(57)【要約】【課題】ゲート信号の伝送路に光通信線手段を用いて信号の絶縁を図る場合、電力変換装置が大容量になると伝送距離が長くなる等の理由により、信号減衰の増大などの障害が発生する。【解決手段】制御回路部とゲート駆動回路との間に中継回路部を設ける。中継回路部には、その取付部材に光送信器、光受信器を配置してゲート駆動回路の光受信器、光送信器との信号の授受を行う。ゲート駆動回路に電源用電力を供給する変圧器は、ゲート駆動回路の取付部材上に設置する。また、中継回路部は変圧器に取付けられて光送信線の短縮化が図られる。【選択図】  図１
2015201931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御回路部とゲート駆動回路間を光通信手段による信号の授受を行って半導体スイッチングデバイスの制御を行うと共に、電源用の電力は変圧器を介して制御回路部からゲート駆動回路へ銅線を通して供給するよう構成された電力変換装置において、
前記制御回路部とゲート駆動回路との間に中継回路部を設け、中継回路部はその取付部材に光送信器および光受信器を配置してゲート駆動回路の光受信器，光送信器との信号の授受を行うよう構成したことを特徴とした電力変換装置のゲート駆動回路。
【請求項２】
前記中継回路部の取付けは、前記変圧器の上部に搭載して構成したことを特徴とした請求項1記載の電力変換装置のゲート駆動回路。
【請求項３】
前記変圧器の取付けは、前記ゲート駆動回路の取付部材上であることを特徴とした請求項1又は２記載の電力変換装置のゲート駆動回路。
【請求項４】
前記ゲート駆動回路の取付部材に、ゲートドライバ，光送信器，光受信器および変圧器を設け、中継回路部の光送信器，光受信器とゲート駆動回路の取付部材に設けた光受信器，光送信器間を光通信線で接続して構成したことを特徴とした請求項１乃至３の何れか1項に記載の電力変換装置のゲート駆動回路。
【請求項５】
制御回路部とゲート駆動回路間を光通信手段によるゲート信号の授受を行って半導体スイッチングデバイスの制御を行い、電源用の電力は変圧器を介して制御回路部からゲート駆動回路へ銅線を通して供給するよう構成された電力変換装置において、
前記制御回路部とゲート駆動回路との間に中継回路部を設け、中継回路部は取付部材に光送信器および光受信器を配置してゲート駆動回路の光受信器，光送信器との信号の授受を行う構成し、
前記制御回路部と中継回路部それぞれに、信号と電源用電力の混合分離を行う信号混合・分離部を設け、各信号混合・分離部の相互間は銅線で接続し、中継回路部における分離された電力は変圧器に出力し、分離された信号は光送信器に出力するよう構成したことを特徴とした電力変換装置のゲート駆動回路。
【請求項６】
前記中継回路部の取付けは、前記変圧器の上部に搭載して構成したことを特徴とした請求項５記載の電力変換装置のゲート駆動回路。
【請求項７】
前記変圧器の取付けは、前記ゲート駆動回路の取付部材上であることを特徴とした請求項５又は６記載の電力変換装置のゲート駆動回路。
【請求項８】
前記ゲート駆動回路の取付部材に、ゲートドライバ，光送信器，光受信器および変圧器を設け、中継回路部の光送信器，光受信器とゲート駆動回路の取付部材に設けた光受信器，光送信器間を光通信線で接続して構成したことを特徴とした請求項５乃至７の何れか１項に記載の電力変換装置のゲート駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置のゲート駆動回路に係わり、特に半導体スイッチングデバイスに印加される電圧の高い電力変換装置のゲート駆動回路の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置には、直流電力を交流電力に変換するインバータ、交流電力を直流電力に変換するコンバータ等がある。図５は一般的な３相インバータの主回路構成図であり、６個の半導体スイッチングデバイスにより構成されている。使用する半導体スイッチングデバイスは様々な種類のものが考えられるが、ここでは大容量の電力変換装置に使用されることの多いＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を例に説明する。なお、以下で述べる問題点および実施例等はＩＧＢＴに限定されるものではなく、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等の電圧制御型の自己消弧型半導体スイッチングデバイスであれば共通である。
【０００３】
３相インバータは、ＩＧＢＴ Ｓ１〜Ｓ６のＯＮ／ＯＦＦを制御回路部において決定し制御することにより、所望の交流電圧出力を得ることができる。各々のＩＧＢＴのＯＮ／ＯＦＦは、ゲート駆動回路部が出力するゲート・エミッタ間の電圧により決定され、例えば、Ｓ１，Ｓ２の直列アームを例にすると、Ｓ１のＯＮ／ＯＦＦはＧS1端子とＧS2端子間の電圧により、Ｓ２のＯＮ／ＯＦＦはＧS2端子とＥS2端子間の電圧により決定される。
【０００４】
ＥS2端子の電位は常に直流部のＮ端子電位であるが、ＥS1端子の電位はＳ１のＯＮ時には直流部のＰ端子の電位で、Ｓ２のＯＮ時には直流部のＮ端子電位である。このように、各々のＩＧＢＴのエミッタ電位は異なるため、各々のゲート・エミッタ間電圧は絶縁された電圧とする必要がある。
【０００５】
図６は特許文献１に記載された３相インバータの制御構成図である。制御回路部１０内のゲート信号生成部１１で生成したＳ１〜Ｓ６のＯＮ／ＯＦＦゲート信号は、各々絶縁されたゲート駆動回路部４０に入力され、絶縁されたゲート・エミッタ間電圧をゲートドライバ６０で生成し、Ｓ１〜Ｓ６（ＩＧＢＴ ７０）に入力される。
【０００６】
ゲート信号生成部１１からゲート駆動回路部４０に入力されるゲート信号は、フォトカプラ４１により絶縁され、制御回路部１０内の電源生成部１３から供給されるゲート駆動回路部４０の電源は、変圧器５１によって絶縁される。また、ゲート駆動回路部４０内のゲートドライバ６０では、ゲートドライバ６０及びＩＧＢＴ ７０の状態を示す状態信号が生成される。生成される状態信号は、例えば、ゲートドライバ６０の電源異常やＩＧＢＴ ７０の短絡の状態信号である。この状態信号は、異常発生時における装置の停止等に利用するために、フォトカプラ４１により絶縁されて制御回路部１０内の状態検知部１２に出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４０５５１１５
【特許文献２】特開平１１−３５６０３５
【特許文献３】特許第２８８８８７６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
半導体スイッチングデバイスに印加される電圧の高い電力変換装置、例えば、出力電圧がｋＶクラスのようにインバータ等のＩＧＢＴに印加される電圧が非常に高い場合、一般的なフォトカプラでは絶縁耐圧が不足するため、制御回路部とゲート駆動回路部間の絶縁信号の授受にフォトカプラを使用することができない。
【０００９】
高電圧の絶縁信号の授受を可能とするためには、例えば特許文献２のように光通信線（ライトガイド）を使用し、絶縁の必要な回路間の沿面距離を長く取ることが考えられる。すなわち、図７で示す３０が光通信線、１４，４３が光送信器、１５，４２が光受信器となる。しかし、光通信線はメタル線と比較して高価なため、光通信線を長距離使用すると電力変換装置の価格上昇につながる。
【００１０】
一般に、電力変換装置が大容量になると、制御回路部１０とゲート駆動回路部４０間は離れており、数メートル程度の光伝送が必要になることか多い。光通信線は伝送距離が長くなると信号減衰が大きくなるため、輝度の高い光送信器を用いる必要があり、光送信器自体が大型化すると共に、消費する電力も大きくなって電源回路等の周辺回路が大規模化し、電力変換装置の小型化を困難にしている。さらに光通信線は最小曲げ半径が大きいため、電力変換装置内で長距離使用した場合には電力変換装置の小型化の障害となっている。
【００１１】
また、光通信線が長いことは断線の可能性が高いことを意味しており、電力変換装置の信頼性の面でも好ましくない。更に、光通信線が長く高輝度の光送信器を使用することは、光送信器の寿命の面でも好ましくない。
【００１２】
上記の点から、信号線の本数低減による電力変換装置の小型化やコストダウンを考える場合、特許文献３のように信号を電力線に重畳する電力線通信方式が有効である。特許文献３では、配電系統において配電線路上に信号を重畳することが開示されており、変電所から開閉器への信号および開閉器から変電所への信号、
すなわち、双方向の信号を電力線上に重畳することが開示されている。
【００１３】
ところで、この電力線通信方式を、制御回路部とゲート駆動回路部との間で絶縁手段が必要となる電力変換装置に適用すると、電力線の途中に変圧器を経由する必要が生じる。特許文献３によれば、変圧器を経由する電力線通信方式では、変圧器における結合損失および内部損失によって信号が減衰する問題がある。
したがって、電力線通信方式を電力変換装置における制御回路部とゲート駆動回路部間の信号伝送に用いることは困難となっている。
【００１４】
本発明が目的とするとこは、高圧のゲート駆動回路の絶縁に光通信線の使用を容易とした電力変換装置のゲート駆動回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の請求項１は、制御回路部とゲート駆動回路間を光通信線手段による信号の授受を行って半導体スイッチングデバイスの制御を行うと共に、電源用の電力は変圧器を介して制御回路部からゲート駆動回路へ銅線を通して供給するよう構成された電力変換装置において、
前記制御回路部とゲート駆動回路との間に中継回路部を設け、中継回路部は取付部材に光送信器および光受信器を配置してゲート駆動回路の光受信器，光送信器との信号の授受を行うよう構成したことを特徴としたものである。
【００１６】
本発明の請求項２は、前記中継回路部の取付けは、前記変圧器の上部に搭載したことを特徴としたものである。
【００１７】
本発明の請求項３は、前記変圧器の取付けは、前記ゲート駆動回路の取付部材上であることを特徴としたものである。
【００１８】
本発明の請求項４は、前記ゲート駆動回路の取付部材に、ゲートドライバ，光送信器，光受信器および変圧器を設け、中継回路部の光送信器，光受信器とゲート駆動回路の取付部材に設けた光受信器，光送信器間を光通信線で接続したことを特徴としたものである。
【００１９】
本発明の請求項５は、制御回路部とゲート駆動回路間を光通信線手段によるゲート信号の授受を行って半導体スイッチングデバイスの制御を行い、電源用の電力は変圧器を介して制御回路部からゲート駆動回路へ銅線を通して供給するよう構成された電力変換装置において、
前記制御回路部とゲート駆動回路との間に中継回路部を設け、中継回路部は取付部材に光送信器および光受信器を配置してゲート駆動回路の光受信器，光送信器との信号の授受を行う構成し、
前記制御回路部と中継回路部それぞれに、信号と電源用電力の混合分離を行う信号混合・分離部を設け、各信号混合・分離部の相互間は銅線で接続し、中継回路部における分離された電力は変圧器に出力し、分離された信号は光送信器に出力するよう構成したことを特徴としたものである。
【００２０】
本発明の請求項６は、前記中継回路部の取付けは、前記変圧器の上部に搭載したことを特徴としたものである。
【００２１】
本発明の請求項７は、前記変圧器の取付けは、前記ゲート駆動回路の取付部材上であることを特徴としたものである。
【００２２】
本発明の請求項８は、前記ゲート駆動回路の取付部材に、ゲートドライバ、光送信器，光受信器および変圧器を設け、中継回路部の光送信器，光受信器とゲート駆動回路の取付部材に設けた光受信器，光送信器間を光通信線で接続したことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００２３】
以上のとおり、本発明によれば、次のような効果を生じるものである。
（１）信号絶縁に使用する部材として光通信線を使用し、使用する光通信線の長さは変圧器の高さ程度の短距離であるため、例え高価であったとしても、伝送距離が短いことで最小曲げ半径の大きい光通信線の使用が可能となる。
（２）伝送距離が短いため、伝送距離あたりの信号減衰が大きくとも光通信線の使用が可能となり、光通信線の中でも断面積の小さな比較的安価な光通信線を利用することができる。
（３）輝度の高い光送信器を用いる必要がなく、光送信器自体を小型化できると共に、消費電力も少なく、電源回路部などの周辺回路も小型化できるため、電力変換装置の小型化、低コスト化が可能となる。
（４）ゲート駆動回路部の取付部材上に変圧器を載置し、光通信線は変圧器の下部と上部間での短い配線となるので、銅線よりも折れ易い光通信線の断線による装置停止の可能性は低下し、電力変換装置の信頼性が向上する。
（５）光送信器は一般に経年変化により輝度か低くなるが、光伝送の距離が短いため輝度が低くても信号伝送が可能であり、結果として電力変換装置の寿命を長くすることができる。
（６）また、信号混合・分離部を設けた場合、制御回路部と中継回路部間の信号および電力の授受は、1個当たりのＩＧＢＴ ７０に対して1本の銅線でよく、電力変換装置のさらなる小型化が可能となるものである。また、信号混合・分離部を設けることで、変圧器を経由するのは電力のみとなり、電力線通信を採用しても、変圧器における結合損失および内部損失によって信号が減衰するような問題は生じないものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態を示すゲート駆動回路の機能概略接続図。
【図２】本発明のゲート駆動回路の概略構成図。
【図３】本発明の他のゲート駆動回路の機能概略接続図。
【図４】本発明の他のゲート駆動回路の概略構成図。
【図５】三相インバータの主回路接続図。
【図６】従来のゲート駆動回路の機能概略接続図。
【図７】従来の他のゲート駆動回路の機能概略接続図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の電力変換装置は、制御回路部とゲート駆動回路との間に中継回路部を設ける。中継回路部には、その取付部材に光送信器、光受信器を配置してゲート駆動回路の光受信器、光送信器との信号の授受を行う。ゲート駆動回路に電源用電力を供給する変圧器は、ゲート駆動回路の取付部材上に設置する。また、中継回路部は変圧器に取付けることで光送信線の短縮化が図られるものである。以下図に基づいて詳述する。
【実施例１】
【００２６】
図１は、インバータ制御装置を例にした本発明の第１の実施例を示す電力変換装置の機能接続図を示したもので、１０は制御回路部で、ゲート信号生成部１１、状態検知部１２および電源生成部１３を有している。５０は中継回路部で、絶縁部材等のような取付部材５０ａに光送信器４４，光受信器４７を配置する。光送信器４４はゲート信号生成部１１に、また、光受信器４７は状態検知部１２にそれぞれＩＧＢＴ ７０の素子数に対応した数の銅線２０を介して各別に設けられる。
【００２７】
４０はゲート駆動回路部で、このゲート駆動回路部４０は取付部材４０ａに光受信器４５，光送信器４６およびゲートドライバ６０が配置されている。光受信器４５は、中継回路部５０の光送信器４４と光通信線３１によって接続され、光送信器４６は中継回路部５０の光受信器４７と光通信線３１によって接続されて、それぞれは光通信線３１を介して信号の授受が行われる。
【００２８】
ゲートドライバ６０の出力側は、ＩＧＢＴ ７０のゲート・エミッタ間の端子に接続されている。５１は変圧器で、電源生成部１３によって生成された電源電圧は、この変圧器５１によって絶縁されてゲート駆動回路部４０の電源としてゲートドライバ６０などに供給される。
【００２９】
以上のように、本実施例では制御回路部１０と中継回路部５０との非絶縁間の信号・電力伝送は銅線２０を利用し、中継回路部５０とゲート駆動回路部４０の間は光通信線３１および変圧器５１によって絶縁する。つまり制御回路部１０側の電位とゲート駆動回路部４０側の電位は絶縁境界１００にて絶縁される。
【００３０】
図2は、図1で示す電力変換装置における絶縁境界１００近辺の構成図を示したものである。ゲート駆動回路部４０の取付部材４０ａ上には、ゲートドライバ６０と変圧器５１および光受信器４５，光送信器４６が配置される。変圧器５１
には、その側面でもよいが、ここでは、変圧器５１の上部に中継回路部５０の取付部材５０ａが載置されており、取付部材５０ａの面上には光送信器４４，光受信器４７が配設される。
【００３１】
取付部材４０ａに固定された光受信器４５，光送信器４６と、取付部材５０ａに固定された光送信器４４，光受信器４７間には、それぞれ変圧器５１の側面に沿って配設された光通信線３１が接続される。また、取付部材５０ａには外部との接続用端子５０ｂが取付けられており、光送信器４４，光受信器４７はこの端子５０ｂを介して銅線２０と接続される。
【００３２】
一方、取付部材４０ａ上にも外部との接続用の端子４０ｂが取付けられており、ゲートドライバ６０はこの端子４０ｂを介してＩＧＢＴ ７０に接続される。取付部材４０ａの面上には、ゲートドライバ６０と変圧器５１および光受信器４５，光送信器４６との接続線が設けられている。
【００３３】
変圧器５１は、絶縁境界１００で示す上部が一次側となっており、制御回路部１０の電源生成部１３で生成された出力電力は、銅線２０を通して変圧器５１の一次側巻線に入力され、変圧器下部の二次側巻線および接続線を通してゲートドライバ６０に入力されてゲート駆動回路部４０，中継回路部５０の駆動用電力として利用する。
【００３４】
制御回路部１０のゲート信号生成部１１で生成されたゲート信号は、端子５０ｂを介して光送信器４４に入力される。光送信器４４では電気信号を光信号に変換し、その信号は光通信線３１内を通過して光受信器４５に受信されて再度電気信号に変換される。変換された電気信号はゲートドライバ６０に入力され、ＩＧＢＴ ７０のゲート・エミッタ間電圧を制御する。
【００３５】
また、ゲートドライバ６０から出力されるＩＧＢＴ ７０やゲートドライバ６０の状態信号は電気信号として光送信器４６に出力される。電気信号は光送信器４６により光信号に変換され、光通信線３１内を通過して光受信器４７に入力される。光受信器４７ではゲート駆動回路部４０から絶縁された電気信号に再変換される。この電気信号は端子５０ｂおよび銅線２０を介して制御回路部１０の状態検知部１２に入力され、状態信号は装置の停止などに利用される。
【００３６】
この実施例によれば、次のような効果が生じるものである。
（１）信号絶縁に使用する部材として変圧器の高さ程度の長さで短距離であるため、例え高価であったとしても、伝送距離が短いことで最小曲げ半径の大きい光通信線の使用が可能となる。
（２）伝送距離が短いため、伝送距離あたりの信号減衰が大きくとも光通信線の使用が可能となり、断面積の小さな比較的安価な光通信線を利用することができる。
（３）輝度の高い光送信器を用いる必要がなく、光送信器自体を小型化できると共に、消費電力も少なく、電源回路部などの周辺回路も小型化できるため、電力変換装置の小型化、低コスト化が可能となる。
（４）ゲート駆動回路部の取付部材上に変圧器を載置し、光通信線は変圧器の下部と上部間での短い配線となるので、銅線よりも折れ易い光通信線の断線による装置停止の可能性は低下し、電力変換装置の信頼性が向上する。
（５）光送信器は一般に経年変化により輝度か低くなるが、光伝送の距離が短いため輝度が低くても信号伝送が可能であり、結果として電力変換装置の寿命を長くすることができる。
【実施例２】
【００３７】
図３，図４は第2の実施例を示したもので、第１の実施例である図１，図２と同一部分に同一符号を付してその説明を省略する。すなわち、制御回路部１０
に信号混合・分離部１６を設け、中継回路部５０に信号混合・分離部５２を設ける。この信号混合・分離部５２は図４で示すように端子５０ｂと光送信器４４，光受信器４７との間に配置される。
【００３８】
制御回路部１０と中継回路部５０の間は1回路の銅線２０で接続し、1本の銅線２０と中継回路部５０を介して制御回路部１０とゲート駆動回路部４０間の信号および電源の授受が行われる。制御回路部１０内では、ゲート信号生成部１１、状態検知部１２および電源生成部１３はそれぞれ信号混合・分離部１６と接続される。また、中継回路部５０内では、光送信器４４，光受信器４７および変圧器５１の一次側はそれぞれ信号混合・分離部５２と接続される。
【００３９】
以上のように構成されたものにおいて、制御回路部１０の電源生成部１３から出力される電力は、信号混合・分離部１６，銅線２０，中継回路部５０および変圧器５１を経由してゲート駆動回路部４０のゲートドライバ６０に入力され、ゲート駆動回路部４０および中継回路部５０の駆動用電力として利用する。
【００４０】
制御回路部１０内のゲート信号生成部１１で生成されたゲート信号は、信号混合・分離部１６に入力され、電源生成部１３から出力される電力と混合される。混合されたゲート信号は、銅線２０により中継回路部５０内の信号混合・分離部５２に入力されて電力から分離される。分離されたゲート信号は光送信器４４に入力されて光信号に変換され、光通信線３１内を通過して光受信器４５に入力される。
【００４１】
ゲート信号は光受信器４５内で、制御回路部１０から絶縁された電気信号に再変換される。この電気信号はゲートドライバ６０に入力され、ＩＧＢＴ ７０のゲート・エミッタ間電圧を制御する。また、ゲートドライバ６０から出力される
ＩＧＢＴ ７０やゲートドライバ６０の状態信号は、電気信号として光送信器４６に入力される。この状態信号は光送信器４６により光信号に変換され、光通信線３１を介し中継回路部５０の光受信器４７に入力されてゲート駆動回路部４０とは絶縁された電気信号に再変換される。
【００４２】
変換された電気信号は信号混合・分離部５２に入力され、電源生成部１３から出力される電力と混合される。混合された信号は銅線２０を介して制御回路部１０内の信号混合・分離部１６に入力され、電力から分離される。分離された信号は状態検知部１２に入力され、装置の停止信号や状態表示信号等に利用される。
【００４３】
この実施例によれば、信号混合・分離部を設けたことにより、制御回路部と中継回路部間の信号および電力の授受は、1個当たりのＩＧＢＴ ７０に対して1本の銅線でよく、電力変換装置のさらなる小型化が可能となるものである。また、信号混合・分離部を設けているため、変圧器を経由するのは電力のみであり、したがって、電力線通信を採用しても、特許文献３のような変圧器における結合損失および内部損失によって信号が減衰するような問題は生じないものである。他は、実施例１と同様な効果を有するものである。
【符号の説明】
【００４４】
１０…  制御回路部
１１…  ゲート信号生成部
１２…  状態検知部
１３…  電源生成部
１６，５２…  信号混合・分離部
２０…  銅線
３１…  光通信線
４０…  ゲート駆動回路部
４４，４６…  光送信器
４５，４７…  光受信器
５０…  中継回路部
５１…  変圧器
６０…  ゲートドライバ
７０…  半導体スイッチングデバイス（ＩＧＢＴ）
【図１】
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【図２】
2015201931.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015201931.tif 000006
【図５】
2015201931.tif 000007
【図６】
2015201931.tif 000008
【図７】
2015201931.tif 000009