JP2007150003A - 絶縁形信号伝送回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】フォトカプラの発光ダイオードを流れる電流の定常的な増加に伴う電流変換効率の低下を抑制してPWM信号等の安定した伝送を可能にし、構成簡単な絶縁形信号伝送回路を提供する。
【解決手段】フォトカプラにより信号を絶縁して伝送する絶縁形信号伝送回路において、フォトカプラ2の発光ダイオードDに直列に接続された負帰還形の定電流回路1とスイッチング素子Qとを備え、定電流回路1は、スイッチング素子Qのオフ時に飽和状態となり、かつ、スイッチング素子Qのオン時に定電流を流す定電流制御素子としてのトランジスタTrを有し、伝送するべきPWM信号によりスイッチング素子Qがオンした際に発光ダイオードDに過渡電流を通流させ、その後に前記過渡電流よりも振幅の小さいほぼ一定の定常電流を通流させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えばIPM(Intelligent Power Module)の上下アームの半導体スイッチング素子を駆動するために、その制御回路からPWM信号をフォトカプラにより電気的に絶縁して伝送する絶縁形信号伝送回路に関するものである。
最近の車両機器に適用されている電動機の駆動システムは、高効率化、省エネ対策を目的として、図5に示すように電源、昇降圧コンバータ、インバータから構成されている。
ここで、電源10は、架線からの給電電圧または直列接続されたバッテリにより構成されている。昇降圧コンバータ20は、車両駆動時には、電源回路の電圧(例:280〔V〕)を三相の電動機40の駆動に適した電圧(例:750〔V〕)に昇圧し、車両の制動時には、発電機となる電動機40から生じる電圧(例:750〔V〕)を電源回路の電圧(例:280〔V〕)に降圧して電力の回生動作を行う。
インバータ30は、車両の駆動時には、昇降圧コンバータ20により昇圧された電圧によって電動機40の各相に電流を流すようにスイッチング素子をオン・オフし、そのスイッチング周波数を制御することにより車両速度を変化させている。
また、車両の制動時には、各相に生じる交流電圧に同期させてスイッチング素子をオン・オフすることにより、いわゆる整流動作を行い、交流電圧を直流電圧に変換して電源回路に回生している。
図6は、昇降圧コンバータ20の詳細な構成を示している。
このコンバータ20は、大別してリアクトル21、コンデンサ22、スイッチング部23,24、及び、スイッチング部23,24をそれぞれ制御する制御回路25,26から構成されている。ここで、最近の車両機器の駆動系のスイッチング部23,24は、図示するようにIGBT231,241と、これらにそれぞれ逆並列接続されたダイオード232,242とからなっている。
上記コンバータ20の昇降圧動作の原理を以下に説明し、昇圧時におけるリアクトル21の電流波形を図7に示す。
A.昇圧動作
(1)IGBT231がオン(導通)すると、リアクトル21(インダクタンス値をLとする)に電流Iが流れ、LI/2のエネルギーが蓄積される。
(2)IGBT231がオフ(非導通)すると、スイッチング部24のダイオード242に電流が流れ、リアクトル21に蓄えられたエネルギーがコンデンサ22に送られる。
B.降圧動作
(1)IGBT241がオンすると、リアクトル21に電流Iが流れ、LI/2のエネルギーが蓄積される。
(2)IGBT241がオフすると、スイッチング部23のダイオード232に電流が流れ、リアクトル21に蓄えられたエネルギーが電源10へ回生される。
IGBT231,241のオンデューティ(IGBT231,241のスイッチング周期に対する導通期間の割合)を変更すれば、昇降圧の電圧を調整することが可能であり、このオンデューティの概略の値は、下記の数式1によって求めることができる。
[数式1]
オンデューティ〔%〕=V/V
:電源電圧
:昇圧後の電圧
しかしながら、実際には負荷の変動や電源電圧の変動などがあるため、昇降圧後の電圧Vを監視し、これが目標値となるようにIGBT231,241のオンデューティを制御している。
図8は、昇降圧コンバータ用のIPM(Intelligent Power Module)のブロック図であり、大別すると上アームスイッチングユニット240、下アームスイッチングユニット230、及び制御回路250から構成されている。
上アームスイッチングユニット240は、前述したIGBT241及びダイオード242と、抵抗2401,2402と、IGBT保護回路2403と、ゲート駆動回路2404とからなり、また、下アームスイッチングユニット230は、前述したIGBT231及びダイオード232と、抵抗2301,2302と、IGBT保護回路2303と、ゲート駆動回路2304と、V検出回路2305とからなっている。ここで、V検出回路2305は、三角波生成器2306、分圧回路2307、レベル調整回路2308及び比較器2309から構成されている。
更に、制御回路250は、後述するフォトカプラ253から出力されるPWM信号が入力されるローパスフィルタ254と、ローパスフィルタ254の出力信号と昇降圧指令値とが比較されるV比較器255と、その出力に応じてゲート信号を発生するゲート信号発生器256とからなっている。
上アームスイッチングユニット240、下アームスイッチングユニット230、及び制御回路250は互いに電気的に絶縁する必要があるので、フォトカプラ(またはパルストランス等)251〜253を用いて信号を授受するように構成されている。
ここで、フォトカプラは、パルストランスと比較して小型、安価であるため、最近では車両機器にも用いられつつある。
図9は、例えば前述のフォトカプラ251,252の後段に設けられるIGBT駆動用IC(図8におけるIGBT保護回路2303及びゲート駆動回路2304、または、IGBT保護回路2403及びゲート駆動回路2404)の構成を示すものであり、261は温度信号比較器、262は電流信号比較器、263は論理回路、264,265はMOSFET、266は二値化回路、267は論理回路、268はIGBTの駆動回路である。
上記IGBT駆動用ICは、以下のような代表的な機能を備えている。
・入力端子(フォトカプラから出力されるPWM信号の入力端子)への電流吐き出し、吸い込み機能(IGBT駆動用ICの耐ノイズ性の向上機能)
・フォトカプラ251,252から出力されるPWM信号の二値化機能
・IGBTのゲートドライブ機能
・IGBTの過電流、過温保護機能
上記機能の中で、入力端子への電流吐き出し、入力端子からの電流吸い込み機能は耐ノイズ性の向上を目的としており、図10に示す如く、入力信号の電圧レベルが閾値VINLを下回らない間は、電流IINHが吐出電流として入力端子から外部に吐き出され、前段回路(フォトカプラ)としてより多くの電流を引き込まないと閾値VINLに到達しないようにしている。一方、入力信号の電圧レベルが閾値VINLを下回ると、電流IINHの吐き出しを止め、入力信号の電圧レベルが閾値VINHを超えるまでは、電流IINLが吸込電流として入力端子から内部に引き込まれ、前段回路(フォトカプラ)としてより多くの電流を吐き出さないと閾値VINHに到達しないようにしている。
図11は、フォトカプラの発光ダイオードを流れる電流IをパラメータとしたVce(同コレクタ−エミッタ間電圧)−I(フォトトランジスタのコレクタ電流)特性を示す図であり、前述したIGBT駆動用ICの耐ノイズ性の向上を実現するべくコレクタ電流を増加させるには、電流Iを増加させることが必要となる。
一方、図12は、フォトカプラの電流変換効率の寿命劣化特性を示すものであり、電流Iが増加するほど、電流変換効率(CTR:I/I)は短時間で低下する傾向がある。
なお、他の従来技術として、光通信システムに用いられる発光ダイオード駆動回路において、大振幅の電圧信号を印加することなく発光ダイオードを高速に発光/消光させるようにした発明が下記の特許文献1に記載されている。
この従来技術では、発光ダイオードの駆動電流波形の振幅を通流当初は大きくし、その後に小さくする階段状の波形とすることにより、発光ダイオードの光出力波形が高速でオーバーシュートのない立ち上がり特性を有するようにしたものである。
特開平10−93143号公報(段落[0014]〜[0017],[0037]〜[0045]、図5、図6等)
前述したように、IGBT駆動用ICの耐ノイズ性を向上させるためにフォトカプラのコレクタ電流(引き込み電流)ひいては発光ダイオードの電流Iを定常的に増加させると、電流変換効率が短時間のうちに低下し、これによってIGBTを駆動するためのPWM信号が正確に伝送されないおそれがある。
特許文献1に記載された従来技術は、発光ダイオードの駆動電流波形を段階的に変化させるものであるが、発光ダイオードの駆動回路として複数の微分回路が必要であるため回路構成が複雑になると共に、フォトカプラの電流変換効率や伝送精度の向上を図るための手段については何ら言及されていない。
そこで本発明の解決課題は、フォトカプラの発光ダイオードを流れる電流の定常的な増加に伴う電流変換効率の低下を抑制して信号の安定した伝送を可能にし、しかも構成簡単な絶縁形信号伝送回路を提供することにある。
上記課題を解決するため、請求項1に記載した発明は、フォトカプラにより信号を絶縁して伝送する絶縁形信号伝送回路において、
フォトカプラの発光ダイオードに直列に接続された負帰還形の定電流回路とスイッチング素子とを備え、
前記定電流回路は、
前記スイッチング素子のオフ時に飽和状態となり、かつ、前記スイッチング素子のオン時に定電流を通流させる定電流制御素子を有し、
伝送するべき信号により前記スイッチング素子がオンした際に、前記定電流制御素子を介して前記発光ダイオードに過渡電流を通流させ、その後に、前記過渡電流よりも振幅の小さいほぼ一定の定常電流を前記定電流制御素子を介して前記発光ダイオードに通流させるものである。
請求項2に記載した発明は、請求項1において、
前記定電流回路は定電圧素子を備え、前記定電流制御素子は、前記スイッチング素子のオフ時に前記定電圧素子により順バイアスされて飽和状態となるトランジスタであることを特徴とする。
請求項3に記載した発明は、請求項1において、
前記定電流回路はオペアンプを備え、前記定電流制御素子は、前記スイッチング素子のオフ時に前記オペアンプにより順バイアスされて飽和状態となるトランジスタであることを特徴とする。
請求項4に記載した発明は、請求項2において、
前記定電圧素子が、ツェナーダイオードまたはシャントレギュレータであることを特徴とする。
請求項5に記載した発明は、請求項1〜4の何れか1項において、
前記スイッチング素子がFETまたはトランジスタであることを特徴とする。
本発明によれば、フォトカプラの発光ダイオードに直列接続されたスイッチング素子のオフ時に、負帰還形の定電流回路内のトランジスタ等の定電流制御素子を飽和状態に保っておき、伝送するべきPWM信号等によりスイッチング素子をオンした際に、その後の定常状態よりも振幅の大きい過渡電流を流すことにより、IGBT駆動用ICの耐ノイズ性を向上させる目的で発光ダイオードの電流を定常的に大きくする必要をなくし、これによってフォトカプラの電流変換効率の経時的な低下や信号の伝送ミスを防止することができる。
また、負帰還形の定電流回路はトランジスタやツェナーダイオード、抵抗等によって容易に実現可能であり、回路構成も簡単で安価にて提供できるという効果がある。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態部を示す回路図である。この信号伝送回路はPWM信号をフォトカプラにより絶縁して、IPMの上下アームのIGBTのゲートに伝送するためのものであり、負帰還形の定電流回路1、フォトカプラ2、パルス発生器3、スイッチング素子Q、及び抵抗R,R,Rから構成されている。
定電流回路1は、電源(+Vcc)に接続された抵抗R及び定電流制御素子としてのpnp形トランジスタTrの直列回路と、前記電源(+Vcc)とトランジスタTrのベースとの間に接続された定電圧素子としてのツェナーダイオードZDと、前記ベースとグラウンドとの間に接続された抵抗Rとからなっている。
また、前記トランジスタTrのコレクタとグラウンドとの間には、フォトカプラ2の発光ダイオードD、抵抗R、及び、nチャンネルMOSFET等のスイッチング素子Qが直列に接続されている。
スイッチング素子Qのゲートには、抵抗Rを介してパルス発生器3からのPWM信号が入力されている。更に、フォトカプラ2内のフォトトランジスタTrのコレクタは、負荷抵抗Rを介して電源(+Vcc)に接続されている。
なお、以下では、抵抗R,R,R,R,Rの抵抗値を、各々の記号と同様にR,R,R,R,R〔Ω〕として説明する。
上記構成では、トランジスタTrを定電流制御素子として動作させるため、そのベース電位をツェナーダイオードZDによりVcc−V(Vはツェナー電圧)なる値に固定すると、トランジスタTrのエミッタ電位は、Vcc−V+Vbe(Vbeはベース−エミッタ間電圧)となる。
いま、定常動作時(発光ダイオードDを流れる電流Iが定常状態)には、トランジスタTrに直列接続された抵抗Rの電圧降下がV−Vbeとなるように、つまり、トランジスタTrのエミッタ電位がVcc−V+Vbeとなるように負帰還動作することにより、電流Iは下記の数式2によって表される。
[数式2]
=(V−Vbe )/R
このとき、スイッチング素子Qは単にオン・オフのスイッチング動作を行い、入力信号であるパルス発生器3からのPWM信号に応じて電流Iを断続的に流す役割を果たしている。
上記の説明は、電流Iが定常的に流れている場合のものであるが、スイッチング素子Qがオフ状態からオンになる過渡時には、以下に述べるような動作となる。
まず、スイッチング素子Qがオフの状態、すなわち電流Iが零の時には、トランジスタTrのエミッタ電位はVcc、ベース電位はVcc−Vである。このため、トランジスタTrのベース−エミッタ間の接合には順バイアスが印加されており、トランジスタTrはいわゆる飽和状態(Vce≒0.3〔V〕)となっている。
この状態でスイッチング素子Qがオンすると、トランジスタTrは電流制御動作を行わないため、発光ダイオードDには、おおむねVcc/(R+R)の大きさの電流Iが流れる。なお、過渡状態における電流Iの正確な値は、数式3のようになる。
[数式3]
=(Vcc1−Vce−V)/(R+R+Ron
ce:トランジスタTrのエミッタ−コレクタ間飽和電圧(≒0.3〔V〕)
on:スイッチング素子Qのオン抵抗
:発光ダイオードDの順方向電圧
上記の電流I(過渡電流)の振幅は定常時の電流よりも大きな値となるが、前述したようにトランジスタTrのベース電位が固定されているため、電流Iは当初の大きさを維持することができず、直ちに減少して定電流値となる。
図1の回路における電流Iの過渡状態の観測波形を図2に示す。図2の左右各図における上段の波形はパルス発生器3から出力されるPWM信号波形、下段の波形は電流Iの波形である。図2から明らかなように、スイッチング素子Qがオンしてから約1.6〔μs〕の期間は過渡電流として約20〔mA〕が流れ、その後、これより小さい約14.8〔mA〕の定電流がPWM信号に同期して流れている。
上記の過渡電流の振幅は、図1における抵抗Rの値により調整することが可能である。図3は、抵抗Rの値を小さくして過渡電流値を増加させた例であり、この例では、過渡電流を瞬間的に約46〔mA〕まで流している。
上述したように、本実施形態によれば、ツェナーダイオードZDやトランジスタTr等からなる負帰還形の定電流回路1及びスイッチング素子Q等を用いてフォトトカプラ2の発光ダイオードDを駆動するようにし、スイッチング素子Qがオフの状態ではトランジスタTrのベース−エミッタ間を順バイアスしてトランジスタTrを常に飽和状態に保っておくことにより、スイッチング素子Qをオンして発光ダイオードDに電流が流れ始める瞬間には前述の数式3による過渡電流Iを流し、その後、この電流Iを負帰還動作により定電流にすることができる。
従って、IGBT駆動用ICの耐ノイズ性を向上させるために電流Iを定常的に大きくする必要がなく、フォトカプラの電流変換効率の経時的な低下やPWM信号の伝送ミスを防止することができる。
なお、この実施形態では定電流回路1内の定電圧素子としてツェナーダイオードZDを用いているが、シャントレギュレータを用いても良い。また、トランジスタTrの代わりにFETを用いても良い。
次に、図4は本発明の第2実施形態を示す主要部の構成図である。
この実施形態では、発光ダイオードDのアノード側にpチャンネルMOSFET等のスイッチング素子Qが接続され、カソード側にnpn形トランジスタTr’、演算増幅器OP、抵抗R,Rからなる負帰還形の定電流回路1Aが接続されている点が第1実施形態と相違しており、他の構成は同様である。
その動作として、定電流回路1Aは、発光ダイオードDを流れる電流Iの定常時には抵抗Rの一端の電位vが基準電位vに一致するようにトランジスタTr’をオン・オフして定電流制御を行う。
また、スイッチング素子Qがオフ状態からオンになる過渡時において、スイッチング素子Qがオフの時には電流Iが流れないため、トランジスタTr’のベース−エミッタ間には演算増幅器OPにより順方向のバイアス電圧が印加され、トランジスタTr’は飽和状態となっている。この状態でスイッチング素子Qがオンすると、前記同様の原理によっておおむねVcc/(R+R)の大きさの過渡電流Iが流れる。この電流は定常時よりも大きい値であり、抵抗R及び演算増幅器OPによる負帰還動作によってトランジスタTr’を流れる電流が減少し、その後、定常値で安定するものである。
この実施形態においても、スイッチング素子Qをオンして発光ダイオードDに電流が流れ始める瞬間には比較的大きな過渡電流Iを流し、その後にこの電流Iを負帰還動作によってほぼ一定値にすることができ、電流Iを定常的に大きくすることを不要にしてフォトカプラ2の電流変換効率の経時的な低下やPWM信号の伝送ミスを防止することが可能である。
なお、上記各実施形態では、フォトカプラ2を用いてPWM信号を伝送する場合につき説明したが、本発明は変調されていないパルス信号やPFM(パルス周波数変調)信号の伝送にも適用可能である。
本発明の第1実施形態を示す回路図である。 第1実施形態におけるPWM信号及び電流Iの波形図である。 第1実施形態におけるPWM信号及び電流Iの波形図である。 本発明の第2実施形態を示す回路図である。 車両駆動システムのブロック図である。 図5における昇降圧コンバータの構成図である。 図6において昇圧動作時にリアクトルに流れる電流波形を示す図である。 昇降圧コンバータ用のIPMのブロック図である。 フォトカプラの後段に設けられるIGBT駆動用ICの構成図である。 IGBT駆動用ICの入力電圧及び入力端子電流の波形図である。 フォトカプラの電流IをパラメータとしたVce−I特性(入出力特性)を示す図である。 フォトカプラの電流変換効率の寿命劣化特性を示す図である。
符号の説明
1,1A:定電流回路
2:フォトカプラ
3:パルス発生器
Tr,Tr’:トランジスタ
Tr:フォトトランジスタ
:発光ダイオード(LED)
Q:スイッチング素子
ZD:ツェナーダイオード
,R,R,R,R,R:抵抗

Claims (5)

  1. フォトカプラにより信号を絶縁して伝送する絶縁形信号伝送回路において、
    フォトカプラの発光ダイオードに直列に接続された負帰還形の定電流回路とスイッチング素子とを備え、
    前記定電流回路は、
    前記スイッチング素子のオフ時に飽和状態となり、かつ、前記スイッチング素子のオン時に定電流を通流させる定電流制御素子を有し、
    伝送するべき信号により前記スイッチング素子がオンした際に、前記定電流制御素子を介して前記発光ダイオードに過渡電流を通流させ、その後に、前記過渡電流よりも振幅の小さいほぼ一定の定常電流を前記定電流制御素子を介して前記発光ダイオードに通流させることを特徴とする絶縁形信号伝送回路。
  2. 請求項1に記載した絶縁形信号伝送回路において、
    前記定電流回路は定電圧素子を備え、
    前記定電流制御素子は、前記スイッチング素子のオフ時に前記定電圧素子により順バイアスされて飽和状態となるトランジスタであることを特徴とする絶縁形信号伝送回路。
  3. 請求項1に記載した絶縁形信号伝送回路において、
    前記定電流回路はオペアンプを備え、
    前記定電流制御素子は、前記スイッチング素子のオフ時に前記オペアンプにより順バイアスされて飽和状態となるトランジスタであることを特徴とする絶縁形信号伝送回路。
  4. 請求項2に記載した絶縁形信号伝送回路において、
    前記定電圧素子が、ツェナーダイオードまたはシャントレギュレータであることを特徴とする絶縁形信号伝送回路。
  5. 請求項1〜4の何れか1項に記載した絶縁形信号伝送回路において、
    前記スイッチング素子がFETまたはトランジスタであることを特徴とする絶縁形信号伝送回路。
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