JP2013208017A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トランスが全廃できノイズ伝播の虞がない電力変換装置を小型且つ低コストで提供する。
【解決手段】絶縁ゲート型のスイッチング素子１３〜１８と、該スイッチング素子１３〜１８を駆動制御するゲート駆動回路９〜１２と、該ゲート駆動回路９〜１２に電力を供給する電源２４とを備えた電力変換装置において、前記電源２４は、光を発する発光体２と、前記発光体２の光を入射させて伝導する導光体３，３１と、前記導光体３，３１が伝導した光を受光して電力を発生する受光体４と、前記受光体４にて発生した電力を蓄える蓄電体５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁ゲート型のスイッチング素子を有する電力変換装置に関する。

三相の各相毎にスイッチング素子を直列接続し、その接続点から三相交流を出力する電力変換装置において、各スイッチング素子のゲート駆動回路の各電源は、その相互及びグランドから絶縁される必要がある。そのため、電力変換装置における絶縁ゲート型のスイッチング素子を駆動するゲート駆動回路用の絶縁電源は、各絶縁電源回路毎に卷回された二次巻線を備えるトランスを有するように構成されることが一般的である。

これに対し、特許文献１に開示されたインバータ装置は、絶縁ゲート型のスイッチング素子と、インバータ信号処理回路と、インバータ信号処理回路からの駆動信号により前記スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路と、前記インバータ信号処理回路用の制御電源回路と、前記ゲート駆動回路用の絶縁電源回路と、前記制御電源回路が通電されることにより光を放射する発光素子および該発光素子から放射された光により起電力を発生する受光素子とからなる光結合電源と、発生した起電力を蓄えるコンデンサとを有する。

すなわち、特許文献１のインバータ装置においては、各絶縁電源回路への給電が、トランスで絶縁された制御電源回路から各絶縁電源回路毎に設けた光結合電源を介して分配されるように行われる。

特開平２−２８５９６８号公報

しかしながら、特許文献１のインバータ装置にあっては、トランスを用いているため、その大きな設置容積とコストが嵩むとともに、ノイズの伝播を惹起する虞がある。また、光結合電源を各絶縁電源回路毎に設ける必要があり、その設置面積とコストが嵩む。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、トランスが全廃できるとともに、ノイズ伝播の虞がない電力変換装置を小型且つ低コストで提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、絶縁ゲート型のスイッチング素子（１３〜１８）と、該スイッチング素子（１３〜１８）を駆動制御するゲート駆動回路（９〜１２）と、該ゲート駆動回路（９〜１２）に電力を供給する電源（２４）とを備えた電力変換装置において、前記電源（２４）は、光を発する発光体（２）と、前記発光体（２）の光を入射させて伝導する導光体（３，３１）と、前記導光体（３，３１）が伝導した光を受光して電力を発生する受光体（４）と、前記受光体（４）にて発生した電力を蓄える蓄電体（５）とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、スイッチング素子（１３〜１８）、ゲート駆動回路（９〜１２）、蓄電体（５）及び受光体（４）を備えた高圧側と、発光体（２）を備えた低圧側とが、導光体（３，３１）によって光結合されるため、高圧側と低圧側とが電気的に完全分離されるとともに、高圧側と低圧側とが離隔可能となることからノイズの影響を避けることができるという優れた効果を奏する。

本発明の電力変換装置の構成を示す回路構成図である。 本発明の電力変換装置における絶縁電源の第１変形態様を示す回路構成図である。 本発明の電力変換装置における絶縁電源の第２変形態様を示す回路構成図である。 発光体がＬＥＤであるときの光出力パターンを示す模式図である。 発光体がレーザであるときの光出力パターンを示す模式図である。 導光管が光ファイバーケーブルであるときの入光部の受入れコーンと開口数を示す模式図である。

以下、本発明を具体化した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

本実施形態の電力変換装置は、バッテリの出力する直流電力を三相交流電力に変換して三相交流モータである負荷１９に供給する装置であって、図１に示すように、絶縁ゲート型のスイッチング素子１３〜１８と、スイッチング素子１３〜１８を駆動制御するゲート駆動回路９〜１２と、ゲート駆動回路９〜１２に電力を供給する絶縁電源２４とを備えて構成される。直列接続されてなるスイッチング素子１３，１６は三相のうちＵ相を、同じく直列接続されてなるスイッチング素子１４，１７はＶ相を、さらに同じく直列接続されてなるスイッチング素子１５，１８はＷ相を、それぞれ生成する。

直列接続されたスイッチング素子１３，１６、直列接続されたスイッチング素子１４，１７及び直列接続されたスイッチング素子１５，１８のそれぞれの接続点から三相交流が出力され、負荷１９に接続される。

スイッチング素子１３〜１５のゲートは、ゲート駆動回路９〜１１にそれぞれ接続されている。スイッチング素子１６〜１８のゲートは、ゲート駆動回路１２に接続されている。スイッチング素子１６〜１８の各エミッタは同電位で共通に接続され、ゲートの駆動回路も基準電位が共通となるので、スイッチング素子１６〜１８のゲートは共通の一のゲート駆動回路１２に接続できるのである。

ゲート駆動回路９〜１２は、その相互間から絶縁された複数の絶縁電源２４にそれぞれ接続されている。

絶縁電源２４は、バッテリ１に接続されて光を発する発光体２と、発光体２の発する光を一端側から入射させその長さ方向に沿って他端側へ伝導する導光体３と、導光体３が伝導した光を受光して電力を発生する受光体４と、受光体４にて発生した電力を蓄える蓄電体５とを備える。

発光体２は、ＬＥＤ、ハロゲン、レーザなどの素子が好ましく採用できるが、白熱電球などの他の光源であってもよい。

導光体３は、光ファイバーケーブルなどの素管を多数集合させて束に成した導光管であることが好ましい。光ファイバーケーブルは、ガラス及びプラスチックのいずれのものであってもよい。また、光ファイバーケーブルではなく、レンズ、鏡、プリズム等を組み合わせて導光させるように構成したものであってもよい。

発光体２と導光体３との接続は、発光体２の光の出力パターン及び導光体３の光を集める能力である開口数に基づいて、それぞれの最大能力が有効に発揮可能な覆いと距離を設定することにより実施される。図４は、発光体２がＬＥＤ２０であるときの光の出力パターンを示す。図５は、発光体２がレーザ２１であるときの光の出力パターンを示す。また、図６は、導光体３が光ファイバーケーブル２２であるときの受入れコーン２３と開口数を説明するものである。

受光体４は、半導体からなる受光素子や太陽電池であることが好ましい。受光体４は、ゲート駆動回路９〜１２のそれぞれが要求する電圧に応じて所定数のものを直列に接続して、ゲート駆動回路９〜１２のそれぞれに接続される。

受光体４と導光体３との接続は、絶縁電源２４としてゲート駆動回路９〜１２にそれぞれ接続された複数の各受光体４に、導光体３の一又は複数の素管がその端面を受光体４の受光面に対向させて垂直となるように設けられることで実施される。

蓄電体５は、コンデンサや蓄電池からなるが、コンデンサが好ましく採用される。コンデンサの静電容量は、絶縁電源２４の負荷としてのゲート駆動回路９〜１２の消費電力に応じてその数値が設定される。そして、要求される静電容量の数値に応じて、コンデンサ５の種類が選定される。

次に、図１に基づいて、本実施形態における電力変換装置の作動を説明する。

発光体２はバッテリ１からの電流によって光を発する。その光は導光体３を伝導して受光体４に入射する。受光体４は、受光した光により電力を発生して蓄電体５とゲート駆動回路９〜１２へ電力を供給する。その電力を電源として、各ゲート駆動回路９〜１２は、スイッチング素子１３〜１８それぞれのゲートへゲート駆動信号を出力する。各ゲート駆動回路９〜１２は、直列接続されたスイッチング素子１３，１６、直列接続されたスイッチング素子１４，１７及び直列接続されたスイッチング素子１５，１８の各対毎にタイミングの異なるゲート駆動信号を出力するので、各スイッチング素子の３カ所の直列接続点から三相交流が出力される。その三相交流によって負荷１９としての回転電機が回転駆動される。

絶縁電源２４の第１変形態様を図２に示す。導光管３１は、光ファイバーケーブルなどの素管を多数集合させて束に成したものである。導光管３１の入光側は二つの束に分けられており、一方の束は発光体２に、外光入射部２５としての他方の束は増設された発光部７にそれぞれ接続されている。発光部７の例としては、太陽光、ヘッドランプ、前照灯、車幅灯などがある。この構成により、発光部７の光エネルギーを有効利用することができ省エネルギー効果を奏する。

また、第１変形態様においては、蓄電体５を静電容量が大きく内部インピーダンスの小さいもの（例えばスーパーキャパシタ）とすることが好ましい。これにより、外光入射部２５の受光量が変動しても蓄電体５の蓄電量が多いので安定した給電が可能になるとともに、常に絶縁電源が充電されていることから起動状態が速くなるという効果を奏する。

さらに、第１変形態様においては、トランジスタなどからなる制御手段６を、バッテリ１で発光体２に通電する回路へ挿入して、発光体２の発光量を制御するように構成している。この構成により、発光部７の発光量が変化したとき、その変化分を発光体２の発光量の増減で補うように制御手段６で発光体２の電流を制御することが可能となる。このため、絶縁電源の電圧を安定化させることができる。

絶縁電源２４の第２変形態様を図３に示す。フィルタ手段８は、プリズムや光学フィルタなどからなり、波長の長い光（赤外線など）を除外するものである。フィルタ手段８は、発光部７と外光入射部２５との間に介在させるが、発光体２と導光体３の入光部との間に介在させてもよい。フィルタ手段８がプリズムであるときは、図３に示すように、屈折率が大きく波長の短い光は外光入射部２５に入射し、屈折率が小さく波長の長い光は外光入射部２５に入射しないようにプリズムを配設する。フィルタ手段８が光学フィルタであるときは、波長の短い光を透過し、波長の長い光を遮断する材質のものとする。これにより、発光体２又は発光部７が発する熱線が除去され、受光体４側における発熱を防止することができる。なお、フィルタ手段８は、波長の長い光を除外するのではなく、任意の所定領域の波長の光を除外するものであってもよい。

以上詳述したことから明らかなように、本実施形態の電力変換装置は、スイッチング素子１３〜１８、ゲート駆動回路９〜１２、負荷１９、コンデンサ５及び受光体４を備えた高圧側と、バッテリ１及び発光体２を備えた低圧側とが、導光管３によって光結合される構成であるため、高圧側と低圧側とが電気的に完全分離されるとともに、高圧側と低圧側とが離隔可能となることからノイズの影響を避けることができるという優れた効果を奏する。

なお、本発明は、当業者の知識に基づいて様々な変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものを含む。また、前記変更等を加えた実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りいずれも本発明の範囲内に含まれるものであることは言うまでもない。

２ 発光体
３，３１ 導光体
４ 受光体
５ 蓄電体
６ 制御手段
７ 発光部
８ フィルタ手段
９〜１２ ゲート駆動回路
１３〜１８ スイッチング素子
２４ 電源
２５ 外光入射部

Claims (9)

1. 絶縁ゲート型のスイッチング素子（１３〜１８）と、該スイッチング素子（１３〜１８）を駆動制御するゲート駆動回路（９〜１２）と、該ゲート駆動回路（９〜１２）に電力を供給する電源（２４）とを備えた電力変換装置において、
   前記電源（２４）は、
   光を発する発光体（２）と、
   前記発光体（２）の光を入射させて伝導する導光体（３，３１）と、
   前記導光体（３，３１）が伝導した光を受光して電力を発生する受光体（４）と、
   前記受光体（４）にて発生した電力を蓄える蓄電体（５）と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記導光体（３，３１）は、管状をなし一端側から導入した光を長さ方向に沿って他端側へ伝導する導光管（３，３１）からなることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記導光管（３，３１）は、多数の素管が集合してなり、その素管の他端側が複数の前記受光体（４）に分散して配設されることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記導光体（３１）は、前記発光体（２）から発せられる光以外の外光を入射させる外光入射部（２５）を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記外光入射部（２５）は、太陽光又は車両灯具からの光を入射可能に配設されたことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記外光入射部（２５）における外光の入射量に応じて、前記発光体（２）の発光量を制御する制御手段（６）を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記導光体（３，３１）に入射される光のうち、所定領域の波長の光を除外するフィルタ手段（８）を備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記蓄電体（５）は、コンデンサであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記蓄電体（５）は、スーパーキャパシタであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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