JP2010104079A - 負荷駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷駆動装置において、過電流を確実に検知して過電流保護機能を動作させる。
【解決手段】正転駆動時において、過電流が発生した場合、その通電経路にあるＦＥＴは発熱し、温度上昇に伴いそのＦＥＴの抵抗値が増大する。この抵抗値が増加するのに伴い過電流の値は減少する。この点を考慮して過電流判定時間Ｔ１を設定している。すなわち、過電流判定時間Ｔ１は過電流の値が基準電流値ｉ０に達するまでの時間よりも短い時間に設定されているため、過電流の発生時には過電流判定時間Ｔ１に亘ってしきい値（基準電流値ｉ０）を超える値の電流を検出できる。これにより、ＦＥＴの発熱に伴う抵抗値変化の影響を受けることなく過電流の検知が可能であり、ＦＥＴをはじめとする負荷駆動装置の過電流による破壊を防止することができる。
【選択図】図２

Description

この発明は、電源から負荷への通電をスイッチングする半導体スイッチ等の回路素子を過電流から保護する過電流保護機能を有する負荷駆動装置に関する。

従来、直流電源から負荷への通電経路上に設けられたスイッチング素子をオンオフ制御することにより、モータ、ランプ等の負荷を駆動制御する負荷駆動装置が知られている。負荷駆動装置は、自動車分野をはじめ各種技術分野で用いられている。

このような負荷駆動装置において、負荷は、例えばほこり、湿気等が原因で、負荷が短絡することがある。この場合、負荷の内部抵抗値は極端に小さくなり、スイッチング素子には定常電流値よりも大きい値の電流、すなわち過電流が流れる。この過電流により、あるいはこの過電流による発熱により、スイッチング素子が破壊するおそれがある。

そこで、特許文献１に示されるように、過電流発生時にこれを検出してスイッチング素子をオフすることにより同素子を過電流あるいは熱による破壊から保護する過電流保護機能を有する負荷駆動装置が従来提案されている。この負荷駆動装置の制御回路は直流電源から負荷への通電経路に設けられた電流検出回路を通じて、負荷に供給される電流を常時検出する。制御回路は、予め設定されているしきい値以上の電流が所定の検知時間に亘って検出された場合には、過電流が発生していると判定して、スイッチング素子をオフにする制御を行う。これにより、過電流等によるスイッチング素子等の破壊を防止することができる。
特開２００８−６７４８９号公報

ところで、スイッチング素子は、発熱による温度上昇に伴い抵抗値（オン抵抗値）が増大する特性を有している。従って、過電流発生時に検出される電流値は、時間の経過とともに減少する。このため、所定の検知時間が経過する前に過電流はしきい値未満の値となり、過電流が発生しているにも関わらず、定常電流であると誤判定されるおそれがあった。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、過電流を確実に検知して過電流保護機能を動作させることができる負荷駆動装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
請求項１に記載の発明は、電源から負荷への通電経路に設けられた半導体スイッチのオンオフ制御を通じて負荷を制御する制御回路と、前記通電経路に流れる電流を検出する電流検出手段と、を備え、前記制御回路は、予め設定されたしきい値を超える値の電流が前記電流検出手段により予め設定された検知時間に亘って検出された場合には、過電流が発生していると判断して前記半導体スイッチをオフ動作させる過電流保護機能を有する負荷駆動装置において、前記しきい値を超える値の電流が検出されてから、同電流による発熱に起因する前記半導体スイッチの抵抗値の増大に伴い減少する前記電流の値が前記しきい値に達するまでの時間よりも短い時間に前記検知時間を設定したことをその要旨としている。

過電流発生時に半導体スイッチは発熱し、温度上昇に伴い半導体スイッチの抵抗値が増大する。この抵抗値が増加するのに伴い過電流の値は減少する。本発明では、この点を考慮して検知時間を設定している。すなわち、検知時間は、電流検出手段により、しきい値を超える値の電流が検出されてから電流値がしきい値に達するまでの時間よりも短い時間に設定されているため、過電流の発生時には検知時間に亘ってしきい値を超える値の電流を検出できる。これにより、半導体スイッチの発熱に伴う抵抗値変化の影響を受けることなく過電流の検知が可能であり、半導体スイッチをはじめとする負荷駆動装置の過電流による破壊を防止することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の負荷駆動装置において、前記負荷は、その始動時において、前記半導体スイッチのオン動作を通じて動作電力が供給されたときに、前記しきい値よりも大きな値の突入電流を前記通電経路に一時的に生じさせるものを採用し、前記検知時間は、前記突入電流が発生してから同突入電流の値が前記しきい値未満の値となるまでの時間よりも長い時間に設定したことをその要旨としている。

電気的な負荷においては、電源投入時に定常電流と比較して大きな電流、すなわち突入電流が発生するものがある。そして、本発明によるように、電気的な負荷として、その始動時に一時的に生じる突入電流の値が前記しきい値を超えるものを採用した場合には、この突入電流が過電流として誤検出されるおそれがある。本発明では、検知時間はこの突入電流が発生してから同電流の値がしきい値未満となるまでの時間よりも長く設定される。これにより、突入電流を過電流であると誤検知することを防止できる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の負荷駆動装置において、前記半導体スイッチとして４つのＦＥＴを備え、これらＦＥＴは、第１のＦＥＴ及び第２のＦＥＴの直列回路と、第３のＦＥＴ及び第４のＦＥＴの直列回路とが並列に接続されてなるＨブリッジ回路を構成し、第１のＦＥＴ及び第２のＦＥＴの接続点と、第３のＦＥＴ及び第４のＦＥＴの接続点との間に前記負荷が設けられ、前記直列回路における前記接続点よりも電源側あるいはグランド側にそれぞれ電流検出手段を設けたことをその要旨としている。

同構成によれば、各ＦＥＴのオンオフ制御を通じて負荷へ供給される電流の方向を反転させることができる。例えば、両直列回路の第１及び第３のＦＥＴを電源側、第２及び第４のＦＥＴをグランド側とした場合、第１のＦＥＴ及び第４のＦＥＴがオンで、第２のＦＥＴ及び第３のＦＥＴがオフのときには、第１のＦＥＴ、負荷、第４のＦＥＴの順に電流が流れる。また、第１のＦＥＴ及び第４のＦＥＴがオフで、第２のＦＥＴ及び第３のＦＥＴがオンのときには、第３のＦＥＴ、負荷、第２のＦＥＴの順に流れる。このため負荷として正転及び逆転するモータ等を採用することができる。また、この場合であれ両直列回路に電流検出手段が設けられることにより、モータの正転及び逆転時、いずれの場合にも過電流を検知して、負荷駆動装置を構成するＦＥＴ等の回路素子を保護することができる。

本発明によれば、過電流保護機能を有する負荷駆動装置において、過電流を確実に検知することができる。

以下、本発明を車両に設けられるモータの負荷駆動装置に適用した一実施形態を図１〜図３を参照しつつ説明する。
図１に示すように、負荷駆動装置５は、第１のＦＥＴ１と第２のＦＥＴ２とからなる直列回路、及び第３のＦＥＴ３と第４のＦＥＴ４とからなる直列回路が直流電源ＶｃｃとグランドＧＮＤとの間に接続されてなるＨブリッジ回路を備えている。また、第１のＦＥＴ１と第２のＦＥＴ２との接続点、及び第３のＦＥＴ３と第４のＦＥＴ４との接続点との間には、モータ１０が接続されている。また、第１のＦＥＴ１〜第４のＦＥＴ４のゲート端子は、それぞれ制御回路３０に接続されている。

さらに、第２のＦＥＴ２とモータ１０との間には電流検出用の抵抗Ｒ１が設けられ、その抵抗Ｒ１の両端部は制御回路３０に接続されている。また、同様に第４のＦＥＴ４とモータ１０との間には電流検出用の抵抗Ｒ２が設けられ、その抵抗Ｒ２の両端部は制御回路３０に接続されている。制御回路３０は外部からの指令に基づき、モータ１０を正転又は逆転させるべく、各ＦＥＴのスイッチングを制御する。また、制御回路３０は抵抗Ｒ１，Ｒ２の両端電圧を検出し、この検出される電圧値に基づき前記Ｈブリッジ回路に流れる電流値を算出する。なお、この負荷駆動装置５は、単一のＩＣチップに集積化してもよいし、基板上に各素子を設けるようにしてもよい。

制御回路３０には、不発揮性のメモリ３０ａが設けられ、このメモリ３０ａには検出される電流レベルが過電流レベルか否かの判定基準となるしきい値（基準電流値ｉ０）が記憶されている。また、制御回路３０にはタイマ３０ｂが設けられている。タイマ３０ｂは検出電流値が前記しきい値を超えているときに始動され、予め設定された過電流判定時間（検知時間）Ｔ１だけ経過するとカウントアップする。制御回路３０は検出される電流値と前記しきい値を比較し、同しきい値を超える電流が過電流判定時間Ｔ１だけ継続して検出された場合に、過電流が発生している旨判定する。制御回路３０は、過電流が発生している旨判定したとき過電流保護動作を行う。

なお、過電流判定時間Ｔ１は、ＦＥＴの発熱に伴うオン抵抗の変化による過電流の値の変動を考慮して設定されている。くわしくは、過電流判定時間Ｔ１は、過電流が発生したとき、その値がＦＥＴのオン抵抗の増大に伴い減少して基準電流値ｉ０に達するまでの時間よりも短い時間に設定されている。また、過電流判定時間Ｔ１は、モータ１０の始動時に一時的に生ずる突入電流をも考慮して設定されている。くわしくは、過電流判定時間Ｔ１は、前記しきい値を超える突入電流が発生してから同電流値が前記しきい値未満となる時間よりも長く設定されている。また、しきい値（基準電流値ｉ０）は、定常電流範囲１５の値の電流を検知しない程度に大きく、かつ過電流を過電流判定時間Ｔ１に亘って検出できる程度に小さく設定する。さらに、基準電流値ｉ０の値は、ＦＥＴの規格等に基づいて、そのＦＥＴに流しても安定的な動作ができる程度の電流値に設定する必要がある。

次に、以上のように構成された負荷駆動装置５の動作について説明する。まず、モータ１０を正転駆動させるときには、制御回路３０は第２のＦＥＴ２及び第３のＦＥＴ３のゲート端子に電圧を印加することによりこれらをオン（導電状態）させるとともに、第１のＦＥＴ１及び第４のＦＥＴ４をオフ（非導電状態）とする。これにより、電流は第３のＦＥＴ３、モータ１０、第２のＦＥＴ２の順番の正転方向２１に沿って流れ、モータ１０は正転駆動する。

一方、モータ１０を逆転駆動させるときには、制御回路３０は第１のＦＥＴ１及び第４のＦＥＴ４をオンさせるとともに、第２のＦＥＴ２及び第３のＦＥＴ３をオフとする。これにより、電流は第１のＦＥＴ１、モータ１０、第４のＦＥＴ４の順番の逆転方向２２に流れ、モータ１０は逆転駆動する。

このモータ１０の駆動中、制御回路３０は常時、過電流発生の有無を検出している。具体的には、制御回路３０は、検出された電流値と、メモリ３０ａに予め記憶されているしきい値（基準電流値ｉ０）との比較を行う。図２に示すように、通常時の電流値は、しきい値（基準電流値ｉ０）未満の値で推移する。直流電流の電圧変動に起因して、しきい値を超えることもあるところ、過電流判定時間Ｔ１に亘って、しきい値（基準電流値ｉ０）以上の電流値となることはない。このように通常時には、過電流判定時間Ｔ１に亘って、検出された電流値が基準電流値ｉ０を超えることはなく、制御回路３０は、過電流が発生していないと判断する。制御回路３０は各ＦＥＴのスイッチング、すなわちモータ１０の駆動制御を継続する。

ところで、前述したようにモータ１０の始動時、例えば、正転駆動に際して、第３のＦＥＴ３及び第２のＦＥＴ２をオンとしたとき、図３に示すように、モータ１０には一時的に、しきい値を超える大きな電流、すなわち突入電流が流れる。この突入電流は、徐々にその電流値を減少させて、突入電流時間Ｔ１０経過後には基準電流値ｉ０未満の値となる。そして、さらに時間が経過すると、電流値は定常電流範囲１５に至り、以後この定常状態が継続する。この突入電流は、逆転駆動の際にも同様に発生する。このため、この突入電流が過電流として誤検出されることが懸念される。しかし、この点、前述したように、過電流判定時間Ｔ１は前記しきい値を超える突入電流が発生してから同電流値が前記しきい値未満となる時間（突入電流時間Ｔ１０）よりも長く設定されているので、これを過電流として誤検出することはない。

ここで、モータ１０内部にほこり、湿気が入り込むこと等に起因して、その内部の配線（図示しない）が、電源ラインあるいはグランドラインに短絡することがある。この場合、例えば正転駆動時には、正転方向２１に定常電流値（基準電流値ｉ０）を大きく超える電流、すなわち過電流が流れる。過電流発生によりＦＥＴは発熱する。この発熱による温度上昇に伴い、ＦＥＴがオンとなったときに生じるオン抵抗値は大きくなって、図２に示される安定時間Ｔ２以降は一定値となる。このような性質を有するＦＥＴのオン抵抗値の変化により、抵抗Ｒ１，Ｒ２の両端電圧に基づき検出される過電流の値は、図２に示すように、徐々に小さくなる。そして、安定時間Ｔ２以降の過電流の値は一定値となる。制御回路３０は、図２に示すように、基準電流値ｉ０以上の値の電流が過電流判定時間Ｔ１に亘って検出されたとき、過電流が発生していると判定する。前述したように、過電流判定時間Ｔ１は、オン抵抗の変化による過電流の値の変動をも考慮して設定されている。すなわち、過電流判定時間Ｔ１は、過電流が発生したとき、その値がＦＥＴのオン抵抗の増大に伴い減少して基準電流値ｉ０に達するまでの時間よりも短い時間であって、かつ、前記しきい値を超える突入電流が発生してから同電流値が前記しきい値未満となる突入電流時間Ｔ１０よりも長く設定されている。このため、過電流が発生したときにはこれが確実に検知される。そして、制御回路３０は過電流保護動作として第３のＦＥＴ３をオフとする。この結果、モータ１０、第１のＦＥＴ１及び第２のＦＥＴ２等に過電流は流れなくなる。これにより、ＦＥＴ等の回路素子、ひいては、負荷駆動装置５の過電流による破壊を防止できる。なお、逆転駆動時においても、同様に、第１のＦＥＴ１をオフとすることにより、過電流から負荷駆動装置５が保護される。

以上、説明した実施形態によれば、以下の作用効果を奏することができる。
（１）正転駆動時において、過電流が発生した場合には第３のＦＥＴ３、モータ１０、第２のＦＥＴ２の順に過電流が流れる。この過電流により第２のＦＥＴ２及び第３のＦＥＴ３は発熱し、温度上昇に伴い第２のＦＥＴ２及び第３のＦＥＴ３の抵抗値が増大する。この抵抗値が増加するのに伴い過電流の値は減少する。本実施の形態では、この点を考慮して過電流判定時間Ｔ１を設定している。すなわち、過電流判定時間Ｔ１は過電流の値が基準電流値ｉ０に達するまでの時間よりも短い時間に設定されているため、過電流の発生時には過電流判定時間Ｔ１に亘ってしきい値（基準電流値ｉ０）を超える値の電流を検出できる。これにより、ＦＥＴの発熱に伴う抵抗値変化の影響を受けることなく過電流の検知が可能であり、ＦＥＴをはじめとする負荷駆動装置の過電流による破壊を防止することができる。

（２）正転駆動時には、第３のＦＥＴ３及び第２のＦＥＴ２をオンとする。このとき、モータ１０には一時的に、しきい値を超える大きな電流、すなわち突入電流が流れる。この突入電流は、徐々にその電流値を減少させて、突入電流時間Ｔ１０経過後には基準電流値ｉ０未満となる。過電流判定時間Ｔ１はこの突入電流が発生してから同電流の値がしきい値である基準電流値ｉ０未満となるまでの時間よりも長く設定される。これにより、突入電流を過電流であると誤検知することを防止できる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・上記構成においては、負荷はモータ１０としたが、モータ１０に限らず、例えば、アンプ、ランプ等に変更可能である。この場合、負荷への通電をスイッチングする半導体スイッチング回路も負荷の種類に応じて適宜変更する。

・上記構成においては、半導体スイッチとしてＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）を採用したが、半導体スイッチとして機能するものであれば、これに限らず、例えば、バイポーラトランジスタ等を採用してもよい。

・上記構成においては、モータの正転駆動を行うために、４つのＦＥＴからなるＨ型ブリッジ回路を採用した。しかし、モータの正転又は逆転駆動のみを行うのであれば、半導体スイッチ回路として２つのＦＥＴからなるハーフブリッジ回路あるいはサイリスタ等を採用してもよい。また、負荷として、ランプ等を採用する場合には、電源から負荷への通電経路に単一のＦＥＴ又はサイリスタを設けるのみでもよい。

・上記構成においては、電流検出手段として抵抗Ｒ１，Ｒ２の両端電圧に基づき電流を検出する構成を採用した。しかし、電流検出手段はこれに限らず、例えばコンパレータを用いてもよい。この場合には、コンパレータは、入力電流と基準電流値ｉ０とを比較して、基準電流値ｉ０が入力電流を超えた場合には、制御回路３０に対してその旨の信号を出力する。制御回路３０はその信号に応じて、過電流が発生している否かを判定し、ＦＥＴのゲート端子に信号（電圧）を出力したり、出力しなかったりする。

本実施形態における負荷駆動装置の回路図。 本実施形態における過電流のしきい値及び過電流判定時間を示したグラフ。 本実施形態における突入電流の経時的な変化を示したグラフ。

符号の説明

１〜４…第１〜第４のＦＥＴ、１０…モータ、３０…制御回路、３０ａ…メモリ、３０ｂ…タイマ。

Claims (3)

1. 電源から負荷への通電経路に設けられた半導体スイッチのオンオフ制御を通じて負荷を制御する制御回路と、
   前記通電経路に流れる電流を検出する電流検出手段と、を備え、
   前記制御回路は、予め設定されたしきい値を超える値の電流が前記電流検出手段により予め設定された検知時間に亘って検出された場合には、過電流が発生していると判断して前記半導体スイッチをオフ動作させる過電流保護機能を有する負荷駆動装置において、
   前記しきい値を超える値の電流が検出されてから、同電流による発熱に起因する前記半導体スイッチの抵抗値の増大に伴い減少する前記電流の値が前記しきい値に達するまでの時間よりも短い時間に前記検知時間を設定した負荷駆動装置。
2. 請求項１に記載の負荷駆動装置において、
   前記負荷は、その始動時において、前記半導体スイッチのオン動作を通じて動作電力が供給されたときに、前記しきい値よりも大きな値の突入電流を前記通電経路に一時的に生じさせるものを採用し、
   前記検知時間は、前記突入電流が発生してから同突入電流の値が前記しきい値未満の値となるまでの時間よりも長い時間に設定した負荷駆動装置。
3. 請求項１又は２に記載の負荷駆動装置において、
   前記半導体スイッチとして４つのＦＥＴを備え、これらＦＥＴは、第１のＦＥＴ及び第２のＦＥＴの直列回路と、第３のＦＥＴ及び第４のＦＥＴの直列回路とが並列に接続されてなるＨブリッジ回路を構成し、第１のＦＥＴ及び第２のＦＥＴの接続点と、第３のＦＥＴ及び第４のＦＥＴの接続点との間に前記負荷が設けられ、前記直列回路における前記接続点よりも電源側あるいはグランド側にそれぞれ電流検出手段を設けた負荷駆動装置。

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