CN114223124A - 输出装置 - Google Patents

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若园佳佑
藤井滋之
杉泽佑树
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Wiring Systems Ltd
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

在输出装置(11)中，经由半导体开关(20)输出电流。关于半导体开关(20)，被输入电流的电流输入端(20d)与输出电流的电流输出端(20s)之间的电阻值随着控制端(20g)的电压的上升而下降。在从电流输入端(20d)到控制端(20g)的第一路径配置有第一二极管(D1)。电流输入端(20d)的电压经由第一二极管(D1)施加到半导体开关(20)的控制端(20g)。在从电流输入端(20d)到控制端(20g)的第二路径配置有升压电路(21)。升压电路(21)对从电流输入端(20d)输入的电压进行升压，并将升压后的电压施加到控制端(20g)。

Description

输出装置
技术领域
本公开涉及输出装置。
本申请要求基于2019年8月22日提出申请的日本申请第2019-151933号的优先权，并引用所述日本申请所记载的所有记载内容。
背景技术
在专利文献1中公开了一种输出装置，具备半导体开关，并经由半导体开关从电池向负载输出电流。半导体开关是N沟道型的FET(Field Effect Transistor：场效应晶体管)。电池向半导体开关的漏极施加电压。电流从电池输入到半导体开关的漏极，并从半导体开关的源极输出到负载。升压电路配置于从漏极到栅极的路径，对从漏极侧输入的电压进行升压，并将升压后的电压施加到半导体开关的栅极。由此，半导体开关的栅极的电压上升，半导体开关的漏极与源极之间的电阻值降低。结果，半导体开关从截止切换为导通，经由半导体开关向负载输出电流。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017－175808号公报
发明内容
本公开的一个方式所涉及的输出装置经由半导体开关输出电流，在所述半导体开关中，被输入电流的电流输入端与输出电流的电流输出端之间的电阻值随着控制端的电压的上升而下降，其中，所述输出装置具备：二极管，配置于从所述电流输入端到所述控制端的第一路径；及升压电路，配置于从所述电流输入端到所述控制端的第二路径，对从所述电流输入端侧输入的电压进行升压，并将升压后的电压施加到所述控制端，所述电流输入端的电压经由所述二极管施加到所述控制端。
附图说明
图1是本实施方式中的电源***的电路图。
图2是表示栅极电压的推移的图表。
图3是输出装置的动作的说明图。
图4是没有第一二极管的情况下的动作的说明图。
具体实施方式
[本公开所要解决的课题]
在如专利文献1所记载的以往的输出装置中，在电池对半导体开关的漏极施加电压之后，升压电路使半导体开关的栅极的电压上升。作为以往的输出装置的一个结构，有在电池对半导体开关的漏极施加电压之后，输入到升压电路的电压逐渐上升的结构。在该结构中，升压电路输出的电压从0V上升。
假定在负载中连接有一端与半导体开关的源极连接、另一端接地的电容器，并且在对半导体开关的漏极施加了电压的时间点蓄积在电容器中的电力为0。
在该情况下，在半导体开关的栅极的电压开始上升之后的一段时间内，升压电路输出的电压低，因此半导体开关的漏极与源极之间的电阻值大。此时，由于在电容器几乎没有蓄积电力，所以流经半导体开关的电流较大。在半导体开关中产生的热的热量随着半导体开关的漏极与源极之间的电阻值变大而变大，并且随着流经半导体开关的电流的电流值变大而变大。因此，在半导体开关的漏极与源极之间的电阻大的期间，半导体开关的温度急速上升。在半导体开关的漏极与源极之间的电阻值大的期间长的情况下，存在半导体开关的温度上升到异常的温度，半导体开关发生故障的可能。
因此，本发明的目的在于提供一种半导体开关的电阻值大的期间短的输出装置。
[本公开的效果]
根据本公开，半导体开关的电阻值大的期间短。
[本公开的实施方式的说明]
首先列举本公开的实施方式来进行说明。可以任意地组合以下所述的实施方式的至少一部分。
(1)本公开的一个方式所涉及的输出装置经由半导体开关输出电流，在所述半导体开关中，被输入电流的电流输入端与输出电流的电流输出端之间的电阻值随着控制端的电压的上升而下降，其中，所述输出装置具备：二极管，配置于从所述电流输入端到所述控制端的第一路径；及升压电路，配置于从所述电流输入端到所述控制端的第二路径，对从所述电流输入端侧输入的电压进行升压，并将升压后的电压施加到所述控制端，所述电流输入端的电压经由所述二极管施加到所述控制端。
在上述的一个方式中，在升压电路施加到半导体开关的控制端的电压比电流输入端的电压低的期间，电流输入端的电压经由二极管施加到半导体开关的控制端。因此，施加到半导体开关的控制端的电压比电流输入端的电压低的期间、即半导体开关的电流输入端与电流输出端之间的电阻值大的期间短。
(2)本公开的一个方式所涉及的输出装置经由半导体开关向电容器输出电流。
在上述一个方式中，经由半导体开关向电容器输出电流。在该结构中，在升压电路施加到半导体开关的控制端的电压比电流输入端的电压低的期间，流经半导体开关的电流的电流值更大，半导体开关的温度上升的速度更快。因此，在经由半导体开关向电容器输出电流的结构中，通过在第一路径配置二极管而得到的效果大。
(3)本公开的一个方式所涉及的输出装置具备：第二二极管，配置于所述第二路径；及第二电容器，一端与所述第二二极管和升压电路之间的连接节点连接，经由所述第二二极管被施加所述电流输入端的电压，所述第二电容器的电压输入到所述升压电路，所述升压电路在所输入的电压为电压阈值以上的情况下对电压进行升压。
在上述一个方式中，由于配置有第二电容器，因此即使在半导体开关的电流输入端的电压降低到小于电压阈值的电压的情况下，输入到升压电路的电压也维持在电压阈值以上，升压电路停止升压的可能性低。在该结构中，输入到升压电路的电压、即第二电容器的两端间的电压在对半导体开关的电流输入端施加电压之后逐渐上升，因此升压电路使向半导体开关20的栅极输出的电压从0V上升。因此，通过在第一路径配置二极管而得到的效果大。
[本公开的实施方式的详细内容]
下面，参照附图对本公开的实施方式所涉及的电源***的具体例进行说明。另外，本发明并不限于这些例示，而是由权利要求书示出，并旨在包括与权利要求书等同的含义和范围内的全部变更。
<电源***的结构>
图1是本实施方式中的电源***1的电路图。电源***1优选搭载于车辆。电源***1具备电池10、输出装置11、负载开关12、负载13、电容器C1、正极端子T1及负极端子T2。电池10例如由用户连接到正极端子T1与负极端子T2之间。具体而言，电池10的正极和负极分别与正极端子T1和负极端子T2连接。正极端子T1与输出装置11连接。负极端子T2接地。
输出装置11还与负载开关12的一端和电容器C1的一端连接。负载开关12的另一端与负载13的一端连接。负载13及电容器C1的另一端接地。
在电池10连接到正极端子T1与负极端子T2之间的情况下，当正极端子T1与负极端子T2之间的电压为电压阈值以上时，输出装置11向电容器C1输出电流，电容器C1被充电。电压阈值为恒定值，并被预先设定。在负载开关12接通的情况下，电池10经由输出装置11向负载13供给电力，或者电容器C1将所蓄积的电力供给到负载13。负载13是搭载于车辆的电气设备。
负载开关12通过未图示的切换电路而切换为接通或断开。在切换电路将负载开关12从断开切换为接通的情况下，向负载13供给电力，负载13工作。在切换电路将负载开关12从接通切换为断开的情况下，停止向负载13的电力供给，负载13停止动作。
以下，将以接地电位为基准的电池10的正极的电压记载为电池电压。电池电压因各种因素而变动。电容器C1将电池电压平滑。因此，即使在电池电压发生了变动的情况下，也向负载13施加稳定的电压。
输出装置11在正极端子T1与负极端子T2之间的电压小于电压阈值的情况下，例如，作为电池10，输出电压低的不适当的直流电源连接到正极端子T1与负极端子T2的情况下，不向负载13或电容器C1输出电流。
<输出装置11的结构>
输出装置11具有半导体开关20、升压电路21、电容器C2、Cd、Cs、第一二极管D1、第二二极管D2、电阻R1、R2及齐纳二极管Z1。半导体开关20是N沟道型的FET。在半导体开关20的漏极20d与栅极20g之间连接有电容器Cd。在半导体开关20的源极20s与栅极20g之间连接有电容器Cs。电容器Cd、Cs分别是在制造半导体开关20时形成的寄生电容。
关于半导体开关20，漏极20d与正极端子T1连接，源极20s与负载开关12的一端和电容器C1的一端连接。升压电路21和第一二极管D1及第二二极管D2的阳极也与漏极20d连接。第二二极管的阴极与电阻R1的一端连接。电阻R1的另一端与升压电路21和电容器C2的一端连接。电容器C2的另一端接地。
如上所述，电容器C2的一端与升压电路21和第二二极管D2之间的连接节点连接。
第一二极管D1的阴极与升压电路21和电阻R2的一端连接。升压电路21接地。电阻R2的另一端与半导体开关20的栅极20g和齐纳二极管Z1的阴极连接。齐纳二极管Z1的阳极与半导体开关20的源极20s连接。
以下，将半导体开关20的漏极20d与源极20s之间的电阻值记载为开关电阻值。将以接地电位为基准的半导体开关20的栅极20g的电压记载为栅极电压。关于半导体开关20，在栅极电压上升的情况下，开关电阻值降低。在栅极电压足够高的情况下，开关电阻值足够小，因此半导体开关20导通。在栅极电压足够低的情况下，开关电阻值足够大，因此半导体开关20截止。
在半导体开关20导通的情况下，经由半导体开关20从电池10向电容器C1输出电流。在半导体开关20导通的情况下，当负载开关12接通时，经由半导体开关20从电池10向负载13输出电流。在电流经由半导体开关20输出的情况下，电流从电池10的正极输入到半导体开关20的漏极20d，并且电流从半导体开关20的源极20s输出到负载开关12和电容器C1中的一方或双方。如上所述，开关电阻值随着栅极电压的上升而下降。半导体开关20的漏极20d、源极20s及栅极20g分别作为电流输入端、电流输出端及控制端发挥功能。
在电池10连接到正极端子T1与负极端子T2之间的情况下，以接地电位为基准的半导体开关20的漏极20d的电压、即电池电压经由第一二极管D1和电阻R2施加到半导体开关20的栅极20g。由此，电容器Cd、Cs中的一方或双方被充电，栅极电压上升。
另外，在电池10连接到正极端子T1与负极端子T2之间的情况下，电池10向升压电路21供给电力，升压电路21工作。而且，电流从电池10的正极按照第二二极管D2、电阻R1及电容器C2的顺序流过，以接地电位为基准的半导体开关20的漏极20d的电压、即电池电压经由第二二极管D2施加到电容器C2。由此，电容器C2被充电，电容器C2的两端间的电压上升。电容器C2的两端间的电压从半导体开关20的漏极20d侧输入到升压电路21。电容器C2作为第二电容器发挥功能。
在从半导体开关20的漏极20d侧输入的电压、即电容器C2的两端间的电压为电压阈值以上的情况下，升压电路21对从半导体开关20的漏极20d侧输入的电压进行升压，并将升压后的电压经由电阻R2施加到半导体开关20的栅极20g。由此，电容器Cd、Cs中的一方或双方被充电，栅极电压上升。升压电路21使向半导体开关20的栅极20g输出的电压从0V上升到预先设定的目标电压。在栅极电压为目标电压的情况下，栅极电压足够高，半导体开关20导通。升压电路21通过进行升压，使栅极电压上升，由此将半导体开关20从截止切换为导通。
在所输入的电压、即电容器C2的两端间的电压小于电压阈值的情况下，升压电路21不对所输入的电压进行升压，由此不向半导体开关20的栅极20g施加电压。此时，栅极电压足够低，半导体开关20截止。
综上所述，关于输出装置11能够叙述以下内容。在输出装置11出厂前的阶段，在电容器Cd、Cs未蓄积电力。在电容器Cd、Cs未蓄积电力的状态下正极端子T1与负极端子T2之间的电压小于电压阈值的情况下，半导体开关20维持为截止，输出装置11不输出电流。在正极端子T1与负极端子T2之间的电压达到电压阈值以上的情况下，即，在适当的电池10连接到正极端子T1与负极端子T2之间的情况下，半导体开关20切换为导通，输出装置11输出电流。
另外，忽略了第二二极管D2中的电压降。在不忽略电压降的情况下，与正极端子T1和负极端子T2之间的电压相关的电压阈值比与电容器C2的两端之间的电压相关的电压阈值稍高。
在电池10连接到正极端子T1和负极端子T2之后，电池电压如上述那样变动。电容器C2将电池电压平滑。因此，即使在电池电压降低到低于电压阈值的电压的情况下，电容器C2的两端间的电压也维持在电压阈值以上，升压电路21停止升压的可能性低。
在半导体开关20中，在以源极20s的电位为基准的栅极20g的电压达到齐纳二极管Z1的击穿电压的情况下，电流按照齐纳二极管Z1的阴极和阳极的顺序流过。由此，防止了以源极20s的电位为基准的栅极20g的电压超过击穿电压的情况。在半导体开关20中，在以源极20s的电位为基准的栅极20g的电压小于击穿电压的情况下，电流不会流过齐纳二极管Z1，由于齐纳二极管Z1的作用，以源极20s的电位为基准的栅极20g的电压不会变动。击穿电压为恒定值。击穿电压为目标电压以上。
如上所述，在输出装置11中，电池电压经由第一二极管D1施加到半导体开关20的栅极20g，并且升压电路21对电容器C2的两端间的电压进行升压，并将升压后的电压施加到半导体开关20的栅极20g。因此，在输出装置11，作为从半导体开关20的漏极20d流向栅极20g的电流的路径，存在两个路径。在从半导体开关20的漏极20d流向半导体开关20的栅极20g的电流的第一路径配置有第一二极管D1和电阻R2。在从半导体开关20的漏极20d流向半导体开关20的栅极20g的电流的第二路径配置有第二二极管D2、升压电路21和电阻R2。
<输出装置11的动作>
图2是表示栅极电压的推移的图表。在图2中，输出装置11的栅极电压的推移用粗实线表示。输出装置11中没有第一二极管D1的情况下的栅极电压的推移用细实线表示。两个推移重叠的部分用粗实线表示。如上所述，栅极电压越高，则开关电阻值越小。在负载开关12断开的状态下，电池10连接到正极端子T1与负极端子T2之间。
说明输出装置11的栅极电压的推移。在电容器C1未蓄积电力且电池10未连接到正极端子T1与负极端子T2之间的情况下，栅极电压为0V。在电池10连接到正极端子T1与负极端子T2的情况下，电池电压经由第一二极管D1和电阻R2施加到半导体开关20的栅极20g，电容器Cd、Cs中的一方或双方被快速充电。结果，栅极电压立即上升到电池电压。
在电池10连接到正极端子T1与负极端子T2之间、且电容器C2的两端间的电压达到电压阈值以上的情况下，升压电路21对电容器C2的两端间的电压进行升压，使向半导体开关20的栅极20g输出的电压从0V上升。在向半导体开关20的栅极20g输出的电压为电池电压以下的期间，栅极电压维持为电池电压。
在向半导体开关20的栅极20g输出的电压超过了电池电压的情况下，栅极电压与升压电路21向半导体开关20的栅极20g输出的电压一起上升到目标电压。之后，升压电路21向半导体开关20的栅极20g输出的电压维持为目标电压，因此栅极电压也维持为目标电压。如上所述，在栅极电压为目标电压的情况下，半导体开关20导通。
接着，说明输出装置11中没有第一二极管D1的情况下的栅极电压的推移。在输出装置11中没有第一二极管D1的情况下，栅极电压与升压电路21向半导体开关20的栅极20g输出的电压同样地推移。
在电容器C1未蓄积电力且电池10未连接到正极端子T1与负极端子T2之间的情况下，栅极电压为0V。在电池10连接到正极端子T1和负极端子T2之后，电容器C2的两端间的电压达到电压阈值以上的情况下，升压电路21对电容器C2的两端间的电压进行升压，使向半导体开关20的栅极20g输出的电压从0V上升。栅极电压与升压电路21向半导体开关20的栅极20g输出的电压一起上升到目标电压。
在将输出装置11的栅极电压的推移与输出装置11中没有第一二极管D1的情况下的栅极电压的推移进行比较的情况下，关于输出装置11，栅极电压小于电池电压的期间、即开关电阻值大的期间较短。
在栅极电压上升、开关电阻值下降的情况下，电流流经半导体开关20。将电池电压和开关电阻值分别用Vb和rs表示，将电容器C1的两端间的电压即电容器电压用Vc表示。在该情况下，流经半导体开关20的开关电流通过(Vb-Vc)/rs而计算出。
在电池10连接到正极端子T1与负极端子T2之间的时间点，在电容器C1未蓄积电力，电容器电压Vc为0V。因此，在电池10刚连接到正极端子T1与负极端子T2之间之后，在开关电阻值大的状态下大的开关电流流过半导体开关20。
在用Is表示开关电流的情况下，Is2·rs越大，则由半导体开关20产生的热的热量越大。因此，在电池10刚连接到正极端子T1与负极端子T2之间之后，由半导体开关20产生的热的热量大，半导体开关20的温度急速上升。
但是，在输出装置11中，开关电阻值大的期间短，因此半导体开关20的温度急速上升的期间短，防止了半导体开关20的温度上升到异常的温度的情况。
图3是输出装置11的动作的说明图。图3中示出了电容器电压和开关电流的推移。图3中还示出了半导体开关20的漏极20d与源极20s之间的电压即开关电压的推移。如上所述，在负载开关12断开的状态下，电池10连接到正极端子T1与负极端子T2之间。
在电池10连接到正极端子T1与负极端子T2之间的时间点，电容器电压为0V，开关电压与电池电压实质上一致。在电池10连接到正极端子T1与负极端子T2之间的情况下，如上所述，栅极电压急速上升到电池电压。由此，开关电阻值急速下降，大的开关电流流过电容器C1，电容器电压急速上升。
开关电压与电容器电压之和与电池电压一致。因此，在电容器电压急速上升的情况下，开关电压急速下降。开关电流随着电容器电压的上升而急速下降。因此，在开关电压大的状态、即开关电阻值大的状态下开关电流大的期间短。
图4是没有第一二极管D1的情况下的动作的说明图。在图4中，与图3同样地示出了电容器电压、开关电压及开关电流值的推移。在负载开关12断开的状态下，电池10连接到正极端子T1与负极端子T2之间。
从电池10连接到正极端子T1与负极端子T2之间起到电容器C2的两端间的电压达到电压阈值以上为止，升压电路21不输出电压，因此电容器电压为0V，开关电压与电池电压实质上一致。由于半导体开关20截止，因此开关电流为0A。
在电容器C2的两端间的电压达到电压阈值以上的情况下，升压电路21开始升压。升压电路21使向半导体开关20的栅极20g施加的电压上升到目标电压。由此，栅极电压降低。在栅极电压降低的情况下，开关电阻值降低，开关电流开始从电池10经由半导体开关20流向电容器C1。
此时，由于电容器电压接近0V，因此开关电流大。由于栅极电压上升的速度慢，所以电容器电压上升的速度和开关电压下降的速度慢。结果，在开关电压大的状态、即开关电阻值大的状态下开关电流大的期间长。在该情况下，由于半导体开关20的温度急速上升的期间长，所以存在半导体开关20的温度上升到异常温度并且半导体开关20发生故障的可能。
在电容器电压达到电池电压的情况下，即在开关电压达到0V的情况下，开关电流变为0A。
如上所述，在输出装置11中，在升压电路21施加到半导体开关20的栅极20g的电压比电池电压低的期间，电池电压经由第一二极管D1施加到半导体开关20的栅极20g。因此，施加到半导体开关20的栅极20g的电压比电池电压低的期间、即开关电阻值大的期间短。
另外，在电源***1中，经由输出装置11的半导体开关20向电容器C1输出电流。因此，在升压电路21施加到半导体开关20的栅极20g的电压比电池电压低的期间，开关电流值大，半导体开关20的温度上升的速度快。综上所述，在电源***1中，通过在输出装置11中配置第一二极管D1而得到的效果大。如上所述，通过配置第一二极管D1，实现了将电池电压施加到半导体开关20的栅极20g的结构。
如上所述，在输出装置11中，在电容器C2的两端间的电压为电压阈值以上的情况下，升压电路21开始对电容器C2的两端间的电压进行升压。在该结构中，升压电路21使向半导体开关20的栅极20g输出的电压从0V上升。综上所述，通过配置第一二极管D1而得到的效果大。
另外，半导体开关20只要是被输入电流的电流输入端与输出电流的电流输出端之间的电阻值随着控制端的电压上升而下降的半导体开关即可。因此，半导体开关20不限于N沟道型的FET，也可以是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)或NPN型的双极型晶体管等。
应当认为所公开的实施方式在所有方面均是例示，而不是限制性的。本发明的范围并不是上述的含义，而是由权利要求书表示，并且意在包括与权利要求书等同的含义和范围内的所有改变。
标号说明
1 电源***
10 电池
11 输出装置
12 负载开关
13 负载
20 半导体开关
20d 漏极(电流输入端)
20g 栅极(控制端)
20s 源极(电流输出端)
21 升压电路
C1、Cd、Cs 电容器
C2 电容器(第二电容器)
D1 第一二极管
D2 第二二极管
R1、R2 电阻
T1 正极端子
T2 负极端子
Z1 齐纳二极管

Claims (3)

1.一种输出装置，经由半导体开关输出电流，在所述半导体开关中，被输入电流的电流输入端与输出电流的电流输出端之间的电阻值随着控制端的电压的上升而下降，其中，所述输出装置具备：
二极管，配置于从所述电流输入端到所述控制端的第一路径；及
升压电路，配置于从所述电流输入端到所述控制端的第二路径，对从所述电流输入端侧输入的电压进行升压，并将升压后的电压施加到所述控制端，
所述电流输入端的电压经由所述二极管施加到所述控制端。
2.根据权利要求1所述的输出装置，其中，
经由所述半导体开关向电容器输出电流。
3.根据权利要求1或2所述的输出装置，其中，
所述输出装置具备：
第二二极管，配置于所述第二路径；及
第二电容器，一端与所述第二二极管和升压电路之间的连接节点连接，经由所述第二二极管被施加所述电流输入端的电压，
所述第二电容器的电压输入到所述升压电路，
所述升压电路在所输入的电压为电压阈值以上的情况下对电压进行升压。
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