(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信部と、受信部と、前記送信部及び前記受信部の間で信号を伝送する信号伝送部とを備える通信システムであって、
前記送信部は、
入力信号に応じたパルス信号列を生成する第１のパルス生成部と、
前記入力信号の立上りエッジ及び立下りエッジでエッジパルスを生成する第２のパルス生成部と、
前記パルス信号列を第１の信号レベルで送信する第１のパルス駆動部と、
前記エッジパルスを前記第１の電圧レベルより高い第２の電圧レベルで送信する第２のパルス駆動部と、を備え、
前記受信部は、
前記パルス信号列を検知する第１の受信判定部と、
前記エッジパルス信号を検知する第２の受信判定部と、
前記第１の受信判定部が検知した前記パルス信号列に基づいて前記入力信号を復号した第１の復号信号と前記第２の受信判定部が検知した前記エッジパルスに基づいて前記入力信号を復号した第２の復号信号とを比較して前記入力信号を復号する復号信号生成部と、を備えることを特徴とする通信システム。
【請求項２】
前記第１のパルス駆動部及び前記第２のパルス駆動部は、それぞれ前記パルス信号列及び前記エッジパルスを差動信号として送信し、前記信号伝送部は、前記差動信号を差動通信により伝送し、前記第１の受信判定部及び前記第２の受信判定部は、前記差動信号を受信判定して、それぞれ前記パルス信号列及び前記エッジパルスを検知することを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
【請求項３】
前記信号伝送部は絶縁素子で構成され、前記送信部と前記受信部とは互いに絶縁分離されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の通信システム。
【請求項４】
前記受信部は、前記第１の受信判定部及び前記第２の受信判定部の出力に基づいて、前記第１の受信判定部の出力を制御するパルス受信制御回路を有する請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の通信システム。
【請求項５】
前記復号信号生成部は、前記第１の受信判定部の出力信号を所定の期間伸長するパルスストレッチ回路を有し、前記第２の受信判定部の出力信号に応じて、前記パルスストレッチ回路による前記第１の受信判定部の出力信号の伸長を停止することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の通信システム。
【請求項６】
前記信号伝送部から伝送されたパルスの電圧レベルが前記第２の電圧レベルよりも高い場合において、前記第1の受信判定部及び前記第２の受信判定部は、それぞれ前記パルス信号列及び前記エッジパルスを受信判定できる範囲になるように前記信号伝送部から伝送されたパルスの電圧レベルを調整する電圧レベル調整回路を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の通信システム。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の通信システムにおいて、２つの前記送信部と２つの前記受信部とを備え、一方の前記送信部及び一方の前記受信部は前記信号伝送部の１次側に接続され、他方の前記送信部及び他方の前記受信部は前記信号伝送部の２次側に接続され、前記一方の送信部から前記他方の受信部への信号の通信を行い、前記他方の送信部から前記一方の受信部への信号の通信を行う双方向であることを特徴とする通信システム。
【請求項８】
前記２つの送信部は、それぞれ前記第１のパルス駆動部及び前記第２のパルス駆動部の出力を制御するパルス出力段制御回路を有し、前記パルス出力段制御回路はパルスを送信しない期間に当該送信部のインピーダンスを高くすることを特徴とする請求項７に記載の通信システム。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載の通信システムにおいて、
前記信号伝送部は単一又は直列接続されたトランスで構成され、
前記一方の送信部と前記他方の受信部とによって前記トランスの１次側から２次側への通信を行い、
前記他方の送信部として、前記トランスの２次側のインピーダンスを変化させるインピーダンス制御回路を備え、
前記一方の送信部は前記トランスの駆動電流を検知する手段を有し、
前記インピーダンス制御回路は、前記トランスの２次側の情報を、前記トランスの２次側のインピーダンスを変化させ、前記トランスの駆動電流の変化によって前記トランスの１次側に伝送することを特徴とする通信システム。
【請求項１０】
前記他方の受信部は、前記第１の受信判定部で受信した前記パルス信号列に基づいて、前記一方の送信部のクロックと同期したクロックを生成する同期クロック生成回路を有し、前記他方の送信部は、前記同期クロック生成回路で生成したクロックに基づいて、前記パルス信号列を、前記一方の送信部から送信される前記パルス信号列の隙間を埋めるように送信することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の通信システム。
【請求項１１】
前記一方の送信部が送信する前記エッジパルスと、前記他方の送信部が送信する前記エッジパルスとは、パルス幅又はパルス数が互いに異なることを特徴とする請求項７、請求項８又は請求項１０の何れか一項に記載の通信システム。
【請求項１２】
半導体スイッチング素子のオン・オフを制御する半導体駆動装置であって、
前記半導体スイッチング素子のオン・オフを指令する信号である指令信号を出力する上位論理部と、
請求項１乃至請求項１１の何れか一項に記載の通信システムと、を備え、
前記上位論理部から出力された指令信号を、前記信号伝送部の１次側に接続された送信部に入力信号として入力し、前記信号伝送部の２次側の接続された受信部から復号した信号によって前記半導体スイッチング素子のオン・オフを制御することを特徴とする半導体駆動装置。
【請求項１３】
前記通信システムとして請求項７乃至請求項１０の何れか一項に記載の通信システムを備え、前記半導体スイッチング素子のオン・オフ状態を判定する状態判定回路を更に備え、前記他方の送信部は前記状態判定回路による判定結果を前記一方の受信部に送信し、前記一方の受信部は前記判定結果を前記上位論理部に出力することを特徴とする請求項１２に記載の半導体駆動装置。
【請求項１４】
２個の半導体スイッチング素子を直列に接続して構成した上下アームを複数備えた電力変換装置であって、
前記複数の上下アームを構成する半導体スイッチング素子のオン・オフを制御する複数の請求項１２又は請求項１３に記載の半導体駆動装置を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス信号の送受信を行う通信システム、その通信システムを用いた半導体駆動装置及びその半導体駆動装置を用いた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、大型の産業用機器で適用される通信システムには、劣悪なノイズ環境下でも正しく情報を伝送できる高信頼性が求められる。そのような大型産業機器として、例えば高速鉄道などの交通手段や風力発電などの発電設備、その他の工場などで使用される電力変換装置が挙げられる。このような機器で必要となる、インバータをはじめとする電力変換装置は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作によって電力変換を実現している。そのスイッチング動作を制御する半導体駆動装置は、半導体スイッチング素子のスイッチング時に発生するノイズ環境下に晒されながら、半導体スイッチング素子の駆動信号を発生する制御回路である上位論理部と半導体スイッチング素子との間で高い絶縁性を確保して通信する必要がある。この半導体駆動装置が伝送する駆動指令信号に誤りが発生すれば、本来はオフ状態であるべき半導体スイッチング素子が誤オンし、インバータの上下アームが同時にオンする短絡状態を引き起こす恐れがある。
【０００３】
このような絶縁通信回路においては、例えば磁気結合を用いた絶縁トランスを介して通信をする方法が知られている。
例えば、特許文献１には、送信する信号の立上り及び立下りにおいて、パルス幅の狭いエッジパルスを生成し、このパルス信号を絶縁トランスを介して受信側に送り、受信側では、送られた信号のパルス電圧を判定し、その信号の状態をフリップフロップ回路によって保持する方法が記載されている。
【０００４】
この方法は、絶縁トランスに電圧が印加される期間が短く、トランスに流れる電流が小さいため、磁気飽和が発生しにくく、かつ通信で発生する損失が少ないために送信する信号の電圧を大きくできる、といった特徴がある。一方で、送信する信号のエッジに対応して送信したパルスに基づく信号をフリップフロップ回路で保持するため、ノイズによってこの信号が反転すると、次のエッジに対応する信号を受信するまでの長期間にわたって誤り状態を保持するという問題がある。
【０００５】
これに対して、特許文献２には、入力信号が発生している期間中に、絶縁トランスを介して連続的なパルスを受信側に送信する方法が記載されている。
この方法では、フリップフロップ回路を用いて信号を保持することがないため、ノイズによって通信に異常が発生した後でも、比較的迅速に再度正常な状態を回復することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００４／１００４７３号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２０１１／０１８８３５号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に記載された方法では、より厳しいノイズ環境での信号の欠損を防止するために、送信する信号の振幅を増加することでＳ／Ｎ比の改善を図る場合には、通信による損失が著しく大きくなるという問題があった。また、トランスを用いた通信では、偏磁による磁気飽和を防止するために双極性のパルスを送信することが好ましいため、この方法で入力信号と出力信号の同期性（入力信号と出力信号との一致性）を確保しようとする場合は、特許文献２の図１１に記載されるようなデューティ１００％のパルスを送信する方法が考えられる。この場合も、パルスのデューティが大きいために損失が大きくなるという問題がある。このように、厳しいノイズ環境下でも低損失で高信頼な通信を実現でき、かつ入力信号と出力信号との同期性を実現しやすい通信システムが求められていた。
【０００８】
本発明は、前記した問題に鑑みて創案されたものであり、劣悪なノイズ環境下においても、低損失で信頼性の高い通信を実現する通信システム、その通信システムを用いた半導体駆動装置及びその半導体駆動装置を用いた電力変換回路を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記した課題を解決するために、本発明の通信システムは、送信部と、受信部と、前記送信部及び前記受信部の間で信号を伝送する信号伝送部とを備える通信システムであって、前記送信部は、入力信号に応じたパルス信号列を生成する第１のパルス生成部と、前記入力信号の立上りエッジ及び立下りエッジでエッジパルスを生成する第２のパルス生成部と、前記パルス信号列を第１の信号レベルで送信する第１のパルス駆動部と、前記エッジパルスを前記第１の電圧レベルより高い第２の電圧レベルで送信する第２のパルス駆動部と、を備え、前記受信部は、前記パルス信号列を検知する第１の受信判定部と、前記エッジパルス信号を検知する第２の受信判定部と、前記第１の受信判定部が検知した前記パルス信号列に基づいて前記入力信号を復号した第１の復号信号と前記第２の受信判定部が検知した前記エッジパルスに基づいて前記入力信号を復号した第２の復号信号とを比較して前記入力信号を復号する復号信号生成部と、を備えて構成した。
【００１０】
また、本発明の半導体駆動装置は、半導体スイッチング素子のオン・オフを制御する半導体駆動装置であって、前記半導体スイッチング素子のオン・オフを指令する信号である指令信号を出力する上位論理部と、本発明の通信システムと、を備え、前記上位論理部から出力された指令信号を、前記信号伝送部の１次側に接続された送信部に入力信号として入力し、前記信号伝送部の２次側の接続された受信部から復号した指令信号に基づいて前記半導体スイッチング素子のオン・オフを制御するように構成した。
【００１１】
また、本発明の電力変換回路は、２個の半導体スイッチング素子を直列に接続して構成した上下アームを複数備えた電力変換装置であって、前記複数の上下アームを構成する半導体スイッチング素子のオン・オフを制御する複数の本発明の半導体駆動装置を備えて構成した。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、劣悪なノイズ環境下においても、低損失で信頼性の高い通信システム、半導体駆動装置及び電力変換装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る通信システムの基本構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る通信システムの詳細構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る通信システムにおける電圧レベル調整回路の例を示す回路図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る通信システムにおける各信号のタイムシーケンスを示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る通信システムにおいて、入力信号が未入力（Ｌｏレベル）時にノイズが発生した場合の、各信号とノイズのタイムシーケンスの例を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る通信システムにおいて、入力信号がＨｉレベル時に小振幅ノイズが発生した場合の、各信号とノイズのタイムシーケンスの例を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る通信システムにおいて、入力信号がＨｉレベル時に大振幅ノイズが発生した場合の、各信号とノイズのタイムシーケンスの例を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る通信システムにおいて、連続パルスを変形例１の波形にした場合の、各信号のタイムシーケンスの例を示す図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る通信システムにおいて、連続パルスを変形例２の波形にした場合の、各信号のタイムシーケンスの例を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る通信システムの構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る通信システムにおいて、双方向にエッジパルスを送信した場合のタイムシーケンスの例を示す図である。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る通信システムを備えた半導体駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第３実施形態に係る通信システムにおいて、変形例２のエッジパルスの波形を示す図である。
【図１４】本発明の第４実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施する形態について、図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
［通信システムの構成］
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る通信システム１の基本構成について説明する。図１に示すように、第１実施形態に係る通信システム１は、送信部２、受信部３及び信号伝送部４から構成されている。通信システム１は、送信部２に入力された入力信号ＳＩＮを連続パルスとエッジパルスとからなるパルス信号に変換して、信号伝送部４を介して受信部３に伝送し、受信部３によってパルス信号から元の信号を復号して出力信号ＳＯＵＴとして出力するものである。
【００１５】
ここで、通信システム１は、例えば、発電設備のような大型産業機器で用いられる電力変換装置において、電力変換用の半導体スイッチング素子の駆動指令信号を発生する制御回路である上位論理部から出力される駆動指令信号を入力信号ＳＩＮとして入力し、その駆動指令信号を絶縁を介して半導体スイッチング素子の駆動側に出力信号ＳＯＵＴとして出力するものである。
続いて各部の構成について説明する。
【００１６】
送信部２は、複数の送信側電源１４，１５及び送信側ＧＮＤ（グランド）１２に接続されている。一方、受信部３は、受信側電源１６及び受信側ＧＮＤ（グランド）１３に接続されている。また、この通信システム１が絶縁通信システムに適用される場合は、一般に送信側ＧＮＤ１２と受信側ＧＮＤ１３とは異なる電位となる。更に、図１における信号伝送部４は、差動信号を伝送する場合を例として示している。
【００１７】
送信部２は、連続パルス生成部５と、連続パルス駆動部６と、エッジパルス生成部７と、エッジパルス駆動部８とを有して構成されている。
【００１８】
連続パルス生成部（第１のパルス生成部）５は、入力信号ＳＩＮに応じてパルスが連続したパルス信号列を生成し、生成したパルス信号列（以下、連続パルスという）を連続パルス駆動部６に出力する。本実施形態では、連続パルス生成部５は、入力信号ＳＩＮがＨｉレベルのときに連続パルスを発生するが、これに限定されるものではなく、例えば、入力信号ＳＩＮがＬｏレベルのときに連続パルスを発生するように構成してもよい。
【００１９】
連続パルス駆動部（第１のパルス駆動部）６は、連続パルス生成部５から入力した連続パルスを、所定の電圧レベル（パルス高）のパルス信号に変換して、信号伝送部４を介して受信部３に送信する。
【００２０】
エッジパルス生成部（第２のパルス生成部）７は、入力信号ＳＩＮの立上り及び立下りで、比較的パルス幅が狭いエッジパルスを生成し、生成したエッジパルスをエッジパルス駆動部８に出力する。
【００２１】
エッジパルス駆動部（第２のパルス駆動部）８は、エッジパルス生成部７から入力したエッジパルスを、所定の電圧レベル（パルス高）のパルス信号に変換して、信号伝送部４を介して受信部３に送信する。
ここで、エッジパルス駆動部８から送信するエッジパルスの電圧レベルは、連続パルス駆動部６から送信する連続パルスの電圧レベルよりも、高い電圧レベルとする。
【００２２】
なお、ここで電圧レベルが高いとは、Ｌｏレベルの電圧レベルとＨｉレベルの電圧レベルとの差の絶対値が大きいことをいうものとする。従って、正極性のパルスであっても、負極性のパルスであっても、振幅の大きなパルスであることをいうものとする。
【００２３】
これを実現するために、例えば、図１に示すように、エッジパルス駆動部８が接続される送信側電源１５の電圧ＶＤＤ１’が、連続パルス駆動部６が接続される送信側電源１４の電圧ＶＤＤ１よりも高い場合に、連続パルス駆動部６及びエッジパルス駆動部８から送信されるエッジパルス及び連続パルスの電圧を、それぞれ電圧ＶＤＤ１’及び電圧ＶＤＤ１とすることができる。あるいは、送信側電源１４及び１５の電圧ＶＤＤ１’及び電圧ＶＤＤ１が同一である場合は、連続パルスの電圧レベルを、例えば分圧抵抗を用いて送信側電源１４の電圧ＶＤＤ１よりも低くするようにすることができる。
【００２４】
以下、本実施形態は、後者の場合を例として説明し、電源（電圧レベル）の説明は、適宜省略する。
なお、送信側電源１４の電圧ＶＤＤ１よりも高い電圧の送信側電源１５の電圧ＶＤＤ１’を得る方法としては、チャージポンプ回路等の昇圧回路で実現することができる。あるいは、本発明の適用が期待できる半導体駆動装置において、駆動回路の電源（例えば５Ｖ）の他に、半導体のゲート駆動を制御するために電圧の高い電源（例えば１５Ｖ）を有している場合は、高低２種類の電圧ＶＤＤ１’及び電圧ＶＤＤ１を容易に利用することができる。
【００２５】
信号伝送部４は、送信部２と受信部３との間で絶縁通信を行うための信号の伝送手段である。信号伝送部４としては、具体的には、磁気結合素子、容量結合素子やＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）素子などを用いて構成することができる。
本実施形態では、磁気結合素子である絶縁トランスを用いた場合を例として説明する。
【００２６】
受信部３は、連続パルス判定部９と、エッジパルス判定部１０と、復号信号生成部１１と、を有して構成されており、信号伝送部４を介して送信部２から送信される連続パルス及びエッジパルスを受信し、入力信号ＳＩＮを復元して出力信号ＳＯＵＴとして出力するものである。
【００２７】
連続パルス判定部（第１の受信判定部）９は、信号伝送部４を介して受信した信号から連続パルスの受信判定（連続パルスの検知）を行うものである。連続パルス判定部９は、受信判定結果を復号信号生成部１１に出力する。
【００２８】
エッジパルス判定部（第２の受信判定部）１０は、信号伝送部４を介して受信した信号からエッジパルスの受信判定（エッジパルスの検知）を行うものである。エッジパルス判定部１０は、受信判定結果を復号信号生成部１１に出力する。
【００２９】
復号信号生成部１１は、連続パルス判定部９及びエッジパルス判定部１０から、それぞれ連続パルスの受信判定結果及びエッジパルスの受信判定結果を入力し、これらの受信判定結果に基づいて元の入力信号ＳＩＮを復号して、復号した信号を出力信号ＳＯＵＴとして外部に出力するものである。
【００３０】
次に、図２を参照して、第１実施形態に係る通信システム１の、より具体的な構成について説明する。
【００３１】
図２に示す通信システム１は、絶縁通信のために信号伝送部４に磁気結合素子である絶縁トランス２００を用いたトランス通信システムである。通信システム１は、絶縁トランス２００の磁気飽和を抑制するために、送信部２から受信部３に伝送するパルス信号として、双極性のパルスを送受信する構成になっている。
【００３２】
連続パルス生成部５は、２つの連続パルス生成回路１０２及び１０３と、クロック生成回路１００とを有している。
【００３３】
クロック生成回路１００は、連続パルス生成回路１０２及び１０３にクロック周期ＴＣＬＫのクロックパルスを提供すると共に、立上りエッジパルス生成回路１０４が出力するエッジパルスに対して、予め規定された間隔をあけて連続パルスを生成する機能を有する。クロック生成回路１００は、更に、入力信号ＳＩＮがＬｏレベルになると、連続パルス生成回路１０２及び１０３に出力するクロックを即座に停止する機能を有する。
【００３４】
連続パルス生成回路１０２及び連続パルス生成回路１０３は、それぞれ互いに位相が１８０°ずれ、それぞれ正極性及び負極性の連続パルスを生成し、それぞれ連続パルス駆動部６のパルス出力段１０６及び１０７に出力する。すなわち、連続パルス生成部５からは、ＴＣＬＫ／２ごとに、正極性のパルスと負極性のパルスとが交互に出力される。
【００３５】
また、エッジパルス生成部７は、立上りエッジパルス生成回路１０４及び立下りエッジパルス生成回路１０５を有している。
【００３６】
立上りエッジパルス生成回路１０４及び立下りエッジパルス生成回路１０５は、それぞれ、入力信号ＳＩＮの立上り（ＬｏレベルからＨｉレベルへの変化時）及び立下り（ＨｉレベルからＬｏレベルへの変化時）に、パルスを生成し、それぞれエッジパルス駆動部８のパルス出力段１０８及び１０９に出力する。このとき、本実施形態では、立上りエッジを示すエッジパルスは正極性とし、立下りエッジを示すエッジパルスは負極性とする。
【００３７】
連続パルス駆動部６は、パルス出力段１０６及びパルス出力段１０７と、整流素子１１１及び整流素子１１２、とを有している。
【００３８】
パルス出力段１０６及びパルス出力段１０７は、それぞれ連続パルス生成回路１０２により生成された正極性の連続パルス及び連続パルス生成回路１０３により生成された負極性の連続パルスを、所定の電圧レベルのパルス信号として、それぞれ整流素子１１１及び整流素子１１２を介して信号伝送部４の絶縁トランス２００の一次側に出力する。
【００３９】
整流素子１１１及び整流素子１１２は、それぞれパルス出力段１０６及び１０７と絶縁トランス２００の一次側の端部との間に設けられ、パルス出力段１０８及び１０９が、パルス出力段１０６及び１０７と異なる電源に接続されている場合に、パルス出力段１０８及び１０９が送信する信号がパルス出力段１０６及び１０７を介した電流にクランプされるのを抑制する目的で設けられている逆流防止用の整流素子である。
【００４０】
エッジパルス駆動部８は、パルス出力段１０８及びパルス出力段１０９を有している。
【００４１】
パルス出力段１０８及びパルス出力段１０９は、それぞれエッジパルス生成回路１０４により生成された正極性のエッジパルス及びエッジパルス生成回路１０５により生成された負極性のエッジパルスを、所定の電圧レベルにパルス信号として、信号伝送部４の絶縁トランス２００の一次側に出力する。
このとき、パルス出力段１０８及び１０９が出力するパルスの電圧レベルは、パルス出力段１０６及び１０７が出力するパルスの電圧レベルよりも高くなるように設定されている。
【００４２】
信号伝送部４は、絶縁トランス２００と、受信抵抗２０１及び２０２とを有して構成されている。受信抵抗２０１及び２０２は、それぞれ、その一端が絶縁トランス２００の２次側（受信部３側）の互いに異なる端部に接続され、他端が、何れも受信側ＧＮＤ１３に接続されている。
【００４３】
ここで、絶縁トランス（トランス）２００は、送信部２から送信された信号を、磁気結合作用によって、絶縁トランス２００の２次側に電流を励起させる。そして、受信抵抗２０１及び２０２は、この２次側に励起された電流を電圧に変換するものである。
【００４４】
連続パルス判定部９は、電圧レベル調整回路３００及び３０１と、コンパレータ３０４，３０５とを有して構成されている。また、エッジパルス判定部１０は、電圧レベル調整回路３０２及び３０３と、コンパレータ３０６及び３０７とを有して構成されている。
【００４５】
電圧レベル調整回路３００及び３０１は、絶縁トランス２００の２次側のトランス端子間の差動電圧を、それぞれコンパレータ３０４及び３０５による連続パルスの受信に最適に調整するものである。一方、電圧レベル調整回路３０２及び３０３は、それぞれコンパレータ３０６及び３０７による、連続パルスよりも電圧レベルの高いエッジパルスの受信に最適に調整するものである。
【００４６】
例えば、ノイズによる信号の誤受信と、ノイズによる信号振幅の減少起因する受信不可が同じ電圧レベルで発生する場合、コンパレータ３０４及び３０５の判定レベルは連続パルスの電圧振幅（第１の電圧レベル）ＶＬの１／２に設定することが好ましい。同様に、コンパレータ３０６及び３０７の判定レベルは、エッジパルスの電圧振幅（第２の電圧レベル）ＶＨの１／２に設定することが好ましい。これによって、それぞれ適切にパルス信号の受信判定をすることができる。以下、本実施形態は、コンパレータ３０４、３０５、及びコンパレータ３０６、３０７の判定レベルを、それぞれＶＬの１／２及びＶＨの１／２に設定した場合を例として説明するが、本発明の通信システムは、これに限定されるものではない。
なお、電圧レベル調整回路３００〜３０３の詳細については後記する。
【００４７】
また、コンパレータ３０４〜３０７は、絶縁トランス２００の２次側のトランス端子間の差動電圧ＶＴを判定してパルス信号を受信するものである。なお、本実施形態では、コンパレータ３０４〜３０７は、それぞれ、対応する電圧レベル調整回路３００〜３０３によって対応するパルスの判定に最適な電圧レベルに調整された信号が入力される。
【００４８】
コンパレータ３０４及び３０５は、電圧レベル調整回路３００及び３０１によってパルス信号の受信判定に最適な電圧レベルに調整された絶縁トランス２００の２次側の端子間電圧を、互いに逆極性となるように入力し、それぞれ正極性及び負極性の連続パルスを受信判定するものである。そして、コンパレータ３０４及び３０５は、それぞれの連続パルスの受信判定信号をパルスストレッチ回路３０９に出力する。また、コンパレータ３０４及び３０５の出力制御端子には、パルス受信制御回路３０８から受信判定信号の出力を制御する信号が入力され、出力を停止する信号が入力されたときは、受信判定信号の出力を停止、すなわち、受信判定を停止する。
【００４９】
また、コンパレータ３０６及び３０７は、電圧レベル調整回路３０２及び３０３によってパルス信号の受信判定に最適な電圧レベルに調整された絶縁トランス２００の２次側の端子間電圧を、互いに逆極性となるように入力し、入力信号ＳＩＮのそれぞれ立上りを示すエッジパルス及び立下りを示すエッジパルスを受信判定するものである。そして、コンパレータ３０６及び３０７は、それぞれエッジパルスの受信判定信号を復号信号生成部１１のＯＲ回路３１２及び３１３の入力端子に出力すると共に、パルス受信制御回路３０８に出力する。更に、コンパレータ３０７は、立下りを示すエッジパルスの受信判定信号をパルスストレッチ回路３０９に出力する。
【００５０】
ここで、図３を参照して、電圧レベル調整回路３００の具体例について説明する。なお、電圧レベル調整回路３０１〜３０３も同様の回路を用いることができる。図３に示すように、電圧レベル調整回路３００は、整流素子４００と、分圧抵抗４０１〜４０３と、整流素子４０４及び４０５とを有して構成されている。
【００５１】
分圧抵抗４０２及び４０３は受信側電源１６と受信側ＧＮＤ１３との間に直列に接続されている。また、整流素子４００及び分圧抵抗４０１は、入力端子と分圧抵抗４０２及び４０３の接続点との間に直列に接続されている。また、整流素子４０４及び４０５は、受信側電源１６と受信側ＧＮＤ１３との間に直列に接続されている。更に、分圧抵抗４０２及び４０３の接続点と整流素子４０４及び４０５の接続点とは出力端子と接続されている。
【００５２】
電圧レベル調整回路３００に入力される電圧が、受信部３の受信側電源１６の電圧ＶＤＤ２よりも高い場合であっても、分圧抵抗４０１〜４０３の抵抗値を調整することにより、コンパレータ３０４（図２参照）への入力電圧を受信側電源１６の電圧ＶＤＤ２の電圧以下にすることができる。ここで、整流素子４００は電流の逆流を防止する目的で設置され、一方で整流素子４０４及び４０５は、ノイズ電流の流入時にコンパレータ３０４への入力部の電圧が素子耐圧を超えることを防止する目的で設けられている保護用の整流素子である。
【００５３】
図２に戻って、復号信号生成部１１は、パルスストレッチ回路３０９と、信号比較回路３１０と、フィルタ回路３１１と、ＯＲ回路３１２及び３１３と、ＲＳ型フリップフロップ回路３１４と、ＮＯＴ回路３１５と、ＡＮＤ回路３１６及び３１７と、バッファ３１８と、を有して構成されている。
【００５４】
パルスストレッチ回路３０９は、コンパレータ３０４及び３０５で生成した連続パルスの受信判定信号を入力し、正極性及び負極性のパルスを併せた連続パルスの間隔（ＴＣＬＫ／２）だけストレッチ（伸張）して、連続パルス受信信号（第１の復号信号）ＳＡＭＩを生成するものである。また、パルスストレッチ回路３０９は、コンパレータ３０７から受信判定信号を入力し、立下りエッジパルスを受信判定した信号が入力されると、パルスのストレッチを即座に停止する機能を有する。これにより、連続パルス受信信号ＳＡＭＩの立下りを、送信部２側の入力信号ＳＩＮの立下りと同期させることができる。
【００５５】
また、本実施形態では、受信部３は、パルス受信制御回路３０８を備えている。パルス受信制御回路３０８は、エッジパルス判定部１０がエッジパルスの受信判定をする際に、連続パルス判定部９が受信判定しないように制御するものである。このために、パルス受信制御回路３０８は、コンパレータ３０７及び３０８から、それぞれ立上りエッジパルス及び立下りエッジパルスを入力し、何れかのエッジパルスが入力されたときに、連続パルスの判定を停止する制御信号を生成して、コンパレータ３０４及び３０５の出力制御端子に出力する。
【００５６】
コンパレータ３０６及び３０７で生成したエッジパルスの受信判定信号は、それぞれＯＲ回路３１２及び３１３を介して、ＲＳ型フリップフロップ回路３１４のそれぞれＳ端子及びＲ端子に入力されてエッジパルスラッチ信号（第２の復号信号）ＳＲＳが生成され、ＲＳ型フリップフロップ回路３１４のＱ端子から出力される。この信号は、バッファ３１８を介して出力信号ＳＯＵＴとして外部に出力される。
【００５７】
信号比較回路３１０は、パルスストレッチ回路３０９から入力する連続パルス受信信号ＳＡＭＩとＲＳ型フリップフロップ回路３１４から入力するエッジパルスラッチ信号ＳＲＳとを比較し、状態が異なるときにＨｉレベルとなる比較信号ＳＸＯＲを出力する。具体的には、信号比較回路３１０はＸＯＲ回路などで実現することができる。
【００５８】
フィルタ回路３１１は、信号比較回路３１０から比較信号ＳＸＯＲを入力し、入力した比較信号ＳＸＯＲから、予め定められた所定期間であるラッチ信号修正期間ＴＴＲＧ未満の長さのＨｉレベルの信号をフィルタ（除去）するものである。但し、ＴＴＲＧ＞ＴＳＴＲとする。フィルタ回路３１１は、フィルタ処理後の比較信号ＳＸＯＲを、ＡＮＤ回路３１６及び３１７に出力する。
【００５９】
ＮＯＴ回路３１５、ＡＮＤ回路３１６及び３１７からなるロジック回路は、パルスストレッチ回路３０９から出力される連続パルス受信信号ＳＡＭＩと、フィルタ回路３１１から出力される前記したフィルタ処理後の比較信号ＳＸＯＲとを入力し、エッジパルスラッチ信号ＳＲＳとなるＲＳ型フリップフロップ回路３１４の保持データ（Ｑ端子の出力データ）を書き変える信号を生成するものである。ＡＮＤ回路３１６及び３１７の一方の入力端子には、何れもフィルタ回路３１１の出力信号が入力され、他方の入力端子には、それぞれ連続パルス受信信号ＳＡＭＩ及び連続パルス受信信号ＳＡＭＩがＮＯＴ回路３１５によって反転された信号が入力される。また、ＡＮＤ回路３１６及び３１７の出力信号は、それぞれＯＲ回路３１２及び３１３に出力される。
【００６０】
このロジック回路は、フィルタ処理前の比較信号ＳＸＯＲが、ラッチ信号修正期間ＴＴＲＧ以上に渡って連続パルス受信信号ＳＡＭＩとエッジパルスラッチ信号ＳＲＳとに差異が発生する場合の連続パルス受信信号ＳＡＭＩの状態を抽出し、ＲＳ型フリップフロップ回路３１４の保持データを書き変えることで信号の差異状態を解消する。この結果、より信頼性の高いエッジパルスラッチ信号ＳＲＳを出力信号ＳＯＵＴとしてバッファ３１８を介して出力することができる。
【００６１】
なお、本発明による通信システムは、差動信号を伝送する場合に限定されず、一般のシングルエンド信号の通信にも適用することができる。この場合は、図２のＲＳ型フリップフロップ回路３１４を、例えばＴ型フリップフロップ回路に置き換えることで実現することができる。
【００６２】
［通信システムの動作］
次に、本実施形態に係る通信システム１の動作について説明する。
まず、図４を参照（適宜図２参照）して、本実施形態に係る通信システム１において、ノイズのない状態の各信号のタイムシーケンスについて説明する
【００６３】
図４に示した例では、通信システム１は、パルス受信制御回路３０８によって、コンパレータ３０４で立上りのエッジパルスを受信判定しないように制御されているため、入力信号ＳＩＮの立上りで比較信号ＳＸＯＲがＨｉレベルになる。しかしながら、このＳＸＯＲ信号発生期間ＴＸＯＲがラッチ信号修正期間ＴＴＲＧ未満であるため、エッジパルスラッチ信号ＳＲＳは反転されない。従って、出力信号ＳＯＵＴは、入力信号ＳＩＮのままである。
そして、立下りエッジパルスの入力に同期して、出力信号ＳＯＵＴがＬｏレベルとなる。
【００６４】
次に、図５〜図７を参照（適宜図２参照）して、本実施形態に係る通信システム１において、ノイズ重畳時の各信号のタイムシーケンスについて説明する。
【００６５】
図５は、入力信号ＳＩＮがない場合（Ｌｏレベルの状態）にノイズが重畳したときの各信号のタイムシーケンスを表している。
まず、連続パルスの受信判定レベルＶＬ／２よりもわずかに大きい小振幅ノイズが発生した場合（時間ｔ１）は、この小振幅ノイズが連続パルス判定部９で連続パルスとして受信判定される。そして、パルスストレッチ回路３０９でこの受信判定信号がＴＳＴＲにストレッチされるため、連続パルス受信信号ＳＡＭＩは、ＴＳＴＲの期間にＨｉレベルとなる。
【００６６】
しかしながら、この期間は予め定められたラッチ信号修正期間ＴＴＲＧに満たないため、エッジパルスラッチ信号ＳＲＳは反転されない。従って、出力信号ＳＯＵＴはＬｏレベルのままである。すなわち、入力信号ＳＩＮが正しく復元される。
【００６７】
これに対して、連続パルスの電圧振幅が本実施形態における設定と同じＶＬであり（すなわち損失が同程度である）、その受信判定レベルがＶＬ／２とした場合に、前記した特許文献２に記載の方法のように、入力信号が発生している期間中に、連続的なパルスを受信側に送信する方法では、この小振幅ノイズで出力信号ＳＯＵＴは次のパルスを入力するまでの期間はＨｉレベル（誤り状態）となる。従って、本発明では、連続パルスのみを送信する方法と同等の損失で、小振幅のノイズに対するノイズ耐量を向上させることができる。
【００６８】
次に、エッジパルスの受信判定レベルＶＨ／２よりも大きい大振幅ノイズが発生した場合（時間ｔ２）について説明する。図２に示した本実施形態に係る通信システム１では、この大振幅ノイズがエッジパルス判定部１０で立上りのエッジパルスとして受信判定される。そして、エッジパルスラッチ信号ＳＲＳがＨｉレベルとなる。
【００６９】
しかしながら、連続パルス受信信号ＳＡＭＩが発生しない（Ｌｏレベルのままである）ため、比較信号ＳＸＯＲがＨｉレベルとなる。これによって、ラッチ信号修正期間ＴＴＲＧ後にエッジパルスラッチ信号ＳＲＳはＬｏレベルに修正される。従って、出力信号ＳＯＵＴに発生する信号の誤り状態は、ラッチ信号修正期間ＴＴＲＧ後に修正される。
【００７０】
これに対し、エッジパルスの電圧振幅が本実施形態における設定と同じＶＨであり、かつその受信判定レベルがＶＨ／２とした場合に、前記した特許文献１に記載の方法のように、信号の立上り及び立下りを示すエッジパルス信号を伝送し、受信側でこのエッジパルス信号の状態をフリップフロップ回路によって保持する方法では、前記した小振幅ノイズでは信号の誤りは発生しないが、大振幅ノイズでは次の正しいエッジパルスが入力されるまでの長期間にわたって信号の誤り状態を保持することになる。従って、本発明により、エッジパルスのみを送信して保持する方法では発生する、エッジパルスラッチ信号ＳＲＳの長期間の誤り状態の保持の問題を解消できる。
【００７１】
なお、図２に示す本実施形態の通信システム１では、コンパレータ３０６で立上りエッジパルスを受信判定した際は、コンパレータ３０４で立上りエッジパルスを連続パルスとして受信させないようにしている。これによって、大振幅ノイズ発生時に連続パルス受信信号ＳＡＭＩが発生することを抑制し、即座に比較信号ＳＸＯＲがＨｉレベルになるようにすることで、出力信号ＳＯＵＴに発生する誤り状態の保持期間を短縮することができる。
【００７２】
次に、図６及び図７を参照（適宜図２参照）して、入力信号ＳＩＮがＨｉレベル状態である期間における各信号のタイムシーケンスについて説明する。
図６は、小振幅ノイズによって、連続パルスの１つが受信判定レベル（ＶＬ／２）以下になった場合（時間ｔ３）の、各信号のタイムシーケンスを示している。小振幅ノイズにより連続パルスの受信ができなかったため、連続パルス受信信号ＳＡＭＩは、ストレッチされたＴＳＴＲの期間だけ反転する。しかしながら、この連続パルス受信信号ＳＡＭＩが反転する期間はラッチ信号修正期間ＴＴＲＧに満たないため（前記の通り、ＴＴＲＧ＞ＴＳＴＲとする）、フィルタ回路３１１によって除去される。このため、ＲＳ型フリップフロップ回路３１４の保持データであるエッジパルスラッチ信号ＳＲＳは書き換えられず、出力信号ＳＯＵＴに誤りは発生しない。
【００７３】
この場合も、前記した特許文献２に記載の方法のように、入力信号が発生している期間中に、連続的なパルスを受信側に送信する方法では、出力信号ＳＯＵＴにパルスストレッチ期間ＴＳＴＲに相当する期間の信号反転が発生する。従って、本発明により、連続パルスのみを送信する方法と同等の損失で、小振幅のノイズに対するノイズ耐量を向上させることができる。
【００７４】
図７は、大振幅ノイズによって、エッジパルス判定部１０が立下りエッジパルスを誤受信した場合（時間ｔ４）の、各信号のタイムシーケンスを示している。この場合、立下りエッジパルスを誤受信したことで、ＯＲ回路３１３の出力がＨｉレベルとなり、ＲＳ型フリップフロップ回路３１４のＲ端子にＨｉレベル信号が入力され、Ｑ端子の出力であるエッジパルスラッチ信号ＳＲＳが反転してＬｏレベルとなる。
【００７５】
また、立下りエッジパルスを誤受信したことで、一時的に連続パルスを受信判定するコンパレータ３０４及び３０５による出力が停止するために、連続パルス受信信号ＳＡＭＩも反転してＬｏレベルとなる。しかし、その後に続く連続パルスを受信することで連続パルス受信信号ＳＡＭＩはすぐにＨｉレベルに復帰するため、比較信号ＳＸＯＲがＨｉレベルとなる。この比較信号ＳＸＯＲのＨｉレベルの期間がラッチ信号修正期間ＴＴＲＧ連続すると、エッジパルスラッチ信号ＳＲＳはＨｉレベルに修正される。
【００７６】
この場合も、前記した特許文献１に記載の方法のように、エッジパルス信号のみを伝送し、受信側でこのエッジパルス信号の状態をフリップフロップ回路によって保持する方法では、長期間の誤り状態の保持が発生する。従って、本発明により、エッジパルスラッチ信号ＳＲＳの誤り状態の保持問題を解消できる。
【００７７】
本発明は、特にノイズの発生期間が比較的に短い場合に有効である。例えば、半導体駆動装置の場合、強いノイズに晒される期間は、主に駆動する半導体のスイッチング動作時である。このため、本発明の通信システムを、半導体駆動装置の半導体のスイッチングの駆動指令信号の伝送装置として、好適に適用することができる。
【００７８】
次に、図８及び図９を参照して、本発明の第１実施形態に係る通信システム１の変形例について説明する。
＜変形例１＞
図８は、図２に示した第１実施形態に係る通信システム１で実現できる通信方法の一変形例（変形例１）を示す図である。この変形例１は、送信部２の連続パルス生成部５が出力する連続パルスの極性が双極性であり、かつオンデューティが１００％であることが特徴である。すなわち、連続パルス生成回路１０２が生成する正極性のパルス及び連続パルス生成回路１０３が生成する負極性のパルスによって構成される連続パルス信号は、期間ＴＣＬＫ／２ごとに「＋ＶＬ」と「−ＶＬ」のレベルが交替する信号となる。
連続パルスのデューティを１００％とすることで、ノイズの影響を受けにくくすることができる。
【００７９】
＜変形例２＞
図９は、図２に示した第１実施形態に係る通信システム１で実現できる通信方法の他の変形例（変形例２）を示す図である。この変形例２は、送信部２の連続パルス生成部５が出力する連続パルスの極性が単極性であり、かつオンデューティが１００％であることが特徴である。すなわち、連続パルス生成回路１０２が生成する正極性のパルスによって構成される連続パルス信号は、期間ＴＣＬＫ／２ごとに「＋ＶＬ」と「０」のレベルが交替する信号となる。これによって、連続パルス生成回路１０３を省略することができる。なお、連続パルス生成回路１０２を省略して、負極性のパルスのみを用いるようにしてもよい。
なお、変形例２は、磁気飽和の発生しにくいＥＴ積の比較的大きな絶縁トランス２００（図２参照）を用いた通信システム１に適用することが好ましい。
【００８０】
以上説明したように、本発明の第１実施形態に係る通信システム１は、復号信号生成部１１によって、エッジパルス判定部１０が出力する信号から、フリップフロップ回路等でエッジパルスラッチ信号ＳＲＳを生成し、更に、連続パルス判定部９の出力信号に基づいて連続パルス受信信号ＳＡＭＩを生成し、これらの信号がある一定期間以上異なる場合にエッジパルスラッチ信号ＳＲＳの状態を書き変えるものである。
【００８１】
このとき、エッジパルスの電圧だけを高くしたことで、通信における損失の増加を抑制しながらエッジパルスラッチ信号ＳＲＳの耐ノイズ性を向上させることができる。また、もし、エッジパルスラッチ信号ＳＲＳに誤り状態が発生しても、誤り状態を保持する懸念がない連続パルス受信信号ＳＡＭＩに基づいてエッジパルスラッチ信号ＳＲＳを修正すことができるため、従来のように、フリップフロップ回路だけで復号した場合のように、長期間に渡り、誤り状態を保持することがなく、信頼性の高い通信を実現することができる。
【００８２】
更に、通信システム１は、送信する連続パルスのデューティ及び極性に依存せず、エッジパルスによって入力信号のエッジのタイミングを伝送できるため、偏磁による磁気飽和状態となりやすいＥＴ積が小さな絶縁トランスを用いたトランス通信においても、入出力信号の同期性を容易に実現できるものである。
【００８３】
＜第２実施形態＞
次に、図１０を参照して、本発明の第２実施形態に係る通信システムについて説明する。
図１０に示した第２実施形態に係る通信システム１Ａは、図１に示した第１実施形態に係る通信システム１を、双方向の通信システムに拡張したものである。双方向通信を行うために、通信システム１Ａは、信号伝送部４Ａと、信号伝送部４Ａの１次側に設けられた送信部２及び受信部２１と、信号伝送部４Ａの２次側に設けられた送信部２０及び受信部３と、を備えている。
【００８４】
ここで、信号伝送部４Ａは、磁気結合素子や容量結合素子等を用いることで、双方向の通信を実現している。第２実施形態に係る通信システム１Ａは、第１実施形態に係る通信システム１と同様の方法で、信号伝送部４Ａの１次側の送信部２に入力された入力信号ＳＩＮ１を、送信部２においてパルス信号列に変換して送信し、信号伝送部４Ａを介して２次側の受信部３で受信する。２次側の受信部３では、この受信信号を基にして信号を復号し、復号した信号を出力信号ＳＯＵＴ２として出力する。
【００８５】
同様に、信号伝送部４Ａの２次側の送信部２０に入力された入力信号ＳＩＮ２は、送信部２０でパルス信号に変換し、信号伝送部４Ａを介して１次側の受信部２１に送信する。そして、１次側の受信部２１は受信した信号を復号し、復号した信号を出力信号ＳＯＵＴ１として出力する。
【００８６】
ここで、第２実施形態に係る通信システム１Ａにおける送信部２及び送信部２０は、図１に示した第１実施形態に係る通信システム１における送信部２と同様の構成であり、送信部２０の連続パルス生成部３０、連続パルス駆動部３１、エッジパルス生成部３２及びエッジパルス駆動部３３は、それぞれ送信部２の連続パルス生成部５、連続パルス駆動部６、エッジパルス生成部７及びエッジパルス駆動部８に相当し、同様の構成のものである。
また、送信部２０には、同期クロック生成部５０４が設けられており、受信部３の連続パルス判定部９が受信判定した連続パルスに基づいて、１次側のクロックと同期した２次側用のクロックを生成するように構成されている。
【００８７】
また、第２実施形態に係る通信システム１Ａにおける受信部３及び受信部２１は、図１に示した第１実施形態に係る通信システム１における受信部３と同様の構成であり、受信部２１の連続パルス判定部３４、エッジパルス判定部３５及び復号信号生成部３６は、それぞれ受信部３の連続パルス判定部９、エッジパルス判定部１０及び復号信号生成部１１に相当し、同様の構成のものである。
【００８８】
なお、１次側の受信部２１の各部には、１次側の送信部２と同じ電源１４が接続され、２次側の送信部２０の連続パルス駆動部３１には、２次側の受信部３と同じ電源１６が接続され、２次側の送信部２０のエッジパルス駆動部３３には、電源１６の電圧ＶＤＤ２よりも高い電圧ＶＤＤ２’の電源１７が接続されている。
【００８９】
この通信システム１Ａによって双方向の通信を実現する方法としては、送信パルスのデューティは５０％以下とし、１次側から送信するパルスの隙間に、２次側から送信するパルスを時分割で埋める方法が考えられる。あるいは、信号伝送部４Ａとしてトランスを用いたトランス通信を行う場合は、図８に示したように、１次側（又は２次側）から送信するパルスのデューティを１００％とし、２次側（又は１次側）では負荷インピーダンスを変化させることにより、パルス駆動電流の変化を通して送信側に情報を伝達することも可能である。
本実施形態では、前者を例として説明する。
【００９０】
時分割で双方向にパルスを送信する場合、１次側と２次側のクロックを同期させ、パルスの干渉を防ぐ必要がある。本実施形態では、図１０に示すように、２次側の連続パルス判定部９の受信信号を基にして、同期クロック生成部５０４で１次側のクロックと同期した周期ＴＣＬＫのクロックを２次側のクロックとして生成して用いるように構成している。
【００９１】
この場合、ノイズ等の影響で、同期化のトリガとなる受信信号に欠損（すなわち生成されるクロックに欠損）が生じる場合を想定し、同期クロック生成部５０４は、トリガがない場合は内蔵クロックで自走する機能を有することが好ましい。このような機能は、例えば、公知のＰＬＬ（Phase Lock Loop）回路や同期クリア付カウンタ回路等で実現することができる。
【００９２】
図１１は、本実施形態の通信システム１Ａにおける信号のタイムシーケンスの一例を示したものである。図１１に示すように、信号伝送部４Ａの差動電圧ＶＴには、時分割で送信した１次側送信信号と２次側送信信号とが重畳する。ここで、ハッチングを付したパルス信号が、２次側送信信号を示しており、１次側の送信パルスの隙間を埋めるように（隙間にはまるように）、２次側の送信パルスが重畳されている。
【００９３】
２次側の受信部３は、１次側送信パルスに基づいて、時間ｔ５〜時間ｔ７の期間にＨｉレベルとなる２次側出力信号ＳＯＵＴ２を出力し、１次側の受信部２１は、２次側送信パルスに基づいて、時間ｔ６〜時間ｔ８の期間にＨｉレベルとなる２次側出力信号ＳＯＵＴ１を出力している。
【００９４】
＜第３実施形態＞
次に、図１２を参照して、本発明の第３実施形態に係る半導体駆動装置について説明する。図１２に示した半導体駆動装置６００は、図１０に示した第２実施形態に係る双方向の通信システム１Ａを、半導体スイッチング素子Ｑ１を制御するための駆動指令信号と半導体スイッチング素子Ｑ１の動作状態を示す状態信号とを双方向通信するための通信手段に適用したものである。
なお、図１２に示す半導体駆動装置６００の内、既に第２実施形態に係る通信システム１Ａについて説明した構成については適宜説明を省略する。
【００９５】
図１２に示すように、半導体駆動装置６００は、マイクロコンピュータなどの上位論理部（図示せず）で生成された半導体スイッチング素子Ｑ１のオン・オフを指令する駆動指令信号を送受信するために、図１０に示した送信部２で構成される駆動指令送信部６０１と、同じく図１０に示した受信部３で構成される駆動指令受信部６０２とを備えている。ここで、駆動指令送信部６０１に入力される駆動指令信号が、図１０における入力信号ＳＩＮ１に相当し、駆動指令受信部６０２からゲート駆動回路５００に出力する駆動指令信号が、図１０における出力信号ＳＯＵＴ２に相当する。
【００９６】
更に、半導体駆動装置６００は、半導体スイッチング素子Ｑ１のオン状態を表す状態信号を送受信するために、図１０に示した送信部２０で構成される状態信号送信部６０４と、同じく図１０に示した受信部２１で構成される状態信号受信部６０３とを備えている。ここで、状態判定回路５０３から状態信号送信部６０４に入力される状態信号が、図１０における入力信号ＳＩＮ２に相当し、状態信号受信部６０３から上位論理部（図示せず）に出力される状態信号が、図１０における出力信号ＳＯＵＴ１に相当する。
【００９７】
また、半導体駆動装置６００は、駆動指令受信部６０２から出力される駆動指令信号に基づいて半導体スイッチング素子Ｑ１を駆動するゲート駆動回路５００と、半導体スイッチング素子Ｑ１のオン状態を判定する状態判定回路５０３とを備えている。
【００９８】
なお、図１２に示した例では、半導体スイッチング素子Ｑ１は、電源５０２から負荷５０１に電圧ＶＢの電力の供給のオン・オフを制御するスイッチとして用いられている。半導体スイッチング素子Ｑ１としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などを用いることができる。なお、図１２は、半導体スイッチング素子Ｑ１としてＩＧＢＴを用いた場合の例を示している。
【００９９】
一般に、半導体駆動装置は、半導体スイッチング素子のオン・オフに伴う電位変動のために、上位論理部と駆動する半導体スイッチング素子との間で絶縁を介した通信を行う必要がある。本実施形態に示す半導体駆動装置６００の信号伝送部４Ａは、そのような絶縁通信を実現するために絶縁トランス２００を用いている。
【０１００】
更に、図１２示す例では、低コスト化のために単一の絶縁トランス２００を用いて、前記した駆動指令信号と状態信号との双方向の通信を実現する構成を示している。信号伝送部４Ａは、双方向のパルスを受信するためのインピーダンスを得るために、絶縁トランス２００の１次側に設けられた受信抵抗２０１及び２０２に加えて、２次側に受信抵抗２０３及び２０４を設けている。
【０１０１】
なお、受信抵抗２０３及び２０４は、それぞれの一端が絶縁トランス２００の２次側の異なる端部に接続され、他端が、何れも半導体スイッチング素子Ｑ１のエミッタ端子に接続されると共に、状態判定回路５０３の入力端子に接続されている。
【０１０２】
上位論理部（図示せず）から駆動指令送信部６０１に駆動指令信号が入力されると、駆動指令送信部６０１は、この入力信号を連続パルス及びエッジパルスからなるパルス信号に変換して絶縁トランス２００を介して駆動指令受信部６０２に送信する。そして、駆動指令受信部６０２は、受信したパルス信号を復号し、復号した駆動指令信号をゲート駆動回路５００に出力する。ゲート駆動回路５００は、この駆動指令信号に基づいて、半導体スイッチング素子Ｑ１のゲート電圧を変化させることにより、半導体スイッチング素子Ｑ１をオン・オフさせる。
【０１０３】
状態判定回路５０３は、半導体スイッチング素子Ｑ１のオン・オフ状態を、半導体スイッチング素子Ｑ１のゲート−エミッタ間の電圧をモニタすることにより判定する。状態判定回路５０３は、判定結果である状態信号を状態信号送信部６０４に出力する。
【０１０４】
また、本実施形態における駆動指令送信部６０１は、図２に示した通信システム１における送信部２と同様の構成に加えて、パルス出力段制御回路１０１を有している。
パルス出力段制御回路１０１は、駆動指令送信部６０１がパルスを送信しない期間中に、状態信号受信部６０３が、状態信号送信部６０４によって送信された信号を受信抵抗２０１及び２０２を用いて受信するために、駆動指令送信部６０１の出力段のインピーダンスを高くする（いわゆる、高インピーダンス状態にする）機能を有するものである。
【０１０５】
状態信号送信部６０４も同様に、図１０に示した通信システム１Ａにおける送信部２０と同様の構成に加えて、パルス出力段制御回路５０５を有している。このパルス出力段制御回路５０５は、パルス出力段制御回路１０１と同様の機能を有する回路である。すなわち、状態信号送信部６０４がパルスを送信しない期間中に、駆動指令受信部６０２が、駆動指令送信部６０１によって送信された信号を受信抵抗２０３及び２０４を用いて受信するために、状態信号送信部６０４のインピーダンスを高くするものである。
パルス出力段制御回路１０１及び５０５によって、時分割の双方向通信を実現することができる。
【０１０６】
また、状態信号送信部６０４は、図１０に示した通信システム１Ａにおける送信部２０と同様に、同期クロック生成部５０４を有している。双方向通信を実現するために、状態信号送信部６０４は、連続パルス判定部９の出力信号を基に、同期クロック生成回路５０４によって駆動指令送信部６０１のクロックと同期したクロックを生成する。そして、同期クロック生成部５０４によって生成したクロックは、連続パルス生成部３０、エッジパルス生成部３２及び状態判定回路５０３に出力され、それぞれの回路のクロック信号として用いられる。
【０１０７】
これによって、状態信号送信部６０４の連続パルス生成部３０で生成する連続パルス信号は、駆動指令送信部６０１の連続パルス駆動部６から送信される連続パルスの隙間を埋めるように（パルスのオン期間が重複しないように）生成させることができ、従って駆動指令送信部６０１の連続パルス駆動部６及び状態信号送信部６０４の連続パルス駆動部３１の双方から送信される連続パルス同士の干渉を防ぐことができる。
【０１０８】
同様に、エッジパルス生成部３２は、同期クロック生成回路５０４が生成したクロックを用いてエッジパルスを用いることにより、エッジパルス駆動部３３及び駆動指令送信部６０１のエッジパルス駆動部８の双方から送信されるエッジパルス同士の干渉が発生しないように生成することができる。
【０１０９】
また、駆動指令受信部６０２は、図１０に示した通信システム１Ａにおける受信部３と同様の構成に加えて、パルス受信制御回路３０８Ａを有している。パルス受信制御回路３０８Ａは、図２に示した第１実施形態に係る通信システム１における受信部３のパルス受信制御回路３０８と同様の機能に加え、状態信号送信部６０４が信号を送信する期間中に、連続パルス判定部９及びエッジパルス判定部１０による受信判定を停止する機能を有するものである。これは、双方向通信に対応した機能であり、同じ側の送信部（状態信号送信部６０４）で送信した信号を同じ側の受信部（駆動指令受信部６０２）で直接受信することを防ぐためである。
【０１１０】
状態信号受信部６０３は、駆動指令受信部６０２と同様に、パルス受信制御回路３０８Ａに相当するパルス受信制御回路５０６を有している。
パルス受信制御回路５０６は、パルス受信制御回路３０８Ａと同様に、駆動指令送信部６０１が信号を送信する期間中に、連続パルス判定部３４及びエッジパルス判定部３５による受信判定を停止する機能を有するものである。これによって、同じ側の送信部（駆動指令送信部６０１）で送信した信号を同じ側の受信部（状態信号受信部６０３）で直接受信することを防ぐことができる。
【０１１１】
以上説明したように、第３実施形態である半導体駆動装置６００においては、上位論理部（図示せず）から供給される半導体スイッチング素子Ｑ１に対してオンを指令することを示す駆動指令信号の送信と、半導体スイッチング素子Ｑ１のオン状態を示す状態信号の送信と、を絶縁トランスを介して双方向に通信する。これによって、上位論理部（図示せず）は、供給した駆動指令信号に応じて制御される半導体スイッチング素子Ｑ１のオン、オフ状態を取得することができ、半導体スイッチング素子Ｑ１が正常に駆動されているかどうかを検知して、例えば、異常時には迅速に適切な処理を施すことができる。
【０１１２】
次に、第３実施形態に係る半導体駆動装置６００の双方向の通信において、双方向に送信される連続パルスとエッジパルスとの干渉時に発生する入出力信号の非同期性を改善するための変形例について説明する。
【０１１３】
＜変形例１＞
入出力信号の同期性が要求される場合は、エッジパルスのパルス幅を連続パルスのパルス幅よりも広くし、強制的にエッジパルスを送信することで同期性を改善することができる。これによって、連続パルスとエッジパルスとが干渉した場合であっても、エッジパルスのパルス幅が連続パルスのパルス幅より広いため、エッジパルスに連続パルスと重複しない部分が生じることになる。従って、エッジパルス判定部１０及び３５は、このエッジパルスと重複しない部分から連続パルスを確実に受信判定することができる。
【０１１４】
なお、連続パルスとエッジパルスとが干渉することで、連続パルスに欠損が発生することがあるが、図２に示したフィルタ回路３１１によりフィルタ（除外）する時間であるラッチ信号修正期間ＴＴＲＧとクロック生成回路１００の生成するクロック周期ＴＣＬＫとを調整することにより、この連続パルスの欠損が出力信号に影響しないようにすることができる。すなわち、ラッチ信号修正期間ＴＴＲＧを、例えばクロック周期ＴＣＬＫ超とすることにより、図４に示した例において、正極性と負極性とを併せた連続パルスの間隔がＴＣＬＫ／２である場合に、連続パルスが２つ欠損した場合でも、出力信号に影響を与えないようにすることができる。
【０１１５】
但し、ラッチ信号修正期間ＴＴＲＧを長くすることにより、エッジパルスラッチ信号ＳＲＳと連続パルス受信信号ＳＡＭＩとの差異状態の許容時間であるＳＸＯＲ信号発生期間ＴＸＯＲを増加させることにつながる。
そのため、信号の同期性とＳＸＯＲ信号発生期間ＴＸＯＲの短縮とで優先度を考慮する必要がある。一般に、電力変換装置で用いられる半導体駆動装置においては、信号の誤りによってアーム短絡などが発生する可能性があるため、後者の差異状態の許容時間であるＳＸＯＲ信号発生期間ＴＸＯＲの短縮の優先度を高くすることが望ましい。
【０１１６】
＜変形例２＞
次に、双方向通信の際に、１次側が送信するエッジパルスと２次側が送信するエッジパルスとが干渉した場合に、入出力信号の非同期性を改善する方法について、図１３を参照して説明する。
図１３に示すように、本変形例では、１次側が送信するエッジパルスの幅と２次側が送信するエッジパルスの幅とを異なるようにし、かつ、エッジパルスの幅の狭い方のエッジパルスを、所定の間隔をあけて複数パルス（２パルス）送信するようにした。
【０１１７】
ここで、１次側が送信するエッジパルスの幅をＴＷ１とする。また、２次側が送信するエッジパルスの幅をＴＷ２、連続して出力するパルス数を２パルスとし、その間隔をＴＢＷとする。そして、ＴＷ１＞ＴＷ２  かつ  ＴＢＷ＞ＴＷ１−２×ＴＷ２の関係を満たすようにする。
【０１１８】
この場合において、双方向のエッジパルスが干渉した場合について説明する。
まず、１次側から送信されるエッジパルスは、幅ＴＷ１であり、２次側が送信するエッジパルスの幅ＴＷ２より広いため、２次側が送信するエッジパルスと重ならない部分が必ず発生する。従って、１次側から送信したエッジパルスは、２次側の受信部によって、この重ならない部分で受信される。
【０１１９】
また、２次側から送信されるエッジパルスは、幅ＴＷ２のパルスが間隔ＴＢＷで出力され、前記した後半の条件式より、ＴＢＷ＋２×ＴＷ２＞ＴＷ１であるため、２パルスの少なくとも何れか一方は、１次側が送信するエッジパルスと重ならない部分が必ず発生する。従って、２次側から送信したエッジパルスは、１次側の受信部によって、この重ならない部分で受信される。
以上説明したように、双方向から送信されるエッジパルスが干渉した場合でも、双方のエッジパルス信号が失われないようにすることができる。
【０１２０】
＜変形例３＞
入出力信号の同期性を改善するその他の方法として、受信側の付加インピーダンスの変化を利用した方法もある。この方法は、例えば図１２の状態信号送信部６０４の代わりに駆動指令受信部６０２側に受信抵抗２０３及び２０４の値を変化する機能を有するインピーダンス制御回路（図示せず）を設け、かつ、駆動指令送信部６０１側にパルス駆動電流を検知する電流検知回路（図示せず）を設けるものである。
【０１２１】
このように構成することにより、状態信号の送信側では、パルスを送信することで情報を伝送する代わりに、インピーダンス制御回路（図示せず）によって受信抵抗２０３及び２０４を変化させ（すなわちインピーダンスを変化させ）、その結果として駆動指令送信部６０１側（すなわち状態信号受信部６０３側）のパルス駆動電流を変化させることで情報を伝達することができる。例えば、半導体スイッチング素子Ｑ１のオン期間中は、受信抵抗２０３及び２０４の値を２倍にすると仮定すると、駆動指令送信部６０１側のパルス駆動電流は１／２となる。そこで、駆動指令送信部６０１側は、電流検知回路（図示せず）によって、この電流の減少をモニタすることにより、半導体スイッチング素子Ｑ１がオン状態にあるかどうかを検知することができる。
【０１２２】
すなわち、半導体スイッチング素子Ｑ１のオン状態を、パルス信号として送信することなく、状態信号受信部６０３側に伝達することができる。これによって、双方向のパルスが干渉することによる同期性の劣化を改善することができる。
【０１２３】
以上説明した、第２実施形態及びその各変形例では、半導体駆動装置を例として、本発明による通信システムを用いて双方向通信を実現する方法を示したが、本実施形態で説明した双方向の通信システム及びその制御方法は、他の一般の通信システムにも適用できることは明らかである。
【０１２４】
また、半導体駆動装置のように、高い信頼性が要求される場合には、本発明の第１実施形態に係る通信システム１を、２つの信号伝送部４を設けた２チャンネルの単方向通信に適用することが考えられる。この場合、信号伝送部４の追加によるコストの増加が発生する一方で、パルス信号の干渉のリスクがなく、入出力信号の同期性のある高信頼なリアルタイム通信を実現することができる。
【０１２５】
また、このように構成することで、送信する連続パルスの自由度が広がり、高付加価値の通信を実現することも可能である。例えば、半導体駆動装置に適用する場合、半導体の温度、導通電流、直流電源電圧等の情報をデジタル多重化し、この情報を連続パルスによるシリアルデータとして制御部側へ伝達することができる。これにより、上位論理部は半導体スイッチング素子の動作環境を解析し、より好適な制御を実現することができる。この場合も、第１実施形態についての説明で示したように、連続パルスはエッジパルスのラッチ信号の健全性を保証する役割を果たし、より信頼性の高い通信に寄与するものである。
【０１２６】
＜第４実施形態＞
次に、図１４を参照して、本発明の第４実施形態に係る電力変換装置について説明する。本実施形態に係る電力変換装置は、前記した第３実施形態又はその変形例に係る半導体駆動装置６００を、電力変換装置における半導体スイッチング素子の駆動装置として適用したものである。
【０１２７】
図１４に示すように、本実施形態に係る電力変換装置７００は、半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６、ダイオードＤ１１〜Ｄ１６、半導体駆動装置ＧＤ１１〜ＧＤ１６、及び半導体駆動装置ＧＤ１１〜ＧＤ１６を介して、半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６に対してスイッチング動作の制御信号である駆動指令信号を発生する上位論理部Ｌ１を備えて構成されている。なお、本実施形態に係る電力変換装置７００は、電圧ＶＢの直流電源５０２の直流電力を交流電力に変換するインバータ装置である。
また、本実施形態では、半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６としてＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴなど他のスイッチング素子を用いて構成することもできる。
【０１２８】
電力変換装置７００は、直流電源５０２の正負の端子間に、２個の半導体スイッチング素子（Ｑ１１及びＱ１２、Ｑ１３及びＱ１４、Ｑ１５及びＱ１６）が極性を揃えて直列に接続された上下アームが３組接続されている。また、各半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６のエミッタ−コレクタ間には、負荷電流を還流させるためのダイオードＤ１１〜Ｄ１６が逆極性かつ並列に、それぞれ接続されている。また、各半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６のゲート端子には、スイッチングの駆動指令信号を出力する半導体駆動装置ＧＤ１１〜ＧＤ１６がそれぞれ接続されている。また、直列接続された２個の半導体スイッチング素子（Ｑ１１及びＱ１２、Ｑ１３及びＱ１４、Ｑ１５及びＱ１６）の接続点は、それぞれ交流の出力端子となり、負荷である三相交流モータＭ１に接続されている。
【０１２９】
そして、電力変換装置７００は、上位論理部Ｌ１によって、半導体駆動装置ＧＤ１１〜ＧＤ１６を介して、それぞれ半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６のスイッチング動作を制御して、交流端子に接続された三相交流モータＭ１に交流電力を供給する。
【０１３０】
ここで、電力変換装置７００は、上位論理部Ｌ１によって、各半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６に対する駆動指令信号を発生し、この半導体駆動装置ＧＤ１１〜ＧＤ１６を介して、この駆動指令信号を半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６のゲート端子（制御端子）に送信することで電力変換動作を行う。このとき、電力変換装置７００は、半導体駆動装置ＧＤ１１によって駆動指令信号を絶縁通信によって送信するため、半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６のスイッチング時に発生するノイズの影響が低減される。このため、電力変換装置７００は、高い信頼性で電力変換を行うことができる。
【０１３１】
なお、本実施形態では、本発明の半導体駆動装置の電力変換装置への適用例として、インバータ装置の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、直流−直流コンバータや、交流−直流コンバータなど、他の電力変換装置に適用することもできる。
また、半導体駆動装置は、通信システムとして双方向通信を行うものに限定されず、上位論理側Ｌ１から制御信号を入力し、半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６に復号した制御信号を出力する単方向の通信を行うものであってもよい。
【符号の説明】
【０１３２】
１、１Ａ  通信システム
２、２０  送信部
３、２１  受信部
４、４Ａ  信号伝送部
５、３０  連続パルス生成部（第１のパルス生成部）
６、３１  連続パルス駆動部（第１のパルス駆動部）
７、３２  エッジパルス生成部（第２のパルス生成部）
８、３３  エッジパルス駆動部（第２のパルス駆動部）
９、３４  連続パルス判定部（第１の受信判定部）
１０、３５  エッジパルス判定部（第２の受信判定部）
１１、３６  復号信号生成部
１２    送信側ＧＮＤ
１３    受信側ＧＮＤ
１４、１５  電源
１６、１７  電源
１００    クロック生成回路
１０１、５０５  パルス出力段制御回路
１０２    連続パルス生成回路
１０３    連続パルス生成回路
１０４    立上りエッジパルス生成回路
１０５    立下りエッジパルス生成回路
１０６〜１０９  パルス出力段
１１０、１１１  整流素子
２００    絶縁トランス
２０１〜２０４  受信抵抗
３００〜３０３  電圧レベル調整回路
３０４、３０５  コンパレータ
３０６、３０７  コンパレータ
３０８、３０８Ａ、５０６  パルス受信制御回路
３０９    パルスストレッチ回路
３１０    信号比較回路
３１１    フィルタ回路
３１２、３１３  ＯＲ回路
３１４    ＲＳ型フリップフロップ回路
３１５    ＮＯＴ回路
３１６、３１７  ＡＮＤ回路
３１８    出力バッファ
４００    整流素子
４０１〜４０３  分圧抵抗
４０４、４０５  整流素子
５００    ゲート駆動回路
５０１    負荷
５０２    電源
５０３    状態判定回路
５０４    同期クロック生成部
６００    半導体駆動装置
６０１    駆動指令送信部（送信部）
６０２    駆動指令受信部（受信部）
６０３    状態信号受信部（受信部）
６０４    状態信号送信部（送信部）
７００    電力変換装置
ＶＤＤ１、ＶＤＤ１’  電源電圧
ＶＤＤ２、ＶＤＤ２’  電源電圧
ＶＴ      差動電圧
ＶＬ      連続パルス電圧振幅（第１の電圧レベル）
ＶＨ      エッジパルス電圧振幅（第２の電圧レベル）
ＳＩＮ  入力信号
ＳＩＮ１  双方向通信１次側入力信号（入力信号）
ＳＩＮ２  双方向通信２次側入力信号（入力信号）
ＳＯＵＴ  出力信号
ＳＯＵＴ１  双方向通信１次側出力信号（出力信号）
ＳＯＵＴ２  双方向通信２次側出力信号（出力信号）
ＳＡＭＩ  連続パルス受信信号（第１の復号信号）
ＳＡＭＩ１  双方向通信１次側連続パルス受信信号（第１の復号信号）
ＳＡＭＩ２  双方向通信２次側連続パルス受信信号（第１の復号信号）
ＳＲＳ  エッジパルスラッチ信号（第２の復号信号）
ＳＲＳ１  双方向通信１次側エッジパルスラッチ信号（第２の復号信号）
ＳＲＳ２  双方向通信２次側エッジパルスラッチ信号（第２の復号信号）
ＳＸＯＲ  比較信号
ＳＸＯＲ１  双方向通信１次側比較信号（比較信号）
ＳＸＯＲ２  双方向通信２次側比較信号（比較信号）
ＴＣＬＫ  クロック周期
ＴＸＯＲ  ＳＸＯＲ信号発生期間
ＴＴＲＧ  ラッチ信号修正期間
ＴＷ１  １次側送信エッジパルス幅
ＴＷ２  ２次側送信エッジパルス幅
ＴＢＷ  ２次側送信エッジパルス間隔
Ｑ１、Ｑ１１〜Ｑ１６  半導体スイッチング素子
ＧＤ１１〜ＧＤ１６  半導体駆動装置
Ｌ１    上位論理部
Ｍ１    三相交流モータ（負荷）
【図１】
0005753487.tif 000002
【図２】
0005753487.tif 000003
【図３】
0005753487.tif 000004
【図４】
0005753487.tif 000005
【図５】
0005753487.tif 000006
【図６】
0005753487.tif 000007
【図７】
0005753487.tif 000008
【図８】
0005753487.tif 000009
【図９】
0005753487.tif 000010
【図１０】
0005753487.tif 000011
【図１１】
0005753487.tif 000012
【図１２】
0005753487.tif 000013
【図１３】
0005753487.tif 000014
【図１４】
0005753487.tif 000015