(57)【要約】【課題】半導体スイッチの性能をフルに使うことにより、半導体スイッチのサイズ及びコストを低減することができる保護回路を提供する。【解決手段】ＣＰＵ３３Ａが、温度検出部３２により検出された温度が高くなるに従ってしきい値が低くなるようにしきい値を変更する。ＣＰＵ３３Ａが、電流検出部３１により検出された電流がしきい値を超えたときにＦＥＴＱをオフ制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源及び負荷の間に設けられた半導体スイッチと、前記半導体スイッチに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出された電流がしきい値を超えたときに前記半導体スイッチをオフ制御する保護手段と、を備えた保護回路において、
周囲温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出された温度が高くなるに従って前記しきい値が低くなるように前記しきい値を変更するしきい値変更手段と、
を備えたことを特徴とする保護回路。
【請求項２】
前記温度検出手段が、前記電源及び前記負荷の間に設けられた前記電源の逆接保護用のダイオードから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の保護回路。
【請求項３】
前記温度検出手段が、前記逆接保護用のダイオードの両端電圧、及び、前記電流検出手段が検出した電流、に基づいて前記温度を検出するように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の保護回路。
【請求項４】
前記半導体スイッチにパルス信号を供給してパルス駆動する駆動手段を備え、そして、
前記しきい値変更手段が、前記パルス信号の周波数が高くなるに従って又は／及びデューティ比が大きくなるに従って前記しきい値が低くなるように前記しきい値を変更するように設定されていることを特徴とする請求項１〜３何れか１項に記載の保護回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、保護回路に係り、特に、電源及び負荷の間に設けられた半導体スイッチと、前記半導体スイッチに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出された電流がしきい値を超えたときに前記半導体スイッチをオフ制御する保護手段と、を備えた保護回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車に装備される電装品などの負荷に対してバッテリからの電源を供給する電源供給回路として、負荷とバッテリとの間にトランジスタなどの半導体スイッチを設けて、この半導体スイッチのオンオフによって負荷の駆動を制御するものがある。上記半導体スイッチの電流容量は、ロック電流のような負荷に流れる最大電流によって決定される。上述した半導体スイッチを用いて負荷を駆動する電源供給装置においては、負荷の異常や短絡などにより半導体スイッチが破壊しないように保護する保護回路が必要である。
【０００３】
従来、上記保護回路の一例として、例えば特許文献１に示されたような保護回路が提案されている。この保護回路は、負荷に流れる電流がある一定のしきい値を超えると異常と判定されて半導体スイッチをオフすることで半導体スイッチの保護を行っている。
【０００４】
しかしながら、上述した従来の保護回路においては、半導体スイッチの周囲温度が変化してもしきい値は変化しないため負荷を駆動する半導体スイッチは、使用温度の一番高い状態で最大電流が通電しても発熱に問題のないデバイスを選定する必要がある。従って、使用温度が低温のとき半導体スイッチはかなり余力を残した状態でオフされてしまう、という問題があった。
【特許文献１】特開２００１−００４６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、半導体スイッチの性能をフルに使うことにより、半導体スイッチのサイズ及びコストを低減することができる保護回路を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、電源及び負荷の間に設けられた半導体スイッチと、前記半導体スイッチに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出された電流がしきい値を超えたときに前記半導体スイッチをオフ制御する保護手段と、を備えた保護回路において、周囲温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された温度が高くなるに従って前記しきい値が低くなるように前記しきい値を変更するしきい値変更手段と、を備えたことを特徴とする保護回路に存する。
【０００７】
請求項２記載の発明は、前記温度検出手段が、前記電源及び前記負荷の間に設けられた前記電源の逆接保護用のダイオードから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の保護回路に存する。
【０００８】
請求項３記載の発明は、前記温度検出手段が、前記逆接保護用のダイオードの両端電圧、及び、前記電流検出手段が検出した電流、に基づいて前記温度を検出するように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の保護回路に存する。
【０００９】
請求項４記載の発明は、前記半導体スイッチにパルス信号を供給してパルス駆動する駆動手段を備え、そして、前記しきい値変更手段が、前記パルス信号の周波数が高くなるに従って又は／及びデューティ比が大きくなるに従って前記しきい値が低くなるように前記しきい値を変更するように設定されていることを特徴とする請求項１〜３何れか１項に記載の保護回路に存する。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、しいき値変更手段が、温度検出手段により検出された温度が高くなるに従ってしきい値が低くなるようにしきい値を変更するので、半導体スイッチの性能をフルに使うことができ、半導体スイッチのサイズ及びコストを低減することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、温度検出手段が逆接保護用のダイオードから構成されているので、逆接保護用ダイオードと温度検出手段とを別々に設ける必要がなく、コストダウンを図ることができる。
【００１２】
請求項３記載の発明によれば、温度検出手段が、逆接保護用のダイオードの両端電圧、及び、電流検出手段が検出した電流、に基づいて温度を検出するように設定されているので、温度検出用の電流検出手段と遮断用の電流検出手段とを別々に設ける必要がなく、コストダウンを図ることができる。
【００１３】
請求項４記載の発明によれば、しきい値変更手段が、パルス信号の周波数が高くなるに従って又は／及びデューティ比が大きくなるに従ってしきい値が低くなるようにしきい値を変更するように設定されているので、スイッチング損失による半導体スイッチの発熱をさらに考慮した遮断を行うことができ、熱ストレスによる半導体スイッチの破壊を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
第１実施形態
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、第１実施形態における本発明の保護回路３０を組み込んだ電源供給装置を示す回路図である。同図に示すように、電源供給装置は、電源としてのバッテリ１０と、負荷２０と、保護回路３０と、を有している。バッテリ１０は、車両に搭載された直流電源である。負荷２０は、上記バッテリ１０からの電源供給を受けて動作するワイパーモータ、ランプなどの電装品である。
【００１５】
保護回路３０は、半導体スイッチとしての電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｑと、電流検出手段としての電流検出部３１と、温度検出手段としての温度検出部３２と、マイクロコンピュータ（μＣＯＭ）３３と、駆動部３４と、を有している。ＦＥＴＱは、バッテリ１０及び負荷２０の間に設けられている。ＦＥＴＱは、ドレインがバッテリ１０に接続され、ゲートが負荷２０に接続され、ベースが後述する駆動部３４に接続されている。
【００１６】
電流検出部３１は、上記ＦＥＴＱのドレイン−ソースに流れる電流を検出して、その検出結果を後述するμＣＯＭ３３に出力する。電流検出部３１としては、ＦＥＴＱに流れる電流を検出できる手段であればよく、検出抵抗を用いるものであっても良いし、ホール素子を用いたものであってもよい。温度検出部３２は、周囲温度を検出して、その検出結果を後述するμＣＯＭ３３に出力する。温度検出部３２としては、周囲温度を検出できる手段であればよく、例えば測温抵抗などの温度検出素子を用いるものであっても良い。
【００１７】
μＣＯＭ３３は、保護回路３０全体の制御を司り、処理プログラムに従って各種の処理を行う中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）３３Ａと、ＣＰＵ３３Ａが行う処理のプログラムなどを格納した読出専用のメモリであるＲＯＭ３３Ｂと、ＣＰＵ３３Ａでの各種の処理過程で利用するワークエリア、データを格納するデータ記憶エリアなどを有する読出書込自在のメモリであるＲＡＭ３３Ｃと、を有している。
【００１８】
駆動部３４は、μＣＯＭ３３からオン信号を受け取ると、ＦＥＴＱのゲートに駆動電圧を供給してＦＥＴＱをオンする。駆動部３４はまた、μＣＯＭ３３からオフ信号を受け取ると、ＦＥＴＱのゲートに対する駆動電圧を遮断してＦＥＴＱをオフする。
【００１９】
次に、上述したＣＰＵ３３Ａの機能ブロックについて、図２を参照して説明する。図２に示すように、ＣＰＵ３３Ａは、負荷制御部３３Ａ−１と、遮断判定部３３Ａ−２と、しきい値決定部３３Ａ−３と、を有している。負荷制御部３３Ａ−１は、ワイパースイッチやランプスイッチといった負荷２０を制御するためのスイッチのオンオフ状態を検出する。負荷制御部３３Ａ−１は、上記スイッチがオンのときに駆動部３４に対してオン信号を出力して負荷２０を駆動し、上記スイッチがオフのときに駆動部３４に対してオフ信号を出力して負荷２０に対する電源供給を停止する。負荷制御部３３Ａ−１はまた、後述する遮断判定部３３Ａ−２が遮断を判定したときはスイッチがオンされていても駆動部３４に対してオフ信号を出力する。
【００２０】
保護手段としての遮断判定部３３Ａ−２は、電流検出部３１により検出された電流が後述するしきい値決定部３３Ａ−３により決定されたしきい値を超えたときに遮断を判定する。しきい値変更手段としてのしきい値決定部３３Ａ−３は、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、温度検出部３２により検出された温度が高くなるに従ってしきい値が低くなるようにしきい値を変更、決定する。しきい値決定部３３Ａ−３としては、図３（Ａ）に示すように、周囲温度が高くなるに従って連続的にしきい値が低くなるように変更しても良いし、図３（Ｂ）に示すように、周囲温度が高くなるに従って断続的にしきい値が低くなるように変更しても良い。
【００２１】
次に、上述した構成の電源供給装置の動作について図４のフローチャートを参照して説明する。ＣＰＵ３３Ａは、車両のイグニッションオフに応じて処理をスタートする。まず、最初にＣＰＵ３３Ａは、上記負荷２０を制御するためのスイッチがオンしているか否かを判断する（ステップＳ１）。スイッチがオンしていれば（ステップＳ１でＹ）、ＣＰＵ３３Ａは、駆動部３４に対してオン信号を出力する（ステップＳ２）。このオン信号の出力に応じて駆動部３４からＦＥＴＱのベースに対して駆動電圧が供給されて、ＦＥＴＱがオンして負荷２０に対してバッテリ１０の電源が供給される。
【００２２】
その後、ＣＰＵ３３Ａは、温度検出部３２が検出した温度を取り込んで（ステップＳ３）、図３に示すように周囲温度に応じたしきい値を決定する（ステップＳ４）。次に、ＣＰＵ３３Ａは、電流検出部３１が検出した電流を取り込んで（ステップＳ５）、取り込んだ電流がステップＳ４で決定したしきい値を超えているか否かを判断する（ステップＳ６）。ＣＰＵ３３Ａは、電流がしきい値を超えていると遮断と判定して（ステップＳ６でＹ）、駆動部３４に対してオフ信号を出力した後（ステップＳ８）、ステップ１に戻る。このオフ信号の出力に応じて駆動部３４からＦＥＴＱのベースに対する駆動電圧が遮断されて、ＦＥＴＱがオフして負荷２０に対してバッテリ１０の電源が供給される。
【００２３】
一方、ＣＰＵ３３Ａは、電流がしきい値を超えていないと遮断する必要がないと判定して（ステップＳ６でＮ）、次にスイッチがオフしているか否かを判断する（ステップＳ７）。ＣＰＵ３３Ａは、スイッチがオフしていれば（ステップＳ７でＹ）ステップＳ８に進み、スイッチがオンしていれば（ステップＳ７でＮ）、ステップＳ３に戻る。
【００２４】
上述した電源供給装置によれば、ＣＰＵ３３Ａが、温度検出部３２により検出された温度が高くなるに従ってしきい値が低くなるようにしきい値を変更する。即ち、しきい値は、周囲温度が低いときには大きく、周囲温度が高いときには小さくなるように変更、決定される。例えば、ワイパーモータの場合、ロック電流のような最大電流が流れる想定はワイパーとガラスが凍りついた状態や、雪によりワイパーに負荷がかかった場合であり、どちらの場合も周囲温度は低いと推定される。
【００２５】
このようなときはＦＥＴＱの環境は熱的に厳しくないためＦＥＴＱには多く電流を流しても破壊することがない。このように周囲温度に合わせてしきい値を変化させることで、ＦＥＴＱの性能をフルに使用することができる。よって、従来のようにしきい値が固定された場合、ＦＥＴＱは使用温度の一番高い状態で最大電流が通電しても発熱に問題のないデバイスを選定する必要があったが、上述した電源供給装置によれば、例えば常温で最大電流が通電しても発熱に問題のないデバイスを選定しても、使用温度の一番高い状態では常温時よりも低い電流で遮断することができるので、ＦＥＴＱの熱破壊を防止できる。このため、ＦＥＴＱのサイズ及びコストを低減することができる。
【００２６】
第２実施形態
次に、第２実施形態における本発明の保護回路３０について説明する。図５は、第２実施形態における本発明の保護回路３０を組み込んだ電源供給装置を示す回路図である。なお、図５において、上述した第１実施形態で既に説明した図１の回路図と同等の部分については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。同図に示すように、電源供給装置は、バッテリ１０と、負荷２０と、保護回路３０と、を有している。バッテリ１０及び負荷２０については、上述した第１実施形態と同様のため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００２７】
保護回路３０は、ＦＥＴＱと、電流検出部３１と、μＣＯＭ３３と、駆動部３４と、温度検出手段としての逆接保護用のダイオードＤと、ＶＦ検出部３５と、を有している。上記ＦＥＴＱ、電流検出部３１、μＣＯＭ３３及び駆動部３４については、上述した第１実施形態と同様のため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００２８】
逆接保護用ダイオードＤは、順方向がバッテリ１０から負荷２０に向かうようにバッテリ１０及び負荷２０の間に設けられたダイオードである。この逆接保護用ダイオードＤは、バッテリ１０のプラスとマイナスとが誤って逆に接続されたときバッテリ１０や負荷２０に過電流が流れるのを防止する。逆接保護用ダイオードＤは、図７に示すように、順方向電圧−順電流特性は温度に応じて変化する。よって、逆接保護用ダイオードＤの順方向電圧ＶＦと順電流とが分かれば、周囲温度を求めることができる。
【００２９】
ＶＦ検出部３５は、上記逆接保護用ダイオードＤの順方向電圧ＶＦを検出して、その検出結果をμＣＯＭ３３に対して供給する。ＶＦ検出部３５は、入力が逆接保護用のダイオードＤの両端に接続される差動増幅器などから構成されている。
【００３０】
次に、上述したμＣＯＭ３３を構成するＣＰＵ３３Ａの機能ブロックについて、図６を参照して説明する。図６に示すように、ＣＰＵ３３Ａは、負荷制御部３３Ａ−１と、遮断判断部３３Ａ−２と、しきい値決定部３３Ａ−３と、温度検出部３３Ａ−４と、を有している。上記負荷制御部３３Ａ−１、遮断判断部３３Ａ−２及びしきい値決定部３３Ａ−３については、上述した第１実施形態と同様のため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００３１】
温度検出部３３Ａ−４は、図７に示すような温度に応じた順方向電圧−順電流特性が記憶されている。温度検出部３３Ａ−４は、図７に示すグラフを参照して、ＶＦ検出部３５が検出した順方向電圧ＶＦ、及び、電流検出部３１が検出された逆接保護用ダイオードＤの順電流、に基づいて周囲温度を検出する。しきい値決定部３３Ａ−３は、温度検出部３３Ａ−４により検出された周囲温度に応じてしきい値を決定する。
【００３２】
上述した電源供給装置によれば、逆接保護用ダイオードＤの順電流、順方向電圧ＶＦに基づいて周囲温度を検出しているので、逆接保護用ダイオードＤと温度を検出するための素子とを別々に設ける必要がなく、コストダウンを図ることができる。
【００３３】
第３実施形態
次に、第３実施形態における本発明の保護回路３０について説明する。第３実施形態における電源供給装置と、第１実施形態における電源供給装置と、の大きくことなる点は、ＣＰＵ３３Ａの機能ブロックである。図８は、第３実施形態におけるＣＰＵ３３Ａの機能ブロックを示すブロック図である。同図に示すように、ＣＰＵ３３Ａは、負荷制御部３３Ａ−１と、遮断判定部３３Ａ−２と、しきい値決定部３３Ａ−３と、を有している。第３実施形態における負荷２０は、例えばワイパーモータなどＰＷＭ制御により駆動される。
【００３４】
本実施形態では負荷制御部３３Ａ−１は、駆動手段として働き、例えばワイパスイッチがオンして高速回転が選択されていると、駆動部３４に対してデューティ比の大きいパルス信号を供給する。これに応じて駆動部３４は、デューティ比の大きいパルス状の駆動電圧をＦＥＴＱのベースに供給して負荷２０を高速回転する。負荷制御部３３Ａ−１はまた、ワイパスイッチがオンして低速回転が選択されていると、駆動部３４に対してデューティ比の小さいパルス信号を供給する。これに応じて駆動部３４は、デューティ比の小さいパルス状の駆動電圧をＦＥＴＱのベースに供給して負荷２０を低速回転する。
【００３５】
遮断判定部３３Ａ−２については、第１実施形態と同様であるため、その詳細な説明は省略する。しきい値決定部３３Ａ−３は、第１実施形態と同様に、周囲温度に応じてしきい値を変更、決定する。ところで、一般的に、ＰＷＭ周波数の周波数が高くなるに従って、デューティ比が大きくなるに従ってスイッチング損失によるＦＥＴＱの発熱が高くなる。そこで、しきい値決定部３３Ａ−３は、負荷制御部３３Ａ−１から出力されるパルス信号のＰＷＭ周波数が高くなるに従って、デューティ比が大きくなるに従ってしきい値が低くなるようにさらにしきい値を変更する。これにより、スイッチング損失によるＦＥＴＱの発熱をさらに考慮した遮断を行うことができ、熱ストレスによるＦＥＴＱの破壊を防止することができる。
【００３６】
なお、上述した第３実施形態によれば、ＰＷＭ周波数とデューティ比との両方に応じてしきい値を変更していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、ＰＷＭ周波数とデューティ比との何れか一方に応じてしきい値を変更するようにしてもよい。
【００３７】
また、上述した第１〜第３実施形態によれば、半導体スイッチとしてＦＥＴＱを用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、半導体スイッチとしては、スイッチングトランジスタを用いてもよい。
【００３８】
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１実施形態における本発明の保護回路を組み込んだ電源供給装置を示す回路図である。
【図２】図１に示すＣＰＵの機能ブロックを示すブロック図である。
【図３】しきい値と周囲温度との関係を示すグラフである。
【図４】図１に示すＣＰＵの処理手順を示すフローチャートである。
【図５】第２実施形態における本発明の保護回路を組み込んだ電源供給装置を示す回路図である。
【図６】図５に示すＣＰＵの機能ブロックを示すブロック図である。
【図７】逆接保護用ダイオードの温度に応じた電圧−電流特性を示すグラフである。
【図８】第３実施形態におけるＣＰＵの機能ブロックを示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４０】
Ｄ          逆接保護用ダイオード
Ｑ          ＦＥＴ（半導体スイッチ）
１０        バッテリ（電源）
２０        負荷
３１        電流検出部（電流検出手段）
３２        温度検出部（温度検出手段）
３３Ａ−１  負荷制御部（駆動手段）
３３Ａ−２  遮断判定部（保護手段）
３３Ａ−３  しきい値決定部（しきい値変更手段）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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