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JP2017188983A - 電源供給装置 - Google Patents

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JP2017188983A
JP2017188983A JP2016074420A JP2016074420A JP2017188983A JP 2017188983 A JP2017188983 A JP 2017188983A JP 2016074420 A JP2016074420 A JP 2016074420A JP 2016074420 A JP2016074420 A JP 2016074420A JP 2017188983 A JP2017188983 A JP 2017188983A
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浩一 横山
Koichi Yokoyama
浩一 横山
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Furukawa Electric Co Ltd
Furukawa Automotive Systems Inc
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
Furukawa Automotive Systems Inc
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Abstract

【課題】半導体スイッチの故障を検出すること。【解決手段】負荷に供給する電源電力をオン/オフする半導体スイッチ12と、負荷に流れる電流を検出する電流検出手段(電流検出部13)と、負荷に供給される電流の限界値を示す閾値であって時間の経過とともにその値が減少する閾値である変動閾値と、検出された電流とを比較し、電流が変動閾値を上回ったか否かを判定する判定手段(時定数回路14、異常判定部15)と、変動閾値を生成する時定数回路14と、電流が変動閾値を上回ったと判定された場合には、半導体スイッチをオフの状態に制御する制御手段(半導体スイッチ駆動部16)と、負荷に流れる電流が、負荷の定格電流に対応する検出電流よりも値が小さい第1閾値未満のときには、半導体スイッチまたは負荷がオープン故障していると判断する判断手段(半導体スイッチ故障判断部17)とを有する。【選択図】図2

Description

本発明は、電源供給装置に関するものである。
従来、自動車等の車両には、ヘッドライトスイッチ、オーディオスイッチ等のスイッチの操作に応じてヘッドライト等の電気部品(負荷)へのバッテリ電源の供給、遮断を行う電源供給装置が収容されたジャンクションボックス(電気接続箱)が搭載されている。このジャンクションボックスは、バッテリ、各種のスイッチおよび各種負荷にそれぞれ電線(ハーネス)を介して接続されている。
また、ジャンクションボックス内の電源供給回路には、スイッチの操作に応じて、バッテリから供給される電源を負荷に供給または遮断するための複数の半導体スイッチが設けられている。従来、負荷や半導体スイッチおよび電線を過電流から保護するために、ヒューズ等の過電流保護素子が設けられている。近年、過電流保護素子の電子化が進められており、従来のヒューズに代えて半導体スイッチの過電流保護や過熱保護機能を用いて電線を保護する電源供給装置が種々提案されている(例えば、特許文献1〜特許文献3参照)。
特許文献1には、負荷に電力を供給する負荷駆動用のパワー素子近傍の温度を検出し、検出温度が所定温度以上のとき、制御手段により、パワー素子への制御信号の入力を遮断し、その遮断状態を保持することで、パワー素子自身を保護する技術が開示されている。
また、特許文献2には、半導体素子からワイヤを介して負荷に流れる負荷電流を検出し、負荷電流が過電流制限閾値を超えると、電流制限回路により、半導体素子の駆動電流を低下させて負荷電流を過電流制限閾値以下に制限する技術が開示されている。この過電流制限閾値は、負荷電流によってワイヤが焼損する電流値以下の値に設定される。また、この過電流制限閾値は、起動時から所定時間の間は、突入電流で誤作動しないように第1の閾値に設定され、所定時間経過後は、第1の閾値より小さい第2の閾値に設定される。これにより、電線の保護を図っている。
さらに、特許文献3には、半導体スイッチを介して電源から負荷に流れる電流値を検出し、検出した電流値から2乗電流値を求め、熱等価回路によって半導体スイッチの温度相当値を演算によって求め、半導体スイッチの限界温度に基づいて設定された異常判定値を超えた場合に異常と判定し、異常と判定された場合に半導体スイッチをオフにする技術が開示されている。
特開平10−145205号公報 特開2003−111264号公報 特開2009−142146号公報
ところで、特許文献1〜3に開示された技術では、半導体スイッチに負担がかからないように制御することはできるが、例えば、経年変化等によって半導体スイッチが故障した場合に、このような故障を検出することができないという問題点がある。
本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであり、半導体スイッチの故障を検出することが可能な電源供給装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明は、電源と負荷の間に接続され、前記電源から前記負荷に電源電力を供給する電源供給装置において、前記負荷に供給する電源電力をオン/オフする半導体スイッチと、前記半導体スイッチを介して前記負荷に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記半導体スイッチをオンの状態にした場合に、前記負荷に供給される電流の限界値を示す閾値であって時間の経過とともにその値が減少する閾値である変動閾値と、前記電流検出手段によって検出された電流とを比較し、前記電流が前記変動閾値を上回ったか否かを判定する判定手段と、前記変動閾値を生成する時定数回路と、前記判定手段によって前記電流が前記変動閾値を上回ったと判定された場合には、前記半導体スイッチをオフの状態に制御する制御手段と、前記制御手段によって前記半導体スイッチがオンの状態に制御されている場合に、前記電流検出手段によって検出された電流が、前記負荷の定格電流に対応する検出電流よりも値が小さい第1閾値未満のときには、前記半導体スイッチまたは前記負荷がオープン故障していると判断する判断手段と、を有することを特徴とする。
このような構成によれば、半導体スイッチの故障を検出することが可能になる。
また、本発明は、前記判断手段は、前記制御手段によって前記半導体スイッチがオンの状態に制御されている場合に、前記電流検出手段によって検出された電流が前記第1閾値以上で、かつ、前記第1閾値よりも値が大きい第2閾値であって前記定格電流に対応する検出電流よりも値が小さい前記第2閾値未満の場合は、前記半導体スイッチまたは前記負荷にオープン故障の予兆があると判断することを特徴とする。
このような構成によれば、半導体スイッチまたは負荷のオープン故障の予兆の有無を判断することができる。
また、本発明は、前記半導体スイッチに現れる電圧を検出する電圧検出手段を有し、前記判断手段は、前記制御手段によって前記半導体スイッチがオンの状態にされている場合に、前記電流検出手段によって検出された電流が前記第1閾値未満で、かつ、前記電圧検出手段によって検出された電圧が、前記電源の電圧よりも低い第3閾値であって0Vに近い値の前記第3閾値未満であるときは前記負荷が故障していると判定する、ことを特徴とする。
このような構成によれば、負荷の故障の有無を判断することができる。
また、本発明は、前記判断手段は、前記制御手段によって前記半導体スイッチがオンの状態にされている場合に、前記電流検出手段によって検出された電流が前記第1閾値未満で、かつ、前記電圧検出手段によって検出された電圧が、前記第3閾値よりも値が大きい第4閾値であって電源電圧よりも値が小さい前記第4閾値以上であるときは、前記半導体スイッチがオープン故障していると判定する、ことを特徴とする。
このような構成によれば、半導体スイッチのオープン故障の有無を判断することができる。
また、本発明は、前記判断手段は、前記制御手段によって前記半導体スイッチがオンの状態にされている場合に、前記電流検出手段によって検出された電流が前記第1閾値未満で、かつ、前記電圧検出手段によって検出された電圧が、前記第3閾値よりも値が大きい第4閾値であって電源電圧よりも値が小さい前記第4閾値未満であるとともに前記第3閾値以上であるときは、前記半導体スイッチにオープン故障の前兆があると判定する、ことを特徴とする。
このような構成によれば、半導体スイッチにオープン故障の前兆の有無を判断することができる。
また、本発明は、前記判断手段による判断結果を、前記電源供給装置の外部に報知する報知手段を有することを特徴とする。
このような構成によれば、故障の有無に関する判断結果を、運転者に報知することができる。
また、本発明は、前記電源供給装置は、リレーボックス、ジャンクションボックス、または、接続コネクタに着脱可能に接続されることを特徴とする。
このような構成によれば、リレーボックス、ジャンクションボックス、または、接続コネクタを介して接続される負荷を確実に制御することができる。
本発明によれば、半導体スイッチの故障を検出することが可能な電源供給装置を提供することが可能となる。
本発明の実施形態に係る電源供給装置の構成例を示す斜視図である。 本発明の第1実施形態の構成例を示すブロック図である。 図2に示す第1実施形態の構成例を示す回路図である。 図2に示す第1実施形態の動作を説明するための図である。 図2に示す第1実施形態の動作を説明するための図である。 図2に示す第1実施形態の動作を説明するための図である。 図2に示す第1実施形態の動作を説明するための図である。 図2に示す第1実施形態の動作を説明するための図である。 図2に示す第1実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第2実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第3実施形態の構成例を示すブロック図である。 図11に示す第3実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第4実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第5実施形態の構成例を示すブロック図である。
次に、本発明の実施形態について説明する。
(A)本発明の第1実施形態の構成の説明
図1は、本発明の第1実施形態に係る電源供給装置1の構成例を示す斜視図である。この図に示すように、本発明の第1実施形態に係る電源供給装置1は、本体部100および蓋部120を有している。ここで、本体部100は、例えば、樹脂等によって構成され、面100aには後述する半導体スイッチ12を含む素子群105が配置されている。また、面100bには蓋部120の側面に設けられた孔121,122と係合する爪部101,102が形成されている。また、面100cには、端子111〜115が設けられている。なお、図1の例では、端子111はグランド端子であり、端子112は駆動信号が入力される端子であり、端子113は半導体スイッチ12がオフの状態にされていることを示すDIAG信号を出力する端子であり、端子114はバッテリが接続される端子であり、端子115は負荷が接続される端子である。もちろん、これ以外の配置としてもよい。蓋部120は、樹脂等によって構成され、本体部100がその内部に挿入され、爪部101,102が孔121,122に係合することで本体部100を所定位置に固定する。
図1に示す電源供給装置1は、例えば、車両のリレーボックス、ジャンクションボックス、または、接続コネクタに着脱可能に接続され、これらに接続される負荷に対して電源電力を供給する。
図2は、電源供給装置1の電気的な構成例を示すブロック図である。図2に示す例では、電源供給装置1は、半導体スイッチ12、電流検出部13、時定数回路14、異常判定部15、半導体スイッチ駆動部16、および、半導体スイッチ故障判断部17を有している。
ここで、半導体スイッチ12は、例えば、パワーMOS−FET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)によって構成され、半導体スイッチ駆動部16によってゲート端子の電圧が制御されることでオン/オフの状態が制御される。オンの状態になった場合には、バッテリ2に蓄積されている電力を電源電力として、電線11を介して負荷10に供給する。なお、半導体スイッチ12としては、パワーMOS−FET以外の半導体素子、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)や、バイポーラトランジスタを用いることも可能である。
電流検出部13は、バッテリ2から半導体スイッチ12および電線11を介して負荷10に流れる電流を検出し、時定数回路14に供給する。より詳細には、電線11に流れる負荷電流をIloadとするとき、このIloadの値に比例し、Iloadよりも小さい値(例えば、1000分の1の値)の検出電流Isを時定数回路14に供給する。
時定数回路14は、図3を参照して後述するように、半導体スイッチ12をオンの状態にした場合に、負荷10に対して流れる電流の限界値を示す閾値であって時間の経過とともにその値が減少する閾値である変動閾値(電流遮断特性)を生成するための時定数を有する。
異常判定部15は、図3を参照して後述するように、時定数回路14から出力される出力電圧Voを所定の基準電圧Vrefと比較し、出力電圧Voが基準電圧Vrefを上回る場合には、異常であると判定し、半導体スイッチ駆動部16を制御して、半導体スイッチ12をオフの状態にし、負荷10への電力供給を遮断する。
半導体スイッチ駆動部16は、図3を参照して後述するように、論理素子およびトランジスタによって構成され、電源供給装置1に対して外部から入力される外部入力信号に基づいて半導体スイッチ12のゲートを駆動する。
半導体スイッチ故障判断部17は、電流検出部13、異常判定部15、および、半導体スイッチ駆動部16の状態に基づいて、半導体スイッチ12(および負荷10)の故障の有無を判断する。
図3は、図2の詳細な構成例を示す図である。負荷10に接続される電線11に流れる負荷電流(Iload)を検出する電流検出部13は、差動増幅器23と、抵抗Rsと、Pチャネル形のMOS−FET24とを備える。差動増幅器23の非反転入力端子に電線11が、その反転入力端子に抵抗Rsを介してバッテリ2が、その出力端子にMOS−FET24のゲート端子がそれぞれ接続されている。MOS−FET24のドレイン端子は差動増幅器23の反転入力端子と抵抗Rsの接続点に、そのソース端子は時定数回路14の電流源26にそれぞれ接続されている。なお、符号24aは、MOS−FET24の寄生のダイオードを示す。また、符号12aは、MOS−FET12の寄生のダイオードを示す。
電流検出部13は、半導体スイッチ12のドレイン−ソース間電圧Vdsと抵抗Rsの端子間電圧Vsとが等しくなるように、差動増幅器23の出力によってMOS−FET24のゲート電位を制御することで、電線11に流れる負荷電流(Iload)に比例した電流(検出電流)Isが抵抗Rsに流れるように構成されている。検出電流Isは、(負荷電流Iload)×Kの値の電流である。ここで、Kは係数で、K=(半導体スイッチ12のオン抵抗Ron/Rs)である。この検出電流Isが、電線11に流れる負荷電流Iloadに相当する電流として、電流検出部13から時定数回路14へ出力される。なお、Is<<Iloadの関係を有しており、一例として、IsはIloadの1000分の1程度に設定される。
半導体スイッチ12をオンの状態にすると、負荷10に対して電流が流れるが、電流値が限界値を超えると、半導体スイッチ12や電線11が過電流によって損傷する(例えば、ASO(Area of Safe Operation)破壊が生じる)。ところで、このような限界値は、時間の経過とともに変化する。図4は、半導体スイッチ12および電線11の限界特性を示している。図4の横軸は半導体スイッチ12がオンになってからの経過時間を示し、縦軸は負荷電流Iloadを示している。図4において、半導体限界特性30は、半導体スイッチ12がオンにされた後に、半導体スイッチ12に流すことができる限界電流の経時的変化を示し、電線限界特性31は、同じく、電線11に流すことができる限界電流の経時的変化を示している。この図4に示すように、半導体スイッチ12がオンの状態になった当初は、電線11および半導体スイッチ12に対してある程度大きな電流を流すことができるが、時間の経過とともに(経時的に)電線11や半導体スイッチ12が流すことができる電流の値は減少する。また、半導体限界特性30と電線限界特性31とは特性が異なっている。なお、図4に示す遮断禁止領域は、負荷10が通常通り動作している場合に流れる電流の範囲を示し、半導体スイッチ12に流れる電流がこの領域内に収まる場合には、半導体スイッチ12を遮断することが禁止される領域である。
そこで、本実施形態では、半導体限界特性30と電線限界特性31の双方を考慮した電流遮断特性32を設定する。そして、負荷電流Iloadが、時間的に変動する変動閾値としての電流遮断特性32を示す曲線(以下「電流遮断曲線」と称する。)を超えないように制御をすることで、電線11および半導体スイッチ12が過電流によって損傷しないようにする。より詳細には、本実施形態では、図4に示す電流遮断特性32に対応する時定数を有する時定数回路14に対して、検出電流Isを入力し、出力電圧Voが基準電圧Vrefを超えた場合には、半導体スイッチ12をオフの状態にすることで、負荷電流Iloadが変動閾値である電流遮断曲線を超えないようにする。
異常判定部15は、コンパレータ27を有し、時定数回路14からの出力電圧Voと、基準電圧Vrefとを比較し、Vo>Vrefの場合には、半導体スイッチ12に流れる電流がその時点における電流遮断曲線を超えていると判定し、Hレベルの信号を出力し、Vo≦Vrefの場合には、Lレベルの信号を出力する。
コンパレータ27からの出力信号は、ラッチ回路28に入力される。このラッチ回路28は、コンパレータ27からLレベルの信号が出力されている間は、Lレベルの信号を出力し、コンパレータ27からHレベルの信号が出力されると、その出力をHレベルにラッチする。
半導体スイッチ駆動部16は、NAND回路20と、PNP形のトランジスタ21と、NPN形のトランジスタ22と、インバータ29とを備えている。NAND回路20の一方の入力端子には、半導体スイッチ12をオン/オフさせる制御信号が端子112から入力される。例えば、負荷10を動作させるための図示しないスイッチがオンに操作されるとHレベル(例えば、5V)の制御信号が、また、スイッチがオフに操作されるとLレベルの制御信号がNAND回路20の一方の入力端子に入力される。NAND回路20の他方の入力端子には、ラッチ回路28の出力信号がインバータ29を介して入力される。
トランジスタ21とトランジスタ22は、コレクタ同士が接続されるとともに、ベース同士が接続されている。トランジスタ21のエミッタには、チャージポンプ6から電源電圧を昇圧した電圧(駆動電圧)が供給され、トランジスタ22のエミッタは接地されている。
以上のような構成を有する半導体スイッチ駆動部16は、次のように動作する。
(1)負荷10を動作させるための不図示のスイッチがオフの状態で、端子112からLレベルの制御信号がNAND回路20の一方の入力端子に入力され、かつ、ラッチ回路28の出力信号がLレベルで、その信号がインバータ29で反転されてHレベルの信号がNAND回路20の他方の入力端子に入力されている場合、NAND回路20はHレベルの信号を出力する。これにより、トランジスタ21がオフになり、トランジスタ22がオンになるので、チャージポンプ6からの駆動電圧が半導体スイッチ12のゲート端子に印加されず、半導体スイッチ12がオフ状態に維持される。
(2)負荷10を動作させるための不図示のスイッチがオンに操作されると、NAND回路20の他方の入力端子にHレベルの信号が入力されている状態で、NAND回路20の一方の入力端子にHレベルの制御信号が入力されるので、NAND回路20はLレベルの信号を出力する。これにより、トランジスタ22がオフになり、トランジスタ21がオンになるので、チャージポンプ6からの駆動電圧が半導体スイッチ12のゲート端子に印加され、半導体スイッチ12がオン状態にされる。この結果、負荷10へ電線11を介してバッテリ電源が供給され、負荷10が駆動される。
(3)半導体スイッチ12がオン状態にあるとき、ラッチ回路28の出力信号がLレベルからHレベルに変化すると、NAND回路20の一方の入力端子にHレベルの信号が入力されている状態で、他方の入力端子にLレベルの信号が入力されるので、NAND回路20はHレベルの信号を出力する。これにより、チャージポンプ6からの駆動電圧が半導体スイッチ12のゲート端子に印加されなくなり、半導体スイッチ12がオン状態からオフ状態になる。この結果、負荷10へのバッテリ電源の供給が遮断され、負荷10の駆動が停止する。
また、図3に示す電源供給装置1では、インバータ29の入力側とラッチ回路28の出力側は、DIAG端子113に接続されている。このDIAG端子113は、ラッチ回路28を、Hレベル信号を出力している状態からLレベルの信号を出力する状態にリセットするためのリセット信号入力用の端子として用いられるとともに、ラッチ回路28の出力信号から半導体スイッチ12のオン/オフ状態を外部でモニタするために、ラッチ回路28の出力信号を外部回路へ出力するための端子として用いられる。
半導体スイッチ故障判断部17は、検出電流Isの値と、半導体スイッチ12をオン/オフさせる制御信号と、ラッチ回路28の出力とに基づいて半導体スイッチ12(および負荷10)の故障の有無を判断する。
(B)本発明の第1実施形態の動作の説明
つぎに、本発明の第1実施形態の動作について説明する。負荷(例えば、ヘッドライト)10を駆動するためにスイッチ(例えば、ヘッドライトスイッチ)をオンに操作すると、NAND回路20の出力がLレベルになり、トランジスタ21がオンになってトランジスタ22がオフになる。これにより、チャージポンプ6から駆動電圧がトランジスタ21を介して半導体スイッチ12のゲート端子に印加され、半導体スイッチ12がオン状態になる。この結果、バッテリ2の電源電力が電線11を介して負荷10に供給され、負荷10が起動される。
このようにして負荷10が起動されると、電線11に流れる負荷電流(Iload)に比例した電流(検出電流Is)が電流検出部13により検出される。この検出電流Isは、電流検出部13から時定数回路14へ供給される。
時定数回路14では、電流検出部13から検出電流Isを入力し、電流源26を介して、抵抗素子R1〜R3およびコンデンサ素子C1〜C3によって構成されるはしご形RC回路に供給する。
時定数回路14は、前述した電流遮断特性32に対応する時定数を有している。また、異常判定部15は、時定数回路14からの出力電圧Voと、基準電圧Vrefとを比較し、Vo>Vrefの場合にはHレベルの信号を出力し、それ以外の場合にはLレベルの信号を出力する。
本実施形態では、時定数回路14と異常判定部15とが協働することによって、以下のような機能を実現する。すなわち、図5(A)に示すように、一点鎖線で示す電流遮断特性32よりも少しだけ小さい電流I1が半導体スイッチ12に流れたとする。この場合、時定数回路14からの出力電圧Voは、図5(B)に概略的に示すように、基準電圧Vrefよりも常に低い電圧Vo1となるため、異常判定部15の出力は常にLレベルとなる。一方、二点鎖線で示すように電流遮断特性32よりも少しだけ大きい電流I2が半導体スイッチ12に流れたとする。この場合、時定数回路14からの出力電圧Voは図5(B)に概略的に示すように、基準電圧Vrefよりも常に高い電圧Vo2となるため、異常判定部15の出力は常にHレベルとなる。以上は説明を簡略化するために極端な例で説明したが、例えば、実際の動作時には、電流の値が一時的にでも電流遮断特性32よりも大きくなると、時定数回路14の出力電圧Voは、基準電圧Vrefよりも高くなるため、異常判定部15の出力はHレベルとなる。
コンパレータ27による判定の結果、(1)出力電圧Voが基準電圧Vrefより低い間は、コンパレータ27はLレベルの信号を出力する。これにより、NAND回路20の出力信号がLレベルに維持され、半導体スイッチ12がオン状態に維持され、負荷10の駆動が継続される。
一方、(2)負荷10の起動後における過渡状態、あるいは、その後の定常状態において、過電流が半導体スイッチ12に流れることで、半導体スイッチ12に流れる電流が、図4に示す電流遮断特性32を越えた場合には、コンパレータ27はHレベルの信号を出力し、ラッチ回路28はコンパレータ27の出力をHレベルにラッチする。これにより、NAND回路20の出力信号がLレベルからHレベルになり、トランジスタ21がオフになってトランジスタ22がオンになるので、チャージポンプ6からの駆動電圧が半導体スイッチ12のゲート端子に印加されなくなり、半導体スイッチ12が強制的にオフ状態にされ、負荷10へのバッテリ電源の供給が遮断され、負荷10の駆動が停止する。
なお、過電流が半導体スイッチ12に流れる場合としては、例えば、デッドショートにより非常に短い時間(例えば、数100μs以下)に過電流が発生する場合や、パルス幅変調された制御信号が印加された場合や、断続ショート(レアショート)により断続的な過電流が発生する場合がある。このような過電流に対しても、本実施形態では、これを検出して、半導体スイッチ12をオフの状態にすることができる。
本実施形態では、以上に説明したように、半導体スイッチ12に過剰な負荷がかかることを防止するため、半導体スイッチ12を長寿命化することができる。しかし、電源供給装置1の経年変化等によって、半導体スイッチ12が故障する場合も想定される。故障の一例としては、例えば、半導体スイッチ12が開放状態で導通しなくなるオープン故障がある。本実施形態では、このようなオープン故障を検出することができる。この点について、以下に説明する。
半導体スイッチ故障判断部17は、まず、端子112から入力される外部入力信号がHレベルである場合、すなわち、運転者によって、負荷10を動作させるための不図示のスイッチがオンの状態にされているかを判定する。そして、外部入力信号がHレベルである場合に、ラッチ回路28の出力電圧がHレベルであるときには、半導体スイッチ12に過電流が流れている状態と判定する。
一方、外部入力信号がHレベルである場合に、ラッチ回路28の出力電圧がLレベルであるときは、半導体スイッチ故障判断部17は、電流検出部13から出力される検出電流Isを参照する。そして、検出電流Isが所定の閾値Th1未満である場合は、運転者が負荷10を起動するためにスイッチをオンにし(外部入力信号がHレベルの状態)、ラッチ回路28の出力がLレベル(過電流による電流制限が行われていない状態)にも拘わらず、負荷10に対して電流が流れていない(検出電流Isが所定の閾値Th1未満の状態)であることから、半導体スイッチ12(または負荷10)がオープン故障していると判断する。一方、検出電流Isが所定の閾値Th1以上である場合は、正常と判断することができる。なお、閾値Th1は、例えば、定常動作時に負荷10に流れる定格電流に対応する検出電流よりも小さい値を用いることができる。
つぎに、以上の動作を図9に示すフローチャートを参照して説明する。図9に示すフローチャートは、例えば、所定の周期、または、外部入力信号がオンの状態とされている場合に実行される処理の一例である。図9に示すフローチャートの処理が開始されると、以下のステップが実行される。
ステップS10では、半導体スイッチ故障判断部17は、端子112から入力される外部入力信号がHレベルか否かを判定し、Hレベルの場合(ステップS10:Y)にはステップS11に進み、それ以外の場合(ステップS10:N)には処理を終了する。例えば、運転者によって負荷10を動作させるための不図示のスイッチがオンの状態にされた場合には、外部入力信号がHの状態になるので、Yと判定してステップS11に進む。
ステップS11では、半導体スイッチ故障判断部17は、ラッチ回路28の出力を参照し、異常判定中か否かを判定し、異常判定中である場合(ステップS11:Y)にはステップS12に進み、それ以外の場合(ステップS11:N)にはステップS13に進む。例えば、ラッチ回路28の出力がLレベルである場合には、異常判定はされていない(負荷10に電流遮断曲線以上の電流は流れてない)ことから、その場合はステップS13に進み、ラッチ回路28の出力がHレベルである場合には、異常判定がされている(負荷10に電流遮断曲線以上の電流が流れている)ことから、その場合はステップS12に進む。
ステップS12では、半導体スイッチ故障判断部17は、負荷10に過電流が流れている状態と判定する。すなわち、ステップS12に進む場合は、ステップS10でYと判定され(外部入力信号がHレベルであり)、かつ、ステップS11でYと判定される場合(異常判定中の場合)であることから、半導体スイッチ故障判断部17は、過電流が流れている状態と判定する。
ステップS13では、半導体スイッチ故障判断部17は、電流検出部13から出力される検出電流Isが閾値Th1未満か否かを判定し、Is<Th1の場合(ステップS13:Y)は、ステップS14に進み、それ以外の場合(ステップS13:N)にはステップS15に進む。例えば、検出電流IsがTh1としての10μA未満である場合にはYと判定してステップS14に進む。なお、閾値Th1としては、負荷10に流れる定格電流に対応する検出電流よりも小さい値とすることができる。
ステップS14では、半導体スイッチ故障判断部17は、半導体スイッチ12がオープン故障の状態であると判定する。すなわち、ステップS14に進むのは、ステップS10でYと判定され(外部入力信号がHレベルであり)、ステップS11でNと判定され(電流遮断曲線以上の電流は流れおらず)、ステップS13でYと判定された場合(半導体スイッチ12に電流が殆ど流れていない場合)であるので、半導体スイッチ12(または負荷10)のオープン故障であると判定する。
ステップS15では、半導体スイッチ故障判断部17は、正常であると判定する。すなわち、ステップS15に進むのは、ステップS10でYと判定され(外部入力信号がHレベルであり)、ステップS11でNと判定され(電流遮断曲線以上の電流は流れておらず)、ステップS13でNと判定された場合(半導体スイッチ12に一定の電流が流れている場合)であるので、正常と判定する。
以上のフローチャートによれば、半導体スイッチ12(または負荷10)のオープン故障を検出することができる。
以上に説明したように、本実施形態では、以下の作用効果を奏する。
本実施形態では、時定数回路14の出力電圧Voは、半導体スイッチ12をオン状態にした後(負荷10の起動後)、半導体スイッチ12に流れる電流Idsに応じて変化する。例えば、半導体スイッチ12に流れる電流が増えると、時定数回路14では電流の増加に対応して出力電圧Voが増加する。このように変化する時定数回路14の出力値を基準電圧Vrefと比較し、その出力電圧Voが基準電圧Vrefを超えた場合に、半導体スイッチ12をオフ状態にすることで、図4に示す電流遮断特性32に基づいて半導体スイッチ12を制御することができる。このように、半導体限界特性30および電線限界特性31の双方を考慮した電流遮断特性32に基づいて制御することで、半導体スイッチ12を過電流および過熱から保護しながら効率良く使うことができる。このような領域での使用は、上記従来技術では出来ない。
また、デッドショート等の瞬時的に遮断が必要な場合にも容易に対応することができる。
上記特許文献1に記載された従来技術のように、負荷駆動用のパワー素子近傍の温度を検出し、検出温度が所定温度以上の時、パワー素子への制御信号の入力を遮断する方法では、検出温度とパワー素子の真の温度との間に差が生じたり、あるいは温度の検出に時間的な遅れが生じたりすることがある。これに対して、本実施形態によれば、電線11に流れる電流の検出値を時定数回路14に入力し、半導体限界特性30および電線限界特性31の双方を考慮した電流遮断特性32に基づいて過電流を検出するようにしたので、半導体スイッチ12に流れる電流を、時間遅れを生じることなく検出することができる。このため、半導体スイッチ12の劣化および故障を抑制することができるとともに、デッドショートのように非常に短い時間(例えば、数100μs以下)に発生する過電流に対しても、電線を保護することができる。
また、時定数回路14は、RCはしご形時定数回路により構成されているので、半導体スイッチ12および電線11の双方に対応した電流遮断特性32を任意に設定できる。
また、電流検出部13から時定数回路14への出力を電流出力としているため、半導体スイッチ12の過渡的な変動に対して、電源変動の影響をほとんど受けずに対応することができる。
また、時定数回路14は、RCはしご形時定数回路の定数(RCはしご形回路の各段のコンデンサの容量および抵抗の抵抗値)と、基準電圧Vrefとを調整することで、過渡電流領域および定常動作領域(定常状態)での電流遮断特性を任意に設定可能である。
一例として、図6は、定常動作領域における電流遮断特性32を変化させた特性(破線で示す特性)を示している。この図6の例では、過渡電流領域はほとんど変化させずに、定常電流領域の遮断特性だけを変化させている。また、図7は、過渡電流領域における電流遮断特性32を変化させた特性(破線で示す特性)を示している。この図7の例では、定常電流領域はほとんど変化させずに、過渡電流領域の遮断特性だけを変化させている。また、図8は、図6および図7と比較して、負荷10の種類が異なる場合の特性を示している。この図8の例では、遮断禁止領域の冒頭部分が矩形形状となっており、図6および図7に示す三角形状とは異なっている。このような特性を有する負荷10の場合には、時定数回路14の時定数および基準電圧Vrefを調整することで、例えば、図8に示すような、図6および図7とは異なる曲線形状を有する電流遮断特性32に設定することができる。
また、上記特許文献2に記載された従来技術では、過渡状態に対応する第1の閾値と、定常状態に対応する第2の閾値によって電線を保護するようにしている。一方、本実施形態では、時定数回路14に基づく連続的な電流遮断特性(電流遮断曲線)に基づいて制御するようにしているので、特許文献2に比較すると、細かな制御を行うことができる。また、特許文献2の段落0052には、第1閾値に対応する抵抗を可変抵抗とし、時間の経過とともに可変抵抗の抵抗値を変更することで、連続的に変化する第1の閾値を設定することが開示されているが、可変抵抗を時間的に制御することは容易ではない。一方、本実施形態では、時定数回路14を用いることで、連続的に変化する変動閾値を容易に設定することができる。
また、上記特許文献3に開示された従来技術では、半導体スイッチ12の熱等価回路に基づいて過電流を遮断するようにしている。しかし、熱等価回路とするためには、電流の2乗値を計算する必要があることから、電流変換回路を設ける必要がある。このような2乗値を計算する回路は、複雑であり、回路の占有面積も大きいことから、製造コストが高くつくとともに、小型化が困難となるという問題点がある。しかしながら、本実施形態では、熱的な等価回路ではなく、電流そのものの遮断特性(電流遮断特性)を求めて、この電流遮断特性に基づいて半導体スイッチ12を制御するようにしたので、2乗値を計算する回路を排除することができる。
さらに、本発明の実施形態では、図9に示すフローチャートを参照して説明したように、半導体スイッチ12(または負荷10)がオープン故障しているか否かの判定を正確に行うことができる。このような機能は、特許文献1〜3に示す従来技術には開示されていない。
(C)本発明の第2実施形態の説明
つぎに、本発明の第2実施形態について説明する。なお、第2実施形態の構成は、図1〜図3と同様であり、半導体スイッチ故障判断部17において実行される処理の一部が異なっている。そこで、以下では、図10を参照して、半導体スイッチ故障判断部17において実行される処理について説明する。
図10は、第2実施形態において実行される処理の流れの一例を説明するフローチャートである。なお、図10において、図9と対応する部分には同一の符号を付してある。図10では、図9に比較すると、ステップS30およびステップS31の処理が追加されている。これら以外は図9と同様であるので、以下ではステップS30およびステップS31について詳細に説明する。
ステップS30では、半導体スイッチ故障判断部17は、電流検出部13から出力される検出電流Isが所定の閾値Th2未満か否かを判定し、Is<Th2を満たすと判定した場合(ステップS30:Y)にはステップS31に進み、それ以外の場合(ステップS30:N)にはステップS15に進む。より詳細には、半導体スイッチ故障判断部17は、閾値Th1よりも値が大きい閾値Th2(例えば、負荷10の定格電流の10%に対応する値)と、検出電流Isを比較し、Is<Th2を満たすと判定した場合には、ステップS31に進む。
ステップS31では、半導体スイッチ故障判断部17は、半導体スイッチ12(または負荷10)がオープン故障する予兆があると判定する。すなわち、ステップS31に進むのは、ステップS10においてYと判定され(負荷10の動作を開始させるための不図示のスイッチがオンの状態であり)、ステップS11においてNと判定され(半導体スイッチ12に電流遮断曲線を超えるような電流が流れておらず)、ステップS13でNと判定され(半導体スイッチ12に閾値Th1以上の電流が流れており)、かつ、ステップS30でYと判定されている場合(検出電流Isが閾値Th2未満の場合)であるので、オープン故障の前兆があると判定する。具体例を挙げると、例えば、半導体スイッチ12のオン抵抗が増加している場合や負荷10が動作不良の場合である。なお、ステップS30でNと判定された場合には、ステップS15に進み、正常と判定される。
以上に説明したように、本発明の第2実施形態によれば、半導体スイッチ12のオープン故障を検出することができるのみならず、半導体スイッチ12(または負荷10)のオープン故障の前兆も検出することができる。
(D)本発明の第3実施形態の説明
つぎに、本発明の第3実施形態について説明する。図11は、本発明の第3実施形態の構成例を示す図である。なお、図11において、図2と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図11の構成例では、図2と比較すると、電圧検出部18が新たに追加されている。これ以外の構成は、図2の場合と同じである。
ここで、電圧検出部18は、半導体スイッチ12のドレイン−ソース間(出力端子間)の電圧Vdsを検出し、半導体スイッチ故障判断部17に通知する。
つぎに、図12を参照して、第3実施形態において実行される処理について説明する。図12は、第3実施形態において実行される処理の流れの一例を説明するフローチャートである。なお、図12において、図10と対応する部分には同一の符号を付してある。図12では、図10に比較すると、ステップS50〜ステップS52の処理が追加されている。これら以外は図12と同様であるので、以下ではステップS50〜ステップS52について詳細に説明する。
ステップS50では、半導体スイッチ故障判断部17は、電圧検出部18によって検出された半導体スイッチ12のドレイン−ソース間電圧Vdsが所定の閾値Th3未満か否かを判定し、Vds<Th3を満たす場合(ステップS50:Y)にはステップS51に進み、それ以外の場合(ステップS50:N)にはステップS52に進む。例えば、半導体スイッチ12が正常な場合、半導体スイッチ12のドレイン−ソース間電圧Vdsは、バッテリ2の電圧(12V)よりも低く、0Vに近い値(例えば、1V未満の値で、数十mV程度)であるので、例えば、Th3として1Vが設定されている場合には、Vds<Th3を満たすのでYと判定してステップS51に進む。
ステップS51では、半導体スイッチ故障判断部17は、負荷10が故障していると判定する。すなわち、ステップS51に進むのは、ステップS10でYと判定され(負荷10を動作させるための不図示のスイッチがオンの状態とされ)、ステップS11でNと判定され(半導体スイッチ12に電流遮断曲線を超えるような電流が流れておらず)、ステップS13でYと判定され(半導体スイッチ12に閾値Th1未満の電流が流れている状態であり)、かつ、ステップS50でYと判定されている(半導体スイッチ12のドレイン−ソース間電圧Vdsが閾値Th3未満であり、半導体スイッチ12は正常である)ので、負荷10が故障していると判定する。
ステップS52では、半導体スイッチ故障判断部17は、電圧検出部18によって検出された半導体スイッチ12のドレイン−ソース間電圧Vdsが所定の閾値Th4未満か否かを判定し、Vds<Th4を満たす場合(ステップS52:Y)にはステップS31に進み、それ以外の場合(ステップS52:N)にはステップS14に進む。なお、閾値Th4は、例えば、バッテリ2の電圧の1/2程度(バッテリ2が12Vの場合は6V)の値であり、かつ、Th4>Th3を満たす値に設定される。前述のように、半導体スイッチ12が正常な場合、半導体スイッチ12のドレイン−ソース間電圧Vdsは非常に小さい(Vds<Th3を満たす)が、このVdsがTh3よりも大きく、かつ、Th4(例えば、6V)よりも小さい場合には、オープン故障の予兆があると判定してステップS31に進む。
ステップS31では、半導体スイッチ故障判断部17は、半導体スイッチ12がオープン故障する予兆があると判定する。すなわち、ステップS31に進むのは、ステップS10においてYと判定され(負荷10の動作を開始させるための不図示のスイッチがオンの状態であり)、ステップS11においてNと判定され(半導体スイッチ12に電流遮断曲線を超えるような電流が流れておらず)、ステップS13でYと判定され(半導体スイッチ12にTh1未満の電流が流れている状態)、かつ、ステップS50でNおよびステップS52でYと判定されている(Vdsが閾値Th3以上かつ閾値Th4未満の状態である)ことから、半導体スイッチ12にオープン故障の前兆があると判定する。なお、ステップS52でNと判定された場合(VdsがTh4以上の場合)には、ステップS14に進み、負荷12は正常で、半導体スイッチ12がオープン故障していると判定する。
以上に説明したように、本発明の第3実施形態によれば、半導体スイッチ12のオープン故障およびオープン故障の前兆を検出することができるのみならず、負荷10の故障の有無を判定することができる。
(E)本発明の第4実施形態の説明
つぎに、本発明の第4実施形態について説明する。なお、第4実施形態の構成は、図11と同様であり、半導体スイッチ故障判断部17において実行される処理の一部が異なっている。そこで、以下では、図13を参照して、半導体スイッチ故障判断部17において実行される処理について説明する。
図13は、第4実施形態において実行される処理の流れの一例を説明するフローチャートである。なお、図13において、図12と対応する部分には同一の符号を付してある。図13では、図12に比較すると、ステップS70の処理が追加されている。これ以外は図12と同様であるので、以下ではステップS70を中心に説明する。
ステップS13において、半導体スイッチ故障判断部17が、検出電流Isが所定の閾値Th1以上であると判定した場合(ステップS13:N)は、ステップS70に進む。
ステップS70では、半導体スイッチ故障判断部17は、検出電流Isが所定の閾値Th2未満か否かを判定し、Is<Th2を満たす場合(ステップS70:Y)にはステップS31に進み、それ以外の場合(ステップS70:N)にはステップS15に進む。例えば、検出電流Isが所定の閾値Th2未満と判定した場合にはYと判定してステップS31に進む。より詳細には、半導体スイッチ故障判断部17は、閾値Th1よりも値が大きい閾値Th2(例えば、負荷10の定格電流の10%に対応する値)と、検出電流Isを比較し、Is<Th2を満たすと判定した場合には、ステップS31に進む。
ステップS31では、半導体スイッチ故障判断部17は、半導体スイッチ12にオープン故障の予兆があると判定する。すなわち、ステップS31に進むのは、ステップS10においてYと判定され(負荷10の動作を開始させるための不図示のスイッチがオンの状態であり)、ステップS11においてNと判定され(半導体スイッチ12に電流遮断曲線を超えるような電流が流れておらず)、ステップS13でNと判定され(検出電流IsがTh1以上で)、かつ、ステップS70でYと判定されており(検出電流IsがTh2未満の場合であり)、検出電流IsがTh1以上かつTh2未満であることから、オープン故障の前兆があると判定する。なお、ステップS70でNと判定された場合には、検出電流Isが閾値Th2以上の状態であることから半導体スイッチ12は正常と判定する。なお、ステップS13でYと判定され(検出電流IsがTh1未満で)、ステップS50でNと判定され(VdsがTh3以上であり)、ステップS52でYと判定された場合(VdsがTh4未満である場合)にも、ステップS31に進むが、これは図12の場合と同様である。
以上に説明したように、本発明の第4実施形態によれば、半導体スイッチ12のオープン故障およびオープン故障の前兆を検出することができるのみならず、負荷10の故障を判定することができる。また、検出電流Isとドレイン−ソース間電圧Vdsの双方に基づいて、半導体スイッチ12のオープン故障の予兆を検出することができるので、オープン故障の予兆を確実に検出することができる。
(F)本発明の第5実施形態の説明
つぎに、本発明の第5実施形態について説明する。図14は、本発明の第5実施形態の構成例を示す図である。なお、図14において、図2と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図14の構成例では、図2と比較すると、電源供給装置1内に外部報知部19が追加されるとともに、外部に外部機器40が追加されている。これ以外の構成は、図2の場合と同じである。
ここで、外部報知部19は、半導体スイッチ故障判断部17による判断結果を、外部機器40に対して報知する機能を有する。外部機器40は、例えば、ECU(Electric Control Unit)等によって構成され、外部報知部19から報知された情報を、例えば、運転者に対して提示する機能を有している。
このような実施形態によれば、例えば、半導体スイッチ故障判断部17が、負荷10に過電流が流れていると判定した場合、半導体スイッチ12がオープン故障していると判定した場合、または、半導体スイッチ12が正常であると判定した場合には、それぞれの判断結果を、外部報知部19を介して外部機器40に通知する。外部機器40は、外部報知部19から通知された情報に基づいて、例えば、運転者に対して、判断結果を通知する。この結果、運転者は、電源供給装置1の状態を、例えば、ボンネットを開けることなく知ることができる。なお、外部機器40としては、複数のLED(Light Emitting Diode)を半導体スイッチ故障判断部17による判断結果に対応して表示する表示装置を用いることができる。あるいは、音声または画像によって、判断結果を提示するようにしてもよい。
以上に説明したように、本発明の第5実施形態によれば、運転者は外部機器40が提示する情報に基づいて、電源供給装置1の状態を知ることができる。
(C)変形実施形態の説明
以上の各実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の各実施形態では、時定数回路としては、はしご形RC回路を用いるようにしたが、例えば、はしご形RL回路を用いることも可能である。また、小型化が容易なスイッチトキャパシタ回路を用いるようにしてもよい。
また、時定数回路としては、図3に示すはしご形RC回路を示したが、図3は一例に過ぎず、これ以外の形状の回路を用いるようにしてもよい。
また、図3に示す実施形態では、電流検出部13による検出電流Isを時定数回路14に入力するようにしたが、検出された電流に対応する電圧を、時定数回路14に供給するようにしてもよい。また、時定数回路14の出力は電圧としたが、電流を出力するようにしてもよい。
また、図14に示す例では、図2に示す第1実施形態に対して、外部報知部19および外部機器40を設けるようにしたが、例えば、図11に示す構成に対して、外部報知部19および外部機器40を設けるようにしてもよい。そのような場合には、過電流判定、オープン故障判定、および、正常判定だけでなく、オープン故障予兆判定および負荷故障判定についても、運転者に対して通知することができる。
また、以上の実施形態では、フローチャートに基づいて、ソフトウエア的に異常の有無を判断するようにしたが、例えば、論理回路を用いてハードウエア的に異常の有無を判断するようにしてもよい。
1 電源供給装置
2 バッテリ
10 負荷
11 電線
12 半導体スイッチ
13 電流検出部(電流検出手段)
14 時定数回路(判定手段の一部)
15 異常判定部(判定手段の一部)
16 半導体スイッチ駆動部(制御手段)
17 半導体スイッチ駆動部(判断手段)
18 電圧検出部(電圧検出手段)
19 外部報知部(報知手段)
20 NAND回路
21,22 トランジスタ
23 差動増幅器
24 MOS−FET
26 電流源
27 コンパレータ
28 ラッチ回路
29 インバータ
40 外部機器

Claims (7)

  1. 電源と負荷の間に接続され、前記電源から前記負荷に電源電力を供給する電源供給装置において、
    前記負荷に供給する電源電力をオン/オフする半導体スイッチと、
    前記半導体スイッチを介して前記負荷に流れる電流を検出する電流検出手段と、
    前記半導体スイッチをオンの状態にした場合に、前記負荷に供給される電流の限界値を示す閾値であって時間の経過とともにその値が減少する閾値である変動閾値と、前記電流検出手段によって検出された電流とを比較し、前記電流が前記変動閾値を上回ったか否かを判定する判定手段と、
    前記変動閾値を生成する時定数回路と、
    前記判定手段によって前記電流が前記変動閾値を上回ったと判定された場合には、前記半導体スイッチをオフの状態に制御する制御手段と、
    前記制御手段によって前記半導体スイッチがオンの状態に制御されている場合に、前記電流検出手段によって検出された電流が、前記負荷の定格電流に対応する検出電流よりも値が小さい第1閾値未満のときには、前記半導体スイッチまたは前記負荷がオープン故障していると判断する判断手段と、
    を有することを特徴とする電源供給装置。
  2. 前記判断手段は、前記制御手段によって前記半導体スイッチがオンの状態に制御されている場合に、前記電流検出手段によって検出された電流が前記第1閾値以上で、かつ、前記第1閾値よりも値が大きい第2閾値であって前記定格電流に対応する検出電流よりも値が小さい前記第2閾値未満の場合は、前記半導体スイッチまたは前記負荷にオープン故障の予兆があると判断することを特徴とする請求項1に記載の電源供給装置。
  3. 前記半導体スイッチに現れる電圧を検出する電圧検出手段を有し、
    前記判断手段は、前記制御手段によって前記半導体スイッチがオンの状態にされている場合に、前記電流検出手段によって検出された電流が前記第1閾値未満で、かつ、前記電圧検出手段によって検出された電圧が、前記電源の電圧よりも低い第3閾値であって0Vに近い値の前記第3閾値未満であるときは前記負荷が故障していると判定する、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の電源供給装置。
  4. 前記判断手段は、前記制御手段によって前記半導体スイッチがオンの状態にされている場合に、前記電流検出手段によって検出された電流が前記第1閾値未満で、かつ、前記電圧検出手段によって検出された電圧が、前記第3閾値よりも値が大きい第4閾値であって電源電圧よりも値が小さい前記第4閾値以上であるときは、前記半導体スイッチがオープン故障していると判定する、
    ことを特徴とする請求項3に記載の電源供給装置。
  5. 前記判断手段は、前記制御手段によって前記半導体スイッチがオンの状態にされている場合に、前記電流検出手段によって検出された電流が前記第1閾値未満で、かつ、前記電圧検出手段によって検出された電圧が、前記第3閾値よりも値が大きい第4閾値であって電源電圧よりも値が小さい前記第4閾値未満であるとともに前記第3閾値以上であるときは、前記半導体スイッチにオープン故障の前兆があると判定する、
    ことを特徴とする請求項3に記載の電源供給装置。
  6. 前記判断手段による判断結果を、前記電源供給装置の外部に報知する報知手段を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電源供給装置。
  7. 前記電源供給装置は、リレーボックス、ジャンクションボックス、または、接続コネクタに着脱可能に接続されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電源供給装置。
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