(57)【要約】【課題】温度の変化に対する保護ＭＯＳトランジスタのオープン故障の検出精度を向上できる車両用電子装置を提供する。【解決手段】この車両用電子装置は、負荷に対して基準電位側であるローサイド側に逆接保護用の保護ＭＯＳトランジスタを備える。保護ＭＯＳトランジスタは、基準電位に向かって順方向となる寄生ダイオードが形成されるものであり、ハイサイド側の第１接続点と、保護ＭＯＳトランジスタよりも基準電位側の第２接続点との間において、ダイオードと直列に設けられた温度補償回路を備える。温度補償回路が寄生ダイオードと同一の温度特性を有するとともに寄生ダイオードと互いに熱的に結合されるように実装されることにより、第１接続点と第２接続点との間の通電が寄生ダイオードの順方向電圧に依存するように制御され、第１接続点と温度補償回路との間の接続点の電位に基づいて保護ＭＯＳトランジスタのゲートのオープン故障が検出される。【選択図】図１
2018157272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に対して基準電位側であるローサイド側に設けられ、前記負荷に対して電源側であるハイサイド側の電圧がゲートに印加されるようにされた逆接保護用の保護ＭＯＳトランジスタを備える車両用電子装置であって、
前記保護ＭＯＳトランジスタは、前記基準電位に向かって順方向となる寄生ダイオードが形成されるものであり、
前記ハイサイド側の第１接続点と、前記保護ＭＯＳトランジスタよりも前記基準電位側の第２接続点との間において、ダイオードと直列に設けられた温度補償回路を備え、
前記温度補償回路は、前記寄生ダイオードの温度特性差が小さくなるような温度特性を有するとともに前記寄生ダイオードと互いに熱的に結合されるように実装されることにより、前記第１接続点と前記第２接続点との間の通電が前記寄生ダイオードの順方向電圧に依存するように制御され、
前記第１接続点と前記温度補償回路との間の接続点の電位に基づいて前記保護ＭＯＳトランジスタのゲートのオープン故障が検出される車両用電子装置。
【請求項２】
前記温度補償回路が前記寄生ダイオードと同一の温度特性を有する請求項１に記載の車両用電子装置。
【請求項３】
前記温度補償回路は、補償用バイポーラトランジスタを有し、
前記補償用バイポーラトランジスタのコレクタ端子は前記第１接続点側に接続され、
エミッタ端子は前記第２接続点に接続され、
ベース端子は前記保護ＭＯＳトランジスタと前記負荷の間に第３接続点に接続され、
ベース−エミッタ間電圧が、前記寄生ダイオードにおける順方向電圧の温度特性と同一の温度特性を有する請求項１または請求項２に記載の車両用電子装置。
【請求項４】
前記温度補償回路における前記第１接続点側に接続された端子と、前記第２接続点と、の間に、前記第２接続点側をアノードとするツェナーダイオードを備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この明細書の開示は、電源の逆接続に対する保護回路を備えた車両用電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータなどの負荷に対して電源を供給するとき、電源の逆接続に対する保護として保護ＭＯＳトランジスタを採用するものが知られている。電源が正常に接続された場合には、保護ＭＯＳトランジスタのゲートに電源に起因するゲート電圧が印加されてオンし、負荷に電流を供給する。一方、電源が逆接続されたときには保護ＭＯＳトランジスタがオフして負荷に電流が流れないようにできる。
【０００３】
ところで、保護ＭＯＳトランジスタのゲートのオープン故障、ならびに適切な電位がゲートに印加されない状況を想定する。この状態では、電源が正常に接続されてもゲート電圧が印加されない。このため、保護ＭＯＳトランジスタはオフ状態が維持され、ソース−ドレイン間の寄生ダイオードに通電されることになる。寄生ダイオードに通電されると保護ＭＯＳトランジスタが過熱してしまうため、保護ＭＯＳトランジスタのオープン故障の検出が求められる。
【０００４】
特許文献１には、保護ＭＯＳトランジスタのソース−ドレイン間電圧に基づいてオープン故障を検出する技術が開示されている。保護ＭＯＳトランジスタのゲートにオープン故障が発生している状態で電源が正常に接続されると、ソース−ドレイン間には寄生ダイオードの順方向電圧Ｖｆに相当する電位差が生じる。このため、ある所定の温度における順方向電圧Ｖｆを閾値として、オープン故障を検出することができるのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−６１３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、寄生ダイオードの順方向電圧Ｖｆは負の温度特性を持つので、温度が高くなるほどＶｆが小さくなる。つまり、閾値として代表的なＶｆの値を設定したとしても、温度の高い状態ではソース−ドレイン間電圧が閾値以下となり、オープン故障を検出できない虞がある。
【０００７】
そこで、この明細書の開示は上記問題点に鑑み、温度の変化に対する保護ＭＯＳトランジスタのオープン故障の検出精度を向上できる電子装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。
【０００９】
上記目的を達成するために、この明細書に開示される車両用電子装置は、負荷に対して基準電位側であるローサイド側に設けられ、負荷に対して電源側であるハイサイド側の電圧がゲートに印加されるようにされた逆接保護用の保護ＭＯＳトランジスタを備える車両用電子装置であって、保護ＭＯＳトランジスタは、基準電位に向かって順方向となる寄生ダイオードが形成されるものであり、ハイサイド側の第１接続点と、保護ＭＯＳトランジスタよりも基準電位側の第２接続点との間において、ダイオードと直列に設けられた温度補償回路を備え、温度補償回路は、寄生ダイオードの温度特性差が小さくなるような温度特性を有するとともに寄生ダイオードと互いに熱的に結合されるように実装されることにより、第１接続点と第２接続点との間の通電が寄生ダイオードの順方向電圧に依存するように制御され、第１接続点と温度補償回路との間の接続点の電位に基づいて保護ＭＯＳトランジスタのゲートのオープン故障が検出される。
【００１０】
これによれば、温度補償回路が寄生ダイオードと同一の温度特性を有し、寄生ダイオードと互いに熱的に結合されるように実装されている。これにより、第１接続点と第２接続点との間の通電の有無が寄生ダイオードの順方向電圧に依存するように制御されている。よって、過熱により温度に依存して寄生ダイオードの順方向電圧が変動しても、第１接続点から第２接続点に向かう電流の有無を以って保護ＭＯＳトランジスタのオープン故障の発生有無を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係る車両用電子装置の概略構成を示す回路図である。
【図２】ベース−エミッタ間電圧の温度特性と、順方向電圧の温度特性を示す図である。
【図３】保護ＭＯＳトランジスタと温度補償回路（バイポーラトランジスタ）の実装を示す図である。
【図４】保護ＭＯＳトランジスタのソース端子の電位、および、バイポーラトランジスタのコレクタ端子の電位のグランド電流依存性を示す図である。
【図５】変形例に係る車両用電子装置の概略構成を示す回路図である。
【図６】その他の実施形態に係る車両用電子装置の概略構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００１３】
（第１実施形態）
最初に、図１〜図３を参照して、本実施形態に係る車両用電子装置の概略構成について説明する。
【００１４】
図１に示すように、この車両用電子装置１００は、例えばインバータなどの負荷２００に電力を供給する装置であり、電源電位ＶＢに接続された電源ラインＬａと、基準電位ＧＮＤに接続された基準ラインＬｂとの間において、負荷２００と並列に設けられている。
【００１５】
車両用電子装置１００は、意図しない電源の逆接続に対して負荷２００への電力供給を防止し保護するための保護回路であり、保護ＭＯＳトランジスタ１０を備えている。加えて、車両用電子装置１００は、温度補償回路２０と、異常検知用コンパレータ３０と、を備えている。
【００１６】
保護ＭＯＳトランジスタ１０は、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタであり、ソースからドレインに向かって順方向となる寄生ダイオード１１が内在している。保護ＭＯＳトランジスタ１０は、基準ラインＬｂ上において、ソース端子が負荷２００に接続され、ドレイン端子が基準電位ＧＮＤに接続されている。換言すれば、保護ＭＯＳトランジスタ１０は、負荷２００に対してローサイド側に設けられている。保護ＭＯＳトランジスタ１０のゲート端子は抵抗器３１を介して電源ラインＬａに接続されている。すなわち、ゲート端子には負荷２００に対してハイサイド側の電圧が、抵抗器３１を介して印加されるようになっている。
【００１７】
電源が正常に接続されるとき、保護ＭＯＳトランジスタ１０のゲート端子の電位はドレイン端子の電位よりも高くなり、閾値電圧以上の電位差が生じることによって保護ＭＯＳトランジスタ１０がオンする。これによって、ソース−ドレイン間は導通して負荷２００に規定の電力が供給されることになる。
【００１８】
一方、電源が逆接続されるとき、保護ＭＯＳトランジスタ１０のゲート端子の電位はドレイン端子の電位よりも低くなり、保護ＭＯＳトランジスタ１０はオンしない。よって、負荷２００に電流が供給されない。これにより、負荷２００への意図しない電力供給を防止し、負荷２００を構成する回路等を保護することができる。
【００１９】
寄生ダイオード１１は、一般的なダイオードに準じるＩ−Ｖ特性を有しているのであり、順方向電圧Ｖｆが規定される。仮に、保護ＭＯＳトランジスタ１０のゲート端子にオープン故障が発生したとする。つまり、ゲート端子への電圧の印加の有無によらず、保護ＭＯＳトランジスタ１０が常にオフ状態となる異常が生じたと仮定する。このとき、電源が正常に接続されていても、保護ＭＯＳトランジスタ１０はオンせず、ソース−ドレイン間の電圧が順方向電圧Ｖｆを超えると、電源から供給される電流は寄生ダイオード１１を介して保護ＭＯＳトランジスタ１０を流れることになる。なお、寄生ダイオード１１の順方向電圧Ｖｆは負の温度特性を有し、寄生ダイオード１１の温度が高くなるほど順方向電圧Ｖｆは小さくなる。
【００２０】
保護ＭＯＳトランジスタ１０のゲート−ソース間には、キャパシタ３２とツェナーダイオード３３が並列接続されている。ツェナーダイオード３３は、保護ＭＯＳトランジスタ１０のソース端子からゲート端子に向かう方向に順方向である。キャパシタ３２およびツェナーダイオード３３は、サージなどの電気的なノイズに対してゲート電圧の変動を抑制する目的で挿入されている。
【００２１】
温度補償回路２０は、負荷２００に対してハイサイド側の電源ラインＬａ上の第１接続点Ｐと、ローサイド側の基準ラインＬｂ上の第２接続点Ｑとの間に接続されている。第２接続点Ｑは保護ＭＯＳトランジスタ１０に対して負荷２００と反対側に位置しているのであり、保護ＭＯＳトランジスタ１０のドレイン端子と同電位である。第１接続点Ｐと温度補償回路２０との間には抵抗器３４とダイオード３５が介在している。ダイオード３５は、第１接続点Ｐから第２接続点Ｑに向かう方向に順方向である。このように、第１接続点Ｐと第２接続点Ｑの間には、抵抗器３４、ダイオード３５、温度補償回路２０がこの順で直列接続されている。そして、この直列回路は、負荷２００に対して並列である。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態における温度補償回路２０はＮＰＮ型のバイポーラトランジスタ２１を有している。バイポーラトランジスタ２１のコレクタ端子はダイオード３５のカソード端子に接続され、エミッタ端子は第２接続点Ｑ（換言すれば、保護ＭＯＳトランジスタ１０のドレイン端子）に接続され、ベース端子は、抵抗器３６を介して保護ＭＯＳトランジスタ１０のソース端子に接続されている。バイポーラトランジスタ２１は、特許請求の範囲に記載の補償用バイポーラトランジスタに相当する。
【００２３】
バイポーラトランジスタ２１のベース−エミッタ間の接合飽和電圧ＶＢＥは、図２に示すように、保護ＭＯＳトランジスタ１０の寄生ダイオード１１と同一の温度特性を有している。つまり、バイポーラトランジスタ２１のベース−エミッタ間の接合飽和電圧ＶＢＥは負の温度特性をもち、温度が高くなるほど小さくなる。なお、バイポーラトランジスタ２１は、ベース端子が接合飽和電圧ＶＢＥを超える電位になるとコレクタ−エミッタ間に電流が流れるスイッチング素子として機能している。
【００２４】
異常検知用コンパレータ３０は、一つの入力端子にバイポーラトランジスタ２１のコレクタ端子が接続されている。また、他方の入力端子に、バイポーラトランジスタ２１のエミッタ端子、つまり保護ＭＯＳトランジスタ１０のドレイン端子が接続されている。すなわち、異常検知用コンパレータ３０は、バイポーラトランジスタ２１におけるコレクタ端子の電位と、第２接続点Ｑの電位を比較する。異常検知用コンパレータ３０の出力に基づいて保護ＭＯＳトランジスタ１０のオープン故障の有無が判断される。
【００２５】
なお、本実施形態における車両用電子装置１００は、温度補償回路２０における第１接続点Ｐ側に接続された端子、すなわち、バイポーラトランジスタ２１のコレクタ端子と、第２接続点Ｑと、の間に、第２接続点側をアノードとするツェナーダイオード３７を備えている。このツェナーダイオード３７は、異常検知用コンパレータ３０の２つの間の電位差が所定電圧以上にならないように保護する素子である。
【００２６】
ところで、本実施形態におけるバイポーラトランジスタ２１と保護ＭＯＳトランジスタ１０は互いに熱的に結合されるように実装されている。具体的には、図３に示すように、バイポーラトランジスタ２１および保護ＭＯＳトランジスタ１０は、プリント基板３００上に互いに近接して実装される。バイポーラトランジスタ２１のエミッタ端子は、銅のランド３０１に接続されている。そして、該エミッタ端子と電位が共通する保護ＭＯＳトランジスタ１０のドレイン端子が、この銅のランド３０１に接続されて、互いがほぼ同一の温度になるように接続されている。具体的な実装形態は問わないが、保護ＭＯＳトランジスタ１０の寄生ダイオード１１と、バイポーラトランジスタ２１のベース−エミッタ接合ができるだけ同一の温度になるように実装することが好ましい。
【００２７】
次に、図４を参照して、本実施形態における車両用電子装置１００を採用することによる作用効果について説明する。
【００２８】
保護ＭＯＳトランジスタ１０のゲートがオープン故障し、常にオフ状態である異常を想定する。このとき、電源が正常どおり接続されると、電源電位ＶＨから寄生ダイオード１１を介して基準電位ＧＮＤに向かって電流が流れる。これをグランド電流と呼称する。グランド電流が流れるとき、寄生ダイオード１１のアノード−カソード間の電位差は順方向電圧Ｖｆである。すなわち、第２接続点Ｑを基準としたとき、保護ＭＯＳトランジスタ１０のソース端子の電位はＶｆである。Ｖｆはグランド電流に対して略一定であるが、図４に示すように、グランド電流の増加に応じて僅かに増加する。また、Ｖｆは、図２に示したように、負の温度特性を有するので、温度が高いほどＶｆは低下する。つまり、保護ＭＯＳトランジスタ１０のソース端子の電位は温度が高いほど低下する。
【００２９】
保護ＭＯＳトランジスタ１０のソース端子は、抵抗器３６を介して温度補償回路２０であるバイポーラトランジスタ２１のベース端子に接続されているから、保護ＭＯＳトランジスタ１０のソース端子の電位がバイポーラトランジスタ２１のベース端子の電位を決める。ここで、ベース−エミッタ間の接合飽和電圧ＶＢＥは、寄生ダイオード１１と同一の負の温度特性を有するので、コレクタ−エミッタ間に電流が流すためのベース端子の電位は温度が高いほど小さくなる。
【００３０】
このように、保護ＭＯＳトランジスタ１０のソース端子の電位（すなわち、順方向電圧Ｖｆ）が温度の上昇のともなって小さくなっても、バイポーラトランジスタ２１のコレクタ−エミッタ間の通電に係るベース端子の電圧も合わせて低下する。よって、本実施形態の車両用電子装置１００においては、図４に示すように、温度に依存することなく、寄生ダイオード１１に所定のグランド電流Ｉｔｈが流れた時点で、バイポーラトランジスタ２１のコレクタ端子の電位の低下を観測することになる。
【００３１】
車両用電子装置１００における異常検知用コンパレータ３０は、バイポーラトランジスタ２１におけるコレクタ端子の電位と、第２接続点Ｑの電位との比較によって、両者の電位差がほぼゼロとなったことを以って、その旨を外部の図示しない制御部に出力する。制御部は、この信号に基づいて保護ＭＯＳトランジスタ１０のオープン故障を検出することができる。上記したように、検出に係るグランド電流の値Ｉｔｈは温度に依存しないから、車両用電子装置１００においては温度の変化に対する保護ＭＯＳトランジスタ１０のオープン故障の検出精度を向上できる。
【００３２】
なお、検出後の処理については、例えば電源電位ＶＢの供給を停止するなどのフェールセーフ制御が有効である。このような制御を行う場合には、電源電位ＶＢの供給の停止と復帰に繰り返しによる発振を防止するため、異常検知用コンパレータ３０の出力信号に対して所定時間のフィルタ時間を設けると良い。異常検知用コンパレータ３０が、保護ＭＯＳトランジスタ１０のオープン故障にともなう出力信号をフィルタ時間以上継続して出力した場合にフェールセーフ制御を実行するなどすると良い。
【００３３】
（変形例）
ところで、温度補償回路２０は、上記した実施形態のようにバイポーラトランジスタ２１に限定されない。第１接続点Ｐと第２接続点Ｑとの間の通電に係り、その通電開始のトリガとなる特性が、寄生ダイオード１１と同一の温度特性を有していればよい。
【００３４】
例えば、図５に示すように、バイポーラトランジスタ２１に替えて、ＭＯＳＦＥＴ２２を採用することもできる。ＭＯＳＦＥＴ２２は、閾値電圧Ｖｔｈの温度特性が寄生ダイオード１１の温度特性と同一とされている。
【００３５】
このような態様でも、第１実施形態と同様に、温度に依存することなく、寄生ダイオード１１に所定のグランド電流Ｉｔｈが流れた時点で、ＭＯＳＦＥＴ２２がオンしてドレイン端子の電位の低下を観測することができる。すなわち、保護ＭＯＳトランジスタ１０のオープン故障を検出することができる。
【００３６】
（その他の実施形態）
以上、好ましい実施形態について説明したが、上記した実施形態になんら制限されることなく、この明細書に開示する主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００３７】
上記した実施形態および変形例では、異常検知用コンパレータ３０の２つの入力端子の間に過剰な電位差が生じないように保護するツェナーダイオード３７を挿入する例を説明したが、ツェナーダイオード３７は必ずしも必要なわけではなく、プリント基板３００上の実装上の制約等によっては省略しても良い。
【００３８】
また、上記した実施形態および変形例では、異常検知用コンパレータ３０を用いて、バイポーラトランジスタ２１におけるコレクタ端子、あるいはＭＯＳＦＥＴ２２におけるドレイン端子の電位と、第２接続点Ｑの電位との比較によって、保護ＭＯＳトランジスタ１０のオープン故障を検出する例について説明した。しかしながら、本質的には、温度補償回路２０における第１接続点Ｐ側の端子の電位をモニタできれば良いのであって、例えば、図６に示すように、温度補償回路２０における第１接続点Ｐ側の端子の電位を、直接マイコンなどに出力するようにしても良い。このような態様では、例えば、保護ＭＯＳトランジスタ１０のソース端子と温度補償回路２０における第１接続点Ｐ側の端子の電位との間にツェナーダイオード３８を挿入して、温度補償回路２０における第１接続点Ｐ側の端子の意図しない電位上昇を防止する構成が好ましい。
【００３９】
また、寄生ダイオード１１と温度補償回路２０における温度特性は、完全に一致している必要はなく、対応する特性値Ｖ（例えばバイポーラトランジスタ２１におけるベース−エミッタ間の接合飽和電圧や、ＭＯＳＦＥＴ２２における閾値電圧）について、｜ΔＶ−ΔＶｆ｜／ΔＴが、ΔＶｆ／ΔＴよりも小さくなるようになっていれば良い。より好ましくは、ΔＶ／ΔＴが、寄生ダイオード１１における順方向電圧のΔＶｆ／ΔＴと同一、すなわち、｜ΔＶ−ΔＶｆ｜／ΔＴ＝０であれば良い。
【符号の説明】
【００４０】
１０…保護ＭＯＳトランジスタ，１１…寄生ダイオード，２０…温度補償回路，２１…バイポーラトランジスタ
【図１】
2018157272.tif 000003
【図２】
2018157272.tif 000004
【図３】
2018157272.tif 000005
【図４】
2018157272.tif 000006
【図５】
2018157272.tif 000007
【図６】
2018157272.tif 000008