(57)【要約】【課題】スイッチＯＦＦ時における電流のリークが無く信頼性が高く、また、簡単な回路構成で、アークによる機械式スイッチ接点の耐久性低下を防止することのできる車両用電源回路を提供する。【解決手段】バッテリ１と電気負荷２とを結線する電路上に機械式スイッチ３と半導体スイッチ４とを順次直列に介装するとともに、機械式スイッチ３の廃幣状態に応じて半導体スイッチ４の開閉制御を行う半導体スイッチ制御回路５を機械式スイッチ３を介してバッテリ１に接続する。半導体スイッチ制御回路５の制御によって、機械式スイッチ３のＯＮ時に半導体スイッチ４を周期的にＯＮすることにより、電気負荷２に対する電圧制御を行うとともに、機械式スイッチ３がＯＦＦされた際のアークを高速で消弧する。【選択図】    図１
2005028969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と電気負荷とを結線する電路上に介装されて上記電路を機械的に開閉する機械式スイッチと、
上記機械式スイッチよりも上記電気負荷側の上記電路上に上記機械式スイッチと直列に接続されて介装され上記電路を電気的に開閉する半導体スイッチと、
上記機械式スイッチを介して上記電源に接続され、上記機械式スイッチの開閉状態に応じて上記半導体スイッチの開閉制御を行う半導体スイッチ制御手段とを備え、
上記半導体スイッチ制御手段は、上記機械式スイッチの閉路時に、上記半導体スイッチを周期的に閉路させることを特徴とする車両用電源回路。
【請求項２】
上記半導体スイッチ制御手段は、上記機械式スイッチの閉路時に駆動する発振器を備え、この発振器で発生するパルス信号に基づいて上記半導体スイッチを周期的に閉路させることを特徴とする請求項１記載の車両用電源回路。
【請求項３】
上記電路上に、上記電源から上記電気負荷への供給電圧を平滑化するフィルタを介装したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の車両用電気回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、３６Ｖバッテリ等の高電圧電源から低電圧な電気負荷に給電を行う車両の電気回路等に好適な車両用電源回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両においては各種電装品（電気負荷）の増加と、これら電装品の効率的な利用のため、複数の電圧系統（例えば、３６Ｖのバッテリ系統と１２Ｖのバッテリ系統）を備えたものが実用化されている。このように、車両の電装電圧が高電圧化すると、機械式スイッチの接点が離間する際に、接点間にアークが発生し、接点の耐久性を低下させる虞がある。
【０００３】
このため、車載電装品をＯＮ−ＯＦＦするスイッチには、例えば、特許文献１に示すような、半導体素子併用遮断器を採用することが考えられる。すなわち、この技術では、機械式遮断器と半導体素子遮断器（ＧＴＯサイリスタ）を併用した半導体素子併用遮断器において、機械式遮断器と直列に、電圧定格が低く、低損失な自己消弧型半導体素子（パワートランジスタスイッチ）を設け、これら３つの遮断器による遮断タイミングを制御装置で精度よくコントロールすることで、電路の開路時に、自己消弧型半導体素子で過電流を半導体素子遮断器に高速転流するとともに、機械式遮断器が無電流遮断で高速開路されて、過電流値を小さな値に抑制することができる。
【０００４】
また、例えば、１２Ｖのバッテリ系統から３６Ｖのバッテリ系統への移行に際しては、電気負荷の変更に伴うコストの高騰を抑制するため、電気負荷の高電圧化（例えば、定格電圧が１４Ｖの電気負荷から４２Ｖの電気負荷への移行）は、当該高電圧化によってより多くのメリットを享受可能なものから段階的に行われることが望ましい。
【０００５】
このため、このような移行期間においては、定格電圧が低電圧な電気負荷（例えば、定格電圧が１４Ｖの電気負荷）を高電圧バッテリ（例えば、３６Ｖバッテリ）で駆動するため、一般に、車両にはＤＣ−ＤＣコンバータが別途搭載される。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２３４８９４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特許文献１に開示された技術では、半導体素子遮断器と機械式遮断器とが並列に設けられているため、機械式遮断器のＯＦＦ時においても、半導体素子遮断器から僅かではあるが電流のリークがあり得る。従って、車両全体のスイッチを上述の半導体スイッチで置き換えると、リークも大きなものとなり、バッテリを電源とする車両にとって好ましくないという問題がある。また、上述の特許文献１に開示された技術では、制御装置で機械式遮断器と半導体素子遮断器と自己消弧型半導体素子の制御タイミングを精密にコントロールする必要があるため、スイッチ回路が複雑なものとなり、コストが高くなるという問題もある。
【０００８】
また、上述のように、高電圧バッテリで低電圧な電気負荷を駆動するためにＤＣ−ＤＣコンバータ等を設けることは、電源回路の構成を複雑化するばかりでなく、車両の艤装性等を低下させる結果となり、好ましくない。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、スイッチＯＦＦ時における電流のリークが無く信頼性が高く、また、簡単な回路構成で、アークによる機械式スイッチ接点の耐久性低下を防止することのできる車両用電源回路を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明による車両用電源回路は、電源と電気負荷とを結線する電路上に介装されて上記電路を機械的に開閉する機械式スイッチと、上記機械式スイッチよりも上記電気負荷側の上記電路上に上記機械式スイッチと直列に接続されて介装され上記電路を電気的に開閉する半導体スイッチと、上記機械式スイッチを介して上記電源に接続され、上記機械式スイッチの開閉状態に応じて上記半導体スイッチの開閉制御を行う半導体スイッチ制御手段とを備え、上記半導体スイッチ制御手段は、上記機械式スイッチの閉路時に、上記半導体スイッチを周期的に閉路させることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２記載の発明による車両用電源回路は、請求項１記載の発明において、上記半導体スイッチ制御手段は、上記機械式スイッチの閉路時に駆動する発振器を備え、この発振器で発生するパルス信号に基づいて上記半導体スイッチを周期的に閉路させることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３記載の発明による車両用電源回路は、請求項１または請求項２記載野発明において、上記電路上に、上記電源から上記電気負荷への供給電圧を平滑化するフィルタを介装したことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わり、図１は車両用電源回路の回路図である。
【００１４】
図１において、符号１は、電源としてのバッテリを示し、このバッテリ１には、機械式スイッチ３とＰＮＰトランジスタ（以下、半導体スイッチと称す）４を介して、電気負荷２が接続されている。すなわち、バッテリ１と電気負荷２とを結線する電路上には、当該電路を機械的に開閉（ＯＦＦ−ＯＮ）する機械式スイッチ３が介装されているとともに、電路を電気的に開閉（ＯＦＦ−ＯＮ）する半導体スイッチ４が機械式スイッチ３の電気負荷２側に直列接続された状態で介装されている。
【００１５】
ここで、バッテリ１は例えば３６Ｖの高電圧バッテリで構成され、電気負荷２は例えば定格電圧が１４Ｖの低電圧に設定されたランプ等の車載電装品で構成されている。
【００１６】
また、機械式スイッチ３は、ドライバ等の操作に応じて開閉されるもので、例えば、別途車載された低電圧バッテリ（例えば、１２Ｖバッテリ）１０の電源系統に介装された機械式スイッチ１１のドライバ等による開閉（ＯＦＦ−ＯＮ）操作に連動して開閉される。具体的には、機械式スイッチ３はリレーコイル３ａを備えた常開スイッチで構成され、リレーコイル３ａが機械式スイッチ１１を介してバッテリ１０に接続されている。そして、機械式スイッチ３は、機械式スイッチ１１が閉路された際に、リレーコイル３ａの励磁によって閉路するようになっている。
【００１７】
また、半導体スイッチ４は、後述する、半導体スイッチ制御手段としての半導体スイッチ制御回路５によって開閉制御される。
【００１８】
半導体スイッチ制御回路５は、機械式スイッチ３（すなわち、機械式スイッチ１１）の開閉（ＯＦＦ−ＯＮ）状態に応じて半導体スイッチ４を所定にＯＦＦ−ＯＮ制御するもので、本実施の形態において、半導体スイッチ制御回路５は機械式スイッチ３と半導体スイッチ４との中点に接続されている。すなわち、半導体スイッチ制御回路５は、機械式スイッチ３を介してバッテリ１に接続され、機械式スイッチ３の開閉状態に応じて半導体スイッチ４のベース電圧を制御する。
【００１９】
図示のように、半導体スイッチ制御回路５は、ＮＰＮトランジスタ６と、発振器７と、抵抗Ｒ１〜Ｒ３とを有して構成されている。
【００２０】
ＮＰＮトランジスタ６は、そのエミッタが、抵抗Ｒ２，Ｒ１を介して、機械式スイッチ３と半導体スイッチ４との中点に接続されている。すなわち、抵抗Ｒ１，Ｒ２、及び、ＮＰＮトランジスタ６は、半導体スイッチ制御回路５上で直列回路８を構成し、この直列回路８は機械式スイッチ３を介してバッテリ１に接続されている。そして、この直列回路８において、抵抗Ｒ１，Ｒ２の中点には、半導体スイッチ４のベースが接続されている。
【００２１】
また、発振器７は、例えば所定のパルス信号を発生する周知の無安定バイブレータで構成され、機械式スイッチ３と半導体スイッチ４との中点に接続されている。すなわち、発振器７は、機械式スイッチ３を介してバッテリ１に接続され、機械式スイッチ３の閉路時に、例えば、デューティ比１／３で周期的に電圧をハイレベルとするパルス信号を発生する。また、発振器７には、抵抗Ｒ３を介してＮＰＮトランジスタ６のベースが接続されており、発振器７で発生されたパルス信号は、抵抗Ｒ３を介して、ＮＰＮトランジスタ６に印加されるようになっている。すなわち、ＮＰＮトランジスタ６には、発振器７で発生されるパルス信号がベース電圧として印加される。
【００２２】
次に、上述の電源回路の作用について説明する。
（機械式スイッチ３のＯＮ時の作用）
ドライバ等によって機械式スイッチ１１がＯＮ操作され（すなわち、機械式スイッチ３がＯＮ操作され）、バッテリ１から機械式スイッチ３を介して半導体スイッチ制御回路５への給電が行われると、発振器７が駆動する。これにより、発振器７ではデューティ比１／３のパルス信号が発生され、このパルス信号は、抵抗Ｒ３を介して、ＮＰＮトランジスタ６のベースに印加される。そして、このパルス信号によって、ＮＰＮトランジスタ６はデューティ比１／３で周期的にＯＮ−ＯＦＦされる。
【００２３】
これにより、半導体スイッチ４は、デューティ比１／３で周期的にＯＮ−ＯＦＦ動作を繰り返す。すなわち、ＮＰＮトランジスタ６のＯＮ時には、半導体スイッチ４は、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗比で分圧されたローレベルのベース電圧が印加されてＯＮし、一方、ＮＰＮトランジスタ６のＯＦＦ時には、半導体スイッチ４は、ハイレベルのベース電圧が印加されてＯＦＦする。
【００２４】
そして、このように半導体スイッチ４がデューティ比１／３で周期的にＯＮすることにより、電気負荷２には、実質上１２Ｖの電源電圧が供給される。
【００２５】
（機械式スイッチ３のＯＦＦ操作時の作用）
ここでは、機械式スイッチ３の接点間にアークが発生した場合の作用について説明する。なお、接点間にアークが発生していない場合には、機械式スイッチ３のみの作用によって、バッテリ１から電気負荷２への通電が的確に遮断されることは勿論である。
【００２６】
ドライバ等によって機械式スイッチ１１がＯＦＦ操作されると（すなわち、機械式スイッチ３がＯＦＦ操作されると）、発振器７の作用によって半導体スイッチ４がＯＦＦされるタイミングで、機械式スイッチ３の接点間に発生したアークは速やかに消弧され、機械式スイッチ３が完全に開路する。
【００２７】
すなわち、機械式スイッチ３のＯＦＦ操作後に、半導体スイッチ４のベース電圧がハイレベルとなって半導体スイッチ４がＯＦＦされると、バッテリ１から電気負荷２への給電が遮断されて機械式スイッチ３の接点間のアークが高速で消弧される。
【００２８】
このような実施の形態によれば、半導体スイッチ制御回路５の制御によって、半導体スイッチ４をデューティ制御することにより、機械式スイッチ３のＯＦＦ操作時に高速でアークを消弧することができ、アークの発生による機械式スイッチ３の接点の耐久性低下を確実に防止することができる。
【００２９】
また、半導体スイッチ制御回路５で半導体スイッチ４をデューティ制御する際のデューティ比を適切に設定することにより、これら半導体スイッチ４及び半導体スイッチ制御回路５にＤＣ−ＤＣコンバータとしての機能を付与することができる。すなわち、例えば、デューティ比１／３で半導体スイッチ４をＯＮ−ＯＦＦ制御することにより、特別なＤＣ−ＤＣコンバータ等を車載することなく、定格電圧が１４Ｖの電気負荷を３６Ｖバッテリ１で駆動することができる。
【００３０】
また、半導体スイッチ制御回路５を機械式スイッチ３よりも電気負荷側に接続することにより、機械式スイッチ３を開路した際の電流のリークを確実に防止することができる。
【００３１】
また、過電流の高速転流等を行う必要がないため、複雑な制御が必要なく、半導体スイッチ制御回路５を簡単な回路構成で実現することができる。
【００３２】
次に、図２は本発明の第２の実施の形態に係わり、図２は車両用電源回路の回路図である。なお、本実施の形態においては、３６バッテリ１から電気負荷２へと供給する電圧を平滑化するフィルタ２５を電源回路上に設けた点、及び、半導体スイッチ制御回路２０の発振器２２に１２Ｖバッテリ１０から給電を行う点が、上述の第１の実施の形態と主として異なる。その他同様の構成については同符号を付して説明を省略する。
【００３３】
図２に示すように、本実施の形態において、３６Ｖバッテリ１から電気負荷２への給電を行う電路上には、電気負荷２への供給電圧を平滑化するためのフィルタ２５が介装されている。このフィルタ２５は、例えば、コイル２６とコンデンサ２７とを有して構成され、コイル２６がＰＮＰトランジスタ４と電気負荷２との電路上に介装されているとともに、コンデンサ２７が電気負荷２の端子間に介装されている。
【００３４】
また、半導体スイッチ制御回路２０は、ＮＰＮトランジスタ２１と、発振器２２と、抵抗Ｒ５〜Ｒ７とを有して構成されている。
【００３５】
ＮＰＮトランジスタ２１は、そのエミッタが、抵抗Ｒ６，Ｒ５を介して、機械式スイッチ３と半導体スイッチ４との中点に接続されている。すなわち、抵抗Ｒ５，Ｒ６、及び、ＮＰＮトランジスタ２１は、半導体スイッチ制御回路２０上で直列回路２３を構成し、この直列回路８は機械式スイッチ３を介してバッテリ１に接続されている。そして、この直列回路２３において、抵抗Ｒ５，Ｒ６の中点には、半導体スイッチ４のベースが接続されている。
【００３６】
また、発振器２２は、例えば所定のパルス信号を発生する周知の無安定バイブレータで構成され、機械式スイッチ１１とリレーコイル３ａとの中点に接続されている。すなわち、発振器２２は、機械式スイッチ１１を介してバッテリ１０に接続され、機械式スイッチ１１の閉路時に、略デューティ比１／３で周期的に電圧をハイレベルとするパルス信号を発生する。また、発振器２２には、抵抗Ｒ７を介してＮＰＮトランジスタ２１のベースが接続されており、発振器２２で発生されたパルス信号は、抵抗Ｒ７を介して、ＮＰＮトランジスタ２１に印加されるようになっている。すなわち、ＮＰＮトランジスタ２１には、発振器２２で発生されるパルス信号がベース電圧として印加される。
【００３７】
ここで、図示のように、発振器２２には電気負荷２に印加される電圧値がフィードバック信号として入力されるようになっており、発振器２２は、この入力信号に基づいて、パルス信号のデューティ比を可変制御するようになっている。
【００３８】
次に、上述の電源回路の作用について説明する。
（機械式スイッチ３のＯＮ時の作用）
ドライバ等によって機械式スイッチ１１がＯＮ操作されると、１２Ｖバッテリ１０から発振器２２への給電が行われ、発振器２２が駆動する。同時に、１２Ｖバッテリ１０からリレーコイル３ａへの給電が行われ、機械式スイッチ３がＯＮ動作されることにより、３６Ｖバッテリ１から半導体スイッチ制御回路２０への給電が行われる。
【００３９】
これにより、上述の第１の実施の形態と略同様に、３６Ｖバッテリ１から電気負荷への給電が行われる。その際、電気負荷２への供給電圧は、フィルタ２５によって平滑化されるとともに、発振器２２のフィードバック制御によって確実に適正値（例えば、１２Ｖ）に保持される。
【００４０】
（機械式スイッチ３のＯＦＦ操作時の作用）
ドライバ等によって機械式スイッチ１１がＯＦＦ操作されると、バッテリ１０から発振器２２への給電が遮断され、半導体スイッチ４が即座にＯＦＦされる。これにより、バッテリ１から電気負荷２への給電が遮断されるので、機械式スイッチ３はアークを発生させることなくＯＦＦされる。すなわち、機械式スイッチ１１がＯＦＦ操作された際に、半導体スイッチ４は僅かではあるが機械式スイッチ３よりも早くＯＦＦされて３６Ｖバッテリ１から電気負荷２への通電を遮断することにより、機械式スイッチ３の接点間でのアークの発生が確実に防止される。
【００４１】
このような実施の形態によれば、上述の第１の実施の形態で得られる効果と略同様の効果に加え、機械式スイッチ１１のＯＦＦ操作時には発振器２２への給電が即座に遮断されることにより、機械式スイッチ３でのアークの発生自体を確実に防止できるという効果を奏する。
【００４２】
また、電気負荷２への供給電圧をフィルタ２５によって平滑化させることにより、電気負荷２の動作性を良好なものとすることができる。この場合、電気負荷２がモータ等である場合に、特に、良好な動作性を確保することができる。
【００４３】
さらに、電気負荷２への供給電圧を発振器２２でフィードバック制御することにより、電気負荷２の動作性を良好なものとすることができる。
【００４４】
なお、上述の各実施の形態では、半導体スイッチ４としてＰＮＰトランジスタを用いているが、ＮＰＮトランジスタや他の半導体スイッチを用いてもよい。例えば、半導体スイッチ４としてＮＰＮトランジスタを用いた場合、半導体スイッチ制御回路５（２０）によるベース電圧の制御は、上述の半導体スイッチ４の例とは異なる。すなわち、半導体スイッチ制御回路５（２０）は、機械式スイッチ３のＯＦＦ時にベース電圧をローレベルにする一方、機械式スイッチ３のＯＮ時に設定遅延時間を経てベース電圧をハイレベルにする。
【００４５】
また、上述の各実施の形態では、発振器７（２２）の制御によって、３６Ｖバッテリ１からの電源電圧を１２Ｖに調圧する場合の例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、電気負荷２がランプ等である場合に、発振器７（２２）のデューティ比を適宜変更することにより調光制御等を実現することも可能である。
【００４６】
また、上述の各実施の形態で示した各バッテリや電気負荷の電圧は、上述のものに限定されないことは勿論である。
【００４７】
また、上述の第１の実施の形態においては、１２Ｖバッテリ１０の電源系を省略してもよいことは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、スイッチＯＦＦ時における電流のリークが無く信頼性が高く、また、簡単な回路構成で、アークによる機械式スイッチ接点の耐久性低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わり、車両用電源回路の回路図
【図２】本発明の第２の実施の形態に係わり、車両用電源回路の回路図
【符号の説明】
１  …  バッテリ（電源）
２  …  電気負荷
３  …  機械式スイッチ
４  …  半導体スイッチ（ＰＮＰトランジスタ）
５  …  半導体スイッチ制御回路（半導体スイッチ制御手段）
７  …  発振器
２０  …  半導体スイッチ制御回路（半導体スイッチ制御手段）
２２  …  発振器
２５  …  フィルタ
【図１】
2005028969.tif 000003
【図２】
2005028969.tif 000004