JP5375730B2

JP5375730B2 - 電源回路

Info

Publication number: JP5375730B2
Application number: JP2010094637A
Authority: JP
Inventors: 典尚榊原; 靖弘小池
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: JP2011229222A

Description

本発明は、バッテリの電圧が一時的に低下した場合であっても電装部品への必要な電圧の供給を維持する電源回路に関する。

近年、燃料消費量の節減と排ガスの低減を目的として、アイドルストップ車両が実用化されている。アイドルストップ車両は、信号待ち等で車両の停止を検知するとエンジンを自動的に停止し、その後車両の発進動作を検知するとエンジンを自動的に再始動するようにした車両である。

このような車両では、エンジン再始動時において、エンジン始動用のスタータモータに大電流が流れることから、バッテリの電圧が一時的に低下する。また、これに伴って、車両内の電装部品に供給される電圧も一時的に低下する。そのため、電装部品によっては、供給される電圧が動作範囲から外れてしまい、一時的に正常に動作しない虞がある。例えば、カーナビゲーションやオーディオ等においてはリセット等といった運転者の意図せぬ動作が行われてしまったり、オーディオにおいては音飛び等が発生してしまったりする虞がある。そこで、アイドルストップ車両は、バッテリの電圧が一時的に低下した場合であっても電装部品への必要な電圧の供給を維持することができるように、補助電源回路を備えるようにしている。

アイドルストップ車両に備えられる補助電源回路としては、例えば次のようなものがある。
１．コンデンサを設け、これに蓄積させた電荷により、電圧を維持するもの。
２．リレーを設け、これをオン、オフさせることにより、通常時のバイパス（短絡）による電圧供給とエンジン再始動時の昇圧回路による電圧供給とを切り換えるもの（例えば特許文献１参照）。
３．昇圧回路を設け、昇圧回路内のスイッチング素子の制御により、出力電圧を制御するもの（例えば特許文献２参照）。

特開２００５−１１２２５０号公報特開２００５−２３７１４９号公報

しかしながら、上記の補助電源回路には、次のような問題がある。
上記１．の回路の場合は、電気負荷の消費電力によっては大型のコンデンサが必要になり高コスト化の要因となる。また、使用されるコンデンサの容量によって電圧を維持する時間が決められてしまうので、その時間を制御することができない。

上記２．の回路の場合は、リレーが必要となることから、体格の大型化及び高コスト化の要因となる。また、実使用におけるエンジン再始動回数を考慮すると、リレーの寿命が課題となる。

上記３．の回路の場合は、昇圧回路内に設けられる整流用のダイオードに常時電流が流れることになると、そのダイオードでの損失による効率の低下やダイオードの放熱が問題となる。

本発明は、上記実情に鑑み、体格の小型化及び低コスト化が可能であると共に信頼性の高い低損失高効率の電源回路を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る電源回路は、直流電源と、第１のスイッチング素子と、前記直流電源と前記第１のスイッチング素子との間に設けられるインダクタと、前記インダクタと電気負荷との間に設けられる第２のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子に並列接続されるダイオードと、第１乃至３の駆動手段と、前記第２の駆動手段の異常を検出する検出手段と、前記第１及び２の駆動手段を制御して前記第１及び２のスイッチング素子を駆動させることにより、前記直流電源の電圧、又は、前記直流電源の電圧を昇圧した電圧を出力させる制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記検出手段により前記第2の駆動手段の異常が検出された場合には、前記第１及び３の駆動手段を制御して前記第１及び２のスイッチング素子を駆動させることにより、前記直流電源の電圧、又は、前記直流電源の電圧を昇圧した電圧を出力させる。このような構成により、大型のコンデンサやリレーが不要になるので、体格の小型化及び低コスト化が可能な電源回路を提供することができる。また、ダイオードに常時電流が流れることがなくなると共に、第２の駆動手段の異常が検出された場合には第１及び第３の駆動手段を制御して第１及び第２のスイッチング素子を動作させるようにしたので、信頼性の高い低損失高効率の電源回路を提供することができる。

本発明の第２の態様に係る電源回路は、前記第１の態様において、前記制御手段は、前記第１の駆動手段を制御して前記第１のスイッチング素子をオンさせた時に前記第２の駆動手段を制御して前記第２のスイッチング素子をオフさせ、前記第１の駆動手段を制御して前記第１のスイッチング素子をオフさせた時に前記第２の駆動手段を制御して前記第２のスイッチング素子をオンさせることにより、前記直流電源の電圧を昇圧し、前記検出手段により前記第2の駆動手段の異常が検出された場合には、前記第１の駆動手段を制御して前記第１のスイッチング素子をオンさせた時に前記第３の駆動手段を制御して前記第２のスイッチング素子をオフさせ、前記第１の駆動手段を制御して前記第１のスイッチング素子をオフさせた時に前記第３の駆動手段を制御して前記第２のスイッチング素子をオンさせることにより、前記直流電源の電圧を昇圧する。これにより、第２の駆動手段の異常が検出された場合には、第２の駆動手段の代わりに第３の駆動手段を用いて、直流電源の電圧を昇圧することができる。

本発明の第３の態様に係る電源回路は、前記第１又は２の態様において、前記検出手段は、前記第２の駆動手段の出力に基づいて、前記第２の駆動手段の異常を検出する。これにより、第２の駆動手段の異常を、第２の駆動手段の出力に基づいて検出することができる。

本発明の第４の態様に係る電源回路は、前記第１又は２の態様において、前記検出手段は、前記第２のスイッチング素子周辺の温度に基づいて、前記第２の駆動手段の異常を検出する。これにより、第２の駆動手段の異常を、第２のスイッチング素子の周辺温度に基づいて検出することができる。

本発明によれば、体格の小型化及び低コスト化が可能であると共に信頼性の高い低損失高効率の電源回路を実現することができる。

一実施の形態に係る電源回路の構成を示す図である。変形例に係る電源回路の構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
本発明の一実施の形態に係る電源回路は、アイドルストップ車両に搭載される、アイドルストップ用の電源回路である。

図１は、本実施形態に係る電源回路の構成を示す図である。
同図に示したように、本実施形態に係る電源回路は、バッテリ１００と同期整流方式の昇圧回路２００とを含み、バッテリ１００の電圧、又は、この電圧を昇圧回路２００により昇圧した電圧を電気負荷３００へ出力する。ここで、バッテリ１００は、直流電源の一例である。

昇圧回路２００は、コンデンサ２０１、２０２、インダクタ２０３、ＭＯＳＦＥＴ２０４、２０５、ドライブ回路２０６、２０７、２０８、検出回路２０９、及び制御回路２１０を含む。ここで、ＭＯＳＦＥＴ２０４は第１のスイッチング素子の一例であり、ＭＯＳＦＥＴ２０５はダイオードが並列接続された第２のスイッチング素子の一例である。ドライブ回路２０６、２０７、２０８は、第１乃至３の駆動手段の一例である。検出回路２０９は検出手段の一例であり、制御回路２１０は制御手段の一例である。

コンデンサ２０１はバッテリ１００に並列に接続され、コンデンサ２０１の一方の端子はインダクタ２０３の一方の端子に接続されている。コンデンサ２０１の他方の端子は、ＭＯＳＦＥＴ２０４のソース端子とコンデンサ２０２の一方の端子とに接続されている。インダクタ２０３の他方の端子は、ＭＯＳＦＥＴ２０４のドレイン端子とＭＯＳＦＥＴ２０５のソース端子とに接続されている。ＭＯＳＦＥＴ２０５のドレイン端子は、コンデンサ２０２の他方の端子に接続されている。

ドライブ回路２０６は、制御回路２１０からの制御信号に応じて、ＭＯＳＦＥＴ２０４をオン又はオフさせるための駆動電圧をＭＯＳＦＥＴ２０４のゲート端子へ出力する。ドライブ回路２０７、２０８は、フェイルセーフのために二重系に構成されたドライブ回路であって、その各々は、制御回路２１０からの制御信号に応じて、ＭＯＳＦＥＴ２０５をオン又はオフさせるための駆動電圧をＭＯＳＦＥＴ２０５のゲート端子へ出力する。

検出回路２０９は、ドライブ回路２０７の出力に基づいてドライブ回路２０７の異常を検出し、異常を検出したら異常検出信号を出力する。例えば、検出回路２０９は、ドライブ回路２０７が出力する駆動電圧が、正常時のドライブ回路２０７が出力する駆動電圧と異なる場合に、ドライブ回路２０７の異常を検出する。

制御回路２１０は、検出回路２０９の出力信号に基づいて、ドライブ回路２０６、２０７、２０８を制御する。詳しくは、制御回路２１０は、検出回路２０９が異常検出信号を出力していない場合には、ドライブ回路２０６、２０７の各々に制御信号を出力してＭＯＳＦＥＴ２０４、２０５の各々をオン又はオフさせる。但し、このとき、ドライブ回路２０８に対しては、その動作を停止させるための制御信号を出力する。一方、検出回路２０９が異常検出信号を出力した場合には、ドライブ回路２０６、２０８の各々に制御信号を出力してＭＯＳＦＥＴ２０４、２０５の各々をオン又はオフさせる。但し、このとき、ドライブ回路２０７に対しては、その動作を停止させるための制御信号を出力する。なお、このような制御回路２１０の動作は、ソフトウェア或いはハードウェアによって実現することができる。ソフトウェアによって実現する場合には、制御回路２１０はＣＰＵとメモリを含み、ＣＰＵがメモリに格納されている制御プログラムを読み出し実行することによって実現される。

電気負荷３００は、バッテリ１００の電圧が一時的に低下した場合であっても供給電圧が動作範囲から外れないようにすることが望まれる電装部品を総称するものであり、例えばカーナビゲーションやオーディオ等のように、供給電圧の一時的な低下に伴って一時的に正常動作しなくなった場合に運転者に著しく違和感を生じさせるような電装部品が含まれる。

次に、本実施形態に係る電源回路の動作として、バッテリ１００の電圧が一時的に低下しない通常時の動作と、バッテリ１００の電圧が一時的に低下するエンジン始動時（エンジン再始動時を含む）の動作について説明する。

なお、エンジン始動時の動作は、通常時の動作中に運転者によるエンジン始動動作（エンジン再始動動作を含む）が検知されたときにアイドルストップ車両の全体システムを制御する図示しない上位ＥＣＵから出力された、エンジン始動時の動作を開始させるための制御信号を制御回路２１０が受信することによって始まるものである。また、エンジン始動時の動作は、エンジンの始動が検知されたときに図示しない上位ＥＣＵから出力された、通常時の動作へ移行させるための制御信号を制御回路２１０が受信することによって終了するものである。

まず、通常時の動作について説明する。
この動作においては、制御回路２１０は、ドライブ回路２０６を制御してＭＯＳＦＥＴ２０４をオフさせると共にドライブ回路２０７を制御してＭＯＳＦＥＴ２０５をオンさせる。また、ドライブ回路２０８に対しては、その動作を停止させるように制御する。これにより、通常時には、バッテリ１００の電圧が昇圧回路２００により昇圧されずにそのまま電気負荷３００へ出力されるようになる。

なお、通常時においては、ＭＯＳＦＥＴ２０５をオフさせたとしても、そのボディダイオード２０５ａを介して通電可能である。しかしながら、ＭＯＳＦＥＴ２０５をオンさせた方が、ＭＯＳＦＥＴ２０５での電圧降下が小さくなって損失が小さくなることから、ＭＯＳＦＥＴ２０５をオンさせるようにしている。

一方、上記の通常時の動作中に検出回路２０９が異常検出信号を出力した場合には、制御回路２１０は、ドライブ回路２０６を制御してＭＯＳＦＥＴ２０４をオフさせると共にドライブ回路２０８を制御してＭＯＳＦＥＴ２０５をオンさせる。また、ドライブ回路２０７に対しては、その動作を停止させるように制御する。

これにより、通常時の動作中にドライブ回路２０７が破損する等してその動作が異常となった場合には、ドライブ回路２０７の代わりにドライブ回路２０８によりＭＯＳＦＥＴ２０５がオンされるようになる。

次に、エンジン始動時の動作について説明する。
この動作においては、制御回路２１０は、ドライブ回路２０６を制御してＭＯＳＦＥＴ２０４をオンさせた時にドライブ回路２０７を制御してＭＯＳＦＥＴ２０５をオフさせ、ドライブ回路２０６を制御してＭＯＳＦＥＴ２０４をオフさせた時にドライブ回路２０７を制御してＭＯＳＦＥＴ２０５をオンさせる、という動作を交互に繰り返す。但し、このときには、ＭＯＳＦＥＴ２０４、２０５の両者が同時にオンになることがないように両者が共にオフになるデッドタイムが設けられる。また、ドライブ回路２０８に対しては、その動作を停止させるように制御する。これにより、エンジン始動時には、バッテリ１００の電圧が昇圧回路２００により昇圧され、その昇圧された電圧が電気負荷３００へ出力されるようになる。

一方、上記のエンジン始動時の動作中に検出回路２０９が異常検出信号を出力した場合には、その時点におけるエンジン始動時の動作としては上記のエンジン始動時の動作と同じ動作を行う。このようにドライブ回路２０７が異常で例えばＭＯＳＦＥＴ２０５をオンさせることができない場合でも、そのボディダイオード２０５ａを介して通電可能であるために昇圧回路としては動作する。しかしながら、このままだと、ＭＯＳＦＥＴ２０５での電圧降下が大きくなって損失が大きくなり、場合によってはＭＯＳＦＥＴ２０５が破損する虞がある。そこで、次回以降のエンジン始動時の動作として、次のような動作を行うようにすることによって、それを防いでいる。

制御回路２１０は、ドライブ回路２０６を制御してＭＯＳＦＥＴ２０４をオンさせた時にドライブ回路２０８を制御してＭＯＳＦＥＴ２０５をオフさせ、ドライブ回路２０６を制御してＭＯＳＦＥＴ２０４をオフさせた時にドライブ回路２０８を制御してＭＯＳＦＥＴ２０５をオンさせる、という動作を交互に繰り返す。但し、このときにも、ＭＯＳＦＥＴ２０４、２０５の両者が同時にオンになることがないように両者が共にオフになるデッドタイムが設けられる。また、ドライブ回路２０７に対しては、その動作を停止させるように制御する。

これにより、エンジン始動時の動作中にドライブ回路２０７が破損する等してその動作が異常となった場合には、次回以降のエンジン始動時において、ドライブ回路２０７の代わりにドライブ回路２０８によりＭＯＳＦＥＴ２０５がオン又はオフされるようになる。

以上のように、本実施形態に係る電源回路によれば、同期整流方式の昇圧回路２００を含むことにより、低損失高効率の電源回路を実現できる。また、ＭＯＳＦＥＴ２０５のドライブ回路を二重系とすることで、信頼性の高い電源回路を実現できる。さらに、大型のコンデンサやリレーが不要になることから、体格の小型化及び低コスト化が可能な電源回路を実現できる。

なお、本実施形態に係る電源回路は、次のように変形することも可能である。
例えば、検出回路２０９は、ドライブ回路２０７の出力に基づいてドライブ回路２０７の異常を検出する代わりに、ＭＯＳＦＥＴ２０５の周辺温度に基づいてドライブ回路２０７の異常を検出するように構成することも可能である。

図２は、そのように構成された電源回路の構成を示す図である。
同図に示したように、この電源回路は、ＭＯＳＦＥＴ２０５の周辺にサーミスタ２１１が設けられ、検出回路２０９がドライブ回路２０７の出力の代わりにサーミスタ２１１の出力に基づいてドライブ回路２０７の異常を検出するようした点が、図１に示した電源回路と異なっている。この電源回路では、ドライブ回路２０７の異常によりＭＯＳＦＥＴ２０５をオンさせることができなくなると、ＭＯＳＦＥＴ２０５のボディダイオード２０５ａに常時電流が流れるようになり、ＭＯＳＦＥＴ２０５の温度が上昇する。この時のＭＯＳＦＥＴ２０５の周辺温度に応じた信号がサーミスタ２１１により出力されると、検出回路２０９は、ドライブ回路２０７の異常を検出し、異常検出信号を出力する。その他の構成及び動作については、図１に示した電源回路と同じである。このような構成の電源回路によっても、図１に示した電源回路と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、本発明をアイドルストップ用の電源回路に適用した例を説明したが、同期整流方式の昇圧回路を含むその他の電源回路にも同様に適用することが可能である。

また、本実施形態では、エンジン始動時の動作中において検出回路２０９が異常検出信号を出力した場合には、その時点におけるエンジン始動時の動作としてはドライブ回路２０７を用いて昇圧動作を継続し、次回以降のエンジン始動時の動作においてはドライブ回路２０７の代わりにドライブ回路２０８を用いて昇圧動作を行うようにしたが、例えば、エンジン始動時の動作中において検出回路２０９が異常検出信号を出力した場合には、即座に、ドライブ回路２０７の代わりにドライブ回路２０８を用いて昇圧動作を行うように動作させることも可能である。

また、本実施形態において、エンジン始動時の動作中に検出回路２０９が異常検出信号を出力した場合には、その時点におけるエンジン始動時の動作としてはドライブ回路２０７を用いて昇圧動作を継続し、その後の通常時の動作においては、ドライブ回路２０７の代わりにドライブ回路２０８を用いてＭＯＳＦＥＴ２０５を駆動させるように動作させることも可能である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。

１００バッテリ
２００昇圧回路
２０１、２０２コンデンサ
２０３、インダクタ
２０４、２０５ＭＯＳＦＥＴ
２０６、２０７、２０８ドライブ回路
２０９検出回路
２１０制御回路
２１１サーミスタ
３００電気負荷

Claims

直流電源と、
第１のスイッチング素子と、
前記直流電源と前記第１のスイッチング素子との間に設けられるインダクタと、
前記インダクタと電気負荷との間に設けられる第２のスイッチング素子と、
前記第２のスイッチング素子に並列接続されるダイオードと、
第１乃至３の駆動手段と、
前記第２の駆動手段の異常を検出する検出手段と、
前記第１及び２の駆動手段を制御して前記第１及び２のスイッチング素子を駆動させることにより、前記直流電源の電圧、又は、前記直流電源の電圧を昇圧した電圧を出力させる制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記検出手段により前記第2の駆動手段の異常が検出された場合には、前記第１及び３の駆動手段を制御して前記第１及び２のスイッチング素子を駆動させることにより、前記直流電源の電圧、又は、前記直流電源の電圧を昇圧した電圧を出力させる、
ことを特徴とする電源回路。
前記制御手段は、
前記第１の駆動手段を制御して前記第１のスイッチング素子をオンさせた時に前記第２の駆動手段を制御して前記第２のスイッチング素子をオフさせ、前記第１の駆動手段を制御して前記第１のスイッチング素子をオフさせた時に前記第２の駆動手段を制御して前記第２のスイッチング素子をオンさせることにより、前記直流電源の電圧を昇圧し、
前記検出手段により前記第2の駆動手段の異常が検出された場合には、前記第１の駆動手段を制御して前記第１のスイッチング素子をオンさせた時に前記第３の駆動手段を制御して前記第２のスイッチング素子をオフさせ、前記第１の駆動手段を制御して前記第１のスイッチング素子をオフさせた時に前記第３の駆動手段を制御して前記第２のスイッチング素子をオンさせることにより、前記直流電源の電圧を昇圧する、
ことを特徴とする請求項１記載の電源回路。
前記検出手段は、前記第２の駆動手段の出力に基づいて、前記第２の駆動手段の異常を検出する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の電源回路。
前記検出手段は、前記第２のスイッチング素子の周辺温度に基づいて、前記第２の駆動手段の異常を検出する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の電源回路。