(57)【要約】【課題】絶縁トランスの体積を小さくし、光ファイバケーブル等の伝送回路を省略可能として装置の小型，低コスト化を図る。【解決手段】直流／交流変換回路１３で直流を高周波交流に変換した電力と、インターフェイス回路２７からのゲート信号とを変調回路２６にて重畳し、絶縁トランス２１からｎ段目の絶縁トランス１８を介して駆動回路２５〜２２へと順次伝送することで、絶縁トランスの耐圧を低くして体積を小さくし、光ファイバケーブル等を省略できるようにする。【選択図】図１
2006271041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各アームにｎ（２以上の整数）個直列接続される電圧駆動型半導体素子の各々に対し、ゲート信号と電力とを同時に伝送可能な絶縁トランス回路と、この絶縁トランス回路から伝送されるゲート信号と電力とを分離する復調回路と、前記ゲート信号に基いて電圧駆動型半導体素子を駆動する駆動回路とを設けるとともに、１段目の絶縁トランス回路の一次側にゲート信号と電力とを合成する変調回路を接続し、この変調回路の信号入力に制御装置からの信号を受けるインターフェイス回路を接続し、前記変調回路の電源入力に直流／交流変換回路を介して直流電源を接続し、前記１段目の絶縁トランス回路の二次側に２段目の絶縁トランス回路の一次側を接続し、以下同様にしてｎ段目まで接続することを特徴とする電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置。
【請求項２】
各アームにｎ（２以上の整数）個直列接続される電圧駆動型半導体素子の各々に対し、ゲート信号と電力とを同時に伝送可能な絶縁トランス回路と、この絶縁トランス回路から伝送されるゲート信号と電力とを分離する復調回路と、前記ゲート信号に基いて電圧駆動型半導体素子を駆動する駆動回路とを設けるとともに、ｎ段目の絶縁トランス回路の一次側にゲート信号と電力とを合成する変調回路を接続し、この変調回路の信号入力に制御装置からの信号を受けるインターフェイス回路を接続し、前記変調回路の電源入力に直流／交流変換回路を介して直流電源を接続し、前記ｎ段目の絶縁トランス回路の二次側にｎ−１段目の絶縁トランス回路の一次側を接続し、以下同様にして１段目まで接続することを特徴とする電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置。
【請求項３】
各アームにｎ（２以上の整数）個直列接続される電圧駆動型半導体素子の各々に対し、ゲート信号と電力とを同時に伝送可能な絶縁トランス回路と、この絶縁トランス回路から伝送されるゲート信号と電力とを分離する復調回路と、前記ゲート信号に基いて電圧駆動型半導体素子を駆動する駆動回路とを設けるとともに、ｍ（２〜ｎ−１のいずれか）段目の絶縁トランス回路の一次側にゲート信号と電力とを合成する変調回路を接続し、この変調回路の信号入力に制御装置からの信号を受けるインターフェイス回路を接続し、前記変調回路の電源入力に直流／交流変換回路を介して直流電源を接続し、前記ｍ段目の絶縁トランス回路の二次側にｍ＋１段目の絶縁トランス回路の一次側を接続し、以下同様にしてｎ段目まで接続し、かつ、前記ｍ段目の絶縁トランス回路の二次側にｍ−１段目の絶縁トランス回路の一次側を接続し、以下同様にして１段目まで接続することを特徴とする電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置。
【請求項４】
前記電圧駆動型半導体素子のそれぞれに、スイッチングタイミングを一致させるタイミング調整回路を付加することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）のような電圧駆動型半導体素子を、アーム当たり複数個直列に接続した電力変換装置の、特にゲート駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に、各アームにＩＧＢＴ等の電圧駆動型半導体素子が複数個直列接続された一般的な電力変換装置（インバータ）の回路例を示す。
図５において、２８は三相交流入力電源、２９は整流回路、３０は平滑用コンデンサ、３１〜３６は複数個直列接続された電圧駆動型半導体素子、３７はモータ負荷である。各電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路ＧＤＵは、異なる基準電位で動作しているため、ゲート駆動回路ＧＤＵごとに絶縁を確保し、各ゲート駆動回路ＧＤＵにゲート信号と電力を供給する必要がある。
【０００３】
図６は例えば特許文献１に開示されたゲート駆動装置で、電圧駆動型半導体素子としてＩＧＢＴを４直列接続した例を示す。
図６において、１〜４はダイオードを逆並列に接続したＩＧＢＴ、５〜８は駆動回路、９〜１２は絶縁トランス、１３はＤＣ／ＡＣ（直流／交流）変換回路、１４は直流電源である。すなわち、ＩＧＢＴ１〜４には駆動回路５〜８が接続され、ゲート信号を伝送するための光ファイバケーブルが、駆動回路５〜８の信号入力に接続されている。また、直流電源１４がＤＣ／ＡＣ変換回路１３を介して絶縁トランス９〜１２の一次側に接続され、絶縁トランス９〜１２の二次側は駆動回路５〜８の各電源入力に接続されている。
【０００４】
図６の動作について説明する。
図示されない制御装置からのゲート信号（オン信号およびオフ信号）は、光ファイバケーブルによって各駆動回路５〜８にそれぞれ伝送されるため、ゲート信号は絶縁伝送されることになる。直流電源１４から電力が供給されると、ＤＣ／ＡＣ変換回路１３によって交流電力に変換され、絶縁トランス９〜１２を介して各駆動回路５〜８に電力が供給される。このように、駆動回路ごとに絶縁を確保して電力を供給するようにしている。
【特許文献１】特開平１０−１６４８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、駆動回路ごとに絶縁を確保して各ゲート駆動回路に電力を供給することができる。しかし、例えば、絶縁トランス１２の一次側の対地電位が０〔Ｖ〕、二次側の対地電位も０〔Ｖ〕になっていたとすると、ＩＧＢＴ１〜４のそれぞれのコレクタ−エミッタ間電圧をＶＣＥ〔Ｖ〕としたとき、絶縁トランス９の一次側の対地電位は３ＶＣＥ〔Ｖ〕となる。このことから、絶縁トランス９に必要な絶縁耐圧が高くなるため、絶縁トランスの体積が大きくなる。
【０００６】
また、駆動回路ごとにゲート信号を伝送するので、各駆動回路に光信号を電気信号に変換する回路などが必要となって基板面積が大きくなり、さらには光ファイバケーブルが直列数分必要となるためコストアップとなる。以上のように、特に電圧駆動型半導体素子を複数個直列接続した高圧大容量電力変換装置では、装置の大型化，高コスト化するという問題がある。
したがって、この発明の課題は、絶縁トランスに必要な絶縁耐圧を低くして小型，低コスト化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、各アームにｎ（２以上の整数）個直列接続される電圧駆動型半導体素子の各々に対し、ゲート信号と電力とを同時に伝送可能な絶縁トランス回路と、この絶縁トランス回路から伝送されるゲート信号と電力とを分離する復調回路と、前記ゲート信号に基いて電圧駆動型半導体素子を駆動する駆動回路とを設けるとともに、１段目の絶縁トランス回路の一次側にゲート信号と電力とを合成する変調回路を接続し、この変調回路の信号入力に制御装置からの信号を受けるインターフェイス回路を接続し、前記変調回路の電源入力に直流／交流変換回路を介して直流電源を接続し、前記１段目の絶縁トランス回路の二次側に２段目の絶縁トランス回路の一次側を接続し、以下同様にしてｎ段目まで接続することを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明では、各アームにｎ（２以上の整数）個直列接続される電圧駆動型半導体素子の各々に対し、ゲート信号と電力とを同時に伝送可能な絶縁トランス回路と、この絶縁トランス回路から伝送されるゲート信号と電力とを分離する復調回路と、前記ゲート信号に基いて電圧駆動型半導体素子を駆動する駆動回路とを設けるとともに、ｎ段目の絶縁トランス回路の一次側にゲート信号と電力とを合成する変調回路を接続し、この変調回路の信号入力に制御装置からの信号を受けるインターフェイス回路を接続し、前記変調回路の電源入力に直流／交流変換回路を介して直流電源を接続し、前記ｎ段目の絶縁トランス回路の二次側にｎ−１段目の絶縁トランス回路の一次側を接続し、以下同様にして１段目まで接続することを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明では、各アームにｎ（２以上の整数）個直列接続される電圧駆動型半導体素子の各々に対し、ゲート信号と電力とを同時に伝送可能な絶縁トランス回路と、この絶縁トランス回路から伝送されるゲート信号と電力とを分離する復調回路と、前記ゲート信号に基いて電圧駆動型半導体素子を駆動する駆動回路とを設けるとともに、ｍ（２〜ｎ−１のいずれか）段目の絶縁トランス回路の一次側にゲート信号と電力とを合成する変調回路を接続し、この変調回路の信号入力に制御装置からの信号を受けるインターフェイス回路を接続し、前記変調回路の電源入力に直流／交流変換回路を介して直流電源を接続し、前記ｍ段目の絶縁トランス回路の二次側にｍ＋１段目の絶縁トランス回路の一次側を接続し、以下同様にしてｎ段目まで接続し、かつ、前記ｍ段目の絶縁トランス回路の二次側にｍ−１段目の絶縁トランス回路の一次側を接続し、以下同様にして１段目まで接続することを特徴とする。
上記請求項１〜３のいずれかの発明においては、前記電圧駆動型半導体素子のそれぞれに、スイッチングタイミングを一致させるタイミング調整回路を付加することができる（請求項４の発明）
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、電圧駆動型半導体素子ｎ（２以上の整数）個直列接続した電力変換装置のゲート駆動装置において、高周波交流に変換したゲート電力にゲート信号を変調して重畳し、絶縁トランスを介して１段目の駆動回路からｎ段目の駆動回路、または、ｎ段目の駆動回路から１段目の駆動回路、もしくは、ｍ（２からｎ−１のいずれか）段目の駆動回路から１段目の駆動回路とｎ段目の駆動回路まで、順々にゲート信号と電力を同時に絶縁伝送することで、絶縁トランスの体積を小さくし、光ファイバケーブル等の信号伝送回路を省略可能として、特に高圧大容量電力変換装置の小型化，低コスト化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１はこの発明の実施の形態を示す回路構成図で、ＩＧＢＴを４直列接続した例である。
これは、図６に示すものに対し、タイミング調整回路１５〜１７、復調回路２２〜２５、変調回路２６およびインターフェイス回路２７等を付加して構成される。なお、１８〜２１は絶縁トランスである。タイミング調整回路としては、磁気結合を利用してスイッチングタイミングを調整する方法を利用しているが、このような方法は例えば特開２００２−２０４５７８号公報により公知である。
【００１２】
すなわち、各ＩＧＢＴ１〜４には、タイミング調整回路１５〜１７を介して駆動回路５〜８が接続され、駆動回路５〜８の信号入力と電源入力には、ゲート信号と電力とを分離する機能を備えた復調回路２２〜２５を介して、絶縁トランス１８〜２１の二次側がそれぞれ接続されている。
【００１３】
また、１段目の絶縁トランス２１の一次側には、変調回路２６の出力側が接続され、変調回路２６の電源入力にはＤＣ／ＡＣ変換回路１３と直流電源１４が順に接続され、変調回路２６の信号入力には図示されない制御装置からの信号を受けるインターフェイス回路２７が接続されている。そして、図１に示すように、１段目の絶縁トランス２１の二次側には２段目の絶縁トランス２０の一次側を接続し、２段目の絶縁トランス２０の二次側には３段目の絶縁トランス１９の一次側を接続し、３段目の絶縁トランス１９の二次側には４段目の絶縁トランス１８の一次側を接続する。
【００１４】
図１の動作について、図２を参照して説明する。
図１において、直流電源１４から図２（ｂ）のような電力が供給されると、ＤＣ／ＡＣ変換回路１３によって図２（ｃ）のような高周波交流電力に変換され、変調回路２６に入力される。また、図示されない制御装置から、図２（ａ）のようなゲート信号がインターフェイス回路２７に入力されると、このインターフェイス回路２７を介してゲート信号が変調回路２６に入力され、ゲート信号は上記高周波交流電力に重畳されて変調回路２６から、図２（ｄ）のような信号として出力される。
【００１５】
ゲート信号は電力と同時に絶縁トランス２１の二次側に絶縁伝送され、復調回路２５で図２（ｅ）のような電力と図２（ｆ）のようなゲート信号とに分離され、駆動回路８に伝送される。これと同時に２段目の絶縁トランス２０の一次側にも、高周波交流電力に重畳されたゲート信号が伝送され、復調回路２４および絶縁トランス２０を介して、駆動回路７にゲート信号と電力が同時に絶縁伝送される。このように、１段目の駆動回路８から４段目の駆動回路５まで、順々にゲート信号と電力を同時に絶縁伝送することができる。このことにより、１段目〜４段目の駆動回路に個別にゲート信号を伝送する必要がなくなるため、光ファイバケーブルを省略できるだけでなく基板面積を小さくすることができる。さらに、高周波で伝送することにより、絶縁トランスの小型化も可能となる。
【００１６】
図１で、例えば絶縁トランス２１の一次側の対地電位が０〔Ｖ〕、二次側の対地電位も０〔Ｖ〕になっていたとすると、ＩＧＢＴ１〜４のそれぞれのコレクタ−エミッタ間電圧をＶＣＥ〔Ｖ〕としたとき、絶縁トランス１８の一次側の対地電位は２ＶＣＥ〔Ｖ〕、二次側の対地電位は３ＶＣＥ〔Ｖ〕となり、絶縁トランス１８の一次側と二次側間に印加される電位はＶＣＥ〔Ｖ〕となる。
【００１７】
つまり、図６に示すものに対し、絶縁トランスに必要な絶縁耐圧を低くできるため、絶縁トランスをさらに小さくすることができる。
以上より、１段目の駆動回路から４段目の駆動回路まで、絶縁トランスによって順々にゲート信号と電力を同時に絶縁伝送することで、特に高圧大容量電力変換装置が大型化，高コスト化するという問題を解決することができる。
【００１８】
図３にこの発明の別の実施の形態を示す。
基本構成は図１と同じであるが、ここではゲート信号と電力が４段目の絶縁トランス１８から供給され、この４段目の絶縁トランス１８の二次側に３段目の絶縁トランス１９の一次側を接続し、３段目の絶縁トランス１９の二次側に２段目の絶縁トランス２０の一次側を接続し、２段目の絶縁トランス２０の二次側に１段目の絶縁トランス２１の一次側を接続して構成した点で相違している。
【００１９】
以上のように、図３の回路では４段目の駆動回路５から１段目の駆動回路８まで、順々にゲート信号と電力を同時に絶縁伝送する。その動作は図１と基本的に同じなので、詳細は省略する。
こうして、４段目の駆動回路から１段目の駆動回路まで、図１と同様に、絶縁トランスによって順々にゲート信号と電力を同時に絶縁伝送することで、特に高圧大容量電力変換装置が大型化，高コスト化するという問題を解決することができる。
【００２０】
図４にこの発明のさらに別の実施の形態を示す。
これも基本構成は図１と同じであるが、ここではゲート信号と電力が２段目の絶縁トランス２０から供給され、この２段目の絶縁トランス２０の二次側に、１段目の絶縁トランス２１の一次側と３段目の絶縁トランス１９の一次側を接続し、３段目の絶縁トランス１９の二次側に４段目の絶縁トランス１８の一次側を接続して構成した点で相違している。
このように、図４では２段目の駆動回路７から１段目の駆動回路８と４段目の駆動回路５まで、順々にゲート信号と電力を同時に絶縁伝送するが、その動作は図１と基本的に同様なので、詳細は省略する。
【００２１】
こうして、２段目の駆動回路から１段目と４段目の駆動回路まで、図１と同様に、絶縁トランスによって順々にゲート信号と電力を同時に絶縁伝送することで、特に高圧大容量電力変換装置が大型化，高コスト化するという問題を解決することができる。
なお、以上では、最下段の電圧駆動型半導体素子を１段目、最上段の電圧駆動型半導体素子をｎ段目として説明したが、最上段の電圧駆動型半導体素子を１段目、最下段の電圧駆動型半導体素子をｎ段目としても、この発明は同様にして適用可能である。
【００２２】
また、上記ではゲート信号を振幅変調する例について説明したが、周波数変調など他の変調方式を適用することができ、さらにはタイミング調整回路を用いない場合にも、同様にして適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明の実施の形態を示す回路構成図
【図２】図１の動作を説明するための各部波形図
【図３】この発明の他の実施の形態を示す回路構成図
【図４】この発明のさらに他の実施の形態を示す回路構成図
【図５】電力変換装置の一般的な例を示す回路図
【図６】ゲート駆動装置の従来例を示す回路構成図
【符号の説明】
【００２４】
１〜４（Ｑ１〜Ｑ４）…ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、５〜８…ゲート駆動回路、１３…ＤＣ／ＡＣ（直流／交流）変換回路、１４…直流電源、１６〜１７…タイミング調整回路、１８〜２１…絶縁トランス、２２〜２５…復調回路、２６…変調回路、２７…インターフェイス回路。
【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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