特許第6024624号(P6024624)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6024624
(24)【登録日】2016年10月21日
(45)【発行日】2016年11月16日
(54)【発明の名称】負荷駆動装置
(51)【国際特許分類】
   H03K 17/16 20060101AFI20161107BHJP
【FI】
   H03K17/16 H
【請求項の数】7
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2013-178060(P2013-178060)
(22)【出願日】2013年8月29日
(65)【公開番号】特開2015-46826(P2015-46826A)
(43)【公開日】2015年3月12日
【審査請求日】2015年12月14日
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】100106149
【弁理士】
【氏名又は名称】矢作 和行
(74)【代理人】
【識別番号】100121991
【弁理士】
【氏名又は名称】野々部 泰平
(74)【代理人】
【識別番号】100145595
【弁理士】
【氏名又は名称】久保 貴則
(72)【発明者】
【氏名】黒田 隆雄
【審査官】 白井 亮
(56)【参考文献】
【文献】 特開2013−120971(JP,A)
【文献】 特開2008−276727(JP,A)
【文献】 特開2006−014491(JP,A)
【文献】 特開2004−148869(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H03K 17/16
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
高電位電源(13)と低電位電源(14)との間に配置され、負荷(12)への通電電流を制御するためにスイッチング駆動されるスイッチング素子(4)と、
前記スイッチング素子によって制御される前記負荷への通電電流が流れるインダクタ(2)を有するフィルタ回路(1〜3)と、
前記高電位電源から前記フィルタ回路を経由して前記低電位電源へと電流が流れる電流経路内に配置された電界効果トランジスタ(5、18)と、
前記インダクタの両端の電位差を検出し、その検出した電位差が大きくなるほど、前記電界効果トランジスタのドレイン電流が減少するようにゲート電位を変化させる電位可変手段(6〜11、15〜17、19〜22)と、を備えることを特徴とする負荷駆動装置。
【請求項2】
前記フィルタ回路は、前記スイッチング素子と前記高電位電源との間に設けられ、
前記電位可変手段(6〜11)は、前記インダクタの前記スイッチング素子側の電位が、前記高電位電源側の電位よりも上昇したとき、前記電界効果トランジスタのドレイン電流が減少するようにゲート電位を変化させることを特徴とする請求項1に記載の負荷駆動装置。
【請求項3】
前記フィルタ回路は、前記スイッチング素子と前記高電位電源との間に設けられ、
前記電位可変手段(6〜9、10A、11A)は、前記インダクタの前記高電位電源側の電位が、前記スイッチング素子側の電位よりも上昇したとき、前記電界効果トランジスタのドレイン電流が減少するようにゲート電位を変化させることを特徴とする請求項1又は2に記載の負荷駆動装置。
【請求項4】
前記電界効果トランジスタ(5)は、前記スイッチング素子よりも前記低電位電源側に設けられることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の負荷駆動装置。
【請求項5】
前記電界効果トランジスタは、前記高電位電源と、前記低電位電源とに対して、電源の極性が逆に接続されたときに、逆電流が流れることを防止するためのものであることを特徴とする請求項4に記載の負荷駆動装置。
【請求項6】
前記電界効果トランジスタ(18)は、前記インダクタよりも前記高電位電源に近い位置に設けられることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の負荷駆動装置。
【請求項7】
前記電界効果トランジスタは、前記負荷駆動装置が停止する際に、暗電流が流れることを防止するためのものであることを特徴とする請求項6に記載の負荷駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、スイッチング素子をスイッチング駆動することにより、負荷への通電電流を制御する負荷駆動装置に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、特許文献1には、負荷と直列に接続された駆動用トランジスタに制御信号としてのPWM信号を出力して、負荷をスイッチング駆動する装置が記載されている。このような装置において、駆動用トランジスタのスイッチングによって発生するスイッチングノイズ(リップル電圧)が電源に回り込むと、同一電源から電力を取る他の機器の作動に悪影響を及ぼしたり、その電源に回り込んだノイズによって電磁波ノイズを誘発したりする。そのため、この特許文献1の装置では、駆動用トランジスタ(負荷)と電源との間にπ型フィルタを挿入して、スイッチングノイズを抑制するようにしている。
【0003】
また、特許文献1の装置では、電源が逆極性にて装置に接続された場合の保護のため、駆動用トランジスタよりも負側の電源に近い位置に保護用トランジスタを設けている。この保護用トランジスタは、電源の逆接続時に遮断状態とされ、装置の電子回路等を保護する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2008−276727号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上述したπ型フィルタは、1個のインダクタ(コイル)と2個のコンデンサとからなり、その中で、インダクタは、負荷へ通電される電流が流れる電流経路に直列に挿入される。
【0006】
ここで、駆動用トランジスタがオン状態からオフ状態に変化すると、負荷の通電電流はゼロとなるが、π型フィルタにおいては、電源からインダクタを介して電流が流れ続けて、π型フィルタの駆動用トランジスタ(負荷)側のコンデンサが充電される。その結果、インダクタの駆動用トランジスタ側の電位が、電源側の電位よりも高くなる。逆に、駆動用トランジスタがオフ状態からオン状態に変化した場合には、インダクタを流れる電流は徐々にしか増加しないので、インダクタの電源側の電位が、駆動用トランジスタ側の電位よりも高くなる。
【0007】
このように、スイッチング素子のスイッチング駆動によりインダクタの両端電位に差が生じると、インダクタには、その電位差に応じた大きさの電流が流れる。この際、インダクタの両端電位差が大きくなり、インダクタに流れる電流も大きくなると、インダクタの抵抗成分による発熱量が増加するという問題が生じる。例えば、インダクタとして、回路基板に表面実装可能な小型のコイルを用いた場合、その小型のコイルは、スイッチング駆動される駆動用トランジスタよりも高熱になることもあり、実装上の大きな課題となる。
【0008】
本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、スイッチングノイズの抑制のためにインダクタを含むフィルタを用いた場合であっても、インダクタの過度の発熱を防止することが可能な負荷駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するために、本発明による負荷駆動装置は、
高電位電源(13)と低電位電源(14)との間に配置され、負荷(12)への通電電流を制御するためにスイッチング駆動されるスイッチング素子(4)と、
スイッチング素子によって制御される負荷への通電電流が流れるインダクタ(2)を有するフィルタ回路(1〜3)と、
高電位電源からフィルタ回路を経由して低電位電源へと電流が流れる電流経路内に配置された電界効果トランジスタ(5、18)と、
インダクタの両端の電位差を検出し、その検出した電位差が大きくなるほど、電界効果トランジスタのドレイン電流が減少するようにゲート電位を変化させる電位可変手段(6〜11、15〜17、19〜22)と、を備えることを特徴とする。
【0010】
上記構成により、インダクタの両端電位差が大きくなるほど、高電位電源からフィルタ回路を経由して低電位電源へと電流が流れる電流経路内に配置された電界効果トランジスタのドレイン電流が減少される。換言すれば、インダクタの両端電位差が大きくなるほど、電界効果トランジスタによる抵抗成分が高められることになる。このため、結果的に、インダクタの両端に生じる電位差を抑えることができ、インダクタに流れる電流の大きさを低減することが可能となる。それにより、インダクタの発熱を抑制することができる。
【0011】
なお、上記括弧内の参照番号は、本発明の理解を容易にすべく、後述する実施形態における具体的な構成との対応関係の一例を示すものにすぎず、なんら本発明の範囲を制限することを意図したものではない。
【0012】
また、上述した特徴以外の、特許請求の範囲の各請求項に記載した技術的特徴に関しては、後述する実施形態の説明及び添付図面から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】第1実施形態による負荷駆動装置の構成を示した構成図である。
図2】第2実施形態による負荷駆動装置の構成を示した構成図である。
図3】第3実施形態による負荷駆動装置の構成を示した構成図である。
図4】第4実施形態による負荷駆動装置の構成を示した構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態による負荷駆動装置に関して、図面を参照しつつ説明する。図1は、本実施形態による負荷駆動装置の構成を示した構成図である。なお、本実施形態による負荷駆動装置は、例えば車両に搭載され、車載バッテリを電源として、モータ等の負荷を駆動するために好適なものである。ただし、用途は車載用に限られる訳ではない。
【0015】
図1に示すように、負荷駆動装置は、高電位電源であるバッテリ電源(+B)13と、低電位電源であるGND14との間で、負荷12と直列に接続されたスイッチング素子であるnチャネルMOSFET4を有している。負荷12は、例えばモータである。MOSFET4は、図示しない制御部から出力されるPWM信号に従ってオン、オフされる。このPWM信号のデューティ比を制御することにより、負荷12であるモータの速度が可変される。なお、負荷12として、モータ以外の電気的負荷を適用しても良い。また、図1には、MOSFET4により、ローサイド駆動する例を示したが、pチャネルMOSFETを負荷12のバッテリ電源13側に接続し、ハイサイド駆動を行っても良い。
【0016】
ここで、本実施形態の負荷駆動装置においては、上述したように、MOSFET4がPWM信号に従いスイッチング駆動される。そのため、バッテリ電源13とGND14との間の電源ラインに、スイッチングノイズ(リップル電圧)が発生する。このスイッチングノイズが、バッテリ電源13側に回り込んでしまうと、同じバッテリ電源13から電力を取る他の機器の作動に悪影響を及ぼしたり、そのバッテリ電源13に回り込んだノイズによって電磁波ノイズを誘発したりする。そのため、本実施形態の負荷駆動装置では、MOSFET4(負荷12)とバッテリ電源13との間に、インダクタ(コイル)2とコンデンサ1、3とからなるπ型フィルタを設けている。このπ型フィルタにより、バッテリ電源13側に回り込むスイッチングノイズ(リップル電圧)を小さくすることができる。
【0017】
π型フィルタを構成するコンデンサ1、3の内、インダクタ2よりもバッテリ電源13側の電源ラインとGND14との間に設けられたコンデンサ1は、例えばチップコンデンサ又は電界コンデンサからなる。そして、その容量は、主として、必要とされるフィルタ定数によって決まる。一方、インダクタ2よりも負荷12側の電源ラインとGND14との間に設けられたコンデンサ3は、例えば電界コンデンサからなる。そして、その容量は、MOSFET4によるスイッチング動作時に、負荷12に十分な電流を供給できるように、比較的大容量に設定される。
【0018】
π型フィルタを構成するインダクタ2は、バッテリ電源13とGND14との間の電源ライン、すなわち、負荷電流が流れる経路上に挿入されている。そのため、MOSFET4のスイッチング動作に同期して、周期的に、インダクタ2の両端に電位差が発生する。より具体的には、MOSFET4がオン状態からオフ状態に変化すると、負荷12の通電電流はゼロとなるが、π型フィルタにおいては、バッテリ電源13からインダクタ2を介して電流が流れ続けて、π型フィルタの負荷12側のコンデンサ3が充電される。そのため、インダクタ2の負荷12側の電位が、バッテリ電源13側の電位よりも高くなる。逆に、MOSFET4がオフ状態からオン状態に変化した場合には、インダクタ2を流れる電流は徐々にしか増加しない。そのため、インダクタ2のバッテリ電源13側の電位が、負荷12側の電位よりも高くなる。
【0019】
このように、インダクタ2の両端の電位に差が生じると、インダクタ2には、その電位差に応じた大きさの電流が流れる。この際、インダクタ2の両端電位差が大きくなり、インダクタ2に流れる電流も大きくなると、インダクタ2の抵抗成分による発熱量が増加して、インダクタ2の温度が上昇する。本実施形態による負荷駆動装置は、このようなインダクタ2の温度上昇を抑制するための構成を備えている。以下、その構成について詳しく説明する。
【0020】
まず、インダクタ2のバッテリ電源13側の電源ラインから分岐し、GND14に至る経路に、抵抗6、7の直列回路が設けられている。また、インダクタ2の負荷12側(MOSFET4側)の電源ラインから分岐し、GND14に至る経路に、抵抗8、9の直列回路が設けられている。そして、抵抗6、7の直列回路の中点電位が、オペアンプ10の非反転端子に入力され、抵抗8、9の直列回路の中点電位が、オペアンプ10の反転端子に入力される。なお、オペアンプ10においては、当該オペアンプ10における入力電位差の差動増幅を安定化させるため、抵抗11を介して負帰還がかけられている。
【0021】
このような構成により、オペアンプ10の出力は、インダクタ2のバッテリ電源13側の電位が、負荷12側の電位よりも高くなるほど、大きくなる。逆に、インダクタ2の負荷12側の電位が、バッテリ電源13側の電位よりも高くなるほど、小さくなる。
【0022】
オペアンプ10の出力は、バッテリ電源13からπ型フィルタを経由してGND14へと電流が流れる電流経路内に配置されたnチャネルMOSFET5のゲートに接続されている。このMOSFET5は、バッテリ電源13及びGND14が、負荷駆動装置に接続されるときに、誤って電源の極性を逆に接続してしまった場合に、負荷駆動装置に逆向きの電流が流れることを防止するためのものである。すなわち、電源の極性を逆に接続した場合には、インダクタ2などに電流は流れないため、MOSFET5はオフしたままとなる。これにより、負荷駆動装置内の電子回路やMOSFET4などを保護することができる。
【0023】
そして、本実施形態では、電源の逆接続時の保護用に設けられているMOSFET5を利用して、インダクタ2に過大な電流が流れることを抑制するようにした。つまり、上述したように、オペアンプ10の出力は、インダクタ2の負荷12側の電位が、バッテリ電源13側の電位よりも高くなるほど、小さくなる。MOSFET5のゲートには、オペアンプ10の出力が接続されているので、インダクタ2の負荷12側の電位が、バッテリ電源13側の電位よりも高くなるほど、MOSFET5のドレイン電流は減少することになる。換言すれば、インダクタ2の負荷12側の電位が、バッテリ電源13側の電位よりも高くなるほど、MOSFET5の抵抗成分が高められることになる。
【0024】
そのため、MOSFET4がオフされた後に、インダクタ2を流れて、コンデンサ3を充電する電流を抑制することができる。このため、結果的に、インダクタ2の両端に生じる電位差を抑えることができる。従って、インダクタ2に流れる電流の大きさを低減することが可能となり、インダクタ2の発熱を抑制することができる。
【0025】
なお、MOSFET5の抵抗成分を高めることにより、MOSFET5は発熱する。ただし、このMOSFET5の発熱は、インダクタ2の発熱の一部をMOSFET5が受け持つことによるものである。つまり、従来、インダクタ2のみで受け持っていた発熱が、インダクタ2とMOSFET5とで分担される。このように、発熱する部分がインダクタ2とMOSFET5とに分散されることにより、個々の発熱量を低減することができる。
【0026】
さらに、π型フィルタが、バッテリ電源13と負荷12(MOSFET4)との間に設けられ、GND14と負荷12(MOSFET4)との間にはなんらフィルタ回路が設けられていない場合、インピーダンス的にアンバランスな状態となる。しかし、本実施形態のように、GND14と負荷12(MOSFET14)との間に挿入されたMOSFET5の抵抗成分を可変することにより、MOSFET4に対して、バッテリ電源13側と、GND14側のインピーダンスのバランスを取ることができる。その結果、GND14側の配線におけるノイズ低減という効果も得られる。
【0027】
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による負荷駆動装置について説明する。
【0028】
上述した第1実施形態の負荷駆動装置は、インダクタ2の負荷12側の電位が、バッテリ電源13側の電位よりも高くなるほど、MOSFET5のドレイン電流を減少させるものであった。それに対して、本実施形態の負荷駆動装置では、インダクタ2のバッテリ電源13側の電位が、負荷12側の電位よりも高くなるほど、MOSFET5のドレイン電流を減少させるようにしたものである。
【0029】
つまり、本実施形態による負荷駆動装置は、図2に示すように、インダクタ2のバッテリ電源13側の抵抗6、7の直列回路の中点電位を、オペアンプ10Aの反転端子に入力する。一方、インダクタ2の負荷12側の抵抗8、9の直列回路の中点電位はオペアンプ10Aの非反転端子に入力する。なお、オペアンプ10Aには、抵抗11Aを介して負帰還がかけられている。
【0030】
このようにすることにより、オペアンプ10Aの出力は、インダクタ2のバッテリ電源13側の電位が、負荷12側の電位よりも高くなるほど、小さくなる。そのため、MOSFET5のドレイン電流も、インダクタ2のバッテリ電源13側の電位が、負荷12側の電位よりも高くなるほど、減少されるようになる。
【0031】
このような構成を採用しても、第1実施形態の場合と同様に、結果的に、インダクタ2の両端に生じる電位差を抑えることができる。従って、インダクタ2に流れる電流の大きさを低減して、インダクタ2の発熱を抑制することができる。
【0032】
なお、図2に示す構成を採用する場合には、インダクタ2の両端の電位差が実質的に等しい場合に、オペアンプ10Aの非反転端子に入力される電位が、反転端子に入力される電位よりも高くなるように、分圧抵抗6〜9の抵抗値を設定することが好ましい。これにより、不必要に、MOSFET5のドレイン電流を絞ることを回避することができる。
【0033】
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による負荷駆動装置について説明する。
【0034】
本実施形態による負荷駆動装置は、第1実施形態における負荷駆動装置の電位差検出機能と、第2実施形態における負荷駆動装置の電位差検出機能とを両方とも備える点に特徴がある。
【0035】
そのため、本実施形態による負荷駆動装置は、図3に示すように、オペアンプ10とオペアンプ10Aの、2個のオペアンプを備えている。オペアンプ10は、第1実施形態の場合と同様に、インダクタ2の負荷12側の電位が、バッテリ電源13側の電位よりも高くなるほど、その出力が小さくなるように機能する。一方、オペアンプ10Aは、第2実施形態の場合と同様に、インダクタ2のバッテリ電源13側の電位が、負荷12側の電位よりも高くなるほど、その出力が小さくなるように機能する。
【0036】
オペアンプ10の出力は、ダイオード17を介して、MOSFET5のゲートに接続される。同様に、オペアンプ10Aの出力は、ダイオード16を介して、MOSFETのゲートに接続される。なお、各ダイオード16、17は、MOSFET5のゲートから各オペアンプ10、10Aの出力に向かう向きが順方向となるように、接続されている。そして、各オペアンプ10、10Aの出力を、MOSFET5のゲートに接続する接続線は、抵抗15を介して、負荷12(MOSFET4)よりもバッテリ電源13側の電源ラインに接続されている。
【0037】
このような構成を採用したことにより、MOSFET5のゲートには、オペアンプ10が出力する電位と、オペアンプ10Aが出力する電位とのいずれか低い方の電位が印加される。このため、第3実施形態の負荷駆動装置によれば、インダクタ2の負荷12側の電位が、バッテリ電源13側の電位よりも高くなるほど、MOSFET5のドレイン電流を減少させることができることに加え、インダクタ2のバッテリ電源13側の電位が、負荷12側の電位よりも高くなるほど、MOSFET5のドレイン電流を減少させることが可能となる。
【0038】
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態による負荷駆動装置について説明する。
【0039】
本実施形態の負荷駆動装置は、前述した第1〜第3実施形態の負荷駆動装置と異なり、負荷駆動装置が停止しているときに、当該負荷駆動装置に暗電流が流れることを防止するためのMOSFET18を利用して、インダクタ2に過大な電流が通電されることを抑制するものである。以下、図4を参照して、本実施形態に係る負荷駆動装置について説明する。
【0040】
MOSFET18は、pチャネルMOSFETであり、図4に示すように、インダクタ2よりもバッテリ電源13側の電源ラインに挿入されている。MOSFET18のゲートは、抵抗22及びトランジスタ23を介して、GND14に接続されている。
【0041】
負荷駆動装置が動作を開始すべき条件が成立すると、図示しない制御部がトランジスタ23をオンするためのオン信号を出力する。すると、MOSFET18のゲートがGND14に接地されるので、MOSFET18が導通状態となり、負荷駆動装置が動作可能となる。一方、負荷駆動装置が動作を終了すべき条件が成立すると、制御部がトランジスタ23をオフする。すると、MOSFET18が遮断状態となり、負荷駆動装置に暗電流が流れることが防止される。
【0042】
そして、本実施形態においては、インダクタ2の両端の電位差を増幅して出力するオペアンプ20の出力が、抵抗21を介して、抵抗22とMOSFET18のゲートとの間に接続されている。
【0043】
本実施形態では、オペアンプ20の出力は、インダクタ2の負荷12側の電位が、バッテリ電源13側の電位よりも大きくなるほど、大きくなるように構成されている。このため、インダクタ2の負荷12側の電位が、バッテリ電源13側の電位よりも大きくなるほど、MOSFET18のゲートに印加される電位が上昇して、MOSFET18のドレイン電流が絞られる。このため、上述した第1〜第3実施形態の負荷駆動装置と同様に、インダクタ2の両端に生じる電位差を抑えることができ、インダクタ2の発熱を抑制することができる。
【0044】
本実施形態のように、暗電流を防止するためのMOSFET18を用いる場合においても、第2実施形態と同様に、インダクタ2のバッテリ電源13側の電位が、負荷12側の電位よりも大きくなるほど、MOSFET18のドレイン電流を絞るように構成しても良い。さらに、第3実施形態と同様に、インダクタ2の両端の電位のいずれか一方が他方よりも高くなるにつれて、MOSFET18のドレイン電流を減少させるように構成しても良い。
【0045】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した各実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能なものである。
【0046】
例えば、上述した第1〜第4実施形態では、電源の逆接続時の保護用のMOSFET5や暗電流を防止するためのMOSFET18を利用して、インダクタ2に過大な電流が流れることを抑制するようにした。しかしながら、インダクタ2の端子電圧に差が生じた場合に、ドレイン電流を減少させるためのMOSFETとして、専用のMOSFETを設けても良い。
【0047】
また、上述した第1〜第4実施形態では、スイッチングノイズを抑制するためのπ型フィルタを、スイッチング素子であるMOSFET4よりもバッテリ電源13側に設けたが、GND14側に設けても良い。
【符号の説明】
【0048】
1…コンデンサ、2…インダクタ(コイル)、3…コンデンサ、4…MOSFET、5…MOSFET、6〜9…抵抗、10、10A…オペアンプ、11、11A…抵抗、12…負荷、13…バッテリ電源、14…GND
図1
図2
図3
図4