JP4596168B2 - フォトカプラ式アナログ信号伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに電気絶縁が必要な異なる電源電圧系間でアナログ信号電圧を伝送するフォトカプラ式アナログ信号伝送装置の改良に関する。

高電圧バッテリから給電される高電圧回路系と、低電圧バッテリから給電される低電圧回路系とを装備する２電源方式の車載電子回路装置が実用されている。たとえばハイブリッド車搭載の２電源方式の車載電子回路装置において、高電圧回路系は、数百ボルト以上の高電圧バッテリから給電された電力をインバータなどの電力制御回路を通じて交流電力に変換して走行モータなどの高圧電気負荷に給電し、低電圧回路系は、制御装置やＡＶ装置などに電源電力を給電する。高電圧回路系の電力制御回路のスイッチング素子を制御するための制御回路は、たとえば低電圧バッテリからトランス型電気絶縁型電源回路を通じて定電源電圧を給電される。この種の２電源方式の車載電子回路装置では、高電圧回路系の電力制御回路の状態を検出し、この状態信号を低電圧回路系に所属する制御回路装置に伝送し、制御回路装置によりモニタしたり、上記電力制御回路を制御する制御信号を形成するのが通常である。この種の２電源方式の車載電子回路装置が本出願人の出願になる特許文献１に記載されている。

この場合、高電圧回路系側のセンサから低電圧回路系側の制御回路装置へ、センサが出力するアナログ信号を電気絶縁状態にて伝送する必要があり、電気絶縁のためにフォトカプラを用いるのが通常である。更に説明すると、センサが出力したアナログ信号は、高電圧回路系側にてＰＷＭ信号に変換された後、フォトカプラを通じて低電圧回路系側へ伝送され、低電圧回路系にて再びアナログ信号に変換された後、制御回路装置にて信号処理される。

アナログ信号をＰＷＭ信号に変換するアナログーＤｕｔｙ変換回路、フォトカプラ、ＰＷＭ信号をアナログ信号に戻すＤｕｔｙーアナログ変換回路は、このフォトカプラ式アナログ信号伝送回路において必須に用いられるため、以下、アナログーＤｕｔｙ変換回路、フォトカプラ、及びＤｕｔｙーアナログ変換回路をフォトカプラ式アナログ信号伝送装置として総称する。この種の２電源方式の車載電子回路装置に用いるフォトカプラ式アナログ信号伝送装置が上記特許文献１に記載されている。
特開２００１―２５７４４２号公報

しかしながら、上記したフォトカプラ式アナログ信号伝送装置において、実際には、高電圧回路系側の電子回路装置から低電圧回路系側の制御装置へ非常に多数のアナログ信号を伝送する必要がある。これは、高電圧回路系側の電子回路装置の回路構成が複雑となるため、その高精度かつ安全な制御のためには高電圧回路系側の電子回路装置の多数の状態を検出し、伝送する必要が生じるためである。たとえば、走行モータ駆動用の三相インバータ装置だけに限定しても、それは６個のパワースイッチング素子を有し、各パワースイッチング素子の温度を個別に監視するだけで６チャンネルのフォトカプラ式アナログ信号伝送装置が必要となる。走行モータの電流、電圧なども伝送したいアナログ信号である。その他、高電圧回路系側の電子回路装置として、走行モータ以外の各種モータも存在する。

その結果、フォトカプラ式アナログ信号伝送装置に電源電圧を給電する電源回路に要求される出力電力が増大するため、このフォトカプラ式アナログ信号伝送装置給電用の電源回路の消費電力及び発熱が増大し、回路構成も大規模、高コストとなるという問題があった。この問題は、このフォトカプラ式アナログ信号伝送装置がアナログ信号電圧を扱うために高い電源電圧精度をもつ必要があることにより一層深刻となる。電源回路の消費電力及び回路コストはその精度増大につれて幾何級数的に増加する。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、電源回路の簡素化と電力損失低減が可能なフォトカプラ式アナログ信号伝送装置を提供することをその目的としている。

上記課題を解決する本発明のフォトカプラ式アナログ信号伝送装置は、高電圧バッテリから給電される高電圧回路系と、低電圧バッテリから給電される低電圧回路系とを装備する２電源方式の車載電子回路装置の一部として用いられ、前記高電圧回路系であり走行モータを駆動制御するインバータ装置のスイッチング素子のチップ温度に対応するアナログ信号電圧を、前記低電圧回路系の信号処理回路に出力可能なアナログ信号電圧に変換して、前記チップ温度を前記信号処理回路に出力するフォトカプラ式アナログ信号伝送装置であって、フォトカプラと、前記チップ温度に対応するアナログ信号電圧をＰＷＭ信号電圧に変換するアナログーＤｕｔｙ変換回路と、前記アナログーＤｕｔｙ変換回路が出力するＰＷＭ信号に基づいて前記フォトカプラを駆動するドライバ回路と、前記フォトカプラが出力するＰＷＭ信号電圧をアナログ信号電圧に変換し、変換したアナログ信号電圧を前記チップ温度として前記信号処理装置に出力するＤｕｔｙーアナログ変換回路と、前記各回路に電源電圧を印加する電源回路装置とを備え、前記電源回路装置が、前記Ｄｕｔｙーアナログ変換回路に印加する電源電圧を形成する第１の電源回路部と、前記第１の電源回路部が出力する前記電源電圧よりも電圧変動率の大きい低精度の電源電圧を前記第１の電源回路部が出力する前記電源電圧とは電気的に絶縁された状態にて形成して前記フォトカプラを駆動するための前記ドライバ回路に印加する第２の電源回路部とを備えることを特徴としている。

好適な態様において、前記電源回路装置は、前記アナログーＤｕｔｙ変換回路に印加する電源電圧を形成する第３の電源回路部とを有し、前記第２の電源回路部が、前記第３の電源回路部が出力する前記電源電圧よりも低精度の電源電圧を前記第１の電源回路部が出力する前記電源電圧とは電気的に絶縁された状態にて形成して前記フォトカプラを駆動するための前記ドライバ回路に印加することを特徴としている。

すなわち、この発明のフォトカプラ式アナログ信号伝送装置の電源回路装置は、アナログーＤｕｔｙ変換回路に印加する電源電圧の精度より低い精度の電源電圧をフォトカプラ駆動用のドライバ回路に印加する点をその特徴としている。このようにすれば、電源回路の簡素化と電力損失低減が可能なフォトカプラ式アナログ信号伝送装置を実現することができる。

更に説明すると、フォトカプラ式アナログ信号伝送装置を構成するアナログーＤｕｔｙ変換回路、フォトカプラ（フォトカプラを駆動するためのドライバ回路を含むものとする）及びＤｕｔｙーアナログ変換回路のうち、フォトカプラはＬＥＤの発光効率と受光回路部の光電変換効率との積に依存する低いエネルギー伝送効率をもつため、高速駆動するためには、その寄生容量の高速充放電などのために大電力を消費する。このような大電力をアナログーＤｕｔｙ変換回路やＤｕｔｙーアナログ変換回路に必要な高精度にて発生することは、電源回路装置の電力損失及び製造コストの大幅な増大を招く。この問題に鑑み、本発明者は、フォトカプラを通じてＰＷＭ信号を伝送する場合、フォトカプラ（（フォトカプラを駆動するためのドライバ回路を含む）の電源電圧の変動は、光量変化は招くものの、光ＰＷＭ信号のＤｕｔｙ変化を本質的に招かないことに気がついた。すなわち、フォトカプラの電源電圧は、アナログーＤｕｔｙ変換回路やＤｕｔｙーアナログ変換回路に要求される電源電圧精度よりも格段に低精度でよい点に気がついた。

本発明は、この着眼を基礎としてなされたものであり、フォトカプラ式アナログ信号伝送装置のうち、アナログーＤｕｔｙ変換回路及び／又はＤｕｔｙーアナログ変換回路には従来通り高精度の電源電圧を印加するものの、フォトカプラ（及びそれを駆動するドライバ回路）、更にはフォトカプラの受光回路部に給電する電源電圧としては、アナログーＤｕｔｙ変換回路及び／又はＤｕｔｙーアナログ変換回路に印加する電源電圧よりも格段に低精度で電圧変動率が大きい電源電圧を印加するようにしたものである。このような電圧変動率が大きい電源電圧は、たとえばトランス型ＤＣＤＣコンバータの整流平滑電圧を定電圧化することなく利用することができ、大幅な回路構成の簡素化と定電圧化のための電力損失の回避とを実現することができた。

好適な態様において、前記アナログーＤｕｔｙ変換回路は、車載の高電圧バッテリから給電される電気機器を制御する高電圧制御回路の状態を検出し、前記Ｄｕｔｙーアナログ変換回路は、車載の低電圧バッテリから給電される制御回路に前記アナログ信号電圧を出力し、前記第２の電源回路部は、前記低電圧バッテリから給電され、前記第１の電源回路部は、前記低電圧バッテリから給電されるトランス式ＤＣＤＣコンバータの整流平滑回路により構成されている。このようにすれば、フォトカプラの駆動電力を低電圧バッテリ側から給電できるため、高電圧バッテリの降圧が不要となる他、このトランス式ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を高電圧バッテリ側の他の電子回路装置と共有できるため、回路構成が簡素となる。

本発明装置の好適な実施態様を以下に説明する。ただし、本発明は下記の実施態様に限定解釈されるものでなく、本発明の技術思想を他の技術を組み合わせて実施しても良いことはもちろんである。

（全体回路構成）
本発明のフォトカプラ式アナログ信号伝送装置を図１に示す回路図を参照して説明する。

この装置は、車両用ＤＣ−ＤＣコンバータ装置やモータ制御装置などの車載電子回路装置の一部として用いられるフォトカプラ式アナログ信号伝送装置であって、アナログ信号電圧をＰＷＭ（パルス幅変調）信号に変換するアナログーＤｕｔｙ変換回路１と、アナログーＤｕｔｙ変換回路１が出力するＰＷＭ信号を増幅するドライバ回路２と、フォトカプラ３と、フォトカプラ３が出力するＰＷＭ信号をアナログ信号電圧に変換するＤｕｔｙーアナログ変換回路４と、電気絶縁型電源回路５と、定電圧電源６、７とを有している。８は上記各回路の駆動電力を給電するための低電圧バッテリであり、上記フォトカプラ式アナログ信号伝送装置を構成する各部分回路に電源電力を給電している。

（信号処理回路構成）
アナログーＤｕｔｙ変換回路１は、伝送すべきアナログ信号電圧Ｖａを、入力された三角波電圧との比較によりＰＷＭ信号電圧を形成する周知のＰＷＭ信号発生回路である。アナログ信号電圧Ｖａは、数百Ｖの高電圧バッテリから給電されて走行モータを駆動制御するインバータ装置のスイッチング素子のチップ温度に対応する電圧であり、サーミスタ式又はダイオード式の温度検出回路からアナログーＤｕｔｙ変換回路１に入力される。

ドライバ回路２は、アナログーＤｕｔｙ変換回路１が出力するＰＷＭ信号電圧に基づいてフォトカプラ３の発光を断続駆動する。ドライバ回路２の一例を図２に示す。図２に示すドライバ回路２は、オペアンプ増幅回路２１と、フォトカプラ３のＬＥＤと直列接続された負荷抵抗Ｒ１、Ｒ２とからなり、オペアンプ増幅回路２１の出力端は、負荷抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点に接続されている。オペアンプ増幅回路２１の出力段はオープンコレクタ構成とされているが、それに限定されるものではない。これにより、オペアンプ増幅回路２１の出力電圧Ｖｏがローレベルの場合にはフォトカプラ３のＬＥＤへの給電が停止され、オペアンプ増幅回路２１の出力電圧Ｖｏがハイレベルの場合にはフォトカプラ３のＬＥＤがオンされる。オペアンプ増幅回路２１としては、ボルテージホロワ回路構成とされてもよく、通常の電圧増幅回路構成とされてもよい。ただし、オペアンプ増幅回路２１の電流ドライブ能力はフォトカプラ３のＬＥＤを必要十分に高速駆動できるだけ確保される必要がある。もちろん、アナログーＤｕｔｙ変換回路１が出力するＰＷＭ信号電圧に応じてフォトカプラ３のＬＥＤを必要な速度で断続駆動できるならば、ドライバ回路２をオペアンプ増幅回路２１を用いずに構成してもよい。

フォトカプラ３は、ＬＥＤと、ＬＥＤの発光エネルギーを光電変換するフォトダイオードと、このフォトダイオードの出力電流を増幅するオープンコレクタトランジスタとを有しており、ＬＥＤの発光断続によりオープンコレクタトランジスタが断続される。Ｒはこのオープンコレクタトランジスタのコレクタ負荷抵抗であり、フォトカプラ３の出力電圧は、オープンコレクタトランジスタのコレクタからＤｕｔｙーアナログ変換回路４へ出力される。

Ｄｕｔｙーアナログ変換回路４は、入力されるＰＷＭ信号電圧をアナログ信号電圧に変換する周知の回路であり、変換したアナログ信号電圧をたとえばＡ／Ｄコンバータのような外部の信号処理回路に出力する。

これにより、数百Ｖの高電圧バッテリから給電されて走行モータを駆動制御するインバータ装置のスイッチング素子（たとえばＩＧＢＴ）のチップ温度を、このスイッチング素子の基準電位を基準とするアナログ信号電圧Ｖａとして検出した後、このチップ温度に対応するアナログ信号電圧Ｖａを、低電圧バッテリ８の低電位端（車体電位）を基準とするアナログ信号電圧に変換することができる。

（電源回路構成）
図１に示すフォトカプラ式アナログ信号伝送装置は、電源回路として、電気絶縁型電源回路５と、定電圧電源６、７とを有している。なお、定電圧電源７は必須ではなく、定電圧電源６と共用しても良い。

電気絶縁型電源回路５は、トランス式の電気絶縁型電源回路であって、インバータ回路５１、トランス５２、二次側電源回路５３〜５５からなる。ただし、二次側電源回路５４、５５は必須ではなく、二次側電源回路５３と共用しても良い。

インバータ回路５１は、低電圧バッテリ８から直流電力を給電されて所定周波数の交流電圧を発生し、この交流電圧をトランス５２の一次コイルに印加する。トランス５２の二次コイルは、高電圧側回路系において必要な電圧レベルに応じて複数設けられている。第１の二次コイルは第１の大きさの交流電圧を二次側電源回路５３に出力し、第２の二次コイルは第２の大きさの交流電圧を二次側電源回路５４に出力し、第３の二次コイルは第３の大きさの交流電圧を二次側電源回路５５に出力している。

各二次側電源回路５３〜５５は、入力交流電圧を整流する整流回路と、整流電圧を平滑する平滑回路と、平滑電圧を定電圧化する定電圧回路とを有している。ただし、二次側電源回路５３〜５５は、二次側電源回路５３〜５５から給電される回路が許容する電圧変動率の範囲内の電圧変動率をもつことができる。したがって、許容される電圧変動率の範囲が大きければ、二次側電源回路５３〜５５は、定電圧回路を省略して平滑回路が平滑した平滑電圧を直接出力することができる。

この実施例では、二次側電源回路５３はドライバ回路２に電源電圧を印加し、二次側電源回路５４はアナログーＤｕｔｙ変換回路１に電源電圧を印加している。

定電圧電源６は、低電圧バッテリ８から給電されて所定の電源電圧をＤｕｔｙーアナログ変換回路４に電源電圧として印加し、定電圧電源７は低電圧バッテリ８から給電されて所定の電源電圧をフォトカプラ３の受光回路部３１に電源電圧として印加している。図１では、受光回路部３１のフォトダイオードは定電圧電源７から電源電圧を直接印加され、受光回路部３１のオープンコレクタトランジスタは、コレクタ負荷抵抗Ｒを通じて定電圧電源７から電源電圧を直接印加されるが、これに限定されるものではない。

（電源電圧精度の設定）
次に、この実施例の特徴点をなす各電源電圧Ｖ１〜Ｖ４の精度（電圧変動率）の設定について説明する。なお、電源電圧Ｖ１は二次側電源回路５４がアナログーＤｕｔｙ変換回路１に出力する電源電圧であり、電源電圧Ｖ２は二次側電源回路５３がドライバ回路２に出力する電源電圧である。また、電源電圧Ｖ３は定電圧電源７がフォトカプラ３の受光回路部３１に出力する電源電圧であり、電電源電圧Ｖ４は定電圧電源６がＤｕｔｙーアナログ変換回路４に出力する電源電圧である。

この実施例のフォトカプラ式アナログ信号伝送装置では、少なくとも電源電圧Ｖ４の精度は電源電圧Ｖ２の精度よりも高く設定される。また、好適には電源電圧Ｖ１の精度は電源電圧Ｖ２の精度よりも高く設定される。また、好適には電源電圧Ｖ４の精度は電源電圧Ｖ３の精度よりも高く設定される。また、好適には電源電圧Ｖ１の精度は電源電圧Ｖ３の精度よりも高く設定される。

すなわち、この実施態様のフォトカプラ式アナログ信号伝送装置では、フォトカプラ３の小さい電源利用効率に起因して大きな電源電力を必要とするフォトカプラ駆動用のドライバ回路２の電源電圧の精度を、その前後段のアナログ回路であるアナログーＤｕｔｙ変換回路１及びＤｕｔｙーアナログ変換回路４の電源電圧の精度よりも低下させた点をその特徴としている。

このようにすれば、アナログーＤｕｔｙ変換回路１及びＤｕｔｙーアナログ変換回路４の電源回路系に加えてフォトカプラ駆動用の電源回路系を別設する必要があるが、このフォトカプラ駆動用の電源回路系である二次側電源回路５３は低精度でよいため、回路構成が簡単かつ電力損失が少ないため、回路構成の簡素化と電力効率の向上とを図ることができる。

更に説明すると、フォトカプラ式アナログ信号伝送装置のうち、フォトカプラ３の両側のアナログーＤｕｔｙ変換回路１及びＤｕｔｙーアナログ変換回路４は、必要なアナログ信号精度を確保するため高精度の電源電圧を要求するが、フォトカプラ３の消費電力に比べて必要電力自体は小さい。これに対して、フォトカプラ３の高速駆動は相対的にかなり大きな消費電力を必要とする。したがって、電力損失が大きく、回路構成も複雑なアナログーＤｕｔｙ変換回路１やＤｕｔｙーアナログ変換回路４を駆動するための高精度の定電圧電源回路からフォトカプラ３の駆動電力をドライバ回路２に給電することは、この高精度の定電圧電源回路の大規模化を招き、チップ必要面積の増加とその電力損失の増大を招く。

これに対して、図１に示すこの実施形態では、フォトカプラ３を駆動するためのドライバ回路２への給電電力を相対的に低精度の二次側電源回路５３から給電するため、電源回路系の電力損失の低減と回路構成の簡素化を実現することができる。

なお、この実施形態では、二次側電源回路５３は、整流電力を平滑回路で平滑してそのまま電源電圧Ｖ２とすることにより定電圧回路を省略している。二次側電源回路５４は、平滑された電圧をスイッチングレギュレータにより定電圧化して電源電圧Ｖ１としている。定電圧電源６は、低電圧バッテリ８の電圧をスイッチングレギュレータにより定電圧化して電源電圧Ｖ４としている。この実施形態では、定電圧電源７は省略され、抵抗Ｒには低電圧バッテリ８の電圧が直接印加されている。

（２電源方式の車載電子回路装置の説明）
上記説明したフォトカプラ式アナログ信号伝送装置を用いた２電源方式の車載電子回路装置の例を図３に示すブロック図を参照して説明する。

図３において、１００は高電圧バッテリ、１０１は三相インバータ、１０２は三相モータ、１０３はモータ制御回路、１０４は低電圧側制御回路である。なお、図３では図示していないが、高電圧側のモータ制御回路１０３と低電圧側制御回路１０４とは、図示しないフォトカプラ系を通じてデジタル交信可能となっている。

高電圧バッテリ１００は、三相インバータ１０１を通じて三相モータ１０２に給電し、モータ制御回路１０３は三相インバータ１０１を制御している。トランス式のＤＣＤＣコンバータからなる電気絶縁型電源回路５は、モータ制御回路１０３に電源電圧Ｖ５を出力する二次側電源回路５５を有している。Ｄｕｔｙーアナログ変換回路４は、低電圧側制御回路１０４にアナログ信号電圧を出力する。低電圧側制御回路１０４の電源電圧は、定電圧電源６から給電されるが、より低精度の定電圧電源７から給電してもよい。

（変形態様）
定電圧電源６、７の電源電力をトランス５２の二次電圧を整流して給電してもよく、更にはトランス５２の二次電圧を整流する整流回路により定電圧電源６、７を置換してもよい。

その他、二次側電源回路５４をスイッチングレギュレータにより構成する代わりに、トランス５２の二次電圧を整流する整流回路により二次側電源回路５４を構成してもよい。

本発明のフォトカプラ式アナログ信号伝送装置の好適な実施形態を示すブロック回路図である。 図１に示すドライバ回路の回路例を示す回路図である。 図１に示すフォトカプラ式アナログ信号伝送装置を用いた２電源方式の車載電子回路装置を示すブロック図である。

符号の説明

１ アナログーDUTY変換回路
２ ドライバ回路
３ フォトカプラ
４ DUTYーアナログ変換回路
５ 電気絶縁型電源回路
６ 定電圧電源
７ 定電圧電源
８ 低電圧バッテリ
２１ オペアンプ増幅回路
３１ 受光回路部
５１ インバータ回路
５２ トランス
５３〜５５ 二次側電源回路
１００ 高電圧バッテリ
１０１ 三相インバータ
１０２ 三相モータ
１０３ モータ制御回路
１０４ 低電圧側制御回路

Claims (3)

1. 高電圧バッテリから給電される高電圧回路系と、低電圧バッテリから給電される低電圧回路系とを装備する２電源方式の車載電子回路装置の一部として用いられ、前記高電圧回路系であり走行モータを駆動制御するインバータ装置のスイッチング素子のチップ温度に対応するアナログ信号電圧を、前記低電圧回路系の信号処理回路に出力可能なアナログ信号電圧に変換して、前記チップ温度を前記信号処理回路に出力するフォトカプラ式アナログ信号伝送装置であって、
   フォトカプラと、
   前記チップ温度に対応するアナログ信号電圧をＰＷＭ信号電圧に変換するアナログーＤｕｔｙ変換回路と、
   前記アナログーＤｕｔｙ変換回路が出力するＰＷＭ信号に基づいて前記フォトカプラを駆動するドライバ回路と、
   前記フォトカプラが出力するＰＷＭ信号電圧をアナログ信号電圧に変換し、変換した前記アナログ信号電圧を前記チップ温度として前記信号処理装置に出力するＤｕｔｙーアナログ変換回路と、
   前記各回路に電源電圧を印加する電源回路装置と、
   を備え、
   前記電源回路装置は、
   前記Ｄｕｔｙーアナログ変換回路に印加する電源電圧を形成する第１の電源回路部と、
   前記第１の電源回路部が出力する前記電源電圧よりも電圧変動率の大きい低精度の電源電圧を前記第１の電源回路部が出力する前記電源電圧とは電気的に絶縁された状態にて形成して前記フォトカプラを駆動するための前記ドライバ回路に印加する第２の電源回路部と、
   を備えることを特徴とするフォトカプラ式アナログ信号伝送装置。
2. 請求項１記載のフォトカプラ式アナログ信号伝送装置において、
   前記電源回路装置は、
   前記アナログーＤｕｔｙ変換回路に印加する電源電圧を形成する第３の電源回路部とを有し、
   前記第２の電源回路部は、
   前記第３の電源回路部が出力する前記電源電圧よりも低精度の電源電圧を前記第１の電源回路部が出力する前記電源電圧とは電気的に絶縁された状態にて形成して前記フォトカプラを駆動するための前記ドライバ回路に印加するフォトカプラ式アナログ信号伝送装置。
3. 請求項１又は２記載のフォトカプラ式アナログ信号伝送装置において、
   前記アナログーＤｕｔｙ変換回路は、
   車載の高電圧バッテリから給電される電気機器を制御する高電圧制御回路の状態を検出し、
   前記Ｄｕｔｙーアナログ変換回路は、
   車載の低電圧バッテリから給電される制御回路に前記アナログ信号電圧を出力し、
   前記第２の電源回路部は、前記低電圧バッテリから給電され、
   前記第１の電源回路部は、前記低電圧バッテリから給電されるトランス式ＤＣＤＣコンバータの整流平滑回路により構成されているフォトカプラ式アナログ信号伝送装置。

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