(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体リレー（１０）を用いて負荷（２）に負荷電流を供給する負荷駆動回路において、
前記半導体リレー（１０）は、７０℃以上１４０℃未満の感温温度で、前記負荷（２）への電流供給を停止する電流遮断機能を有するものであり、
前記半導体リレー（１０）の放熱経路に、前記半導体リレー（１０）の放熱系の熱抵抗値を調整することができる熱抵抗体（２４）が設けられていることを特徴とする負荷駆動回路。
【請求項２】
半導体リレー（１０）を用いて負荷（２）に負荷電流を供給する負荷駆動回路において、
前記半導体リレー（１０）は、前記負荷電流の許容電流値に対応して設定された感温温度で、前記負荷（２）への電流供給を停止する電流遮断機能を有するものであり、
前記半導体リレー（１０）の放熱経路に、前記半導体リレー（１０）の放熱系の熱抵抗値を調整することができる熱抵抗体（２４）が設けられていることを特徴とする負荷駆動回路。
【請求項３】
前記半導体リレー（１０）は、前記感温温度を調整することができる調整手段（１３ａ）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の負荷駆動回路。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１つに記載の負荷駆動回路の実装構造であって、前記半導体リレー（１０）の放熱を行う放熱板（２６）を有し、前記半導体リレー（１０）がプリント基板（２１）上に電気的に接続した状態で固定されており、前記半導体リレー（１０）と前記放熱板（２６）の間に前記熱抵抗体（２４）が介在されていることを特徴とする負荷駆動回路の実装構造。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか１つに記載の負荷駆動回路において、前記熱抵抗体（２４）の熱抵抗値を調整して、前記負荷（２）への電流供給を停止する電流値を設定することを特徴とする負荷駆動回路の遮断電流値調整方法。
【請求項６】
前記半導体リレー（１０）を半田付けする場合の半田を前記熱抵抗体（２４）とし、前記半田の面積を調整して、前記負荷（２）への電流供給を停止する電流値を設定することを特徴とする請求項５に記載の負荷駆動回路の遮断電流値調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体リレーを用いて負荷を駆動する負荷駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車用電装品において、半導体リレー（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ）を用いてランプ系、モータ系などの各種負荷を駆動するようにしている。この負荷を駆動する回路においては、ワイヤーハーネスのショートあるいは負荷内でのデッドショートなどにより、負荷回路に許容電流値以上の過大電流が流れるのを阻止するため、パワーＭＯＳＦＥＴに直列にヒューズが挿入接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、車両の小型、軽量化のため、ヒューズを用いずに、負荷および負荷に接続されたワイヤーハーネスからなる負荷回路を上述した過大電流から保護したいという要望がある。
この場合、例えば、負荷を駆動するパワーＭＯＳＦＥＴに直列に電流検出用の抵抗を接続し、その抵抗での降下電圧から負荷電流を検出し、負荷電流が過大電流になったときに、負荷電流の供給を停止もしくは制限するようにすれば、ヒューズを用いずに負荷駆動回路を構成することができる（例えば、特開平８−４７１６８号公報参照）。
【０００４】
しかしながら、このような構成では、電流検出用の抵抗を必要とするのみならず、検出した負荷電流に応じてパワーＭＯＳＦＥＴを制御し過大電流から負荷回路を保護するための制御回路が必要となる。
本発明は上記問題に鑑みたもので、負荷電流の検出を行わずに、ヒューズレスで負荷回路を過大電流から保護することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、近年、自動車用電装品の負荷駆動に使用されているインテリジェントパワーデバイス（以下、単にＩＰＤという）に着目した。このＩＰＤは、感温温度が所定温度（例えば、１７５℃±２５℃）になると、作動停止して、素子自身を過熱から保護する感温保護機能を有するものである。
【０００６】
本発明者らは、このＩＰＤにおける感温温度を従来使用されているＩＰＤの感温温度より低下させ、その感温保護機能をヒューズ代わりの電流遮断機能として働かせることにより、素子自身ではなく負荷回路を過大電流から保護することを考えた。すなわち、負荷電流の許容電流値に対応して感温温度を設定すれば、負荷電流が許容電流値になったとき負荷電流の供給停止を図ることができ、負荷回路を過大電流から保護することができる。
【０００７】
本発明は上記検討を基になされたもので、請求項１に記載の発明においては、負荷（２）を駆動する半導体リレー（１０）として、７０℃以上１４０℃未満の所定の感温温度になったとき、負荷（２）への電流供給を停止する電流遮断機能を有するものを用いたことを特徴としている。
このように、従来のものよりも低温域で感温保護機能を働かせ、その感温保護機能をヒューズ代わりの電流遮断機能として用いることにより、ヒューズレスで負荷回路を過大電流から保護することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明においては、負荷（２）を駆動する半導体リレー（１０）として、負荷電流の許容電流値に対応して設定された感温温度で、負荷（２）への電流供給を停止する電流遮断機能を有するものを用いたことを特徴としている。
従って、負荷電流が許容電流値になると、そのときの感温温度で負荷への電流供給を停止することができるので、ヒューズレスで負荷回路を過大電流から保護することができる。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明のように、半導体リレー（１０）に、感温温度を調整することができる調整手段（１３ａ）を設けるようにすれば、半導体リレーの感温温度を所望の値に容易に設定することができる。また、請求項１〜３に記載の発明では、半導体リレー（１０）の放熱経路に、半導体リレー（１０）の放熱系の熱抵抗値を調整することができる熱抵抗体（２４）を設けている。このようにすれば、半導体リレーの感温温度あるいは許容電流値などを所望の値に容易に設定することができる。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明においては、請求項１〜３に記載の負荷駆動回路において、半導体リレー（１０）と放熱板（２６）の間に、熱抵抗体（２４）を介在させた実装構造を提供することができる。また、請求項５に記載の発明においては、請求項１〜３に記載の負荷駆動回路において、熱抵抗体（２４）の熱抵抗値を調整して、負荷（２）への電流供給を停止する電流値を設定することができる。この場合、請求項６に記載の発明のように、半導体リレー（１０）を半田付けする場合の半田を熱抵抗体（２４）とし、半田の面積を調整して、負荷（２）への電流供給を停止する電流値を設定するようにすれば、安価かつ容易に遮断電流値を設定することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
図１に、本発明の一実施形態に係る自動車用の負荷駆動回路の構成を示す。
この一実施形態においては、車載バッテリ１と自動車用電装品におけるランプ系、モータ系などの負荷２との間に、負荷２を駆動する半導体リレーとしてＩＰＤ１０を接続し、ヒューズレスで負荷２の駆動を行うようにしている。
【００１３】
このＩＰＤ１０は、例えば負荷２に直列接続されたＰチャネル型パワーＭＯＳＦＥＴ１１を備えており、制御回路３からの制御信号により負荷２に負荷電流を供給して負荷２を駆動する。また、ＩＰＤ１０は、感温温度が所定温度になると、パワーＭＯＳＦＥＴ１１の作動を停止する感温保護機能を有している。このため、ＩＰＤ１０は、ＩＰＤ１０のジャンクション温度を検出しその温度に比例した電圧を発生する温度検出回路（例えば、温度に応じて出力電圧が変化するダイオードを用いた回路構成のもの）１２と、基準電圧を発生する基準電圧発生回路１３と、温度検出回路１２からの出力電圧と基準電圧発生回路１３からの基準電圧とを比較判定する比較判定回路１４と、比較判定回路１４の比較結果を示す出力によりパワーＭＯＳＦＥＴ１１をオフさせる遮断回路１５から構成されている。なお、上述したＩＰＤ１０は半導体パッケージとして構成されている。
【００１４】
このようなＩＰＤ１０の構成自体は従来と同様のもので、ＩＰＤ１０の温度が上昇し感温温度に達すると、温度検出回路１２の出力電圧と基準電圧発生回路１３の基準電圧の大小関係が反転し、比較判定回路１４の出力電圧レベルが変化して、遮断回路１５によりパワーＭＯＳＦＥＴ１１をオフさせる。
上記した構成において、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のオン抵抗値をＲON、負荷電流の許容電流値をＩとすると、パワーＭＯＳＦＥＴ１１の消費電力Ｗは、数式１で表される。
【００１５】
【数１】
Ｗ＝Ｉ2 ・ＲON
また、ＩＰＤ１０の雰囲気温度（使用環境温度）をＴROOM、ＩＰＤ１０の感温温度をＴSDとすると、ＩＰＤ１０の放熱系全体の熱抵抗値ＲTEMP（℃／Ｗ）は、数式２で表される。
【００１６】
【数２】
ＲTEMP＝（ＴSD−ＴROOM）／Ｗ
従って、数式１、数式２により、感温温度ＴSDは、数式３により表される。
【００１７】
【数３】
ＴSD＝Ｉ2 ×ＲON×ＲTEMP＋ＴROOM
この数式３から分かるように、ＩＰＤ１０の感温温度ＴSDは、負荷電流の許容電流値Ｉに対応している。
そこで、本実施形態においては、感温温度ＴSDが負荷電流の許容電流値Ｉに対応して設定されたＩＰＤ１０を用い、ＩＰＤ１０の感温保護機能を、ヒューズ代わりの電流遮断機能として働かせるようにしている。このことにより、負荷電流が許容電流値になると、そのときの感温温度にてパワーＭＯＳＦＥＴ１１がオフし、負荷回路（ＩＰＤ１０とアース間のワイヤーハーネスおよび負荷２）を過大電流から保護することができる。
【００１８】
次に、具体的な感温温度ＴSDの設定について説明する。
（設定例１）
オン抵抗値ＲONが０．１ΩのパワーＭＯＳＦＥＴ１１を使用し、雰囲気温度ＴROOMを７５℃、熱抵抗値ＲTEMPを１０℃／Ｗとし、許容電流値Ｉを３Ａとして感温保護機能を作動させたいときは、数式３より、感温温度ＴSDを３2 ×０．１×１０＋７５＝８４℃に設定する。
（設定例２）
オン抵抗値ＲONが０．２ΩのパワーＭＯＳＦＥＴ１１を使用し、雰囲気温度ＴROOMを７５℃、熱抵抗値ＲTEMPを１０℃／Ｗとし、許容電流値Ｉを５Ａとして感温保護機能を作動させたいときは、数式３より、感温温度ＴSDを５2 ×０．２×１０＋７５＝１２５℃に設定する。
【００１９】
上記した感温温度ＴSDは、例えば、ＩＰＤ１０を構成する基準電圧発生回路１３からの基準電圧を調整することにより設定することができる。この場合、基準電圧が抵抗分割により設定されているときには、その抵抗値を調整して感温温度ＴSDを所望の値に設定することができる。
また、ＩＰＤ１０の感温温度ＴSDは、ＩＰＤ１０の製造ばらつきにより変化するが、製造されたＩＰＤの感温温度ＴSDを測定し、異なった感温温度ＴSDを有するＩＰＤを予め複数用意しておけば、所望の感温温度ＴSDを有するＩＰＤを選定して、図１に示す負荷駆動回路を形成することができる。
【００２０】
また、図１に示すように、基準電圧発生回路１３で調整抵抗１３ａを一構成要素として有する回路を使用したＩＰＤ１０においては、調整抵抗１３ａの直列抵抗の抵抗分割により基準電圧を出力するように構成されているため、調整抵抗１３ａをトリミングして、所望の感温温度に調整することができる。
図２に、ＩＰＤ１０の実装構造を示す。
【００２１】
プリント基板２１上に、ボンディングパッド２２、ダイパッド２３が形成されている。ＩＰＤ１０は、ダイパッド２３上に熱抵抗体（例えば、モリブデン、４２アロイ等の金属、窒化アルミ等のセラミック、シリコンシート、雲母など）２４を介して取り付けられており、Ａｌワイヤ２５を用いてボンディングパッド２２にボンディングされている。また、プリント基板２１の裏面側にはＡｌの放熱板２６が取り付けられている。
【００２２】
このような構成において、ＩＰＤ１０からの熱は、放熱板２６により放熱される。ここで、その放熱経路に熱抵抗体２４を介在させることにより、ＩＰＤ１０の感温温度ＴSDを所望の値に調整することができる。すなわち、熱抵抗体２４を含んでＩＰＤ１０の放熱系全体の熱抵抗値ＲTEMPが設定されるため、熱抵抗体２４により、感温温度ＴSDを所望の値に調整することができる。
【００２３】
また、熱抵抗値ＲTEMPは、数式３から数式４のように表される。
【００２４】
【数４】
ＲTEMP＝（ＴSD−ＴROOM）／ＲON／Ｉ2 
ここで、例えば、上述した設定例２において、許容電流値Ｉを５Ａ、感温温度ＴSDを１２５℃に設定されたＩＰＤ１０を、許容電流値Ｉを２．５Ａとして使用したい場合、このときの熱抵抗値ＲTEMPは、数式４から（１２５−７５）／０．２／２．５2 ＝４０℃／Ｗとなる。
【００２５】
従って、設定例２における熱抵抗値ＲTEMP（＝１０℃／Ｗ）に対し、３０℃／Ｗの熱抵抗体２４を介在させれば、同じＩＰＤ１０を用い、許容電流値Ｉを２．５Ａとして使用することができる。
なお、熱抵抗体２４の熱抵抗値は次のようにして調整することができる。まず第１に、熱抵抗体２４の接続面積（半田付け面積）を変える。接続面積を小さくすると熱抵抗値を大きくすることができる。第２に、熱抵抗体２４の厚さを変更する。熱抵抗体２４を厚くすると熱抵抗値が大きくなり、薄くすると熱抵抗値が小さくなる。第３に、熱抵抗体２４の材質（熱伝導率）を変える。
【００２６】
また、ＩＰＤ１０を半田付けする半田付けの面積を小さくすることでＩＰＤ１０の熱抵抗値を大きくすることができるので、ＩＰＤ１０の半田付けの半田そのものを熱抵抗体２４として構成することも可能である。この場合、半田そのもので熱抵抗値を調整することができ、安価かつ容易に、過電流検出電流値を設定することができる。
【００２７】
なお、ＩＰＤ１０は、図２に示すような半導体素子に限らず、図３に示すような樹脂モールドの半導体素子であってもよい。この場合、ＩＰＤ１０は、リード２７によりプリント基板２１上の導体パターン２８と電気接続される。
また、ＩＰＤ１０の実装構造は、図２、図３に示すような表面実装型のものに限らず、図４に示すような縦実装型のものであってもよい。この場合、ＩＰＤ１０は、樹脂でモールドされた半導体素子であって、リード２９によりプリント基板２１に電気的に接続されるとともに機械的に固定される。また、ＩＰＤ１０は、金属の放熱板３０を有しており、この放熱板３０に、熱抵抗体２４およびＡｌの放熱板２６がネジ３１により固定されている。
【００２８】
従って、図３、図４に示す実装構造においても、ＩＰＤ１０の放熱経路に介在された熱抵抗体２４により、感温温度ＴSDあるいは許容電流値Ｉを所望の値に調整することができる。
図５に、数式３から導き出される許容電流値Ｉと感温温度ＴSDの関係を示す。図中の実線は、雰囲気温度ＴROOMを７０℃、熱抵抗値ＲTEMPを１０℃／Ｗ、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のオン抵抗値ＲONを０．２Ωとしたときのものである。
【００２９】
ここで、雰囲気温度ＴROOMが７０℃より高くなると、許容電流値Ｉと感温温度ＴSDの関係は図中の点線で示すように上方にシフトし、雰囲気温度ＴROOMが７０℃より低くなると、許容電流値Ｉと感温温度ＴSDの関係は図中の一点鎖線で示すように下方にシフトする。
従って、所定の感温温度ＴSDに対し雰囲気温度ＴROOMが高くなるほど低い電流値で感温保護機能が作動することになる。実際の負荷回路の中で、最も高温になり温度保護が必要な場所にＩＰＤ１０を搭載すれば、所定の感温温度ＴSDより実際の雰囲気温度ＴROOMが高くなった場合は、所定の設定電流値より低い電流値で保護機能が作動するため、加熱保護の観点からは、より安全性の高い保護機能を提供することができる。
【００３０】
上述した実施形態においては、本発明に係る負荷駆動回路を自動車用に適用するものを示したが、民生用に適用するようにしてもよい。なお、自動車用あるいは民生用に適用した場合、その使用条件を考慮すれば、７０℃以上１４０℃未満の感温温度にてＩＰＤ１０の電流遮断機能をヒューズ代わりに用いることができる。
【００３１】
このようにＩＰＤ１０の電流遮断機能を７０℃以上１４０℃未満という低温域に設定した場合、パワーＭＯＳＦＥＴ１１をはじめ周辺の回路素子の通常作動温度が１４０℃未満になるため、それらの素子の高温側の保証温度範囲を気にすることなく使用することができる。また、そのような低温域での作動とすることによって、ＩＰＤ１０におけるパワーＭＯＳＦＥＴ１１としてオン抵抗値の小さいものを使用することができる。この場合、複数の負荷を対象として複数のＩＰＤ１０を同一の回路基板上に搭載して使用する場合でも、全体の発熱量を低減することができるため、回路全体の熱設計を容易にすることができる。
【００３２】
なお、上述した実施形態においては、ＩＰＤ１０を負荷２に対し電源側に設けＩＰＤ１０からアース側の方で負荷回路を構成するものを示したが、ＩＰＤ１０を負荷２に対しアース側に設けＩＰＤ１０より電源側の方で負荷回路を構成するようにしてもよい。
また、図１ではＰチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴ１１を使用するものを示したが、Ｎチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴを使用した場合においても同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る自動車用の負荷駆動回路の構成を示す図である。
【図２】ＩＰＤ１０の実装構造を示す断面図である。
【図３】ＩＰＤ１０の他の実装構造を示す断面図である。
【図４】ＩＰＤ１０のさらに他の実装構造を示す断面図である。
【図５】許容電流値Ｉと感温温度ＴSDの関係を示す図である。
【符号の説明】
１…車載バッテリ、２…負荷、３…制御回路、１０…ＩＰＤ、
１１…パワーＭＯＳＦＥＴ、１２…温度検出回路、
１３…基準電圧発生回路、１４…比較判定回路、１５…遮断回路
２１…プリント基板、２４…熱抵抗体、２６…放熱板。
【図１】
0003684748.tif 000002
【図２】
0003684748.tif 000003
【図３】
0003684748.tif 000004
【図４】
0003684748.tif 000005
【図５】
0003684748.tif 000006