JP2004032966A

JP2004032966A - Semiconductor switching device

Info

Publication number: JP2004032966A
Application number: JP2002189842A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Nagashima; 長嶋　良和; Yoshiyuki Sano; 佐野　嘉之
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Microelectronics Corp; Yazaki Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Yazaki Corp; Toshiba Electronic Device Solutions Corp
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-01-29

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor switching device capable of driving a load reliably even in the case of the occurrence of an overcurrent in a load circuit when the load is restored to its normal state afterward. <P>SOLUTION: This semiconductor switching device having a FET 3 placed between a battery VB and a lamp load 2 changes over the driving and stopping of the lamp load 2 by controlling the conduction and non-conduction of the FET 3. his device includes a shunt resistor Rs that detects the value of a current that flows in the lamp load 2, and a FET driving circuit 6 that, when switched on, conducts the FET 3 and has the function of protecting the lamp load 2 by putting the FET 3 into a non-conduction state if the current value detected by the shunt resistor Rs is a prescribed reference value Ilim or larger. This FET driving circuit makes the FET 3 non-conductive once if the current value detected by the shunt resistor Rs is larger than the reference current value Ilim, and repeats the operations of making it conductive twice or more times after the lapse of a preset time T1. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電源と負荷との間に配置され、当該負荷の駆動、停止を切り換え制御する半導体スイッチ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、車両に搭載されるランプ負荷（ヘッドランプ、テールランプ等）は、バッテリより出力される直流電源と接続されており、半導体スイッチにより、オン、オフが制御される。
【０００３】
また、ランプ負荷、或いは該ランプ負荷を接続する電線にて短絡事故が発生した場合には、ランプ負荷、半導体素子、或いはこれらを連結する電線を損傷する恐れがある。そこで、このようなトラブルを回避するために、従来より、過電流が発生した場合には、これを検出し、回路を遮断することにより、回路を保護する機能を具備した半導体スイッチ装置が提案され、実用に供されている。
【０００４】
このような半導体スイッチ装置の従来例として、例えば、特開２００１−１１９８５０号公報（以下、従来例という）に記載されたものが知られている。
【０００５】
図５は、該従来例に記載された半導体スイッチ装置の構成を示す回路図である。同図に示すように、このスイッチ装置１０１は、車両に搭載されるバッテリＶＢと、ランプ負荷１０２との間に設置して、該ランプ負荷１０２の駆動、停止を切り換え操作するものであり、バッテリＶＢと、ランプ負荷１０２との間には、メインＦＥＴ１０３が設置され、更に、該メインＦＥＴ１０３とバッテリＶＢとの間には、シャント抵抗Ｒｓが介置されている。
【０００６】
更に、第１のサブＦＥＴ１０４、第２のサブＦＥＴ１０５、及び第３のサブＦＥＴ１０６と、抵抗Ｒ１０１〜Ｒ１０３を具備している。そして、メインＦＥＴ１０３がオンとされた状態では、バッテリＶＢより出力される電圧がランプ負荷１０２に印加されるので、該ランプ負荷１０２は点灯する。
【０００７】
また、何らかの原因により、負荷１０２に過電流が流れると、抵抗Ｒ１０２、Ｒ１０３間の電圧が上昇するので、コンパレータ１０８の出力信号が「Ｈ」レベルとなる。この信号を受けて、駆動回路１０７は、メインＦＥＴ１０３をオフとするべく制御する。これにより、過電流発生時には回路が遮断されるので、メインＦＥＴ１０３、ランプ負荷１０２、及びこれらを連結する電線の損傷を防止することができる。
【０００８】
また、ランプ負荷１０２を駆動させる際には、マスク回路１０９により、コンパレータ１０８の出力信号が所定時間マスクされるので、駆動時の突入電流による誤動作を防止することができる。即ち、ランプ負荷１０２駆動時に、該ランプ負荷１０２に過大な突入電流が流れ、抵抗Ｒ１０２、１０３間の電圧が上昇してコンパレータ１０８の出力が「Ｈ」レベルとなった場合でも、ランプ負荷１０２に流れる電流値が安定するまでの間は、コンパレータ１０８の出力信号がマスクされるので、突入電流により回路が誤遮断するというトラブルを回避することができる。
【０００９】
更に、マスク時間が経過した後には、過電流の発生が検出されると、メインＦＥＴ１０３が非導通状態となる。しかし、その後、過電流が回避されるので、即時に該メインＦＥＴ１０３が導通状態となる動作が複数回繰り返されることになる。
【００１０】
以下、これを図６に示すタイミングチャートを参照して説明する。同図において、（ａ）はランプ負荷１０２の投入スイッチのオン、オフ状態を示し、（ｂ）はメインＦＥＴ１０３のソース・ゲート間電圧Ｖｇｓを示し、（ｃ）はメインＦＥＴ３のドレイン・ソース間に流れる電流（負荷電流）Ｉｄを示し、（ｄ）はランプ負荷１０２の状態を示している。
【００１１】
図６に示す時刻ｔ１０１〜ｔ１０２間では、ランプ負荷１０２に定常電流が流れている。
【００１２】
また、時刻ｔ１０３にて、該ランプ負荷１０２に過電流が流れると、過電流の発生が検出されてメインＦＥＴ１０３がオフとされる。その後、負荷電流Ｉｄが低下すると再度メインＦＥＴ１０３がオンとされ、この動作が繰り返される。従って、図６（ｃ）の時刻ｔ１０３〜ｔ１０４間に示すように、負荷電流Ｉｄが鋸歯状に変化することになり、メインＦＥＴ１０３にて消費される電力が増大し、発熱量が大きくなってしまう。
【００１３】
更に、例えば、スイッチがオンの状態で、断芯したランプ負荷１０２を新しいものに交換すると、時刻ｔ１０５〜ｔ１０６間に示すように、突入電流が発生することになり、この場合には、マスクタイマ回路１０９は作動しないので（マスクタイマ回路１０９は、スイッチ投入時のみに作動する）このときの突入電流により、回路が遮断されてしまい、ランプ負荷１０２を点灯させることができなくなってしまう。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来におけるスイッチ装置１０１においては、負荷電流Ｉｄが所定値以上になったときには、この電流値を制限することができるものの、電流制限時におけるメインＦＥＴ１０３の発熱量が大きいという問題がある。従って、電流に制限を加えられる時間に限界がある。つまり、図６の時刻ｔ３〜ｔ４に示す如くの、鋸歯状に変化する負荷電流Ｉｄを長時間流し続けることができない。
【００１５】
また、過電流により回路が遮断されてしまうと、遮断状態が維持され続けてしまうので、ランプ負荷１０２が正常な状態に復旧された場合であっても再起動ができない。即ち、再起動させるためには、一旦遮断状態を解除してからスイッチを再投入する必要があり、操作に多くの手間がかかるという欠点があった。
【００１６】
この発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、負荷回路に過電流が流れた場合であっても、その後、負荷が正常な状態に復旧された際には、確実に該負荷を駆動させることのできる半導体スイッチ装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、直流電源と負荷との間に介置される半導体素子を具備し、該半導体素子の導通、非導通を制御して、前記負荷の駆動、停止を切り換える半導体スイッチ装置において、前記負荷に流れる電流値を検出する電流検知手段と、前記負荷を駆動させるべくスイッチが投入された際には、前記半導体素子を導通状態とすると共に、前記電流検知手段にて検出される電流値が所定の基準電流以上である場合には、前記半導体素子を非導通とすることにより、前記負荷を保護する機能を備えた駆動手段と、を有し、前記駆動手段は、前記電流検知手段にて検知される電流値が前記基準電流よりも大きいときには、前記半導体素子を一旦非導通とし、予め設定した所定時間経過後に再度導通とする操作を複数回繰り返すことを特徴とする。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、直流電源と負荷との間に介置される半導体素子を具備し、該半導体素子の導通、非導通を制御して、前記負荷の駆動、停止を切り換える半導体スイッチ装置において、前記負荷に流れる電流値を検出する電流検知手段と、前記電流検知手段にて検出される電流値と、所定の基準電流とを比較する比較手段と、前記比較手段にて、前記検出された電流値が前記基準電流を上回ったと判定された際には、回路のオフ信号を出力すると共に、所定時間経過後に回路のオン信号を出力するリトライ手段と、前記負荷を駆動させるべくスイッチが投入された際には、前記半導体素子を導通状態とすると共に、前記リトライ手段より、オフ信号が出力された際には前記半導体素子を非導通状態とし、且つ、オン信号が出力された際には、該半導体素子を導通状態とするべく操作する駆動手段と、を具備したことを特徴とする。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、前記半導体素子を一旦非導通状態とした後、再度導通状態とする操作の回数をカウントする計数手段を具備し、該計数手段によるカウント数が所定数に達した際には、前記半導体素子を非導通状態とすることを特徴とする。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、前記電流検知手段は、前記直流電源と前記半導体素子との間に介置されたシャント抵抗であり、該シャント抵抗の両端に発生する電圧を用いて前記負荷に流れる電流を検知することを特徴とする。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、前記半導体素子は、第１のＦＥＴであり、前記電流検知手段は、前記第１のＦＥＴとドレイン、及びゲートが共通する第２のＦＥＴを有し、前記第１のＦＥＴのソース電圧の変化に起因して生じる、前記第２のＦＥＴに流れるソース電流の変化に基づいて、前記負荷に流れる電流を検知することを特徴とする。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、前記半導体素子は、第１のＦＥＴであり、前記電流検知手段は、前記第１のＦＥＴとドレイン、及びゲートが共通する第２のＦＥＴと、前記第１のＦＥＴのソースを一方の入力とし、前記第２のＦＥＴのソースを他方の入力とする増幅手段と、該増幅手段の出力段に配設される検出用抵抗と、を具備し、前記第１のＦＥＴのソース電圧の変化に起因して生じる、前記第２のＦＥＴに流れるソース電流を前記増幅手段にて増幅し、当該増幅された電流を前記検出用抵抗に流した際に、該検出用抵抗の両端に発生する電圧値に基づいて、前記負荷に流れる電流を検知することを特徴とする。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、前記直流電源は、車両に搭載されるバッテリであり、前記負荷は、車両に搭載されるランプ負荷であることを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体スイッチ装置の構成を示す回路図である。同図に示すように、該半導体スイッチ装置１は、車両に搭載されるバッテリＶＢと、ランプ負荷２との間に設けられ、該ランプ負荷２の駆動、停止を適宜切り換える操作を行うものであり、スイッチング用のＦＥＴ３（半導体素子）と、該ＦＥＴ３とバッテリＶＢとの間に介置されるシャント抵抗（電流検知手段）Ｒｓと、を有している。即ち、ＦＥＴ３のソースがランプ負荷２に接続され、ドレインはシャント抵抗Ｒｓを介してバッテリＶＢに接続されている。
【００２５】
シャント抵抗Ｒｓの一端は、アンプ４のプラス側入力端子に接続され、他端は該アンプ４のマイナス側入力端子に接続されている。更に、該アンプ４の出力端子は、コンパレータ（比較手段）５のプラス側入力端子に接続され、このコンパレータ５のマイナス側入力端子には、基準電圧Ｖｒｅｆが供給されるようになっている。この際、基準電圧Ｖｒｅｆは、過電流を決定する際の基準電流Ｉｌｉｍに対応する電圧値に設定されている。つまり、負荷電流Ｉｄが、基準電流Ｉｌｉｍを上回ったときに、コンパレータ５の出力信号が「Ｈ」レベルとなるように設定されている。
【００２６】
コンパレータ５の出力端子は、リトライ回路（リトライ手段）１１、及びマスクタイマ回路７と接続され、更に、リトライ回路１１、及びマスクタイマ回路７は、ＦＥＴ駆動回路（駆動手段）６と接続されている。
【００２７】
ＦＥＴ駆動回路６は、ランプ負荷２の投入スイッチ（図示省略）と接続されており、該投入スイッチがオンとされた際には、ＦＥＴ３のゲートに駆動信号を出力する。マスクタイマ回路７は、投入スイッチがオンとされたときに、マスクタイマ（例えば、８０ｍｓｅｃ）を動作させて、ＦＥＴ駆動回路６によるＦＥＴ３のオフ動作をマスクさせる。
【００２８】
リトライ回路１１は、タイマ回路１１ａと、ラッチ回路１１ｂ、及びカウンタ回路１１ｃを具備しており、コンパレータ５の出力信号が「Ｈ」レベルとなった場合には、ＦＥＴ駆動回路６に、ＦＥＴ３をオフとさせるべくオフ信号を出力する。また、過電流が継続して発生している場合には（コンパレータ５の出力信号が継続して「Ｈ」レベルとなっている場合には）、タイマ回路１１ａにて計時される時間Ｔ１が経過する毎に、ＦＥＴ駆動回路６に、ＦＥＴ３をオンとさせるべくオン信号を出力する。更に、カウンタ回路１１ｃは、ＦＥＴ駆動回路６に、オン信号を出力した回数をカウントし、カウントした回数が所定の回数に達した場合には、オン信号の出力を停止させる。
【００２９】
また、符号８はＦＥＴ駆動回路６に駆動電圧を印加するチャージポンプ回路、符号９は、５ボルト電圧を出力するレギュレータ、符号１０はアンプ４に一定電圧を出力するための電圧補正回路である。
【００３０】
次に、上述のように構成された本実施形態に係る半導体スイッチ装置１の動作を、図２に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。なお、図２において、（ａ）はランプ負荷２の投入スイッチのオン、オフ状態を示し、（ｂ）はＦＥＴ３のソース・ゲート間電圧Ｖｇｓを示し、（ｃ）はＦＥＴ３のドレイン・ソース間に流れる電流（負荷電流）Ｉｄを示し、（ｄ）はランプ負荷２の状態を示している。
【００３１】
操作者がランプ負荷２を点灯させるべく投入スイッチ（図示省略）をオンとすると、ＦＥＴ駆動回路６に投入信号が与えられ、これを受けて該ＦＥＴ駆動回路６は、ＦＥＴ３に駆動信号を出力する。
【００３２】
これにより、ＦＥＴ３は導通状態となるので、バッテリＶＢより出力される直流電圧は、シャント抵抗Ｒｓ、ＦＥＴ３を介して、ランプ負荷２に供給される。その結果、ランプ負荷２は点灯する。
【００３３】
そして、図２に示す時刻ｔ１〜ｔ２の間では、負荷状態が正常であり、ランプ負荷２に流れる負荷電流Ｉｄは、基準電流Ｉｌｉｍよりも低いので、ランプ負荷２は安定に点灯状態を継続する。
【００３４】
また、時刻ｔ３にてスイッチを投入した際に、過電流が発生した場合には、シャント抵抗Ｒｓに流れる電流が増大し、該シャント抵抗Ｒｓの両端に発生する電圧が増大する。そして、この検出電圧が基準電圧Ｖｒｅｆを上回ると、コンパレータ５の出力信号が「Ｈ」レベルとなり、ＦＥＴ駆動回路６はこの信号を受けて、ＦＥＴ３を非導通状態とする。つまり、ランプ負荷２にバッテリＶＢの電圧を印加する回路が遮断されるので、該ランプ負荷２は消灯する。
【００３５】
すると、シャント抵抗Ｒｓの両端電圧が低下し、コンパレータ５の出力信号は「Ｌ」レベルに変化する。リトライ回路１１は、この「Ｌ」信号が供給されると、前回オフ信号を出力した時点から、時間Ｔ１が経過した後に、ＦＥＴ駆動回路６へオン信号を出力する。これにより、ＦＥＴ駆動回路６はＦＥＴ３へ駆動信号を出力し、ＦＥＴ３は導通状態とされ、この際に未だ過電流の発生原因が復旧されていない場合には、上記と同様の手順で再度ＦＥＴ３は非導通状態とされる。
【００３６】
そして、上記の動作が繰り返され、繰り返しの動作が行われているときに、過電流の発生が回避されると、ＦＥＴ３の導通状態が継続され、ランプ負荷２を点灯状態とすることができる。
【００３７】
他方、過電流の発生が回避されず、リトライ回路１１による、オン、オフ信号の出力回数が、予め設定した所定の回数（例えば８回）に達すると、この回数がカウンタ回路１１ｃによりカウントされ、リトライ回路１１よりの、オン信号の出力が停止される。そして、ラッチ回路１１ｂにより、この状態がラッチされる。即ち、ＦＥＴ３を導通させる操作が８回繰り返されても、なお過電流が発生し続けている場合には、図２（ｃ）の時刻ｔ４に示すように、ＦＥＴ３が非導通状態とされ、ランプ負荷２への電圧供給が停止される。
【００３８】
従って、過電流が発生した場合には、確実に回路を遮断して、ランプ負荷２、ＦＥＴ３、及びこれらを接続する回路配線の損傷を防止することができる。
【００３９】
また、例えば、ランプ負荷２が断芯し、時刻ｔ５において、該ランプ負荷２を新たなものに交換した場合には、突入電流が発生することになる。しかし、この場合においても、リトライ回路１１の動作により、時間Ｔ１経過毎に、ＦＥＴ３が８回導通状態とされるので、この間に突入電流が納まっていれば、ＦＥＴ３の導通状態を維持することができ、ランプ負荷２を点灯状態とさせることができる。
【００４０】
このようにして、本実施形態に係る半導体スイッチ装置１では、ランプ負荷２に駆動電圧を供給する回路に過電流が発生し、負荷電流Ｉｄが基準電流Ｉｌｉｍを上回った場合には、ＦＥＴ３を一旦非導通状態とすると共に、リトライ回路１１により、所定時間間隔（Ｔ１）で複数回（この例では８回）ＦＥＴ３をオンとするべく制御を行う。従って、ランプ負荷２を交換する際に、突入電流が発生した場合であっても、この突入電流が納まった時点でＦＥＴ３を導通状態とすることができるので、確実にランプ負荷２を点灯させることができる。
【００４１】
また、一定時間Ｔ１が経過する毎にＦＥＴ３が導通状態とされるので、回路にデッドショート（重度の短絡事故）が発生した場合でもＦＥＴ３の発熱を抑制することができる。よって、回路素子の損傷を防止することができる。
【００４２】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３は、第２の実施形態に係る半導体スイッチ装置の構成を示す回路図である。同図に示すように該半導体スイッチ装置２１は、前述の図１に示した半導体スイッチ装置１と比較して、マルチソースＦＥＴ１２を用いている点で相違している。
【００４３】
即ち、第１の実施形態では、シャント抵抗Ｒｓを用いてランプ負荷２に流れる過電流を検出する方法を用いたが、本実施形態では、マルチソースＦＥＴ１２（以下、単に「ＦＥＴ１２」という）を用いている点で相違している。図４は、ＦＥＴ１２の等価回路を示しており、ベース、及びドレインが共通とされた２つのＦＥＴ１２ａ（第１のＦＥＴ）、１２ｂ（第２のＦＥＴ）を具備した構成となっている。
【００４４】
ＦＥＴ１２の第１のソースＳ１は、アンプ１３のプラス側入力端子に接続され、第２のソースＳ２は、該アンプ１３のマイナス側入力端子に接続されている。また、アンプ１３の出力端子は、ＦＥＴ１４のゲートに接続され、該ＦＥＴ１４のソースは、アンプ１３のマイナス側入力端子に連結されている。
【００４５】
更に、ＦＥＴ１４のドレインは、コンパレータ（比較手段）１５のプラス側入力端子に接続され、該コンパレータ１５のマイナス側入力端子には、基準電圧Ｖｒｅｆが供給される。コンパレータ１５の出力信号は、マスクタイマ回路７及びリトライ回路１１に供給されるようになっている。
【００４６】
そして、上述のように構成された半導体スイッチ２１においても、上述した第１の実施形態と同様に、突入電流による回路の誤遮断を確実に防止することができ、且つ、デッドショート発生時には、ＦＥＴ３の発熱を抑制することができる。
【００４７】
即ち、ランプ負荷２に過電流が流れた場合には、ＦＥＴ１２ｂ（図４）に流れる電流が増大し、この電流は、ＦＥＴ１４により増幅されて抵抗（検出用抵抗）Ｒｒに流れる。従って、該抵抗Ｒｒの両端に発生する電圧が増大し、ひいては、コンパレータ１５のプラス側入力端子の電圧が増大する。これにより、コンパレータ１５の出力信号が「Ｈ」レベルとなり、前述した第１の実施形態と同様の動作が行われる。つまり、リトライ回路１１からＦＥＴ駆動回路６へ、オン信号が複数回（この例では８回）出力され、この間に過電流の発生が納まっている場合には、ＦＥＴ３の導通状態が継続され、過電流の発生が継続されている場合には、ＦＥＴ３は非導通状態とされる。
【００４８】
このようにして、本実施形態に係る半導体スイッチ装置２１においても、前述した第１の実施形態と同様に、ランプ負荷２の交換作業時に発生する突入電流による回路の誤遮断を防止することができ、且つ、デッドショート発生時には、ＦＥＴ３の発熱を防止することができる。
【００４９】
以上、本発明の半導体スイッチ装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【００５０】
例えば、上記した各実施形態では、リトライ回路１１によりリトライ回数を８回とする例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、７回以下、或いは９回以上とすることができる。
【００５１】
また、上記した各実施形態では、車両に搭載されるバッテリＶＢとランプ負荷２との間に設けられる半導体素子（ＦＥＴ３）を例に挙げたが、本発明は、これに限定されるものではなく、直流電源と、各種の負荷（ランプに限定されない）との間に設置される半導体素子について適用することができるものである。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体スイッチ装置では、基準電流以上となる過電流が負荷に流れた際には、一旦半導体素子を非導通とした後、リトライ手段により所定の時間間隔で、複数回半導体素子を導通させるので、負荷に突入電流が流れた場合であっても、該突入電流により回路が誤遮断するというトラブルを回避することができる。
【００５３】
また、デッドショートが発生した場合であっても、所定の時間間隔で半導体素子がオン、オフ動作するので、該半導体素子の発熱を抑制することができ、回路素子の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体スイッチ装置の構成を示す回路図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体スイッチ装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る半導体スイッチ装置の構成を示す回路図である。
【図４】マルチソースＦＥＴの等価回路を示す説明図である。
【図５】従来におけるスイッチ装置の構成を示す回路図である。
【図６】従来におけるスイッチ装置の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１，２１　半導体スイッチ装置
２　ランプ負荷
３　ＦＥＴ
４　アンプ
５　コンパレータ（比較手段）
６　ＦＥＴ駆動回路（駆動手段）
７　マスクタイマ回路
８　チャージポンプ回路
９　レギュレータ
１０　電圧補正回路
１１　リトライ回路（リトライ手段）
１１ａ　タイマ回路
１１ｂ　ラッチ回路
１１ｃ　カウンタ回路
１２　マルチソースＦＥＴ
１２ａ，１２ｂ　ＦＥＴ
１３　アンプ
１４　ＦＥＴ
１５　コンパレータ（比較手段）
Ｒｓ　シャント抵抗
ＶＢ　バッテリ
Ｒｒ　抵抗（検出用抵抗）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor switch device that is arranged between a DC power supply and a load and controls switching between driving and stopping of the load.
[0002]
[Prior art]
For example, a lamp load (a head lamp, a tail lamp, and the like) mounted on a vehicle is connected to a DC power supply output from a battery, and is turned on and off by a semiconductor switch.
[0003]
Further, when a short circuit accident occurs in the lamp load or the electric wire connecting the lamp load, the lamp load, the semiconductor element, or the electric wire connecting these may be damaged. Therefore, in order to avoid such troubles, conventionally, when an overcurrent has occurred, a semiconductor switch device having a function of protecting the circuit by detecting the overcurrent and cutting off the circuit has been proposed. , Has been put to practical use.
[0004]
As a conventional example of such a semiconductor switch device, for example, a device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-119850 (hereinafter, referred to as a conventional example) is known.
[0005]
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a semiconductor switch device described in the conventional example. As shown in FIG. 1, the switch device 101 is installed between a battery VB mounted on a vehicle and a lamp load 102 to switch between driving and stopping the lamp load 102. A main FET 103 is provided between VB and the lamp load 102, and a shunt resistor Rs is interposed between the main FET 103 and the battery VB.
[0006]
Further, a first sub-FET 104, a second sub-FET 105, and a third sub-FET 106, and resistors R101 to R103 are provided. When the main FET 103 is turned on, the voltage output from the battery VB is applied to the lamp load 102, so that the lamp load 102 is turned on.
[0007]
Further, if an overcurrent flows through the load 102 for some reason, the voltage between the resistors R102 and R103 increases, so that the output signal of the comparator 108 becomes “H” level. Upon receiving this signal, the drive circuit 107 controls to turn off the main FET 103. As a result, the circuit is interrupted when an overcurrent occurs, so that it is possible to prevent the main FET 103, the lamp load 102, and the electric wires connecting them from being damaged.
[0008]
Further, when driving the lamp load 102, the output signal of the comparator 108 is masked for a predetermined time by the mask circuit 109, so that a malfunction due to an inrush current at the time of driving can be prevented. That is, even when an excessive rush current flows through the lamp load 102 when the lamp load 102 is driven, the voltage between the resistors R102 and R103 rises and the output of the comparator 108 becomes "H" level, Until the value of the flowing current is stabilized, the output signal of the comparator 108 is masked, so that it is possible to avoid a trouble that the circuit is erroneously shut off due to an inrush current.
[0009]
Furthermore, after the elapse of the mask time, when occurrence of an overcurrent is detected, the main FET 103 is turned off. However, thereafter, since the overcurrent is avoided, the operation of immediately turning on the main FET 103 is repeated a plurality of times.
[0010]
Hereinafter, this will be described with reference to the timing chart shown in FIG. 3A shows the on / off state of the switch for turning on the lamp load 102, FIG. 3B shows the source-gate voltage Vgs of the main FET 103, and FIG. 3C shows the state between the drain and source of the main FET3. A flowing current (load current) Id is shown, and (d) shows a state of the lamp load 102.
[0011]
Between times t101 and t102 shown in FIG. 6, a steady current flows through the lamp load 102.
[0012]
At time t103, when an overcurrent flows through the lamp load 102, the occurrence of the overcurrent is detected and the main FET 103 is turned off. Thereafter, when the load current Id decreases, the main FET 103 is turned on again, and this operation is repeated. Therefore, as shown in the period from time t103 to time t104 in FIG. 6C, the load current Id changes in a saw-tooth shape, the power consumed by the main FET 103 increases, and the amount of heat generated increases. .
[0013]
Further, for example, if the burned-out lamp load 102 is replaced with a new one while the switch is turned on, an inrush current is generated as shown between times t105 and t106. In this case, the mask timer Since the circuit 109 does not operate (the mask timer circuit 109 operates only when the switch is turned on), the rush current at this time interrupts the circuit, and the lamp load 102 cannot be turned on.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional switch device 101, when the load current Id is equal to or more than a predetermined value, the current value can be limited. However, there is a problem that the amount of heat generated by the main FET 103 during the current limit is large. is there. Therefore, there is a limit to the time during which the current can be limited. That is, the load current Id that changes in a sawtooth shape as shown from the time t3 to t4 in FIG. 6 cannot be continuously supplied for a long time.
[0015]
Further, if the circuit is interrupted due to the overcurrent, the interrupted state is maintained, so that even if the lamp load 102 is restored to a normal state, it cannot be restarted. That is, in order to restart, it is necessary to once release the cutoff state and then turn on the switch again, which has a disadvantage that the operation takes a lot of trouble.
[0016]
The present invention has been made in order to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to restore the load to a normal state even if an overcurrent flows in the load circuit. It is an object of the present invention to provide a semiconductor switch device that can reliably drive the load when the switch is restored.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present application includes a semiconductor element interposed between a DC power supply and a load, and controls the conduction and non-conduction of the semiconductor element to reduce the load. In a semiconductor switch device that switches between driving and stopping, a current detection unit that detects a current value flowing through the load, and when a switch is turned on to drive the load, the semiconductor element is turned on, A drive unit having a function of protecting the load by turning off the semiconductor element when the current value detected by the current detection unit is equal to or more than a predetermined reference current. When the current value detected by the current detecting means is larger than the reference current, the driving means temporarily turns off the semiconductor element and turns on again after a predetermined time has elapsed. And repeating a plurality of times.
[0018]
3. The semiconductor switch according to claim 2, further comprising a semiconductor element interposed between the DC power supply and the load, and controlling conduction and non-conduction of the semiconductor element to switch between driving and stopping the load. In the device, current detection means for detecting a current value flowing to the load, comparison means for comparing the current value detected by the current detection means with a predetermined reference current, and the detection means When it is determined that the current value exceeds the reference current, a retry means for outputting an off signal of the circuit and outputting an on signal of the circuit after a predetermined time has elapsed, and a switch for driving the load are provided. When the semiconductor element was turned on, the semiconductor element was turned on, and when the off signal was output from the retry means, the semiconductor element was turned off and the on signal was output. In it is characterized by comprising driving means for operating so as to obtain a conductive state the semiconductor element.
[0019]
The invention according to claim 3 further comprises a counting means for counting the number of operations for bringing the semiconductor element into a non-conducting state once and then conducting it again, and the number of counts by the counting means has reached a predetermined number. In this case, the semiconductor element is turned off.
[0020]
The invention according to claim 4 is characterized in that the current detecting means is a shunt resistor interposed between the DC power supply and the semiconductor element, and the load is detected by using a voltage generated at both ends of the shunt resistor. It is characterized by detecting a flowing current.
[0021]
The invention according to claim 5, wherein the semiconductor element is a first FET, the current detection means has a second FET having a common drain and gate with the first FET, and A current flowing through the load is detected based on a change in a source current flowing through the second FET, which is caused by a change in a source voltage of the first FET.
[0022]
In the invention described in claim 6, the semiconductor element is a first FET, and the current detecting means includes a second FET having a drain and a gate common to the first FET and the first FET. Amplifying means having a source of the FET as one input and a source of the second FET as the other input; and a detection resistor disposed at an output stage of the amplifying means, When the source current flowing through the second FET, which is caused by a change in the source voltage of the FET, is amplified by the amplifying means, and the amplified current flows through the detection resistor, A current flowing through the load is detected based on a voltage value generated at both ends of the load.
[0023]
The invention according to claim 7 is characterized in that the DC power supply is a battery mounted on a vehicle, and the load is a lamp load mounted on the vehicle.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of the semiconductor switch device according to the first embodiment of the present invention. As shown in the figure, the semiconductor switch device 1 is provided between a battery VB mounted on a vehicle and a lamp load 2, and performs an operation of appropriately switching between driving and stopping of the lamp load 2. , A switching FET 3 (semiconductor element), and a shunt resistor (current detecting means) Rs interposed between the FET 3 and the battery VB. That is, the source of the FET 3 is connected to the lamp load 2, and the drain is connected to the battery VB via the shunt resistor Rs.
[0025]
One end of the shunt resistor Rs is connected to the plus side input terminal of the amplifier 4, and the other end is connected to the minus side input terminal of the amplifier 4. Further, an output terminal of the amplifier 4 is connected to a positive input terminal of a comparator (comparing means) 5, and a reference voltage Vref is supplied to a negative input terminal of the comparator 5. At this time, the reference voltage Vref is set to a voltage value corresponding to the reference current Ilim when determining the overcurrent. That is, the output signal of the comparator 5 is set to the “H” level when the load current Id exceeds the reference current Ilim.
[0026]
An output terminal of the comparator 5 is connected to a retry circuit (retry means) 11 and a mask timer circuit 7, and the retry circuit 11 and the mask timer circuit 7 are connected to an FET drive circuit (drive means) 6. .
[0027]
The FET drive circuit 6 is connected to a switch (not shown) of the lamp load 2, and outputs a drive signal to the gate of the FET 3 when the switch is turned on. When the closing switch is turned on, the mask timer circuit 7 operates a mask timer (for example, 80 msec) to mask the off operation of the FET 3 by the FET driving circuit 6.
[0028]
The retry circuit 11 includes a timer circuit 11a, a latch circuit 11b, and a counter circuit 11c. When the output signal of the comparator 5 becomes "H" level, the FET drive circuit 6 turns off the FET3. An off signal is output to make When the overcurrent is continuously generated (when the output signal of the comparator 5 is continuously at the “H” level), the time T1 measured by the timer circuit 11a elapses. Each time the operation is performed, an ON signal is output to the FET drive circuit 6 to turn on the FET 3. Further, the counter circuit 11c counts the number of times the ON signal has been output to the FET drive circuit 6, and stops the output of the ON signal when the counted number reaches a predetermined number.
[0029]
Reference numeral 8 denotes a charge pump circuit that applies a drive voltage to the FET drive circuit 6, reference numeral 9 denotes a regulator that outputs a 5 volt voltage, and reference numeral 10 denotes a voltage correction circuit that outputs a constant voltage to the amplifier 4.
[0030]
Next, the operation of the semiconductor switch device 1 according to the present embodiment configured as described above will be described with reference to the timing chart shown in FIG. 2A shows the on / off state of the switch for turning on the lamp load 2, FIG. 2B shows the source-gate voltage Vgs of FET3, and FIG. 2C shows the voltage between the drain and source of FET3. A flowing current (load current) Id is shown, and (d) shows a state of the lamp load 2.
[0031]
When an operator turns on a switch (not shown) to light the lamp load 2, a turn-on signal is given to the FET drive circuit 6, and the FET drive circuit 6 receives the turn-on signal and outputs a drive signal to the FET 3. .
[0032]
As a result, the FET 3 is turned on, and the DC voltage output from the battery VB is supplied to the lamp load 2 via the shunt resistor Rs and the FET 3. As a result, the lamp load 2 is turned on.
[0033]
Then, between times t1 and t2 shown in FIG. 2, the load state is normal and the load current Id flowing through the lamp load 2 is lower than the reference current Ilim, so that the lamp load 2 keeps the lighting state stably. .
[0034]
If an overcurrent occurs when the switch is turned on at time t3, the current flowing through the shunt resistor Rs increases, and the voltage generated across the shunt resistor Rs increases. Then, when the detected voltage exceeds the reference voltage Vref, the output signal of the comparator 5 becomes “H” level, and the FET drive circuit 6 receives this signal and turns off the FET 3. That is, since the circuit for applying the voltage of the battery VB to the lamp load 2 is shut off, the lamp load 2 is turned off.
[0035]
Then, the voltage across the shunt resistor Rs decreases, and the output signal of the comparator 5 changes to “L” level. When this "L" signal is supplied, the retry circuit 11 outputs an ON signal to the FET drive circuit 6 after a lapse of time T1 from the time when the OFF signal was previously output. As a result, the FET drive circuit 6 outputs a drive signal to the FET 3, and the FET 3 is turned on. At this time, if the cause of the overcurrent has not yet been recovered, the FET 3 is again turned on in the same procedure as described above. It is in a non-conductive state.
[0036]
When the above operation is repeated and the overcurrent is avoided during the repeated operation, the conduction state of the FET 3 is continued, and the lamp load 2 can be turned on.
[0037]
On the other hand, when the occurrence of overcurrent is not avoided and the number of times the on / off signal is output by the retry circuit 11 reaches a predetermined number (for example, eight) set in advance, the number is counted by the counter circuit 11c. The output of the ON signal from the retry circuit 11 is stopped. This state is latched by the latch circuit 11b. That is, even if the operation of turning on the FET 3 is repeated eight times, if the overcurrent still continues to occur, the FET 3 is turned off as shown at time t4 in FIG. The voltage supply to the load 2 is stopped.
[0038]
Therefore, when an overcurrent occurs, the circuit can be reliably shut off, and damage to the lamp load 2, the FET 3, and the circuit wiring connecting these can be prevented.
[0039]
In addition, for example, if the lamp load 2 is disconnected and the lamp load 2 is replaced with a new one at time t5, an inrush current will be generated. However, even in this case, the FET 3 is turned on eight times by the operation of the retry circuit 11 every time the time T1 elapses. Therefore, if the inrush current falls during this time, the FET 3 can be kept on. Thus, the lamp load 2 can be turned on.
[0040]
As described above, in the semiconductor switch device 1 according to the present embodiment, when an overcurrent occurs in the circuit that supplies the drive voltage to the lamp load 2 and the load current Id exceeds the reference current Ilim, the FET 3 is temporarily turned off. In addition to the non-conduction state, the retry circuit 11 controls the FET 3 to be turned on a plurality of times (eight times in this example) at predetermined time intervals (T1). Therefore, even when an inrush current occurs when the lamp load 2 is replaced, the FET 3 can be turned on when the inrush current is settled, so that the lamp load 2 is reliably turned on. Can be.
[0041]
Further, since the FET 3 is turned on every time the predetermined time T1 elapses, even when a dead short circuit (a serious short circuit accident) occurs in the circuit, the heat generation of the FET 3 can be suppressed. Therefore, damage to the circuit element can be prevented.
[0042]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of the semiconductor switch device according to the second embodiment. As shown in the figure, the semiconductor switch device 21 is different from the semiconductor switch device 1 shown in FIG. 1 in that a multi-source FET 12 is used.
[0043]
That is, in the first embodiment, a method of detecting an overcurrent flowing through the lamp load 2 using the shunt resistor Rs is used. In the present embodiment, however, a multi-source FET 12 (hereinafter simply referred to as “FET 12”) is used. Is different. FIG. 4 shows an equivalent circuit of the FET 12, which has two FETs 12a (first FET) and 12b (second FET) having a common base and drain.
[0044]
The first source S1 of the FET 12 is connected to the positive input terminal of the amplifier 13, and the second source S2 is connected to the negative input terminal of the amplifier 13. The output terminal of the amplifier 13 is connected to the gate of the FET 14, and the source of the FET 14 is connected to the negative input terminal of the amplifier 13.
[0045]
Further, the drain of the FET 14 is connected to a positive input terminal of a comparator (comparing means) 15, and a reference voltage Vref is supplied to a negative input terminal of the comparator 15. The output signal of the comparator 15 is supplied to the mask timer circuit 7 and the retry circuit 11.
[0046]
Also in the semiconductor switch 21 configured as described above, similarly to the above-described first embodiment, erroneous interruption of the circuit due to the rush current can be reliably prevented. Heat generation can be suppressed.
[0047]
That is, when an overcurrent flows through the lamp load 2, the current flowing through the FET 12b (FIG. 4) increases, and this current is amplified by the FET 14 and flows through the resistor (detection resistor) Rr. Accordingly, the voltage generated at both ends of the resistor Rr increases, and the voltage at the plus input terminal of the comparator 15 increases. As a result, the output signal of the comparator 15 becomes “H” level, and the same operation as in the first embodiment is performed. That is, the ON signal is output a plurality of times (eight times in this example) from the retry circuit 11 to the FET drive circuit 6, and when the occurrence of the overcurrent is stopped during this time, the conduction state of the FET 3 is continued, When the current is continuously generated, the FET 3 is turned off.
[0048]
In this manner, in the semiconductor switch device 21 according to the present embodiment, similarly to the above-described first embodiment, it is possible to prevent the erroneous shutoff of the circuit due to the rush current generated when the lamp load 2 is replaced. In addition, when a dead short occurs, heat generation of the FET 3 can be prevented.
[0049]
As described above, the semiconductor switch device of the present invention has been described based on the illustrated embodiment. However, the present invention is not limited to this, and the configuration of each unit may be replaced with an arbitrary configuration having a similar function. Can be.
[0050]
For example, in each of the above-described embodiments, an example has been described in which the number of retries is set to eight by the retry circuit 11, but the present invention is not limited to this, and may be set to seven or less or nine or more. it can.
[0051]
Further, in each of the above-described embodiments, the semiconductor element (FET3) provided between the battery VB mounted on the vehicle and the lamp load 2 has been described as an example, but the present invention is not limited to this. The present invention can be applied to a semiconductor element installed between a DC power supply and various loads (not limited to lamps).
[0052]
【The invention's effect】
As described above, in the semiconductor switch device of the present invention, when an overcurrent that is equal to or more than the reference current flows to the load, the semiconductor element is once turned off, and then a plurality of times are set at predetermined time intervals by retry means. Since the semiconductor element is turned on twice, even if a rush current flows through the load, it is possible to avoid a trouble that the circuit is erroneously interrupted by the rush current.
[0053]
Further, even when a dead short circuit occurs, the semiconductor element is turned on and off at predetermined time intervals, so that heat generation of the semiconductor element can be suppressed, and damage to the circuit element can be prevented. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a semiconductor switch device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the semiconductor switch device according to the first embodiment.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a semiconductor switch device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an equivalent circuit of a multi-source FET.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional switch device.
FIG. 6 is a timing chart showing an operation of a conventional switch device.
[Explanation of symbols]
1,21 Semiconductor switch device 2 Lamp load 3 FET
4 Amplifier 5 Comparator (comparing means)
6. FET drive circuit (drive means)
7 Mask timer circuit 8 Charge pump circuit 9 Regulator 10 Voltage correction circuit 11 Retry circuit (retry means)
11a Timer circuit 11b Latch circuit 11c Counter circuit 12 Multi-source FET
12a, 12b FET
13 Amplifier 14 FET
15 Comparator (comparing means)
Rs Shunt resistance VB Battery Rr resistance (detection resistance)

Claims

A semiconductor switch device that includes a semiconductor element interposed between a DC power supply and a load, controls conduction and non-conduction of the semiconductor element, and switches between driving and stopping the load.
Current detection means for detecting a value of a current flowing through the load,
When the switch is turned on to drive the load, the semiconductor element is turned on, and when the current value detected by the current detecting means is equal to or more than a predetermined reference current, the semiconductor element is turned on. A driving unit having a function of protecting the load by making the element non-conductive,
When the current value detected by the current detecting means is larger than the reference current, the driving means repeats a plurality of times the operation of turning off the semiconductor element once and turning it on again after a predetermined time has elapsed. A semiconductor switch device characterized by the above-mentioned.

A semiconductor switch device that includes a semiconductor element interposed between a DC power supply and a load, controls conduction and non-conduction of the semiconductor element, and switches between driving and stopping the load.
Current detection means for detecting a value of a current flowing through the load,
A current value detected by the current detecting means, a comparing means for comparing a predetermined reference current,
When the comparing means determines that the detected current value exceeds the reference current, the circuit outputs an off signal of the circuit and outputs an on signal of the circuit after a lapse of a predetermined time.
When the switch is turned on to drive the load, the semiconductor element is turned on, and the retry unit outputs the off signal, the semiconductor element is turned off, and Driving means for operating the semiconductor element to make it conductive when the ON signal is output;
A semiconductor switch device comprising:

The semiconductor device is provided with a counting unit for counting the number of operations for once bringing the semiconductor device into a non-conducting state and then bringing the semiconductor device into a conducting state again, and when the count number by the counting unit reaches a predetermined number, the semiconductor device is turned off. 3. The semiconductor switch device according to claim 1, wherein the semiconductor switch device is in a conductive state.

The current detecting means is a shunt resistor interposed between the DC power supply and the semiconductor element, and detects a current flowing through the load using a voltage generated at both ends of the shunt resistor. The semiconductor switch device according to claim 1.

The semiconductor element is a first FET;
The current detection means,
A second FET having a drain and a gate common to the first FET, and based on a change in a source current flowing through the second FET caused by a change in a source voltage of the first FET. 4. The semiconductor switch device according to claim 1, wherein a current flowing through the load is detected.

The semiconductor element is a first FET;
The current detection means,
A second FET having a common drain and gate with the first FET;
Amplifying means having a source of the first FET as one input and a source of the second FET as the other input; and a detecting resistor provided at an output stage of the amplifying means.
When the source current flowing through the second FET, which is generated due to a change in the source voltage of the first FET, is amplified by the amplifying unit, and the amplified current flows through the detection resistor, 4. The semiconductor switch device according to claim 1, wherein a current flowing through the load is detected based on a voltage value generated at both ends of the detection resistor. 5.

7. The semiconductor switch device according to claim 1, wherein the DC power supply is a battery mounted on a vehicle, and the load is a lamp load mounted on the vehicle. .