JP5772776B2 - 電力供給制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、負荷への通電を制御する電力供給制御装置に関する。

従来からバッテリが逆接続された場合に、負荷に対して電流が流れるのを防止するために逆接保護用のダイオードを設けている。しかし、逆接保護用のダイオードを設けた回路では、バッテリが順接続された場合に、ダイオードにおける電圧降下が大きいという問題がある。係る点を改善するため、下記特許文献１には、寄生ダイオードの極性が逆になるように、２つのＦＥＴを組み合わせた回路が提案されている。このものでは、バッテリが順接続された場合、ＦＥＴ本体と寄生ダイオードに電流が分岐して流れることから、寄生ダイオードの電圧降下を低く抑えることができる。

特開平１１−１４６５５８公報

ＦＥＴがオンからオフに切り換わる場合と、ＦＥＴがオフからオンに切り換る場合には、スイッチングロスが発生する。そのため、２つのＦＥＴのオンオフを同じタイミングで行うと、スイッチングロスが２つのＦＥＴに同じように発生する。そのため、過負荷電流が発生した場合に、保護回路を持たない逆接保護用のＦＥＴが破壊する恐れがある。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、スイッチングロスを低減し、過負荷電流が発生した場合でも保護回路を持たないＦＥＴが破壊することを防ぐ（抑制）ことを目的とする。

本発明は、電源から負荷への電力供給を制御する電力供給制御装置であって、前記負荷への通電路に対して設けられ、保護回路を有する第一のＦＥＴと、前記電源の逆接続時に寄生ダイオードが逆方向接続となる向きで前記第一のＦＥＴに対して直列接続され、かつ保護回路を有さない第二のＦＥＴと、前記第一のＦＥＴと前記第二のＦＥＴに対して駆動信号をそれぞれ出力することにより、前記第一のＦＥＴと前記第二のＦＥＴをオンオフ制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記負荷に対して電力の供給を開始する場合、前記第二のＦＥＴのゲートに前記第二のＦＥＴをオンさせる駆動信号を出力してから一定時間Ｔａ経過後に、前記第一のＦＥＴのゲートに前記第一のＦＥＴをオンさせる駆動信号を出力し、前記負荷への電力供給を停止する場合、前記第一のＦＥＴに対する駆動信号の出力を停止してから一定時間Ｔｂ後に、前記第二のＦＥＴに対する駆動信号の出力を停止するところに特徴を有する。

スイッチングロスは、駆動信号の入力に応答して、ＦＥＴがオフ状態からオン状態に移行する期間に、ＦＥＴに電流が流れることにより発生する。また、駆動信号の入力停止に応答して、ＦＥＴがオン状態からオフ状態に移行する期間に、電流が流れることにより発生する。そのため、オン状態からオフ状態、オフ状態からオン状態への移行期間に、ＦＥＴに電流を流さないようにすれば、スイッチングロスを低減できる。

本発明の電力供給制御装置は、２つのＦＥＴを直列接続しているので、電源に対して寄生ダイオードが逆方向接続されているＦＥＴがオフしていれば、電流は流れない。そこで、両ＦＥＴをオンオフするタイミングをずらし、負荷に対して電力供給を開始する場合には、第二のＦＥＴ側に先に駆動信号を入力し、第一のＦＥＴ側に遅れて駆動信号を入力する。このようにすれば、第二のＦＥＴがオフ状態からオン状態に切り換る間は、第一のＦＥＴはオフしており、電流は流れない。そのため、保護回路を持たない第二のＦＥＴのスイッチングロスを低減することが出来る。

一方、負荷への電力供給を停止する場合には、第一のＦＥＴに対する駆動信号の出力を停止してから一定時間経過後に、第二のＦＥＴに対する駆動信号の出力を停止する。このようにすれば、第一のＦＥＴがオン状態からオフ状態に切り換って電流が流れなくなってから、第二のＦＥＴがオン状態からオフ状態に切り換る。よって、保護回路を持たない第二のＦＥＴのスイッチングロスを低減することが出来る。

・前記一定時間Ｔａは、前記第二のＦＥＴが駆動信号の入力に応答して、オフ状態からオン状態に移行する移行期間Ｔｒ以上である。このようにすれば、第二のＦＥＴがオフ状態からオン状態に移行する移行期間Ｔｒは、ドレン電流を完全に遮断できる。そのため、保護回路を持たない第二のＦＥＴのスイッチングロスを低減できる。

・前記一定時間Ｔｂは、前記第一のＦＥＴが駆動信号の入力停止に応答して、オン状態からオフ状態に移行する移行期間Ｔｆ以上である。このようにすれば、第二のＦＥＴがオン状態からオフ状態に移行する移行期間Ｔｒは、ドレン電流を完全に遮断できる。そのため、保護回路を持たない第二のＦＥＴのスイッチングロスを低減できる。

スイッチングロスを低減でき、保護回路を持たない逆接保護用（電源逆接時の通電防止用）の第二のＦＥＴが破壊することを防止できる。

実施形態１に適用された電力供給制御装置の回路図 ＦＥＴに発生するスイッチングロスの説明図 ＦＥＴ１１、２１のオンオフタイミングと負荷電流、スイッチングロスとの関係を示す図 実施形態２に適用された電力供給制御装置の回路図 電力供給制御装置の他の例を示す回路図

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を図１ないし図３によって説明する。
本実施形態は、自動車に搭載されたヘッドライト等の電気的負荷に対する電力供給を制御する電力供給制御装置１を例示するものである。

１．電力供給制御装置１の回路構成
図１に示すように、電力供給制御装置１は、インテリジェントパワースイッチ１０と、第二のＦＥＴ２１とを含む構成となっている。インテリジェントパワースイッチ１０は、同一半導体外囲器（パッケージ）内に第一のＦＥＴ１１と、第一のＦＥＴ１１を保護する保護回路１５と制御回路１７を形成したものである。

第一のＦＥＴ１１は、Ｎチャンネル、ＥモードのパワーＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）であり、ドレンＤを電源ラインＬｖに接続し、ソースＳを、第二のＦＥＴ２１のソースＳに接続している。第二のＦＥＴ２１は、第一のＦＥＴ１１と同様、Ｎチャンネル、ＥモードのパワーＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）である。そして、第二のＦＥＴ２１のドレンＤとグランドラインＬｇとの間に負荷を接続している。これにより、第一のＦＥＴ１１の寄生ダイオード１１ａは、カソードが電源ラインＬｖ側を向くのに対して、第二のＦＥＴ２１の寄生ダイオード２１ａはカソードがグランドラインＬｇ側を向くので、両寄生ダイオード１１、１２の極性は逆となる。

このように、本実施形態では、第一のＦＥＴ１１と第二のＦＥＴ２１を、電源である車載バッテリＢと負荷Ｒとの間において、寄生ダイオード１１ａ、２１ａの極性が逆を向くように直列接続されている。尚、第二のＦＥＴ２１は、電源である車載バッテリＢの逆接続時に寄生ダイオード２１ａが逆方向接続となる向き、すなわち逆接続された車載バッテリＢのプラス側にカソードが向いており、電源逆接続時の逆接保護用（逆流防止用）に設けられている。また、第二のＦＥＴ２１は、保護回路を有さない構成となっている。電源電圧の極性が正の場合、第一のＦＥＴ１１は、負荷Ｒに対する通電路Ｌｒを開閉するスイッチとして機能する。電源電圧の極性が負の場合、第二のＦＥＴ２１が負荷Ｒに対する通電路Ｌｒを開閉するスイッチとして機能する。また、インテリジェントパワースイッチ１０には制御端子Ｃが設けられている。制御端子Ｃには、第二のＦＥＴ２１のゲートＧが接続されている。

制御回路１７は、外部からの入力信号に応答して、第一のＦＥＴ１１と第二のＦＥＴ２１をオンオフ制御する。制御回路１７からゲートＧに駆動信号Ｓ１が出力されている間、第一のＦＥＴ１１はオン状態となり、駆動信号Ｓ１の出力を停止すると、第一のＦＥＴ１１はオフ状態となる。また、同様、制御回路１７から制御端子Ｃを通じてゲートＧに駆動信号Ｓ２が出力されている間、第二のＦＥＴ２１はオン状態となり、駆動信号Ｓ２の出力を停止すると、第二のＦＥＴ２１はオフ状態となる。保護回路１５は第一のＦＥＴ１１の保護用であり、例えば、過電流保護回路や、過熱保護回路である。

２．バッテリ逆接続時の動作説明
図１にて破線で示すように、バッテリＢが逆接続された場合、すなわち電源ラインＬｖに負極が接続され、グランドラインＬｇに正極が接続された場合、制御回路１７が、第二のＦＥＴ２１をオフ状態に制御する。これにより、逆接続されたバッテリＢから負荷Ｒに対して電流が流れることを阻止できる。その理由は、寄生ダイオード２１ａの向きが、逆接続されたバッテリＢに対して逆向き（逆方向接続）になるので、第二のＦＥＴ２１がオフしていれば、負荷電流が流れないからである。尚、バッテリ逆接続時に、第二のＦＥＴ２１をオフするには、逆接時に、第二のＦＥＴ２１のゲートＧの電圧が常にグランドに固定されるようにしておけばよい。

３．負荷Ｒに対する電力供給制御時の動作説明
図１にて実線で示すようにバッテリＢが順接続された場合、制御回路１７は、第一のＦＥＴ１１、第二のＦＥＴ２１をオンオフすることで、負荷Ｒに対する電力の供給を制御する。すなわち、第一のＦＥＴ１１をオン状態にすると、通電路Ｌｒが閉じて、バッテリＢから負荷Ｒに電力を供給することができる。ただし、第二のＦＥＴ２１もオン状態にして、寄生ダイオード２１ａで生じる電力を低減することが好ましい。また、第一のＦＥＴ１１をオフ状態にすると、通電路Ｌｒが開いて、バッテリＢから負荷Ｒへの電力供給を遮断できる。ただし、第二のＦＥＴ２１もオフ状態にすると、インテリジェントパワースイッチの消費電力を好適に削減できる。

ところで、ＦＥＴには、オンオフのスイッチングに伴って、スイッチングロスが発生する。具体的には、ＦＥＴをオフからオンに切り換える場合、駆動信号Ｓの入力に応答して、ＦＥＴがオフ状態からオン状態に移行する期間Ｔｒにドレン電流Ｉｄが流れることによりスイッチングロスが発生する。また、オン状態からオフ状態に切り換える場合、駆動信号の入力停止に応答して、ＦＥＴがオン状態からオフ状態に移行する期間Ｔｆにドレン電流Ｉｄが流れることによりスイッチングロスが発生する（図２参照）。

保護回路を持たない第二のＦＥＴ２１で発生する上記スイッチングロスを低減するため、制御回路１７は、負荷Ｒに対して電力の供給を開始する場合、第二のＦＥＴ２１のゲートＧに駆動信号Ｓ２を出力してから一定時間Ｔａ経過後に、第一のＦＥＴ１１のゲートＧに駆動信号Ｓ１を出力する。図３の例では、駆動信号Ｓ２の出力開始時点ｔ１から一定期間Ｔａ後の時点ｔ２に、第一のＦＥＴ１１のゲートＧに駆動信号Ｓ１を出力する。尚、一定時間Ｔａは、第二のＦＥＴ２１が、駆動信号Ｓ２の入力に応答して、オフ状態からオン状態に移行する移行期間Ｔｒ以上にすることが好ましい。

上記のように、第二のＦＥＴ２１に駆動信号Ｓ２を出力してから、一定時間Ｔａ（Ｔａ＞Ｔｒ）経過後に、第一のＦＥＴ１１のゲートＧに駆動信号Ｓ１を出力すると、第二のＦＥＴ２１がオフ状態からオン状態に切り換る移行期間Ｔｒは、第一のＦＥＴ１１は完全にオフしている。そのため、移行期間Ｔｒ中、第二のＦＥＴ２１に負荷電流Ｉｒ（ドレン電流）は流れない。よって、保護回路を持たない第二のＦＥＴ２１のスイッチングロスを低減することが出来る。

また、制御回路１７は、負荷Ｒへの電力供給を停止する場合、第一のＦＥＴ１１に対する駆動信号Ｓ１の出力を停止してから一定時間Ｔｂ後に、第二のＦＥＴ２１に対する駆動信号Ｓ２の出力を停止する。図２の例では、駆動信号Ｓ１の出力開始時点ｔ３から一定期間Ｔｂ後の時点ｔ４に、第二のＦＥＴ２１のゲートＧに対する駆動信号Ｓ２の出力を停止する。尚、一定時間Ｔｂは、第一のＦＥＴ１１が、駆動信号Ｓ１の入力停止に応答して、オン状態からオフ状態に移行する移行期間Ｔｆ以上にすることが好ましい。

上記のように、第一のＦＥＴ１１に対して駆動信号Ｓ１の出力を停止してから、一定時間Ｔｂ（Ｔｂ＞Ｔｆ）経過後に、第二のＦＥＴ２１に対する駆動信号Ｓ２の出力を停止すると、第一のＦＥＴ１１が完全にオフして負荷電流Ｉｒが切れてから、第二のＦＥＴ２１がオン状態からオフ状態に移行する。よって、保護回路を持たない第二のＦＥＴ２１のスイッチングロスを低減することが出来る。

以上説明したように、実施形態１の電力供給制御装置１では、保護回路を持たない第二のＦＥＴ２１のスイッチングロスを低減でき、過負荷電流の発生時に、保護回路を持たない第二のＦＥＴ２１が破壊することを防止できる。

＜実施形態２＞
次に、本発明の実施形態２を図４によって説明する。実施形態１の電力供給制御装置１では、ソースＳ同士を接続することで、２つのＦＥＴ１１、２１の寄生ダイオード１１ａ、２１ａの極性を逆にした。

実施形態２の電力供給制御装置５０では、ドレンＤ同士を接続することで、２つのＦＥＴ１１、２１の寄生ダイオード１１ａ、２１ａの極性を逆にした回路構成となっている。そして、第一のＦＥＴ１１のソースＳを負荷Ｒに接続し、第二のＦＥＴ２１のソースＳを電源ラインＬｇに接続している。

実施形態２の電力供給制御装置５０も、実施形態１の電力供給制御装置１と同様、バッテリＢが逆接続された場合、制御回路１７が、第二のＦＥＴ２１をオフ状態に制御する。これにより、逆接続されたバッテリＢから負荷Ｒに対して電流が流れることを阻止できる。

また、制御回路１７は、負荷Ｒに対して電力の供給を開始する場合、第二のＦＥＴ２１のゲートＧに駆動信号Ｓ２を出力してから一定時間Ｔａ経過後に、第一のＦＥＴ１１のゲートＧに駆動信号Ｓ２を出力する。一方、負荷Ｒへの電力供給を停止する場合、第一のＦＥＴ１１に対する駆動信号Ｓ１の出力を停止してから一定時間Ｔｂ後に、第二のＦＥＴ２１に対する駆動信号Ｓ２の出力を停止する。そのため、実施形態１と同様、保護回路を持たない第二のＦＥＴ２１のスイッチングロスを低減でき、過負荷電流の発生時に、保護回路を持たない第二のＦＥＴ２１が破壊することを防止できる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

（１）実施形態１では、インテリジェントパワースイッチ１０とは別に第二のＦＥＴ２１を設けた構成を示したが、図５に示すように、インテリジェントパワースイッチ１０に第二のＦＥＴ２１を取り込んだ構成、すなわち、同一半導体外囲器（パッケージ）内に第一のＦＥＴ１１と、第二のＦＥＴ２１と、保護回路１５と、制御回路１７を形成してもよい。

１...電力供給制御装置
１０...インテリジェントパワースイッチ
１１...第一のＦＥＴ
１１ａ...寄生ダイオード
１５...保護回路
１７...制御回路
２１...第二のＦＥＴ
２１ａ...寄生ダイオード
Ｂ...バッテリ
Ｌｖ...電源ライン
Ｌｇ...グランドライン

Claims (3)

1. 電源から負荷への電力供給を制御する電力供給制御装置であって、
   前記負荷への通電路に対して設けられ、保護回路を有する第一のＦＥＴと、
   前記電源の逆接続時に寄生ダイオードが逆方向接続となる向きで前記第一のＦＥＴに対して直列接続され、かつ保護回路を有さない第二のＦＥＴと、
   前記第一のＦＥＴと前記第二のＦＥＴに対して駆動信号をそれぞれ出力することにより、前記第一のＦＥＴと前記第二のＦＥＴをオンオフ制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、前記負荷に対して電力の供給を開始する場合、前記第二のＦＥＴのゲートに前記第二のＦＥＴをオンさせる駆動信号を出力してから一定時間Ｔａ経過後に、前記第一のＦＥＴのゲートに前記第一のＦＥＴをオンさせる駆動信号を出力し、
   前記負荷への電力供給を停止する場合、前記第一のＦＥＴに対する駆動信号の出力を停止してから一定時間Ｔｂ後に、前記第二のＦＥＴに対する駆動信号の出力を停止することを特徴とする電力供給制御装置。
2. 前記一定時間Ｔａは、前記第二のＦＥＴが駆動信号の入力に応答して、オフ状態からオン状態に移行する移行期間Ｔｒ以上であることを特徴とする請求項１に記載の電力供給制御装置。
3. 前記一定時間Ｔｂは、前記第一のＦＥＴが駆動信号の入力停止に応答して、オン状態からオフ状態に移行する移行期間Ｔｆ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力供給制御装置。

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