JP2014073055A - 電子回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】絶縁電源を電力供給源としてかつスイッチング素子S¥#(¥=u,v,w:#=p,n)を駆動するドライブIC26を備える電子回路において、回路規模を低減させることのできる電子回路を提供する。
【解決手段】ドライブIC26内には、高電圧領域に設けられてかつ、絶縁電源を電力供給源としてスイッチング素子S¥#を駆動する高電圧側制御部38と、絶縁電源の出力電圧Vfbに関する信号を高電圧領域から低電圧領域へと伝達する第3のフォトカプラ62とが備えられている。ドライブIC26には、さらに、低電圧領域に設けられてかつ、第3のフォトカプラ62によって伝達された信号に基づき、上記出力電圧Vfbをその目標値にフィードバック制御するための低電圧側制御部64が備えられている。
【選択図】 図2

Description

本発明は、スイッチング素子の操作によって第1の領域に備えられた電源の電力を該第1の領域と電気的に絶縁された第2の領域へと出力する絶縁電源を電力供給源とする単一の集積回路を備える電子回路に関する。
従来、例えば下記特許文献1に見られるように、第1の領域に備えられる電源の電力を第1の領域と電気的に絶縁された第2の領域へとトランスを介して出力する絶縁電源が知られている。詳しくは、この絶縁電源は、トランスと、絶縁電源の出力値(出力電流)を目標値にフィードバック制御するための専用の制御回路とを備えている。
特開2011−244619号公報
ところで、本発明者らは、所定の駆動対象を駆動する集積回路の電力供給源として、絶縁電源を採用することを考えている。ここで、絶縁電源の出力値の制御には、上述した専用の制御回路が必要となる。このため、上記集積回路及び絶縁電源を備える構成においては、上記集積回路に加えて上記専用の制御回路を備えることとなり、集積回路及び絶縁電源を備える構成に含まれる回路規模の増大が懸念される。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、絶縁電源を電力供給源としてかつ所定の駆動対象を駆動する集積回路を備える電子回路において、電子回路の規模を低減させることのできる新たな電子回路を提供することにある。
上記課題を解決すべく、請求項1記載の発明は、スイッチング素子(20)の操作によって第1の領域に備えられた電源(16)の電力を該第1の領域と電気的に絶縁された第2の領域へと出力する絶縁電源(20,22,24,TW)を電力供給源とする単一の集積回路(26)を備え、前記集積回路は、該集積回路内における前記第2の領域に設けられてかつ、前記絶縁電源を電力供給源として所定の駆動対象(S¥#:¥=u,v,w:#=p,n)を駆動する駆動手段(38)と、前記集積回路内における前記第1の領域及び前記第2の領域の間を電気的に絶縁しつつ該第2の領域から該第1の領域へと信号を伝達する絶縁伝達手段(62)と、を備え、前記絶縁伝達手段は、前記絶縁電源の出力値に関する信号を伝達し、前記絶縁伝達手段を介して伝達された前記絶縁電源の出力値に関する信号に基づき、該出力値をその目標値にフィードバック制御すべく前記スイッチング素子を操作する操作手段(64)を備えることを特徴とする。
上記発明では、第1の領域及び第2の領域を有する単一の集積回路に、駆動手段に加えて、絶縁電源の出力値をフィードバック制御するための操作手段が備えられている。このため、例えば、操作手段が集積回路外に備えられる電子回路と比較して、電子回路の規模を低減させることができる。
第1の実施形態にかかる制御システムの構成図。 同実施形態にかかる絶縁電源及びドライブユニットの構成図。 同実施形態にかかる絶縁電源の出力電圧及びフィードバック信号の関係を示す図。 同実施形態にかかる制御装置の異常判断手法の一例を示す図。 同実施形態にかかる制御装置の異常判断手法の一例を示す図。 同実施形態にかかるドライブIC及びトランスの配置を示す平面図。 第2の実施形態にかかる絶縁電源及びドライブユニットの構成図。 同実施形態にかかる絶縁電源の出力電圧及びフィードバック信号の関係を示す図。 同実施形態にかかるフィードバック信号等の使用領域を示す図。
(第1の実施形態)
以下、本発明にかかる電子回路を回転機に接続される電力変換回路に適用した第1の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1に示すように、回転機(モータジェネレータ10)は、車載主機であり、図示しない駆動輪に連結されている。モータジェネレータ10は、インバータINVを介して高電圧バッテリ12に接続されている。高電圧バッテリ12は、端子電圧が例えば百V以上(288V)となる2次電池である。
インバータINVは、スイッチング素子Sup,Sunの直列接続体と、スイッチング素子Svp,Svnの直列接続体と、スイッチング素子Swp,Swnの直列接続体とを備えており、これら各直列接続体の接続点がモータジェネレータ10のU,V,W相にそれぞれ接続されている。本実施形態では、これらスイッチング素子S¥#(¥=u,v,w;#=p,n)として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)を用いている。
スイッチング素子S¥#には、フリーホイールダイオードFD¥#が逆並列に接続されている。また、スイッチング素子S¥#付近には、スイッチング素子S¥#の温度を検出する感温ダイオードTD¥#が設けられている。
制御装置14は、高電圧バッテリ12よりも端子電圧が十分低い低電圧バッテリ16を電力供給源とし、モータジェネレータ10を制御対象とする。制御装置14は、モータジェネレータ10の制御量(例えばトルク)を所望に制御すべく、インバータINVを操作する。詳しくは、インバータINVのスイッチング素子S¥#を操作すべく、例えば周知の三角波PWM処理によって生成された操作信号g¥#をドライブユニットDUに出力する。ここで、高電位側の操作信号g¥pと、対応する低電位側の操作信号g¥nとは、互いに相補的な信号となっている。換言すれば、高電位側のスイッチング素子S¥pと、対応する低電位側のスイッチング素子S¥nとは、交互にオン状態とされる。
各スイッチング素子S¥#に対応するドライブユニットDUには、絶縁電源を構成するトランスTWを介して低電圧バッテリ16から電力が供給される。本実施形態では、U,V,W相の上アームのドライブユニットDUのそれぞれに対応してトランスTWが備えられ、これらドライブユニットDUのそれぞれには、対応するトランスTWを介して低電圧バッテリ16から電力が供給される。一方、下アームについては、V相のみにトランスTWが備えられ、このトランスTWを介して低電圧バッテリ16からU,V,W相の下アームのドライブユニットDUのそれぞれに電力が供給される。こうした構成については、後に図6を用いて詳述する。
続いて、図2を用いて、絶縁電源及びドライブユニットDUの構成について説明する。
図示されるように、絶縁電源は、1次側コイル18a及び2次側コイル18bを有するトランスTWと、NチャネルMOSFET(以下、電圧制御用スイッチング素子20)と、ダイオード22と、コンデンサ24とを備えるフライバック式のスイッチング電源である。詳しくは、低電圧バッテリ16の両端同士は、1次側コイル18a及び電圧制御用スイッチング素子20を介して接続されている。一方、2次側コイル18bの両端同士は、ダイオード22及びコンデンサ24の直列接続体を介して接続されている。また、2次側コイル18b及びコンデンサ24の接続点は、接地され、ダイオード22及びコンデンサ24の接続点は、ドライブユニットDUが備えるドライブIC26の第1の高電圧側端子TH1に接続されている。なお、本実施形態では、コンデンサ24として電解コンデンサを用いている。
ドライブIC26は、1チップ化された単一の半導体集積回路である。ドライブIC26の第1の高電圧側端子TH1は、定電流電源28及びPチャネルMOSFET(以下、充電用スイッチング素子30)を介してドライブIC26の第2の高電圧側端子TH2に接続されている。第2の高電圧側端子TH2は、スイッチング素子S¥#のゲートに接続されている。また、スイッチング素子S¥#のゲートは、放電用抵抗体32を介してドライブIC26の第3の高電圧側端子TH3に接続され、第3の高電圧側端子TH3は、NチャネルMOSFET(以下、放電用スイッチング素子34)を介して接地されている。なお、スイッチング素子S¥#の出力端子(エミッタ)は、ドライブIC26の第4の高電圧側端子TH4を介して接地されている。
スイッチング素子S¥#は、その入力端子(コレクタ)及びエミッタ間に流れる電流(以下、コレクタ電流)と正の相関を有する微少電流を出力するセンス端子Stを備えている。センス端子Stは、センス抵抗36を介してエミッタに接続されている。これにより、センス端子Stから出力される微少電流によってセンス抵抗36に電圧降下が生じるため、センス抵抗36のうちセンス端子St側の電位(以下、センス電圧Vse)を、コレクタ電流と相関を有する電気的な状態量とすることができる。なお、センス電圧Vseは、ドライブIC26の第5の高電圧側端子TH5を介してドライブIC26内の高電圧側制御部38に入力される。ちなみに、本実施形態では、センス抵抗36の両端のうちセンス端子St側の電位がエミッタの電位よりも高い場合のセンス電圧Vseを正と定義する。
上記感温ダイオードTD¥#のアノードには、定電圧電源40の電力が定電流電源42及びドライブIC26の第6の高電圧側端子TH6を介して供給される。また、感温ダイオードTD¥#のカソードは、ドライブIC26の第7の高電圧側端子TH7を介して接地されている。こうした構成によれば、感温ダイオードTD¥#は、スイッチング素子S¥#の温度に応じた出力電圧を出力する。なお、感温ダイオードTD¥#の検出値(第6の高電圧側端子TH6の電圧)は、高電圧側制御部38に入力される。また、感温ダイオードTD¥#の検出値と、スイッチング素子S¥#の温度とは、負の相関を有する。
続いて、高電圧側制御部38によって実行される各種処理について説明する。なお、本実施形態にかかる高電圧側制御部38は、ハードウェアであるため、上記各種処理は、実際にはロジック回路によって実行される。
<1.スイッチング素子S¥#の駆動処理>
高電圧側制御部38は、上記操作信号g¥#に基づき、充電用スイッチング素子30と放電用スイッチング素子34とを交互にオンオフ操作することでスイッチング素子S¥#を駆動する。詳しくは、操作信号g¥#がオン操作指令となることで、放電用スイッチング素子34をオフ操作してかつ充電用スイッチング素子30をオン操作する。一方、操作信号g¥#がオフ操作指令となることで、充電用スイッチング素子30をオフ操作してかつ放電用スイッチング素子34をオン操作する。
<2.過電流保護処理>
高電圧側制御部38は、センス電圧Vseが規定電圧以上になったと判断された場合、スイッチング素子S¥#に過電流が流れていると判断して、操作信号g¥#の論理にかかわらず、スイッチング素子S¥#をオフ状態に切り替える過電流保護処理を行う。なお、スイッチング素子S¥#のオフ状態への切り替えは、ゲートに接続された放電経路の抵抗を高抵抗としてゲート電荷を放電させる周知のソフト遮断によって行われる。
<3.温度出力処理及びローカルシャットダウン処理>
高電圧側制御部38は、感温ダイオードTD¥#の検出値を制御装置14に対して出力する温度出力処理を行ったり、ローカルシャットダウン処理を行ったりする。詳しくは、温度出力処理は、感温ダイオードTD¥#の検出値を時比率信号(Duty信号)に変換して出力する処理である。ここで、Duty信号とは、論理「H」及び論理「L」の1周期に対する論理「H」の期間の比率又はその百分率を特性値とするパルス信号のことである。
一方、ローカルシャットダウン処理は、感温ダイオードTD¥#の検出値が規定値を下回る(スイッチング素子S¥#の温度が規定温度を上回る)と判断された場合、スイッチング素子S¥#が過熱状態であると判断してスイッチング素子S¥#の駆動を禁止する処理である。ローカルシャットダウン処理によれば、スイッチング素子S¥#を迅速にオフ状態に切り替えることができ、スイッチング素子S¥#の過熱によってスイッチング素子S¥#の信頼性が大きく低下する事態を回避できる。
ここで、制御装置14から出力された操作信号g¥#は、第1の低電圧側端子TL1及び第1のフォトカプラ46を介して高電圧側制御部38に入力される。こうした構成を採用するのは、本実施形態において、高電圧バッテリ12が備えられる高電圧領域(第2の領域に相当)と、制御装置14が備えられる低電圧領域(第1の領域に相当)とが電気的に絶縁されているからである。このため、本実施形態では、ドライブIC26も、低電圧領域と高電圧領域とを備えている。ドライブIC26において、これら2つの領域を絶縁しつつ、操作信号g¥#を低電圧領域から高電圧領域に伝達させるべく、絶縁伝達手段を構成する絶縁伝達素子としてのフォトカプラが用いられる。ここで、第1のフォトカプラ46について、その1次側であるフォトダイオードのアノードは、第1の低電圧側端子TL1に接続され、カソードは、抵抗体48を介して接地されている。また、第1のフォトカプラ46の2次側であるフォトトランジスタのコレクタは、所定の端子電圧(例えば5V)を有する定電圧電源50に接続され、エミッタは、抵抗体52を介して接地されている。こうした構成によれば、抵抗体52の電圧降下量を、操作信号g¥#に応じた論理信号として高電圧側制御部38に取り込むことができる。
ちなみに、高電圧領域の接地電位は、低電圧領域の接地電位とは相違する電位に設定されている。詳しくは、本実施形態では、高電圧領域に備えられる高電圧バッテリ12の正極電位と負極電位との中央値が低電圧領域の接地電位となるように設定されている。この設定は、高電圧バッテリ12の正極及び負極間に一対のコンデンサの直列接続体や一対の抵抗体の直列接続体を接続するとともに、上記コンデンサ同士又は抵抗体同士の接続点を低電圧バッテリ16の負極に接続することで実現することができる。
続いて、ドライブIC26において、高電圧領域から低電圧領域へと信号を伝達する構成について説明する。高電圧側制御部38は、温度出力処理によって生成されたDuty信号を第2のフォトカプラ54及び第2の低電圧側端子TL2を介して制御装置14に出力する。詳しくは、第2のフォトカプラ54のフォトダイオードのアノードは、高電圧側制御部38に接続され、カソードは、抵抗体56を介して接地されている。一方、第2のフォトカプラ54のフォトトランジスタのコレクタは、所定の端子電圧(例えば5V)を有する定電圧電源58に接続され、エミッタは、抵抗体60を介して接地されている。上記エミッタ及び抵抗体60の接続点は、第2の低電圧側端子TL2を介して制御装置14に接続されている。
なお、制御装置14は、第2のフォトカプラ54を介して伝達されたDuty信号(温度信号ST)に基づきスイッチング素子S¥#の温度を算出する。そして、算出された温度がローカルシャットダウン処理で用いられる上記規定温度よりも低い閾値温度を超えたと判断された場合、スイッチング素子S¥#を過熱から保護すべく、コレクタ電流を制限するような操作信号g¥#を生成する。
高電圧側制御部38は、過電流保護処理やローカルシャットダウン処理によってスイッチング素子S¥#に異常が生じていると判断された場合におけるその旨の信号や、第1の高電圧側端子TH1の電圧(絶縁電源の出力電圧Vfb)に関する信号(以下、フィードバック信号)を、第3のフォトカプラ62、低電圧側制御部64及び第3の低電圧側端子TL3を介して電圧制御用スイッチング素子20のゲート及び制御装置14に対して出力する信号出力処理を行う。
図3を用いて、信号出力処理による信号の出力態様について説明する。
図示されるように、本実施形態では、絶縁電源の出力電圧Vfbの下限電圧VL(例えば11V)及び上限電圧VH(例えば18V)にて規定される所定の電圧範囲を、信号出力処理によって高電圧側制御部38から出力されるDuty信号のDuty下限値「0%」及びDuty上限値「100%」にて規定される所定のDuty範囲と関係付けている。具体的には、下限電圧VLをDuty下限値「0%」と関係付けてかつ上限電圧VHをDuty上限値「100%」と関係付け、出力電圧Vfbが高くなるほどDuty信号のDutyが高くなるようにされている。なお、本実施形態において、下限電圧VLは、ドライブIC26の最低動作電圧に基づき設定され、上限電圧VHは、ドライブIC26の信頼性を維持可能な出力電圧Vfbの上限値に基づき設定されている。また、本実施形態において、出力電圧Vfbの目標値は、下限電圧VLよりも高くてかつ上限電圧VH未満の値(例えば17V)に設定されている。
一方、過電流保護処理やローカルシャットダウン処理によってスイッチング素子S¥#に異常が生じていると判断された場合、信号出力処理によって高電圧側制御部38から出力されるDuty信号のDutyは、「100%」に設定されている。
以上説明したDuty信号は、以下に説明する構成によって伝達される。詳しくは、先の図2に示すように、第3のフォトカプラ62のフォトダイオードのアノードは、高電圧側制御部38に接続され、カソードは、抵抗体66を介して接地されている。一方、第3のフォトカプラ62のフォトトランジスタのコレクタは、上記定電圧電源58に接続され、エミッタは、抵抗体68を介して接地されている。なお、本実施形態において、第3のフォトカプラ62に加えて、第1のフォトカプラ46及び第2のフォトカプラ54として、パルス信号を伝達可能なフォトカプラ(デジタルフォトカプラ)を用いている。
第3のフォトカプラ62のフォトトランジスタのエミッタ及び抵抗体68の接続点は、低電圧側制御部64を構成する信号変換部70に接続されている。信号変換部70は、第3のフォトカプラ62を介して伝達されたDuty信号のDutyに応じたアナログ電圧信号Voを出力する。本実施形態において、信号変換部70は、Duty信号のDutyが高いほど、アナログ電圧信号Voの値を大きくする。
信号変換部70の出力信号は、反転増幅回路72に入力され、反転増幅回路72の出力信号は、PWMコンパレータ74の非反転入力端子に入力される。PWMコンパレータ74の反転入力端子には、キャリア信号(例えば三角波信号)を出力するキャリア生成回路76が接続されている。そして、PWMコンパレータ74の出力端子は、第3の低電圧側端子TL3を介して電圧制御用スイッチング素子20のゲート及び制御装置14に接続されている。すなわち、信号変換部70、反転増幅回路72、PWMコンパレータ74及びキャリア生成回路76は、出力電圧Vfb及びその目標値の差に応じた信号とキャリア信号と大小比較に基づき、電圧制御用スイッチング素子20の操作信号(PWM信号)を生成する操作信号生成手段を構成する。ちなみに、出力電圧Vfbの目標値は、例えば、反転増幅回路72を構成する抵抗体の抵抗値や、反転増幅回路72を構成するオペアンプの非反転入力端子の印加電圧の設定によって定まる。
こうした構成によれば、過電流保護処理やローカルシャットダウン処理が実行されない場合において、反転増幅回路72の出力信号とキャリア信号との大小比較に基づき生成されたPWM信号が電圧制御用スイッチング素子20のゲートに入力される。これにより、絶縁電源の出力電圧Vfbを目標値にフィードバック制御するように電圧制御用スイッチング素子20がオンオフ操作されることとなる。
一方、過電流保護処理やローカルシャットダウン処理が実行される場合において、制御装置14に対してスイッチング素子S¥#に異常が生じている旨通知することもできる。
すなわち、本実施形態において、制御装置14は、第3の低電圧側端子TL3の出力信号のDutyが「100%」であると判断された場合、スイッチング素子S¥#に過電流が流れている又はスイッチング素子S¥#が過熱状態である旨判断する。これは、上述したように、過電流保護処理やローカルシャットダウン処理が実行される場合、高電圧側制御部38から出力されるDuty信号のDutyが「100%」に設定されることに対応した構成である。詳しくは、高電圧側制御部38から出力されるDuty信号のDutyが「100%」に設定されると、PWMコンパレータ74の非反転入力端子の印加電圧が、常にPWMコンパレータ74の反転入力端子の印加電圧以上となり、第3の低電圧側端子TL3の出力信号のDutyが「100%」とされる。
ちなみに、第3の低電圧側端子TL3の出力信号のDutyが「100%」であると判断された場合、上記異常に加えて、絶縁電源の出力電圧Vfbが過度に高くなる異常が生じている旨判断してもよい。
また、制御装置14において、第3の低電圧側端子TL3の出力信号のDutyが「100%」であると判断された場合、電圧制御用スイッチング素子20が常時オンとされることで低電圧バッテリ16、1次側コイル18a及び電圧制御用スイッチング素子20を備える閉回路に電流が常時流通する事態を回避すべく、上記閉回路の形成を妨げる手段を備えることが望ましい。こうした手段としては、例えば、電圧制御用スイッチング素子20のゲートと第3の低電圧側端子TL3とを接続する電気経路に設けられてかつ、第3の低電圧側端子TL3の出力信号のDutyが「100%」であると判断された場合に電圧制御用スイッチング素子20のゲート及び第3の低電圧側端子TL3の間を遮断する遮断手段(例えばMOSFET等のスイッチング素子)が考えられる。こうした手段を備えることで、第3の低電圧側端子TL3の出力信号のDutyが「100%」であると判断された場合、絶縁電源からドライブIC26への電力供給が停止されることとなる。
ここで、本実施形態では、さらに、高電圧側制御部38において絶縁電源の出力電圧Vfbが下限電圧VLになったと判断された場合、信号出力処理によって高電圧側制御部38から出力されるDuty信号のDutyが「0%」とされる。そして、本実施形態において、制御装置14は、第3の低電圧側端子TL3の出力信号のDutyが「0%」であると判断された場合、出力電圧Vfbが過度に低下する異常が生じている旨判断する。
図4に、スイッチング素子S¥#に過電流が流れる場合の信号出力処理の一例を示す。詳しくは、図4(a)は、高電圧側制御部38から出力されるDuty信号の推移を示し、図4(b)は、制御装置14における第1の異常フラグF1の推移を示す。ここで、第1の異常フラグF1は、「H」によってスイッチング素子S¥#に過電流が流れる異常又はスイッチング素子S¥#の過熱異常が生じていることを示し、「L」によって上記異常が生じていないことを示す。
図示されるように、高電圧側制御部38においてスイッチング素子S¥#に異常が生じている旨判断されることで、時刻t1において、高電圧側制御部38から出力されるDuty信号のDutyが「100%」に設定される。このため、その後時刻t2において、制御装置14において第1の異常フラグF1の論理が「H」に切り替えられ、スイッチング素子S¥#に過電流が流れる異常又はスイッチング素子S¥#の過熱異常が生じている旨判断されることとなる。
続いて、図5に、絶縁電源の出力電圧Vfbが下限電圧VLとなる場合の信号出力処理の一例を示す。詳しくは、図5(a)は、先の図4(a)に対応しており、図5(b)は、制御装置14における第2の異常フラグF2の推移を示す。ここで、第2の異常フラグF2は、「H」によって出力電圧Vfbが過度に低下する異常が生じていることを示し、「L」によって上記異常が生じていないことを示す。
図示されるように、出力電圧Vfbが過度に低下していると判断されることで、時刻t1において、高電圧側制御部38から出力されるDuty信号のDutyが「0%」に設定される。このため、制御装置14において第2の異常フラグF2の論理が「H」に切り替えられ、出力電圧Vfbが過度に低下している旨判断されることとなる。
次に、図6を用いて、本実施形態にかかる半導体基板上の部品配置について説明する。ここで、図6は、インバータINVを構成するドライブIC26と、絶縁電源を構成するトランスTWとが実装される半導体基板SSの平面図である。
図示されるように、半導体基板SSには、1つの低電圧領域LAと、複数の高電圧領域HAu,HAv,HAw,HAnとが備えられている。ここで、複数の高電圧領域は、上アームにおけるU,V,W相のそれぞれに対応した領域HAu,HAv,HAwと、下アームにおける単一の領域HAnとからなる。なお、下アームについて高電圧領域がU,V,W相で共通であるのは、下アームを構成する低電位側のスイッチング素子S¥nのエミッタ同士が短絡され、U,V,W相で高電圧領域の接地電位が互いに同一とされるためである。
そして、高電圧領域HAu,HAv,HAw,HAnのそれぞれには、ドライブIC26が備えられている。また、上アームに対応する高電圧領域HAu,HAv,HAwのそれぞれには、ドライブIC26と並ぶように、絶縁電源を構成するトランスTWが備えられている。こうした構成によれば、電圧フィードバック制御を上アームのドライブユニットDUのそれぞれにおいて各別に行うことができ、出力電圧Vfbの調節精度を高めることができる。
また、上記構成によれば、トランスTWの2次側コイル18bとドライブIC26とを接続する高電圧領域における電気経路LHを短くすることができる。高電圧領域と低電圧領域との間には、絶縁領域IAを設ける必要があることから、上記電気経路LHが長くなると、絶縁領域IAの拡大によってドライブIC26の実装可能な面積が小さくなる。その結果、半導体基板SS上におけるアートワーク設計の制約が大きくなる懸念がある。特に、例えば、絶縁電源を構成する単一のトランスから上アームを構成するU,V,W相のドライブIC26のそれぞれに電力を供給する構成を採用する場合、トランスと複数のドライブIC26のそれぞれとを接続する電気経路が長くなる傾向にあり、絶縁領域IAが拡大しやすい。これに対し、本実施形態によれば、上記電気経路LHを短くすることができ、半導体基板SSの実装面積を拡大させることができ、ひいてはアートワーク設計の自由度を高めることができる。
なお、下アームについては、低電位側のスイッチング素子S¥nのエミッタ電位が互いに同一であることから、U,V,W相のドライブIC26のそれぞれに単一のトランスTWによって電力を供給している。本実施形態では、U,V,W相のうち中央に位置するV相にトランスTWを備えている。これは、図示しないが、U,V,W相のそれぞれの高電圧側制御部38からV相の高電圧側制御部38にフィードバック信号を伝達するための経路が長くなることを回避し、上記経路に存在する配線インダクタンスによってフィードバック信号の精度が低下することを回避するための設定である。
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
(1)スイッチング素子S¥#に過電流が流れる異常及びスイッチング素子S¥#の過熱異常等、スイッチング素子S¥#に関する異常が生じた旨の信号と、フィードバック信号とを共通のフォトカプラである第3のフォトカプラ62によって高電圧領域から低電圧領域へと伝達させた。ドライブIC26には通常、上記異常が生じた旨の信号を伝達するためのフォトカプラが備えられている。このため、上記構成によれば、フィードバック信号を伝達するための専用のフォトカプラの追加を回避できる。これにより、ドライブIC26の回路規模を低減させることができ、ひいてはドライブIC26のコストの低減を図ることができる。
また、スイッチング素子S¥#に関する異常が生じた旨の信号が出力される頻度は通常低い。このため、スイッチング素子S¥#に関する異常が生じた旨の信号と、フィードバック信号とを共通のフォトカプラによって伝達させる構成によれば、フィードバック信号を低電圧側制御部64に伝達させる頻度を高めることができ、ひいては電圧フィードバック制御による出力電圧Vfbの調節精度を高めることもできる。
(2)スイッチング素子S¥#に関する異常が生じた旨判断された場合、高電圧側制御部38から出力されるDuty信号のDutyをDuty上限値「100%」に設定し、出力電圧が下限電圧VLになったと判断された場合、高電圧側制御部38から出力されるDuty信号のDutyをDuty上限値「0%」に設定した。このため、制御装置14において2種類の異常を判別することができる。
さらに、出力電圧Vfbが下限電圧VLになった場合、高電圧側制御部38から出力されるDuty信号のDutyが「0%」に設定されることにより、第3の低電圧側端子TL3の出力信号のDutyも「0%」となり、電圧制御用スイッチング素子20が自動的にオフ操作される。このため、絶縁電源によるドライブIC26への電力供給が自動的に停止される。これにより、ドライブIC26からUVLO(Under Voltage Lock Out)回路を除去することができ、ひいてはドライブIC26のコストをいっそう低減させることもできる。なお、UVLO回路とは、出力電圧Vfbが下限電圧VL以下となる場合において絶縁電源の誤動作等を回避すべく設けられる保護回路のことである。
なお、本実施形態では、過電流保護処理やローカルシャットダウン処理が実行された場合、スイッチング素子S¥#の駆動を禁止した。ここで、スイッチング素子S¥#の駆動を禁止したにもかかわらず、スイッチング素子S¥#のゲートへのノイズの混入等、何らかの理由によってスイッチング素子S¥#が誤動作する懸念がある。これに対し、本実施形態では、第3の低電圧側端子TL3の出力信号のDutyが「0%」又は「100%」となる状況下において、絶縁電源からドライブIC26への電力供給を停止させることができる。このため、スイッチング素子S¥#が誤動作することを好適に回避できる。
(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
図7に、本実施形態にかかるドライブユニットDU等の構成図を示す。なお、図7において、先の図2に示した部材と同一の部材については、便宜上、同一の符号を付している。
図示されるように、本実施形態では、低電圧側制御部64に信号変換部70が備えられていない。このため、第3のフォトカプラ62のフォトトランジスタのエミッタ及び抵抗体68の接続点は、反転増幅回路72の入力端子に直接接続されている。
ちなみに、本実施形態では、第3のフォトカプラ62として、アナログ信号を伝達可能なフォトカプラ(アナログフォトカプラ)を用いている。
続いて、図8を用いて、本実施形態にかかる信号出力処理による信号の出力態様について説明する。
図示されるように、本実施形態では、絶縁電源の出力電圧Vfbの下限電圧VL及び上限電圧VHにて規定される所定の電圧範囲を、反転増幅回路72の入力電圧Vout(アナログ電圧信号に相当)の下限値「0」及び上限値「Vmax」(例えば5V)にて規定される所定の信号範囲と関係付けている。具体的には、下限電圧VLを下限値「0」と関係付けてかつ上限電圧VHを上限値「Vmax」と関係付け、出力電圧Vfbが高くなるほど、上記入力電圧Voutが高くなるような信号が高電圧側制御部38から第3のフォトカプラ62のフォトダイオードに対して出力される。
一方、過電流保護処理やローカルシャットダウン処理によってスイッチング素子S¥#に異常が生じていると判断された場合、反転増幅回路72の入力電圧Voutが「Vmax」となるような信号が高電圧側制御部38から第3のフォトカプラ62のフォトダイオードに対して出力される。
出力される。
なお、こうした設定は、図9に示すように、第3のフォトカプラ62について、フォトトランジスタのベース及びエミッタ間電圧Vbeと、コレクタ電流Icと、コレクタ及びエミッタ間電圧Vceとの関係を示す特性と、図中一点鎖線にて示す負荷線とを用いて、図8の特性を満足するようなフォトダイオードの流通電流を設定することで実現できる。
こうした構成によれば、過電流保護処理やローカルシャットダウン処理が実行されない場合、絶縁電源の出力電圧Vfbを目標値にフィードバック制御するように電圧制御用スイッチング素子20がオンオフ操作されることとなる。
一方、過電流保護処理やローカルシャットダウン処理が実行される場合、制御装置14に対してスイッチング素子S¥#に異常が生じている旨通知することもできる。すなわち、本実施形態において、制御装置14は、第3の低電圧側端子TL3の出力信号の値が「Vmax」であると判断された場合、スイッチング素子S¥#に過電流が流れている又はスイッチング素子S¥#が過熱状態である旨判断する。
なお、上記構成によれば、高電圧側制御部38において絶縁電源の出力電圧Vfbが下限電圧VLになったと判断された場合、反転増幅回路72の入力電圧Voutが「0」とされ、第3の低電圧側端子TL3の出力信号の値が「0」とされる。本実施形態において、制御装置14は、第3の低電圧側端子TL3の出力信号の値が「0」であると判断された場合、出力電圧Vfbが過度に低下する異常が生じている旨判断する。
以上説明した本実施形態によっても、上記第1の実施形態で説明した効果と同様の効果を奏することができる。
(その他の実施形態)
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・上記第1の実施形態では、6つのドライブユニットDUのそれぞれにスイッチング素子S¥#の温度信号STを伝達するためのフォトカプラを備えたがこれに限らない。例えば、部品数の低減を図るべく、6つのドライブユニットDUのうちスイッチング素子S¥#の温度が最も高くなると想定されるものに対応したドライブユニットDUのみに温度信号STを伝達するためのフォトカプラを備えてもよい。
・上記各実施形態では、フィードバック信号を、スイッチング素子S¥#に関する異常が生じた旨の信号を伝達する第3のフォトカプラ62によって伝達させたがこれに限らない。例えば、フィードバック信号を、感温ダイオードTD¥#の検出値を伝達する第2のフォトカプラ54によって伝達させてもよい。この場合、例えば、フィードバック信号と上記検出値とを多重化するなどしてこれら信号を伝達すればよい。こうした構成であっても、フォトカプラの数を低減させることはできる。
また、フィードバック信号が伝達されるフォトカプラとしては、フィードバック信号以外の信号が伝達されるフォトカプラと共通とすることに限らず、フィードバック信号を伝達するための専用のフォトカプラをドライブIC26に備えてもよい。この場合であっても、単一のドライブIC26に高電圧側制御部38及び低電圧側制御部64の双方が備えられることから、ドライブIC26を備えるドライブユニットDUの規模を低減させることはできる。
・「操作手段」としては、上記各実施形態に例示したものに限らず、例えば以下(A),(B)に説明するものであってもよい。
(A)絶縁電源の出力電圧をその目標値にフィードバック制御するものに限らず、絶縁電源の出力電流をその目標値にフィードバック制御するものであってもよい。この場合、「所定の駆動対象」としては、スイッチング素子に限らず、例えば、LEDを備える照明装置であってもよい。
(B)上記第1の実施形態において、低電圧側制御部64の配置位置をドライブIC26の高電圧領域に変更し、低電圧側制御部64において生成された操作信号を第3のフォトカプラ62を介して電圧制御用スイッチング素子20及び制御装置14に伝達する構成としてもよい。この場合、「絶縁電源の出力値に関する信号」は、PWMコンパレータ74の出力信号となる。こうした構成であっても、単一のドライブIC26に、スイッチング素子S¥#を駆動する回路と、絶縁電源の出力電圧を制御する回路とが備えられるため、ドライブユニットDUの規模を低減させることはできる。
・上記各実施形態において、スイッチング素子S¥#に関する異常に、過電流保護処理やローカルシャットダウン処理において用いられるドライブIC26内の回路の異常を含めてもよい。
・「電圧信号出力手段」としては、上記第2の実施形態に例示したように、高電圧側制御部38を備えて構成されるものに限らない。例えば、高電圧側制御部38を介さずに、第1の高電圧側端子TH1から直接第3のフォトカプラ62を介して低電圧側制御部64に絶縁電源の出力電圧Vfbに関する信号を伝達する構成としてもよい。この場合、具体的には、例えば、第3のフォトカプラ62のフォトダイオード及び抵抗体66の間に、カソード側がフォトダイオードに接続されてかつ、アノード側が抵抗体66に接続されたツェナーダイオードを備えればよい。ここで、ツェナーダイオードのブレークダウン電圧は、例えば、下限電圧VLに設定すればよい。
・上記第1の実施形態では、下限電圧VLをDuty下限値「0%」と関係付け、上限電圧VHをDuty上限値「100%」と関係付けたがこれに限らない。例えば、下限電圧VLをDuty上限値「100%」と関係付け、上限電圧VHをDuty下限値「0%」と関係付けてもよい。この場合であっても、制御装置14において2種類の異常を判別することはできる。なお、こうした設定は、上記第2の実施形態についても同様である。
また、スイッチング素子S¥#に関する異常が生じたと判断された場合において高電圧側制御部38から出力されるDuty信号のDutyとしては、「0%」や「100%」に限らない。要は、フィードバック信号で用いられるDuty以外のDutyであれば、他のDutyであってもよい。
・スイッチング素子S¥#としては、単一のIGBTに限らず、複数のIGBTが互いに並列接続されたものであってもよい。
・上記各実施形態では、電圧制御用スイッチング素子20をドライブIC26外に備える構成としたがこれに限らず、例えば、電圧制御用スイッチング素子20の駆動による発熱の影響が小さいなら、電圧制御用スイッチング素子20をドライブIC26内に備える構成としてもよい。
・「第1の領域」及び「第2の領域」としては、上記各実施形態に例示したものに限らない。例えば、高電圧領域に備えられた電源の電力を低電圧領域へと出力する必要があるなら、第1の領域を高電圧領域とし、第2の領域を低電圧領域としてもよい。
・「絶縁伝達手段」としては、フォトカプラを備えるものに限らない。例えば、第2の領域における電気経路を流れる電流の変化を、磁気抵抗効果素子によって誘導磁界の変化として非接触で検出し、第1の領域へと信号を伝達する磁気カプラを備えるものであってもよい。また、例えば、第2の領域における電気経路を流れる電流の変化を入力とし、カップリングコンデンサによって第1の領域へと信号を伝達する静電容量カプラを備えるものであってもよい。
・「絶縁電源」としては、フライバック式のものに限らず、例えばフォワード式のもの等、他の絶縁電源であってもよい。
16…低電圧バッテリ、20…電圧制御用スイッチング素子、22…ダイオード、24…コンデンサ、26…ドライブIC、38…高電圧側制御部、62…第3のフォトカプラ、64…低電圧側制御部、TW…トランス、S¥#(¥=u,v,w:#=p,n)…スイッチング素子。

Claims (11)

  1. スイッチング素子(20)の操作によって第1の領域に備えられた電源(16)の電力を該第1の領域と電気的に絶縁された第2の領域へと出力する絶縁電源(20,22,24,TW)を電力供給源とする単一の集積回路(26)を備え、
    前記集積回路は、
    該集積回路内における前記第2の領域に設けられてかつ、前記絶縁電源を電力供給源として所定の駆動対象(S¥#:¥=u,v,w:#=p,n)を駆動する駆動手段(38)と、
    前記集積回路内における前記第1の領域及び前記第2の領域の間を電気的に絶縁しつつ該第2の領域から該第1の領域へと信号を伝達する絶縁伝達手段(62)と、
    を備え、
    前記絶縁伝達手段は、前記絶縁電源の出力値に関する信号を伝達し、
    前記絶縁伝達手段を介して伝達された前記絶縁電源の出力値に関する信号に基づき、該出力値をその目標値にフィードバック制御すべく前記スイッチング素子を操作する操作手段(64)を備えることを特徴とする電子回路。
  2. 前記集積回路は、該集積回路内における前記第2の領域に設けられてかつ、前記絶縁電源の出力値に関する信号以外の信号を生成して出力する規定信号出力手段(38)を更に備え、
    前記絶縁電源の出力値に関する信号と、前記規定信号出力手段の出力信号とは、共通の前記絶縁伝達手段によって前記第1の領域に伝達されることを特徴とする請求項1記載の電子回路。
  3. 前記集積回路は、該集積回路内における前記第2の領域に設けられてかつ、前記所定の駆動対象に関する異常が生じた旨判断する異常判断手段(38)を更に備え、
    前記規定信号出力手段は、前記異常判断手段によって異常が生じた旨判断されたことを条件として、前記出力値に関する信号以外の信号としての前記異常が生じた旨の信号を生成して出力する異常時出力手段(38)であることを特徴とする請求項2記載の電子回路。
  4. 前記操作手段は、
    前記集積回路内における前記第1の領域に設けられてかつ、前記絶縁伝達手段を介して伝達された前記絶縁電源の出力値に関する信号に基づき、前記フィードバック制御するための前記スイッチング素子の操作信号を生成する操作信号生成手段(70,72,74,76)と、
    前記集積回路内における前記第1の領域に設けられてかつ、該操作信号生成手段によって生成された前記操作信号を前記スイッチング素子に対して出力する操作信号出力手段(TL3)と、
    を備え、
    前記集積回路内における前記第2の領域に設けられてかつ、前記絶縁電源の出力値を時比率信号に変換して前記絶縁伝達手段に対して出力する時比率信号出力手段(38)を備え、
    前記絶縁伝達手段は、前記出力値に関する信号としての前記時比率信号を前記操作信号生成手段に伝達し、
    前記絶縁電源の出力下限値及び出力上限値にて規定される所定の電圧範囲と、前記時比率信号出力手段から出力される前記時比率信号の時比率下限値及び時比率上限値にて規定される所定の時比率範囲とは関係付けられ、
    前記時比率信号出力手段から出力される前記時比率信号が取り得る時比率は、前記所定の時比率範囲のうち一部の範囲に設定され、
    前記異常時出力手段は、前記異常が生じた旨の信号を時比率信号として出力し、
    前記異常時出力手段から出力される前記時比率信号が取り得る時比率は、前記所定の時比率範囲のうち前記一部の範囲以外に設定されていることを特徴とする請求項3記載の電子回路。
  5. 前記時比率下限値は、「0%」に設定され、
    前記時比率上限値は、「100%」に設定され、
    前記異常時出力手段から出力される前記時比率信号が取り得る時比率は、前記時比率下限値及び前記時比率上限値のうち少なくとも1つに設定され、
    前記時比率信号出力手段から出力される前記時比率信号の取り得る時比率は、前記所定の時比率範囲のうち前記時比率下限値及び前記時比率上限値以外の範囲に設定されていることを特徴とする請求項4記載の電子回路。
  6. 前記操作手段は、
    前記集積回路内における前記第1の領域に設けられてかつ、前記絶縁伝達手段を介して伝達された前記絶縁電源の出力値に関する信号に基づき、前記フィードバック制御するための前記スイッチング素子の操作信号を生成する操作信号生成手段(72,74,76)と、
    前記集積回路内における前記第1の領域に設けられてかつ、該操作信号生成手段によって生成された前記操作信号を前記スイッチング素子に対して出力する操作信号出力手段(TL3)と、
    を備え、
    前記集積回路内における前記第2の領域に設けられてかつ、前記絶縁電源の出力値をアナログ電圧信号に変換して前記絶縁伝達手段に対して出力する電圧信号出力手段(38)を備え、
    前記絶縁伝達手段は、前記出力値に関する信号としての前記アナログ電圧信号を前記操作信号生成手段に伝達し、
    前記絶縁電源の出力下限値及び出力上限値にて規定される所定の電圧範囲と、前記電圧信号出力手段から出力される前記アナログ電圧信号の下限値及び上限値にて規定される所定の信号範囲とは関係付けられ、
    前記電圧信号出力手段から出力される前記アナログ電圧信号が取り得る値は、前記所定の信号範囲のうち一部の範囲に設定され、
    前記異常時出力手段は、前記異常が生じた旨の信号をアナログ電圧信号として出力し、
    前記異常時出力手段から出力される前記アナログ電圧信号が取り得る値は、前記所定の信号範囲のうち前記一部の範囲以外に設定されていることを特徴とする請求項3記載の電子回路。
  7. 前記下限値は、「0」に設定され、
    前記上限値は、前記下限値よりも高い値に設定され、
    前記異常時出力手段から出力される前記アナログ電圧信号が取り得る値は、前記下限値及び前記上限値のうち少なくとも1つに設定され、
    前記電圧信号出力手段から出力される前記アナログ電圧信号の取り得る値は、前記所定の信号範囲のうち前記下限値及び前記上限値以外の範囲に設定されていることを特徴とする請求項6記載の電子回路。
  8. 前記駆動手段は、前記異常判断手段によって異常が生じた旨判断されたことを条件として、前記所定の駆動対象の駆動を禁止する禁止手段を備え、
    前記操作手段は、前記異常判断手段によって異常が生じた旨判断されたことを条件として、前記絶縁電源から前記集積回路への給電を停止させるように前記スイッチング素子を操作することを特徴とする請求項3〜7のいずれか1項に記載の電子回路。
  9. 前記所定の駆動対象は、駆動対象スイッチング素子(S¥#)であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の電子回路。
  10. 前記駆動対象スイッチング素子は、高電位側のスイッチング素子(S¥p)及び低電位側のスイッチング素子(S¥n)の直列接続体が互いに複数並列されたものであり、
    前記直列接続体の並列接続体は、直流電源(12)に並列接続され、
    前記絶縁電源は、前記電源の電力をトランス(TW)を介して前記第2の領域へと出力し、
    前記集積回路及び前記トランスは、前記高電位側のスイッチング素子のそれぞれに対応して備えられていることを特徴とする請求項9記載の電子回路。
  11. 前記絶縁伝達手段は、フォトカプラを備えることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の電子回路。
JP2012219755A 2012-10-01 2012-10-01 電子回路 Pending JP2014073055A (ja)

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