JP2014054904A - 電子装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷を制御するスイッチング素子がオフできない場合であっても、確実に回路を保護すること。
【解決手段】ＰＴＣヒータ２６を駆動するための第１ＩＧＢＴ６１に流れる電流を検出する電流検出部７１と、第１ＩＧＢＴ６１の駆動を制御する駆動素子制御部６２から第１ＩＧＢＴ６１に対するオン駆動指令がない状態で、かつ、電流検出部７１によって所定の閾値以上の電流値が検出された場合に、第２ＩＧＢＴ７２を制御し、フェールセーフ動作に移行するフェールセーフ部７３とを具備する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電子装置およびその制御方法に関するものである。

例えば、ＩＧＢＴおよび３つのＭＯＳＦＥＴの駆動素子と、制御回路とを備えている電力変換器において、第１ＭＯＳＦＥＴのソースは駆動回路電源に接続され、ドレインはＩＧＢＴのゲートに接続され、ゲートは制御回路に接続されており、第２ＭＯＳＦＥＴおよび第３ＭＯＳＦＥＴはそれぞれ、ソースがＩＧＢＴのエミッタに接続され、ドレインがＩＧＢＴのゲートに接続され、ゲートが制御回路に接続されているとする。制御回路は、外部から入力される駆動信号に基づいて３つのＭＯＳＦＥＴを制御してＩＧＢＴを駆動する。

ＩＧＢＴをオン指示する駆動信号が入力された場合には、制御回路は、第１ＭＯＳＦＥＴをオン状態にし、第２ＭＯＳＦＥＴをオフ状態にする。これにより、駆動回路電源からＩＧＢＴのゲートに電荷が充電され、その結果、ＩＧＢＴのゲート電圧がオンオフを示す閾値電圧より高くなりＩＧＢＴがオン状態となる。
また、ＩＧＢＴをオフ指示する駆動信号が入力された場合には、制御回路は、第１ＭＯＳＦＥＴをオフ状態にし、第２ＭＯＳＦＥＴをオン状態にする。これにより、ＩＧＢＴのゲートから電荷が放電され、その結果、ＩＧＢＴのゲート電圧がオンオフを示す閾値電圧より低くなりＩＧＢＴがオフ状態となる。そして、ＩＧＢＴのゲート電圧が所定値以下となり、制御回路が第３ＭＯＳＦＥＴをオン状態にすると、ＩＧＢＴのゲートから電荷が更に放電され、ＩＧＢＴのオフ状態が保持される。

上述した電力変換器において、第１ＭＯＳＦＥＴ、或いは、第２ＭＯＳＦＥＴが故障した場合に、ＩＧＢＴをオフ指示する駆動信号が入力されているにも関わらずＩＧＢＴのゲート電圧が低下せず、ＩＧＢＴをオフ状態にできない異常が生じることがある。こうした状態が継続すると、ＩＧＢＴが発熱し熱破壊する可能性があったため、これを防止する技術が検討されていた。

下記特許文献１では、スイッチング素子（ＩＧＢＴに相当）をオフ指示する駆動信号が入力されているにも関わらず、スイッチング素子の制御端子の電圧が低下せず、オフ状態に移行できない場合に、スイッチング素子をオンオフ制御させる駆動用スイッチング素子以外に設けた他のスイッチング素子によって、スイッチング素子の制御端子の電圧を低下させ熱破壊を防止する技術が提案されている。

特開２０１２−８４９７０号公報

しかしながら、上記特許文献１の方法では、スイッチング素子の制御端子の電圧が低下されたとしても、スイッチング素子自体が故障していてオフできないことがあり、そのような場合には熱破壊を防止できず、回路を保護できないという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、スイッチング素子がオフできない場合であっても、確実に回路を保護できる制御装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、負荷を駆動するための第１駆動素子に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記第１駆動素子と直列に接続される第２駆動素子と、前記第１駆動素子の制御端子の駆動状態を示す端子駆動信号の有無が無の状態で、かつ、前記電流検出手段によって所定の閾値以上の電流値が検出された場合に、前記第２用駆動素子を制御し、フェールセーフ動作に移行するフェールセーフ手段とを具備する電子装置を提供する。

このような構成によれば、第１駆動素子の制御端子の端子駆動信号が無の状態で、かつ、第１駆動素子に流れる電流値が所定の閾値以上であると検出された場合に、第１駆動素子と直列に接続される第２駆動素子が駆動され、フェールセーフ動作に移行される。
これにより、第１駆動素子の制御端子の電圧が低下したにも関わらず駆動素子をオフ状態にできない故障（例えば、第１駆動素子自体の故障）が生じた場合であっても、第２駆動素子を制御することで確実にオフ状態にできるので、第２駆動素子と直列に接続される第１駆動素子を含んで構成される回路の保護に寄与できる。

上記制御装置の前記フェールセーフ手段は、前記第２駆動素子の制御端子の電圧を低下させ、前記第２駆動素子をオフ状態にすることが好ましい。
これにより、第１駆動素子が正常に動作していない場合であっても、第２駆動素子の制御により回路を確実にオフ状態に制御できる。

本発明は、負荷を駆動するための第１駆動素子に流れる電流を検出する電流検出過程と、前記第１駆動素子の制御端子の駆動状態を示す端子駆動信号の有無が無の状態で、かつ、前記第１駆動素子に流れる電流として検出される電流値が所定の閾値以上となった場合に、前記第１駆動素子と直列に接続される第２用駆動素子を制御し、フェールセーフ動作に移行するフェールセーフ過程とを有する電子装置の制御方法を提供する。

本発明は、スイッチング素子がオフできない場合であっても、確実に回路を保護できるという効果を奏する。

本発明に係る熱媒体加熱装置を備えた車両用空調装置の概略構成図である。 図１に示す熱媒体加熱装置の分解斜視図である。 図２に示す熱媒体加熱装置の熱媒体出・入口路を通る位置での縦断面図である。 本発明に係る熱媒体加熱装置の制御基板に設けられる電子装置の概要を示した機能ブロック図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図１から図４を用いて説明する。
本実施形態においては、負荷としてＰＴＣヒータを４個備える熱媒体加熱装置が車両用空調装置に用いられる場合を想定し、本実施形態の電子装置および電子装置の制御方法が車両用空調装置に適用されることとして説明するが、本発明は車両用空調装置に適用することに限定されない。

図１には、本実施形態に係る熱媒体加熱装置１０を備えた車両用空調装置１の概略構成図が示されている。
車両用空調装置１は、外気または車室内空気を取り込んで温調した後、それを車室内へと導くための空気流通路２を形成するケーシング３を備えている。

このケーシング３の内部には、空気流通路２の上流側から下流側にかけて順次、外気または車室内空気を吸い込んで昇圧し、それを下流側へと圧送するブロア４と、該ブロア４により圧送される空気を冷却する冷却器５と、冷却器５を通過して冷却された空気を加熱する放熱器６と、放熱器６を通過する空気量と放熱器６をバイパスする空気量との流量割合を調整し、その下流側でエアミックスすることにより、温調風の温度を調節するエアミックスダンパ７とが設置されている。

ケーシング３の下流側は、図示省略された吹き出しモード切替えダンパおよびダクトを介して温調された空気を車室内に吹き出す複数の吹き出し口に接続されている。
冷却器５は、図示省略された圧縮機、凝縮器、膨張弁等とともに冷媒回路を構成し、膨張弁で断熱膨張された冷媒を蒸発させることにより、そこを通過する空気を冷却するものである。また、放熱器６は、タンク８、ポンプ９および熱媒体加熱装置１０とともに熱媒体循環回路１０Ａを構成し、熱媒体加熱装置１０で高温に加熱された熱媒体（例えば、不凍液や温水等）がポンプ９を介して循環されることにより、そこを通過する空気を加温するものである。

図２には、図１に示された熱媒体加熱装置１０の分解斜視図の一例が示され、図３には、その熱媒体出・入口路を通る位置での縦断面図の一例が示されている。
熱媒体加熱装置１０は、底面および上面が開口され、内部に仕切り壁１２が設けられている四角形状をなすアルミダイキャスト製のケーシング１１を備えている。このケーシング１１の底面は、ネジ結合されるボトムプレート１３によって密閉され、上面は、ネジ結合されるアッパプレート１４によって密閉されるようになっている。

ケーシング１１には、仕切り壁１２の上面側（他面側）から上方に突設された後、更に側方に延長されている一対の熱媒体入口路１５および熱媒体出口路１６が一体に成形されており、この熱媒体出・入口路１５，１６は、仕切り壁１２を貫通して仕切り壁１２の底面側（一面側）に開口されている。仕切り壁１２には、後述する複数の端子２９を貫通するための開口部（図示省略）が一辺に沿って設けられているとともに、その底面側の４角部には、所定高さのボス部１８が一体成形されている。このボス部１８は、後述する熱交押え部材３２を締め付け固定するためのものである。また、ケーシング１１の外周面の両側には、熱媒体加熱装置１０の据え付け用ブラケット１９が設けられている。

ケーシング１１の仕切り壁１２の底面側（一面側）には、熱交換エレメント２０が組み込まれている。熱交換エレメント２０は、複数枚の扁平熱交チューブ２１と複数組のＰＴＣヒータ２６とを交互に多層に積層して構成されるものであり、ボス部１８にネジ３１を介して締め付け固定される板状の熱交押え部材３２によって、仕切り壁１２に対し押圧されるように締め付け固定され、扁平熱交チューブ２１とＰＴＣヒータ２６とが互いに密着されるように設置されている。

扁平熱交チューブ２１は、アルミ合金製薄板をプレス成形した一対の成形プレートを重ね合わせてろう付けした厚さ数ｍｍ程度のチューブであり、一端側に入口ヘッダ部２２および出口ヘッダ部２３が設けられ、その入口ヘッダ部２２から延長されて他端側でＵターンし、出口ヘッダ部２３に至るＵターン流路を形成する扁平チューブ部２４を備えた構成とされている。扁平チューブ部２４のＵターン流路には、波形のインナーフィン（図示省略）が挿入されている。出・入口ヘッダ部２２，２３には、隣り合う扁平熱交チューブ２１の出・入口ヘッダ部２２，２３同士を連通する連通穴が設けられており、その連通穴周りは、Ｏリング等のシール材２５によりシールされるようになっている。

ＰＴＣヒータ２６は、ＰＴＣ素子２７とその両面に接合される一対の電極板２８とを備えて構成されるものであり、四角形の板状をなすように形成され、扁平熱交チューブ２１の扁平チューブ部２４間にサンドイッチ状に積層されるように構成されている。各電極板２８には、その一辺から延長され、上方にＬ字状に曲げ形成されている複数の端子２９が所定の間隔を隔てて一線状に直列に配列されて設けられており、この複数の端子２９は、仕切り壁１２の開口部を貫通して上方に延長されるように構成されている。また、ＰＴＣヒータ２６は、絶縁フィルムおよび熱伝導シート３０等を介して扁平チューブ部２４間に積層されるようになっている。

熱交換エレメント２０は、扁平熱交チューブ２１の出・入口ヘッダ部２２，２３が、仕切り壁１２を貫通して仕切り壁１２の底面側（一面側）に開口されている熱媒体出・入口路１５，１６と連通接続されるように、その接続部にＯリング等のシール材２５を介装することによって組み込まれている。ケーシング１１の底面側の開口部は、熱交換エレメント２０が組み込まれた後、ボトムプレート１３によって密閉されるようになっている。

上記仕切り壁１２の上面側（他面側）には、熱媒体出・入口路１５，１６の側部スペース（デッドスペース）を利用してＰＴＣヒータ２６に対する通電制御を行う制御基板３３が固定設置されている。制御基板３３は、ＰＴＣヒータ２６への通電を制御するＩＧＢＴ等の複数の電力制御用半導体スイッチング素子（以下、第１ＩＧＢＴ６１ともいう。）や制御回路が表面実装されたものであり、仕切り壁１２の上面に、後述のように組み込まれる熱伝導性絶縁シート３５等を介して、ネジ３６で締め付け固定されている。

制御基板３３上の複数の第１ＩＧＢＴ６１は、発熱部品であり、熱交換エレメント２０の扁平熱交チューブ２１と接する仕切り壁１２をヒートシンクとして冷却可能とされている。なお、ここでの仕切り壁１２はアルミ合金製である。
第１ＩＧＢＴ６１は、制御基板３３の表面側に実装されており、その発熱を裏面側の仕切り壁１２に放熱して冷却する。例えば、制御基板３３の第１ＩＧＢＴ６１が設置されている部位に対応して、銅やアルミ等の高熱伝導性材からなる熱貫通部３７が表面側から裏面側に貫通して設けられ、該熱貫通部３７を介して第１ＩＧＢＴ６１の発熱が制御基板３３の裏面側に伝熱されるようになっている。

また、制御基板３３は、仕切り壁１２の上面側に絶縁シート３５を介して複数個のネジ３６で締め付け固定されている。絶縁シート３５は、制御基板３３および仕切り壁１２の上面に対して位置決めして組み込まれることが望ましく、通常、位置決め用突起および穴を設けて位置決めしているが、制御基板３３の裏面に固定設置される端子カバー３９を利用し、その端子カバー３９に設けられているシート押えによって、絶縁シート３５を制御基板３３の裏面の所定位置に予め位置決めして設置できるようにしてもよい。また、端子カバー３９は、例えば絶縁性を有するＰＢＴ等の樹脂材からなる一体成形品であり、開口部に嵌合される部分に、複数の端子２９を通す複数のスリット状位置決め穴４１が一線状に直列に配列されている。

また、ケーシング１１の上面側開口部は、仕切り壁１２の上面に制御基板３３を設置するとともに、その制御基板３３の端子台４２に電極板２８から延長されている端子２９をビス止めして接続した後、アッパプレート１４により密閉可能とされている。アッパプレート１４は、液状ガスケット等のシール材を介してケーシング１１に密閉装着されるように構成されている。このアッパプレート１４を装着する際、アッパプレート１４側に設けられているＨＶハーネスのＰＮ端子４６は、上記の如く制御基板３３側のＰＮ端子台４４に接続のため、ハーネスホルダ５２により所定位置に位置出しされるとともに、制御用ＬＶハーネス側のコネクタ４９は、制御基板３３側のＬＶコネクタに対してコネクタ接続されるようになっている。

ケーシング１１の一側面には、図２に示されるように、電極板２８の端子２９を端子台４２に対してビス止め接続する際、および電源用ＨＶハーネスのＰＮ端子４６をＰＮ端子台４４に対してビス止め接続する際の作業用の窓５０が開口されている。

アッパプレート１４は、その上面の熱媒体出・入口路１５，１６が延長されている方向と反対側のスペースに、電源用ＨＶハーネス（Ｈｉｇｈ−Ｖｏｌｔａｇｅハーネス）および制御用ＬＶハーネス（Ｌｏｗ−Ｖｏｌｔａｇｅハーネス）４８の接続部５３，５４が設けられたものであり、電源（バッテリー）および上位制御装置（ＥＣＵ）からの図示省略のケーブルまたはハーネスが接続可能とされている。この接続部５３，５４を経て入力された電力または信号は、ＨＶハーネスおよびＬＶハーネス４８を介して制御基板３３に入力され、その制御信号により制御基板３３上の第１ＩＧＢＴ６１および制御回路を介してＰＴＣヒータ２６に電力が印加される構成とされている。

図４は、本実施形態に係る熱媒体加熱装置の制御基板３３に設けられる電子装置６０の概要を示した機能ブロック図である。
電子装置６０は、第１ＩＧＢＴ（第１駆動素子）６１、ＰＴＣヒータ（負荷）２６、駆動素子制御部（駆動素子制御手段）６２、指令部６３、電流検出部（電流検出手段）７１、第２ＩＧＢＴ（第２駆動素子）７２、およびフェールセーフ部（フェールセーフ手段）７３を備えている。

ＰＴＣヒータ２６は、ＰＴＣ素子を備えて構成される。
指令部６３は、ＰＴＣヒータ２６のオンオフを制御する駆動指令を出力する。
駆動素子制御部６２は、駆動指令に基づいて第１ＩＧＢＴ６１のオンオフを制御する。
第１ＩＧＢＴ６１は、コレクタがＰＴＣヒータ２６に接続され、エミッタが電流検出部７１と直列に接続され、ゲートが駆動素子制御部６２に接続されており、駆動素子制御部６２から取得する制御信号に基づいてオンオフされ、ＰＴＣヒータ２６を駆動する。
電流検出部７１は、上流側が第１ＩＧＢＴ６１のエミッタ側と接続され、下流側が第２ＩＧＢＴ７２と接続され、第１ＩＧＢＴ６１に流れる電流を検出し、検出結果をフェールセーフ部７３に出力する。

第２ＩＧＢＴ７２は、コレクタが電流検出部７１と接続され、ゲートがフェールセーフ部７３と接続されて、電流検出部７１を介して第１ＩＧＢＴ６１と直列に接続される。
フェールセーフ部７３は、第１ＩＧＢＴ６１の制御端子の駆動状態を示す端子駆動信号の有無が無の状態で、かつ、電流検出部７１によって所定の閾値以上の電流値が検出された場合に、第２ＩＧＢＴ７２を制御し、フェールセーフ動作に移行する。
例えば、フェールセーフ部７３は、図４に示されるように、駆動素子制御部６２と信号の授受可能に接続されており、電流検出部７１および駆動素子制御部６２から取得した情報に基づいて、フェールセーフ部７３は、第２ＩＧＢＴ７２の制御端子（ゲート）の電圧を低下させ、第２ＩＧＢＴ７２をオフ状態にする。

以下に、本実施形態に係る電子装置６０の作用について図１から図４を用いて説明する。
指令部６３により、各ＰＴＣヒータ２６のオンオフを制御するべく、第１ＩＧＢＴ６１のオンオフ駆動指令が出力される。オンオフ駆動指令に基づいて、それぞれＰＴＣヒータ２６に対応する第１ＩＧＢＴ６１のオンオフが制御されている。第１ＩＧＢＴ６１のエミッタから電流検出部７１に流入される電流値が検出され、検出結果がフェールセーフ部７３に出力される。

フェールセーフ部７３において、駆動素子制御部６２より第１ＩＧＢＴ６１のゲートが駆動しているか否かを示す信号である端子駆動信号が取得される。全ての第１ＩＧＢＴ６１から取得される、端子駆動信号が「無」の信号である（つまり、ゲート電圧が所定値以下に低下した）にも関わらず、第１ＩＧＢＴ６１の電流値が所定の閾値以上であると判定された場合には、第２ＩＧＢＴ７２のゲートの電荷を放電させてオフ状態にさせ、電子装置６０の回路がオフ状態にされる。

以上説明してきたように、本実施形態にかかる電子装置６０および電子装置６０の制御方法によれば、ＰＴＣヒータ２６を駆動するための第１ＩＧＢＴ６１に流れる電流が、第１ＩＧＢＴ６１のゲート駆動信号がない状態で、かつ、第１ＩＧＢＴ６１に流れる電流値が所定の閾値以上であると検出された場合に、第１ＩＧＢＴ６１と直列に接続される第２ＩＧＢＴ７２が駆動され、回路がオフ状態にされる。

これにより、第１ＩＧＢＴ６１の制御端子の電圧が低下したにも関わらず駆動素子をオフ状態にできない故障（例えば、第１ＩＧＢＴ６１自体の故障）が生じた場合であっても、第１ＩＧＢＴ６１と直列に接続される第２ＩＧＢＴ７２を制御することで確実にオフ状態にできるので、第２ＩＧＢＴ７２と直列に接続される第１ＩＧＢＴ６１を含んで構成される回路の保護に寄与できる。
また、本発明は、ＰＴＣヒータ２６において電流を使用し過ぎると、車両の駆動に影響を及ぼす虞があるため、電流が流れたままの状態になることを回避する方法として有効である。

なお、本実施形態で示した回路は、デジタル回路で作成しても良いが、即応性を有する観点からアナログ回路で作成することが好ましい。

１ 車両用空調装置
２６ ＰＴＣヒータ（負荷）
３３ 制御基板
６０ 電子装置
６１ 第１ＩＧＢＴ（第１駆動素子）
６２ 駆動素子制御部
６３ 指令部
７１ 電流検出部
７２ 第２ＩＧＢＴ（第２駆動素子）
７３ フェールセーフ部

Claims (3)

1. 負荷を駆動するための第１駆動素子に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記第１駆動素子と直列に接続される第２駆動素子と、
   前記第１駆動素子の制御端子の駆動状態を示す端子駆動信号の有無が無の状態で、かつ、前記電流検出手段によって所定の閾値以上の電流値が検出された場合に、前記第２用駆動素子を制御し、フェールセーフ動作に移行するフェールセーフ手段と
   を具備する電子装置。
2. 前記フェールセーフ手段は、前記第２駆動素子の制御端子の電圧を低下させ、前記第２駆動素子をオフ状態にする請求項１に記載の電子装置。
3. 負荷を駆動するための第１駆動素子に流れる電流を検出する電流検出過程と、
   前記第１駆動素子の制御端子の駆動状態を示す端子駆動信号の有無が無の状態で、かつ、前記第１駆動素子に流れる電流として検出される電流値が所定の閾値以上となった場合に、前記第１駆動素子と直列に接続される第２用駆動素子を制御し、フェールセーフ動作に移行するフェールセーフ過程と
   を有する電子装置の制御方法。
   
   

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