JP6724539B2 - 負荷駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、負荷駆動装置に関するものである。
特許文献1には、電源に接続されて作動する半導体素子を負サージから保護するためのサージ保護装置が開示されている。このサージ保護装置は、半導体素子への逆方向電流を阻止する逆流阻止ダイオードと、半導体素子に印加される逆方向電圧を半導体素子の耐圧以下に制限する電圧制限回路とを備えており、半導体素子が電源からの電源供給を受けているときに負サージが電源に侵入した場合、逆流阻止ダイオードの印加電圧が順方向から逆方向に切り替わる構成となっている。
2007−295758号公報
ところで、負荷への電流供給をスイッチング素子の切り替えによって制御する場合、負荷の通電に伴う電位上昇によってスイッチング素子に誤遮断が生じる虞がある。以下、この問題を図4の簡略図等を参照して説明する。
図4には、電源部Baから負荷Paへの電流供給をスイッチ部IPの切り替えによって制御する負荷駆動装置Dを備えた車載システムSyを例示している。また、図5には、この負荷駆動装置Dにおける各部位の電位の変化を示している。この負荷駆動装置Dでは、外部スイッチの切り替え動作に応じて負荷駆動要求信号がマイクロコンピュータM(マイコンMとも称する)に入力された場合に、マイコンMが信号線Laに対してハイレベル信号を出力する。マイコンMから出力されるハイレベル信号は、抵抗R1及び抵抗R2によって構成される駆動回路Caを経由し、所定電位の信号としてスイッチ部IPに入力される。スイッチ部IPに設けられた半導体スイッチ素子SWは、駆動回路Caを経由してスイッチ部IPに入力される信号の電位(入力電位)が、半導体スイッチ素子SWと負荷Paとの間に介在する導電路(P−GND)の電位に対して一定値以上大きくなっている場合にオン動作する。図5の例では、「負荷オン」のタイミングではスイッチ部IPの入力電位と導電路(P−GND)の電位の差がオン閾値を超えているためスイッチ部IPがオン動作している。
図4で示す車載システムSyは、スイッチ部IPのオン動作(即ち、半導体スイッチ素子SWのオン動作)によって電源部Baからの電流が負荷Paへ流れ込むと、図5で示す「負荷オン」の後のように、半導体スイッチ素子SWと負荷Paとの間に介在する導電路(P−GND)の電位が上昇する。一方、マイコンMから信号線Laに印加される出力電圧は電源部Baの出力電圧よりも低い電圧(例えば5V程度)であり、この出力電圧は、マイコンMのグランド電位(スイッチ部IPのオンオフに依存せずに0V付近で保たれるS−GNDの電位)を基準としている。このような構成であるため、図5で示す「負荷オン」後のように、半導体スイッチ素子SWのオン動作に応じた通電によって導電路(P−GND)の電位が上昇すると、駆動回路CaからスイッチIPに与えられる入力電位と導電路(P−GND)の電位との差がスイッチ部IPをオン動作させるために必要となる値(オン閾値)を下回ってしまう虞がある。このような事態が生じると、マイコンMから信号線Laに対して駆動信号が出力され続けているのにスイッチ部IPがオフ動作してしまうような誤遮断がなされてしまう。図5の例では、「意図しない負荷オフ」のタイミングでこのような誤遮断がなされている。そして、この誤遮断がなされた後には、再びスイッチ部IPの入力電位と導電路(P−GND)の電位との差が広がるため再度スイッチ部IPがオン動作することになり、このような意図しないオンオフ動作が繰り返されてしまう。
本発明は上述した事情に基づいてなされたものであり、スイッチ部のオン動作による負荷通電によって基準電位が変動した場合でもスイッチ部において誤った遮断動作が生じにくい負荷駆動装置を実現することを目的とするものである。
本発明の負荷駆動装置は、
駆動信号と非駆動信号とを出力する制御部と、
第1入力線に接続されると共に電源部と負荷との間に配置された電力路を通電状態と非通電状態とに切り替える構成をなし、前記第1入力線の電位と前記電力路における前記負荷側の導電路の電位との差が所定値を超える場合に前記電力路を通電状態とする第1スイッチ部と、
前記制御部が前記駆動信号を出力した場合に前記電源部に電気的に接続された電源路と前記第1入力線との間を導通させ、前記制御部が前記非駆動信号を出力した場合に前記電源路と前記第1入力線との間の導通を遮断する第2スイッチ部と、
を有する。
本発明の負荷駆動装置は、制御部が駆動信号を出力した場合に第2スイッチ部が電源路と第1入力線との間を導通させるため、このときには第1入力線の電位を電源部から供給される電源電圧に基づいて高く設定することができる。このため、第1スイッチ部のオン動作後に負荷側の導電路の電位が上昇した場合であっても、第1入力線の電位と負荷側の導電路の電位との差が大きく確保されることになる。ゆえに、第1スイッチ部において誤った遮断動作がなされることをより確実に防ぐことができる。
実施例1に係る負荷駆動装置を備えた車載システムを概略的に例示する回路図である。 図1の車載システムにおける各部位の電位の変化を例示するタイミングチャートである。 実施例2に係る負荷駆動装置を備えた車載システムを概略的に例示する回路図である。 比較例となる負荷駆動装置を備えた車載システムを概略的に例示する回路図である。 図4の車載システムにおける各部位の電位の変化を例示するタイミングチャートである。
本発明において、第2スイッチ部は、第1半導体素子と第2半導体素子とを備えていてもよい。そして、第1半導体素子は、第2入力線に接続されるとともに電源路と第1入力線との間に配置され、電源路に対する第2入力線の電位が所定の低電位状態である場合に電源路と第1入力線との間を導通させ、電源路に対する第2入力線の電位が所定の低電位状態でない場合に電源路と第1入力線との間の導通を遮断する構成であってもよい。第2半導体素子は、第3入力線に接続されるとともに第2入力線と基準導電路との間に配置され、第3入力線に駆動信号が与えられた場合に第2入力線と基準導電路との間を導通させ、第3入力線に非駆動信号が与えられた場合に第2入力線と基準導電路との間の導通を遮断する構成であってもよい。
この構成によれば、制御部による駆動信号の出力時に第2半導体素子をオン動作させて第2入力線と基準導電路との間を導通させることができる。第2入力線と基準導電路との間が導通した場合には、第2入力線の電位が低下するため、電源路に対する第2入力線の電位を所定の低電位状態に切り替えることができる。このような動作により、電源路と第1入力線との間を導通させて第1入力線の電位を高くし、第1スイッチ部をオン状態にすることができる。
一方、制御部による非駆動信号の出力時には第2半導体素子をオフ動作させ、第2入力線と基準導電路との間の導通を遮断することができる。このときには、第2入力線の電位が相対的に高くなり、「所定の低電位状態」から外れた状態に切り替えられる。このような動作により、電源路と第1入力線との間の導通を遮断して第1入力線の電位を低くし、第1スイッチ部をオフ状態にすることができる。
駆動対象となる負荷としては、モータを採用しうる。
このようにモータを駆動対象とした場合、第1スイッチ部を通電状態に切り替えてモータに対して負荷電流を供給したときに負荷側の導電路の電位が上昇し、上述した問題(誤った遮断動作の問題)が生じる懸念がある。特に、負荷電流の増減度合いが大きい場合にはこの問題が一層懸念される。これに対し、上述した構成を適用すれば、この問題を効果的に解消することができる。
<実施例1>
以下、本発明を具体化した実施例1について説明する。
図1で示す車載システム100は、車両に搭載される負荷駆動システムである。この車載システム100は、電源部91、負荷93、負荷駆動装置1などを備え、電源部91から負荷93への電力の供給を負荷駆動装置1によって制御するシステムとして構成されている。
電源部91は、鉛バッテリなどの公知の車載用蓄電手段によって構成され、所定の電源電圧(例えば12Vの電圧)を電源路51に印加する構成をなす。なお、この電源部91は、図示しない発電機から充電電流が供給され、充電がなされる。
電源部91には、配線部81が接続され、この配線部81にはヒューズ95を介して電源路51が電気的に接続されている。また、配線部81には、ヒューズ96を介して給電線71が接続されており、電源部91から出力される電源電圧が制御部3にも供給され得る。
負荷93は、公知の車載用負荷として構成されており、具体的には、モータやその他のアクチュエータなどの様々な電気部品が対象となり得る。例えば負荷93としてモータを適用する場合、公知の直流モータ、交流モータ、ステッピングモータなど、様々なモータを提供することができる。負荷93は、一端が導電路52に接続され、他端がグラウンドに接続されており、後述する第1スイッチ部10がオン動作しているときに電源部91から供給される電流によって動作する構成をなす。
スイッチ98は、負荷93の駆動指示と負荷93の駆動停止指示とを制御部3に与えるために用いられ、例えば使用者によってオン操作及びオフ操作が行われるものである。例えば、使用者によってスイッチ98に対するオン操作が行われているときには信号線72に駆動指示を示す信号(例えばLレベル信号)が与えられ、使用者によってスイッチ98に対するオン操作が行われていないときには信号線72に駆動停止指示を示す信号(例えばHレベル信号)が与えられる。
負荷駆動装置1は、例えば車載用のECUとして構成されており、図示しない基板上に様々な電子部品が実装された構成をなす。負荷駆動装置1は、制御部3、第1スイッチ部10、第2スイッチ部20などを備えている。
制御部3は、例えば、CPU、ROM、RAMなどを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。制御部3の出力端子P1には、信号線としての第3入力線33が電気的に接続されており、制御部3は、出力端子P1を介して駆動信号及び非駆動信号を出力し得る構成となっている。なお、図1の例では、制御部3の出力端子P1に印加される電位(出力電位)をV2で示す。
制御部3には、基準導電路54が電気的に接続されている。図1では、基準導電路54をS−GNDとも称する。基準導電路54は、所定のグラウンド電位(0V)に保たれており、第2半導体素子22のエミッタにも接続されている。基準導電路54(S−GND)の電位は、負荷93側の導電路52(P−GND)の電位変動の影響を受けずに安定的に保たれる。
第1スイッチ部10は、半導体スイッチ素子12と制御回路14とを備えたIPD(Intelligent Power Device)として構成され、電源部91と負荷93との間に配置された電力路50を通電状態と非通電状態とに切り替える構成をなす。第1スイッチ部10は、第1入力線31に接続されており、第1入力線31の電位と電力路50における負荷93側の導電路52の電位との差が所定値を超える場合にオン動作して電力路50を通電状態とし、所定値を超えない場合にオフ動作して電力路50を非通電状態とする。第1スイッチ部10がオン動作したときのみ電源部91から負荷93へと負荷電流が供給される。
第2スイッチ部20は、制御部3が駆動信号を出力した場合に電源路51と第1入力線31との間を導通させ、制御部3が非駆動信号を出力した場合に電源路51と第1入力線31との間の導通を遮断する機能を有する。電源路51は、電源部91に電気的に接続された電路であり、電力路50のうちの第1スイッチ部10の上流側に配置される部分である。
第2スイッチ部20は、PNP型のバイポーラトランジスタとして構成された第1半導体素子21と、NPN型のバイポーラトランジスタとして構成された第2半導体素子22とを備える。第1半導体素子21は、第2入力線32に接続されるとともに電源路51と第1入力線31との間に配置されている。具体的には、第1半導体素子21のベースに第2入力線32が接続され、第1半導体素子21のエミッタに電源路51が接続され、第1半導体素子21のコレクタには抵抗部41を介して第1入力線31が電気的に接続されている。
第1半導体素子21のエミッタとベースは抵抗部43を介して接続されており、抵抗部43の一端は第1半導体素子21のエミッタ及び電源路51に接続され、抵抗部43の他端は第1半導体素子21のベースに接続されている。第1半導体素子21のコレクタとスイッチ部10の間には抵抗部41が配置されており、抵抗部41の一端が第1半導体素子21のコレクタに接続され、抵抗部41の他端がスイッチ部10の制御回路14に接続されている。第1半導体素子21のコレクタと導電路52(P−GND)の間には抵抗部42が配置されており、抵抗部42の一端が第1半導体素子21のコレクタに接続され、抵抗部42の他端が導電路52に接続されている。
この第1半導体素子21は、電源路51に対する第2入力線32の電位が所定の低電位状態である場合に電源路51と第1入力線31との間を導通させ、電源路51に対する第2入力線32の電位が所定の低電位状態でない場合に電源路51と第1入力線31との間の導通を遮断するように機能する。
第2半導体素子22は、第3入力線33に接続されるとともに第2入力線32と基準導電路54との間に配置されている。具体的には、第2半導体素子22のベースに第3入力線33が接続され、第2半導体素子22のコレクタには抵抗部44を介して第2入力線32が電気的に接続され、第2半導体素子22のエミッタには基準導電路54が接続されている。
第2半導体素子22のエミッタとベースは抵抗部45を介して接続されており、抵抗部45の一端は第2半導体素子22のエミッタ及び基準導電路54に接続され、抵抗部45の他端は第1半導体素子21のベース及び抵抗部46の一端に接続されている。第2半導体素子22のコレクタと第1半導体素子21のベースとの間には抵抗部44が配置されており、抵抗部44の一端が第1半導体素子21のベース及び抵抗部43の一端に接続され、抵抗部44の他端が第2半導体素子22のコレクタに接続されている。第2半導体素子22のベースと制御部3の出力端子P1の間には抵抗部46が設けられている。
第2半導体素子22は、制御部3からの駆動信号が抵抗部46を介して第3入力線33に与えられた場合に第2入力線32と基準導電路54との間を導通させ、制御部3からの非駆動信号が抵抗部46を介して第3入力線33に与えられた場合に第2入力線32と基準導電路54との間の導通を遮断するように機能する。
次に、図2も参照して負荷駆動装置1の動作を説明する。
図1で示す負荷駆動装置1は、ユーザによってスイッチ98の操作がなされ、制御部3に駆動指示を示す信号が与えられた場合に、制御部3が出力端子P1の電位V2をハイレベルに切り替え、第3入力線33にハイレベル信号を与える。図2の例では、時間T1でこのような切り替えが行われ、制御部3の出力電位V2がハイレベル(例えば5V)に切り替わっている。
図2で示す時間T1で第3入力線33にハイレベル信号が与えられると第2半導体素子22がオン動作し、第2入力線32と基準導電路54との間が導通するため、第2半導体素子22のコレクタ電位V4が0V近くのローレベルに切り替わる。このようなコレクタ電位V4の切り替わりに応じて第2入力線32の電位(即ち、第1半導体素子21のベース電位)がローレベルになるため、で第1半導体素子21はオン動作する。
本構成では、第1半導体素子21をオン動作させる程度に第1半導体素子21のベースエミッタ間の電位差(即ち、電源路51と第2入力線32の電位差)が確保された状態が「所定の低電位状態」である。なお、制御部3が出力端子の電位V2をローレベルで維持し、第3入力線33に対して非駆動信号(ローレベル信号)を出力している時には第2半導体素子22はオフ状態で維持される。このときには第2入力線32と基準導電路54との間の導通が遮断され、第2入力線32の電位は電源路51の電位と同程度になるため「所定の低電位状態」から外れた状態となり、第1半導体素子21はオフ状態で維持される。
上述したように制御部3からの駆動信号の出力によって電源路51に対する第2入力線32の電位が「所定の低電位状態」に切り替わり、第1半導体素子21がオン動作すると、電源路51と第1入力線31との間が導通し、第1半導体素子21のコレクタ電位V5は、電源路51の電位(図2の例では12V)と同程度となる。つまり、第1スイッチ部10の制御回路14に入力される第1入力線31の電位が電源路51と同程度の高い電位となり、第1入力線31の電位V5と導電路52(P−GND)の電位V3の差がオン閾値(半導体スイッチ素子12をオン動作させるために必要な電位差の下限値)を超えるため、半導体スイッチ素子12はオン動作する。このように半導体スイッチ素子12がオン動作することで負荷93に対して負荷電流が供給される。
以上のように、負荷駆動装置1は、制御部3が駆動信号を出力した場合に第2スイッチ部20が電源路51と第1入力線31との間を導通させるため、このときには第1入力線31の電位を電源部91から供給される電源電圧に基づいて高く設定することができる。このため、第1スイッチ部10のオン動作後に負荷93側の導電路52(P−GND)の電位が上昇した場合であっても、第1入力線31の電位V5と負荷93側の導電路52(P−GND)の電位V3との差が大きく確保されることになる。ゆえに、第1スイッチ部10において誤った遮断動作がなされることをより確実に防ぐことができる。
本構成では、第2スイッチ部20は、第1半導体素子21と第2半導体素子22とを備えている。そして、第1半導体素子21は、第2入力線32に接続されるとともに電源路51と第1入力線31との間に配置され、電源路51に対する第2入力線32の電位が所定の低電位状態である場合に電源路51と第1入力線31との間を導通させ、電源路51に対する第2入力線32の電位が所定の低電位状態でない場合に電源路51と第1入力線31との間の導通を遮断する構成をなす。また、第2半導体素子22は、第3入力線33に接続されるとともに第2入力線32と基準導電路54との間に配置され、第3入力線33に駆動信号が与えられた場合に第2入力線32と基準導電路54との間を導通させ、第3入力線33に非駆動信号が与えられた場合に第2入力線32と基準導電路54との間の導通を遮断する構成をなす。
この構成によれば、制御部3による駆動信号の出力時に第2半導体素子22をオン動作させて第2入力線32と基準導電路54との間を導通させることができる。第2入力線32と基準導電路54との間が導通した場合には、第2入力線32の電位が低下するため、電源路51に対する第2入力線32の電位を所定の低電位状態に切り替えることができる。このような動作により、電源路51と第1入力線31との間を導通させて第1入力線31の電位を高くし、第1スイッチ部10をオン状態にすることができる。
一方、制御部3による非駆動信号の出力時には第2半導体素子22をオフ動作させ、第2入力線32と基準導電路54との間の導通を遮断することができる。このときには、第2入力線32の電位が相対的に高くなり、「所定の低電位状態」から外れた状態に切り替えられる。このような動作により、電源路51と第1入力線31との間の導通を遮断して第1入力線31の電位を低くし、第1スイッチ部10をオフ状態にすることができる。
<他の実施例>
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
(1)上述した実施例では、IPDとして構成される第1スイッチ部10の基本機能として、第1入力線31の電位と電力路50における負荷93側の導電路52(P−GND)の電位との差が所定値を超える場合に半導体スイッチ素子12がオン動作し、超えない場合に半導体スイッチ素子12がオフ動作する例を示したが、いずれの例においても、第1スイッチ部10は、この基本構成に加えて公知の保護機能を備えたものとすることができる。保護機能としては、例えば、電力路50の電流を監視し、電力路50の過電流を検出した場合に制御回路14が上記基本機能よりも優先して半導体スイッチ素子12をオフ動作させるような機能であってもよく、これ以外の公知の保護機能が設けられていてもよい。
(2)上述した実施例では、ユーザの所定操作によって駆動指示が与えられ、所定操作がなされていないときに駆動停止指示が与えられる構成を例示したが、この構成に限定されない。いずれの例においても、例えば負荷駆動装置1の外部に設けられた電子制御装置などから制御部3に対して駆動指示や駆動停止指示が与えられてもよい。
(3)上述した実施例では、スイッチ部10がIPDとして構成された例を示したが、制御回路14を省略した構成とし、ゲートが第1入力線31に接続されたNチャネル型MOSFETによってスイッチ部10を構成してもよい。
(4)上述した実施例では、第2スイッチ部の一例として、第1半導体素子や第2半導体素子を用いた一例を示したが、上述した思想を実現できる構成であればよい。例えば、図2で示す車載システム200に設けられた負荷駆動装置201のように、MOSFETとして構成された第2半導体素子222を用いてもよい。なお、図3の車載システム200は、第2半導体素子22に代えて第2半導体素子222を用いた点のみが実施例1の説明で例示した車載システム100と異なり、それ以外は車載システム100と同様である。図3では、第2半導体素子222のゲートに第3入力線33が接続され、ドレインには抵抗部44を介して第2入力線32が接続され、ソースには基準導電路34が接続されている。この構成でも、制御部3から駆動信号が出力されたときに第2半導体素子222がオン動作し、制御部3から非駆動信号が出力されたときに第2半導体素子222がオフ動作する。それ以外の構成、機能は実施例1と同様である。
1,201…負荷駆動装置
3…制御部
10…第1スイッチ部
20…第2スイッチ部
21…第1半導体素子
22,222…第2半導体素子
31…第1入力線
32…第2入力線
33…第3入力線
50…電力路
54…基準導電路
91…電源部
93…負荷

Claims (3)

  1. 基準導電路に電気的に接続され、駆動信号と非駆動信号とを出力する制御部と、
    第1入力線に接続されると共に電源部と負荷との間に配置された電力路を通電状態と非通電状態とに切り替える構成をなし、前記第1入力線の電位と前記電力路における前記負荷側の導電路の電位との差が所定値を超える場合に前記電力路を通電状態とする第1スイッチ部と、
    前記制御部が前記駆動信号を出力した場合に前記電源部に電気的に接続された電源路と前記第1入力線との間を導通させ、前記制御部が前記非駆動信号を出力した場合に前記電源路と前記第1入力線との間の導通を遮断する第2スイッチ部と、
    抵抗部と、
    を有し、
    前記第2スイッチ部は、
    第2入力線に接続されるとともに前記電源路と前記第1入力線との間に配置され、前記電源路に対する前記第2入力線の電位が所定の低電位状態である場合に前記電源路と前記第1入力線との間を導通させ、前記電源路に対する前記第2入力線の電位が前記所定の低電位状態でない場合に前記電源路と前記第1入力線との間の導通を遮断する第1半導体素子と、
    第3入力線に接続されるとともに前記第2入力線と前記基準導電路との間に配置され、前記第3入力線に前記駆動信号が与えられた場合に前記第2入力線と前記基準導電路との間を導通させ、前記第3入力線に前記非駆動信号が与えられた場合に前記第2入力線と前記基準導電路との間の導通を遮断する第2半導体素子と、
    を備え、
    前記第1半導体素子の一端は、前記電源路に電気的に接続され、
    前記抵抗部の一端は前記第1半導体素子の他端と前記第1入力線との間に電気的に接続され、前記抵抗部の他端は前記負荷側の導電路に電気的に接続され、
    前記基準導電路は、前記負荷側の導電路とは異なる導電路であり且つグラウンド電位に保たれる導電路であり、
    前記第3入力線に前記駆動信号が与えられた場合に前記第2半導体素子がオン動作して前記第2入力線と前記基準導電路との間を導通させることにより前記第2入力線が前記所定の低電位状態となり、前記第2半導体素子のオン動作に応じて前記第1半導体素子がオン動作して前記電源路と前記第1入力線との間を導通させ、前記第1半導体素子のオン動作に応じて前記第1スイッチ部が前記電力路を通電状態に切り替え、
    前記第3入力線に前記非駆動信号が与えられた場合に前記第2半導体素子がオフ動作して前記第2入力線と前記基準導電路との間を遮断することにより前記第2入力線が前記所定の低電位状態から外れた状態となり、前記第2半導体素子のオフ動作に応じて前記第1半導体素子がオフ動作して前記電源路と前記第1入力線との間を遮断し、前記第1半導体素子のオフ動作に応じて前記第1スイッチ部が前記電力路を非通電状態に切り替える負荷駆動装置。
  2. 前記負荷がモータである請求項1に記載の負荷駆動装置。
  3. 第2の抵抗部を有し、
    前記第2の抵抗部の一端は、前記第1半導体素子の他端に電気的に接続され、前記第2の抵抗部の他端は、前記第1入力線に電気的に接続されている請求項1又は請求項2に記載の負荷駆動装置。
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