JP3632385B2

JP3632385B2 - 誘導性負荷の駆動回路

Info

Publication number: JP3632385B2
Application number: JP20473797A
Authority: JP
Inventors: 浩之川端; 真一前田; 初男岡田; 栄次加藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-07-30
Filing date: 1997-07-30
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2017-07-30
Also published as: JPH1155937A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電源から電源供給を受けて誘導性負荷を駆動する誘導性負荷の駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来より、電磁弁等の誘導性負荷を駆動する駆動回路には、通常、直流電源から誘導性負荷への電源供給系路を導通・遮断するスイッチング素子とは別に、誘導性負荷への通電を遮断した際に誘導性負荷に発生する逆起電力からスイッチング素子を保護するために、誘導性負荷からスイッチング素子に加わる電圧を、スイッチング素子の耐圧よりも小さい所定のクランプ電圧以下にクランプするクランプ回路が設けられている。
【０００３】
また、このクランプ回路としては、スイッチング素子と誘導性負荷との接続点と、グランド（又は電源）ラインとの間に、パワーツェナーダイオード或いはコンデンサと抵抗との並列回路からなるＣＲ回路を設け、上記逆起電力が発生した際には、パワーツェナーダイオード或いはＣＲ回路に電流を流し、誘導性負荷からスイッチング素子に加わる高電圧を所定のクランプ電圧以下にクランプするよう構成されたものや、スイッチング素子と誘導性負荷との接続点と、スイッチング素子の制御入力端子（スイッチング素子がバイポーラトランジスタであればベース，ＦＥＴであればゲート）との間にツェナーダイオードを設け、上記逆起電力が発生した際には、ツェナーダイオードによりその両端の電圧を所定のクランプ電圧にクランプすると同時に、ツェナーダイオードに流れる電流によりスイッチング素子を動作させ、誘導性負荷に蓄積されたエネルギをスイッチング素子を介して放出するように構成したもの、等が知られている。
【０００４】
そして、このうち、ツェナーダイオードとスイッチング素子とを利用する後者のクランプ回路は、電圧クランプ時にスイッチング素子を介して電流を流すため、クランプ回路として使用するツェナーダイオードの電流容量を小さくでき、比較的安価に実現できる。
【０００５】
ところで、この種のクランプ回路を備えた駆動回路では、クランプ電圧を大きく設定すれば、逆起電力発生後にスイッチング素子に流れる電流を速やかに減衰させることができ、誘導性負荷駆動時の応答性を向上できるものの、急峻な電流変化によってラジオノイズが発生するといった問題があった。
【０００６】
以下、この問題について、具体的回路を用いて説明する。
まず、図３は、従来の駆動回路１００の一例を表す。
図３に示すように、この駆動回路１００は、スイッチング素子としてＮＰＮ型のバイポーラトランジスタ（以下、単にトランジスタという）３を備え、トランジスタ３の制御入力端子であるベースＢ１に駆動信号発生回路５を接続し、トランジスタ３のコレクタＣ１に誘導性負荷７を接続し、トランジスタ３のエミッタＥ１をグランドラインに接地し、更に、誘導性負荷７のトランジスタ３とは反対側に正の電源電圧＋Ｂが印加された電源ラインを接続することにより、駆動信号発生回路５からＨｉｇｈレベルの駆動信号を出力した際に、トランジスタ３がオンして、誘導性負荷７に電流が流れるように構成されている。そして、トランジスタ３のベースＢ１−コレクタＣ１間には、ベースＢ１側をアノードとしてツェナーダイオード１０１が設けられている。
【０００７】
このように構成された駆動回路１００においては、図４（ａ）に示すように、トランジスタ３がオン状態で、誘導性負荷７が通電されているときに、駆動信号発生回路５からの駆動信号の出力が停止（出力オープン）されると、トランジスタ３がオフして誘導性負荷７への通電が遮断され、誘導性負荷７に逆起電力が発生するため、トランジスタ３との接続点の電圧（コレクタ電圧Ｖｃ）は急峻に立上がる。しかし、トランジスタ３のコレクタＣ１−ベースＢ１間には、ツェナーダイオード１０１が設けられているため、コレクタ電圧Ｖｃは、ツェナーダイオード１０１の降伏電圧でクランプされる。従って、トランジスタ３の耐圧が１００Ｖであるとき、ツェナーダイオード１０１の降伏電圧を７０Ｖというように、ツェナーダイオード１０１の降伏電圧をトランジスタ３の耐圧よりも低い電圧値に設定しておけば、誘導性負荷７の通電遮断時に発生した逆起電力からトランジスタ３を保護することができる。
【０００８】
また、このようにツェナーダイオード１０１によりコレクタ電圧Ｖｃがクランプされると、誘導性負荷７からツェナーダイオード１０１を介してトランジスタ３のベースＢ１に電流が流れ込むことから、トランジスタ３には、そのベース電流に応じたコレクタ電流Ｉｃが流れ、誘導性負荷７に蓄積されたエネルギは速やかに放出される。そして、このエネルギの放出により、コレクタ電圧Ｖｃがクランプ電圧よりも低くなると、ツェナーダイオード１０１（延いてはトランジスタ３のベース）には電流が流れなくなり、誘導性負荷７側から流れ込むコレクタ電流Ｉｃも遮断される。
【０００９】
ところで、このような駆動回路１０１では、クランプ電圧（つまりツェナーダイオード１０１の降伏電圧）を低く設定すると、誘導性負荷７からトランジスタ３に流れる電流変化が穏やかになり、また、誘導性負荷７に蓄積されたエネルギを誘導性負荷の動作（例えば電磁弁の開閉）に影響を受けない領域にまで充分放出できているにもわらず、トランジスタ３に電流が流れ続けてしまうことから、トランジスタ３が完全にオフするのに時間がかかるといった問題がある。
【００１０】
このため、この種の駆動回路１０１（特に、ディーゼル機関に燃料を噴射供給する燃料噴射ポンプのスピル弁（電磁弁）等、高応答性が要求される誘導性負荷の駆動回路）では、クランプ電圧を、トランジスタ３の耐圧よりも低い電圧範囲内で、できるだけ大きな電圧値に設定することにより、誘導性負荷７の通電遮断後にトランジスタ３に流れる電流をより短時間で減衰させて、トランジスタ３が完全に動作を停止するまでの時間を短くし、駆動回路の応答性を確保するようにしている。
【００１１】
しかし、このように駆動回路の応答性を向上するために、クランプ電圧を高く設定すると、誘導性負荷に発生した逆起電力がクランプ電圧に達した直後に、コレクタ電流Ｉｃが減少方向に急変することから、その電流変化によって、高周波のラジオノイズが発生するといった問題があった。そして、ラジオノイズが発生すると、周囲の電子装置の動作に影響を与えることから、例えば、燃料噴射ポンプのスピル弁を駆動する駆動回路のように、各種電子装置を搭載した自動車用の駆動回路として使用するような場合には、このラジオノイズが他の電子装置に影響を与えることのないよう、駆動回路をシールドする等、他の対策が必要となる。
【００１２】
一方、駆動回路の応答性を確保しつつラジオノイズを低減する技術として、図３に点線で示すように、電圧クランプ用のツェナーダイオード１０１に対して並列にコンデンサ１０３を設け、誘導性負荷７の通電遮断により逆起電力が発生した場合には、その逆起電力にてコンデンサ１０３をツェナーダイオード１０１の降伏電圧まで充電させることで、誘導性負荷７の通電を遮断した直後のコレクタ電流Ｉｃの急峻な変化を抑えることが考えられる。
【００１３】
しかし、このような対策では、ラジオノイズを低減することはできるものの、図４（ｂ）に示すように、誘導性負荷７の通電遮断後、コレクタ電流Ｉｃが減衰し始めるまでに遅れ時間が発生するため、高応答性を要求される誘導性負荷の駆動回路としては、良好な駆動特性が得られないといった問題があった。
【００１４】
また、この回路では、コンデンサ１０３をトランジスタのコレクタＣ１−ベースＢ１間に直接接続することになるので、トランジスタ３とコンデンサ１０３との組み合わせによっては、発振する可能性もあった。
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、誘導性負荷への通電遮断時に発生した高電圧を誘導性負荷の通電経路を導通・遮断するスイッチング素子を介して放電させるクランプ回路を備えた誘導性負荷の駆動回路において、駆動回路の応答性を確保し、且つラジオノイズの発生を抑制する。
【００１５】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の誘導性負荷の駆動回路においては、スイッチング素子と誘導性負荷との接続点と、スイッチング素子の制御入力端子との間に設けられる電圧クランプ手段が、複数のツェナーダイオードの直列回路にて構成され、しかも、その複数のツェナーダイオードの一部には、コンデンサが並列接続される。
【００１６】
このため、本発明の駆動回路においては、制御入力端子に入力される駆動信号の変化に伴いスイッチング素子がオン状態からオフ状態に変化し、誘導性負荷への通電が遮断されて誘導性負荷に逆起電力が発生すると、スイッチング素子と誘導性負荷との接続点電圧は、まず、コンデンサが並列接続されていないツェナーダイオードの降伏電圧の和で決定される所定電圧まで急峻に立上がり、その後は、残りのツェナーダイオードに接続されたコンデンサが充電されるに従い、全ツェナーダイオードの降伏電圧の和である所定クランプ電圧まで除々に増加する。
【００１７】
この結果、本発明によれば、誘導性負荷への通電遮断後、コンデンサへの充電が完了して上記接続点電圧がクランプ電圧に達するまでの間、スイッチング素子の電流変化が抑制され、コンデンサを設けていない駆動回路に比べて、その電流の減衰が遅れるものの、その遅れ時間は、電圧クランプ手段全体にコンデンサを並列接続した場合に比べて短くなる。
【００１８】
そして、この遅れ時間は、コンデンサの容量が一定であるとすれば、コンデンサが並列接続されたツェナーダイオードの降伏電圧に応じて変化し、降伏電圧が小さいほど短くなるので、コンデンサに並列接続されるツェナーダイオードの降伏電圧の和と、コンデンサに並列接続されないツェナーダイオードの降伏電圧の和との割合を変えることで、上記遅れ時間を短くして駆動回路の応答性を重視した構成にもできるし、上記遅れ時間を長くしてラジオノイズの低減を重視した構成にすることもできる。
【００１９】
つまり、本発明によれば、誘導性負荷の駆動に要求される応答性及び周囲環境に応じて、コンデンサが並列接続されるツェナーダイオードと他のツェナーダイオードとの降伏電圧の割合を適宜設定することにより、駆動回路の応答性と駆動回路から発生するラジオノイズとを最適に設定することができる。
【００２０】
そして、特に通電・非通電を高速に切り換える必要がある誘導性負荷を駆動する場合には、駆動回路の応答性が要求されることから、請求項２に記載のように、コンデンサが並列接続されないツェナーダイオードの降伏電圧の和が、コンデンサが並列接続されたツェナーダイオードの降伏電圧の和よりも大きくなるように、各ツェナーダイオードの降伏電圧を設定すればよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を図面と共に説明する。
図１は、本発明が適用された実施例の駆動回路１の構成を表す電気回路図である。本実施例の駆動回路１は、ディーゼル機関に燃料を噴射供給する燃料噴射ポンプにおいて燃料の噴射終了タイミングを決定するのに使用されるスピル弁（電磁弁）を駆動するためのものであり、図３に示した従来の駆動回路１００と同様、スピル弁のソレノイドである誘導性負荷７の通電経路に設けられたＮＰＮ型のバイポーラトランジスタ３を備える。そして、このトランジスタ３のコレクタＣ１は誘導性負荷７を介して電源ライン（＋Ｂ）に接続され、エミッタＥ１は接地され、ベースＢ１は、駆動信号発生回路５に接続されている。
【００２２】
そして、図３に示した従来の駆動回路１００と異なる点は、トランジスタ３のコレクタＣ１とベースＢ１との間に、アノードをベースＢ１側，カソードをコレクタＣ１側にして、互いに直列接続された２つのツェナーダイオード９，１１を設け、更に、一方のツェナーダイオード１１に対して、コンデンサ１３を並列した点である。
【００２３】
尚、本実施例では、トランジスタ３の耐圧「１００Ｖ」に対して、ツェナーダイオード９，１１の降伏電圧を夫々同一の電圧「３５Ｖ」に設定することにより、これら２つのツェナーダイオード９，１１にてクランプされるベースＢ１−コレクタＣ１間のクランプ電圧が「７０Ｖ」となるようにされている。
【００２４】
このように構成された本実施例の駆動回路１においては、図２に示すように、トランジスタ３がオン状態で、誘導性負荷７が通電されているときに、駆動信号発生回路５からの駆動信号の出力が停止（出力オープン）され、誘導性負荷７への通電が遮断されると、誘導性負荷７に逆起電力が発生して、コレクタ電圧Ｖｃが急峻に立ち上がるが、トランジスタ３のベースＢ１−コレクタＣ１間に設けられた２つのツェナーダイオード９，１１の一方には、コンデンサ１３が並列接続されているため、そのときのコレクタ電圧Ｖｃは、コンデンサ１３が接続されていないツェナーダイオード９の降伏電圧Ｖｔ（３５Ｖ）となる。そして、その後、コレクタ電圧Ｖｃは、コンデンサ１３が充電されるに連れて除々に増加し、最終的には、２つのツェナーダイオード９，１１の降伏電圧の和の電圧（７０Ｖ）にクランプされる。
【００２５】
このため、本実施例の駆動回路１においては、誘導性負荷７への通電遮断後、コンデンサ１３への充電が完了して、コレクタ電圧Ｖｃがクランプ電圧（７０Ｖ）に達するまでの間、コレクタ電流Ｉｃは大きく減衰しないことから、コンデンサ１３を設けていない図３に示した駆動回路１００に比べて、その電流の減衰が遅れ、駆動回路１の応答性は低下するものの、急峻な電流変化によって生じるラジオノイズを低減できる。また逆に、その電流変化の遅れ時間は、ラジオノイズ低減のために、トランジスタ３のベースＢ１−コレクタＣ１間にツェナーダイオードとコンデンサとを接続した場合に比べて、短くなることから、この回路に対しては応答性を向上できる。従って、本実施例の駆動回路１によれば、駆動回路の応答性を確保しつつラジオノイズを低減できる。
【００２６】
以上に本発明の実施例を説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、さらに種々なる態様にて実施してもよいことは勿論である。
例えば、上記実施例の駆動回路１では、コンデンサ１３が並列接続されるツェナーダイオード１１と並列接続されないツェナーダイオード９との降伏電圧を同一にするものとして説明したが、これらの降伏電圧の割合を変えて、例えば、コンデンサ１３が並列接続されるツェナーダイオード１１の降伏電圧を他のツェナーダイオード９の降伏電圧よりも小さくすれば、駆動回路の高応答性を重視した回路構成にすることができるし、逆に、コンデンサ１３が並列接続されるツェナーダイオード１１の降伏電圧を他のツェナーダイオード９の降伏電圧よりも大きくすれば、ラジオノイズの発生防止を重視した回路構成にすることができるため、各ツェナーダイオード９，１１の降伏電圧については、使用条件に応じて適宜設定すればよい。
【００２７】
また、上記実施例では、スイッチング素子となるトランジスタ３を、誘導性負荷７よりも低電位側にローサイドスイッチとして設けた駆動回路１について説明したが、本発明は、例えば、図１（ｂ）に示すように、スイッチング素子として、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタ２３を使用し、これをハイサイドスイッチとして、誘導性負荷７よりも高電位側に設けた駆動回路２０であっても適用できる。
【００２８】
つまり、この駆動回路２０では、トランジスタ２３のエミッタＥ２が電源ライン（＋Ｂ）に接続され、コレクタＣ２が誘導性負荷７を介して接地され、ベースＢ２が駆動信号発生回路５′に接続されるが、このようにトランジスタ２３を誘導性負荷７に対してハイサイドスイッチとして設けた場合には、誘導性負荷７に接続されるトランジスタ２３のコレクタＣ２と、トランジスタ２３の制御入力端子であるベースＢ２との間に、ツェナーダイオード９，１１の直列回路を、各ツェナーダイオード９，１１のアノードをコレクタＣ２側にして接続し、その一方のツェナーダイオード（図ではツェナーダイオード１１）にコンデンサ１３を並列接続すれば、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
尚、この駆動回路２０では、スイッチング素子にＰＮＰ型のバイポーラトランジスタ２３が使用されることから、誘導性負荷７の通電時には、駆動信号発生回路５′からＬｏｗレベルの信号が出力され、誘導性負荷７の通電遮断時には、その出力が停止（出力オープン）される。
【００３０】
また、図１（ａ），（ｂ）に示した駆動回路１，２０では、スイッチング素子としてバイポーラトランジスタを用いるようにしたが、スイッチング素子としては、バイポーラトランジスタに限ることはなく、例えば、ＭＯＳ型のＦＥＴ（電解効果トランジスタ）等、従来より誘導性負荷駆動用のスイッチング素子として使用されているものであれば使用できる。
【００３１】
また、図１（ａ），（ｂ）に示した駆動回路１，２０では、電圧クランプ手段として、２つのツェナーダイオードの直列回路を使用するものとしたが、電圧クランプ手段としては、特に２つのツェナーダイオードで構成する必要はなく、３個或いはそれ以上のツェナーダイオードを用いて構成しても良い。
【００３２】
また、上記実施例では、燃料噴射ポンプのスピル弁を駆動するものとして説明したが、誘導性負荷７としては、例えば、ソレノイドへの通電により対象物を変位させるアクチュエータ等、スピル弁等の電磁弁以外のものであっても本発明の駆動回路を適用できるのはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は実施例の駆動回路１を示す回路図、（ｂ）は変形例の駆動回路２０を示す回路図である。
【図２】実施例の駆動回路１において誘導性負荷への通電を遮断したときのコレクタ電圧Ｖｃ及びコレクタ電流Ｉｃの変化を表すタイムチャートである。
【図３】従来の駆動回路１００を示す回路図である。
【図４】従来の駆動回路１００において誘導性負荷への通電を遮断したときのコレクタ電圧Ｖｃ及びコレクタ電流Ｉｃの変化を表すタイムチャートである。
【符号の説明】
１…駆動回路３…トランジスタ５…駆動信号発生回路、
７…誘導性負荷９…ツェナーダイオード１１…ツェナーダイオード
１３…コンデンサ２０…駆動回路２３…トランジスタ

Claims

直流電源から誘導性負荷への電源供給経路に設けられ、該電源供給系路を、制御入力端子に入力される駆動信号に応じて導通・遮断するスイッチング素子と、
該スイッチング素子と前記誘導性負荷との接続点と、前記スイッチング素子の制御入力端子との間に設けられ、前記スイッチング素子が前記駆動信号によりオン状態からオフ状態に変化した際、前記誘導性負荷に発生する逆起電力により前記スイッチング素子に電流を流し、前記接続点と前記制御入力端子との間に発生する電圧を、前記スイッチング素子の耐圧よりも小さい所定のクランプ電圧にクランプする電圧クランプ手段と、
を備えた誘導性負荷の駆動回路において、
前記電圧クランプ手段を、複数のツェナーダイオードの直列回路にて構成すると共に、該複数のツェナーダイオードの一部にコンデンサを並列接続したことを特徴とする誘導性負荷の駆動回路。
前記コンデンサが並列接続されないツェナーダイオードの降伏電圧の和が、前記コンデンサが並列接続されたツェナーダイオードの降伏電圧の和よりも大きくなるように、前記各ツェナーダイオードの降伏電圧を設定したことを特徴とする請求項１に記載の誘導性負荷の駆動回路。