるときに、半導体遮断器５１を介して流れる電流の方がヒューズ６０を介して流れる電流よりも大きい。半導体遮断器５１が許容状態であるときに電源部１０から第１導電路３１に流れる電流が、ヒューズ６０を介して流れることを抑制できる。
　制御部４１は、電源部１０から負荷２０に電力を供給する動作を制御する。制御部４１は、情報処理機能、演算機能、制御機能などを有する情報処理装置である。制御部４１は、例えばマイクロコンピュータを主体として構成されており、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置、ＲＯＭ（Read Only Memory）又はＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリ、Ａ／Ｄ変換器等を有している。
　制御部４１は、半導体遮断器５１のオンオフ動作を制御する。制御部４１は、第１制御信号を出力して半導体遮断器５１を許容状態から遮断状態に切り替えさせる。制御部４１は、第１制御信号とは異なる第２制御信号を出力して、半導体遮断器５１を遮断状態から許容状態に切り替えさせる。例えば、第１制御信号がローレベル信号（例えば、０Ｖ）であり、第２制御信号がハイレベル信号（ローレベル信号よりも電圧が大きい信号）である。
　駆動回路４２は、制御部４１の出力端子と、半導体遮断器５１のゲートとに電気的に接続されている。駆動回路４２は、例えばゲートドライバ回路であり、抵抗、ダイオード、バイポーラトランジスタ等を用いた様々な回路構成を採用できる。駆動回路４２は、制御部４１からの制御信号が入力される。駆動回路４２は、半導体遮断器５１をオフ状態にするための第１電圧信号（例えば、ローレベル信号）の出力と、半導体遮断器５１をオン状態にするための第２電圧信号（例えば、ハイレベル信号）の出力と、を切り替え得る回路である。制御部４１が第１制御信号を出力している場合に、駆動回路４２が第１電圧信号を出力し、半導体遮断器５１がオフ状態で維持される。制御部４１の出力が第２制御信号から第１制御信号に切り替わった時に、駆動回路４２から第１電圧信号が出力され、半導体遮断器５１がオン状態からオフ状態に切り替わる。制御部４１が第２制御信号を出力している場合に、駆動回路４２が第３電圧信号を出力し、半導体遮断器５１がオン状態で維持される。第２制御信号（例えば、ハイレベル信号）は、半導体遮断器５１のゲート閾値電圧を上回る大きさの電圧信号である。
　電流検出部４５は、第１導電路３１の電流値を検出する。電流検出部４５が検出する電流値は、第１導電路３１の電流値を特定できる値（具体的にはアナログ電圧値）である。電流検出部４５は、例えば電流検出回路として構成されている。具体的には、電流検出部４５は、電源部１０と半導体遮断器５１との間に設けられている。電流検出部４５で検出された電流値は、制御部４１に出力される。
〔車両用保護装置の動作〕
　次に、図２、３等を参照しつつ、車両用保護装置４０の動作の一例について説明する。図２に示すフローチャートは、所定の開始条件成立時に、制御部４１によって実行される制御である。所定の開始条件成立時は、車両用電源システム１００が搭載された車両を始動させる始動条件が成立したこと（例えば、イグニッションスイッチなどの始動スイッチがオフ状態からオン状態に切り替わったこと）であってもよく、車両用保護装置４０（具体的には、制御部４１）に電力が供給され始めたことであってもよく、その他の条件であってもよい。始動スイッチがオン状態に切り替わったことを示す始動信号は、例えば外部装置（例えば、外部のＥＣＵ（Electronic Control Unit））から制御部４１に与えられるようになっている。
　例えば、図２に示す制御を開始する前には、制御部４１が第１制御信号（例えば、ローレベル信号）を出力しており、駆動回路４２が第１電圧信号を出力しており、半導体遮断器５１がオフ状態で維持されている。
　制御部４１は、まず、ステップＳ１１において、第２制御信号（例えば、ハイレベル信号）を出力する。これにより、第２制御信号が駆動回路４２に入力され、駆動回路４２から半導体遮断器５１に第２電圧信号（例えば、ハイレベル信号）が出力される。そして、半導体遮断器５１は、第２制御信号に基づき入力される第２電圧信号によって、遮断状態から許容状態に切り替わる。これにより、電源部１０から負荷２０に電力が供給し得る状態となる。
　ここで、ヒューズ６０のインピーダンスは、許容状態にある半導体遮断器５１のインピーダンスよりも大きい。そのため、半導体遮断器５１が許容状態であるときに電源部１０から第１導電路３１に流れる電流がヒューズ６０を介して流れることを抑制できる。
　続くステップＳ１２において、制御部４１は、第１導電路３１が過電流状態か否か判断する。過電流状態とは、第１導電路３１の電流値が増大状態となることである。第１導電路３１の電流値の増大状態とは、例えば、第１導電路３１の電流値が予め定められた閾値を超えた状態、第１導電路３１の電流値の増加速度が予め定められた閾値を超えた状態などである。第１導電路３１の過電流状態は、予め定められた異常状態の一例である。
　制御部４１は、第１導電路３１が過電流状態であると判断するまで、ステップＳ１２の処理を繰り返し行う。制御部４１は第１導電路３１が過電流状態であると判断すると（ステップＳ１２でＹｅｓ）、ステップＳ１３で、過電流状態が検出した時点から一定時間継続したか否か判断する。制御部４１は、過電流状態が一定時間継続していない（過電流状態の検出時点からの一定時間内に過電流状態が解消された）と判断する場合、ステップＳ１３でＮｏに進み、再びステップＳ１２の処理を行う。
　一方で、制御部４１は、ステップＳ１３で、過電流状態が一定時間継続した（過電流状態の検出時点からの一定時間内に過電流状態が検出されていない）と判断する場合、Ｙｅｓに進み、異常状態を検知したと判断する（ステップＳ１４）。
　続くステップＳ１５で、制御部４１は、第１制御信号（例えば、ローレベル信号）を出力する。これにより、第１制御信号が駆動回路４２に入力され、駆動回路４２から半導体遮断器５１に第１電圧信号（例えば、ローレベル信号）が出力される。そして、半導体遮断器５１は、第１制御信号に基づき入力される第１電圧信号によって、許容状態から遮断状態に切り替わる。これにより、半導体遮断器５１によって、第１導電路３１と第２導電路３２との間を迅速に遮断できる。
　続くステップＳ１６で、制御部４１は、ステップＳ１２で第１導電路３１の過電流状態を検出した時点から所定の経過時間内に過電流状態が解消されたか否か判断する。すなわち、制御部４１は、所定の経過時間内に、第１導電路３１の過電流状態が検出されなくなったか否か判断する。例えば、第１導電路３１の過電流状態が検出されなくなる場合とは、第１導電路３１の電流値が予め定められた閾値を下回った場合、第１導電路３１の電流値の低下速度が予め定められた閾値を超えた場合などである。
　ここで、ステップＳ１６における所定の経過時間とは、ヒューズ６０の溶断時間ｔよりも短い時間である。ヒューズ６０の溶断時間ｔは、以下の式（１）に基づいて算出される。
　　Ｅ＝Ｉ２×ｔ　…式（１）
　Ｅ：溶断するまでに必要なヒューズ６０で消費される電力値
　Ｉ：第１導電路３１が過電流状態となった時に電流検出部４５で検出される電流値
　ｔ：半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態に切り替わった時から溶断するまでの時間
　上記式（１）のＥは、例えば固定値として制御部４１で予め設定されている。したがって、電流検出部４５で電流値Ｉが検出され場合に、既知の電力値Ｅを用いて、上記式（１）から、ヒューズ６０の溶断時間ｔが算出される。
　制御部４１は、ステップＳ１６で、所定の経過時間内に第１導電路３１の過電流状態が解消されたと判断する場合、Ｙｅｓに進み、再びステップＳ１１の処理を行う。すなわち、制御部４１は、半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態に切り替わった後（ステップＳ１５の処理の後）、所定の経過時間内に電流検出部４５によって第１導電路３１の過電流状態が検出されなくなった場合に、第２制御信号を出力して半導体遮断器５１を遮断状態から許容状態に切り替える（ステップＳ１１）。
　制御部４１は、ステップＳ１６でＹｅｓに進む場合、ヒューズ６０の溶断時間ｔが経過する前に、第２制御信号を出力し、半導体遮断器５１を遮断状態から許容状態に切り替えることができる。そのため、半導体遮断器５１を遮断状態から許容状態に切り替える前に、ヒューズ６０が溶断することを防ぐことができる。また、第１導電路３１の電流値に基づいて溶断時間ｔを決定するため、溶断時間ｔを精度良く決定することができる。
　一方で、制御部４１は、ステップＳ１６で、所定の経過時間内に第１導電路３１の過電流状態が解消されていないと判断する場合、Ｎｏに進み、図２の制御を終了する。
　図３は、ステップＳ１５で制御部４１が第１制御信号を出力した後の、第１導電路３１の電流値の時間変化と、半導体遮断器５１の両端電圧（ソース－ドレイン間電圧）の時間変化を示している。図３に示すように、時間ｔ１で、制御部４１が第１制御信号を出力している。時間ｔ２で、半導体遮断器５１の応答時間（第１電圧信号を取得してから遮断が開始するまでの時間）が経過し、半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態に切り替わっている。
　半導体遮断器５１が遮断状態となった時点の時間ｔ２から、ヒューズ６０に電流が流れ始める。時間ｔ２から時間ｔ３までの間が、ヒューズ６０の応答時間（電流が流れ始めて溶断が開始するまでの時間）である。すなわち、制御部４１からの制御信号に基づき半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態に切り替わった後、応答時間の経過後にヒューズ６０が溶断する構成となっている。
　時間ｔ３から、第１導電路３１の電流値が小さくなり、第１導電路３１等のインダクタンスによるサージ電圧等によって半導体遮断器５１の両端電圧が大きくなる。しかしながら、半導体遮断器５１が遮断状態となった後、応答時間内においてヒューズ６０によって電流値の時間変化（電流値を時間微分した値）を低減させた状態で電流を流すことができる。すなわち、サージ電圧の大きさは、第１導電路３１等の配線インダクタンスＬ（μＨ）と電流値の時間変化（電流傾きｄｉ／ｄｔ）によって決まるが、ヒューズ６０による遮断時の電流値の時間変化（電流傾きｄｉ／ｄｔ）が、半導体遮断器５１の遮断時の電流値の時間変化（電流傾きｄｉ／ｄｔ）よりも小さいことで、におけるサージ電圧の発生を抑制できる。そのため、半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態に切り替わることに基づいて生じるサージ電圧を抑えることができ、半導体遮断器５１を保護できる。
〔第１実施形態の効果〕
　次の説明は、第１実施形態の効果の一例に関する。
　車両用保護装置４０では、半導体遮断器５１に並列して、過電流が流れる場合に溶断するヒューズ６０が設けられている。これにより、車両用保護装置４０では、半導体遮断器５１の許容状態から遮断状態に切り替わりに基づき、ヒューズ６０を介して電流値の時間変化を低減させた状態で電流を流すことができる。そのため、半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態に切り替わることに基づいて生じるサージ電圧を抑えることができ、半導体遮断器５１を保護できる。また、車両用保護装置４０では、複数の半導体遮断器を直列又は並列に接続する構成や、サージ電圧以上の耐量をもつ半導体遮断器を用いる構成等を採用しないため、大型化および高コスト化を回避しながら半導体遮断器５１を保護することができる。
　さらに、車両用電源システム１００は、第１導電路３１に電力を供給する電源部１０を備えている。ヒューズ６０の定格電流は、半導体遮断器５１が許容状態であるときに電源部１０から第１導電路３１に電力が供給される際に第１導電路３１から第２導電路３２に流れる電流よりも小さい。これにより、車両用保護装置４０では、半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態になった後、ヒューズ６０を比較的早く溶断させて遮断させることができる。
　さらに、車両用保護装置４０では、ヒューズ６０のインピーダンスは、許容状態にある半導体遮断器５１のインピーダンスよりも大きい。これにより、車両用保護装置４０では、半導体遮断器５１が許容状態であるときに電源部１０から第１導電路３１に流れる電流がヒューズ６０を介して流れることを抑制できる。
　さらに、車両用保護装置４０では、半導体遮断器５１に並列してヒューズ６０が設けられており、制御部４１からの制御信号に基づき半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態に切り替わった後、応答時間の経過後にヒューズ６０が溶断する。これにより、車両用保護装置４０では、半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態に切り替わった後、応答時間内においてヒューズ６０に流れる電流値の時間変化を低減することができる。そのため、サージ電圧を抑え易くなる。
　さらに、車両用保護装置４０において、半導体遮断器５１は、制御部４１から出力される第２制御信号に基づき、遮断状態から許容状態に切り替わる。車両用保護装置４０は、第１導電路３１を流れる電流を検出する電流検出部４５を有している。制御部４１は、電流検出部４５によって検出された電流が過電流状態となった場合に、第１制御信号を出力し、以下の式（１）に基づいて算出される溶断時間ｔが経過する前に、電流検出部４５によって過電流状態が検出されなくなった場合に、第２制御信号を出力する
　　Ｅ＝Ｉ２×ｔ　…式（１）
　Ｅ：溶断するまでに必要なヒューズ６０で消費される電力値
　Ｉ：過電流状態となった時に電流検出部４５で検出される電流値
　ｔ：半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態に切り替わった時から溶断するまでの時間
　これにより、制御部４１は、溶断時間ｔが経過する前に、電流検出部４５によって過電流状態が検出されなくなった場合に、第２制御信号を出力し、半導体遮断器５１を遮断状態から許容状態に切り替えることができる。そのため、半導体遮断器５１を遮断状態から許容状態に切り替える前に、ヒューズ６０が溶断することを防ぐことができる。また、第１導電路３１の電流値に基づいて溶断時間ｔを決定するため、溶断時間ｔを精度良く決定することができる。
　＜第２実施形態＞
　第２実施形態の車両用電源システム２００は、主に火工遮断器２５２を設ける点で第１実施形態と異なり、その他の点では共通する。なお、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳しい説明を省略する。
　図４に示すように、車両用電源システム２００は、電源部１０と、負荷２０と、第１導電路３１と、第２導電路３２と、車両用保護装置２４０と、を備えている。車両用保護装置２４０は、半導体遮断器５１と、火工遮断器２５２と、ヒューズ６０と、制御部４１と、第１駆動回路２４２と、第２駆動回路２４３と、電流検出部４５と、を有している。
　火工遮断器２５２は、第１導電路３１に設けられている。半導体遮断器５１と火工遮断器２５２は、直列に接続されている。火工遮断器２５２は、半導体遮断器５１よりも低電位側（電源部１０側）に設けられている。火工遮断器２５２は、制御信号に基づき第１導電路３１を物理的に切断する遮断器である。火工遮断器２５２は、後述する制御部４１から出力される第２制御信号に基づき、火薬の爆発によって断裂することで第１導電路３１を遮断するパイロヒューズ（ＰＹＲＯＦＵＳＥ（登録商標））である。具体的には、火工遮断器２５２は、制御部４１から出力される第２制御信号に基づき、後述する第２駆動回路２４３からの第３電圧信号が入力された場合に、爆発を生じさせ、この爆発によって変位部を移動させることで経路を物理的に切断する。火工遮断器２５２の一端は、電源部１０に電気的に接続されている。火工遮断器２５２の他端は、半導体遮断器５１のソースに電気的に接続されている。
　半導体遮断器５１の応答時間は、火工遮断器２５２の応答時間よりも短い。半導体遮断器５１の応答時間とは、第１制御信号に基づく信号（第１電圧信号）を取得してから遮断が開始するまで（遮断状態となるまで）の時間である。火工遮断器２５２の応答時間とは、第３制御信号に基づく信号（第３電圧信号）を取得してから遮断が開始するまでの時間である。
　制御部４１は、火工遮断器２５２の遮断動作を制御する。制御部４１は、第３制御信号を出力して火工遮断器２５２によって第１導電路３１を遮断させる。制御部４１は、第３制御信号とは異なる第４制御信号を出力している間、火工遮断器２５２による第１導電路３１の遮断を行わせない。第３制御信号は、第１制御信号の電圧レベルおよび第２制御信号の電圧レベルの一方と同じであってもよく、異なっていてもよい。第３制御信号は、例えば、第２制御信号と同じ電圧レベルの信号（ハイレベル信号）である。第４制御信号は、第１制御信号の電圧レベルおよび第２制御信号の電圧レベルの一方と同じであってもよく、異なっていてもよい。第４制御信号は、例えば第１制御信号と同じ電圧レベルの信号（ローレベル信号）である。
　第１駆動回路２４２は、第１実施形態の駆動回路４２と同様の構成である。第２駆動回路２４３は、制御部４１の出力端子と、火工遮断器２５２とに電気的に接続されている。第２駆動回路２４３は、抵抗、ダイオード、バイポーラトランジスタ等を用いた様々な回路構成を採用できる。第２駆動回路２４３は、制御部４１からの制御信号が入力される。第２駆動回路２４３は、火工遮断器２５２に遮断動作させない状態にするための第４電圧信号（例えば、ローレベル信号）の出力から、火工遮断器２５２に遮断動作させるための第３電圧信号（例えば、ハイレベル信号）の出力に切り替え得る回路である。火工遮断器２５２が遮断動作を行っていない状態において、制御部４１が第４制御信号を出力している場合に、第２駆動回路２４３が第４電圧信号を出力し、火工遮断器２５２が遮断動作しない状態が維持される。制御部４１が第３制御信号を出力する場合に、第２駆動回路２４３が第３電圧信号を出力し、火工遮断器２５２が遮断動作を行う。
〔車両用保護装置の動作〕
　次に、図５等を参照しつつ、第２実施形態における車両用保護装置２４０の動作の一例について説明する。図５に示すフローチャートは、第２実施形態における車両用保護装置２４０において、所定の開始条件成立時に、制御部４１によって実行される制御である。所定の開始条件は、第１実施形態で説明した条件と同様の条件である。
　図５のステップＳ１１～Ｓ１６は、第１実施形態のステップＳ１１～Ｓ１６と同様であり、詳しい説明を省略する。
　制御部４１は、ステップＳ１６で、所定の経過時間内に第１導電路３１の過電流状態が解消されていないと判断する場合、Ｎｏに進み、ステップＳ２１の処理を行う。制御部４１は、ステップＳ２１で、第３制御信号（例えば、ハイレベル信号）を出力する。このように、制御部４１は、半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態に切り替わった後、所定の経過時間内で電流検出部４５によって第１導電路３１の過電流状態が検出され続けた場合に、第３制御信号を出力する。ステップＳ２１の処理の後、制御部４１は、図５の制御を終了する。
　第３制御信号が第２駆動回路２４３に入力され、第２駆動回路２４３から火工遮断器２５２に第３電圧信号（例えば、ハイレベル信号）が出力される。そして、火工遮断器２５２は、第３制御信号に基づき入力される第３電圧信号によって、遮断動作を行う（断裂させて第１導電路３１を遮断する）。これにより、火工遮断器２５２によって、第１導電路３１の遮断時における絶縁性能を向上できる。また、ヒューズ６０が遮断を完了するまでの時間は比較的大きいが、火工遮断器２５２によってより高速な遮断の完了が可能となる。ヒューズ６０の遮断遷移後、火工遮断器２５２が遮断することで第１導電路３１および第２導電路３２における電流値の時間変化（電流傾きｄｉ／ｄｔ）が大きくなるが、サージ電圧の発生は火工遮断器２５２の両端で生じるため、半導体遮断器５１を保護可能である。
〔第２実施形態の効果〕
　次の説明は、第２実施形態の効果の一例に関する。
　車両用保護装置４０では、制御部４１から出力される第３制御信号に基づき、火薬の爆発によって断裂することで第１導電路３１を遮断する火工遮断器２５２を有している。半導体遮断器５１および火工遮断器２５２は、第１導電路３１において直列に接続されている。制御部４１は、車両用電源システム１００が異常状態となった場合に、第１制御信号および第２制御信号を出力する。制御部４１からの制御信号に基づいて半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態に切り替えられた後、制御部４１からの第３制御信号に基づいて火工遮断器２５２によって第１導電路３１を遮断させる。これにより、半導体遮断器５１を遮断状態として、第１導電路３１を迅速に遮断できる。また、火工遮断器２５２による第１導電路３１の遮断によって、遮断時の絶縁性能を向上できる。
　＜第３実施形態＞
　第３実施形態の車両用電源システムは、車両用保護装置の動作の点で第２実施形態と異なり、その他の点では共通する。なお、第２実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳しい説明を省略する。
　図６等を参照しつつ、第３実施形態における車両用保護装置２４０の動作の一例について説明する。図６に示すフローチャートは、第３実施形態における車両用保護装置２４０において、所定の開始条件成立時に、制御部４１によって実行される制御である。所定の開始条件は、第１実施形態で説明した条件と同様の条件である。
　図６のステップＳ１１～Ｓ１４は、第１実施形態のステップＳ１１～Ｓ１４と同様であり、詳しい説明を省略する。制御部４１は、ステップＳ１４で異常状態を検知したと判断した後、ステップＳ３１で、第１制御信号（例えば、ローレベル信号）および第３制御信号（例えば、ハイレベル信号）を出力する。
　図７は、ステップＳ３１で制御部４１が第１制御信号および第３制御信号を出力した後の、第１導電路３１の電流値の時間変化と、半導体遮断器５１の両端電圧（ソース－ドレイン間電圧）の時間変化と、火工遮断器２５２の両端電圧の時間変化と、を示している。図７に示すように、時間ｔ１１で、制御部４１が第１制御信号および第３制御信号を出力している。時間ｔ１２で、半導体遮断器５１の応答時間（第１制御信号を取得してから遮断が開始するまでの時間）が経過し、半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態に切り替わっている。
　半導体遮断器５１が遮断状態となった時点の時間ｔ１２から、ヒューズ６０に電流が流れ始める。時間ｔ１２から時間ｔ１３までの間が、ヒューズ６０の応答時間（電流が流れ始めて溶断が開始するまでの時間）である。
　時間ｔ１３から、第１導電路３１の電流値が小さくなり、第１導電路３１等のインダクタンスによるサージ電圧等によって半導体遮断器５１の両端電圧が大きくなる。しかしながら、半導体遮断器５１が遮断状態となった後、ヒューズ６０によって電流変化を小さくしつつ電流を流すことができる。そのため、サージ電圧を小さく抑えることができ、サージ電圧から半導体遮断器５１を保護できる。
　時間ｔ１４で、火工遮断器２５２の応答時間（第２電圧信号を取得してから遮断が開始するまでの時間）が経過し、火工遮断器２５２が遮断動作を開始させる（断裂して第１導電路３１を遮断する）。
　ここで、車両用保護装置２４０において、半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態に切り替わった後、半導体遮断器５１に印加される電圧（両端電圧）が絶対最大定格を超えることなく、火工遮断器２５２が第１導電路３１を遮断する構成となっている。時間ｔ１３の経過後、半導体遮断器５１の両端電圧が増加しても、半導体遮断器５１の両端電圧が絶対最大定格を超えることなく火工遮断器２５２が第１導電路３１を遮断するため、半導体遮断器５１に絶対最大定格を超える電圧が印加されることを抑制することができる。
　＜第４実施形態＞
　第４実施形態の車両用電源システム４００は、ヒューズ６０の代わりに抵抗器４６０を設ける点で第１実施形態と異なり、その他の点では共通する。なお、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳しい説明を省略する。
　図８に示すように、車両用電源システム４００は、電源部１０と、負荷２０と、第１導電路３１と、第２導電路３２と、車両用保護装置４４０と、を備えている。車両用保護装置４４０は、半導体遮断器５１と、抵抗器４６０と、制御部４１と、駆動回路４２と、電流検出部４５と、を有している。
　抵抗器４６０は、抵抗性分を有する素子部（電気抵抗素子）である。抵抗器４６０は、第１導電路３１と第２導電路３２の間において、半導体遮断器５１に並列して設けられている。抵抗器４６０は、抵抗器４６０の一端は、半導体遮断器５１のソースに電気的に接続されている。抵抗器４６０の他端は、半導体遮断器５１のドレインに電気的に接続されている。なお、抵抗器４６０は、可変抵抗器であってもよい。
　抵抗器４６０の抵抗値は、５０ｍΩであり、周辺部品の耐量に合わせて設定可能である。電源部１０の出力電圧が４００Ｖであるとき、半導体遮断器５１が遮断状態となった場合に、８０００Ａ以上の電流を流さないように制限することができる。
　抵抗器４６０のインピーダンスは、許容状態にある半導体遮断器５１のインピーダンスよりも大きい。許容状態にある半導体遮断器５１のインピーダンスとは、例えば半導体遮断器５１のオン抵抗が含まれる。すなわち、抵抗器４６０の抵抗値は、半導体遮断器５１のオン抵抗の抵抗値よりも大きい。
　より具体的には、抵抗器４６０の抵抗値が半導体遮断器５１のオン抵抗の抵抗値よりもはるかに大きいため、半導体遮断器５１が許容状態であるときに電源部１０から第１導電路３１に流れる電流が抵抗器４６０を介して流れることを抑制できる。半導体遮断器５１が遮断状態であるときには、電源部１０から第１導電路３１に流れる電流（所望のピーク電流）は、電源部１０の出力電圧を抵抗器４６０の抵抗値（制限抵抗値）で除した値となる。
　第４実施形態の車両用保護装置４４０は、第１実施形態の車両用保護装置４０と同様の効果を奏する。半導体遮断器５１の許容状態から遮断状態への切り替わりに基づき、抵抗器４６０を介して電流値の時間変化を低減させた状態で電流を流すことができ、短絡電流を制限することができる。そのため、半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態に切り替わることに基づいて生じるサージ電圧を抑えることができ、半導体遮断器５１を保護できる。
　＜他の実施形態＞
　本開示は、上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述又は後述の実施形態の特徴は、矛盾しない範囲であらゆる組み合わせが可能である。また、上述又は後述の実施形態のいずれの特徴も、必須のものとして明示されていなければ省略することもできる。更に、上述した実施形態は、次のように変更されてもよい。
　上記第１実施形態において、第１導電路３１が電源部１０の低電位側の端子に接続される構成を例示したが、図９に示す車両用電源システム５００のように、第１導電路３１が電源部１０の高電位側の端子に接続される構成であってもよい。図９の構成では、半導体遮断器５５１のソースが負荷２０に電気的に接続されている。半導体遮断器５５１のドレインは、電源部１０に電気的に接続されている。
　上記第２実施形態において、第１導電路３１が電源部１０の低電位側の端子に接続される構成を例示したが、図１０に示す車両用電源システム６００のように、第１導電路３１が電源部１０の高電位側の端子に接続される構成であってもよい。図１０の構成では、半導体遮断器６５１のソースが負荷２０に電気的に接続されている。半導体遮断器６５１のドレインは、火工遮断器２５２に電気的に接続されている。
　上記第４実施形態において、第１導電路３１が電源部１０の低電位側の端子に接続される構成を例示したが、図１１に示す車両用電源システム７００のように、第１導電路３１が電源部１０の高電位側の端子に接続される構成であってもよい。図１１の構成では、半導体遮断器７５１のソースが負荷２０に電気的に接続されている。半導体遮断器７５１のドレインは、電源部１０に電気的に接続されている。
　上記第１～第４実施形態において、電流検出部４５で検出される電流値Ｉを用いて上記式（１）からヒューズ６０の溶断時間ｔを算出する例を示したが、溶断時間ｔとして予め定められた時間を用いてもよい。例えば、制御部４１は、以下の式（２）に基づいて算出される溶断時間ｔを記憶する。制御部４１は、本開示の「記憶部」の一例に相当する。
　　Ｅ＝Ｉ２×ｔ　…式（２）
　Ｅ：溶断するまでに必要なヒューズ６０で消費される電力値
　Ｉ：予め定められた電流値
　ｔ：半導体遮断器５１が許容状態から遮断状態に切り替わった時から溶断するまでの時間
　このように、予め定められた溶断時間ｔを用いることで、過電流状態の判断時における制御を容易にすることができる。
　上記第１～第４実施形態において、予め定められた異常状態（ステップＳ１２で判断する状態）の一例として、第１導電路３１が過電流状態となることを示したが、その他の異常状態であってもよい。例えば、予め定められた異常状態として、車両の異常状態（車両の衝突など）を検知した状態であってもよい。例えば、車両が異常状態（車両の衝突など）であることを示す信号が外部装置（例えば、外部のＥＣＵ（Electronic Control Unit））から制御部４１に与えられるようになっている。制御部４１は、このような信号を受けた場合に、予め定められた異常状態であると判断してもよい。
　上記第４実施形態において、半導体遮断器５１と並列に抵抗器４６０が設けられる例を示したが、半導体遮断器５１と並列に抵抗性分、インダクタンス成分、容量成分のうちの少なくともいずれかの成分を有する素子部が設けられていてもよい。インダクタンス成分を有する素子部は、例えばコイルである。容量成分を有する素子部は、例えばコンデンサである。例えば、抵抗器、コイル、コンデンサのうち２つ以上が直列接続又は並列接続された構成が、半導体遮断器５１と並列に設けられていてもよい。
　上記第１～第４実施形態において、半導体遮断器５１が、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである構成を例示したが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等、その他の半導体スイッチであってもよい。
　上記第１～第４実施形態において、負荷２０の代わりに充電器を第１導電路３１に接続するように設ける構成としてもよい。
　上記第１、第４実施形態において、電流検出部４５が、第１導電路３１に設けられていたが、第２導電路３２に設けてもよい。上記第２、第３実施形態において、電流検出部４５が、第１導電路３１において電源部１０と火工遮断器２５２との間に設けられていたが、第１導電路３１における火工遮断器２５２と半導体遮断器５１との間や、第２導電路３２における半導体遮断器５１と負荷２０との間に設けてもよい。
　上記第１～第３実施形態において、ヒューズ６０の代わりに、ヒューズよりも抵抗の大きなヒューズ抵抗を設けてもよい。
　なお、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、今回開示された実施の形態に限定されるものではなく、請求の範囲によって示された範囲内又は請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
１０…電源部
２０…負荷
３１…第１導電路
３２…第２導電路
４０…車両用保護装置
４１…制御部（記憶部）
４２…駆動回路
４５…電流検出部
５１…半導体遮断器
６０…ヒューズ
１００…車両用電源システム
２００…車両用電源システム
２４０…車両用保護装置
２４２…第１駆動回路
２４３…第２駆動回路
２５２…火工遮断器
４００…車両用電源システム
４４０…車両用保護装置
４６０…抵抗器
５００…車両用電源システム
５５１…半導体遮断器
６００…車両用電源システム
６５１…半導体遮断器
７００…車両用電源システム
７５１…半導体遮断器

Claims (8)

  1. 　第１導電路および第２導電路を備える車両用電源システムに用いられる車両用保護装置であって、
    　前記第１導電路と前記第２導電路との間に設けられ、自身を介して前記第１導電路から前記第２導電路へ電流が流れることを許容する許容状態と遮断する遮断状態とに切り替わる半導体遮断器と、
    　前記半導体遮断器を前記許容状態から前記遮断状態に切り替えさせる制御信号を出力する制御部と、
    を有し、
    　前記半導体遮断器に並列して、抵抗成分、インダクタンス成分、容量成分のうちの少なくともいずれかの成分を有する素子部、および過電流が流れる場合に溶断するヒューズの一方が設けられている
    　車両用保護装置。
  2. 　前記半導体遮断器に並列して前記ヒューズが設けられており、
    　前記車両用電源システムは、前記第１導電路に電力を供給する電源部を備え、
    　前記ヒューズの定格電流は、前記半導体遮断器が前記許容状態であるときに前記電源部から前記第１導電路に電力が供給される際に前記第１導電路から前記第２導電路へ流れる電流よりも小さい
    　請求項１に記載の車両用保護装置。
  3. 　前記ヒューズのインピーダンスは、前記許容状態にある前記半導体遮断器のインピーダンスよりも大きい
    　請求項２に記載の車両用保護装置。
  4. 　前記半導体遮断器に並列して前記ヒューズが設けられており、
    　前記制御部からの前記制御信号に基づき前記半導体遮断器が前記許容状態から前記遮断状態に切り替わった後、応答時間の経過後に前記ヒューズが溶断する
    　請求項１又は請求項２に記載の車両用保護装置。
  5. 　前記半導体遮断器に並列して前記ヒューズが設けられており、
    　前記半導体遮断器は、前記制御部から出力される第２制御信号に基づき、前記遮断状態から前記許容状態に切り替わり、
    　前記第１導電路および前記第２導電路の一方を流れる電流を検出する電流検出部を有し、
    　前記制御部は、
    　前記電流検出部によって検出された電流が過電流状態となった場合に、前記制御信号を出力し、
    　以下の式（１）に基づいて算出される溶断時間ｔが経過する前に、前記電流検出部によって前記過電流状態が検出されなくなった場合に、前記第２制御信号を出力する
    　請求項１又は請求項２に記載の車両用保護装置。
    　　Ｅ＝Ｉ２×ｔ　…式（１）
    　Ｅ：溶断するまでに必要な前記ヒューズで消費される電力値
    　Ｉ：前記過電流状態となった時に前記電流検出部で検出される電流値
    　ｔ：前記半導体遮断器が前記許容状態から前記遮断状態に切り替わった時から溶断するまでの時間
  6. 　前記半導体遮断器に並列して前記ヒューズが設けられており、
    　前記半導体遮断器は、前記制御部から出力される第２制御信号に基づき、前記遮断状態から前記許容状態に切り替わり、
    　前記ヒューズにおいて電流が流れ始めてから溶断するまでの時間であって、以下の式（２）に基づいて算出される溶断時間ｔを記憶する記憶部と、
    　前記第１導電路および前記第２導電路の一方を流れる電流を検出する電流検出部と、
    　を有し、
    　前記制御部は、
    　前記電流検出部によって検出された電流が過電流状態となった場合に、前記制御信号を出力し、
    　前記記憶部によって記憶されている溶断時間ｔが経過する前に、前記電流検出部によって前記過電流状態が検出されなくなった場合に、前記第２制御信号を出力する
    　請求項１又は請求項２に記載の車両用保護装置。
    　　Ｅ＝Ｉ２×ｔ　…式（２）
    　Ｅ：溶断するまでに必要な前記ヒューズで消費される電力値
    　Ｉ：予め定められた電流値
    　ｔ：前記半導体遮断器が前記許容状態から前記遮断状態に切り替わった時から溶断するまでの時間
  7. 　前記半導体遮断器に並列して、抵抗成分を有する前記素子部が設けられており、
    　前記素子部の抵抗値は、前記半導体遮断器のオン抵抗の抵抗値よりも大きい
    　請求項１に記載の車両用保護装置。
  8. 　前記制御部から出力される第３制御信号に基づき、火薬の爆発によって断裂することで前記第１導電路および前記第２導電路の一方を遮断する火工遮断器を有し、
    　前記半導体遮断器および前記火工遮断器は、直列に接続されており、
    　前記制御部は、前記車両用電源システムが異常状態となった場合に、前記制御信号および前記第３制御信号を出力し、
    　前記制御部からの前記制御信号に基づいて前記半導体遮断器が前記許容状態から前記遮断状態に切り替えられた後、前記制御部からの前記第３制御信号に基づいて前記火工遮断器によって前記第１導電路および前記第２導電路の一方を遮断させる
    　請求項１又は請求項２に記載の車両用保護装置。
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