JP2014093939A - 制御信号駆動の供給電圧を用いる電力スイッチングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】入力制御信号から取り出された供給電圧によって電力が供給されるスイッチング制御回路を有する電力スイッチングシステムのためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】システムは、バッテリ電圧とグランドとの間に装置を電気的に接続するように構成された電源スイッチを含むことができ、装置には電源スイッチが閉じられているときにバッテリによって電力が供給される。システムは、電源スイッチのゲートポートに接続され、自身に提供されるスイッチング制御信号に応答して、ゲートポートに提供されるゲート駆動信号を調整することによって電源スイッチを開閉するように構成された制御回路と、スイッチング制御信号に基づいて供給電圧を生成するように構成された電圧調整回路と、を更に含み、それにより供給電圧は制御回路への電力供給をなす。
【選択図】図１

Description

関連出願

本願は２０１２年１０月３１日に出願された米国仮出願Ｎｏ．６１／７２０，５６７の利益を主張する。当該仮出願はその全体として参照することにより本明細書に組み込まれている。

本開示は、電力スイッチングシステムに関し、特に入力制御信号から取り出された供給電圧を用いる電力スイッチングシステムに関する。

自動車用点火システムは、一般に、バッテリから点火コイルを介してグランドへの電気的な接続の形成及び切断を交互に行う電力スイッチング回路を使用する。そのスイッチングは、通常、エンジン動作に応じてエンジン発火プラグに火花を発生させるタイミングを決定するエンジン制御ユニットから受け入れた信号に基づいている。集積回路（ＩＣ）として実装可能なスイッチング回路は、回路及びその構成要素への電力のために供給電圧を必要とする。この供給電圧は、一般に、車両のバッテリから供給され、高い過渡電圧、大きな電圧振幅、高周波ノイズ、スイッチング回路に有害となり得る他のアーチファクトを含む可能性がある。

よって、静電放電（ＥＳＤ）からと共にこれらの過渡電圧からスイッチング回路ＩＣを保護するために追加の回路が必要である。より大きな抵抗とコンデンサを含む可能性がある保護回路は、いくつかの場合には、ＩＣ領域の半分以上を使うことがあり得る。これは、通常、スイッチング回路ＩＣのための大きさ及びコストを増加させる結果となり、バッテリによって課せられたこれらの過酷な環境条件が保護回路によって十分に回避（フィルタリング）されない場合には信頼性に悪影響を与える可能性がある。

特許請求の発明の実施例の特徴及び利点は、以下の詳細な説明が進むに従って、また図面を参照することにより明らかになる。図面では同じ数字が同様の部分を示している。
本開示による１つの例示的な実施例の最上位システム図を示す。 本開示による１つの例示的な実施例のブロック図を示す。 本開示による別の例示的な実施例のブロック図を示す。 本開示による別の例示的な実施例のブロック図を示す。 本開示による別の例示的な実施例のブロック図を示す。 本開示による実施例の動作を示すフローチャートである。

以下の詳細な説明は、例示的な実施例を参照しつつ進めるが、これらの多くの代替、修正、及び変形がこの分野の当業者には明らかである。

詳細な説明

本開示は、スイッチ制御回路を有する電力スイッチングシステムのためのシステム及び方法を提供する。電力スイッチングシステムは、エンジン制御ユニット又は他の外部ソースから提供される入力制御信号に基づいてバッテリからエンジンの点火コイルに供給される電力を切り替えるように構成することができる。スイッチ制御回路は、入力制御信号から取り出される供給電圧によって駆動（電力供給）されても良い。スイッチ制御回路は、入力制御信号から供給電圧を生成するように構成された電圧調整回路を含んでも良く、それによりバッテリから供給電圧を得る必要性、及び関連したフィルタリングとバッテリ過度電圧からの保護を提供する必要性がなくなる。

いくつかの実施例では、かかる電力スイッチング回路は、電気モータ又は他の車両要素に電力を切り替えるように構成されても良く、入力制御信号は、オペレータ制御されたスイッチ又は車両コンピュータシステムによって提供されても良い。

図１は本開示による例示的な一実施例の最上位のシステム図１００を示している。電力供給されるべき装置１０６は、バッテリ１０４と電源スイッチ１０８との間に電気的に接続されても良い。電源スイッチ１０８はスイッチ制御回路１０２の制御の下で電力供給されるべき装置１０６をグランド１０６に選択的に接続するように構成されている。電圧調整器を有するスイッチ制御回路１０２は、電源スイッチ１０８を開閉するゲート駆動信号を生成する。ゲート駆動信号の生成は、外部ソースからスイッチ制御回路１０２に提供されるスイッチ制御信号に応答して実行されても良い。スイッチ制御回路１０２は、バッテリ１０４からと言うよりむしろスイッチ制御信号の入力から取り出すことができる供給電圧から電力を供給される。スイッチ制御回路１０２の電圧調整要素はスイッチ制御信号の入力に基づいて供給電圧（電源電圧）を生成するように構成され得る。

いくつかの実施例では、システム１００は、内燃エンジンを含む自動車又は他のタイプの車両で使用されても良い。バッテリは１２ボルトのバッテリ又は車両に適した他のタイプのバッテリであっても良い。電力供給されるべき装置は、点火コイル（例えば、点火コイルの１次側）、ホットプラグ（例えば、ディーゼルエンジンのもの）、ソレノイド、電気モータ又はスイッチオンオフ又は制御される必要がある車両に含まれる他のタイプの装置であっても良い。例えば、電気モータは、パワーウインド、パワーブレーキ及び／又はパワーステアリングを駆動するために使用され得る。スイッチ制御信号は、エンジン制御ユニット（例えば、点火タイミング信号）、車両コンピュータシステム、ユーザ／ドライバ操作スイッチ又は車両と関連した他のソースによって提供されても良い。

いくつかの実施例では、スイッチ制御回路１０２及び電源スイッチ１０８は、集積回路（ＩＣ）として構成されても良い。電源スイッチ１０８は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）又は絶縁ゲート型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）であっても良い。電源スイッチ１０８は、コレクタポートとエミッタポートとを含むことができ、電源経路に沿って流れる電流がエミッタポートを介してスイッチに流入し、かつスイッチから流出する。電源スイッチ１０８はゲートポートを含むことができ、ゲート駆動信号が当該ゲートポートを介して印加されてスイッチの状態（例えば、オン又はオフ、開又は閉）を制御する。

図２は、本開示による例示的な一実施例のブロック図２００を示している。スイッチ制御回路１０２は、電圧調整回路２０２、ゲート駆動回路２０４、電圧基準回路２０６、及び電流検出回路２０８を含むように示されている。電流検出回路２０８は、バッテリ１０４から装置１０６と電源スイッチ１０８とを介してグランドへの電源回路経路に配置された電流検出抵抗２１０に接続され得る。

電圧調整回路２０２は、スイッチ制御回路１０２に入力されるスイッチ制御信号に基づいて供給電圧を生成するように構成され得る。供給電圧はスイッチ制御回路１０２の構成要素に電源を供給するために使用され得る。いくつかの実施例では、電圧調整回路２０２は電圧クランプ又はバンドギャップ基準電圧発生器であっても良い。

電流検出回路２０８は、エミッタポートからコレクタポートへ電源スイッチ１０８を介して流れる電流を感知するように構成されても良い。いくつかの実施例では、これは、電流の流れに比例した電圧測定値を提供するために、電源経路に構成され得る電流検出抵抗２１０を介して達成されても良い。

電圧基準回路２０６は、ゲート駆動回路２０４を制御するために、電流検出回路から検出された電流と比較のための基準として用いられ得る安定した電圧基準（例えば、温度の変動及び／又は制御信号電圧の変動に対して安定した）を生成するように構成されても良い。ゲート駆動回路２０４は、電源スイッチをオンオフさせたり、又は電源スイッチを流れる電流のレベルを調整するように電源スイッチ１０８へのゲート駆動信号を調整するように構成されても良い。その調整は、スイッチ制御回路への入力として及び／又は生成された安定電圧基準と検出された電流との比較として提供されるスイッチ制御信号に基づいても良い。

いくつかの実施例では、スイッチ制御回路１０２は、点火コイルを保護するためにサーマルシャットダウン、電流制限、及び／又は最大ドエル時間制限機能を提供することができる（図示せず）。

自動車用バッテリは、一般に、重大な正及び負の過渡電圧、高周波ノイズ、及び静電放電を含む過酷な環境で電力を供給する。公称１２ボルトのバッテリは、動作時に６〜２４ボルトに変化する可能性がある。負荷ダンプ(load dump)は４００ミリ秒で１３０ボルトの揺れとなることがあり、フィールド崩壊(field decay)は１００マイクロ秒間に−４００ボルトに達することができる。結果として、バッテリ又は点火回路から電力を受ける装置は、一般的に電圧調整器、フィルタ及び他の保護回路によって保護される必要がある。当然のことながら、電圧調整回路２０２からスイッチ制御回路１０２の構成要素への電源電圧の供給がバッテリから電力を引き込むことなくスイッチ制御回路は機能することができる。これは、追加のフィルタリング及び過渡保護回路の必要性と、関連したコストとスペースの消費がなくなる。

図３は、本開示による別の例示的な実施例のブロック図３００を示している。エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３０２は、電圧調整器を有するスイッチ制御回路１０２への入力としてスイッチ制御信号を提供する。ＥＣＵ３０２は、ＥＣＵが比較的低い電気ノイズを有するスイッチ制御信号を生成することを可能にし得る車両のファイアウォール３０６によってスイッチ制御回路１０２から分離されても良い。上述したように動作するスイッチ制御回路１０２は、交互に開き、ＥＣＵ３０２のタイミングに応じて、電源スイッチ１０８の開閉を交互に行うゲート駆動信号を生成する。電源スイッチ１０８は、点火コイルを駆動するために好ましいロー側の電源駆動構成で示されている。電源スイッチ１０８の交互の状態は、車両のエンジンの点火を生じさせるより高い電圧を発生する点火コイル３０４の１次巻線を介してバッテリ１０４が電圧及び電流パルスを提供することを可能にする。

図４は、本開示による別の例示的な実施例のブロック図４００を示している。この実施例では、ハーフブリッジ駆動構成が示されている。バッテリ１０４は、例えば、ソレノイド又は単一方向モータであっても良い負荷４０４に電力を供給する。負荷４０４を動作させるための信号が、比較的低い電気ノイズを有するスイッチ制御信号の生成を可能にすることができる車両ファイアウォール３０６によってエンジン室から分離可能なオペレータスイッチ又は車両コンピュータ４０２において生じ得る。上述したように動作するスイッチ制御回路１０２は、スイッチ制御信号に基づいて、ロー側電源スイッチ４０８及びハイ側電源スイッチ４０６を開閉するゲート駆動信号を生成する。電源スイッチ４０６，４０８が閉じられているとき、バッテリ１０４から負荷４０４を介してグランドへの回路又は電源経路が形成され、負荷への電力供給又は負荷の動作を可能にする。いくつかの実施例では、電源経路がモータ又は電流の再循環を制動するために使用されても良い。

図５は、本開示による別の例示的な実施例のブロック図５００を示している。この実施例では、フルブリッジ駆動構成が示されている。バッテリ１０４は、例えばあっても良い負荷５０４ 、例えば、パワーシート又はパワーウインドに対して使用されるような、双方向モータであり得る負荷５０４に電力を供給する。負荷５０４を動作させるための信号が、比較的低い電気ノイズを有するスイッチ制御信号の生成を可能にすることができる車両ファイアウォール３０６によってエンジン室から分離可能なオペレータスイッチ又は車両コンピュータ４０２において生じ得る。上述したように動作するスイッチ制御回路１０２は、スイッチ制御信号に基づいてロー側電源スイッチ５０８，５１２及びハイ側電源スイッチ５０６，５１０を開閉するゲート駆動信号を生成する。電源スイッチ５０６，５１０，５０８，５１２の開閉に応答して、バッテリ１０４から負荷５０４を介してグランドへの回路が２つの電源経路のいずれかで形成され、双方向で負荷への電力供給又は負荷の動作を可能にする。

図６は、本開示による例示的な実施例の動作のフローチャート６００を示している。動作６１０では、電源スイッチがバッテリ電圧とグランドとの間に装置を電気的に接続して電源スイッチが閉じられたときにバッテリから装置へ電力を提供する。動作６２０では、制御回路が電源スイッチのゲートポートに接続される。動作６３０では、制御回路によってゲート駆動信号が調整されてゲートポートに印加され、電源スイッチを開閉する。その調整は、制御回路に提供されたスイッチング制御信号に応答して行われる。動作６４０では、供給電圧がスイッチング制御信号に基づいて生成される。動作６５０では、制御回路は供給電圧によって電力供給される。

本明細書に記載された方法の実施例は、１つ以上のプロセッサによって実行されるときにその方法を実行する命令を個別に又は組み合わせて格納している１つ以上の記憶媒体を含むシステムに実装されても良い。ここで、プロセッサは、例えば、システムＣＰＵ（例えば、コアプロセッサ）及び／又はプログラム可能な回路を含むことができる。よって、本明細書に記載された方法に従った動作は、例えば、複数の異なる物理的位置で処理する構造のように複数の物理的装置に亘って分散されても良いことが意図されている。また、その方法動作は、この分野の当業者によって理解されるように、個別に又はサブコンビネーション（小さな組み合わせ）で行っても良いことが意図されている。よって、フローチャートの各々の動作の全てが実行される必要はなく、本開示は、この分野の当業者によって理解されるように、そのような動作の全てのサブコンビネーションが可能されることを明示的に意図する。

記憶媒体は、任意のタイプの有形的表現媒体、例えば、フロッピーディスク、光ディスク、コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクトディスク書き換え可能（ＣＤ−ＲＷ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）及び光磁気ディスクを含む任意のタイプのディスク、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ダイナミック及びスタティックＲＡＭ等のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、磁気又は光カード等の半導体装置、又は電子命令を保存することに適した任意のタイプの媒体を含んでも良い。

本明細書において実施例で用いられている「回路(Circuitry)」は、例えば、単独で又は任意の組み合わせで、ハードワイヤードの回路、プログラマブル回路、状態機械回路、及び／又はプログラマブル回路によって実行される命令を記憶するファームウェアを含んで良い。アプリ（アプリケーション）は、ホストプロセッサ等のプログラマブル回路又は他のプログラマブル回路で実行され得るコード又は命令として具体化されても良い。本明細書において実施例で用いられているモジュールは回路として具体化されても良い。その回路は、集積回路チップ等の集積回路として具体化されても良い。

従って、本開示は、入力制御信号から取り出された供給電圧によって電力供給されるスイッチング制御回路を有する電力スイッチングシステムのためのシステム及び方法を提供する。

システムは、バッテリ電圧とグランドとの間に装置を電気的に接続するように構成された電源スイッチを含むことができ、装置は電源スイッチが閉じられたときバッテリによって電力供給される。また、本実施例のシステムは、電源スイッチのゲートポートに接続された制御回路を含んでも良く、制御回路は、制御回路に提供されたスイッチング制御信号に応答してゲートポートに提供されたゲート駆動信号を調整することによって電源スイッチを開閉するように構成される。更に、本実施例のシステムは、スイッチング制御信号に基づいて供給電圧を生成するように構成された電圧調整回路を含んでも良く、その供給電圧は制御回路への電力供給をなす。

別の態様によれば、点火コイルの第１端子を介してバッテリに接続された点火コイルを含むことができるシステムが提供される。また、本実施例のシステムは、電源スイッチが閉じられたときに点火コイルの第２端子をグランドに接続するように構成された電源スイッチを含むことができる。更に、本実施例のシステムは、電源スイッチのゲートポートに接続された制御回路を含んでも良く、制御回路はエンジン制御ユニットによって生成された点火タイミング信号に応答してゲートポートに提供されたゲート駆動信号を調整することによって電源スイッチを開閉するように構成される。本実施例のシステムは、更に、スイッチング制御信号に基づいて供給電圧を生成するように構成された電圧調整回路を含んで良く、その供給電圧は制御回路への電力供給をなす。

別の態様によれば、方法が提供される。この方法は、バッテリ電圧とグランドとの間に装置を電気的に接続する電源スイッチを構成することを含み、電源スイッチが閉じられているときバッテリから装置へ電力を提供することができる。また、本実施例の方法は、電源スイッチのゲートポートに制御回路を接続することを含んでも良い。更に、本実施例の方法は、電源スイッチを開閉するために制御回路によってゲートポートに印加されるゲート駆動信号を制御回路に提供されるスイッチング制御信号に応答して調整することを含んでも良い。更に、本実施例の方法は、スイッチング制御信号に基づいて供給電圧を生成することを含んでも良い。更に、本実施例の方法は、その供給電圧で制御回路に電力を供給することを含んでも良い。

本明細書に用いられた用語及び表現は説明のためで限定されない用語として用いられ、そのような用語及び表現の使用において、示されて説明された特徴（又はその一部）の等価物を排除する意図はなく、様々な変更が特許請求の範囲内で可能であることが認識される。よって、特許請求の範囲は、そのような全ての等価物に及ぶことを意図している。様々な特徴、態様、及び実施例は、本明細書に記載されている。特徴、態様及び実施例は、この分野の当業者には理解されるように、変形や変更と共に互いの組み合わせを受け入れる余地がある。従って、本開示は、そのような組み合わせ、変形、及び変更を包含することを考慮されるべきである。

Claims (22)

1. バッテリ電圧とグランドとの間に装置を電気的に接続するように構成されて自身が閉状態にあるときに前記バッテリによって電力を前記装置に供給する電源スイッチと、
   前記電源スイッチのゲートポートに接続され、自身に提供されるスイッチング制御信号に応答して、前記ゲートポートに提供されるゲート駆動信号を調整することによって前記電源スイッチを開閉するように構成された制御回路と、
   前記スイッチング制御信号に基づいて供給電圧を生成するように構成された電圧調整回路と、を備えるシステムであって、
   前記供給電圧は前記制御回路への電力供給をなすことを特徴とするシステム。
2. 前記制御回路は、
   電圧基準信号を生成するように構成された電圧基準回路と、
   前記電源スイッチのコレクタポートから前記電源スイッチのエミッタポートに流れる電流を測定するように構成された電流検出回路と、
   前記スイッチング制御信号に基づいて、更に、当該測定した電流と前記電圧基準信号との比較に基づいて前記ゲート駆動信号を調整するように構成されたゲート駆動回路と、を更に備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記電源スイッチは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 前記電源スイッチは絶縁ゲート型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 前記電圧調整回路は電圧クランプであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
6. 前記電圧調整回路はバンドギャップ基準電圧発生器であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
7. 電力が供給されるべき前記装置はエンジン点火コイル、ホットプラグ、及びソレノイドドライバからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
8. 前記スイッチング制御信号はエンジン制御ユニットによって生成される点火タイミング信号であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
9. 電力が供給されるべき前記装置はパワーウインドシステム、パワーステアリングシステム、及びパワーブレーキングシステムからなるグループから選択される車両システムと関連した電気モータであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
10. 自身の第１端子を介してバッテリに接続された点火コイルと、
    自身が閉状態にあるときに前記点火コイルの第２端子をグランドに接続するように構成された電源スイッチと、
    前記電源スイッチのゲートポートに接続され、エンジン制御ユニットによって生成された点火タイミング信号に応答して、前記ゲートポートに提供されるゲート駆動信号を調整することによって前記電源スイッチを開閉するように構成された制御回路と、
    前記点火タイミング信号に基づいて供給電圧を生成するように構成された電圧調整回路と、を備え、
    前記制御電圧は前記制御回路への電力供給をなすことを特徴とする点火システム。
11. 前記制御回路は、
    電圧基準信号を生成するように構成された電圧基準回路と、
    前記電源スイッチのコレクタポートから前記電源スイッチのエミッタポートに流れる電流を測定するように構成された電流検出回路と、
    前記点火タイミング信号に基づいて、更に、当該測定した電流と前記電圧基準信号との比較に基づいて前記ゲート駆動信号を調整するように構成されたゲート駆動回路と、を更に備えることを特徴とする請求項１０記載の点火システム。
12. 前記制御回路は、
    最大ドエル時間閾値を越える前記点火コイルについてのドエル時間を検出するように構成されたドエル時間検出回路と、
    前記ドエル時間検出回路からの応答に基づいて前記ゲート駆動信号を調整するように構成されたゲート駆動回路と、を更に備えることを特徴とする請求項１０記載の点火システム。
13. 前記電源スイッチは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であることを特徴とする請求項１０記載のシステム。
14. 前記電源スイッチは絶縁ゲート型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）であることを特徴とする請求項１０記載のシステム。
15. 前記電圧調整回路は電圧クランプであることを特徴とする請求項１０記載のシステム。
16. 前記電圧調整回路はバンドギャップ基準電圧発生器であることを特徴とする請求項１０記載のシステム。
17. バッテリ電圧とグランドとの間に装置を電気的に接続するように電源スイッチを構成して前記電源スイッチが閉じられたときに前記バッテリから前記装置に電力を提供するステップと、
    前記電源スイッチのゲートポートに制御回路を接続するステップと、
    前記制御回路に提供されるスイッチング制御信号に応答して、前記制御回路によって前記ゲートポートに印加されるゲート駆動信号を調整して前記電源スイッチを開閉するステップと、
    前記スイッチング制御信号に基づいて供給電圧を生成するステップと、
    前記供給電圧を用いて前記制御回路に電力を供給するステップと、を含むことを特徴とする方法。
18. 電圧基準信号を生成するステップと、
    前記電源スイッチのコレクタポートから前記電源スイッチのエミッタポートに流れる電流を測定するステップと、
    前記スイッチング制御信号に基づいて、更に、当該測定した電流と前記電圧基準信号との比較に基づいて前記ゲート駆動信号を調整するステップと、を更に含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
19. 前記供給電圧を生成するステップは、前記スイッチング制御信号に電圧クランプを印加するステップを更に含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
20. 前記供給電圧を生成するステップは、前記スイッチング制御信号でバンドギャップ基準電圧発生器を駆動するステップを更に含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
21. 電力が供給されるべき前記装置はエンジン点火コイル、ホットプラグ、及びソレノイドドライバからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１７記載の方法。
22. 前記スイッチング制御信号はエンジン制御ユニットによって生成される点火タイミング信号であることを特徴とする請求項１７記載の方法。

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