(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載された直流電源（１）から電力を得ることで、車両用電気機器（１００）および該車両用電気機器（１００）に対して並列的に接続されるリアクタンス成分を有する誘導性負荷（７１）が作動する車両用電気機器装置の保護装置であって、
前記車両用電気機器（１００）は、
前記直流電源（１）の正極側にゲートが接続されると共に、前記直流電源（１）のアース側にソースおよびドレインが接続されるＭＯＳトランジスタ（２１）を有し、
前記直流電源（１）の極性が逆に取り付けられたときには、前記ＭＯＳトランジスタ（２１）のドレイン−ソース間の耐圧にて前記車両用電気機器（１００）への逆電圧の印加を遮断するようになっており、車両のイグニッションスイッチがオフされることで、前記直流電源（１）の正極側に負極性の逆電圧が発生したときでも、前記ＭＯＳトランジスタ（２１）を強制的に導通状態とする導通手段（１９）を有すると共に、前記導通手段（１９）による強制的な導通状態を維持する手段（１７）を有することを特徴とする車両用電気機器装置の保護装置。
【請求項２】
前記導通手段（１９）は、前記ＭＯＳトランジスタ（２１）と並列に設けられ、前記車両用電気機器（１００）が作動しているときに充電されるコンデンサ（１９）を有することを特徴とする請求項１記載の車両用電気機器装置の保護装置。
【請求項３】
前記導通状態を維持する手段（１７）は、前記直流電源（１）の電源端子（１ａ）と前記ゲート（Ｇ）との間に設けられ、前記ＭＯＳトランジスタ（２１）と前記コンデンサ（１９）との並列接続に対して直列接続された抵抗（１７）を有することを特徴とする請求項２記載の車両用電気機器装置の保護装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用電気機器装置の保護装置に関するもので、特に車両用電気機器に逆電圧が印加されたときの保護に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用電気機器装置として、例えばトランスにて一次側の車載バッテリ（直流電源）の電圧を二次側で高圧化して車両用前照灯（車両用電気機器）の点灯を行うものが知られている。この従来装置では、例えば車載バッテリの点検交換時において、誤って車載バッテリを逆極性に取り付けてしまったときに、以下のように対処している。（以下、これをバッテリ逆接時）。
【０００３】
従来装置では、図４に示すようにバッテリ３００逆接時に車両前照灯３０１の電気回路素子を保護するために、車両用前照灯３０１と並列にパワーツェナダイオード３０２を設けていた。これにより、バッテリ３００逆接時には、パワーツェナダイオード３０２を流れた過電流にてヒューズ３０３を溶断するようにしていた。
【０００４】
また、上記車載バッテリ３００には、図４に示すように上記車両用前照灯３０１の他に、大きなリアクタンスを有する車両電気機器３０４が設けられている。例えば、上記車両用前照灯３０１の他に、この車両用前照灯３０１と並列にオルタネータ３０４が設けられている。このオルタネータ３０４は、車両のイグニッションスイッチＳＷがオンされると、界磁コイルに界磁電流が流れるようになっている。
【０００５】
そして、上記従来装置では、例えば乗員の操作により点灯スイッチＳＷがオンされており、車両用前照灯３０１が点灯中で、イグニッションスイッチＩＧをオフした直後には、多大なリアクタンスを有するオルタネータの界磁コイルによって、車載バッテリ１の正極側に極性が反転した負極性の大きな電圧が一瞬発生することが知られている。
【０００６】
この場合、パワーツェナダイオード３０２を流れた過電流は、ヒューズ３０３に流れるのであるが、この過電流が流れる時間は、上記バッテリ３００逆接時に比べ一瞬であるので、ヒューズが溶断してしまうことは無い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来装置では誤ってバッテリ３００を逆接すると、ヒューズ３０３が溶断してしまうので、バッテリ３００を正常な取付状態に直しても、ヒューズを交換しない限り、車両用前照灯３０１が点灯しないという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、バッテリの逆接時にヒューズを溶断せずに、車両用電気機器装置を保護することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記目的を達成するために、図５に示すような保護回路を検討した。このものでは、バッテリ３００の正極側にゲートが接続されたＭＯＳトランジスタ３０６を有する。そして、バッテリ３００の逆接時には、ＭＯＳトランジスタ３０６の導通状態は遮断状態にあり、ＭＯＳトランジスタ３００のドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間の耐圧（ＭＯＳトランジスタ内の寄生ダイオードの耐圧）で、車両用前照灯３０１への逆電圧印加を遮断する。これにより、バッテリ３００の極性が逆に取り付けられたときに、ヒューズ３０３が溶断することを防止できる。
【００１０】
しかしながら、このようなＭＯＳトランジスタ３０６を使用すると、車両のイグニッションスイッチがオフされることで、他の車両用電気機器により大きな逆電圧が発生した直後には、ＭＯＳトランジスタ３０６は遮断状態となる。この結果、上記大きな逆電圧にてＭＯＳトランジスタ３０６が破損するという問題がある。このため、本発明者は、上記問題に対処するために、ＭＯＳトランジスタ３０６のドレイン−ソース間の耐圧をさらに大きくすることを検討した。しかしながら、このようにすると、ＭＯＳトランジスタ３０６がコスト高になるという問題がある。
【００１１】
そこで、上記問題を解決するために請求項１ないし３記載の発明では、直流電源（１）の正極側にゲートが接続されると共に、直流電源（１）のアース側にソースおよびドレインが接続されるＭＯＳトランジスタ（２１）を有し、直流電源（１）の極性が逆に取り付けられたときには、ＭＯＳトランジスタ（２１）のドレイン−ソース間の耐圧にて車両用電気機器（１００）への逆電圧の印加を遮断するようになっており、車両のイグニッションスイッチがオフされることで、直流電源（１）の正極側に負極性の逆電圧が発生したときでも、ＭＯＳトランジスタ（２１）強制的に導通状態とする導通手段（１９）を有すると共に、前記導通手段（１９）による強制的な導通状態を維持する手段（１７）を有することを特徴としている。
【００１２】
これにより、誤って直流電源の極性が逆に取り付けられたときには、ＭＯＳトランジスタのドレインーソース間の耐圧にて車両用電気機器への逆電圧印加を遮断できる。この結果、従来のようにヒューズを溶断させる必要は無くなる。
これに加え、導通手段により、車両のイグニッションスイッチがオフされることで、直流電源（１）の正極側に負極性の逆電圧が発生したときでも、ＭＯＳトランジスタを導通状態とするので、ＭＯＳトランジスタの上記耐圧を大きくせずに済み、この耐圧は、上記直流電源の極性が逆になったときに、車両用電気機器の逆電圧が印加されない程度にすることができる。
【００１３】
また、導通手段（１９）による強制的な導通状態を維持する手段（１７）を有している。この結果、ＭＯＳトランジスタの導通時間を長くできるので、確実にＭＯＳトランジスタの破壊破損を防止できる。例えば、請求項３記載の発明のように、導通状態を維持する手段（１７）は、直流電源（１）の電源端子（１ａ）とゲート（Ｇ）との間に設けられ、ＭＯＳ型トランジスタ（２１）とコンデンサ（１９）との並列接続に対して直列接続された抵抗（１７）にて構成することができる。これにより、コンデンサと抵抗とが時定数回路を構成しているので、抵抗によってコンデンサの放電時間が延長される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。なお、本実施形態は本発明の放電灯装置１００を車両用前照灯に適用したものである。図１に本実施形態における放電灯装置１００の全体構成図、図２に本実施形態における放電灯装置１００の制御系のブロック図を示す。
【００１５】
１は車両に搭載された直流電源（以下、バッテリという、定格電圧（バッテリ電圧ＶＢ）１２Ｖ）であり、１ａは電源端子、１ｂはアース端子、２は車両前照灯であるメタルハライドランプ等の高圧放電灯（以下、ランプという）である。ＳＷは、車室内に設けられ、使用者の操作により、上記ランプ２の点灯消灯を設定する点灯スイッチである。５０は、放電灯装置１００に過電流が流れたときに溶断するヒューズである。
【００１６】
放電灯装置１００は、図１に示すように逆接保護回路３、平滑回路４、フライバックトランス２９を有する直流電源回路５、テークオーバー回路６、Ｈブリッジ回路７ａを含むインバータ回路７、始動回路８等の回路機能部を有する。
本実施形態では、図２に示すように上記回路機能部を制御する制御回路として、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御回路９、後述のランプ電圧ＶＬおよびランプ電流ＩＬに基づいて、ランプ電力を所望電力に制御するランプパワー制御回路１０、上記Ｈブリッジ回路７ａを制御するＨブリッジ制御回路１１等を有する。
【００１７】
また、本実施形態では、上記制御回路としてその他に、ランプ電圧ＶＬを所定のタイミングでサンプリングおよびホールドするサンプルホールド回路１２、ランプ点灯開始時に、上記始動回路８を制御して、ランプ２に高電圧を印加させてランプ２を電極間で絶縁破壊させる高電圧発生制御回路１３、放電灯装置１００が後述の異常状態となったときに、上記Ｈブリッジ制御回路１１を通じてＨブリッジ回路７ａを制御するフェイルセーフ回路１４と、ランプ２のコネクタ３５の外れを検出するコネクタ外れ検出回路１５とを有している。
【００１８】
さらに、各制御回路９〜１５の駆動電力はバッテリ電圧ＶＢ等に基づいて行われるが、１次側電圧が過電圧となった際に、この過電圧から各制御回路９〜１５を保護するための過電圧保護回路１６も放電灯装置１００には備えられている。
ここで、先ず、放電灯装置１００の点灯動作の概略を説明する。上記点灯スイッチＳＷがオンされると、フライバックトランス２９にてバッテリ電圧ＶＢが昇圧され、これにより、Ｈブリッジ回路７ａを通じて始動回路８のコンデンサ５３が充電される。そして、コンデンサ５３が充電されると、始動回路８にて充電された電荷が放電されて、トランス４７にてさらに高電圧化された電圧がランプ２に印加され、ランプ２が電極間で絶縁破壊し点灯されるようになる。
【００１９】
その後、ランプ２が点灯すると、Ｈブリッジ回路７ａによりランプ２への放電電圧の極性（放電電流の向き）を交互に切り換えることで、ランプ２を交流点灯させる。
次に、上記回路機能部および上記制御回路の構成の概略について簡単に説明する。
【００２０】
逆接保護回路３は、抵抗１７、コンデンサ１９、およびＭＯＳトランジスタ２１とからなる。逆接保護回路３は、後述する電源端子に負極性の高電圧が発生したときに、ＭＯＳトランジスタ２１を保護するものである。また、バッテリ１を極性が逆にして車両に取り付けるといった逆接時には、ヒューズ５０を溶断しないようにするものである。
【００２１】
平滑回路４は、上記電源端子１ａに発生する電圧を平滑するものであり、コンデンサ２３、２５と、コイル２７とからなるコンデンサ入力型平滑回路（チョーク入力型平滑回路）である。
直流電源回路５は、一次側と二次側とが共に巻線で構成されたフライバックトランス２９を有している。フライバックトランス２９は、バッテリ側に配された一次巻線２９ａと、ランプ２側に配された二次巻線２９ｂを有している。また、フライバックトランス２９は、図１に示すように一次巻線２９ａと二次巻線２９ｂとは電気的に導通可能となっている。直流電源回路５には、上記ＰＷＭ回路９によりスイッチング制御されるＭＯＳトランジスタ３１が設けられている。上記一次巻線２９ａの一次電流は、このＭＯＳトランジスタ３１により制御される。
【００２２】
つまり、フライバックトランス２９は、ＭＯＳトランジスタ３１がオンのときには、一次巻線２９ａに一次電流が流れることで、一次巻線２９ａにエネルギーが蓄えられるようになっている。そして、フライバックトランス２９は、ＭＯＳトランジスタ３１がオフになると、一次巻線２９ａのエネルギーを二次巻線２９ｂに供給するようになっている。
【００２３】
また、直流電源回路５の二次巻線２９ｂには、整流用のダイオード３３と、平滑用コンデンサ３５が設けられている。
テークオーバー回路６は、コンデンサ３７と抵抗３９とからなる。コンデンサ３７は、上記点灯スイッチＳＷがオンされると電荷が充電されるようになっている。テークオーバー回路６は、上記始動回路８によりランプ２を電極間で絶縁破壊させたのち、速やかにアーク放電に移行させるものである。
【００２４】
インバータ回路７は、フライバックトランス２９の二次巻線２９ｂ側に設けられ、バッテリ１からの電力を交流変換することで、ランプ２を交流点灯させるものである。
インバータ回路７を構成するＨブリッジ回路７ａは、ランプ２の放電電流の向きを交互に反転させるものである。Ｈブリッジ回路７ａは、Ｈブリッジ状に配置された複数のブリッジ用半導体スイッチング素子をなす４つのＭＯＳトランジスタ４１ａ〜４１ｄを有する。これら４つのＭＯＳトランジスタ４１ａ〜４１ｄは、図中４３ａ、４３ｂにて示すブリッジ駆動回路（本例ではＩＣ素子、以下、ＩＣ素子という）によって制御される。
【００２５】
ブリッジ制御回路１１は、ＩＣ素子４３ａ、４３ｂを制御することで、Ｈブリッジ回路７ａのうち対角線上にあるＭＯＳトランジスタ４１ａ、４１ｄがオフ状態であるときは、対角線上にあるＭＯＳトランジスタ４１ｂ、４１ｃをオン状態に切換制御し、ＭＯＳトランジスタ４１ｂ、４１ｃがオン状態であるときは、ＭＯＳトランジスタ４１ａと４１ｄをオフ状態に切換制御する。この結果、ランプ２の放電電流の向きが交互に切り換わる、言い換えるとランプ２の印加電圧（放電電圧）の極性が反転することで、ランプ２は交流点灯する。
【００２６】
Ｈブリッジ回路７ａは、ランプ点灯開始時には長い一定周期でＭＯＳトランジスタ４１ａ〜４１ｄをオン・オフさせ、その後は短い一定周期でＭＯＳトランジスタ４１ａ〜４１ｄをオン・オフさせるようになっている。なお、図中４５は、Ｈブリッジ回路７ａを点灯始動時に発生する高圧パルスから保護する保護用のコンデンサである。
【００２７】
始動回路８は、ランプ２を点灯開始させるものであって、上記Ｈブリッジ回路７ａの中点電位点と、アース端子１ｂとの間に設置されている。始動回路８は、一次巻線４７ａと二次巻線４７ｂとからなるトランス４７、ダイオード４９、５１、コンデンサ５３、抵抗５５、および一方向性半導体素子であるサイリスタ５７とからなる。
【００２８】
サイリスタ５７は、上記点灯スイッチＳＷがオンされたときには、オフとなっており、これにより、コンデンサ５３は充電を開始する。その後、上記高電圧発生制御回路１３によりサイリスタ５７がオンとされる。この結果、コンデンサ５３は放電を開始する。すると、コンデンサ５３に蓄えられたエネルギーが、トランス４７を通じて高電圧化されることで、ランプ２に高電圧が印加される。この結果、ランプ２は、電極間で絶縁破壊し点灯する。
【００２９】
ＰＷＭ制御回路９は、鋸歯状波に対するスレッショルドレベルを可変にすることで、上記ＭＯＳトランジスタ３１のオン・オフ時間、つまりデューティー比を制御するものである。
ランプパワー制御回路１０は、ランプ電流ＩＬと、上記サンプルホールド回路１２によってサンプルホールドされたランプ電圧ＶＬとに基づいて、ランプ電力が所望値となるように制御するものである。なお、ランプ電流ＩＬは、Ｈブリッジ回路７ａに設けられた電流検出用抵抗５９にて検出される。
【００３０】
本実施形態におけるランプパワー制御回路１０によるランプパワー制御は、以下のようなものである。
ランプパワー制御回路１０は、ランプ２の点灯開始時にランプ２の電極温度が低いと、ランプ２に立ち消えが生じ易いので、ランプ電力を大きな値（例えば７５Ｗ）として電極温度を迅速に高め、電極温度が徐々に高くなると、ランプ電力を徐々に低下させていき、ランプ２が安定状態になるとランプ電力を所定値（３５Ｗ）一定に制御するものである。
【００３１】
また、ランプ電圧ＶＬが高電圧（例えば４００Ｖ）となってランプ２の点灯が開始された直後では、ランプ電圧ＶＬは最も小さくなり、その後ランプ電圧ＶＬは徐々に大きくなる。一方、ランプ電流ＩＬは、ランプ２の点灯が開始された直後には、ランプ電圧ＶＬに反して徐々に小さくなる。
そして、このようなランプパワー制御を行うために、上記ＰＷＭ制御回路９は、上記ランプパワー制御回路１０の指令信号を受けて、上記ＭＯＳトランジスタ３１のオン・オフのディーティ比を可変することで、ランプ電力を制御する。
【００３２】
上記サンプルホールド回路１２は、ランプ電圧ＶＬのうち、Ｈブリッジ回路７ａの切換時に発生する後述の過渡電圧をマスクし、上記ランプパワー制御回路１０による制御を精度良く行うものである。
上記フェイルセーフ回路１４は、放電灯装置１００に何らかの異常が生じたときに、上記ＰＷＭ制御回路９の制御を停止するとともに、Ｈブリッジ回路７ａのＭＯＳトランジスタ４１ａ〜４１ｄの導通を全てオフするものである。
【００３３】
なお、上記制御回路９〜１５は、全て図示しない集積回路内に設けられている。
次に本発明の要部である逆接保護回路３について図３を用いて説明する。なお、図３は図１に電気負荷として車両用電気機器であるオルタネータ７１を加えたものである。
【００３４】
逆接保護回路３は、図１に示すようにバッテリ１と、ランプ２との間に設けられている。ＭＯＳトランジスタ２１のゲート（Ｇ）は、抵抗１７を介してバッテリの正極側（電源端子１ａ）に接地されている。ＭＯＳトランジスタ２１のソース（Ｓ）およびドレイン（Ｄ）は、アース端子１ｂ側に接続され、放電灯装置１００を流れた電流がソースからドレインに向かって流れるようになっている。
【００３５】
上記点灯スイッチＳＷをオンすると、バッテリ１からゲート（Ｇ）にゲート電圧を与えられ、ＭＯＳトランジスタ２１は導通状態となり、バッテリ１の電力が放電灯装置１００に供給される。これにより、放電灯装置１００が作動する。
ＭＯＳトランジスタ２１のゲート−ソース間には、導通手段であるコンデンサ１９が並列に接続されている。上記抵抗１７は、電源端子１ａとＭＯＳトランジスタ２１のゲートとの間で、ＭＯＳ型トランジスタ２１とコンデンサ１９との並列接続と直列に接続されている。
【００３６】
そして、上記点灯スイッチＳＷがオンされると、抵抗１７を介してコンデンサ１９が充電される。コンデンサ１９の充電電流経路は、バッテリ１の正極側から抵抗１７、コンデンサ１９、ＭＯＳトランジスタ２１のソース−ドレイン間の寄生ダイオードを介して、バッテリ１の負極側に流れる。そして、コンデンサ１９の充電電圧が所定値に達すると、ＭＯＳトランジスタ２１はオンとなる。また、ＭＯＳトランジスタ２１がオンするまでは、放電灯装置１００を流れる電流は、ＭＯＳトランジスタ２１のソース−ドレイン間の寄生ダイオードを通じて流れる。
【００３７】
上記ＭＯＳトランジスタ２１は、以下のようなときに放電灯装置１００に逆電圧が印加されないように保護する保護機能を有する。
例えば、バッテリ１の交換時に、誤ってバッテリ１の極性が逆に取り付けられて、この状態で乗員の操作により上記点灯スイッチＳＷがオンされたとする。この場合は、放電灯装置１００に印加される逆電圧は、バッテり電圧ＶＢ（第１逆電圧）である。
【００３８】
そして、このように放電灯装置１００にバッテリ１の極性が逆に取り付けられたときには、ＭＯＳトランジスタ２１のドレインーソース間の耐圧にて放電灯装置１００への逆電圧印加を遮断し、放電灯装置１００を保護する。これにより、従来のようにツェナーダイオードを通じてヒューズ５０に過電流が流れるといったことが無く、ヒューズ５０の溶断を未然に防止できる。
【００３９】
上記オルタネータ７１は、バッテリ１に対して上記放電灯装置１００と並列に接続されている。オルタネータ７１は、図示しない界磁コイル等のリアクタンス成分を有する誘導性負荷（車両用電気機器）であり、車両の走行駆動源を起動する手段であるイグニッションスイッチＩＧがオンされると、発電を開始する。
そして、上記イグニッションスイッチＩＧがオンで点灯スイッチＳＷがオンの状態から、イグニッションスイッチＩＧがオフされると、オルタネータ７１に流れていた電流が遮断されることで、電源端子１ａに負極性の大きなパルス電圧が発生する。このため、放電灯装置１００には、上記バッテリ１の逆接時より大きな逆電圧が印加されることになる。
【００４０】
しかし、この際、コンデンサ１９に充電された電荷は、コンデンサ１９と抵抗１７とで決まる時定数にて放電される。これにより、ＭＯＳトランジスタ２１のゲートには所定時間、ゲート電圧が印加されるので、ＭＯＳトランジスタ２１は所定時間導通状態が維持される。なお、電源端子１ａとアース端子１ｂとの間に、大きなパルス電圧が一瞬発生したときには、オンしているＭＯＳトランジスタ２１を介してＭＯＳトランジスタ３１のソース−ドレイン間の寄生ダイオード、フライバックトランス２９の一次巻線２９ａ、コイル２７といった電流経路でパルス電流を流すことにより、負極性パルスのエネルギーを消費する。
【００４１】
このように、電源端子１ａとアース端子１ｂとの間に、大きな逆電圧が発生したときには、コンデンサ１９によりＭＯＳトランジスタ２１が強制的に導通状態に維持されるので、ＭＯＳトランジスタ２１の上記耐圧を全く考慮せずに済む。
つまり、この耐圧は、上記バッテリ１の逆接時に、放電灯装置１００に逆電圧が印加されない程度（例えば１２Ｖ強）であれば良い。
【００４２】
従って、ＭＯＳトランジスタ２１の上記耐圧を非常に小さくすることができ、これにより、ＭＯＳトランジスタ２１の駆動抵抗を小さくでき、ＭＯＳトランジスタ２１での電力損失が小さくできる。ひいては、ＭＯＳトランジスタ２１のチップサイズを小さくすることができ、安価なＭＯＳトランジスタ２１を使用できる。
【００４３】
また、上述したようにコンデンサ１９にて、ＭＯＳトランジスタ２１は強制的に導通状態となるが、コンデンサ１９と抵抗１７が時定数回路を構成しているので、抵抗１７によってコンデンサ１９の放電時間が延長される。この結果、ＭＯＳトランジスタ２１の導通時間を長くできるので、確実にＭＯＳトランジスタ２１の破壊破損を防止できる。なお、本発明者の検討によると、上記時定数回路の時定数は、０．０１秒以上とすると、上記パルス電圧が発生している間、確実にＭＯＳトランジスタ２１をオン状態にすることができ、確実に放電灯装置１００を保護できる。
【００４４】
（他の実施形態）
上記実施形態では、車両用電気機器装置として放電灯を適用したが、本発明は放電灯に係わらず、車両に搭載された電気機器装置であればどの様なものでも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における放電灯装置の構成図である。
【図２】上記実施形態における放電灯装置の制御系の構成図である。
【図３】従来の放電灯装置の保護装置を示す図である。
【図４】本発明者が検討した放電灯装置の保護装置を示す図である。
【図５】上記実施形態における放電灯装置の保護装置を示す図である。
【符号の説明】
１…直流電源、２…放電灯、１７…抵抗、１９…コンデンサ、２１…ＭＯＳトランジスタ。
【図１】
0004003255.tif 000002
【図２】
0004003255.tif 000003
【図３】
0004003255.tif 000004
【図４】
0004003255.tif 000005
【図５】
0004003255.tif 000006