(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷を正逆反転駆動する負荷駆動回路であって、
前記負荷の定格電圧を越える電源と前記負荷の両端との間に接続され、前記負荷の両端にそれぞれ接続された２個の接点を切り替えて前記電源からの電圧を出力するリレーと、
高速スイッチングにより前記負荷に流れる電流を用いて当該負荷をＰＷＭ駆動するスイッチ手段と、
前記負荷に電流を流す電流経路に設けられた通電スイッチと、
を備え、
前記スイッチ手段が、
前記負荷の他端とグランド端子との間に接続されて、前記リレーが前記負荷の一端に接続された接点に接続したときに高速スイッチングを行う第１の半導体スイッチと、
前記負荷の一端とグランド端子との間に接続され、前記リレーが前記負荷の他端に接続された接点に接続したときに高速スイッチングを行う第２の半導体スイッチと、
を備え、
前記負荷と前記各半導体スイッチとの接続点に、前記半導体スイッチがオフに切り替わったときに前記負荷に流れる電流を逃がすための放流経路が形成され、
前記負荷をオフ状態から電流を流して駆動する場合に、前記第１の半導体スイッチ又は前記第２の半導体スイッチの高速スイッチングを開始してから、前記通電スイッチをオンにし、
前記負荷に加える電流方向を切替える場合に、前記通電スイッチを一旦オフにして、前記第１の半導体スイッチ及び前記第２の半導体スイッチのうちの一方をオフにした後、前記第１の半導体スイッチ及び前記第２の半導体スイッチのうちの他方の高速スイッチングを開始してから、前記通電スイッチをオンにする、負荷駆動回路。
【請求項２】
請求項１に記載の負荷駆動回路であって、
前記リレーの２個の接点を切り替えるための切替スイッチをさらに備える負荷駆動回路。
【請求項３】
負荷を正逆反転駆動する負荷駆動方法であって、
２個の接点を有するリレーが、前記負荷の両端にそれぞれ接続された前記２個の接点のうちの一方に接続して、当該一方の接点に接続された前記負荷の一端と、前記負荷の定格電圧を越える電源とを接続し、且つ前記負荷に電流を流す電流経路に接続されたスイッチ手段の高速スイッチングにより前記負荷に流れる電流を用いて当該負荷をＰＷＭ駆動する第１の工程と、
前記スイッチ手段をオフにする第２の工程と、
前記リレーが前記２個の接点のうちの一方から他方に接続切り替えして、当該他方の接点に接続された前記負荷の一端と、前記負荷の定格電圧を越える電源とを接続する第３の工程と、
前記第３の工程における前記リレーの前記他方の接点への接続を維持しながら、前記負荷に電流を流す電流経路に接続されたスイッチ手段が高速スイッチングし、前記負荷に流れる電流を用いて当該負荷をＰＷＭ駆動する第４の工程と
を備え、
前記スイッチ手段が、
前記負荷の他端とグランド端子との間に接続されて、前記リレーが前記負荷の一端に接続された接点に接続したときに高速スイッチングを行う第１の半導体スイッチと、
前記負荷の一端とグランド端子との間に接続され、前記リレーが前記負荷の他端に接続された接点に接続したときに高速スイッチングを行う第２の半導体スイッチと、
を備え、
前記負荷と前記各半導体スイッチとの接続点に、前記半導体スイッチがオフに切り替わったときに前記負荷に流れる電流を逃がすための放流経路が形成され、
前記負荷をオフ状態から電流を流して駆動する場合に、前記負荷に電流を流す電流経路に接続されたスイッチ手段の高速スイッチングを開始してから、前記負荷に電流を流す電流経路に設けられた通電スイッチをオンにし、
前記負荷に加える電流方向を切替える場合に、前記通電スイッチを一旦オフにして、前記第１の半導体スイッチ及び前記第２の半導体スイッチのうちの一方をオフにした後、前記第１の半導体スイッチ及び前記第２の半導体スイッチのうちの他方の高速スイッチングを開始してから、前記通電スイッチをオンにする、負荷駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、負荷を正逆反転駆動する負荷駆動回路及びそれに関連する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の電装品に使用される電源は、乗用車の場合、現状１２Ｖ（エンジンのオン時には１４Ｖ）である。
【０００３】
しかし、ナビゲーション、オーディオシステム及びエンーコンディショナー（以下「エアコン」と略称する）等の電装品が増えることによって消費電流が大幅にアップしてきたことや、車の燃費に対する考え方が厳しくなってきたことにより、抜本的な車輌電装システムの見直しが進められている。
【０００４】
自動車の電源電圧の４２Ｖ化もその１つである。４２Ｖ化によって、エアコンファンやラジエータファンなどの大型モーターのエネルギー効率アップが期待できる。また、消費電流低減によって、自動車で電源分配の役割を担っているワイヤーハーネスの細線化を図ることができ、それによってワイヤーハーネスの重量が減って、燃費の向上が期待できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、パワーウインドやドアロックなどの小型モーターでは、４２Ｖ用モーターコイルの新規開発には技術的且つコスト的困難があり、負荷の４２Ｖ化が容易では無いと言われている。
【０００６】
そこで、この発明の課題は、１２Ｖ定格の小型モーター等の負荷を４２Ｖ電源でＰＷＭ駆動することで、支障無く駆動することが可能な負荷駆動回路及びそれに関連する技術を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、負荷を正逆反転駆動する負荷駆動回路であって、前記負荷の定格電圧を越える電源と前記負荷の両端との間に接続され、前記負荷の両端にそれぞれ接続された２個の接点を切り替えて前記電源からの電圧を出力するリレーと、高速スイッチングにより前記負荷に流れる電流を用いて当該負荷をＰＷＭ駆動するスイッチ手段と、前記負荷に電流を流す電流経路に設けられた通電スイッチとを備え、前記スイッチ手段が、前記負荷の他端とグランド端子との間に接続されて、前記リレーが前記負荷の一端に接続された接点に接続したときに高速スイッチングを行う第１の半導体スイッチと、前記負荷の一端とグランド端子との間に接続され、前記リレーが前記負荷の他端に接続された接点に接続したときに高速スイッチングを行う第２の半導体スイッチとを備え、前記負荷と前記各半導体スイッチとの接続点に、前記半導体スイッチがオフに切り替わったときに前記負荷に流れる電流を逃がすための放流経路が形成され、前記負荷をオフ状態から電流を流して駆動する場合に、前記第１の半導体スイッチ又は前記第２の半導体スイッチの高速スイッチングを開始してから、前記通電スイッチをオンにし、前記負荷に加える電流方向を切替える場合に、前記通電スイッチを一旦オフにして、前記第１の半導体スイッチ及び前記第２の半導体スイッチのうちの一方をオフにした後、前記第１の半導体スイッチ及び前記第２の半導体スイッチのうちの他方の高速スイッチングを開始してから、前記通電スイッチをオンにするものである。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の負荷駆動回路であって、前記リレーの２個の接点を切り替えるための切替スイッチをさらに備えるものである。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、負荷を正逆反転駆動する負荷駆動方法であって、２個の接点を有するリレーが、前記負荷の両端にそれぞれ接続された前記２個の接点のうちの一方に接続して、当該一方の接点に接続された前記負荷の一端と、前記負荷の定格電圧を越える電源とを接続し、且つ前記負荷に電流を流す電流経路に接続されたスイッチ手段の高速スイッチングにより前記負荷に流れる電流を用いて当該負荷をＰＷＭ駆動する第１の工程と、前記スイッチ手段をオフにする第２の工程と、前記リレーが前記２個の接点のうちの一方から他方に接続切り替えして、当該他方の接点に接続された前記負荷の一端と、前記負荷の定格電圧を越える電源とを接続する第３の工程と、前記第３の工程における前記リレーの前記他方の接点への接続を維持しながら、前記負荷に電流を流す電流経路に接続されたスイッチ手段が高速スイッチングし、前記負荷に流れる電流を用いて当該負荷をＰＷＭ駆動する第４の工程とを備え、前記スイッチ手段が、前記負荷の他端とグランド端子との間に接続されて、前記リレーが前記負荷の一端に接続された接点に接続したときに高速スイッチングを行う第１の半導体スイッチと、前記負荷の一端とグランド端子との間に接続され、前記リレーが前記負荷の他端に接続された接点に接続したときに高速スイッチングを行う第２の半導体スイッチと、を備え、前記負荷と前記各半導体スイッチとの接続点に、前記半導体スイッチがオフに切り替わったときに前記負荷に流れる電流を逃がすための放流経路が形成され、前記負荷をオフ状態から電流を流して駆動する場合に、前記負荷に電流を流す電流経路に接続されたスイッチ手段の高速スイッチングを開始してから、前記負荷に電流を流す電流経路に設けられた通電スイッチをオンにし、前記負荷に加える電流方向を切替える場合に、前記通電スイッチを一旦オフにして、前記第１の半導体スイッチ及び前記第２の半導体スイッチのうちの一方をオフにした後、前記第１の半導体スイッチ及び前記第２の半導体スイッチのうちの他方の高速スイッチングを開始してから、前記通電スイッチをオンにする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
｛第１の実施の形態｝
図１は関連技術となる第１の実施の形態に係る負荷駆動回路を示す回路図である。この負荷駆動回路は、パワーウインドやドアロックなどの正逆反転制御を必要とする小型モーター等であって、特に、１２Ｖ定格の小型モーター等の負荷Ｍを、定格電圧を超えた４２Ｖ電源３からの電源電圧で駆動する際に、ＰＷＭ駆動を行うことで、支障無く駆動を行うものである。
【００１４】
具体的に、この負荷駆動回路は、図１の如く、トランスファー接点を有する１個のリレーＲＬＹ１と、このリレーＲＬＹ１を切り替えるための切替スイッチＱ１とを用いて、負荷Ｍの正逆反転駆動を行いつつ、チョッパー制御可能なＭＯＳＦＥＴ等の２個の半導体スイッチＭ１，Ｍ２を用いて、負荷ＭのＰＷＭ駆動を行う。
【００１５】
リレーＲＬＹ１は、コイル１及びトランスファー接点（Ａ，Ｂ接点）２を有する電磁式メカニカルリレーである。
【００１６】
このリレーＲＬＹ１のコイル１は、切替スイッチＱ１と４２Ｖ電源３との間に介在接続される。
【００１７】
このリレーＲＬＹ１のトランスファー接点２のＡ接点は、負荷Ｍの一端Ｐ１に接続され、Ｂ接点は、負荷Ｍの他端Ｐ２に接続される。
【００１８】
両半導体スイッチＭ１，Ｍ２は、図示しない制御回路の制御に基づいて高速スイッチングし、負荷ＭをＰＷＭ駆動する。
【００１９】
第１の半導体スイッチＭ１のドレインは、負荷Ｍの一端Ｐ１、即ちリレーＲＬＹ１のＡ接点と負荷Ｍの接続点に接続される。また、第１の半導体スイッチＭ１のソースはグランド端子に接続されて接地され、そのゲートは図示しない制御回路に接続される。
【００２０】
第２の半導体スイッチＭ２のドレインは、負荷Ｍの他端Ｐ２、即ちリレーＲＬＹ１のＢ接点と負荷Ｍの接続点に接続される。また、第２の半導体スイッチＭ２のソースはグランド端子に接続されて接地され、そのゲートは図示しない制御回路に接続される。
【００２１】
尚、各半導体スイッチＭ１，Ｍ２のドレインと４２Ｖ電源３との間には、ダイオード５，６を有する放流経路がそれぞれ接続されている。このダイオード５，６は、負荷ＭのＰＷＭ駆動中に半導体スイッチＭ１，Ｍ２をオフにする際に、スムーズな負荷Ｍの駆動のために駆動電流Ｉａ，Ｉｂを流し続けるためのものである。
【００２２】
上記構成において、切替スイッチＱ１のオフ時には、４２Ｖ電源３からの電源電圧はＢ接点に与えられる。このとき、負荷Ｍにおいては、他端Ｐ２から一端Ｐ１の方向に電流Ｉｂが流れる。このとき、第１の半導体スイッチＭ１は高速スイッチングしている。
【００２３】
次に、第１の半導体スイッチＭ１を定常的にオフに切り替える。そうすると、負荷Ｍの一端Ｐ１がグランド端子から遮断され、第１のダイオード５により一端Ｐ１が４２Ｖ電源３の電源電圧と同電位になることから、リレーＲＬＹ１を流れる電流が遮断される。このようにして第１の半導体スイッチＭ１がオフになってから、切替スイッチＱ１をオン状態とし、リレーＲＬＹ１のトランスファー接点２をＢ接点からＡ接点に切り替える。その後、第２の半導体スイッチＭ２を高速スイッチングさせる。これは、この順序に従わないと、リレーＲＬＹ１のＢ接点から第２の半導体スイッチＭ２の短絡電流が生じ、第２の半導体スイッチＭ２の破壊につながるので、好ましくないからである。これにより、負荷Ｍにおいては、一端Ｐ１から他端Ｐ２の方向に電流Ｉａが流れる。
【００２４】
また、リレーＲＬＹ１をＡ接点からＢ接点に切り替える際には、上記と逆の動作を実行する。
【００２５】
このようにして、切替スイッチＱ１でリレーＲＬＹ１のトランスファー接点２をＡ接点とＢ接点とで切り替えて、負荷Ｍに流れる駆動電流Ｉａ，Ｉｂを正逆反転させながら、半導体スイッチＭ１，Ｍ２により高速スイッチングさせて負荷ＭをＰＷＭ駆動する。
【００２６】
尚、上記の動作について、負荷Ｍを流れる電流Ｉａ，Ｉｂの方向と、切替スイッチＱ１のオンオフと、両半導体スイッチＭ１，Ｍ２のオンオフ動作の対応関係を、次の表１に示す。
【００２７】
【表１】
0004050528.tif 000002
【００２８】
このように、負荷Ｍの正逆反転駆動を行いつつ、チョッパー制御可能なＭＯＳＦＥＴ等の２個の半導体スイッチＭ１，Ｍ２を用いて、負荷ＭのＰＷＭ駆動を容易に行うことができるので、１２Ｖ定格の正逆反転駆動する負荷を４２Ｖ電源で支障無くＰＷＭ駆動することが可能となる。
【００２９】
｛第２の実施の形態｝
図２はこの発明の第２の実施の形態に係る負荷駆動回路を示す回路図である。なお、図２では第１の実施の形態と同様の機能を有する要素については同一符号を付している。この実施の形態の負荷駆動回路は、図２の如く、負荷Ｍに電流Ｉａ，Ｉｂを流す電流経路、具体的には４２Ｖ電源３とリレーＲＬＹ１との間に、通電スイッチＳＷ１を設けている点で第１の実施の形態と異なる。
【００３０】
このように通電スイッチＳＷ１が４２Ｖ電源３とリレーＲＬＹ１との間に設けられる場合、負荷Ｍのオンオフ切替及び正逆反転切替は以下のように行われる。
【００３１】
まず、初期状態は通電スイッチＳＷ１がオフであり、切替スイッチＱ１がオフであり、第１の半導体スイッチＭ１がオフであり、第２の半導体スイッチＭ２がオフとなっている。
【００３２】
ここで、負荷Ｍをオフ状態からＩｂの方向に電流を流して駆動する場合を説明する。
【００３３】
まず、通電スイッチＳＷ１がオフ状態のまま、第１の半導体スイッチＭ１の高速スイッチングを開始してから、通電スイッチＳＷ１をオンにして、負荷ＭのＰＷＭ駆動をスタートする。これは、第１の半導体スイッチＭ１に対する制御回路側のＰＷＭシグナル出だしでの不安定によるトラブルを避けるためである。
【００３４】
次に、負荷Ｍをオフ状態からＩａの方向に電流を流して駆動するときには、まず切替スイッチＱ１をオンにする。そうすると、リレーＲＬＹ１のトランスファー接点２がＡ接点に変更される。そして、第２の半導体スイッチＭ２を高速スイッチングしてから、通電スイッチＳＷ１をオンにし、負荷ＭのＰＷＭ駆動を開始する。
【００３５】
このようにして、負荷Ｍについて、オフ状態からＩｂ（またはＩａ）の方向に電流を流して駆動を開始することができる。
【００３６】
次に、負荷Ｍに加える電流方向をＩｂからＩａに切り替える場合を説明する。
【００３７】
まず、通電スイッチＳＷ１を一旦オフにし、第１の半導体スイッチＭ１をオフにする。そして、この状態で切替スイッチＱ１をオンにする。そうすると、リレーＲＬＹ１のトランスファー接点２がＡ接点に変更される。その後、第２の半導体スイッチＭ２の高速スイッチングを開始した後、通電スイッチＳＷ１をオンにする。そうすると、負荷Ｍに加える電流方向がＩｂからＩａに支障無く切り替わる。
【００３８】
さらに、負荷Ｍに加える電流方向をＩａからＩｂに切り替える場合を説明する。
【００３９】
まず、通電スイッチＳＷ１を一旦オフにし、第２の半導体スイッチＭ２をオフにする。そして、この状態で切替スイッチＱ１をオフにする。そうすると、リレーＲＬＹ１のトランスファー接点２がＢ接点に変更される。その後、第１の半導体スイッチＭ１の高速スイッチングをオンにしてから、通電スイッチＳＷ１をオンにする。そうすると、負荷Ｍに加える電流方向がＩａからＩｂに支障無く切り替わる。
【００４０】
このように、負荷Ｍに加える電流方向を、切替スイッチＱ１でのオンオフによりＩａとＩｂとに切り替えながら、半導体スイッチＭ１，Ｍ２により負荷ＭのＰＷＭ駆動を支障無く実行できるので、１２Ｖ定格の正逆反転駆動する負荷を４２Ｖ電源で支障無くＰＷＭ駆動することが可能となる。
【００４１】
尚、この第２の実施の形態では、通電スイッチＳＷ１を、４２Ｖ電源３とリレーＲＬＹ１との間に介在させているが、通電スイッチＳＷ１は負荷Ｍに電流Ｉａ，Ｉｂを流す電流経路中であればどの位置に接続してもよく、例えばこの通電スイッチＳＷ１を各半導体スイッチＭ１，Ｍ２のソースとグランド端子との間に接続しても差し支えない。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、リレーにより負荷の両端を相互に切り替えて電流を正逆反転して流しながら、この電流を用いて、スイッチ手段の高速スイッチングによりＰＷＭ駆動するので、負荷の定格電圧を越える電源を用いても、支障無く負荷の正逆反転駆動を実行することができる。したがって、負荷として、例えば自動車のパワーウインドやドアロックなどの小型モーターを適用する場合に４２Ｖ用モーターコイルの新規開発に技術的且つコスト的に困難がある場合であっても、負荷の４２Ｖ化を行わずに正逆反転駆動を支障無く実行できる。また、PWMシグナル出だしでの不安定によるトラブルを避けることができる。また、負荷と各半導体スイッチとの接続点に、半導体スイッチがオフに切り替わったときに負荷に流れる電流を逃がすための放流経路が形成されているので、負荷のＰＷＭ駆動中に半導体スイッチをオフにする際に、スムーズな負荷の駆動のために駆動電流を流し続けることが可能となる。
【００４４】
請求項２に記載の発明によれば、リレーの２個の接点を、切替スイッチにより容易に切り替えることができる。
【００４６】
請求項３に記載の発明によれば、負荷を正逆反転駆動する負荷駆動方法であって、２個の接点を有するリレーが、負荷の両端にそれぞれ接続された２個の接点のうちの一方に接続して、当該一方の接点に接続された負荷の一端と、負荷の定格電圧を越える電源とを接続し、且つ負荷に電流を流す電流経路に接続されたスイッチ手段の高速スイッチングにより負荷に流れる電流を用いて当該負荷をＰＷＭ駆動している際に、スイッチ手段をオフにしてから、リレーが２個の接点のうちの一方から他方に接続切り替えして、当該他方の接点に接続された負荷の一端と、負荷の定格電圧を越える電源とを接続し、この状態でリレーの他方の接点への接続を維持しながら、負荷に電流を流す電流経路に接続されたスイッチ手段が高速スイッチングし、負荷に流れる電流を用いて当該負荷をＰＷＭ駆動するので、リレーの各接点から半導体スイッチ等で構成される上記スイッチ手段に短絡電流が生じて、スイッチ手段が破壊するのを防止できる。また、ＰＷＭシグナル出だしでの不安定によるトラブルを避けることができる。また、負荷と各半導体スイッチとの接続点に、半導体スイッチがオフに切り替わったときに負荷に流れる電流を逃がすための放流経路が形成されているので、負荷のＰＷＭ駆動中に半導体スイッチをオフにする際に、スムーズな負荷の駆動のために駆動電流を流し続けることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  関連技術である第１の実施の形態に係る負荷駆動回路を示す回路図である。
【図２】  この発明の第２の実施の形態に係る負荷駆動回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１  コイル
２  トランスファー接点
３  ４２Ｖ電源
５，６  ダイオード
Ｍ  負荷
Ｍ１，Ｍ２  半導体スイッチ
Ｑ１  切替スイッチ
ＲＬＹ１  リレー
ＳＷ１  通電スイッチ
【図１】
0004050528.tif 000003
【図２】
0004050528.tif 000004