特許 7420770 電源制御装置および半導体故障検出方法

(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】

(24)【登録日】2024-01-15

(45)【発行日】2024-01-23

(54)【発明の名称】電源制御装置および半導体故障検出方法

(51)【国際特許分類】

   H03K 17/00 20060101AFI20240116BHJP

   H02J 1/00 20060101ALI20240116BHJP

   H03K 17/12 20060101ALI20240116BHJP

   H03K 17/687 20060101ALI20240116BHJP

【ＦＩ】

H03K17/00 B

H02J1/00 301D

H03K17/12

H03K17/687 A

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021112930

(22)【出願日】2021-07-07

(65)【公開番号】P2023009548

(43)【公開日】2023-01-20

【審査請求日】2022-11-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000006895

【氏名又は名称】矢崎総業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002000

【氏名又は名称】弁理士法人栄光事務所

(72)【発明者】

【氏名】花岡 弘真

【審査官】工藤 一光

(56)【参考文献】

【文献】特表２０２１－５１１７６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－３８０３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－９９０８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ１／００－１／１６

Ｈ０２Ｊ７／００

Ｈ０３Ｋ１７／００

Ｈ０３Ｋ１７／１０

Ｈ０３Ｋ１７／１２

Ｈ０３Ｋ１７／６８７－１７／６９５

Ｇ０１Ｒ３１／２６－３１／２７

Ｇ０１Ｒ３１／３２７－３１／３３３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の半導体スイッチ素子が互いに逆極性で直列に接続された半導体直列回路を有し、
複数の前記半導体直列回路が互いに並列に接続されたスイッチング回路において、前記半導体スイッチ素子の故障を検知するための電源制御装置であって、
基準状態における前記スイッチング回路の入力と出力との間の合成抵抗値の情報を、前記半導体スイッチ素子の全てが導通しているオンの状態における前記スイッチング回路の入力側と出力側との間の回路全体における合成抵抗値の基準抵抗値として予め保持する基準抵抗値保持部と、
前記スイッチング回路の全体を流れる電流の大きさを通電電流として検出する通電電流検出部と、
前記スイッチング回路の入力と出力との間の電位差を入出力電位差として検出する電位差検出部と、
前記基準抵抗値と、前記通電電流検出部が検出した前記通電電流とに基づいて、想定電圧降下を算出する電圧降下算出部と、
前記電位差検出部が検出した前記入出力電位差と、前記電圧降下算出部が算出した前記想定電圧降下とを比較する電圧比較部と、
前記電圧比較部の比較結果に基づいて前記半導体スイッチ素子の故障の有無を識別する故障識別部と、
を備える電源制御装置。

【請求項2】

前記スイッチング回路の近傍における温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部が検出した温度に基づいて前記基準抵抗値を補正する温度補正部と、
を更に備える、
請求項１に記載の電源制御装置。

【請求項3】

前記電位差検出部が検出した前記入出力電位差に基づいて前記基準抵抗値を補正する電圧補正部、を更に備える、
請求項１又は請求項２に記載の電源制御装置。

【請求項4】

前記故障識別部は、前記半導体スイッチ素子の故障有を検知した場合に、所定の外部機器に対する異常検知通知、及び前記スイッチング回路の動作抑制の少なくとも一方を含むフェール制御を実施する、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電源制御装置。

【請求項5】

複数の半導体スイッチ素子が互いに逆極性で直列に接続された半導体直列回路を有し、
複数の前記半導体直列回路が互いに並列に接続されたスイッチング回路において、前記半導体スイッチ素子の故障を検知するための半導体故障検出方法であって、
基準状態における前記スイッチング回路の入力と出力との間の合成抵抗値を、前記半導体スイッチ素子の全てが導通しているオンの状態における前記スイッチング回路の入力側と出力側との間の回路全体における合成抵抗値の基準抵抗値として事前に把握し、
前記スイッチング回路の全体を流れる電流の大きさを通電電流として検出し、
前記スイッチング回路の入力と出力との間の電位差を入出力電位差として検出し、
前記基準抵抗値と、検出した前記通電電流とに基づいて、想定電圧降下を算出し、
検出した前記入出力電位差と、前記想定電圧降下とを比較した結果に基づいて前記半導体スイッチ素子の故障の有無を識別する、
半導体故障検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電源制御装置および半導体故障検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば電気モータのような負荷に対して電源から電力を供給する場合には、負荷の動作のオンオフを切り替えたり、負荷の動作量を調整するために電源と負荷との間にオンオフ制御可能な半導体スイッチ素子を接続するのが一般的である。また、半導体スイッチ素子としてはパワーＭＯＳＦＥＴが用いられる場合が多い。

【0003】

半導体スイッチ素子を採用した様々な装置においては、半導体スイッチ素子の故障に起因して動作不良になる可能性がある。したがって、半導体スイッチ素子の故障を検知するための技術が必要になる。

【0004】

例えば、特許文献１は半導体装置の故障に繋がるような特性劣化を検出するための技術を開示している。特許文献１において、半導体装置（ＩＰＤ）１は、ＩＰＤ１の初期特性値に基づく設定値を記憶する設定値記憶部３と、所定のタイミングにおけるＩＰＤ１の特性値と設定値記憶部３に記憶された設定値とに基づき、ＩＰＤ１の特性劣化を検出する検出回路４とを備える。また、特許文献１の特性劣化検出方法においては、初期特性値に基づき定められた設定値を記憶し、所定のタイミングにおけるＩＰＤ１の特性値と記憶された設定値とに基づき、ＩＰＤ１の特性劣化を検出する。

【0005】

また、特許文献２はシステムの電源冗長性を向上させながらも、半導体素子の部品点数を削減することができるパワー半導体モジュール、及びそのパワー半導体デバイスを備える車両用電源供給システムを開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１１－７１１７４号公報

【文献】特開２０１９－１３５８１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１に開示されている技術は単一の半導体デバイス（ＩＰＤ：Intelligent Power Device）の内部回路に含まれる半導体に発生する故障を検知することを目的としており、複数の半導体スイッチ素子を組み合わせた回路の故障を検知する場合は利用できない。

【0008】

例えば、車両に搭載される電子機器の場合には、車両側から供給される電源の極性が逆になった状態で誤って配線、或いは車載バッテリが接続される可能性が考えられる。また、例えば１２［Ｖ］の電源電圧を供給すべき電子機器に対して２４［Ｖ］などの高い電圧の電源が誤って接続される可能性がある。

【0009】

上記のような誤接続の場合に故障が発生するのを避けるために、車両に搭載される電子機器の場合には回路を保護する機能を搭載する場合が多い。具体例としては、逆極性の電圧印加により異常な電流が流れるのを阻止するために、半導体スイッチ素子と直列にダイオードが接続される。また、このようなダイオードは比較的電力損失が大きく、それを配置するために必要な空間も比較的大きくなる。そこで、ダイオードの代わりに半導体スイッチ素子と同等の別の半導体素子を逆極性で直列に接続する場合がある。

【0010】

また、非常に大きい電流のスイッチングを必要とする回路においては、１つの半導体スイッチ素子を使うだけでは十分な電流スイッチング能力が得られなかったり、十分な信頼性を確保できない可能性がある。

【0011】

したがって、例えば特許文献２の図１等に示されているシステムのように、複数の半導体スイッチ素子を逆極性で直列に接続し、更に複数の半導体スイッチ素子を並列に接続するように構成する場合がある。

【0012】

しかし、上記のように互いに逆極性で複数の半導体スイッチ素子を直列に接続したり、複数の半導体スイッチ素子を並列に接続した場合には、いずれか１つの半導体スイッチ素子に故障が発生した場合の故障検出が困難であった。

【0013】

例えば、並列に接続された複数の半導体スイッチ素子を介して負荷側に電源電力を供給する場合に、いずれか１つの半導体スイッチ素子が故障して非導通（オフ）の状態に固定されたとしても、残りの半導体スイッチ素子を経由して負荷側に電流が流れるので、負荷に流れる電流の有無や出力電圧の高／低を検出するだけでは半導体スイッチ素子の故障を識別できない。

【0014】

また、複数の半導体スイッチ素子が並列に接続された回路において、いずれか１つの半導体スイッチ素子がオフ状態で故障すると、故障した１つの半導体スイッチ素子の影響で残りの正常な半導体スイッチ素子に異常に大きな電流が集中的に流れ、電流及び熱の過大なストレスにより正常な半導体スイッチ素子も故障する可能性が高くなる。したがって、複数の半導体スイッチ素子が接続されている回路内で１つの半導体スイッチ素子が故障した状態をそのまま放置してしまうと、装置全体の機能が停止する可能性が高くなる。

【0015】

例えば、自動運転機能を搭載した自動車などに搭載される電子機器の場合には、非常に高い信頼性が要求されるので、それぞれの電子機器の機能が完全に停止するような状況が生じないように構成する必要がある。

【0016】

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の半導体スイッチ素子が直列および並列に接続されている回路において、一部の半導体スイッチ素子だけが故障した状態でも、故障の有無を正しく識別することが可能な電源制御装置および半導体故障検出方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0017】

前述した目的を達成するために、本発明に係る電源制御装置は、下記を特徴としている。
複数の半導体スイッチ素子が互いに逆極性で直列に接続された半導体直列回路を有し、
複数の前記半導体直列回路が互いに並列に接続されたスイッチング回路において、前記半導体スイッチ素子の故障を検知するための電源制御装置であって、
基準状態における前記スイッチング回路の入力と出力との間の合成抵抗値の情報を、前記半導体スイッチ素子の全てが導通しているオンの状態における前記スイッチング回路の入力側と出力側との間の回路全体における合成抵抗値の基準抵抗値として予め保持する基準抵抗値保持部と、
前記スイッチング回路の全体を流れる電流の大きさを通電電流として検出する通電電流検出部と、
前記スイッチング回路の入力と出力との間の電位差を入出力電位差として検出する電位差検出部と、
前記基準抵抗値と、前記通電電流検出部が検出した前記通電電流とに基づいて、想定電圧降下を算出する電圧降下算出部と、
前記電位差検出部が検出した前記入出力電位差と、前記電圧降下算出部が算出した前記想定電圧降下とを比較する電圧比較部と、
前記電圧比較部の比較結果に基づいて前記半導体スイッチ素子の故障の有無を識別する故障識別部と、
を備える電源制御装置。

【0018】

また、前述した目的を達成するために、本発明に係る半導体故障検出方法は、下記を特徴としている。
複数の半導体スイッチ素子が互いに逆極性で直列に接続された半導体直列回路を有し、
複数の前記半導体直列回路が互いに並列に接続されたスイッチング回路において、前記半導体スイッチ素子の故障を検知するための半導体故障検出方法であって、
基準状態における前記スイッチング回路の入力と出力との間の合成抵抗値を、前記半導体スイッチ素子の全てが導通しているオンの状態における前記スイッチング回路の入力側と出力側との間の回路全体における合成抵抗値の基準抵抗値として事前に把握し、
前記スイッチング回路の全体を流れる電流の大きさを通電電流として検出し、
前記スイッチング回路の入力と出力との間の電位差を入出力電位差として検出し、
前記基準抵抗値と、検出した前記通電電流とに基づいて、想定電圧降下を算出し、
検出した前記入出力電位差と、前記想定電圧降下とを比較した結果に基づいて前記半導体スイッチ素子の故障の有無を識別する、
半導体故障検出方法。

【発明の効果】

【0019】

本発明の電源制御装置および半導体故障検出方法によれば、複数の半導体スイッチ素子が直列および並列に接続されている回路において、一部の半導体スイッチ素子だけが故障した状態でも、故障の有無を正しく識別することが可能になる。

【0020】

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１は、本発明の実施形態における半導体故障検出装置の構成例を示す電気回路図である。

【図2】図２は、本発明の実施形態における故障判定処理の例を示すフローチャートである。

【図3】図３は、オン故障発生時のスイッチング回路例を示す電気回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明に関する具体的な実施の形態について、各図を参照しながら以下に説明する。以下の説明では、本発明の電源制御装置を、車両に搭載される半導体故障検出装置に適用した例を示すが、本発明はこの例に限定されず、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ―等といった、スイッチング機能を有する種々の電源制御装置に適用可能である。

【0023】

＜半導体故障検出装置の構成＞
本発明の実施形態における半導体故障検出装置１００（電源制御装置）の構成例を図１に示す。

【0024】

図１に示した半導体故障検出装置１００は、スイッチング回路１０に内蔵されている半導体スイッチ素子の故障を検出する機能を有している。このスイッチング回路１０は、車両に搭載され、車載電源からの電源電力を負荷である車載機器（各種電装品）に供給するために利用される。

【0025】

半導体故障検出装置１００の入力端子２１が車載電源の出力と接続される。また、出力端子２２が図示しない車載機器の電源入力端子と接続される。スイッチング回路１０は車載用であるため、電源の誤接続により逆極性の電源電力が入力されたり、過大な電源電圧が入力される可能性がある。そのような誤接続の場合でも故障が生じないようにスイッチング回路１０は設計してある。また、信頼性を高めるために冗長機能がスイッチング回路１０に含まれている。

【0026】

具体的には、６個の半導体スイッチ素子ＦＥＴ１～ＦＥＴ６がスイッチング回路１０に含まれている。半導体スイッチ素子ＦＥＴ１～ＦＥＴ６のそれぞれは、ＭＯＳ型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）デバイスである。
なお、図１中に示した「ＦＥＴ１－ＯＮ」～「ＦＥＴ６－ＯＮ」は、半導体スイッチ素子ＦＥＴ１～ＦＥＴ６のそれぞれがオン（導通）状態であることを意味している。

【0027】

図１中のスイッチング回路１０において、半導体スイッチ素子ＦＥＴ１、ＦＥＴ４は互いに逆極性で直列に接続されている。すなわち、半導体スイッチ素子ＦＥＴ１のドレイン端子（Ｄ）が入力端子２１と接続され、半導体スイッチ素子ＦＥＴ１のソース端子（Ｓ）と半導体スイッチ素子ＦＥＴ４のソース端子が通電経路１２を介して互いに接続され、半導体スイッチ素子ＦＥＴ４のドレイン端子が出力端子２２側に接続されている。つまり、２個の半導体スイッチ素子ＦＥＴ１、ＦＥＴ４が１つの直列回路を形成している。

【0028】

上記と同様に、２個の半導体スイッチ素子ＦＥＴ２、ＦＥＴ５が１つの直列回路を形成している。更に、２個の半導体スイッチ素子ＦＥＴ３、ＦＥＴ６が１つの直列回路を形成している。

【0029】

また、半導体スイッチ素子ＦＥＴ１、ＦＥＴ４の直列回路と、半導体スイッチ素子ＦＥＴ２、ＦＥＴ５の直列回路と、半導体スイッチ素子ＦＥＴ３、ＦＥＴ６の直列回路とが互いに並列に接続されている。

【0030】

また、半導体スイッチ素子ＦＥＴ１、ＦＥＴ４のゲート端子（Ｇ）は抵抗器１５を介して共通制御線１１と接続され、半導体スイッチ素子ＦＥＴ２、ＦＥＴ５のゲート端子は抵抗器１６を介して共通制御線１１と接続され、半導体スイッチ素子ＦＥＴ３、ＦＥＴ６のゲート端子は抵抗器１７を介して共通制御線１１と接続されている。

【0031】

したがって、共通制御線１１に印加する制御信号ＳＧ１を制御することで、半導体スイッチ素子ＦＥＴ１～ＦＥＴ６を同時にオンオフすることができる。
半導体スイッチ素子ＦＥＴ１、ＦＥＴ４の直列回路がオンの時には、入力端子２１から半導体スイッチ素子ＦＥＴ１、通電経路１２、半導体スイッチ素子ＦＥＴ４を通って出力端子２２側に電流が流れるように通電経路が形成される。また、この直列回路がオフの時には、上記の通電経路に電流は流れない。

【0032】

上記と同様に、半導体スイッチ素子ＦＥＴ２、ＦＥＴ５の直列回路がオンの時には、入力端子２１から半導体スイッチ素子ＦＥＴ２、通電経路１３、半導体スイッチ素子ＦＥＴ５を通って出力端子２２側に電流が流れるように通電経路が形成される。また、この直列回路がオフの時には、上記の通電経路に電流は流れない。

【0033】

上記と同様に、半導体スイッチ素子ＦＥＴ３、ＦＥＴ６の直列回路がオンの時には、入力端子２１から半導体スイッチ素子ＦＥＴ３、通電経路１４、半導体スイッチ素子ＦＥＴ６を通って出力端子２２側に電流が流れるように通電経路が形成される。また、この直列回路がオフの時には、上記の通電経路に電流は流れない。

【0034】

上記３つの直列回路の制御入力はいずれも共通制御線１１に接続されているので、３つの直列回路は通常は制御信号ＳＧ１に従い同時に同じオンオフ状態になるように状態が切り替わる。

【0035】

そのため、入力端子２１からスイッチング回路１０を通って出力端子２２側に流れる通電電流Ｉは、スイッチング回路１０の内部で分流して上記３つの直列回路をそれぞれ流れ、下流側で合流して出力端子２２に至る経路を通る。

【0036】

ところで、スイッチング回路１０において半導体スイッチ素子ＦＥＴ１～ＦＥＴ６のいずれかが故障する可能性が考えられる。図１中に示した半導体スイッチ素子ＦＥＴ２の「ＯＦＦ（オフ）故障」は、半導体スイッチ素子ＦＥＴ２が故障のためオフの状態に固定され、オンに切り替わらない故障が発生した状態を意味している。

【0037】

図１のように半導体スイッチ素子ＦＥＴ２が「オフ故障」の場合には、制御信号ＳＧ１をオンに切り替えた時に、通電経路１２、１４に電流が流れるが、通電経路１３には電流が流れない故障状態になる。しかし、この故障状態であっても通電経路１２、１４を通って通電電流Ｉが流れるので、出力端子２２に接続する負荷の機能は正常に維持することができる。

【0038】

但し、通電経路１３に電流が流れない分だけ、他の経路１２、１４の半導体スイッチ素子ＦＥＴ１、ＦＥＴ３、ＦＥＴ４、及びＦＥＴ６に通常よりも多くの電流が集中的に流れることになる。その結果、過大な電流及び熱の影響によるストレスが半導体スイッチ素子ＦＥＴ１、ＦＥＴ３、ＦＥＴ４、及びＦＥＴ６に加わり、通常に比べて故障が発生しやすい状態になる。

【0039】

したがって、まだ故障していない半導体スイッチ素子ＦＥＴ１、ＦＥＴ３、ＦＥＴ４、及びＦＥＴ６が故障してスイッチング回路１０の機能が完全に停止する前に、スイッチング回路１０の内部で故障が発生していることを検知する必要がある。

【0040】

しかし、図１に示したスイッチング回路１０においては１対の半導体スイッチ素子が互いに逆極性で直列に接続され、更に３つの直列回路が並列に接続されているので、一般的な方法では故障の発生を検知できない。例えば、直列回路が１つだけの場合であれば、通電経路１３の電圧の高／低と制御信号ＳＧ１の高／低とを比較するだけで正常か否かを容易に識別できる。しかし、３つの直列回路が並列に接続されているので、通電経路１３の電圧は故障していない場合とあまり差がない状態になり、故障を検知できない。

【0041】

そのため、図１に示した半導体故障検出装置１００においては、マイクロコンピュータ（マイコン）４０が後述する特別な処理を実施することで半導体スイッチ素子ＦＥＴ２等の「オフ故障」を検知する。

【0042】

図１に示すように、スイッチング回路１０の出力と出力端子２２との間に電流検出用の抵抗器Ｒｉが接続してある。この抵抗器Ｒｉは、通電電流Ｉにほとんど影響を及ぼさない程度に非常に小さい抵抗値を有している。また、この抵抗値と通電電流Ｉとの積で表される電圧降下が抵抗器Ｒｉの端子間に発生する。

【0043】

一方、電流検出回路３１の２つの入力が、抵抗器Ｒｉの２つの端子とそれぞれ接続されている。したがって、電流検出回路３１は抵抗器Ｒｉの端子間の電位差を増幅した電圧を電流信号ＳＧｉとして出力できる。つまり、電流信号ＳＧｉの電圧が表す情報は通電電流Ｉに相当する。

【0044】

また、電位差検出回路３２の２つの入力が、スイッチング回路１０の入力側およびスイッチング回路１０の出力側とそれぞれ接続されている。したがって、電位差検出回路３２はスイッチング回路１０の入出力間の電位差を表す信号を増幅し、電圧信号ＳＧｖとして出力することができる。

【0045】

一方、温度検出回路３３は、スイッチング回路１０の近傍の温度を検出する温度センサを備えている。例えば、半導体スイッチ素子ＦＥＴ１～ＦＥＴ６等の放熱を促進するヒートシンクに温度検出回路３３の温度センサを設置することで、スイッチング回路１０の近傍の温度を検出することができる。温度センサとしては例えばサーミスタを利用できる。温度検出回路３３は、スイッチング回路１０の近傍の温度を表す温度信号ＳＧｔを出力する。

【0046】

マイクロコンピュータ４０は、アナログ入力ボートＰ１、Ｐ２、Ｐ３、出力ポートＰ４、及び通信ポートＰ５を有している。マイクロコンピュータ４０のアナログ入力ボートＰ１は、温度検出回路３３の出力と接続されている。また、マイクロコンピュータ４０のアナログ入力ボートＰ２は電流検出回路３１の出力と接続され、アナログ入力ボートＰ３は電位差検出回路３２の出力と接続されている。また、マイクロコンピュータ４０の出力ポートＰ４はゲートドライバ２４の入力と接続されている。通信ポートＰ５は、通信線を介して外部機器５０と接続されている。

【0047】

マイクロコンピュータ４０は、半導体故障検出装置１００の機能を実現するために必要な制御用のプログラムを予め保持している。また、不揮発性メモリ４１がマイクロコンピュータ４０に内蔵されている。この不揮発性メモリ４１は、故障検出のために必要とされる定数データを予め保持している。

【0048】

マイクロコンピュータ４０は、各アナログ入力ボートＰ１～Ｐ３に入力される信号のアナログレベル（電圧）を逐次サンプリングしてデジタル信号に変換することができる。したがって、温度信号ＳＧｔのアナログレベルに相当する温度情報と、電流信号ＳＧｉのアナログレベルに相当する通電電流Ｉの情報と、電圧信号ＳＧｖのアナログレベルに相当する電位差の情報とをマイクロコンピュータ４０がそれぞれ取得できる。

【0049】

また、マイクロコンピュータ４０は二値信号である制御信号ＳＧ１を出力ポートＰ４から出力できる。この制御信号ＳＧ１は、ゲートドライバ２４を介してスイッチング回路１０の制御入力端子２３に供給される。したがって、マイクロコンピュータ４０が制御信号ＳＧ１のオンオフを切り替えることで、スイッチング回路１０のオン（導通）／オフ（非導通）を切り替えることができる。

【0050】

また、マイクロコンピュータ４０は通信ポートＰ５を利用して外部機器５０との間で通信を行い、様々な情報の入出力を行うことができる。例えば、スイッチング回路１０の内部でデバイスの故障が発生した場合に、その故障を表す情報を外部機器５０に通知することができる。

【0051】

＜故障判定処理＞
本発明の実施形態における故障判定処理の例を図２に示す。すなわち、図１に示したマイクロコンピュータ４０が図２に示した故障判定処理のプログラムを実行することで、スイッチング回路１０の各半導体スイッチ素子ＦＥＴ１～ＦＥＴ６における「オフ故障」を検知することができる。なお、図２に示した処理は周期的に繰り返し実行される。図２の故障判定処理について以下に説明する。

【0052】

マイクロコンピュータ４０は、電流信号ＳＧｉをサンプリングして最新の通電電流Ｉの情報を取得する（Ｓ１１）。

【0053】

マイクロコンピュータ４０は、温度信号ＳＧｔをサンプリングして最新の温度Ｔ１の情報を取得する（Ｓ１２）。

【0054】

マイクロコンピュータ４０は、電圧信号ＳＧｖをサンプリングして最新の電位差ΔＶの情報を取得する（Ｓ１３）。この電位差ΔＶは、スイッチング回路１０の入力側の電圧Ｖｉｎ［Ｖ］と、出力側の電圧Ｖｏｕｔ［Ｖ］との差分である。

【0055】

一方、マイクロコンピュータ４０内の不揮発性メモリ４１は、図２に示した合成抵抗値テーブルＴＢ１を有している。合成抵抗値テーブルＴＢ１に保持される各データは、半導体スイッチ素子ＦＥＴ１～ＦＥＴ６の全てが導通しているオンの状態におけるスイッチング回路１０の入力側（入力端子２１）と出力側との間の回路全体における合成抵抗値の基準値（基準抵抗値Ｒｒｅｆ）を表す。これらのデータは半導体スイッチ素子ＦＥＴ１～ＦＥＴ６の全てが正常に機能している標準状態で例えば実測して得られた値、又はそれと同等の値に相当する。また、スイッチング回路１０における温度Ｔ１の様々な変化のそれぞれに対応した合成抵抗値、及び電位差ΔＶの様々な変化のそれぞれに対応した合成抵抗値が事前に決定され合成抵抗値テーブルＴＢ１に登録されている。

【0056】

マイクロコンピュータ４０は、Ｓ１２で取得した温度Ｔ１およびＳ１３で取得した電位差ΔＶの情報を合成抵抗値テーブルＴＢ１に与えて、そのＴ１、ΔＶに対応付けられた適切な基準抵抗値Ｒｒｅｆを取得する（Ｓ１４）。

【0057】

マイクロコンピュータ４０は、スイッチング回路１０内の半導体スイッチ素子ＦＥＴ１～ＦＥＴ６が正常に機能している（全てが導通状態）場合に想定されるスイッチング回路１０の入出力端子間の電位差を、想定電圧降下Ｖｄｒｏｐとして算出する（Ｓ１５）。この想定電圧降下Ｖｄｒｏｐは次式により算出される。
Ｖｄｒｏｐ＝Ｒｒｅｆ×Ｉ ・・・（１）

【0058】

また、マイクロコンピュータ４０は電圧誤差Ｖｅを次式により算出し（Ｓ１６）、この電圧誤差Ｖｅと電圧閾値Ｖｔｈとを比較する（Ｓ１７）。この電圧閾値Ｖｔｈについては、事前に決めた定数を不揮発性メモリ４１に登録しておき利用する。
Ｖｅ＝ΔＶ－Ｖｄｒｏｐ ・・・（２）

【0059】

また、マイクロコンピュータ４０は、「Ｖｅ≦Ｖｔｈ」の場合はＳ１７からＳ１８に進み、「Ｖｅ＞Ｖｔｈ」の場合はＳ１７からＳ１９に進む。

【0060】

すなわち、Ｓ１３で実際に検出した電位差ΔＶが基準抵抗値Ｒｒｅｆに基づいて算出した想定電圧降下Ｖｄｒｏｐと同等（Ｖｅ≦Ｖｔｈ）であれば、スイッチング回路１０の入出力間の合成抵抗値が標準状態と同等である。よって、この場合、半導体スイッチ素子ＦＥＴ１～ＦＥＴ６の全てが正常である、とマイクロコンピュータ４０が識別する（Ｓ１８）。

【0061】

また、Ｓ１３で実際に検出した電位差ΔＶが想定電圧降下Ｖｄｒｏｐに比べて大きすぎる（Ｖｅ＞Ｖｔｈ）場合には、半導体スイッチ素子ＦＥＴ１～ＦＥＴ６のいずれかに「オフ故障」が生じている、とマイクロコンピュータ４０が識別する（Ｓ１９）。その場合は更に、故障の対処を容易にするために所定のフェール制御をマイクロコンピュータ４０が実施する（Ｓ２０）。

【0062】

具体的なフェール制御として、マイクロコンピュータ４０は制御信号ＳＧ１を制御し、図１に示すようにスイッチング回路１０の導通を遮断するか、又はオンオフ制御からＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御等に切り替えて、スイッチング回路１０の通電電流Ｉを抑制する。また、マイクロコンピュータ４０はスイッチング回路１０に故障が発生していることを通信信号ＳＧ２の通信により外部機器５０に報知する。

【0063】

仮にスイッチング回路１０の内部に故障があっても、冗長機能によりスイッチング回路１０自体はまだ正常に機能する。しかし、例えば半導体スイッチ素子ＦＥＴ２が「オフ故障」している状態をそのまま放置すると、残りの正常な半導体スイッチ素子ＦＥＴ１、ＦＥＴ３、ＦＥＴ４、及びＦＥＴ６に余分なストレスが加わる。そしていずれはスイッチング回路１０が完全に機能停止する可能性が高くなる。

【0064】

そこで、フェール制御によりスイッチング回路１０の通電を遮断するか、又はＰＷＭ制御等により通電電流Ｉを抑制する。この制御により、正常な残りの半導体スイッチ素子に加わるストレスを減らし、スイッチング回路１０が機能停止するまでの時間を延ばすことが可能になる。また、フェール制御により故障発生を外部機器５０等に通知することで、スイッチング回路１０の故障を早めに修理して安全を確保するように車両のユーザ等に促すことができる。

【0065】

＜オン故障発生の検出＞
オン故障発生時のスイッチング回路１０の例を図３に示す。図３に示した例では、半導体スイッチ素子ＦＥＴ２に「オン故障」が発生し、他の半導体スイッチ素子ＦＥＴ１、ＦＥＴ３、ＦＥＴ４、ＦＥＴ５、及びＦＥＴ６は正常な状態を想定している。「オン故障」は、常時導通状態でオフに切り替わらなくなった状態を意味している。

【0066】

共通の制御入力端子２３に印加する制御信号ＳＧ１がオフになると、本来であれば半導体スイッチ素子ＦＥＴ１～ＦＥＴ６が全てオフになるので、この回路全体が遮断されて通電電流Ｉが０になるはずである。しかし、図３の例では半導体スイッチ素子ＦＥＴ２が「オン故障」しているので、制御信号ＳＧ１がオフであっても通電経路１３を通過する電流により通電電流Ｉが流れる。

【0067】

したがって、図３に示した例のような「オン故障」については、それを容易に検出できる。例えば、各通電経路１２～１４の電圧をマイクロコンピュータ４０で監視し、これらの電圧の高／低と制御信号ＳＧ１のオンオフとを比較するだけで正常か否かを識別できる。すなわち、図３の例では、制御信号ＳＧ１のオフの状態で、通電経路１２、１３、及び１４の電圧がそれぞれ「低」、「高」、及び「低」になるので、半導体スイッチ素子ＦＥＴ２が「オン故障」していることを認識できる。

【0068】

＜半導体故障検出装置の変形例＞
図２に示した故障判定の処理においては、実際の温度Ｔ１及び電位差ΔＶのそれぞれの影響を考慮した補正後の多数の基準抵抗値Ｒｒｅｆを予め合成抵抗値テーブルＴＢ１が保持している場合を想定しているが、計算により補正を実施しても良い。例えば、温度Ｔ１を変数とする所定の関数により求められる温度補正値と、電位差ΔＶを変数とする別の関数により求められる電位差補正値とを用いて、１つの基準抵抗値Ｒｒｅｆを実際のスイッチング回路１０における合成抵抗値の特性に合わせて適切に補正することが可能である。

【0069】

＜半導体故障検出装置の利点＞
図１に示した半導体故障検出装置１００においては、互いに逆極性で接続した複数の半導体スイッチ素子の直列回路を有し、この直列回路が複数並列に接続されているスイッチング回路１０において、「オフ故障」が発生した半導体スイッチ素子の有無を容易に識別できる。図１の例においては、ＦＥＴ２に「オフ故障」が発生していることが識別される。

【0070】

また、図２に示した故障判定を実施する場合には、実際の温度Ｔ１、及び電位差ΔＶに応じて補正された基準抵抗値Ｒｒｅｆを用いて想定電圧降下Ｖｄｒｏｐを算出するので、故障判定の精度を上げることが容易になる。

【0071】

また、半導体スイッチ素子の「オフ故障」を検知した場合に、Ｓ２０でフェール制御を実施することにより、正常な半導体スイッチ素子に加わる過大なストレスを低減し、スイッチング回路１０の更なる故障の進行を抑制することが可能になる。また、早めに故障を修理して安全を確保するようにユーザに促すことができる。

【0072】

＜補足説明＞
ここで、上述した本発明に係る電源制御装置および半導体故障検出方法の実施形態の特徴をそれぞれ以下［１］～［５］に簡潔に纏めて列記する。

【0073】

［１］ 複数の半導体スイッチ素子（ＦＥＴ１～ＦＥＴ６）が互いに逆極性で直列に接続された半導体直列回路を有し、複数の前記半導体直列回路が互いに並列に接続されたスイッチング回路（１０）において、前記半導体スイッチ素子の故障を検知するための電源制御装置（半導体故障検出装置１００）であって、
基準状態における前記スイッチング回路の入力と出力との間の合成抵抗値の情報を基準抵抗値（Ｒｒｅｆ）として予め保持する基準抵抗値保持部（合成抵抗値テーブルＴＢ１）と、
前記スイッチング回路の全体を流れる電流の大きさを通電電流（Ｉ）として検出する通電電流検出部（マイクロコンピュータ４０、Ｓ１１）と、
前記スイッチング回路の入力と出力との間の電位差を入出力電位差として検出する電位差検出部（マイクロコンピュータ４０、Ｓ１３）と、
前記基準抵抗値と、前記通電電流検出部が検出した前記通電電流とに基づいて、想定電圧降下（Ｖｄｒｏｐ）を算出する電圧降下算出部（マイクロコンピュータ４０、Ｓ１５）と、
前記電位差検出部が検出した前記入出力電位差と、前記電圧降下算出部が算出した前記想定電圧降下とを比較する電圧比較部（マイクロコンピュータ４０、Ｓ１６、Ｓ１７）と、
前記電圧比較部の比較結果に基づいて前記半導体スイッチ素子の故障の有無を識別する故障識別部（マイクロコンピュータ４０、Ｓ１８、Ｓ１９）と、
を備える電源制御装置（半導体故障検出装置１００）。

【0074】

上記［１］の構成の電源制御装置によれば、前記基準抵抗値を既知情報として前記基準抵抗値保持部から取得できる。したがって、前記電圧降下算出部は、前記基準状態、すなわち正常な状態で前記スイッチング回路の入力と出力との間に発生すると予想される前記想定電圧降下を、前記基準抵抗値と検出した前記通電電流とに基づいて算出できる。また、実際の測定により前記電位差検出部が検出した前記入出力電位差と、計算により求めた前記想定電圧降下とを前記電圧比較部で比較した結果に大きな違いがある場合には、前記基準状態とは異なっているので、１つ以上の前記半導体スイッチ素子に異常が生じているとみなすことができる。したがって、前記故障識別部は前記電圧比較部の比較結果に基づいて前記半導体スイッチ素子の故障の有無を識別できる。

【0075】

［２］ 前記スイッチング回路の近傍における温度（Ｔ１）を検出する温度検出部（温度検出回路３３）と、
前記温度検出部が検出した温度に基づいて前記基準抵抗値を補正する温度補正部（マイクロコンピュータ４０、Ｓ１４）と、
を更に備える、
上記［１］に記載の電源制御装置。

【0076】

上記［２］の構成の電源制御装置によれば、温度変化の影響を補正してから故障検出できるのでより精度の高い故障検出が可能になる。すなわち、半導体スイッチ素子の入出力端子間の抵抗値は環境温度の影響で変動するので、前記基準状態において特定した半導体スイッチ素子の前記基準抵抗値と、実際の抵抗値との間に温度変化に応じた差異が発生する。この差異の影響を補正することで、正しい故障検出ができる。

【0077】

［３］ 前記電位差検出部が検出した前記入出力電位差（ΔＶ）に基づいて前記基準抵抗値を補正する電圧補正部（マイクロコンピュータ４０、Ｓ１４）、を更に備える、
上記［１］又は［２］に記載の電源制御装置。

【0078】

上記［３］の構成の電源制御装置によれば、前記入出力電位差の変化の影響を補正してから故障検出できるのでより精度の高い故障検出が可能になる。すなわち、半導体スイッチ素子の入出力端子間の抵抗値は、入出力端子間の電位差に応じて変動するので、前記基準状態において特定した半導体スイッチ素子の前記基準抵抗値と、実際の抵抗値との間に電位差の違いに応じた差異が発生する。この差異の影響を補正することで、正しい故障検出ができる。

【0079】

［４］ 前記故障識別部は、前記半導体スイッチ素子の故障有を検知した場合に、所定の外部機器に対する異常検知通知、及び前記スイッチング回路の動作抑制の少なくとも一方を含むフェール制御を実施する（Ｓ２０）、
［１］乃至［３］のいずれかに記載の電源制御装置。

【0080】

上記［４］の構成の電源制御装置によれば、前記半導体スイッチ素子に故障が発生した場合に前記フェール制御により異常検知通知が実施されるので、更に深刻な故障が発生する前に故障を修理するようにユーザに対して注意を促すことができる。また、前記フェール制御により前記スイッチング回路の動作が抑制されるので、まだ故障していない残りの半導体スイッチ素子に加わる過大な電流や熱のストレスを減らし、完全な機器全体の故障に至るまでの時間の余裕を増やすことができる。

【0081】

［５］ 複数の半導体スイッチ素子（ＦＥＴ１～ＦＥＴ６）が互いに逆極性で直列に接続された半導体直列回路を有し、複数の前記半導体直列回路が互いに並列に接続されたスイッチング回路（１０）において、前記半導体スイッチ素子の故障を検知するための半導体故障検出方法であって、
基準状態における前記スイッチング回路の入力と出力との間の合成抵抗値を基準抵抗値（Ｒｒｅｆ）として事前に把握し（合成抵抗値テーブルＴＢ１）、
前記スイッチング回路の全体を流れる電流の大きさを通電電流（Ｉ）として検出し（Ｓ１１）、
前記スイッチング回路の入力と出力との間の電位差を入出力電位差（ΔＶ）として検出し（Ｓ１３）、
前記基準抵抗値と、検出した前記通電電流とに基づいて、想定電圧降下（Ｖｄｒｏｐ）を算出し（Ｓ１５）、
検出した前記入出力電位差と、前記想定電圧降下とを比較した結果に基づいて前記半導体スイッチ素子の故障の有無を識別する（Ｓ１６～Ｓ１９）、
半導体故障検出方法。

【0082】

上記［５］の手順の半導体故障検出方法によれば、前記基準抵抗値を事前に把握するので、これを既知情報として扱うことができる。したがって、前記基準状態、すなわち正常な状態で前記スイッチング回路の入力と出力との間に発生すると予想される前記想定電圧降下は、前記基準抵抗値と検出した前記通電電流とに基づいて算出できる。また、実際の測定により検出した前記入出力電位差と、計算により求めた前記想定電圧降下とを比較した結果に大きな違いがある場合には、前記基準状態とは異なっているので、１つ以上の前記半導体スイッチ素子に異常が生じているとみなすことができる。

【符号の説明】

【0083】

１０ スイッチング回路
１１ 共通制御線
１２，１３，１４ 通電経路
１５，１６，１７ 抵抗器
２１ 入力端子
２２ 出力端子
２３ 制御入力端子
２４ ゲートドライバ
３１ 電流検出回路
３２ 電位差検出回路
３３ 温度検出回路
４０ マイクロコンピュータ
４１ 不揮発性メモリ
５０ 外部機器
１００ 半導体故障検出装置（電源制御装置）
ＦＥＴ，ＦＥＴ１，ＦＥＴ２，ＦＥＴ３，ＦＥＴ４ 半導体スイッチ素子
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ アナログ入力ボート
Ｐ４ 出力ポート
Ｐ５ 通信ポート
Ｒｉ 電流検出用の抵抗器
ＳＧ１ 制御信号
ＳＧ２ 通信信号
ＳＧｉ 電流信号
ＳＧｖ 電圧信号
ＳＧｔ 温度信号
Ｔ１ 温度
ＴＢ１ 合成抵抗値テーブル
Ｖｉｎ 入力電圧
Ｖｏｕｔ 出力電圧
Ｒｒｅｆ 基準抵抗値
Ｖｄｒｏｐ 想定電圧降下
Ｖｅ 電圧誤差
Ｖｔｈ 電圧閾値
ΔＶ 電位差

【図1】

【図2】

【図3】