電流検出装置、過電流保護装置および電流検出方法
【課題】簡易な構成でより自由度高く温度特性の補正を行うことができ、精度の高い過電流保護特性を得ることができる電流検出装置、過電流保護装置および電流検出方法を提供すること。
【解決手段】電源と負荷との間に電線を介して接続したスイッチング素子と、前記電源から前記スイッチング素子を介して前記負荷に供給される負荷電流に対応する検出電流を、前記スイッチング素子の差電圧に基づいて出力する電流検出部と、を備え、前記電流検出部は、前記スイッチング素子がもつ抵抗成分の温度特性を補正する温度係数を有する温度特性補正サーミスタ素子を備える。
【解決手段】電源と負荷との間に電線を介して接続したスイッチング素子と、前記電源から前記スイッチング素子を介して前記負荷に供給される負荷電流に対応する検出電流を、前記スイッチング素子の差電圧に基づいて出力する電流検出部と、を備え、前記電流検出部は、前記スイッチング素子がもつ抵抗成分の温度特性を補正する温度係数を有する温度特性補正サーミスタ素子を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流検出装置、過電流保護装置および電流検出方法に関し、特に電線や車両に搭載されている電装品を過電流から保護するための電流検出装置、過電流保護装置および電流検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載されている電装品に電線を介して電力を供給する電源供給装置（一般的にはジャンクションボックスやリレーボックス等と呼ばれている。）には、スイッチング素子や、電線や電装品を過電流による焼損等から保護するために、ヒューズが設けられている。ヒューズを備えた装置では、ヒューズの交換等の整備を行う必要がある。このため、ヒューズを交換しやすい場所に設置する必要があった。また、従来からスイッチング素子としてリレーが多く用いられているが、サイズや部品発熱が大きく装置の小型化が困難といった課題があった。
さらに、電線線径やスイッチング素子は、過電流保護回路の保護特性を考慮した、適正な線径やサイズを選択する必要があるが、ヒューズとのマッチング（ラインナップ、ばらつき、経年劣化、温度特性等）によって、電線線径を太くしたり、スイッチング素子を大型化する必要があった。
【０００３】
そこで、近年、ヒューズやリレーの代わりにトランジスタ素子を用いた過電流保護回路が提案されている（特許文献１参照）。この過電流保護回路は、電源と電装品との間に接続されたトランジスタ素子を備え、トランジスタ素子のソース電極とドレイン電極との間の電圧変化に基づいて過電流が発生したか否かを判定する。そして、過電流保護回路は、過電流が発生したと判定した場合、トランジスタ素子をオフすることによって電源と電装品との間の接続を遮断することにより、電装品を過電流から非破壊で保護する。このような過電流保護回路によれば、過電流が発生し、保護機能が動作した場合であってもトランジスタ素子の整備を行う必要がない。従って、トランジスタ素子を用いた過電流保護回路を備えた電源供給装置は、設置場所が限定されることもない。また、ヒューズの削減、スイッチング素子の小型・低損失化によって装置の小型化が可能になる。
さらに、従来のヒューズより保護特性のばらつきを抑制することができれば、より小さな線径の電線を選択すること、すなわち電線細径化をすることが可能となる。しいてはワイヤーハーネスの軽量化をすることができる。
【０００４】
ここで、過電流発生の判定を行うためのドレイン−ソース間電圧は、通電電流値とトランジスタ素子の抵抗値によって発生するため、一定の通電電流であってもトランジスタ素子の抵抗値の温度依存特性を反映した温度依存特性を有する。
このようにドレイン−ソース間電圧が温度依存特性を有する場合、その温度依存性によって正常な電流を過電流と判定してしまうおそれがある場合、その温度依存性をも考慮した電線を選択する必要がでてくる。このことはすなわち電線線径の増大につながる。したがって、規定の過電流値に対して電線線径の増大とならない、より正確な判定をおこなうために判定の閾値電圧（過電流判定電圧）を温度に応じて変化させることが好ましい。
【０００５】
そこで、特許文献２、３には、温度センサを用いてトランジスタ素子の温度を検出し、その検出温度に応じてＣＰＵ等によって過電流判定電圧を補正する方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献４、５には、過電流保護のためのトランジスタ素子と同様の温度特性を有するトランジスタ素子をセンストランジスタ素子として用いて、過電流発生の判定を行うためのドレイン−ソース間電圧の温度依存性を相殺する方法が開示されている。この方法によれば、過電流判定電圧の補正を行うこと無しに、搭載温度環境が変化する場合においてもより正確な判定を行うことができる。
なお、電線の限界電流値（電線発煙特性）も温度特性を有し、温度によって変化する。また、負荷の中には、正常な負荷電流にも温度依存性を有するものがある（デフォッガ、ヒーター等）。したがって、上記場合は、過電流保護特性について、電線、負荷の温度特性を考慮したうえで、温度特性を任意に設定することで、より正確な過電流判定をすることができる場合もある。それによって電線細径化やトランジスタ素子の小型化を実現できる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１４２１４６号公報
【特許文献２】特開２０００−２９９６３１号公報
【特許文献３】特開２００３−６１３９２号公報
【特許文献４】特開平１０−３２４７６号公報
【特許文献５】特開平３−１５１６７０号公報
【特許文献６】特許第４４７１３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ＣＰＵ等によって過電流判定電圧を補正する方法は、回路構成が複雑化し、装置の大型化やコストＵＰのおそれがあるという問題がある。また、センストランジスタ素子を用いる方法は、そのセンストランジスタ自身が、電流検出を目的として特別に製作されたものであり、汎用的に使用できるもの（汎用品、標準部品）とはいえず、従来のトランジスタより、構造が複雑で、装置の大型化やコストＵＰを招くものである。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成でより好適に過電流保護特性の温度特性の補正を行うことができ、精度の高い過電流保護特性を得ることができる電流検出装置、過電流保護装置および電流検出方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、電線の許容電流値や負荷電流の温度特性にあわせて、保護特性の温度特性を設定することができ、電線の細径化やスイッチング素子の小型化をすることができる電流検出装置、過電流保護装置および電流検出方法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】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電流検出装置は、電源と負荷との間に電線を介して接続したスイッチング素子と、前記電源から前記スイッチング素子を介して前記負荷に供給される負荷電流に対応する検出電流を、前記スイッチング素子の差電圧に基づいて出力する電流検出部と、を備え、前記電流検出部は、前記スイッチング素子がもつ抵抗成分の温度特性を補正する温度係数を有する温度特性補正サーミスタ素子を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る過電流保護装置は、上記発明の電流検出装置と、前記検出電流をもとに、前記スイッチング素子に過電流が流れたと判定した場合に前記スイッチング素子をオフ状態にするスイッチング素子制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る電流検出方法は、電源から電線とスイッチング素子とを介して負荷に供給される負荷電流に対応する検出電流を、前記スイッチング素子の差電圧に基づいて出力する電流検出工程を含み、前記電流検出工程は、所定の温度係数を有するサーミスタ素子によって前記検出電流の温度特性を補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡易な構成でより好適に過電流保護特性の温度特性の補正を行うことができ、精度の高い過電流保護特性を得ることができ、電線の許容電流値や負荷電流の温度特性にあわせて、最適な保護特性の温度特性を設定することができ、電線の細径化やスイッチング素子の小型化をすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施の形態に係る過電流保護装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】図２は、図１に示すスイッチング素子およびＰＴＣサーミスタ素子の配置を示す模式図である。
【図３】図３は、図１に示す電流検出部が出力する検出電流Ｉsの温度特性の例を示す図である。
【図４】図４は、図１に示す過電流保護装置によって実現される温度相当電圧ＶＴｊの例を示す図である。
【図５】図５は、スイッチング素子およびＰＴＣサーミスタ素子の配置の別の態様を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、図面を参照して本発明に係る電流検出装置、過電流保護装置および電流検出方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。
【００１６】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る過電流保護装置の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、電源供給装置１００は、スイッチング素子１０と、電流検出部２０と、電流演算部３０と、温度模擬部４０と、スイッチング素子制御部５０と、を備えている。なお、スイッチング素子１０と電流検出部２０とが電流検出装置を構成している。
【００１７】
スイッチング素子１０は、寄生ダイオード１０ａを有するｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子１０は、ドレイン端子側が電源Ｐと接続し、ソース端子側が負荷Ｌと接続するように、電線Ｗを介して電源Ｐと負荷Ｌとの間に接続している。また、スイッチング素子１０のゲート端子はスイッチング素子制御部５０に接続している。
【００１８】
電流検出部２０は、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタ素子２１と、オペアンプ２２と、スイッチング素子２３とを備えている。ＰＴＣサーミスタ素子２１は、温度の上昇に対して電気抵抗値が増大するサーミスタ素子であり、スイッチング素子２３と並列接続している。オペアンプ２２は、その反転入力端子がＰＴＣサーミスタ素子２１を介して電源Ｐに接続し、非反転入力端子がスイッチング素子１０と負荷Ｌとの間の電線Ｗに接続している。スイッチング素子２３は、ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴで構成され、寄生ダイオード２３ａを有する。スイッチング素子１０のドレイン端子はＰＴＣサーミスタ素子２１を介して電源Ｐに接続し、ゲート端子はオペアンプ２２の出力端子に接続している。
【００１９】
図２は、図１に示すスイッチング素子１０およびＰＴＣサーミスタ素子２１の配置を示す模式図である。図２に示すように、スイッチング素子１０は、ＭＯＳＦＥＴのチップが収容されたケース１１と、ドレイン端子１２と、ゲート端子１３と、ソース端子１４とを備えている。スイッチング素子１０は、放熱板としての機能も有するドレイン端子１２を介して基板１５に実装されている。なお、基板１５上には、熱伝導体である銅パターンからなるヒートスプレッダ１５ａが形成されており、ドレイン端子１２はヒートスプレッダ１５ａ上に位置している。
【００２０】
ＰＴＣサーミスタ素子２１は、基板１５のヒートスプレッダ１５ａに一方の端子が接続するように実装され、かつスイッチング素子１０の近傍に配置されている。したがって、ＰＴＣサーミスタ素子２１は、ヒートスプレッダ１５ａを介してスイッチング素子１０と電気的に接続し、かつ熱的に結合している。また、ＰＴＣサーミスタ素子２１のもう一方の端子は、基板１５上に形成された幅の細い配線パターン１５ｂを介してオペアンプ２２の反転入力端子と接続している。また、スイッチング素子１０およびＰＴＣサーミスタ素子２１は、絶縁性および熱伝導性を有する被覆材料Ａにて覆われている。被覆材料Ａはたとえば樹脂材料に熱伝導性フィラーを配合したものである。
【００２１】
図１に戻って、電流演算部３０は、その入力側が電流検出部２０のスイッチング素子２３のソース端子に接続している。電流演算部３０は、入力された電流を２乗した演算電流を出力する。なお、電流演算部３０は、トランスリニア回路を用いたアナログ回路で構成することができる。
【００２２】
温度模擬部４０は、電流源４１と、熱等価回路部４２とを備えている。電流源４１は、入力側が電流演算部３０の出力側に接続し、出力側が熱等価回路部４２に接続している。熱等価回路部４２は、オン状態でスイッチング素子１０に流れる負荷電流Ｉloadによる消費電力に相当する発熱の時間的な変化を模擬するための電気的等価回路であり、スイッチング素子１０における過渡的な熱変動を表現するように構成されている。熱等価回路部４２は、並列接続したコンデンサ４２ａと抵抗４２ｂとからなるＣＲ時定数回路として構成されている。なお、熱等価回路部４２は図１に示したものに限らず、特許文献１に開示された種々の構成を適用することができる。
【００２３】
スイッチング素子制御部５０は、制御信号入力端子５１を備えている。スイッチング素子制御部５０は、温度模擬部４０の熱等価回路部４２とスイッチング素子１０のゲート端子とに接続している。
【００２４】
つぎに、この電源供給装置１００の動作について、負荷Ｌを操作するための操作スイッチをオフにしている場合と、操作スイッチをオンにした場合とに分けて説明する。
【００２５】
（負荷Ｌを操作するための操作スイッチをオフにしている場合）
この場合、スイッチング素子制御部５０には制御信号入力端子５３からＬｏｗレベルの制御信号が入力される。このとき、スイッチング素子制御部５０は駆動電圧信号をスイッチング素子１０のゲート端子に出力しない。その結果、スイッチング素子１０はオフ状態に維持される。したがって、電源Ｐから負荷Ｌに電流は供給されないので、負荷Ｌは駆動しない。
【００２６】
（負荷Ｌを操作するための操作スイッチをオンにした場合）
この場合、スイッチング素子制御部５０には制御信号入力端子５３からＨｉｇｈレベルの制御信号が入力される。これによって、スイッチング素子制御部５０は駆動電圧信号をスイッチング素子１０のゲート端子に出力する。これによって、スイッチング素子１０はオン状態になる。その結果、スイッチング素子１０のドレイン−ソース間には電流が流れ、電源Ｐから負荷Ｌに電線Ｗを介して負荷電流Ｉloadが供給され、負荷Ｌは駆動する。
【００２７】
このとき、電流検出部２０では、スイッチング素子１０の差電圧であるドレイン−ソース間電圧ＶdsとＰＴＣサーミスタ素子２１の端子間電圧Ｖsとが等しくなるように、オペアンプ２２の出力でスイッチング素子２３のゲート電位を制御している。これによって、ＰＴＣサーミスタ素子２１には、電線Ｗに流れる負荷電流Ｉloadに比例した値の検出電流Ｉsが流れるようになっている。ここで、Ｉs＝Ｉload×Ｒon／Ｒsで表される。Ｒonは所定の温度でのスイッチング素子１０のオン抵抗であり、Ｒsは所定の温度でのＰＴＣサーミスタ素子２１の電気抵抗値である。電流検出部２０は、この検出電流Ｉsを、負荷電流Ｉloadに対応する電流として出力する。
【００２８】
ここで、Ｒon、Ｒs、Ｉsについて具体的に説明する。まず、Ｒonは、スイッチング素子１０のＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度でのオン抵抗である。Ｒsは、ＰＴＣサーミスタ素子２１の温度での電気抵抗値である。図２に示すように、ＰＴＣサーミスタ素子２１は、スイッチング素子１０の近傍に配置され、かつヒートスプレッダ１５ａを介してスイッチング素子１０と熱的に結合している。その結果、ＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度とＰＴＣサーミスタ素子２１の温度とは近い値になるので、ＰＴＣサーミスタ素子２１は過電流から保護すべきスイッチング素子１０のＭＯＳＦＥＴの温度をより正確に検出することができる。
【００２９】
また、図２に示すように、ＰＴＣサーミスタ素子２１のもう一方の端子は、幅の細い配線パターン１５ｂを介してオペアンプ２２の反転入力端子と電気的に接続している。配線パターン１５ｂは、幅が細く、ヒートスプレッダ１５ａよりも熱抵抗が大きいため、ヒートスプレッダ１５ａから配線パターン１５ｂ側には熱が放出されにくくなっている。このような熱の放出を抑制することによって、ＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度とＰＴＣサーミスタ素子２１の温度とがさらに近い値になり、さらに正確な温度検出が可能になる。
【００３０】
また、電流検出部２０では、ＰＴＣサーミスタ素子２１を使用しているため、その電気抵抗値Ｒsの値を自由度高く選択して使用できる。したがって、検出電流Ｉsも自由度高く設定できるので、電流検出部２０およびその下流に位置する電流演算部３０、温度模擬部４０、およびスイッチング素子制御部５０を自由度高く、たとえば小型化、低コスト化、または低消費電力化を実現するように構成することができる。
【００３１】
また、ＰＴＣサーミスタ素子２１の温度係数を適宜に設定することによって、簡易な構成でありながら検出電流Ｉsの温度特性を自由度高く設定することができる。
【００３２】
図３は、電流検出部２０が出力する検出電流Ｉsの温度特性の例を示す図である。なお、図３に示す温度特性は、スイッチング素子１０を構成するＭＯＳＦＥＴとしてオン抵抗Ｒonの温度係数が約４５００ｐｐｍ／℃のものを使用し、Ｉload＝１５Ａとして計算している。図３において、線Ｌ１は、ＰＴＣサーミスタ素子２１の電気抵抗値Ｒsの温度係数を１０００ｐｐｍ／℃に設定した場合の検出電流Ｉsの温度特性を示している。同様に、線Ｌ２、Ｌ３は、ＰＴＣサーミスタ素子２１の電気抵抗値Ｒsの温度係数をそれぞれ２７００ｐｐｍ／℃、４２００ｐｐｍ／℃に設定した場合の検出電流Ｉsの温度特性を示している。
【００３３】
線Ｌ１の場合、Ｉsの温度係数は約４５００ｐｐｍ／℃となり、ＭＯＳＦＥＴの抵抗成分であるオン抵抗と同等の温度係数となる。また、線Ｌ２の場合、Ｉsの温度係数は約１５００ｐｐｍ／℃となり、従来車両に搭載されている電源供給装置において通常使用されているヒューズの温度特性（たとえば約−１５００ｐｐｍ／℃）の逆特性と同等の温度係数となる。線Ｌ３の場合、Ｉsの温度係数は略０ｐｐｍ／℃となり、温度依存性がほとんど無い特性となり、Ｉｓの温度依存性をキャンセルすることができる。また、ＰＴＣサーミスタ素子２１の温度係数の設定によっては、Ｉsの温度特性を、負荷Ｌの温度特性と同等、電線Ｗの温度特性と同等、もしくは負荷Ｌの温度特性と電線Ｗの温度特性との間の温度特性に補正することもできる。このように、ＰＴＣサーミスタ素子２１の温度係数を適宜に設定することによって、検出電流Ｉsの温度特性を自由度高く設定することができる。
【００３４】
なお、電流検出部２０では、ＰＴＣサーミスタ素子２１からの電流は差動増幅器であるオペアンプ２２の反転入力端子に入力し、スイッチング素子１０からの電流はオペアンプ２２の非反転入力端子に入力する。その結果、スイッチング素子１０を構成するＭＯＳＦＥＴのオン抵抗Ｒonの温度係数と、ＰＴＣサーミスタ素子２１の電気抵抗値Ｒsの温度係数とがいずれも正値であっても、検出電流Ｉsは両値の差分的な特性を示す。
【００３５】
つぎに、電流演算部３０では、入力された検出電流Ｉsを２乗演算した演算電流Ｉout（＝Ｉs２）を出力する。
【００３６】
つぎに、温度模擬部４０では、演算電流Ｉoutが入力されて、スイッチング素子１０の温度を示す温度相当電圧を出力する。温度模擬部４０では、まず、電流源４１が、電流演算部３０が出力する演算電流Ｉoutを熱等価回路部４２に流す。
【００３７】
熱等価回路部４２では、コンデンサ４２ａと抵抗４２ｂとの接続点の電位であり、スイッチング素子１０の温度に相当する温度相当値を、スイッチング素子１０の温度を示す温度相当電圧ＶＴｊとして出力する。
【００３８】
つぎに、スイッチング素子制御部５０は、スイッチング素子１０に過電流が流れたかどうかを判定する。この判定は、たとえばスイッチング素子制御部５０が比較器を備えることによって実現される。判定を比較器によって実現する場合を以下に説明する。まず、比較器の非反転入力端子から温度相当電圧ＶＴｊが入力され、反転入力端子には過電流判定電圧Ｖrefが入力される。過電流判定電圧Ｖrefは、スイッチング素子１０の過電流限界特性に基づいて、スイッチング素子１０が焼損等に到らない温度に対応する電圧に設定することが好ましい。スイッチング素子１０が焼損等に到らない温度とは、たとえば、スイッチング素子１０を構成するＭＯＳＦＥＴの接合温度である１５０℃または１７５℃より小さい温度である。なお、電線Ｗが焼損等に到らない温度とは、電線Ｗの発煙温度および被覆の溶解温度である１５０℃〜１６０℃より小さい温度である。
【００３９】
ここで、温度相当電圧ＶＴｊは、温度模擬部４０が、入力された演算電流Ｉout（＝Ｉs２）に基づいて出力したものである。したがって、温度相当電圧ＶＴｊは、電流検出部２０において設定された検出電流Ｉsの温度特性に相当する温度特性を有するものである。
【００４０】
すなわち、この電源供給装置１００では、過電流判定電圧Ｖrefを補正する代わりに、過電流判定電圧Ｖrefと比較すべき温度相当電圧ＶＴｊのほうに所望の温度特性を持たせて、スイッチング素子１０の温度特性の補正を行っている。その結果、電源供給装置１００は、ＣＰＵ等を用いる複雑な回路構成無しに、簡易な構成で、かつ自由度高く、所望の温度特性の補正を実現することができる。また、電源供給装置１００は、このような簡易な構成で温度特性の補正を行うので、その補正精度を高くすることができる。
【００４１】
以下、過電流の判定について、温度相当電圧ＶＴｊが過電流判定電圧Ｖref以下の場合と、温度相当電圧ＶＴｊが過電流判定電圧Ｖrefを超えた場合とに分けて説明する。
【００４２】
（温度相当電圧ＶＴｊが過電流判定電圧Ｖref以下の場合）
この場合は、スイッチング素子１０には過電流が流れていないと判定する場合である。このとき、スイッチング素子制御部５０は、駆動電圧信号をスイッチング素子１０のゲート端子に出力し続ける。したがって、この場合はスイッチング素子１０はオン状態のままであり、電源Ｐから負荷Ｌに電線Ｗを介して負荷電流Ｉloadが供給され続け、負荷Ｌは駆動を続ける。
【００４３】
（温度相当電圧ＶＴｊが過電流判定電圧Ｖrefを超えた場合）
この場合は、過電流が発生し、スイッチング素子１０に過電流が流れると判定する場合である。温度相当電圧ＶＴｊが過電流判定電圧Ｖrefを超えると、スイッチング素子制御部５０は、駆動電圧信号をスイッチング素子１０のゲート端子に印加することを停止する。これによって、スイッチング素子１０はオン状態からオフ状態にスイッチングされる。したがって、電源Ｐから負荷Ｌへの電流の供給が遮断され、負荷Ｌの駆動が停止される。その結果、スイッチング素子１０は過電流から保護される。
【００４４】
以上のようにして、この電源供給装置１００では、簡易な構成で自由度高く温度特性の補正をすることができるので、スイッチング素子１０を過電流からより適切に保護することができる。
【００４５】
つぎに、電源供給装置１００によって実現される過電流保護特性の例を説明する。図４は、電源供給装置１００によって実現される過電流保護特性の例を示す図である。
【００４６】
図４において、横軸は電源供給装置１００の環境温度Ｔａ［℃］を示し、縦軸は負荷電流Ｉload［Ａ］を示している。また、線Ｌ４は、電線Ｗが断面積０．５ｓｑのＣＨＦＵＳである場合の、発煙が発生する負荷電流Ｉloadでの温度特性の一例を示している。線Ｌ５は、低背ヒューズ（定格電流１０Ａ）の溶断が発生する負荷電流Ｉloadの値の温度特性の一例を示している。線Ｌ６は、負荷Ｌがリアガラスのくもりを取るためのデフォッガである場合の、熱飽和領域における負荷電流Ｉloadの温度特性の一例を示している。なお、図示していないが、スイッチング素子１０が破壊する負荷電流Ｉloadの値の温度特性も、線Ｌ４と同様の曲線で示される。
【００４７】
線Ｌ７は、ＰＴＣサーミスタ素子２１の電気抵抗値の温度係数を４２００ｐｐｍ／℃に設定した場合の過電流保護特性であって、温度相当電圧ＶＴｊが過電流判定電圧Ｖrefを超えて供給が遮断されるときの負荷電流Ｉloadの値の温度特性の一例を示している。また、線Ｌ８は、ＰＴＣサーミスタ素子２１の電気抵抗値の温度係数を２７００ｐｐｍ／℃に設定した場合の過電流保護特性であって、温度相当電圧ＶＴｊが過電流判定電圧Ｖrefを超えて供給が遮断されるときの負荷電流Ｉloadの値の温度特性の一例を示している。
【００４８】
図４に示すように、この電源供給装置１００では、ＰＴＣサーミスタ素子２１の電気抵抗値の温度係数を変更することによって、簡単な構成で過電流保護特性の温度特性を補正することができる。そして、たとえば、過電流保護特性は、線Ｌ８で示されるような温度特性とすることによって、線Ｌ４で示される保護すべき電線Ｗの発煙の温度特性、またはスイッチング素子１０の破壊の温度特性などの、過電流限界特性と同等の温度特性に近づけることができる。
【００４９】
このように、過電流保護特性を、保護すべき対象の過電流限界特性に近づけることによって、保護対象の設計が同一であっても、より一層大きい電流を保護対象に流すことができる。換言すれば、同じ大きさの電流を流す場合であっても、スイッチング素子１０の場合は従来よりも放熱構造を小型、簡略化でき、電線Ｗの場合は従来よりも細径化できる。したがって、この電源供給装置１００を使用すれば、従来と同じ大きさの電流を流す場合であっても、スイッチング素子１０および電線Ｗの小型化等が容易になる。
【００５０】
また、過電流保護特性は、線Ｌ５で示されるような温度特性とすることによって、ヒューズの溶断特性の温度特性に近づけた温度特性とすることができる。このように、電源供給装置１００の過電流保護特性をヒューズの特性に近づけると、ヒューズを使用した従来の電源供給装置に置き換えて電源供給装置１００を使用することが一層容易になる。なお、線Ｌ７、Ｌ８で示す温度特性は、過電流判定電圧Ｖrefを縦軸方向にシフトすることによって、線Ｌ４、Ｌ５により一層近づけることができる。
【００５１】
また、図４に示すように、電源供給装置１００の過電流保護特性を線Ｌ７と線Ｌ８との間の特性に設定し、線Ｌ６で示される負荷Ｌの特性と交差しないようにすることによって、負荷Ｌの正常な動作を阻害すること無しに、適切な過電流保護特性を実現することができる。また、さらには、図３の線Ｌ３で示す場合と同様に、ＰＴＣサーミスタ素子２１の電気抵抗値の温度係数の適宜の設定によって、過電流保護特性の温度依存性をキャンセルすることもできる。
【００５２】
なお、上記実施の形態では、図２に示すように、スイッチング素子１０およびＰＴＣサーミスタ素子２１とは、基板１５の同一面側に実装されているが、スイッチング素子１０の実装面の裏面にＰＴＣサーミスタ素子２１を実装してもよい。
【００５３】
図５は、スイッチング素子１０およびＰＴＣサーミスタ素子２１の配置の別の態様を示す模式図である。図５は、スイッチング素子１０を実装した基板１６を、スイッチング素子１０の実装面の裏面側から見た図である。基板１６の、スイッチング素子１０の実装面の裏面側には、ヒートスプレッダ１６ａが形成されている。スイッチング素子１０のドレイン端子１２とヒートスプレッダ１６ａとは多数のスルーホール１６ｃで電気的に接続し、かつ熱的に結合している。
【００５４】
ＰＴＣサーミスタ素子２１は、ヒートスプレッダ１６ａに一方の端子が接続するように実装され、スイッチング素子１０のドレイン端子１２の直ぐ裏側に配置されている。また、ヒートスプレッダ１６ａ上には、たとえば半田材のような熱伝導性が高い熱接合材１６ｄがＰＴＣサーミスタ素子２１を３方から囲むように形成されている。したがって、ＰＴＣサーミスタ素子２１は、ヒートスプレッダ１６ａ、スルーホール１６ｃ、および熱接合材１６ｄを介してスイッチング素子１０と電気的に接続し、かつ熱的に結合している。また、ＰＴＣサーミスタ素子２１のもう一方の端子は、基板１６上に形成された幅の細い配線パターン１６ｂを介してオペアンプ２２の反転入力端子と接続している。したがって、図２の場合と同様に、スイッチング素子１０のＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度とＰＴＣサーミスタ素子２１の温度とが近い値になり、正確な温度検出が可能になる。
【００５５】
なお、上記実施の形態では、電流演算部が検出電流に基づく２乗演算を行った演算電流を温度模擬部に出力している。しかしながら、電流演算部を設けずに、電流検出部が検出電流を温度模擬部に直接入力し、温度模擬部はこの検出電流をもとに温度相当電圧を出力するようにしてもよい。また、スイッチング素子制御部は、電流検出部からの検出電流を直接入力し、この検出電流をもとに過電流判定を行うように構成してもよい。この場合、電流演算部および温度模擬部を設けなくてもよい。
【００５６】
また、上記実施の形態では、電流検出部に設けられた電流検出用抵抗素子として、温度特性補正サーミスタ素子であるＰＴＣサーミスタ素子を備えている。しかしながら、温度特性補正サーミスタ素子は温度模擬部に備えられてもよい。なお、使用する温度特性補正サーミスタ素子としては、設ける場所に応じてＰＴＣサーミスタ素子またはＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）サーミスタ素子を適宜選択して、その電気抵抗値および温度係数を設定して所望の温度特性の補正を実現すればよい。たとえば、図１に示す温度模擬部４０が備える抵抗４２ａをＮＴＣサーミスタ素子に置き換えて、所望の温度特性の補正を実現してもよい。
【００５７】
また、熱等価回路部は、スイッチング素子等の保護対象の温度環境や温度特性等に応じて、熱等価部の数や構成を適宜設定することが好ましい。
【００５８】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。その他、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００５９】
１０、２３ スイッチング素子
１０ａ、２３ａ 寄生ダイオード
１１ ケース
１２ ドレイン端子
１３ ゲート端子
１４ ソース端子
１５、１６ 基板
１５ａ、１６ａ ヒートスプレッダ
１５ｂ、１６ｂ 配線パターン
１６ｃ スルーホール
１６ｄ 熱接合材
２０ 電流検出部
２１ ＰＴＣサーミスタ素子
２２ オペアンプ
３０ 電流演算部
４０ 温度模擬部
４１ 電流源
４２熱等価回路部
４２ａ コンデンサ
４２ｂ 抵抗
５０ スイッチング素子制御部
５１ 制御信号入力端子
１００ 電源供給装置
Ａ 被覆材料
Ｌ 負荷
Ｌ１〜Ｌ８ 線
Ｐ 電源
Ｗ 電線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流検出装置、過電流保護装置および電流検出方法に関し、特に電線や車両に搭載されている電装品を過電流から保護するための電流検出装置、過電流保護装置および電流検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載されている電装品に電線を介して電力を供給する電源供給装置（一般的にはジャンクションボックスやリレーボックス等と呼ばれている。）には、スイッチング素子や、電線や電装品を過電流による焼損等から保護するために、ヒューズが設けられている。ヒューズを備えた装置では、ヒューズの交換等の整備を行う必要がある。このため、ヒューズを交換しやすい場所に設置する必要があった。また、従来からスイッチング素子としてリレーが多く用いられているが、サイズや部品発熱が大きく装置の小型化が困難といった課題があった。
さらに、電線線径やスイッチング素子は、過電流保護回路の保護特性を考慮した、適正な線径やサイズを選択する必要があるが、ヒューズとのマッチング（ラインナップ、ばらつき、経年劣化、温度特性等）によって、電線線径を太くしたり、スイッチング素子を大型化する必要があった。
【０００３】
そこで、近年、ヒューズやリレーの代わりにトランジスタ素子を用いた過電流保護回路が提案されている（特許文献１参照）。この過電流保護回路は、電源と電装品との間に接続されたトランジスタ素子を備え、トランジスタ素子のソース電極とドレイン電極との間の電圧変化に基づいて過電流が発生したか否かを判定する。そして、過電流保護回路は、過電流が発生したと判定した場合、トランジスタ素子をオフすることによって電源と電装品との間の接続を遮断することにより、電装品を過電流から非破壊で保護する。このような過電流保護回路によれば、過電流が発生し、保護機能が動作した場合であってもトランジスタ素子の整備を行う必要がない。従って、トランジスタ素子を用いた過電流保護回路を備えた電源供給装置は、設置場所が限定されることもない。また、ヒューズの削減、スイッチング素子の小型・低損失化によって装置の小型化が可能になる。
さらに、従来のヒューズより保護特性のばらつきを抑制することができれば、より小さな線径の電線を選択すること、すなわち電線細径化をすることが可能となる。しいてはワイヤーハーネスの軽量化をすることができる。
【０００４】
ここで、過電流発生の判定を行うためのドレイン−ソース間電圧は、通電電流値とトランジスタ素子の抵抗値によって発生するため、一定の通電電流であってもトランジスタ素子の抵抗値の温度依存特性を反映した温度依存特性を有する。
このようにドレイン−ソース間電圧が温度依存特性を有する場合、その温度依存性によって正常な電流を過電流と判定してしまうおそれがある場合、その温度依存性をも考慮した電線を選択する必要がでてくる。このことはすなわち電線線径の増大につながる。したがって、規定の過電流値に対して電線線径の増大とならない、より正確な判定をおこなうために判定の閾値電圧（過電流判定電圧）を温度に応じて変化させることが好ましい。
【０００５】
そこで、特許文献２、３には、温度センサを用いてトランジスタ素子の温度を検出し、その検出温度に応じてＣＰＵ等によって過電流判定電圧を補正する方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献４、５には、過電流保護のためのトランジスタ素子と同様の温度特性を有するトランジスタ素子をセンストランジスタ素子として用いて、過電流発生の判定を行うためのドレイン−ソース間電圧の温度依存性を相殺する方法が開示されている。この方法によれば、過電流判定電圧の補正を行うこと無しに、搭載温度環境が変化する場合においてもより正確な判定を行うことができる。
なお、電線の限界電流値（電線発煙特性）も温度特性を有し、温度によって変化する。また、負荷の中には、正常な負荷電流にも温度依存性を有するものがある（デフォッガ、ヒーター等）。したがって、上記場合は、過電流保護特性について、電線、負荷の温度特性を考慮したうえで、温度特性を任意に設定することで、より正確な過電流判定をすることができる場合もある。それによって電線細径化やトランジスタ素子の小型化を実現できる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１４２１４６号公報
【特許文献２】特開２０００−２９９６３１号公報
【特許文献３】特開２００３−６１３９２号公報
【特許文献４】特開平１０−３２４７６号公報
【特許文献５】特開平３−１５１６７０号公報
【特許文献６】特許第４４７１３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ＣＰＵ等によって過電流判定電圧を補正する方法は、回路構成が複雑化し、装置の大型化やコストＵＰのおそれがあるという問題がある。また、センストランジスタ素子を用いる方法は、そのセンストランジスタ自身が、電流検出を目的として特別に製作されたものであり、汎用的に使用できるもの（汎用品、標準部品）とはいえず、従来のトランジスタより、構造が複雑で、装置の大型化やコストＵＰを招くものである。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成でより好適に過電流保護特性の温度特性の補正を行うことができ、精度の高い過電流保護特性を得ることができる電流検出装置、過電流保護装置および電流検出方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、電線の許容電流値や負荷電流の温度特性にあわせて、保護特性の温度特性を設定することができ、電線の細径化やスイッチング素子の小型化をすることができる電流検出装置、過電流保護装置および電流検出方法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】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電流検出装置は、電源と負荷との間に電線を介して接続したスイッチング素子と、前記電源から前記スイッチング素子を介して前記負荷に供給される負荷電流に対応する検出電流を、前記スイッチング素子の差電圧に基づいて出力する電流検出部と、を備え、前記電流検出部は、前記スイッチング素子がもつ抵抗成分の温度特性を補正する温度係数を有する温度特性補正サーミスタ素子を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る過電流保護装置は、上記発明の電流検出装置と、前記検出電流をもとに、前記スイッチング素子に過電流が流れたと判定した場合に前記スイッチング素子をオフ状態にするスイッチング素子制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る電流検出方法は、電源から電線とスイッチング素子とを介して負荷に供給される負荷電流に対応する検出電流を、前記スイッチング素子の差電圧に基づいて出力する電流検出工程を含み、前記電流検出工程は、所定の温度係数を有するサーミスタ素子によって前記検出電流の温度特性を補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡易な構成でより好適に過電流保護特性の温度特性の補正を行うことができ、精度の高い過電流保護特性を得ることができ、電線の許容電流値や負荷電流の温度特性にあわせて、最適な保護特性の温度特性を設定することができ、電線の細径化やスイッチング素子の小型化をすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施の形態に係る過電流保護装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】図２は、図１に示すスイッチング素子およびＰＴＣサーミスタ素子の配置を示す模式図である。
【図３】図３は、図１に示す電流検出部が出力する検出電流Ｉsの温度特性の例を示す図である。
【図４】図４は、図１に示す過電流保護装置によって実現される温度相当電圧ＶＴｊの例を示す図である。
【図５】図５は、スイッチング素子およびＰＴＣサーミスタ素子の配置の別の態様を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、図面を参照して本発明に係る電流検出装置、過電流保護装置および電流検出方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。
【００１６】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る過電流保護装置の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、電源供給装置１００は、スイッチング素子１０と、電流検出部２０と、電流演算部３０と、温度模擬部４０と、スイッチング素子制御部５０と、を備えている。なお、スイッチング素子１０と電流検出部２０とが電流検出装置を構成している。
【００１７】
スイッチング素子１０は、寄生ダイオード１０ａを有するｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子１０は、ドレイン端子側が電源Ｐと接続し、ソース端子側が負荷Ｌと接続するように、電線Ｗを介して電源Ｐと負荷Ｌとの間に接続している。また、スイッチング素子１０のゲート端子はスイッチング素子制御部５０に接続している。
【００１８】
電流検出部２０は、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタ素子２１と、オペアンプ２２と、スイッチング素子２３とを備えている。ＰＴＣサーミスタ素子２１は、温度の上昇に対して電気抵抗値が増大するサーミスタ素子であり、スイッチング素子２３と並列接続している。オペアンプ２２は、その反転入力端子がＰＴＣサーミスタ素子２１を介して電源Ｐに接続し、非反転入力端子がスイッチング素子１０と負荷Ｌとの間の電線Ｗに接続している。スイッチング素子２３は、ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴで構成され、寄生ダイオード２３ａを有する。スイッチング素子１０のドレイン端子はＰＴＣサーミスタ素子２１を介して電源Ｐに接続し、ゲート端子はオペアンプ２２の出力端子に接続している。
【００１９】
図２は、図１に示すスイッチング素子１０およびＰＴＣサーミスタ素子２１の配置を示す模式図である。図２に示すように、スイッチング素子１０は、ＭＯＳＦＥＴのチップが収容されたケース１１と、ドレイン端子１２と、ゲート端子１３と、ソース端子１４とを備えている。スイッチング素子１０は、放熱板としての機能も有するドレイン端子１２を介して基板１５に実装されている。なお、基板１５上には、熱伝導体である銅パターンからなるヒートスプレッダ１５ａが形成されており、ドレイン端子１２はヒートスプレッダ１５ａ上に位置している。
【００２０】
ＰＴＣサーミスタ素子２１は、基板１５のヒートスプレッダ１５ａに一方の端子が接続するように実装され、かつスイッチング素子１０の近傍に配置されている。したがって、ＰＴＣサーミスタ素子２１は、ヒートスプレッダ１５ａを介してスイッチング素子１０と電気的に接続し、かつ熱的に結合している。また、ＰＴＣサーミスタ素子２１のもう一方の端子は、基板１５上に形成された幅の細い配線パターン１５ｂを介してオペアンプ２２の反転入力端子と接続している。また、スイッチング素子１０およびＰＴＣサーミスタ素子２１は、絶縁性および熱伝導性を有する被覆材料Ａにて覆われている。被覆材料Ａはたとえば樹脂材料に熱伝導性フィラーを配合したものである。
【００２１】
図１に戻って、電流演算部３０は、その入力側が電流検出部２０のスイッチング素子２３のソース端子に接続している。電流演算部３０は、入力された電流を２乗した演算電流を出力する。なお、電流演算部３０は、トランスリニア回路を用いたアナログ回路で構成することができる。
【００２２】
温度模擬部４０は、電流源４１と、熱等価回路部４２とを備えている。電流源４１は、入力側が電流演算部３０の出力側に接続し、出力側が熱等価回路部４２に接続している。熱等価回路部４２は、オン状態でスイッチング素子１０に流れる負荷電流Ｉloadによる消費電力に相当する発熱の時間的な変化を模擬するための電気的等価回路であり、スイッチング素子１０における過渡的な熱変動を表現するように構成されている。熱等価回路部４２は、並列接続したコンデンサ４２ａと抵抗４２ｂとからなるＣＲ時定数回路として構成されている。なお、熱等価回路部４２は図１に示したものに限らず、特許文献１に開示された種々の構成を適用することができる。
【００２３】
スイッチング素子制御部５０は、制御信号入力端子５１を備えている。スイッチング素子制御部５０は、温度模擬部４０の熱等価回路部４２とスイッチング素子１０のゲート端子とに接続している。
【００２４】
つぎに、この電源供給装置１００の動作について、負荷Ｌを操作するための操作スイッチをオフにしている場合と、操作スイッチをオンにした場合とに分けて説明する。
【００２５】
（負荷Ｌを操作するための操作スイッチをオフにしている場合）
この場合、スイッチング素子制御部５０には制御信号入力端子５３からＬｏｗレベルの制御信号が入力される。このとき、スイッチング素子制御部５０は駆動電圧信号をスイッチング素子１０のゲート端子に出力しない。その結果、スイッチング素子１０はオフ状態に維持される。したがって、電源Ｐから負荷Ｌに電流は供給されないので、負荷Ｌは駆動しない。
【００２６】
（負荷Ｌを操作するための操作スイッチをオンにした場合）
この場合、スイッチング素子制御部５０には制御信号入力端子５３からＨｉｇｈレベルの制御信号が入力される。これによって、スイッチング素子制御部５０は駆動電圧信号をスイッチング素子１０のゲート端子に出力する。これによって、スイッチング素子１０はオン状態になる。その結果、スイッチング素子１０のドレイン−ソース間には電流が流れ、電源Ｐから負荷Ｌに電線Ｗを介して負荷電流Ｉloadが供給され、負荷Ｌは駆動する。
【００２７】
このとき、電流検出部２０では、スイッチング素子１０の差電圧であるドレイン−ソース間電圧ＶdsとＰＴＣサーミスタ素子２１の端子間電圧Ｖsとが等しくなるように、オペアンプ２２の出力でスイッチング素子２３のゲート電位を制御している。これによって、ＰＴＣサーミスタ素子２１には、電線Ｗに流れる負荷電流Ｉloadに比例した値の検出電流Ｉsが流れるようになっている。ここで、Ｉs＝Ｉload×Ｒon／Ｒsで表される。Ｒonは所定の温度でのスイッチング素子１０のオン抵抗であり、Ｒsは所定の温度でのＰＴＣサーミスタ素子２１の電気抵抗値である。電流検出部２０は、この検出電流Ｉsを、負荷電流Ｉloadに対応する電流として出力する。
【００２８】
ここで、Ｒon、Ｒs、Ｉsについて具体的に説明する。まず、Ｒonは、スイッチング素子１０のＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度でのオン抵抗である。Ｒsは、ＰＴＣサーミスタ素子２１の温度での電気抵抗値である。図２に示すように、ＰＴＣサーミスタ素子２１は、スイッチング素子１０の近傍に配置され、かつヒートスプレッダ１５ａを介してスイッチング素子１０と熱的に結合している。その結果、ＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度とＰＴＣサーミスタ素子２１の温度とは近い値になるので、ＰＴＣサーミスタ素子２１は過電流から保護すべきスイッチング素子１０のＭＯＳＦＥＴの温度をより正確に検出することができる。
【００２９】
また、図２に示すように、ＰＴＣサーミスタ素子２１のもう一方の端子は、幅の細い配線パターン１５ｂを介してオペアンプ２２の反転入力端子と電気的に接続している。配線パターン１５ｂは、幅が細く、ヒートスプレッダ１５ａよりも熱抵抗が大きいため、ヒートスプレッダ１５ａから配線パターン１５ｂ側には熱が放出されにくくなっている。このような熱の放出を抑制することによって、ＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度とＰＴＣサーミスタ素子２１の温度とがさらに近い値になり、さらに正確な温度検出が可能になる。
【００３０】
また、電流検出部２０では、ＰＴＣサーミスタ素子２１を使用しているため、その電気抵抗値Ｒsの値を自由度高く選択して使用できる。したがって、検出電流Ｉsも自由度高く設定できるので、電流検出部２０およびその下流に位置する電流演算部３０、温度模擬部４０、およびスイッチング素子制御部５０を自由度高く、たとえば小型化、低コスト化、または低消費電力化を実現するように構成することができる。
【００３１】
また、ＰＴＣサーミスタ素子２１の温度係数を適宜に設定することによって、簡易な構成でありながら検出電流Ｉsの温度特性を自由度高く設定することができる。
【００３２】
図３は、電流検出部２０が出力する検出電流Ｉsの温度特性の例を示す図である。なお、図３に示す温度特性は、スイッチング素子１０を構成するＭＯＳＦＥＴとしてオン抵抗Ｒonの温度係数が約４５００ｐｐｍ／℃のものを使用し、Ｉload＝１５Ａとして計算している。図３において、線Ｌ１は、ＰＴＣサーミスタ素子２１の電気抵抗値Ｒsの温度係数を１０００ｐｐｍ／℃に設定した場合の検出電流Ｉsの温度特性を示している。同様に、線Ｌ２、Ｌ３は、ＰＴＣサーミスタ素子２１の電気抵抗値Ｒsの温度係数をそれぞれ２７００ｐｐｍ／℃、４２００ｐｐｍ／℃に設定した場合の検出電流Ｉsの温度特性を示している。
【００３３】
線Ｌ１の場合、Ｉsの温度係数は約４５００ｐｐｍ／℃となり、ＭＯＳＦＥＴの抵抗成分であるオン抵抗と同等の温度係数となる。また、線Ｌ２の場合、Ｉsの温度係数は約１５００ｐｐｍ／℃となり、従来車両に搭載されている電源供給装置において通常使用されているヒューズの温度特性（たとえば約−１５００ｐｐｍ／℃）の逆特性と同等の温度係数となる。線Ｌ３の場合、Ｉsの温度係数は略０ｐｐｍ／℃となり、温度依存性がほとんど無い特性となり、Ｉｓの温度依存性をキャンセルすることができる。また、ＰＴＣサーミスタ素子２１の温度係数の設定によっては、Ｉsの温度特性を、負荷Ｌの温度特性と同等、電線Ｗの温度特性と同等、もしくは負荷Ｌの温度特性と電線Ｗの温度特性との間の温度特性に補正することもできる。このように、ＰＴＣサーミスタ素子２１の温度係数を適宜に設定することによって、検出電流Ｉsの温度特性を自由度高く設定することができる。
【００３４】
なお、電流検出部２０では、ＰＴＣサーミスタ素子２１からの電流は差動増幅器であるオペアンプ２２の反転入力端子に入力し、スイッチング素子１０からの電流はオペアンプ２２の非反転入力端子に入力する。その結果、スイッチング素子１０を構成するＭＯＳＦＥＴのオン抵抗Ｒonの温度係数と、ＰＴＣサーミスタ素子２１の電気抵抗値Ｒsの温度係数とがいずれも正値であっても、検出電流Ｉsは両値の差分的な特性を示す。
【００３５】
つぎに、電流演算部３０では、入力された検出電流Ｉsを２乗演算した演算電流Ｉout（＝Ｉs２）を出力する。
【００３６】
つぎに、温度模擬部４０では、演算電流Ｉoutが入力されて、スイッチング素子１０の温度を示す温度相当電圧を出力する。温度模擬部４０では、まず、電流源４１が、電流演算部３０が出力する演算電流Ｉoutを熱等価回路部４２に流す。
【００３７】
熱等価回路部４２では、コンデンサ４２ａと抵抗４２ｂとの接続点の電位であり、スイッチング素子１０の温度に相当する温度相当値を、スイッチング素子１０の温度を示す温度相当電圧ＶＴｊとして出力する。
【００３８】
つぎに、スイッチング素子制御部５０は、スイッチング素子１０に過電流が流れたかどうかを判定する。この判定は、たとえばスイッチング素子制御部５０が比較器を備えることによって実現される。判定を比較器によって実現する場合を以下に説明する。まず、比較器の非反転入力端子から温度相当電圧ＶＴｊが入力され、反転入力端子には過電流判定電圧Ｖrefが入力される。過電流判定電圧Ｖrefは、スイッチング素子１０の過電流限界特性に基づいて、スイッチング素子１０が焼損等に到らない温度に対応する電圧に設定することが好ましい。スイッチング素子１０が焼損等に到らない温度とは、たとえば、スイッチング素子１０を構成するＭＯＳＦＥＴの接合温度である１５０℃または１７５℃より小さい温度である。なお、電線Ｗが焼損等に到らない温度とは、電線Ｗの発煙温度および被覆の溶解温度である１５０℃〜１６０℃より小さい温度である。
【００３９】
ここで、温度相当電圧ＶＴｊは、温度模擬部４０が、入力された演算電流Ｉout（＝Ｉs２）に基づいて出力したものである。したがって、温度相当電圧ＶＴｊは、電流検出部２０において設定された検出電流Ｉsの温度特性に相当する温度特性を有するものである。
【００４０】
すなわち、この電源供給装置１００では、過電流判定電圧Ｖrefを補正する代わりに、過電流判定電圧Ｖrefと比較すべき温度相当電圧ＶＴｊのほうに所望の温度特性を持たせて、スイッチング素子１０の温度特性の補正を行っている。その結果、電源供給装置１００は、ＣＰＵ等を用いる複雑な回路構成無しに、簡易な構成で、かつ自由度高く、所望の温度特性の補正を実現することができる。また、電源供給装置１００は、このような簡易な構成で温度特性の補正を行うので、その補正精度を高くすることができる。
【００４１】
以下、過電流の判定について、温度相当電圧ＶＴｊが過電流判定電圧Ｖref以下の場合と、温度相当電圧ＶＴｊが過電流判定電圧Ｖrefを超えた場合とに分けて説明する。
【００４２】
（温度相当電圧ＶＴｊが過電流判定電圧Ｖref以下の場合）
この場合は、スイッチング素子１０には過電流が流れていないと判定する場合である。このとき、スイッチング素子制御部５０は、駆動電圧信号をスイッチング素子１０のゲート端子に出力し続ける。したがって、この場合はスイッチング素子１０はオン状態のままであり、電源Ｐから負荷Ｌに電線Ｗを介して負荷電流Ｉloadが供給され続け、負荷Ｌは駆動を続ける。
【００４３】
（温度相当電圧ＶＴｊが過電流判定電圧Ｖrefを超えた場合）
この場合は、過電流が発生し、スイッチング素子１０に過電流が流れると判定する場合である。温度相当電圧ＶＴｊが過電流判定電圧Ｖrefを超えると、スイッチング素子制御部５０は、駆動電圧信号をスイッチング素子１０のゲート端子に印加することを停止する。これによって、スイッチング素子１０はオン状態からオフ状態にスイッチングされる。したがって、電源Ｐから負荷Ｌへの電流の供給が遮断され、負荷Ｌの駆動が停止される。その結果、スイッチング素子１０は過電流から保護される。
【００４４】
以上のようにして、この電源供給装置１００では、簡易な構成で自由度高く温度特性の補正をすることができるので、スイッチング素子１０を過電流からより適切に保護することができる。
【００４５】
つぎに、電源供給装置１００によって実現される過電流保護特性の例を説明する。図４は、電源供給装置１００によって実現される過電流保護特性の例を示す図である。
【００４６】
図４において、横軸は電源供給装置１００の環境温度Ｔａ［℃］を示し、縦軸は負荷電流Ｉload［Ａ］を示している。また、線Ｌ４は、電線Ｗが断面積０．５ｓｑのＣＨＦＵＳである場合の、発煙が発生する負荷電流Ｉloadでの温度特性の一例を示している。線Ｌ５は、低背ヒューズ（定格電流１０Ａ）の溶断が発生する負荷電流Ｉloadの値の温度特性の一例を示している。線Ｌ６は、負荷Ｌがリアガラスのくもりを取るためのデフォッガである場合の、熱飽和領域における負荷電流Ｉloadの温度特性の一例を示している。なお、図示していないが、スイッチング素子１０が破壊する負荷電流Ｉloadの値の温度特性も、線Ｌ４と同様の曲線で示される。
【００４７】
線Ｌ７は、ＰＴＣサーミスタ素子２１の電気抵抗値の温度係数を４２００ｐｐｍ／℃に設定した場合の過電流保護特性であって、温度相当電圧ＶＴｊが過電流判定電圧Ｖrefを超えて供給が遮断されるときの負荷電流Ｉloadの値の温度特性の一例を示している。また、線Ｌ８は、ＰＴＣサーミスタ素子２１の電気抵抗値の温度係数を２７００ｐｐｍ／℃に設定した場合の過電流保護特性であって、温度相当電圧ＶＴｊが過電流判定電圧Ｖrefを超えて供給が遮断されるときの負荷電流Ｉloadの値の温度特性の一例を示している。
【００４８】
図４に示すように、この電源供給装置１００では、ＰＴＣサーミスタ素子２１の電気抵抗値の温度係数を変更することによって、簡単な構成で過電流保護特性の温度特性を補正することができる。そして、たとえば、過電流保護特性は、線Ｌ８で示されるような温度特性とすることによって、線Ｌ４で示される保護すべき電線Ｗの発煙の温度特性、またはスイッチング素子１０の破壊の温度特性などの、過電流限界特性と同等の温度特性に近づけることができる。
【００４９】
このように、過電流保護特性を、保護すべき対象の過電流限界特性に近づけることによって、保護対象の設計が同一であっても、より一層大きい電流を保護対象に流すことができる。換言すれば、同じ大きさの電流を流す場合であっても、スイッチング素子１０の場合は従来よりも放熱構造を小型、簡略化でき、電線Ｗの場合は従来よりも細径化できる。したがって、この電源供給装置１００を使用すれば、従来と同じ大きさの電流を流す場合であっても、スイッチング素子１０および電線Ｗの小型化等が容易になる。
【００５０】
また、過電流保護特性は、線Ｌ５で示されるような温度特性とすることによって、ヒューズの溶断特性の温度特性に近づけた温度特性とすることができる。このように、電源供給装置１００の過電流保護特性をヒューズの特性に近づけると、ヒューズを使用した従来の電源供給装置に置き換えて電源供給装置１００を使用することが一層容易になる。なお、線Ｌ７、Ｌ８で示す温度特性は、過電流判定電圧Ｖrefを縦軸方向にシフトすることによって、線Ｌ４、Ｌ５により一層近づけることができる。
【００５１】
また、図４に示すように、電源供給装置１００の過電流保護特性を線Ｌ７と線Ｌ８との間の特性に設定し、線Ｌ６で示される負荷Ｌの特性と交差しないようにすることによって、負荷Ｌの正常な動作を阻害すること無しに、適切な過電流保護特性を実現することができる。また、さらには、図３の線Ｌ３で示す場合と同様に、ＰＴＣサーミスタ素子２１の電気抵抗値の温度係数の適宜の設定によって、過電流保護特性の温度依存性をキャンセルすることもできる。
【００５２】
なお、上記実施の形態では、図２に示すように、スイッチング素子１０およびＰＴＣサーミスタ素子２１とは、基板１５の同一面側に実装されているが、スイッチング素子１０の実装面の裏面にＰＴＣサーミスタ素子２１を実装してもよい。
【００５３】
図５は、スイッチング素子１０およびＰＴＣサーミスタ素子２１の配置の別の態様を示す模式図である。図５は、スイッチング素子１０を実装した基板１６を、スイッチング素子１０の実装面の裏面側から見た図である。基板１６の、スイッチング素子１０の実装面の裏面側には、ヒートスプレッダ１６ａが形成されている。スイッチング素子１０のドレイン端子１２とヒートスプレッダ１６ａとは多数のスルーホール１６ｃで電気的に接続し、かつ熱的に結合している。
【００５４】
ＰＴＣサーミスタ素子２１は、ヒートスプレッダ１６ａに一方の端子が接続するように実装され、スイッチング素子１０のドレイン端子１２の直ぐ裏側に配置されている。また、ヒートスプレッダ１６ａ上には、たとえば半田材のような熱伝導性が高い熱接合材１６ｄがＰＴＣサーミスタ素子２１を３方から囲むように形成されている。したがって、ＰＴＣサーミスタ素子２１は、ヒートスプレッダ１６ａ、スルーホール１６ｃ、および熱接合材１６ｄを介してスイッチング素子１０と電気的に接続し、かつ熱的に結合している。また、ＰＴＣサーミスタ素子２１のもう一方の端子は、基板１６上に形成された幅の細い配線パターン１６ｂを介してオペアンプ２２の反転入力端子と接続している。したがって、図２の場合と同様に、スイッチング素子１０のＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度とＰＴＣサーミスタ素子２１の温度とが近い値になり、正確な温度検出が可能になる。
【００５５】
なお、上記実施の形態では、電流演算部が検出電流に基づく２乗演算を行った演算電流を温度模擬部に出力している。しかしながら、電流演算部を設けずに、電流検出部が検出電流を温度模擬部に直接入力し、温度模擬部はこの検出電流をもとに温度相当電圧を出力するようにしてもよい。また、スイッチング素子制御部は、電流検出部からの検出電流を直接入力し、この検出電流をもとに過電流判定を行うように構成してもよい。この場合、電流演算部および温度模擬部を設けなくてもよい。
【００５６】
また、上記実施の形態では、電流検出部に設けられた電流検出用抵抗素子として、温度特性補正サーミスタ素子であるＰＴＣサーミスタ素子を備えている。しかしながら、温度特性補正サーミスタ素子は温度模擬部に備えられてもよい。なお、使用する温度特性補正サーミスタ素子としては、設ける場所に応じてＰＴＣサーミスタ素子またはＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）サーミスタ素子を適宜選択して、その電気抵抗値および温度係数を設定して所望の温度特性の補正を実現すればよい。たとえば、図１に示す温度模擬部４０が備える抵抗４２ａをＮＴＣサーミスタ素子に置き換えて、所望の温度特性の補正を実現してもよい。
【００５７】
また、熱等価回路部は、スイッチング素子等の保護対象の温度環境や温度特性等に応じて、熱等価部の数や構成を適宜設定することが好ましい。
【００５８】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。その他、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００５９】
１０、２３ スイッチング素子
１０ａ、２３ａ 寄生ダイオード
１１ ケース
１２ ドレイン端子
１３ ゲート端子
１４ ソース端子
１５、１６ 基板
１５ａ、１６ａ ヒートスプレッダ
１５ｂ、１６ｂ 配線パターン
１６ｃ スルーホール
１６ｄ 熱接合材
２０ 電流検出部
２１ ＰＴＣサーミスタ素子
２２ オペアンプ
３０ 電流演算部
４０ 温度模擬部
４１ 電流源
４２熱等価回路部
４２ａ コンデンサ
４２ｂ 抵抗
５０ スイッチング素子制御部
５１ 制御信号入力端子
１００ 電源供給装置
Ａ 被覆材料
Ｌ 負荷
Ｌ１〜Ｌ８ 線
Ｐ 電源
Ｗ 電線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と負荷との間に電線を介して接続したスイッチング素子と、
前記電源から前記スイッチング素子を介して前記負荷に供給される負荷電流に対応する検出電流を、前記スイッチング素子の差電圧に基づいて出力する電流検出部と、
を備え、前記電流検出部は、前記スイッチング素子がもつ抵抗成分の温度特性を補正する温度係数を有する温度特性補正サーミスタ素子を備えることを特徴とする電流検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電流検出装置と、
前記検出電流をもとに、前記スイッチング素子に過電流が流れたと判定した場合に前記スイッチング素子をオフ状態にするスイッチング素子制御部と、
を備えることを特徴とする過電流保護装置。
【請求項３】
前記温度特性補正サーミスタ素子の温度係数は、
前記スイッチング素子の抵抗成分の温度係数と同等であることを特徴とする請求項２に記載の過電流保護装置。
【請求項４】
前記温度特性補正サーミスタ素子の温度係数は、
前記検出電流の温度特性が、ヒューズ溶断特性の温度特性の逆特性と同等となるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の過電流保護装置。
【請求項５】
前記温度特性補正サーミスタ素子の温度係数は、
前記検出電流の温度特性が、前記スイッチング素子の過電流限界特性と同等の温度特性に補正するように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の過電流保護装置。
【請求項６】
前記温度特性補正サーミスタ素子の温度係数は、
前記検出電流の温度特性が、前記負荷の温度特性と同等、前記電線の温度特性と同等、もしくは前記負荷の温度特性と前記電線の温度特性との間の温度特性に補正するように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の過電流保護装置。
【請求項７】
前記温度特性補正サーミスタ素子は、前記スイッチング素子の近傍に配置されていることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一つに記載の過電流保護装置。
【請求項８】
前記温度特性補正サーミスタ素子は、熱伝導体を介して前記スイッチング素子と熱的に結合していることを特徴とする請求項２〜７のいずれか一つに記載の過電流保護装置。
【請求項９】
前記熱伝導体は、ヒートスプレッダであることを特徴とする請求項８に記載の過電流保護装置。
【請求項１０】
前記電流検出部は、差動増幅器を備え、前記温度特性補正サーミスタ素子は、前記差動増幅器の入力側に接続されることを特徴とする請求項請求項２〜９のいずれか一つに記載の過電流保護装置。
【請求項１１】
前記温度特性補正サーミスタ素子は、前記熱伝導体よりも熱抵抗が大きい電気的配線によって、前記電流検出部内の他の素子に接続していることを特徴とする請求項８または９に記載の過電流保護装置。
【請求項１２】
前記スイッチング素子と前記温度特性補正サーミスタ素子とが、絶縁性および熱伝導性を有する被覆材料にて覆われていることを特徴とする請求項２〜１１のいずれか一つに記載の過電流保護装置。
【請求項１３】
前記検出電流をもとに、前記スイッチング素子の温度を示す温度相当電圧を出力する温度模擬部を備え、
前記スイッチング素子制御部は、前記温度相当電圧が入力され、前記温度相当電圧が過電流判定電圧を超えた場合に前記スイッチング素子をオフ状態にすることを特徴とする請求項２〜１２のいずれか一つに記載の過電流保護装置。
【請求項１４】
電源から電線とスイッチング素子とを介して負荷に供給される負荷電流に対応する検出電流を、前記スイッチング素子の差電圧に基づいて出力する電流検出工程を含み、前記電流検出工程は、所定の温度係数を有するサーミスタ素子によって前記検出電流の温度特性を補正することを特徴とする電流検出方法。
【請求項１】
電源と負荷との間に電線を介して接続したスイッチング素子と、
前記電源から前記スイッチング素子を介して前記負荷に供給される負荷電流に対応する検出電流を、前記スイッチング素子の差電圧に基づいて出力する電流検出部と、
を備え、前記電流検出部は、前記スイッチング素子がもつ抵抗成分の温度特性を補正する温度係数を有する温度特性補正サーミスタ素子を備えることを特徴とする電流検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電流検出装置と、
前記検出電流をもとに、前記スイッチング素子に過電流が流れたと判定した場合に前記スイッチング素子をオフ状態にするスイッチング素子制御部と、
を備えることを特徴とする過電流保護装置。
【請求項３】
前記温度特性補正サーミスタ素子の温度係数は、
前記スイッチング素子の抵抗成分の温度係数と同等であることを特徴とする請求項２に記載の過電流保護装置。
【請求項４】
前記温度特性補正サーミスタ素子の温度係数は、
前記検出電流の温度特性が、ヒューズ溶断特性の温度特性の逆特性と同等となるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の過電流保護装置。
【請求項５】
前記温度特性補正サーミスタ素子の温度係数は、
前記検出電流の温度特性が、前記スイッチング素子の過電流限界特性と同等の温度特性に補正するように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の過電流保護装置。
【請求項６】
前記温度特性補正サーミスタ素子の温度係数は、
前記検出電流の温度特性が、前記負荷の温度特性と同等、前記電線の温度特性と同等、もしくは前記負荷の温度特性と前記電線の温度特性との間の温度特性に補正するように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の過電流保護装置。
【請求項７】
前記温度特性補正サーミスタ素子は、前記スイッチング素子の近傍に配置されていることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一つに記載の過電流保護装置。
【請求項８】
前記温度特性補正サーミスタ素子は、熱伝導体を介して前記スイッチング素子と熱的に結合していることを特徴とする請求項２〜７のいずれか一つに記載の過電流保護装置。
【請求項９】
前記熱伝導体は、ヒートスプレッダであることを特徴とする請求項８に記載の過電流保護装置。
【請求項１０】
前記電流検出部は、差動増幅器を備え、前記温度特性補正サーミスタ素子は、前記差動増幅器の入力側に接続されることを特徴とする請求項請求項２〜９のいずれか一つに記載の過電流保護装置。
【請求項１１】
前記温度特性補正サーミスタ素子は、前記熱伝導体よりも熱抵抗が大きい電気的配線によって、前記電流検出部内の他の素子に接続していることを特徴とする請求項８または９に記載の過電流保護装置。
【請求項１２】
前記スイッチング素子と前記温度特性補正サーミスタ素子とが、絶縁性および熱伝導性を有する被覆材料にて覆われていることを特徴とする請求項２〜１１のいずれか一つに記載の過電流保護装置。
【請求項１３】
前記検出電流をもとに、前記スイッチング素子の温度を示す温度相当電圧を出力する温度模擬部を備え、
前記スイッチング素子制御部は、前記温度相当電圧が入力され、前記温度相当電圧が過電流判定電圧を超えた場合に前記スイッチング素子をオフ状態にすることを特徴とする請求項２〜１２のいずれか一つに記載の過電流保護装置。
【請求項１４】
電源から電線とスイッチング素子とを介して負荷に供給される負荷電流に対応する検出電流を、前記スイッチング素子の差電圧に基づいて出力する電流検出工程を含み、前記電流検出工程は、所定の温度係数を有するサーミスタ素子によって前記検出電流の温度特性を補正することを特徴とする電流検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２０７９７６（Ｐ２０１２−２０７９７６Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７２８３４（Ｐ２０１１−７２８３４）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【出願人】（３９１０４５８９７）古河ＡＳ株式会社 (571)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【出願人】（３９１０４５８９７）古河ＡＳ株式会社 (571)
【Ｆターム（参考）】
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