JP2015077030A - 過熱保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷への給電をオンオフするスイッチ又は該負荷への給電によって発熱する発熱部を、電源電位の変動に影響されること無く適切に保護することができる過熱保護装置を提供する。【解決手段】負荷３への給電をオンオフするスイッチと、負荷３への給電によって発熱する発熱部又はスイッチ２に熱結合した感熱抵抗器４と、感熱抵抗器４に定電流を供給する定電流回路５と、感熱抵抗器４の両端の電位差に応じて、スイッチ２をオフにする制御回路６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、負荷への給電をオンオフするスイッチと、該負荷への給電によって発熱する発熱部又は該スイッチに熱結合した感熱抵抗器とを備え、該感熱抵抗器の両端の電位差に応じて、前記スイッチをオフにする過熱保護装置に関する。

負荷の過熱を検知するための正特性サーミスタ及び該負荷への給電を遮断するスイッチングトランジスタを備え、負荷の過熱が検知された場合、該スイッチングトランジスタによって負荷への電流を遮断する過熱保護回路が開示されている（例えば、特許文献１）。正特性サーミスタの一端は電源電位に接続されており、該正特性サーミスタの他端側の電圧に応じて、スイッチングトランジスタがオンオフ動作するように構成されている。
例えば、正特性サーミスタの他端は分圧抵抗を介して接地されている。スイッチングトランジスタのゲートには、抵抗器を介して制御トランジスタのコレクタが接続され、該制御トランジスタのエミッタは、逆接続されたツェナーダイオードを介して接地されている。また、制御トランジスタのベースには前記分圧抵抗で分圧された電圧が印加されるように構成されている。

このように構成された過熱保護回路においては、正特性サーミスタの温度が上昇すると、該正特性サーミスタによる降下電圧が大きくなり、スイッチングトランジスタがオフになる。スイッチングトランジスタがオフになった場合、負荷への給電が遮断される。逆に、正特性サーミスタの温度が低下すると、スイッチングトランジスタがオンになり、負荷への給電が再開される。

特開２００４−９６８０４号公報

しかしながら、従来の過熱保護回路においては、電源電位が変動した場合、正特性サーミスタの他端側の電圧も変動してしまい、スイッチングトランジスタがオフになる正特性サーミスタの温度閾値が変化するという問題があった。車載バッテリを電源として用いた場合、オルタネーターによる発電時、エンジン始動時等、車載機器の動作時に電源電位が変動することがある。温度閾値が変化してしまうと、制御トランジスタが誤動作し、適切な過熱保護を行うことができない。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、負荷への給電をオンオフするスイッチ又は該負荷への給電によって発熱する発熱部を、電源電位の変動に影響されること無く適切に保護することができる過熱保護装置を提供することにある。

本発明に係る過熱保護装置は、負荷への給電をオンオフするスイッチと、該負荷への給電によって発熱する発熱部又は該スイッチに熱結合した感熱抵抗器と、該感熱抵抗器に定電流を供給する定電流回路と、前記感熱抵抗器の両端の電位差に応じて、前記スイッチをオフにする制御回路とを備えることを特徴とする。

感熱抵抗器は、発熱部又はスイッチに熱結合しているため、該発熱部又はスイッチの温度に応答して、感熱抵抗器の温度も変化する。感熱抵抗器には定電流が供給されているため、感熱抵抗器の温度と、該感熱抵抗器の両端の電位差との関係は、電源電位によって変動することは無い。制御回路は、感熱抵抗器の両端の電位差に応じて、スイッチをオフにする。
従って、電源電位の電圧変動に影響されること無く、発熱部及びスイッチの温度に応じて、前記スイッチはオフになり、負荷への給電が遮断される。

本発明に係る過熱保護装置は、前記制御回路は、ソースが前記感熱抵抗器の高電位側に接続され、ゲートが前記感熱抵抗器の低電位側に接続されたＦＥＴを備えることを特徴とする。

ＦＥＴ（Field Effect Transistor）がオンオフする閾値電圧は、ソースの電位が高くなれば上昇し、ソースの電位が低くなれば降下する。ＦＥＴのソースは感熱抵抗器の高電位側に接続されているため、感熱抵抗器の高電位側の電圧が変動した場合、該電圧の変動に応じて、ＦＥＴがオンオフする閾値電圧も追随して変動する。従って、前記ＦＥＴは、感熱抵抗器の高電位側の電圧変動に拘わらず、感熱抵抗器の降下電圧に応じてオンオフする。

本発明に係る過熱保護装置は、前記ＦＥＴはＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ又はＮチャンネル接合型ＦＥＴであることを特徴とする。

Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）は、感熱抵抗器の高電位側の電圧変動に拘わらず、感熱抵抗器の降下電圧に応じてオンオフする。
同様に、Ｎチャンネル接合型ＦＥＴは、感熱抵抗器の高電位側の電圧変動に拘わらず、感熱抵抗器の降下電圧に応じてオンオフする。

本発明に係る過熱保護装置は、前記感熱抵抗器は正特性サーミスタであり、前記制御回路は、一端子が前記スイッチのゲートに接続され、オンオフ用端子が前記Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ又はＮチャンネル接合型ＦＥＴのドレインに接続され、他端子が接地されたトランジスタを備えることを特徴とする。

前記Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ及びトランジスタは、感熱抵抗器の温度が所定の温度以上になった場合、オンになり、前記スイッチはオフになる。つまり、負荷への給電が遮断される。
同様に、前記Ｎチャンネル接合型ＦＥＴは、感熱抵抗器の温度が所定の温度以上になった場合、オンになり、前記スイッチはオフになる。つまり、負荷への給電が遮断される。

本発明に係る過熱保護装置は、前記感熱抵抗器は、電気的に前記スイッチに接続されていることを特徴とする。

感熱抵抗器は、前記スイッチに電気的に接続されて熱結合している。従って、スイッチの熱は感熱抵抗器へ直ちに伝達される。

本発明にあっては、負荷への給電をオンオフするスイッチ又は該負荷への給電によって発熱する発熱部を、電源電位の変動に影響されること無く適切に保護することができる。

過熱保護装置の構成を概念的に示した回路ブロック図である。 過熱保護装置の一構成例を示した回路図である。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
図１は過熱保護装置の構成を概念的に示した回路ブロック図、図２は過熱保護装置の一構成例を示した回路図である。過熱保護装置は、電源１、スイッチ２、負荷３、感熱抵抗器４、定電流回路５及び制御回路６を備える。過熱保護装置は、例えば車両に搭載されている。

電源１は、例えば、鉛蓄電池、リチウムイオン電池等の車載バッテリである。鉛蓄電池は、正極板及び負極板と電解液とを備える。電源１の正極はスイッチ２を介して負荷３に接続されており、電源１は化学反応によって電力を負荷３へ供給する。なお、鉛蓄電池、リチウムイオン電池は、電源１の一例であり、負荷３に対して、必要な電力を供給できるものであれば、特にこれらに限定されない。

スイッチ２は、負荷３への給電をオンオフする素子である。スイッチ２は負荷３への給電によって発熱する素子であり、本実施の形態における過熱保護装置の保護対象である。スイッチ２は、例えばＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴである。スイッチ２のドレインは電源１の正極に接続され、ソースは負荷３の一端に接続されている。スイッチ２のゲートは制御回路６に接続されており、制御回路６からの制御信号に応じて、オンオフする。具体的には、制御回路６からハイレベルの信号が、スイッチ２のゲートに印加された場合、スイッチ２はオンになり、ローレベルの信号がスイッチ２のゲートに印加された場合、スイッチ２はオフになる。
なお、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴは、スイッチ２の一例である。スイッチ２は、Ｐチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ、接合型ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ等の半導体スイッチであっても良いし、機械式スイッチであっても良い。

負荷３は、車両に搭載されたヘッドランプ、送風用モータ、各種駆動用のモータ等の装置である。負荷３の一端部は、スイッチ２のソース又は感熱抵抗器４の一端部に接続され、負荷３の他端部は接地されている。つまり、負荷３の他端部は車両の金属フレームに接続されている。

感熱抵抗器４は正特性サーミスタである。正特性サーミスタは、温度が上昇すると、抵抗値が増加する抵抗器である。感熱抵抗器４の一端部はスイッチ２のソースに電気的に接続して熱結合している。つまり、電源１からの電流はスイッチ２を通じて感熱抵抗器４に流れると共に、通電によって発熱したスイッチ２の熱が感熱抵抗器４に伝導するように構成されている。より具体的には、スイッチ２が配された回路基板の導電線に対して感熱抵抗器４の一端部を直接的に接続してある。また感熱抵抗器４の他端部は定電流回路５に接続されている。

定電流回路５は、感熱抵抗器４及び該定電流回路５に印加される電圧に拘わらず、感熱抵抗器４に定電流を供給する回路である。定電流の大きさは後述する。

制御回路６は、感熱抵抗器４の両端の電位差に応じて、スイッチ２をオフにする回路である。具体的には、制御回路６はスイッチ２のオンオフを制御する制御部６１と、スイッチ２の過熱時に該スイッチ２を強制的に遮断制御するためのＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２及びトランジスタ６３を備える。

制御部６１は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、制御信号出力部、ＣＡＮ通信インタフェース、Ｉ／Ｏポート等を備えたマイコンである。ＣＡＮ通信インタフェースには図示しない外部の電子制御装置（ECU：Electronic Control Unit）がＣＡＮを介して接続されている。制御信号出力部は、スイッチ２のゲートが接続されている。制御部６１は、図示しない外部の電子制御装置から、負荷３への給電指令を受けた場合、制御部６１は制御信号出力部からハイレベルの制御信号を出力する。スイッチ２のゲートにハイレベルの制御信号を印加することによって、スイッチ２をオンにし、負荷３へ給電することができる。前記電子制御装置から負荷３への給電停止命令を受けた場合、制御部６１は制御信号出力部からローレベルの制御信号を出力する。スイッチ２のゲートにローレベルの制御信号を印加することによって、スイッチ２をオフにし、負荷３への給電を停止することができる。

Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２のソースは、スイッチ２のソースと、感熱抵抗器４の前記一端部、つまり高電位側の端部とに接続されている。また、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２のゲートは、感熱抵抗器４の他端部、つまり低電位側の端部に接続されている。Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２のドレインは、トランジスタ６３のベースに接続されている。
なお、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２に代えて、Ｎチャンネル接合型ＦＥＴを用いても良い。

トランジスタ６３は、例えばバイポーラトランジスタであり、コレクタがスイッチ２のゲート及び制御部６１の制御信号出力部に接続されている。トランジスタ６３のエミッタは接地されている。なお、バイポーラトランジスタは、トランジスタ６３の一例であり、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ、Ｐチャンネル型の接合型ＦＥＴ等で構成しても良い。

このように構成された過熱保護装置の動作を説明する。
感熱抵抗器４による降下電圧は下記式（１）で表される。

Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２がオンになる条件は下記式（２）で表される。

上記式（２）の左辺はＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２のゲートに印加される電圧を示しており、右辺はＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２がオンになるゲート電圧を示している。
上記式（２）は下記式（３）に変形できる。

上記式（３）から分かるように、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２がオンになるゲート電圧は、電源電位に依存せず、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２のソースドレイン間の閾値電圧によって決まる。
従って、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２は、電源電位に依存せず、感熱抵抗器４の降下電圧が前記閾値電圧よりより大きい場合、オンになる。感熱抵抗器４の降下電圧が前記閾値電圧以下である場合、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２は、オフになる。つまり、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２は、正特性サーミスタである感熱抵抗器４の温度が高い場合、オンになり、感熱抵抗器４の温度が低い場合オフになる。

感熱抵抗器４の温度が低く、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２がオフ状態である場合、トランジスタ６３はオフ状態である。トランジスタ６３がオフ状態である場合、制御部６１から出力される制御信号に従って、スイッチ２はオンオフする。
感熱抵抗器４の温度が高く、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２がオン状態である場合、トランジスタ６３はオン状態である。トランジスタ６３がオン状態である場合、スイッチ２のゲートは接地されるため、制御部６１からハイレベルの制御信号が出力されていても、スイッチ２はオフになり、負荷３への給電が遮断される。

次に、スイッチ２をオフにする閾値の決定方法を説明する。上記式（１）及び（３）より、下記式（４）が得られる。

ここで、スイッチ２をオフにする閾値温度における感熱抵抗器４の抵抗値は既知であるため、上記式（４）より、定電流回路５によって供給すべき定電流の値は下記式（５）で与えられる。

このように構成された過熱保護回路によれば、電源電位の変動に影響されること無く、スイッチ２が閾値温度以上にならないように保護することができる。

また、感熱抵抗器４はスイッチ２に対して電気的に接続されて熱結合しているため、過熱保護回路の熱応答性を向上させることができる。つまり、スイッチ２の温度上昇に追随して、感熱抵抗器４の温度も直ちに上昇するため、スイッチ２が閾値電圧に達した場合、速やかにスイッチ２をオフにすることができ、スイッチ２を過熱から効果的に保護することができる。

更に、スイッチ２の過熱保護制御を、制御回路６のＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２及びトランジスタ６３によって実現しているため、応答性に優れており、制御部６１の処理負担を軽減させることができる。

なお、本実施の形態では、過熱保護制御を行う回路を、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２及びトランジスタ６３で構成する例を説明したが、感熱抵抗器４の降下電圧に応じて、スイッチ２をオンオフ制御できる構成であれば、特に本実施の形態の構成に限定されない。
例えば、トランジスタ６３を廃し、制御部６１がＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２のドレイン電圧に応じて、スイッチ２をオンオフ制御するように構成しても良い。より具体的には、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２のドレイン電圧を、分圧抵抗で分圧し、分圧された電圧を制御部６１のＩ／Ｏポートに入力するように構成すると良い。制御部６１は、所定の閾値電圧より高い場合、スイッチ２を強制的にオフにする制御を行う。この場合、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２は、Ｎチャンネル型ＭＯＳＦＥＴで構成しても良いし、Ｐチャンネル型又はＮチャンネル型の接合型ＦＥＴで構成しても良い。
また、感熱抵抗器４の一端部の電圧値と、他端部の電圧値とを制御部６１がＩ／Ｏポートを介して取得し、取得した電圧値の差分に応じて、スイッチ２をオンオフ制御するように構成しても良い。感熱抵抗器４が熱に対して正特性を有する場合、前記差分が閾値より大きいときに、スイッチ２を強制的にオフ制御すれば良い。感熱抵抗器４が負特性を有する場合、前記差分が閾値より小さいときに、スイッチ２を強制的にオフ制御すれば良い。

また、感熱抵抗器４として正特性サーミスタを例示したが、温度によって抵抗値が変化する素子であれば、正特性サーミスタに限定されない。例えば、白銀測温抵抗体を感熱抵抗器４として用いても良い。また、上述したように、制御回路６の構成によっては、感熱抵抗器４は正特性である必要は無く、負特性の感熱抵抗器４、例えば負特性サーミスタで構成しても良い。負特性サーミスタは、温度が上昇すると、抵抗値が低下する抵抗器である。
例えば、トランジスタ６３のコレクタをスイッチ２のゲートに接続し、トランジスタ６３のエミッタを制御信号出力部に接続し、ベースをＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２のドレインに接続すると良い。感熱抵抗器４が負特性であるため、スイッチ２が閾値温度以下である場合、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２がオンになり、制御信号出力とスイッチ２のゲートとが接続される。スイッチ２が閾値温度未満である場合、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ６２がオフになり、制御信号出力とスイッチ２のゲートとが切断され、負荷３への給電が遮断される。

更に、本実施の形態では、スイッチ２を過熱から保護する例を説明したが、負荷への給電によって過熱される任意の過熱部の温度を、感熱抵抗器４によって検知し、負荷への給電を遮断するように構成しても良い。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は、上で例示した内容だけで無く、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての更新が含まれることが意図される。

１ 電源
２ スイッチ
３ 負荷
４ 感熱抵抗器
５ 定電流回路
６ 制御回路
６１ 制御部
６２ Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ
６３ トランジスタ

Claims (5)

1. 負荷への給電をオンオフするスイッチと、該負荷への給電によって発熱する発熱部又は該スイッチに熱結合した感熱抵抗器と、
   該感熱抵抗器に定電流を供給する定電流回路と、
   前記感熱抵抗器の両端の電位差に応じて、前記スイッチをオフにする制御回路と
   を備えることを特徴とする過熱保護装置。
2. 前記制御回路は、
   ソースが前記感熱抵抗器の高電位側に接続され、ゲートが前記感熱抵抗器の低電位側に接続されたＦＥＴを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の過熱保護装置。
3. 前記ＦＥＴはＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ又はＮチャンネル接合型ＦＥＴである
   ことを特徴とする請求項２に記載の過熱保護装置。
4. 前記感熱抵抗器は正特性サーミスタであり、
   前記制御回路は、
   一端子が前記スイッチのゲートに接続され、オンオフ用端子が前記Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ又はＮチャンネル接合型ＦＥＴのドレインに接続され、他端子が接地されたトランジスタを備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の過熱保護装置。
5. 前記感熱抵抗器は、電気的に前記スイッチに接続されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の過熱保護装置。

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