(57)【要約】【課題】より低い周波数の搬送波を用いて絶縁を図りつつ電力を送信し、駆動対象スイッチング素子を駆動できるスイッチング素子の駆動装置を提供する。【解決手段】駆動装置４は、トランスコイル及び当該トランスコイルの２次側に接続される整流回路９を有する複数の共振器７を備える。発振器５は、入力されるＰＷＭ信号よりも高い周波数の電力搬送波を発振出力し、乗算器５がＰＷＭ信号と電力搬送波の正相信号及び逆相信号とを乗算した正相及び逆相乗算信号を出力する。ドライバ共振器７Ｄでは、トランスコイルの１次側に電力搬送波が入力され、整流回路９の出力端子に駆動回路１０の電源端子が接続される。上部，下部共振器７Ｕ，７Ｂでは、トランスコイルの１次側に正相，逆相乗算信号が夫々入力され、整流回路９の出力端子に、駆動回路１０を構成する上側，下側スイッチのゲートを夫々接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動対象スイッチング素子（２）の導通制御端子に駆動信号を出力するため、２つのスイッチング素子（ＳＷｕ，ＳＷｂ）を直列接続してなる駆動回路（１０）と、
入力されるＰＷＭ信号の周波数よりも高い周波数の電力搬送波を発振出力する発振器（５）と、
前記ＰＷＭ信号と、前記電力搬送波とを乗算する乗算器（６，６’）と、
トランスコイル（ＴＣ）と、このトランスコイルの２次側に接続される整流回路（９，２２）とを有してなる複数の電力伝達回路７とを備え、
前記複数のうちの１つである第１電力伝達回路（７Ｄ）は、前記トランスコイルの１次側に前記電力搬送波が入力され、前記整流回路の出力端子に前記駆動回路の電源端子が接続され、
前記複数うちの他の１つである第２電力伝達回路（７Ｕ）は、前記トランスコイルの１次側に乗算器の出力信号が入力され、前記整流回路の出力端子に、前記駆動回路を構成する少なくとも一方のスイッチング素子の導通制御端子が接続されることを特徴とするスイッチング素子の駆動装置。
【請求項２】
前記乗算器（６）は、前記ＰＷＭ信号と、前記電力搬送波の正相信号と逆相信号とをそれぞれ乗算した正相乗算信号及び逆相乗算信号を出力するように構成され、
前記第２電力伝達回路を構成するトランスコイルの１次側には、前記正相乗算信号及び前記逆相乗算信号の一方が入力され、
前記複数のうちの他の１つである第３電力伝達回路（７Ｂ）を構成する整流回路の出力端子は、前記駆動回路を構成する他方のスイッチング素子の導通制御端子が接続され、トランスコイルの１次側には、前記正相乗算信号及び前記逆相乗算信号の他方が入力されることを特徴とする請求項１記載のスイッチング素子の駆動装置。
【請求項３】
前記整流回路は、倍電圧整流回路（２２）として構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のスイッチング素子の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動対象スイッチング素子の導通制御端子に駆動信号を出力するため、２つのスイッチング素子を直列接続してなる駆動回路を備えるスイッチング素子の駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばモータ等の負荷を、インバータ回路を介して高い電圧で駆動する構成において、駆動用電源電圧と制御側の電源電圧との間に大きな電位差がある場合は、両者間を電気的に絶縁して制御側の回路を保護する必要がある。そのため、例えばスイッチング素子の駆動回路に対する電源の供給を、トランスを介した電磁誘導方式で行ったり、ＰＷＭ信号をフォトカプラを介して伝送したりするものがある。しかしこのような構成では、非常に高い結合係数を有するトランスコイルが必要であるためトランスが大型化する。また、高温環境下では、フォトカプラ部分の劣化による故障や不具合が発生するというリスクがある。
【０００３】
また、磁界共鳴方式を用いた構成についても様々な提案がされている。例えば特許文献１では、２つの発振回路を用いてＰＷＭ信号をＦＭ変調し、被変調信号をトランスを介して伝送する。トランスの２次側は、電力再生用の回路とＰＷＭ信号を復調するための２系統に分かれている。このような構成では、発振回路が２つ必要になることが問題となる。また、同文献には、ＰＷＭ信号をＰＭ変調した被変調信号を、トランスを介して伝送し、２次側で復調する構成も開示されており、この場合、発振回路は１つになる。同文献には、変調回路及び復調回路についての具体的構成は開示されていないが、これらは一般に複雑な回路で構成されるため、小型化の障害となる。
【０００４】
そして、非特許文献１には、周波数５．８ＧＨｚの電力搬送波を用い、ラットレース回路という特殊な形状のコイルを用いて２次側に電力を伝送する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許２５５６００３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ISSCC 2012,SESSION23,ADVANCES IN HETEROGENEOUS INTEGRATION 23.3, A DC-Isolated Gate Drive IC With Drive-by-Microwave Technology for Power Switching Devices, Shunichi Nagai,etc.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１のように、５．８ＧＨｚの電力搬送波を安定的に発振出力できる状態で発振回路を使用するには、動作環境が限定されてしまう。例えば、車載用途などの温度変化が激しい環境下にある回路では、使用は困難である。そして、ＧＨｚオーダーの発振回路を構成するには、ＧａＮ（窒化ガリウム）等の高速デバイスを用いる必要があり、加えてノイズ対策も必要となるからコストアップが避けられない。更に、ＧａＮデバイスのゲート駆動電圧は５Ｖ程度と低いため、電源電圧が車両のバッテリのように１２Ｖ程度の場合は何らかの降圧回路を用いる必要があり、電源効率の低下と更なるコストの上昇を招く。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より低い周波数の搬送波を用いて絶縁を図りつつ電力を送信し、駆動対象スイッチング素子を駆動できるスイッチング素子の駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１記載のスイッチング素子の駆動装置によれば、トランスコイル及び当該トランスコイルの２次側に接続される整流回路を有してなる複数の電力伝達回路を備え、発振器は、入力されるＰＷＭ信号の周波数よりも高い周波数の電力搬送波を発振出力し、乗算器がＰＷＭ信号と電力搬送波とを乗算する。第１電力伝達回路は、トランスコイルの１次側に電力搬送波が入力され、整流回路の出力端子に駆動回路の電源端子が接続される。また、第２電力伝達回路は、トランスコイルの１次側に乗算器の出力信号が入力され、整流回路の出力端子に、駆動回路を構成する少なくとも一方のスイッチング素子の導通制御端子が接続される。
【００１０】
これにより、電力搬送波は、第１電力伝達回路のトランスコイルを介して２次側に伝達されると整流回路により整流され、駆動回路に動作用電源として供給される。また、乗算器の出力信号は、ＰＷＭ信号を変調信号として電力搬送波を振幅変調した被変調信号となっている。そして、駆動回路を構成するスイッチング素子の導通制御端子に与える制御信号は、ＰＷＭ信号がハイレベルを示す期間に応じてハイレベルになれば良い。乗算器が出力する被変調信号を、第２電力伝達回路のトランスコイルを介して２次側に伝達し整流回路により整流すればＰＷＭ信号が復調される。そのＰＷＭ信号を駆動回路のスイッチング素子に与えれば、駆動回路をスイッチング動作させて駆動対象スイッチング素子を駆動できる。
【００１１】
したがって、ＧＨｚオーダーのような高い搬送波周波数を用いる必要が無く、且つ、フォトカプラのような絶縁回路も用いることなく、１次側と２次側とを電気的に絶縁した状態で、駆動回路をスイッチング動作させることが可能になる。また、第１及び第２電力伝達回路をそれぞれ構成する各素子の定数は同じなので、各素子には全く同じものを用いることができ、量産性を考慮すると電力伝達回路を容易かつ低コストで構成できる。
【００１２】
請求項２記載のスイッチング素子の駆動装置によれば、乗算器は、ＰＷＭ信号と、電力搬送波の正相信号と逆相信号とをそれぞれ乗算した正相乗算信号及び逆相乗算信号を出力しており、互いの信号は相補関係にある。そして、第２電力伝達回路を構成するトランスコイルの１次側には、正相乗算信号及び逆相乗算信号の一方を入力する。また、第３電力伝達回路を構成する整流回路の出力端子を、駆動回路を構成する他方のスイッチング素子の導通制御端子に接続し、そのトランスコイルの１次側に正相乗算信号及び逆相乗算信号の他方を入力する。
【００１３】
このように構成すれば、第２電力伝達回路より出力される復調信号と第３電力伝達回路より出力される復調信号とは互いに逆相のＰＷＭ信号となるから、互いの信号についての相補関係は維持される。したがって、駆動回路を構成する２つのスイッチング素子が同じ導電型の素子であれば、それらのスイッチング素子を交互に導通させてスイッチング動作を行うことができる。尚、第３電力伝達回路についても、構成する各素子の定数は、第１及び第２電力伝達回路と全く同じものを用いることができるのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態であり、ＩＧＢＴを駆動する駆動装置の構成を示す機能ブロック図
【図２】駆動装置の具体構成例を示す図
【図３】駆動回路の変形例を示す図
【図４】第２実施形態を示す図２相当図
【図５】第３実施形態を示す図１相当図
【図６】図２相当図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１実施形態）
図１に示すように、インバータ回路１は、６個の駆動対象スイッチング素子であるＩＧＢＴ２ａ〜２ｆ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が３相ブリッジ接続されて構成されている。各ＩＧＢＴ２のエミッタ，コレクタ間には、図示しないフリーホイールダイオードが接続されている。インバータ回路２の各相出力端子は、モータ３の各相固定子巻線（図示せず）の一端にそれぞれ接続されている。
【００１６】
駆動装置４は、各ＩＧＢＴ２ａ〜２ｆのゲートにゲート駆動信号を出力するが、図１では図示の都合上、ＩＧＢＴ２ａのゲートのみに接続されているように示している。発振回路５は、例えば周波数２０ＭＨｚ程度の電力搬送波を発振して重畳回路６（乗算器）に出力する。尚、駆動装置４に入力されるＰＷＭ信号の周波数（キャリア周波数）は、例えば数１０ｋＨｚ程度である。
【００１７】
重畳回路６は、入力されるＰＷＭ信号の正相信号及び逆相信号と上記電力搬送波とを乗算して、正相乗算信号と逆相乗算信号とを出力する。正相乗算信号は、入力されるＰＷＭ信号がハイレベルを示す期間にのみ電力搬送波が重畳された信号となり、逆相乗算信号は、同ＰＷＭ信号がローレベルを示す期間にのみ電力搬送波が重畳された信号となる。すなわち、これらは互いに相補的な信号となっている。
【００１８】
また、駆動装置４は、３つの共振器７（Ｕ，Ｄ，Ｂ）を備えており、それぞれ上部共振器７Ｕ（第２電力伝達回路），ドライバ共振器７Ｄ（第１電力伝達回路），下部共振器７Ｂ（第３電力伝達回路）となっている。各共振器７は、直列に接続された絶縁伝送部８及び整流器９を備え、各共振器７Ｕ，７Ｄ，７Ｂの絶縁伝送部８には、それぞれ正相乗算信号，電力搬送波，逆相乗算信号が入力されている。
【００１９】
各共振器７Ｕ，７Ｄ，７Ｂが有する整流器９（整流回路）の出力端子間には、それぞれコンデンサＣuc，Ｃpc，Ｃbcが接続されており、更に、共振器７Ｕ，７Ｂの整流器９の出力端子間には、それぞれ抵抗素子Ｒuc，Ｒbcが接続されている。ドライバ共振器７Ｄの出力端子間には、ドライバ１０（駆動回路）が接続されている。
【００２０】
すなわち、各共振器７に入力された交流信号は、絶縁伝送部８を介して電気的に絶縁された状態で２次側に伝送されると、整流器９において整流されて出力される。そして、ドライバ共振器７Ｄは、ドライバ１０に駆動用電源を供給し、上部共振器７Ｕ，下部共振器７Ｂは、それぞれドライバ１０を構成する上側，下側スイッチング素子にゲート信号（制御信号）を供給する。
【００２１】
図２に示すように、絶縁伝送部８は、トランスコイルＴＣと、入力端子とトランスコイルＴＣの１次側端子との間にそれぞれ接続されるコンデンサＣ１，抵抗素子Ｒ１と、トランスコイルＴＣの２次側端子と出力端子との間にそれぞれ接続されるコンデンサＣ２，抵抗素子Ｒ２とで構成されている。そして、上部共振器７Ｕ，下部共振器７Ｂの１次側端子の一方には正相乗算信号，逆相乗算信号がそれぞれ与えられ、１次側端子の他方はグランドに接続されている。また、ドライバ共振器７Ｄの１次側端子の一方には電力搬送波が与えられ、１次側端子の他方はグランドに接続されている。尚、各共振器７の絶縁伝送部８を構成する回路素子は、何れも同じ素子である。整流器９は、４個のダイオード１１〜１４がブリッジ接続されて構成されている。
【００２２】
駆動回路１０は、上側スイッチＳＷｕと下側スイッチＳＷｂ（スイッチング素子）とを直列接続して構成されており、これらの共通接続点とＩＧＢＴ２ａのゲート（導通制御端子）との間には抵抗素子ＲＳＷが接続されている。スイッチＳＷには、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴ等を用いる。ドライバ共振器７Ｄの高電位側出力端子は、上側スイッチＳＷｕのドレイン（電源端子）に接続されている。上部共振器７Ｕの高電位側出力端子は上側スイッチＳＷｕのゲートに接続されており、下部共振器７Ｂの高電位側出力端子は下側スイッチＳＷＢのゲートに接続されている。尚、各共振器７の低電位側出力端子及びドライバ１０の基準電源線は、ＩＧＢＴ２ａのエミッタに接続されている。
【００２３】
次に、本実施形態の作用について説明する。発振回路５が出力する電力搬送波は、ドライバ共振器７Ｄの絶縁伝送部８を介して２次側に伝送され、整流器９において整流されるとコンデンサＣpcにより平滑される。そして、平滑された電力はドライバ１０に駆動用電源としてコンスタントに供給される。尚、トランスコイルＴＣの１次側，２次側では、各側コイルのインダクタンスＬとコンデンサＣ１，Ｃ２との直列共振動作が行われるので、本実施形態の構成も磁気共鳴方式を採用している。したがって、ＬＣ時定数は、電力搬送波の周波数に合わせて調整するのが望ましい。
【００２４】
重畳回路６は、発振回路５が出力する電力搬送波を、駆動装置４に入力されるＰＷＭ信号により振幅変調することになり、被変調信号が正相乗算信号となり、その反転が逆相乗算信号となる。これらの乗算信号は、それぞれ上部共振器７Ｕ，下部共振器７Ｂに入力され、同様に絶縁伝送部８を介して２次側に伝送され、整流器９において整流されるとコンデンサＣuc，Ｃbcにより平滑される。その結果、正相乗算信号は、駆動装置４に入力されるＰＷＭ信号と同じ信号として復調され、逆相乗算信号は、前記ＰＷＭ信号の反転信号として復調される。
【００２５】
したがって、ＰＷＭ信号がハイレベルを示す期間はドライバ１０の上側スイッチＳＷｕがオン，下側スイッチＳＷｂがオフとなり、ゲートをハイレベルにしてＩＧＢＴ２ａをターンオンさせる。一方、ＰＷＭ信号がローレベルを示す期間は上側スイッチＳＷｕがオフ，下側スイッチＳＷｂがオンとなり、ゲートをローレベルにしてＩＧＢＴ２ａをターンオフさせる。尚、上部共振器７Ｕ，下部共振器７Ｂの出力側の抵抗素子Ｒuc，Ｒbcは、コンデンサＣuc，Ｃbcに充電された電荷を放電させるために接続されている。また、各共振器７の出力電圧は、整流器９の出力側の接続される回路素子のインピーダンスを調整することで、適宜設定できる。
【００２６】
以上のように本実施形態によれば、駆動装置４は、トランスコイルＴＣ及び当該トランスコイルＴＣの２次側に接続される整流回路９を有してなる複数の共振器７を備える。発振器５は、入力されるＰＷＭ信号の周波数よりも高い周波数の電力搬送波を発振出力し、乗算器５が、ＰＷＭ信号と電力搬送波の正相信号及び逆相信号とをそれぞれ乗算した正相乗算信号及び逆相乗算信号を出力する。
【００２７】
ドライバ共振器７Ｄでは、トランスコイルＴＣｐの１次側に電力搬送波が入力され、整流回路９の出力端子に駆動回路１０の電源端子が接続される。上部共振器７Ｕでは、トランスコイルＴＣｕの１次側に正相乗算信号が入力され、整流回路９の出力端子に、駆動回路１０を構成する上側スイッチＳＷｕのゲートを接続し、下部共振器７Ｂでは、トランスコイルＴＣｂの１次側に逆相乗算信号を入力し、整流回路９の出力端子に下側スイッチＳＷｂのゲートを接続する。
【００２８】
これにより、ドライバ共振器７Ｄを介して駆動回路１０の動作用電源を供給し、上部共振器７Ｕを介して上側スイッチＳＷｕのゲート信号を、下部共振器７Ｂを介して下側スイッチＳＷｂのゲート信号を供給する。したがって、ＧＨｚオーダーのような高い搬送波周波数を用いる必要が無く、２０ＭＨｚ程度の電力搬送波を用いて電力を送信できるので、発振器５には極一般的な構成を採用できる。加えて、フォトカプラのような絶縁回路も用いることなく、１次側と２次側とを電気的に絶縁した状態で、駆動回路１０をスイッチング動作させることが可能になる。
【００２９】
また、駆動回路１０を構成する２つのスイッチＳＷｕ，ＳＷｂが同じ導電型の素子である場合に、上部共振器７Ｕ，下部共振器７ＢによりそれらのスイッチＳＷｕ，ＳＷｂを交互に導通させてスイッチング動作を行うことができる。そして、各共振器７Ｕ，７Ｄ，７Ｂをそれぞれ構成する各回路素子の定数は同じで良いから、各回路素子に全く同じものを使用できる。よって量産性を考慮すれば、共振器７を容易かつ低コストで構成できる。
【００３０】
尚、図３に示すように、ドライバ１０の抵抗素子Ｒswに代えて、上側スイッチＳＷｕのドレイン，下側スイッチＳＷｂのソース側にそれぞれ抵抗値が異なる抵抗素子Ｒｕ，Ｒｂを挿入することで、上側スイッチＳＷｕ，下側スイッチＳＷｂのスイッチング特性を個別に調整しても良い。また、必要が無ければ、抵抗素子Ｒswを削除しても良い。
【００３１】
（第２実施形態）
図４に示すように、第２実施形態の駆動装置２１は、各共振器７の整流器９を、倍電圧整流器２２に置き換えた共振器２３（Ｕ，Ｄ，Ｂ）を備えている。倍電圧整流器２２においては、ダイオード１３及び１４が削除され、コンデンサＣｃは、コンデンサＣc1及びＣc2の直列回路に置き換えられている。そして、絶縁伝送部８の２次側にある抵抗素子Ｒ２の一端は、上記直列回路の共通接続点に接続されている。
以上のように第２実施形態によれば、駆動装置２１を、倍電圧整流器２２を備える構成としたので、上側スイッチＳＷｕ，下側スイッチＳＷｂをより高い電圧で駆動することができる。
【００３２】
（第３実施形態）
図５及び図６に示すように、第３実施形態の駆動装置３１は、第１実施形態の駆動装置４より下部共振器７Ｂを削除し、ドライバ１０の下側スイッチＳＷｂのゲート信号は、上側スイッチＳＷｕのゲート信号をＮＯＴゲート３２により反転した信号とする。この場合、重畳回路６’は、正相乗算信号のみを出力すれば良い。この様に構成すれば、駆動装置３１をより小さい回路規模で構成できる。
【００３３】
本発明は上記した、又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
トランスコイルＴＣの１次側巻線，２次側巻線にそれぞれ挿入されているコンデンサは、１次側巻線，２次側巻線にそれぞれ並列に接続しても良い。
共振器７Ｕ，７Ｂと第２，第３電力伝達回路との対応関係は、逆でも良い。
第３実施形態において、スイッチＳＷｕ，ＳＷｂを相補型の素子で構成し（例えばＰチャネルＭＯＳＦＥＴ，ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ）、ＮＯＴゲート３２を削除しても良い。
【００３４】
第３実施形態の整流回路９を、倍電圧整流器２２に置き換えても良い。
駆動回路を構成するスイッチング素子は、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴを用いても良い。
また、駆動対象スイッチング素子はＩＧＢＴだけでなく、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタ等を用いても良く、駆動対象を限定するものではない。
【符号の説明】
【００３５】
図面中、２はＩＧＢＴ（駆動対象スイッチング素子）、４は駆動装置、５は発振器、６は重畳回路（乗算器）、７Ｕは上部共振器（第２電力伝達回路）、７Ｄはドライバ共振器（第１電力伝達回路）、７Ｂは下部共振器（第３電力伝達回路）、９は整流器（整流回路）、１０はドライバ（駆動回路）、ＴＣはトランスコイル、ＳＷｕ，ＳＷｂは上側，下側スイッチ（スイッチング素子）を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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