JP6322957B2 - 過電流保護回路 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子がオンであるときに、通流する電流によるスイッチング素子の両端の差電圧値を検出し、検出した差電圧値が所定電圧値より大きいときに、スイッチング素子をオフにする過電流保護回路に関するものである。

図５は、車両に使用される従来の過電流保護回路の要部構成例を示す回路図である。
この過電流保護回路は、バッテリ１１のプラス電極、及び負荷１０の電源端子間に接続されたスイッチング素子７を保護する回路である。負荷１０の接地端子は接地されている。
スイッチング素子７は、ドレインがバッテリ１１のプラス電極に接続されたＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）８、及びドレインが負荷に接続されたＮチャネルＭＯＳＦＥＴ９の各ソースが突き合わせに接続されて構成されている。ＦＥＴ８，９は、ドライバ（駆動回路）５により同時的にオン又はオフに駆動制御される。

バッテリ１１のプラス電極には、また、抵抗４の一方の端子が接続され、抵抗４の他方の端子は、定電流回路３の入力端子、及び比較器２の非反転入力端子に接続されている。定電流回路３の出力端子は接地され、比較器２の反転入力端子は抵抗６を通じて負荷１０の電源端子に接続されている。

比較器２の出力端子は、論理積回路１の一方の入力端子に接続され、論理積回路１の他方の入力端子には、マスク信号の反転信号が入録され、論理積回路１の出力はドライバ（駆動回路）５に与えられる。マスク信号、及びドライバへの指令信号は、負荷１０の図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）から与えられる。

以下に、このような構成の過電流保護回路の動作の例を、それを示す図６，７のタイミングチャートを参照しながら説明する。
バッテリ１１の出力電圧値は一定とする（図６Ａ，図７Ａ）。
定電流回路３は、抵抗４に定電流を通流させることにより、降下電圧の閾値電圧を作成している。比較器２は、スイッチング素子７に過電流が流れて、スイッチング素子７のオン抵抗による降下電圧値が、抵抗４の定電流による降下電圧値より大きい（電圧値としては低くなる）ときに、プラス信号を出力して、ドライバ５を停止させれば良い。

しかし、スイッチング素子７がオフのとき（図６Ｂ、図７Ｂ）は、スイッチング素子７の両端の差電圧値（図６Ｃ、図７Ｃスイッチング素子の電位差）は、バッテリ１１の電圧値レベルとなって、閾値電圧を超えてしまう。その為、スイッチング素子７がオフの期間、及びオフ／オンの過渡期間は、比較器２の出力を無効とするマスク期間（図６Ｅ，図７Ｅ）を設ける必要がある。
この過電流保護回路では、マスク期間は論理積回路１の他方の入力端子にマスク信号の反転信号を与えるように構成しており、マスク期間は、比較器２の出力信号がプラスになっても、論理積回路１はＬレベル信号を出力し続け、ドライバ５を停止させない。

以上より、この過電流保護回路は、ドライバ５の出力がオフのとき（図６Ｂ、図７Ｂ）、マスク信号が与えられてマスク期間となっており（図６Ｅ、図７Ｅ）、スイッチング素子７の両端の差電圧値（図６Ｃ、図７Ｃスイッチング素子の電位差）は、閾値電圧（過電流検出閾値）を超えているが、比較器２の出力信号は無効とされている。

ドライバ５の出力がオフからオンへ変化する過渡期間（図６Ｂ）も、マスク信号が与えられてマスク期間となっており（図６Ｅ）、スイッチング素子７の両端の差電圧値（図６Ｃスイッチング素子の電位差）は、閾値電圧（過電流検出閾値）を超えているが、比較器２の出力信号は無効とされている。
ドライバ５の出力が安定的にオンを維持している期間（図６Ｂ）、マスク信号は与えられず非マスク期間となっている（図６Ｅ）。

この状態で、負荷１０の電源端子側で地絡が発生すると（図６Ｄ）、スイッチング素子７に通流する電流が増加し（図６Ｄ）、スイッチング素子７の両端の差電圧値（図６Ｃ）は、閾値電圧（過電流検出閾値）を超えて行く。これにより、比較器２はプラス信号を出力し、論理積回路１はＨレベルの過電流検出信号を出力し、ドライバ５の出力信号はオンからオフへ変化し（図６Ｂ）、スイッチング素子７に通流する電流は、破壊電流に達する前に減少し始め０になる（図６Ｄ）。

特許文献１には、半導体素子のオン抵抗の偏差±ΔＲonの影響を受けることなく、高精度な過電流検出が可能な負荷回路の過電流保護装置が開示されている。

特開２００９−２９６３６７号公報

上述したように、従来の過電流保護回路では、スイッチング素子７がオフの期間、及びオフ／オンの過渡期間にマスク期間（図６Ｅ）を設けているので、誤検出しない。しかし、スイッチング素子７がオフであり、マスク期間であるときに（図７Ｅ）、負荷１０の電源端子側に地絡が発生した後、マスク期間であるスイッチング素子７のオフ／オンの過渡期間に、スイッチング素子７の通流電流が増加しても、過電流は検出できず、破壊電流に達してしまう（図７Ｄ）という問題がある。
尚、スイッチング素子７の両端の差電圧値（図７Ｃ）は、負荷１０の電源端子側が地絡しているので、略（バッテリ１１の出力電圧値−過断流検出の閾値電圧）に維持される。

上述した過電流保護回路は、電源が１系統であるが、スイッチング素子が例えばメインバッテリ及びサブバッテリ間に接続されている場合でも、同様の問題が発生する。
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、過電流検出のマスク期間に地絡が発生した場合でも、対応することが可能な過電流保護回路を提供することを目的とする。

第１発明に係る過電流保護回路は、通流する電流によるスイッチング素子の両端の差電圧値を検出し、前記スイッチング素子がオンではない場合に前記差電圧値の検出を禁止し、検出した差電圧値が所定電圧値より大きいときに、前記スイッチング素子をオフにする過電流保護回路において、前記両端の電圧値をそれぞれ個別に検出する検出回路と、該検出回路がそれぞれ個別に検出した電圧値の何れかが所定値より低いときは、前記スイッチング素子をオンにすることを禁止する手段とを備え、前記スイッチング素子は、主蓄電池及び該主蓄電池を補助する補助蓄電器間に接続されており、前記両端の電圧値は、前記主蓄電池及び補助蓄電器の各出力電圧値であることを特徴とする。

この過電流保護回路では、スイッチング素子がオンであるときに、通流する電流によるスイッチング素子の両端の差電圧値を検出し、検出した差電圧値が所定電圧値より大きいときに、スイッチング素子をオフにする。検出回路が、スイッチング素子の両端の電圧値をそれぞれ個別に検出し、検出回路がそれぞれ個別に検出した電圧値の何れかが所定値より低いときは、禁止する手段が、スイッチング素子をオンにすることを禁止する。
また、この過電流保護回路では、スイッチング素子は、主蓄電池、及び主蓄電池を補助する補助蓄電器間に接続され、スイッチング素子の両端の電圧値は、主蓄電池及び補助蓄電器の各出力電圧値である。

第２発明に係る過電流保護回路は、前記検出回路は、前記両端の電圧値をそれぞれ個別に入力値とする否定論理積回路又は論理積回路であることを特徴とする。

この過電流保護回路では、検出回路は、スイッチング素子の両端の電圧値をそれぞれ個別に入力値とする否定論理積回路又は論理積回路であるので、スイッチング素子の両端の電圧値をそれぞれ個別に検出器により検出することなく、電圧値の何れかが所定値より低いか否かを判定できる。

本発明に係る過電流保護回路によれば、過電流検出のマスク期間に地絡が発生した場合でも、対応することが可能な過電流保護回路を実現することができる。また、スイッチング素子をオンにする前から、地絡状態を検知できるので、スイッチング素子７のオフ／オンの過渡期間での過電流検出を考慮する必要がなく、過電流検出のマスク期間の設定が容易になり（長めに設定できる）、誤動作を防ぐことができる。

本発明に係る過電流保護回路の実施の形態の要部構成を示す回路図である。 図１に示す過電流保護回路の動作例を示すタイミングチャートである。 図１に示す過電流保護回路の動作例を示すタイミングチャートである。 本発明に係る過電流保護回路の実施の形態の他の要部構成を示す回路図である。 従来の過電流保護回路の要部構成例を示す回路図である。 図５に示す過電流保護回路の動作例を示すタイミングチャートである。 図５に示す過電流保護回路の動作例を示すタイミングチャートである。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る過電流保護回路の実施の形態の要部構成を示す回路図である。
この過電流保護回路は、メインバッテリ（主蓄電池）１２のプラス電極、及びサブバッテリ（補助蓄電器）１３のプラス電極間に接続されたスイッチング素子７を保護する回路である。サブバッテリ１３のプラス電極には、負荷１０の電源端子が接続され、負荷１０の接地端子は接地されている。

スイッチング素子７は、ドレインがメインバッテリ１２のプラス電極に接続されたＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）８、及びドレインがサブバッテリ１３のプラス電極に接続されたＮチャネルＭＯＳＦＥＴ９の各ソースが突き合わせに接続されて構成されている。ＦＥＴ８，９は、ドライバ（駆動回路）５ａにより同時的にオン又はオフに駆動制御される。

メインバッテリ１２のプラス電極には、また、抵抗４の一方の端子が接続され、抵抗４の他方の端子は、定電流回路３の入力端子、及び比較器２の非反転入力端子に接続されている。定電流回路３の出力端子は接地され、比較器２の反転入力端子は抵抗６を通じてサブバッテリ１３のプラス電極に接続されている。

比較器２の出力端子は、論理積回路１の一方の入力端子に接続され、論理積回路１の他方の入力端子には、マスク信号の反転信号が入力され、論理積回路１の出力はドライバ（駆動回路）５ａに与えられる。マスク信号、及びドライバへの指令信号は、電源系の図示しないＥＣＵ（Electronic ContorolUnit）から与えられる。
メインバッテリ１２のプラス電極、及びサブバッテリ１３のプラス電極は、それぞれ個別に否定論理積回路（ＮＡＮＤ回路、禁止する手段）１４の各入力端子に接続され、否定論理積回路１４の出力信号はドライバ５ａに与えられる。尚、否定論理積回路１４は、ドライバ５ａ側の構成に応じて論理積回路に置換えることが可能である。

以下に、このような構成の過電流保護回路の動作の例を、それを示す図２，３のタイミングチャートを参照しながら説明する。
定電流回路３は、抵抗４に定電流を通流させることにより、降下電圧の閾値電圧を作成している。比較器２は、スイッチング素子７に過電流が流れて、スイッチング素子７のオン抵抗による降下電圧値が、抵抗４の定電流による降下電圧値より大きい（電圧値としては低くなる）ときに、プラス信号を出力して、ドライバ５ａを停止させれば良い。

しかし、スイッチング素子７がオフのとき（図２Ｃ、図３Ｃ）は、スイッチング素子７の両端の差電圧値（図２Ｄ、図３Ｄスイッチング素子の電位差）は、メインバッテリ１２の出力電圧（図２Ａ、図３Ａ）及びサブバッテリ１３の出力電圧（図２Ｂ、図３Ｂ）の差であり、閾値電圧を超えてしまう場合がある。その為、スイッチング素子７がオフの期間、及びオフ／オンの過渡期間は、比較器２の出力を無効とするマスク期間（図２Ｆ，図３Ｆ）を設ける必要がある。
この過電流保護回路では、マスク期間は論理積回路１の他方の入力端子にマスク信号の反転信号を与えるように構成しており、マスク期間は、比較器２の出力信号がプラスになっても、論理積回路１はＬレベル信号を出力し続け、ドライバ５ａを停止させない。

以上より、この過電流保護回路は、ドライバ５ａの出力がオフのとき（図２Ｃ、図３Ｃ）、マスク信号が与えられてマスク期間となっており（図２Ｆ、図３Ｆ）、スイッチング素子７の両端の差電圧値（図２Ｄ、図３Ｄスイッチング素子の電位差）は、閾値電圧（過電流検出閾値）を超えているが、比較器２の出力信号は無効とされている。

ドライバ５ａの出力がオフからオンへ変化する過渡期間（図２Ｃ）も、マスク信号が与えられてマスク期間となっており（図２Ｆ）、スイッチング素子７の両端の差電圧値（図２Ｄスイッチング素子の電位差）は、閾値電圧（過電流検出閾値）を超えているが、比較器２の出力信号は無効とされている。
ドライバ５ａの出力が安定的にオンを維持している期間（図２Ｃ）、マスク信号は与えられず非マスク期間となっている（図２Ｆ）。

この状態で、負荷１０の電源端子側で地絡が発生すると、スイッチング素子７に通流する電流が増加し、スイッチング素子７の両端の差電圧値は、閾値電圧（過電流検出閾値）を超える。これにより、比較器２はプラス信号を出力し、論理積回路１はＨレベルの過電流検出信号を出力し、ドライバ５ａの出力信号はオンからオフへ変化し、スイッチング素子７に通流する電流は、破壊電流に達することなく０になる。

スイッチング素子７がオフであり、マスク期間であるときに（図３Ｆ）、負荷１０の電源端子側に地絡が発生した場合（図３Ｂ）、スイッチング素子７の両端の差電圧値（図３Ｄ）は，メインバッテリ１２の出力電圧レベルに上昇し、比較器２の出力信号はプラスになるが、マスク期間である（図３Ｆ）ので無効とされる。

一方、否定論理積回路１４は、メインバッテリ１２側からの入力はＨレベル、サブバッテリ１３側からの入力はＬレベルとなって、Ｈレベルの電源電圧異常信号をドライバ５ａに与え、動作を禁止させる（図３Ｃ）。その結果、スイッチング素子７は、電流が流れない（図３Ｅ）ので保護される。

尚、本実施の形態では、スイッチング素子７は、ＦＥＴ８及びＦＥＴ９の各ソースが突き合わせに接続されて構成されているが、スイッチング素子７を、図４に示すように、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１５で置き換えることも可能である。ＦＥＴ１５は、ソースをサブバッテリ１３のプラス電極に接続し、ドレインをメインバッテリ１２のプラス電極に接続する。

１ 論理積回路
２ 比較器
３ 定電流回路
４，６ 抵抗
５ａ ドライバ
７ スイッチング素子
８，９，１５ ＦＥＴ
１０ 負荷
１２ メインバッテリ（主蓄電池）
１３ サブバッテリ（補助蓄電器）
１４ 否定論理積回路（禁止する手段）

Claims (2)

1. 通流する電流によるスイッチング素子の両端の差電圧値を検出し、前記スイッチング素子がオンではない場合に前記差電圧値の検出を禁止し、検出した差電圧値が所定電圧値より大きいときに、前記スイッチング素子をオフにする過電流保護回路において、
   前記両端の電圧値をそれぞれ個別に検出する検出回路と、該検出回路がそれぞれ個別に検出した電圧値の何れかが所定値より低いときは、前記スイッチング素子をオンにすることを禁止する手段とを備え、
   前記スイッチング素子は、主蓄電池及び該主蓄電池を補助する補助蓄電器間に接続されており、
   前記両端の電圧値は、前記主蓄電池及び補助蓄電器の各出力電圧値である
   ことを特徴とする過電流保護回路。
2. 前記検出回路は、前記両端の電圧値をそれぞれ個別に入力値とする否定論理積回路又は論理積回路である請求項１に記載の過電流保護回路。

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