(57)【要約】【課題】  並列多段の半導体スイッチを、その運用状態に依存せずにショート故障またはオープン故障の箇所を特定する。【解決手段】  本発明は、制御端子を有する半導体小スイッチが並列多段に接続された半導体スイッチであって、前記制御端子によって、各半導体小スイッチを一旦全て接続し、そのあと各半導体小スイッチを個別に開閉することで、ショート故障またはオープン故障した半導体小スイッチを特定することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御端子を有する半導体小スイッチが並列多段に接続された半導体スイッチであって、
前記制御端子によって、前記各半導体小スイッチを一旦全て接続し、そのあと各半導体小スイッチを個別に開閉することで、ショート故障またはオープン故障した半導体小スイッチを特定することを特徴とする半導体スイッチ。
【請求項２】
前記半導体スイッチが運用されている状態で前記故障した半導体小スイッチを特定する請求項１に記載の半導体スイッチ。
【請求項３】
前記各半導体小スイッチを全て閉じた時と前記各半導小スイッチを個別に開いた時の、前記半導体スイッチの抵抗値の相違に基づいて故障箇所を特定する請求項１または２に記載の半導体スイッチ。
【請求項４】
各半導体小スイッチを全て閉じた状態の抵抗値と各半導体小スイッチを個別に開いた時の抵抗値が変化すれば、その半導体小スイッチは正常と判定し、変化しない場合はその半導体スイッチは故障していると判定する請求項３に記載の半導体スイッチ。
【請求項５】
前記半導体スイッチは、ドレインコモンまたはソースコモンに接続されたMOSトランジスタを複数並列に接続し、前記ドレインコモンまたはソースコモンの接続点同士を接続したものである請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体スイッチ。
【請求項６】
前記各半導体小スイッチと直列に電流検出抵抗を接続した請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチに関し、特に電流制御用の半導体スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチはメカニカルスイッチと半導体スイッチに大別され、さらに半導体スイッチはバイポーラ系とMOS（Metal  Oxide  Semiconductor）系に大別される。バイポーラ系はMOS系より大電流が制御でき、高耐圧がメリットである。一方、MOS系は電流が双方向に流せるため、例えば充放電回路には有用である。加えてMOSトランジスタは複数並列化させることが容易である。その理由はドレイン電流が負の温度特性を有するためであり、複数並列化すると各MOSトランジスタのドレイン電流が平均化し熱暴走しないためである。
【０００３】
図４に一般的なMOSトランジスタによる双方向スイッチ構成例を示す。スイッチ18,20はNMOSトランジスタに置き換えられる。図４ではドレイン端子23,25が共通となり、ソース端子22,26がスイッチの二つの入出力端子となる。スイッチ制御端子17,19はそれぞれMOSトランジスタのゲート端子21,24に対応する。
【０００４】
ドレイン端子23と25を共通としてMOSトランジスタを直列に接続する意味は、NMOSトランジスタの場合ソース側をアノード、ドレイン側をカソードとした寄生ダイオードが存在するため、ドレイン電位よりソース電位を高くするとVGS(ゲート・ソース間電圧)に関係なく、ソースからドレインに逆流してしまうためである。
【０００５】
そこで図４の双方向スイッチでは逆流防止策として、MOSトランジスタをドレインコモンで直列接続している。なお図示していないが、双方向スイッチはソースコモンでも良い。図４の例はNMOSトランジスタであるが、PMOSトランジスタでもドレインコモンあるいはソースコモンにすると双方向スイッチが実現できる。ただしPMOSトランジスタの寄生ダイオードの向きは、NMOSトランジスタと反対でソース側がカソード、ドレイン側がアノードである。
【０００６】
スイッチに流す電流が1個のMOSトランジスタの最大ドレイン電流以上であれば、図５に示すよう多段並列化し電流を分散させることで実現できる。図５では全体を大スイッチ、それを構成する個々のスイッチ3,4,5,6,7,・・・,8を小スイッチと呼称する。小スイッチは並列接続された小スイッチ3,4,・・・,5と小スイッチ6,7,・・・,8にそれぞれ共通接続した小スイッチ制御端子9,10で開閉を制御する。
【０００７】
しかし、この構成では、MOSトランジスタがショート故障した時スイッチに電流を流したまま故障検出できない問題点があった。またオープン故障した時、故障個所を特定できない問題点もあった。
【０００８】
ショート故障が検出できない理由は、スイッチがショート故障時と正常時のクローズ状態で、流す電流値に顕著な相違がないためである。またオープン故障個所が特定できない理由は、その故障ラインに電流が流せず直列接続したスイッチのどちらが故障しているか測定できないためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−０５５１２５号公報
【特許文献２】特開２００４−１０９０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１には、電源遮断用の各スイッチの短絡故障を個別に検出可能とした電力変換装置の保護回路が示されている。この保護回路は、電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子の駆動回路の電源供給ラインに複数、直列接続されたスイッチを有し、電力変換装置の異常時に発生する遮断信号を有効または無効とする手段を制御してスイッチを１個ずつオフさせている。
【００１１】
また特許文献２には、複数の回路基板が同じ電源から供給を受けている電子回路システムで、各々の回路基板の故障を検出する電源供給監視装置が示されている。電位監視手段によって電位が所定の範囲外になったことを示す警告が出力された場合、スイッチ制御手段によって各回路基板と電源との切り離し部を順番に開閉し、どの回路基板を開閉した時に電位監視手段による警告がなくなるかで、どの回路基板や接続線による故障かを判断している。切り離し部としては、例えば低ＯＮ抵抗を有するＭＯＳＦＥＴ等を用いている。
【００１２】
しかし、この特許文献１、２はいずれも電源遮断用スイッチや電子回路システムの運用停止中に故障箇所を特定する発明であり、運用しているか否かに関わらず故障箇所を特定できるものではない。
【００１３】
本発明の目的は、以上述べた問題点を解決し、運用状態に依存せずショート故障とオープン故障の箇所を特定できる半導体スイッチを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、制御端子を有する半導体小スイッチが並列多段に接続された半導体スイッチであって、
前記制御端子によって、前記各半導体小スイッチを一旦全て接続し、そのあと各半導体小スイッチを個別に開閉することで、ショート故障またはオープン故障した半導体小スイッチを特定することを特徴とする半導体スイッチである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、スイッチの運用状態に依存せずにショート故障とオープン故障の箇所を特定できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態の半導体スイッチ回路の構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の半導体スイッチ回路の構成図である。
【図３】本発明の第２の実施形態におけるスイッチ故障個所特定結果の一覧を示す図である。
【図４】MOSトランジスタによる双方向スイッチの構成例を示す図である。
【図５】多段並列化して電流を分散させた半導体スイッチの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態による半導体スイッチ回路の構成図である。以下本実施形態では、図１のスイッチ回路全体を大スイッチ100、大スイッチを構成する個々のスイッチを小スイッチと呼称する。入出力端子1,2が大スイッチ100の入出力端子である。大スイッチ100は並列多段に接続された小スイッチ3,4,5,6,7,・・・,8で構成されている。本実施形態では並列多段とは、小スイッチが二つ直列接続されたものがＮ個並列（Ｎは２以上の整数）接続され、しかも直列接続点同士が互いに接続されていることを言う。小スイッチ3〜8は列毎の接続点、つまり、小スイッチ3と6の直列接続点、小スイッチ4と7の接続点、・・・、小スイッチ5と8の接続点を全て接続している。個々の小スイッチをNMOSまたはPMOSトランジスタとした場合、2つのMOSトランジスタをドレインコモンまたはソースコモンに接続し、それを並列接続し、コモンにしたドレインまたはソースを互いに接続している。
【００１８】
また小スイッチ3〜8のオープン（スイッチオフ）、クローズ（スイッチオン）を制御する小スイッチ制御端子11,12,13,14,15,16は全て独立している。
【００１９】
小スイッチをMOSトランジスタで構成した場合、図１の回路は、１個の小スイッチのドレイン電流許容値以上の電流を流す場合において、同じ特性を持つ小スイッチをアレイ状に並べ、1個の小スイッチの電流値を許容値以下に低減させる。
【００２０】
以下本実施形態の半導体スイッチの動作を説明する。
【００２１】
各小スイッチを個別にオープン、クローズ制御を可能にしておく。各小スイッチを全てクローズするとオープン故障あるいはクローズ故障を含めた全体のオン抵抗が測定できる。そのときのオン抵抗はスイッチ全体つまり大スイッチでの最小抵抗値を示し、その値は大スイッチ試験時の初期値とする。大スイッチの試験時には各小スイッチ全てをクローズさせとき、大スイッチのオン抵抗は先の初期値が発生する。
【００２２】
その後、各小スイッチを一つずつ順次オープン・クローズさせながらスイッチ全体の抵抗値変動を調べる。正常なスイッチをオープンさせるとスイッチに流れる電流経路が1つ減るため全体のオン抵抗は初期値より必ず大きくなる。しかし、スイッチがオープンあるいはショート故障していると、その故障したスイッチの制御端子のオープン・クローズ前後でスイッチ全体のオン抵抗に変化は見られず、そのオン抵抗は初期値と一致する。よってオープンあるいはショート故障個所を特定できる。しかも大スイッチに電流を流したまま、つまり大スイッチを運用した状態で個々の小スイッチのオープン、ショート故障の特定が可能である。
（第２の実施形態）
以下図２を参照して本発明の第２の実施形態の動作を詳細に説明する。本実施形態の大スイッチ200では、各小スイッチと入出力端子の間に直列に電流検出抵抗を接続している。図２では、小スイッチS10,S11,S12,S13とS20,S21,S22,S23は2直列4並列の並列多段とし、各小スイッチのオン抵抗はそれぞれ10mΩ、電流検出抵抗R10,R11,R12,R13,R20,R21,R22,R23はそれぞれ10mΩとする。故障モデルとして小スイッチS11はショート故障、小スイッチS23はオープン故障とする。なお、小スイッチアレイの構成およびオン抵抗と電流検出抵抗は一例であり、本発明はこの構成および抵抗値に限定するものではない。
【００２３】
今、大スイッチの入出力端子1と2間に電流を流した運用状態にあるとする。その状態において入出力端子1と2間の電圧を測定し、入出力端子1〜2間の抵抗値を算出する。
【００２４】
図３は小スイッチS10,S11,S12,S13,S20,S21,S22,S23それぞれの小スイッチ制御端子C10,C11,C12,C13,C20,C21,C22,C23を順次オープン、クローズさせたときの大スイッチの入出力端子1〜2間のオン抵抗を一覧する図である。図３中、C10〜C13,C20〜C23が1は、対応するスイッチS10〜S13とS20〜S13をクローズに、C10〜C13,C20〜C23が0は、対応するスイッチS10〜S13とS20〜S13をオープンにさせたことを示す。
【００２５】
次に本実施形態の半導体スイッチの動作を説明する。
【００２６】
最初(step0)に、全小スイッチをクローズ（小スイッチをオン）させる。そうすると正常なスイッチに電流が流れる。ショート故障のスイッチにも当然電流が流れる。このときの大スイッチの入出力端子1〜2間のオン抵抗は最小値であり、その抵抗値10.8ｍΩ（図３では10.8e-03と表記）を初期値とする。
【００２７】
正常なスイッチについては、例えば小スイッチS10とS20の組み合わせで説明する。入出力端子1から流れ込んだ電流は、抵抗R10とスイッチS10とスイッチS20と抵抗R20を経由して入出力端子2へ到達する。
【００２８】
ショート故障している小スイッチS11に流れる電流については、正常なスイッチ同様、入出力端子1流れ込んだ電流が抵抗R11とスイッチS11とスイッチS21と抵抗R21を経由して入出力端子2へ到達する。
【００２９】
オープン故障の小スイッチについては、正常あるいはショート故障の場合とルートが異なる。図２の例ではS23がオープン故障であるため、正常な小スイッチS13に流れる電流は入出力端子1から流れ込んだ電流が抵抗R13と小スイッチS13を通った後、迂回経路である小スイッチS20〜S22を経由して入出力端子2へ到達する。
【００３０】
次にstep1へ状態を変化させる。図３の例では小スイッチS10の制御端子C10だけオープン（小スイッチS10をオフ）に設定し、他の小スイッチの制御端子はクローズのままにしている。S10は正常な小スイッチなので、クローズからオープンにするとS10を流れる電流が止まる。つまり電流の経路が減るため入出力端子1と2間の抵抗値は11.5ｍΩ（図３では11.5e-03と表記）が初期値より有意に大きくなる。そのためスイッチS10は正常であることが判明する。
【００３１】
その次のstep2に状態を移行する。小スイッチS11はショート故障であるため、C11をクローズからオープンに変化させてもS11に電流は流れ続け、入出力端子1〜2間の抵抗値10.9ｍΩは初期値10.8ｍΩとほぼ等しく、S11がショート故障していることが判明する。以後同様にstep2-7でそれぞれ小スイッチS12,S13,S20,S21,S22の各制御端子C11,C12,C13,C20,C21,C22に小スイッチを開く信号を与えて、故障の有無を判定する。本実施形態では図３に示すように、入出力端子1〜2間の抵抗値が11.7ｍΩ〜14.0ｍΩと有意に大きくなり、小スイッチS12,S13,S20,S21,S22は正常であると判定する。
【００３２】
最終step8に移行すると、オープン故障している小スイッチS23の制御端子C23をクローズからオープンに変化させても小スイッチS23には電流は流れない。つまりstep0と状況が同じである。小スイッチ23と接続する小スイッチS13に流れるべき電流は、S13とS23の接続点がS20〜S22と接続しているため小スイッチS20〜S22を経由して入出力端子2に到達する。そのときの入出力端子1〜2間の抵抗値10.7ｍΩは初期値10.8ｍΩとほぼと等しく、小スイッチS23が故障していることが判明する。
【００３３】
このようにして、小スイッチの直列接続点を全て接続し、小スイッチを個別に制御することで、どの小スイッチがオープン故障したかを特定できる。同様にどの小スイッチがショート故障したかも特定できる。しかも大スイッチに電流を流したまま、個々の小スイッチのオープン、ショート故障の特定が可能である。
【００３４】
なお第１，第２の実施形態では、個々の小スイッチをオープン、クローズして大スイッチの抵抗値を測定すればいいので、大スイッチを運用していないつまり通電していない状態でもオープン、ショート故障個所の特定が可能である。
【００３５】
また本実施形態のように電流検出抵抗R10〜13,R20〜23を各小スイッチに接続しておくとスイッチのオン抵抗測定の感度が上がる。しかし電流検出抵抗がなくても故障した小スイッチの特定は可能である。
【００３６】
また本実施形態では小スイッチを二つ直列に接続した大スイッチを対象とした。しかし三つ以上直列接続してもよい。更に、本発明の半導体小スイッチとしてはMOSトランジスタに限らず、バイポーラトランジスタ等も用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の活用例として、例えば充放電機器のスイッチ回路がある。
【符号の説明】
【００３８】
1,2    入出力端子
3,4,5,6,7,8    小スイッチ
9,10    小スイッチ制御端子
11,12,13,14,15,16    小スイッチ制御端子
C10,C11,C12,C13,C20,C21,C22,C23    小スイッチ制御端子
R10,R11,R12,R13,R20,R21,R22,R23    電流検出抵抗
S10,S11,S12,S13,S20,S21,S22,S23    小スイッチ
17,19    スイッチ制御端子
18,20    スイッチ
21,24    ゲート端子
22,26    ソース端子
23,25    ドレイン端子
100,200    大スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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