(57)【要約】【課題】フォトカプラを介してＰＷＭ信号の伝送を行いながら、フォトカプラの寿命を予測できるようにする。【解決手段】ゲート信号発生器５にて生成されたゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＵ１、ＳＤ１をフォトカプラＦＵ１、ＦＵ２をそれぞれ介してゲートドライバ９、１１にそれぞれ絶縁伝送するとともに、寿命予測装置２１、２２にそれぞれ入力し、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の出力信号ＳＵ２、ＳＤ２の立ち下がりの傾きに基づいて、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の電流変換効率を寿命予測装置２１、２２にてそれぞれ推定し、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２が寿命限界に到達する時期を予測する。【選択図】      図１
2008268002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトカプラの出力側の信号の立ち上がりまたは立ち下がりの傾きを前記フォトカプラの出力側で検出する傾き検出手段と、
前記傾き検出手段にて検出されたフォトカプラの出力側の信号の立ち上がりまたは立ち下がりの傾きに基づいて、前記フォトカプラの電流変換効率を推定する電流変換効率推定手段とを備えることを特徴とするフォトカプラの寿命予測装置。
【請求項２】
前記傾き検出手段は、
前記フォトカプラの出力側の信号が異なるレベルの複数のしきい値に達したかを検出するレベル検出手段と、
前記フォトカプラの出力側の信号が異なるレベルの複数のしきい値に達した時の時間差を測定する時間間隔測定手段とを備え、
前記電流変換効率推定手段は、前記フォトカプラの出力側の信号が異なるレベルの複数のしきい値に達した時の時間差に基づいて、前記フォトカプラの電流変換効率を推定することを特徴とする請求項１記載のフォトカプラの寿命予測装置。
【請求項３】
前記電流変換効率推定手段は、実質的に等しい環境温度で測定された時間差に基づいて、前記フォトカプラの電流変換効率を推定することを特徴とする請求項２記載のフォトカプラの寿命予測装置。
【請求項４】
前記フォトカプラの温度を計測する温度センサをさらに備え、
前記電流変換効率推定手段は、前記温度センサにて計測された温度に基づいて前記フォトカプラの電流変換効率の温度依存性を補正しつつ、前記フォトカプラの電流変換効率を推定することを特徴とする請求項２記載のフォトカプラの寿命予測装置。
【請求項５】
前記電流変換効率推定手段にて推定された前記フォトカプラの電流変換効率の時間的な履歴に基づいて、前記フォトカプラが寿命限界に到達する時期を予測する寿命予測手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のフォトカプラの寿命予測装置。
【請求項６】
前記フォトカプラの出力側の信号は、前記フォトカプラを構成するフォトトランジスタの光電流が作用する信号であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のフォトカプラの寿命予測装置。
【請求項７】
上アーム用および下アーム用としてそれぞれ作動するように互いに直列に接続され、負荷へ流入する電流を通電および遮断する１対のスイッチング素子と、
前記スイッチング素子の導通および非導通を指示する制御信号を生成する制御回路と、
前記制御信号に基づいて前記スイッチング素子の制御端子を駆動する駆動回路と、
前記制御回路と前記駆動回路とが絶縁されるように前記スイッチング素子ごとに設けられ、前記制御回路と前記駆動回路との間で信号を伝送するフォトカプラと、
前記フォトカプラの出力側の信号が異なるレベルの複数のしきい値に達した時の時間差に基づいて、前記フォトカプラの電流変換効率を推定する寿命予測手段とを備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
フォトカプラの出力側の信号が異なるレベルの複数のしきい値に達した時の時間差を測定するステップと、
前記フォトカプラの出力側の信号が異なるレベルの複数のしきい値に達した時の時間差に基づいて、前記フォトカプラの電流変換効率を推定するステップとを備えることを特徴とするフォトカプラの寿命予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフォトカプラの寿命予測装置、電力変換装置およびフォトカプラの寿命予測方法に関し、特に、高電圧側と低電圧側との間を絶縁しながら信号を伝送するフォトカプラの電流変換効率（ＣＴＲ：ｃｕｒｅｎｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｒａｔｉｏ）の推定方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の車両機器では、高効率化および省エネ対策を図るために、駆動力を生む電動機の駆動システムに、昇降圧コンバータおよびインバータの搭載が行われている。
図１０は、従来の昇降圧コンバータを用いた車両駆動システムの概略構成を示すブロック図である。
図１０において、車両駆動システムには、昇降圧コンバータ１１０２に電力を供給する電源１１０１、電圧の昇降圧を行う昇降圧コンバータ１１０２、昇降圧コンバータ１１０２から出力された電圧を３相電圧に変換するインバータ１１０３および車両を駆動する電動機１１０４が設けられている。なお、電源１１０１は、架線からの給電電圧または直列接続されたバッテリーから構成することができる。
【０００３】
そして、車両駆動時には、昇降圧コンバータ１１０２は、電源１１０１の電圧（例：２８０Ｖ）を電動機１１０４の駆動に適した電圧（例：７５０Ｖ）に昇圧し、インバータ１１０３に供給する。そして、スイッチング素子をオン／オフ制御することにより、昇降圧コンバータ１１０２にて昇圧された電圧を３相電圧に変換して、電動機１１０４の各相に電流を流し、スイッチング周波数を制御することで車両の速度を変化させることができる。
【０００４】
一方、車両の制動時には、インバータ１１０３は、電動機１１０４の各相に生じる電圧に同期してスイッチング素子をオン／オフ制御することにより、整流動作を行い、直流電圧に変換してから、昇降圧コンバータ１１０２に供給する。そして、昇降圧コンバータ１１０２は、電動機１１０４から生じる電圧（例：７５０Ｖ）を電源１１０１の電圧（例：２８０Ｖ）に降圧して電力の回生動作を行うことができる。
【０００５】
図１１は、図１０の昇降圧コンバータの概略構成を示すブロック図である。
図１１において、昇降圧コンバータ１１０２には、エネルギーの蓄積を行うリアクトルＬ、電荷の蓄積を行うコンデンサＣ、インバータ１１０３に流入する電流を通電および遮断するスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の導通および非導通を指示する制御信号をそれぞれ生成する制御回路１１１１、１１１２が設けられている。
【０００６】
そして、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２は直列に接続されるとともに、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の接続点には、リアクトルＬを介して電源１１０１が接続されている。ここで、スイッチング素子ＳＷ１には、制御回路１１１１からの制御信号に従ってスイッチング動作を行うＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１１０５が設けられ、ＩＧＢＴ１１０５に流れる電流と逆方向に電流を流すフライホイールダイオードＤ１がＩＧＢＴ１１０５に並列に接続されている。
【０００７】
また、スイッチング素子ＳＷ２には、制御回路１１１２からの制御信号に従ってスイッチング動作を行うＩＧＢＴ１１０６が設けられ、ＩＧＢＴ１１０６に流れる電流と逆方向に電流を流すフライホイールダイオードＤ２がＩＧＢＴ１１０６に並列に接続されている。そして、ＩＧＢＴ１１０６のコレクタは、コンデンサＣおよびインバータ１１０３の双方に接続されている。
【０００８】
図１２は、昇圧動作時に図１１のリアクトルに流れる電流の波形を示す図である。
図１２において、昇圧動作では、スイッチング素子ＳＷ１のＩＧＢＴ１１０５がオン（導通）すると、ＩＧＢＴ１１０５を介してリアクトルＬに電流Ｉが流れ、ＬＩ2／２のエネルギーがリアクトルＬに蓄積される。
次に、スイッチング素子ＳＷ１のＩＧＢＴ１１０５がオフ（非導通）すると、スイッチング素子ＳＷ２のフライホイールダイオードＤ２に電流が流れ、リアクトルＬに蓄えられたエネルギーがコンデンサＣに送られる。
【０００９】
一方、降圧動作では、スイッチング素子ＳＷ２のＩＧＢＴ１１０６がオン（導通）するとＩＧＢＴ１１０６を介してリアクトルＬに電流Ｉが流れ、ＬＩ2／２のエネルギーがリアクトルＬに蓄積される。
次に、スイッチング素子ＳＷ２のＩＧＢＴ１１０６がオフ（非導通）すると、スイッチング素子ＳＷ１のフライホイールダイオードＤ１に電流が流れ、リアクトルＬに蓄えられたエネルギーが電源１１０１へ回生される。
【００１０】
ここで、スイッチング素子のオン時間（ＯＮ  Ｄｕｔｙ）を変更することで、昇降圧の電圧を調整することが可能であり、概略の電圧値は以下の（１）式にて求めることができる。
ＶL／ＶH＝ＯＮ  Ｄｕｔｙ（％）                                  （１）
ただし、ＶLは電源電圧、ＶHは昇降圧後の電圧、ＯＮ  Ｄｕｔｙはスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２のスイッチング周期に対する導通期間の割合である。
【００１１】
ここで、実際には負荷の変動、電源電圧ＶLの変動などがあるので、昇降圧後の電圧ＶHを監視し、昇降圧後の電圧ＶHが目標値となるように、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２のオン時間（ＯＮ  Ｄｕｔｙ）の制御が行われている。
また、車体筐体に接地される制御回路１１１１、１１１２側は低圧であり、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２に接続されるアーム側は高圧となる。このため、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の破壊などの事故が発生しても、人体が危険に晒されることがないようにするために、アーム側とは、フォトカプラやパルストランスを用いて制御回路１１１１、１１１２と電気的に絶縁しながら信号の授受が行われる。
ここで、フォトカプラは、パルストランスと比較して小型かつ安価という理由で、近年では車両に用いられつつある。
【００１２】
図１３は、フォトカプラを用いたＰＷＭ信号の伝送回路の構成を示す図である。
図１３において、フォトカプラＦＣには、順電流Ｉｆによって赤外光を放射する赤外発光ダイオードＰＤ１、赤外発光ダイオードＰＤ１から放射された赤外光を受光する受光ダイオードＰＤ２および受光ダイオードＰＤ２で発生した光電流をベース電流として電流増幅動作を行うフォトトランジスタＭ２が設けられている。そして、赤外発光ダイオードＰＤ１には抵抗Ｒ２８が並列接続されるとともに、赤外発光ダイオードＰＤ１のカソードは抵抗Ｒ２９および抵抗Ｒ００を順次介して電界効果型トランジスタＭ１に接続されている。なお、抵抗Ｒ２８は、電界効果型トランジスタＭ１のオフ時に流れる漏れ電流やノイズ電流などの暗電流によって赤外発光ダイオードＰＤ１が点灯しないようにするために設けられたものである。
【００１３】
また、フォトトランジスタＭ２のコレクタは、抵抗ＲＬを介して電源電圧Ｖｃｃ２に接続されるとともに、フォトトランジスタＭ２のコレクタを介して出力される出力信号Ｖｏｕｔは、抵抗ＲLPFを介してＩＧＢＴドライブＩＣ３０に入力される。
ここで、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０には、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０の入力端子のプルアップ機能、フォトカプラＦＣからの出力信号Ｖｏｕｔの２値化機能、ＩＧＢＴのゲートドライブ機能およびＩＧＢＴの過電流／過温保護機能が備えられている。そして、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０の入力端子のプルアップ機能では、耐ノイズ性の向上を目的として、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０内のカレントミラー回路から最大８０μＡ程度の定常電流ＩLV-ICが抵抗ＲLPFを介して外部に吐き出され、フォトカプラＦＣにてより多くの電流が引き込まれないと、ＩＧＢＴをオンするしきい値に到達しないようにされている。
【００１４】
そして、電界効果型トランジスタＭ１のゲートに入力信号Ｖｉｎが入力されると、順電流Ｉｆが赤外発光ダイオードＰＤ１に流れ、赤外光が放射される。そして、赤外発光ダイオードＰＤ１から放射された赤外光は、受光ダイオードＰＤ２にて受光され、その赤外光に応じた光電流がフォトトランジスタＭ２のベースに流れる。そして、フォトトランジスタＭ２のベースに光電流が流れると、フォトトランジスタＭ２にコレクタ電流Ｉｃが流れるとともに、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０内のカレントミラー回路から定常電流ＩLV-ICが抵抗ＲLPFを介して外部に吐き出され、片端を電源電圧Ｖｃｃ２に接続された抵抗ＲＬに流れる電流はＩｃ−ＩLV-ICとなる。そして、コレクタ電流Ｉｃの変化に伴う抵抗ＲＬの他端電圧の変化が、フォトカプラＦＣからの出力信号Ｖｏｕｔとして抵抗ＲLPFを介してＩＧＢＴドライブＩＣ３０に入力される。
【００１５】
ここで、フォトカプラＦＣ単体の入出力特性は、電流変換効率（ＣＴＲ：Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｒａｔｉｏ）、すなわちＩｃ／Ｉｆにて定義することができる。そして、フォトカプラＦＣを用いて回路設計を行う際には、（１）フォトトランジスタＭ２の電流増幅率ｈｆｅの温度特性、（２）赤外発光ダイオードＰＤ１の発光効率の寿命劣化、（３）電流変換効率のバラツキなどの点を考慮する必要がある。
そして、産業、鉄道、自動車などの分野では、−４０〜＋１００℃の環境下において、フォトカプラＦＣが長期に渡って継続使用されるため、例えば、１００℃、１５０００時間の累積使用を行った場合においても、電流変換効率の劣化および温度依存性に対応しながら、−４０℃でも動作するように抵抗ＲＬの値が決定される。
【００１６】
図１４は、２０℃におけるフォトカプラの発光ダイオードに流れる順電流Ｉｆをパラメータとした時の電流変換効率のコレクタ／エミッタ電圧依存性を示す図である。
図１４において、フォトトランジスタＭ２のコレクタ／エミッタ電圧Ｖｃｅが０．５Ｖ以上では、フォトカプラＦＣの電流変換効率は順電流Ｉｆにかかわらずほぼ一定である。
図１５は、フォトカプラの発光ダイオードに流れる順電流Ｉｆに対するフォトトランジスタのコレクタ電流Ｉｃをパラメータとした時の電流変換効率の温度依存性を示す図である。
図１５において、低温になるほど、フォトカプラＦＣの電流変換効率は低下し、この要因としては、フォトトランジスタＭ２の電流増幅率ｈｆｅの温度特性が挙げられる。
【００１７】
図１６は、フォトカプラの発光ダイオードに流れる順電流Ｉｆをパラメータとした時の電流変換効率の経時特性を示す図である。
図１６において、フォトカプラＦＣの電流変換効率は、発光ダイオードＰＤ１の順電流Ｉｆ、環境温度、累積使用時間に依存して低下し、特に、フォトカプラＦＣの連続使用時間が１０００時間を越えると、電流変換効率の低下が顕著に表れる。このフォトカプラＦＣの電流変換効率の低下の主な原因は、発光ダイオードＰＤ１の発光効率の低下であり、発光ダイオードＰＤ１の順電流Ｉｆが大きく、環境温度が高いほど電流変換効率の低下が著しくなる。
なお、フォトカプラＦＣの特性はロットおよび固体によるバラツキが大きく、最低保証として、−４０℃において８％を目安とする必要がある。
また、図１３のフォトカプラＦＣを用いたＰＷＭ信号の伝送回路において、入力信号Ｖｉｎと出力信号Ｖｏｕｔとの間には伝搬遅延が発生する。
【００１８】
図１７は、フォトカプラを用いたＰＷＭ信号の伝送回路における入力信号と出力信号の伝搬遅延時間の定義を示す図である。
図１７において、図１３の発光ダイオードＰＤ１に流れる順電流Ｉｆの立ち上がりから、出力信号Ｖｏｕｔのロウレベルのしきい値ＶＩＮＬに達するまでの遅延時間をＴｐＨＬ、図１３の発光ダイオードＰＤ１に流れる順電流Ｉｆの立ち下がりから、出力信号Ｖｏｕｔのハイレベルのしきい値ＶＩＮＨに達するまでの遅延時間をＴｐＬＨと定義する。
【００１９】
ここで、図１３のＩＧＢＴドライブＩＣ３０の出力が反転する時の入力端子での電位は、出力がハイレベルの時にはＶＩＮＬ、出力がロウレベルの時にはＶＩＮＨとし、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０の出力が反転する時に誤動作しないようにするために、ＶＩＮＬ≦ＶＩＮＨとして、ヒステリシスが設けられている。そして、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０の出力がハイレベルになるには、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０に入力されるフォトカプラＦＣからの出力信号Ｖｏｕｔの値が、Ｖｏｕｔ≦ＶＩＮＬ、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０の出力がロウレベルになるには、Ｖｏｕｔ≧ＶＩＮＨの関係を満たす必要がある。
【００２０】
図１８（ａ）は、負荷抵抗ＲＬに対するフォトカプラの伝搬遅延時間特性を示す図、図１８（ｂ）は、周囲温度Ｔａに対するフォトカプラの伝搬遅延時間特性を示す図である。
図１８において、フォトカプラＦＣによる遅延時間ＴｐＨＬは、抵抗ＲＬや周囲温度Ｔａにかかわらずほとんど変化しないにもかかわらず、遅延時間ＴｐＬＨは、抵抗ＲＬや周囲温度Ｔａが大きくなるに従って増大する。
この結果、抵抗ＲＬや周囲温度Ｔａが大きくなるに従って、フォトカプラＦＣからの出力信号Ｖｏｕｔのロウレベルの期間が長くなり、ＩＧＢＴのオンの期間が長くなることから、インバータの上下アームが短絡し、ＩＧＢＴの破壊を引き起こす。このため、ＩＧＢＴのゲート信号にデッドタイムを設け、インバータの上下アームが短絡するのを防止することが行われている。
【００２１】
図１９は、ＩＧＢＴのゲート信号のデッドタイムの設定方法を示す図である。
図１９において、上アームのゲート電圧の立ち下がりに対して下アームのゲート電圧が遅れて立ち上がるようにデッドタイムＤＴ１が設定され、下アームのゲート電圧の立ち下がりに対して上アームのゲート電圧が遅れて立ち上がるようにデッドタイムＤＴ２が設定される。
このデッドタイムＤＴ１、ＤＴ２は、フォトカプラＦＣの特性バラツキや使用環境に対応できるようにするために、遅延時間ＴｐＨＬと遅延時間ＴｐＬＨとの差ΔＴに対して余裕を持たせて設定する必要がある。一方、デッドタイムＤＴ１、ＤＴ２を大きくすると、ＰＷＭ信号のデューティ比の可変範囲を狭め、ＩＧＢＴの出力の制御応答性に大きな影響を与えることから、通常は５μｓ程度に設定される。
【００２２】
また、例えば、特許文献１には、機器に組み込まれて信号の送受信に使用されている状態のフォトカプラにおける入力側の発光素子を駆動した時のフォトカプラの出力側における信号レベルに基づいて、フォトカプラの動作状態を検出する方法が開示されている。
また、例えば、特許文献２には、発光ダイオードの通電経路に設けられたホールド電流制限用の抵抗器にスピードアップコンデンサを並列接続するとともに、スピードアップコンデンサには抵抗器を直列接続することにより、フォトカプラの発光素子に流れるピーク電流およびホールド電流を簡単な回路構成にて個々に設定する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３７１５５号公報
【特許文献２】特開平８−１４９０８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかしながら、従来のフォトカプラＦＣを用いたＰＷＭ信号の伝送回路では、フォトカプラＦＣの電流変換効率の劣化を予測することができないため、フォトカプラＦＣの電流変換効率の劣化や温度依存性のバラツキに対応しながら余裕を持たせて抵抗ＲＬの値を決定する必要がある。このため、図１９のデッドタイムＤＴ１、ＤＴ２を大きくとる必要があり、ＰＷＭ信号のデューティ比の可変範囲を狭め、ＩＧＢＴの出力の制御応答性に大きな影響を与えるという問題があった。
【００２４】
また、従来のフォトカプラＦＣの電流変換効率の測定方法では、フォトカプラＦＣの出力側のコレクタ電流Ｉｃを計測する必要があるだけでなく、電流値が１６ｍＡ程度と小さなフォトカプラＦＣの入力側の順電流Ｉｆを計測する必要がある。このため、フォトカプラＦＣの電流変換効率を精度よく計測するのが困難であるとともに、車両駆動システムなどにおいては、測定対象が低圧側と高圧側に分かれることから、ＰＷＭ信号の伝送を行いながら、フォトカプラＦＣの電流変換効率の劣化を予測することができないという問題があった。
【００２５】
また、特許文献１に開示された方法では、フォトカプラの出力信号がしきい値を横切ったかどうかしか判定できないため、フォトカプラの出力信号を用いただけではフォトカプラの電流変換効率を推定することができず、フォトカプラの寿命を予測することができないという問題があった。
また、特許文献２に開示された方法では、フォトカプラの発光素子に流れるピーク電流およびホールド電流を個々に設定することはできても、フォトカプラの寿命を予測することができないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、フォトカプラを介してＰＷＭ信号の伝送を行いながら、フォトカプラの寿命を予測することが可能なフォトカプラの寿命予測装置、電力変換装置およびフォトカプラの寿命予測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上述した課題を解決するために、請求項１記載のフォトカプラの寿命予測装置によれば、フォトカプラの出力側の信号の立ち上がりまたは立ち下がりの傾きを前記フォトカプラの出力側で検出する傾き検出手段と、前記傾き検出手段にて検出されたフォトカプラの出力側の信号の立ち上がりまたは立ち下がりの傾きに基づいて、前記フォトカプラの電流変換効率を推定する電流変換効率推定手段とを備えることを特徴とする。
【００２７】
また、請求項２記載のフォトカプラの寿命予測装置によれば、前記傾き検出手段は、前記フォトカプラの出力側の信号が異なるレベルの複数のしきい値に達したかを検出するレベル検出手段と、前記フォトカプラの出力側の信号が異なるレベルの複数のしきい値に達した時の時間差を測定する時間間隔測定手段とを備え、前記電流変換効率推定手段は、前記フォトカプラの出力側の信号が異なるレベルの複数のしきい値に達した時の時間差に基づいて、前記フォトカプラの電流変換効率を推定することを特徴とする。
【００２８】
また、請求項３記載のフォトカプラの寿命予測装置によれば、前記電流変換効率推定手段は、実質的に等しい環境温度で測定された時間差に基づいて、前記フォトカプラの電流変換効率を推定することを特徴とする。
また、請求項４記載のフォトカプラの寿命予測装置によれば、前記フォトカプラの温度を計測する温度センサをさらに備え、前記電流変換効率推定手段は、前記温度センサにて計測された温度に基づいて前記フォトカプラの電流変換効率の温度依存性を補正しつつ、前記フォトカプラの電流変換効率を推定することを特徴とする。
【００２９】
また、請求項５記載のフォトカプラの寿命予測装置によれば、前記電流変換効率推定手段にて推定された前記フォトカプラの電流変換効率の時間的な履歴に基づいて、前記フォトカプラが寿命限界に到達する時期を予測する寿命予測手段をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項６記載のフォトカプラの寿命予測装置によれば、前記フォトカプラの出力側の信号は、前記フォトカプラを構成するフォトトランジスタの光電流が作用する信号であることを特徴とする。
【００３０】
また、請求項７記載の電力変換装置によれば、上アーム用および下アーム用としてそれぞれ作動するように互いに直列に接続され、負荷へ流入する電流を通電および遮断する１対のスイッチング素子と、前記スイッチング素子の導通および非導通を指示する制御信号を生成する制御回路と、前記制御信号に基づいて前記スイッチング素子の制御端子を駆動する駆動回路と、前記制御回路と前記駆動回路とが絶縁されるように前記スイッチング素子ごとに設けられ、前記制御回路と前記駆動回路との間で信号を伝送するフォトカプラと、前記フォトカプラの出力側の信号が異なるレベルの複数のしきい値に達した時の時間差に基づいて、前記フォトカプラの電流変換効率を推定する寿命予測手段とを備えることを特徴とする。
【００３１】
また、請求項８記載のフォトカプラの寿命予測方法によれば、フォトカプラの出力側の信号が異なるレベルの複数のしきい値に達した時の時間差を測定するステップと、前記フォトカプラの出力側の信号が異なるレベルの複数のしきい値に達した時の時間差に基づいて、前記フォトカプラの電流変換効率を推定するステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
以上説明したように、本発明によれば、フォトカプラの出力側の信号の立ち下がりの傾きをフォトカプラの出力側で算出することで、フォトカプラの入力側の信号を参照することなく、フォトカプラの寿命を予測することが可能となる。このため、フォトカプラを介してＰＷＭ信号の伝送するような正規の動作を中止することなく、フォトカプラの寿命を個々に予測することが可能となり、フォトカプラを用いた回路設計における自由度を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態に係るフォトカプラの寿命予測装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るフォトカプラの寿命予測装置が適用される昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュールの概略構成を示すブロック図である。
図１において、昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュールには、負荷へ流入する電流を通電および遮断するスイッチング素子ＳＷＵ、ＳＷＤおよびスイッチング素子ＳＷＵ、ＳＷＤの導通および非導通を指示する制御信号をそれぞれ生成する制御回路１が設けられている。
【００３４】
ここで、制御回路１は、ＣＰＵまたは論理ＩＣ、あるいは論理ＩＣとＣＰＵが搭載されたシステムＬＳＩなどで構成することができる。そして、制御回路１には、昇降圧指令値ＳＰをＶH検出回路１３にて生成されたＰＷＭ信号ＳＤ６と比較するＶH比較器４、ＶH比較器４による比較結果に基づいて、ゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＵ１、ＳＤ１のデューティ比を制御するゲート信号発生器５、ＶH検出回路１３にて生成されたＰＷＭ信号ＳＤ６から不要な高域成分を除去するローパスフィルタ６が設けられている。
【００３５】
そして、制御回路１は、ＰＷＭ制御によってスイッチング素子ＳＷＵ、ＳＷＤを動作させるゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＵ１、ＳＤ１を生成することができる。そして、ＰＷＭ制御では、各相のアームにおけるスイッチング素子ＳＷＵ、ＳＷＤのオン・オフを、正弦波上の電圧指令値と搬送波（代表的には三角波）との電圧比較に従って制御することができる。そして、上アーム２側のスイッチング素子ＳＷＵのオン期間に対応するハイレベル期間と、下アーム３側のスイッチング素子ＳＷＤのオン期間に対応するローレベル期間との集合について、一定期間でその基本成分が正弦波になるようにデューティ比を制限することができる。
【００３６】
また、スイッチング素子ＳＷＵ、ＳＷＤはそれぞれ上アーム２用および下アーム３用として動作するように直列に接続されている。そして、スイッチング素子ＳＷＵには、ゲート信号ＳＵ３に従ってスイッチング動作を行うＩＧＢＴ７が設けられ、ＩＧＢＴ７に流れる電流と逆方向に電流を流すフライホイールダイオードＤＵ１がＩＧＢＴ７に並列に接続されている。また、ＩＧＢＴ７が形成されたチップには、チップの温度変化に起因するダイオードＤＵ２のＶＦ変化を測定原理として用いた温度センサ、および抵抗ＲＵ１、ＲＵ２を介してＩＧＢＴ７のエミッタ電流を分流して主回路電流を検出する電流センサが設けられている。
【００３７】
また、スイッチング素子ＳＷＤには、ゲート信号ＳＤ３に従ってスイッチング動作を行うＩＧＢＴ８が設けられ、ＩＧＢＴ８に流れる電流と逆方向に電流を流すフライホイールダイオードＤＤ１がＩＧＢＴ８に並列に接続されている。また、ＩＧＢＴ８が形成されたチップには、チップの温度変化に起因するダイオードＤＤ２のＶＦ変化を測定原理として用いた温度センサ、およびＩＧＢＴ８のエミッタ電流を抵抗ＲＤ１、ＲＤ２を介して分流して主回路電流を検出する電流センサが設けられている。
【００３８】
なお、スイッチング素子ＳＷＵ、ＳＷＤとしては、例えば、ＩＧＢＴ７、８の他、パワーＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタなどを用いるようにしてもよい。
そして、上アーム２側には、ＩＧＢＴ７の制御端子を駆動するためのゲート信号ＳＵ３を生成するゲートドライバ９が設けられるとともに、温度センサからの過熱検知信号ＳＵ５および電流センサからの過電流検知信号ＳＵ４を監視しながら、ゲートドライバ９の駆動を制御することでＩＧＢＴ７を保護するＩＧＢＴ保護回路１０が設けられている。
【００３９】
また、下アーム３側には、ＩＧＢＴ８の制御端子を駆動するためのゲート信号ＳＤ３を生成するゲートドライバ１１が設けられるとともに、温度センサからの過熱検知信号ＳＤ５および電流センサからの過電流検知信号ＳＤ４を監視しながら、ゲートドライバ１１の駆動を制御することでＩＧＢＴ８を保護するＩＧＢＴ保護回路１２が設けられている。
さらに、下アーム３側には、ＩＧＢＴ７からの出力信号ＶHをＰＷＭ信号ＳＤ６に変換するＶH検出回路１３が設けられ、ＶH検出回路１３には、三角波を生成する三角波生成器１４、ＩＧＢＴ７からの出力信号ＶHを分圧する分圧回路１６、分圧回路１６にて分圧されたＩＧＢＴ７からの出力信号ＶHのレベル調整を行うレベル調整部１５およびレベル調整されたＩＧＢＴ７からの出力信号ＶHと、三角波生成器１４にて生成された三角波との比較結果に基づいてＰＷＭ信号ＳＤ６を生成する比較回路１７が設けられている。
【００４０】
また、車体筐体に接地される制御回路１側と、高圧となる上アーム２側および下アーム３側との間には、フォトカプラＦＵ１〜ＦＵ３が介挿され、制御回路１では、フォトカプラＦＵ１〜ＦＵ３を用いて上アーム２側および下アーム３側と電気的に絶縁しながら信号の授受を行うことができる。
ここで、上アーム２側および下アーム３側には、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２からの出力信号ＳＵ２、ＳＤ２の立ち下がりの傾きに基づいて、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の電流変換効率をそれぞれ推定する寿命予測装置２１、２２がそれぞれ設けられている。
【００４１】
そして、ゲート信号発生器５は、ＩＧＢＴ７、８の導通または非導通をそれぞれ指示するゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＵ１、ＳＤ１を生成し、このゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＵ１、ＳＤ１をフォトカプラＦＵ１、ＦＵ２をそれぞれ介してゲートドライバ９、１１にそれぞれ絶縁伝送するとともに、寿命予測装置２１、２２にそれぞれ絶縁伝送する。  そして、ゲートドライバ９、１１は、ゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＵ１、ＳＤ１にそれぞれ基づいてゲート信号ＳＵ３、ＳＤ３を生成し、ＩＧＢＴ７、８の制御端子をそれぞれ駆動することにより、ＩＧＢＴ７、８をそれぞれスイッチング動作させる。
【００４２】
ここで、温度センサから出力された過熱検知信号ＳＵ５、ＳＤ５がＩＧＢＴ保護回路１０、１２にそれぞれ入力されるとともに、電流センサから出力された過電流検知信号ＳＵ４、ＳＤ４がＩＧＢＴ保護回路１０、１２にそれぞれ入力される。そして、ＩＧＢＴ保護回路１０、１２は、ＩＧＢＴ７、８が破壊しない閾値を超過した場合には、そのことをゲートドライバ９、１１にそれぞれ通知する。そして、ゲートドライバ９、１１は、ＩＧＢＴ７、８が破壊しない閾値を超過したという通知をＩＧＢＴ保護回路１０、１２からそれぞれ受け取ると、ゲート信号ＳＵ３、ＳＤ３の生成をそれぞれ停止することにより、ＩＧＢＴ７、８に流れる電流を遮断する。
【００４３】
また、ＩＧＢＴ７からの出力信号ＶHはＶH検出回路１３に入力され、分圧回路１６およびレベル調整部１５にてレベル調整が行われた後、三角波生成器１４にて生成された三角波との電圧比較に従って、比較回路１７にてＰＷＭ信号ＳＤ６が生成される。そして、比較回路１７にて生成されたＰＷＭ信号ＳＤ６は、フォトカプラＦＵ３を介して制御回路１側に絶縁伝送され、制御回路１側に絶縁伝送されたＰＷＭ信号ＳＤ７は、ローパスフィルタ６にて不要な高域成分が除去された後、ＶH比較器４に入力される。そして、ＶH比較器４は、フォトカプラＦＵ３を介してＰＷＭ信号ＳＤ７が送られると、そのＰＷＭ信号ＳＤ７を昇降圧指令値ＳＰと比較することにより、ＰＷＭ信号ＳＤ７が昇降圧指令値ＳＰに従うようにゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＵ１、ＳＤ１のデューティ比をゲート信号発生器５に制御させることができる。
【００４４】
また、ゲート信号発生器５にて生成されたゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＵ１、ＳＤ１がフォトカプラＦＵ１、ＦＵ２をそれぞれ介してゲートドライバ９、１１にそれぞれ絶縁伝送されると、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２からの出力信号ＳＵ２、ＳＤ２が寿命予測装置２１、２２にそれぞれ入力される。そして、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２からの出力信号ＳＵ２、ＳＤ２が寿命予測装置２１、２２にそれぞれ入力されると、寿命予測装置２１、２２は、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の出力信号ＳＵ２、ＳＤ２の立ち下がりの傾きに基づいて、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の電流変換効率をそれぞれ推定し、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２が寿命限界に到達する時期を予測することができる。
【００４５】
図２は、本発明の第１実施形態に係るフォトカプラの寿命予測装置の概略構成を示すブロック図である。
図２において、フォトカプラＦＣには、順電流Ｉｆによって赤外光を放射する赤外発光ダイオードＰＤ１、赤外発光ダイオードＰＤ１から放射された赤外光を受光する受光ダイオードＰＤ２および受光ダイオードＰＤ２で発生した光電流をベース電流として電流増幅動作を行うフォトトランジスタＭ２が設けられている。そして、赤外発光ダイオードＰＤ１にはＲ２８が並列接続されるとともに、赤外発光ダイオードＰＤ１のカソードは抵抗Ｒ２９および抵抗Ｒ００を順次介して電界効果型トランジスタＭ１に接続されている。
【００４６】
また、フォトトランジスタＭ２のコレクタは、抵抗ＲＬを介して電源電圧Ｖｃｃ２に接続されるとともに、フォトトランジスタＭ２のコレクタを介して出力される出力信号Ｖｏｕｔは、抵抗ＲLPFを介してＩＧＢＴドライブＩＣ３０に入力される。なお、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０の入力端子とフォトトランジスタＭ２のコレクタとの間に挿入された抵抗ＲLPFは微小ノイズを除去するためのもので、抵抗ＲLPFは必ずしも挿入する必要はない。
【００４７】
また、フォトカプラＦＣの寿命予測装置３１には、フォトカプラＦＣからの出力信号Ｖｏｕｔと基準電圧Ｖｒｅｆ１とを比較する演算増幅器３２、フォトカプラＦＣからの出力信号Ｖｏｕｔと基準電圧Ｖｒｅｆ２とを比較する演算増幅器３３、フォトカプラＦＣからの出力信号Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２にそれぞれ達した時の時間差を測定するパルス時間間隔測定回路３４、パルス時間間隔測定回路３４にて測定される時間差とフォトカプラＦＣの電流変換効率との関係が記述されたパルス時間間隔／ＣＴＲ特性マップ３５、パルス時間間隔測定回路３４にて測定される時間差に基づいてフォトカプラＦＣの電流変換効率を推定するパルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット３６、パルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット３６にて推定された電流変換効率の推移を登録するＣＴＲトレンドテーブル３７および電流変換効率の推移に基づいてフォトカプラＦＵ１、ＦＵ２が寿命限界に到達する時期を予測する寿命限界到達推定ユニット３８が設けられている。
【００４８】
なお、フォトカプラＦＣの寿命予測装置３１にて検出される信号は、フォトカプラＦＣを構成するフォトトランジスタＭ２の光電流が作用する信号ならばどれでもよく、例えば、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０の入力端子に入力される信号（出力信号Ｖｏｕｔ）であってもよいし、フォトトランジスタＭ２のコレクタ端子の電圧であってもよい。また、基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２は、フォトカプラからの出力信号Ｖｏｕｔの立ち下がりが傾いている部分の異なるレベルに設定することができる。
また、パルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット３６は、実質的に等しい環境温度でパルス時間間隔測定回路３４にて測定された時間差に基づいて、フォトカプラＦＣの電流変換効率を推定することが望ましい。
【００４９】
そして、電界効果型トランジスタＭ１のゲートに入力信号Ｖｉｎが入力されると、順電流Ｉｆが赤外発光ダイオードＰＤ１に流れ、赤外光が放射される。そして、赤外発光ダイオードＰＤ１から放射された赤外光は、受光ダイオードＰＤ２にて受光され、その赤外光に応じた光電流がフォトトランジスタＭ２のベースに流れる。そして、フォトトランジスタＭ２のベースに光電流が流れると、フォトトランジスタＭ２にコレクタ電流Ｉｃが流れるとともに、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０内のカレントミラー回路から定常電流ＩLV-ICが抵抗ＲLPFを介して外部に吐き出され、片端を電源電圧Ｖｃｃ２に接続された抵抗ＲＬに流れる電流はＩｃ−ＩLV-ICとなる。そして、コレクタ電流Ｉｃの変化に伴う抵抗ＲＬの他端電圧の変化が、以下の式に示すように、フォトカプラＦＣからの出力信号Ｖｏｕｔとして抵抗ＲLPFを介してＩＧＢＴドライブＩＣ３０に入力される。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｃｃ２−ＲＬ×（Ｉｃ−ＩLV-IC）＋ＲLPF×ＩLV-IC
【００５０】
さらに、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０に入力される出力信号Ｖｏｕｔは寿命予測装置３１に入力される。そして、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０に入力される出力信号Ｖｏｕｔが寿命予測装置３１に入力されると、出力信号Ｖｏｕｔのレベルが演算増幅器３２、３３にて基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２とそれぞれ比較される。そして、出力信号Ｖｏｕｔのレベルが基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２にそれぞれ達すると、演算増幅器３２、３３の出力レベルがロウレベルからハイレベルにそれぞれ変化し、演算増幅器３２、３３の出力レベルが変化した時の時間差がパルス時間間隔測定回路３４にて測定され、その測定結果がパルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット３６に送られる。
【００５１】
そして、演算増幅器３２、３３の出力レベルが変化した時の時間差がパルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット３６に送られると、パルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット３６は、パルス時間間隔／ＣＴＲ特性マップ３５を参照することにより、フォトカプラＦＣの電流変換効率を推定し、その推定結果を寿命限界到達推定ユニット３８に送るとともに、ＣＴＲトレンドテーブル３７に登録する。そして、フォトカプラＦＣの電流変換効率の推定結果がＣＴＲトレンドテーブル３７に登録されると、寿命限界到達推定ユニット３８は、ＣＴＲトレンドテーブル３７を参照することにより、フォトカプラＦＣが寿命限界に到達する時期を予測することができる。
【００５２】
これにより、フォトカプラＦＣの出力信号Ｖｏｕｔの立ち下がりの傾きをフォトカプラＦＣの出力側で算出することで、フォトカプラＦＣの入力側の信号（赤外発光ダイオードＰＤ１に流れる順電流Ｉｆ）を参照することなく、フォトカプラの寿命を予測することが可能となる。このため、フォトカプラＦＣを介してＰＷＭ信号の伝送するような正規の動作を中止することなく、フォトカプラＦＣの寿命を個々に予測することが可能となり、フォトカプラＦＣを用いた回路設計における自由度を向上させることが可能となる。
【００５３】
図３は、図２のＩＧＢＴドライブＩＣの概略構成を示すブロック図である。
図３において、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０には、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０の入力端子のプルアップ機能、フォトカプラＦＣからの出力信号Ｖｏｕｔの２値化機能、ＩＧＢＴのゲートドライブ機能およびＩＧＢＴの過電流／過温保護機能が備えられている。
すなわち、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０には、定常電流ＩLV-ICを外部に吐き出すためのカレントミラー回路から構成される電流源４１、フォトカプラＦＣからの出力信号Ｖｏｕｔを２値化する２値化回路４２、ＩＧＢＴのゲートドライブを行うためのＭＯＳ−ＦＥＴドライバ４４、ＩＧＢＴの過電流／過温保護を行うための論理回路４３、４５、温度信号比較器４６、電流信号比較器４７が設けられている。
【００５４】
そして、電流源４１にて生成された定常電流ＩLV-ICを外部に吐き出しながら、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０にＰＷＭ信号が入力されると、２値化回路４２にて２値化された後、論理回路４３を介してＭＯＳ−ＦＥＴドライバ４４に供給され、ＩＧＢＴのゲートドライブが行われる。
また、ＩＧＢＴ温度信号が温度信号比較器４６に入力されるとともに、ＩＧＢＴ電流信号が電流信号比較器４７に入力され、ＩＧＢＴが破壊しない閾値を超過した場合には、論理回路４５を介してアラーム信号が出力されるとともに、論理回路４３にてゲート信号の生成を停止させることにより、ＩＧＢＴに流れる電流を遮断し、ＩＧＢＴを破壊から保護することができる。
【００５５】
図４（ａ）は、図２のフォトカプラの初期状態における入力側の電圧Ｖｉｎの立ち上がり波形および出力側の電圧Ｖｏｕｔの立ち下がり波形、図４（ｂ）は、図２のフォトカプラの初期状態における入力側の電圧Ｖｉｎの立ち下がり波形および出力側の電圧Ｖｏｕｔの立ち上がり波形、図４（ｃ）は、図２のフォトカプラの寿命劣化状態における入力側の電圧Ｖｉｎの立ち上がり波形および出力側の電圧Ｖｏｕｔの立ち下がり波形、図４（ｄ）は、図２のフォトカプラの寿命劣化状態における入力側の電圧Ｖｉｎの立ち下がり波形および出力側の電圧Ｖｏｕｔの立ち上がり波形を示すである。
【００５６】
図４において、フォトカプラＦＣの寿命劣化状態では、フォトカプラＦＣの初期状態に比べて、出力電圧Ｖｏｕｔの立ち上がりの傾きにはほとんど変化が見られないのに対して、出力電圧Ｖｏｕｔの立ち下がりの傾きが小さくなる。従って、フォトカプラＦＣからの出力電圧Ｖｏｕｔの立ち下がりの傾きを監視することにより、フォトカプラＦＣの寿命劣化状態を判定することができる。
【００５７】
図５は本発明の一実施形態に係るフォトカプラの電流変換効率と出力側の電圧Ｖｏｕｔの立ち下がり時間ＴｐＬＨとの関係について温度をパラメータとして示す図、図６は、本発明の一実施形態に係るフォトカプラの電流変換効率と出力側の電圧Ｖｏｕｔの立ち上がり時間ＴｐＨＬとの関係について温度をパラメータとして示す図である。
図５および図６において、フォトカプラＦＣによる立ち上がり波形の遅延時間ＴｐＬＨは、フォトカプラＦＣの電流変換効率の依存性が少ないのに対して、フォトカプラＦＣによる立ち下がり波形の遅延時間ＴｐＨＬは、フォトカプラＦＣの電流変換効率が劣化するに従って大きくなり、特に、温度が低くなるに従ってその傾向が顕著に表れる。
従って、フォトカプラＦＣからの出力電圧Ｖｏｕｔの立ち下がりの傾きを監視することにより、フォトカプラＦＣの寿命劣化状態を判定することができ、フォトカプラＦＣが寿命限界に到達する時期を予測することができる。
【００５８】
図７は、本発明の一実施形態に係るフォトカプラの電流変換効率の寿命限界の予測方法を示す図である。
図７において、図２のパルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット３６にて推定されたフォトカプラＦＣの電流変換効率が経過時間に沿ってＣＴＲトレンドテーブル３７に登録され、フォトカプラＦＣの電流変換効率のトレンドＴＲがＣＴＲトレンドテーブル３７に登録される。
そして、命限界到達推定ユニット３８は、フォトカプラＦＣの電流変換効率のトレンドＴＲがＣＴＲトレンドテーブル３７に登録されると、フォトカプラＦＣの電流変換効率のトレンドＴＲに沿った推定寿命線ＬＳを算出し、その推定寿命線ＬＳがフォトカプラＦＣの電流変換効率の寿命限界ＴＣに達する時期を予測することにより、フォトカプラＦＣの寿命を判定することができる。
【００５９】
なお、フォトカプラＦＣの電流変換効率のトレンドＴＲに沿った推定寿命線ＬＳを算出する方法としては、例えば、最小２乗法を用いることができる。
また、上述した実施形態では、図２の演算増幅器３２、３３のレベルが変化した時の時間差に基づいて、フォトカプラＦＣの電流変換効率の推定および寿命の予測を図１の上アーム２側および下アーム３側で行う方法について説明したが、図２の演算増幅器３２、３３のレベルが変化した時の信号をＰＷＭ信号に変換しながら制御回路１側に伝送し、フォトカプラＦＣの電流変換効率の推定および寿命の予測を制御回路１側で行うようにしてもよい。
【００６０】
ここで、フォトカプラＦＣからの出力電圧Ｖｏｕｔの立ち下がりの傾きは、図５に示すように、フォトカプラＦＣの電流変換効率が同じであっても、温度による依存性が大きいことから、実質的に等しい環境温度で出力電圧Ｖｏｕｔの立ち下がりの傾きを測定することが好ましい。あるいは、フォトカプラＦＣの使用状況によって環境温度が変化する場合には、フォトカプラＦＣの電流変換効率の温度依存性を補正しながら、フォトカプラＦＣの電流変換効率を推定することが好ましい。
【００６１】
図８は、本発明の第２実施形態に係るフォトカプラの寿命予測装置の概略構成を示すブロック図である。
図８において、フォトカプラＦＣの寿命予測装置５１には、図２の寿命予測装置３１の構成に加え、温度補正テーブル３９が設けられるとともに、フォトカプラＦＣの近傍には温度センサ４０が設けられている。なお、温度補正テーブル３９には、例えば、フォトカプラＦＣの電流変換効率と周囲温度が与えられた時に、予め定められた温度におけるフォトカプラＦＣの電流変換効率を求めるための対応関係を登録することができる。
【００６２】
そして、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０に入力される出力信号Ｖｏｕｔが寿命予測装置５１に入力されると、出力信号Ｖｏｕｔのレベルが演算増幅器３２、３３にて基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２とそれぞれ比較される。そして、出力信号Ｖｏｕｔのレベルが基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２にそれぞれ達すると、演算増幅器３２、３３の出力レベルがロウレベルからハイレベルにそれぞれ変化し、演算増幅器３２、３３の出力レベルが変化した時の時間差がパルス時間間隔測定回路３４にて測定され、その測定結果がパルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット３６に送られる。また、この時に温度センサ４０にて計測されたフォトカプラＦＣの周囲温度がパルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット３６に送られる。
【００６３】
そして、演算増幅器３２、３３の出力レベルが変化した時の時間差がパルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット３６に送られると、パルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット３６は、パルス時間間隔／ＣＴＲ特性マップ３５を参照することにより、フォトカプラＦＣの電流変換効率を推定するとともに、温度センサ４０による計測値および温度補正テーブル３９を参照しながら、その推定されたフォトカプラＦＣの電流変換効率の温度依存性を補正し、その補正結果を寿命限界到達推定ユニット３８に送るとともに、ＣＴＲトレンドテーブル３７に登録する。そして、フォトカプラＦＣの電流変換効率の補正結果がＣＴＲトレンドテーブル３７に登録されると、寿命限界到達推定ユニット３８は、ＣＴＲトレンドテーブル３７を参照することにより、フォトカプラＦＣが寿命限界に到達する時期を予測することができる。
【００６４】
図９は、本発明の第３施形態に係るフォトカプラの寿命予測装置の概略構成を示すブロック図である。
図９において、フォトカプラＦＣには、順電流Ｉｆによって赤外光を放射する赤外発光ダイオードＰＤ１、赤外発光ダイオードＰＤ１から放射された赤外光を受光する受光ダイオードＰＤ２および受光ダイオードＰＤ２で発生した光電流をベース電流として電流増幅動作を行うフォトトランジスタＭ２が設けられている。そして、赤外発光ダイオードＰＤ１にはＲ２８が並列接続されるとともに、赤外発光ダイオードＰＤ１のカソードは抵抗Ｒ２９および抵抗Ｒ００を順次介して電界効果型トランジスタＭ１に接続されている。
【００６５】
また、フォトトランジスタＭ２のコレクタは電源電圧Ｖｃｃ２に接続されるとともに、フォトトランジスタＭ２のエミッタは抵抗ＲＬを介して接地電位に接続され、フォトトランジスタＭ２のエミッタを介して出力される出力信号Ｖｏｕｔは、抵抗ＲLPFを介してＩＧＢＴドライブＩＣ３０に入力される。なお、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０の入力端子とフォトトランジスタＭ２のエミッタとの間に挿入された抵抗ＲLPFは微小ノイズを除去するためのもので、抵抗ＲLPFは必ずしも挿入する必要はない。
【００６６】
また、フォトカプラＦＣの寿命予測装置１３１には、フォトカプラＦＣからの出力信号Ｖｏｕｔと基準電圧Ｖｒｅｆ１とを比較する演算増幅器１３２、フォトカプラＦＣからの出力信号Ｖｏｕｔと基準電圧Ｖｒｅｆ２とを比較する演算増幅器１３３、フォトカプラＦＣからの出力信号Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２にそれぞれ達した時の時間差を測定するパルス時間間隔測定回路１３４、パルス時間間隔測定回路１３４にて測定される時間差とフォトカプラＦＣの電流変換効率との関係が記述されたパルス時間間隔／ＣＴＲ特性マップ１３５、パルス時間間隔測定回路１３４にて測定される時間差に基づいてフォトカプラＦＣの電流変換効率を推定するパルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット１３６、パルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット１３６にて推定された電流変換効率の推移を登録するＣＴＲトレンドテーブル１３７および電流変換効率の推移に基づいてフォトカプラＦＵ１、ＦＵ２が寿命限界に到達する時期を予測する寿命限界到達推定ユニット１３８が設けられている。
【００６７】
なお、フォトカプラＦＣの寿命予測装置３１にて検出される信号は、フォトカプラＦＣを構成するフォトトランジスタＭ２の光電流が作用する信号ならばどれでもよく、例えば、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０の入力端子に入力される信号（出力信号Ｖｏｕｔ）であってもよいし、フォトトランジスタＭ２のエミッタ端子の電圧であってもよい。また、基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２は、フォトカプラからの出力信号Ｖｏｕｔの立ち上がりが傾いている部分の異なるレベルに設定することができる。
また、パルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット１３６は、実質的に等しい環境温度でパルス時間間隔測定回路１３４にて測定された時間差に基づいて、フォトカプラＦＣの電流変換効率を推定することが望ましい。
【００６８】
そして、電界効果型トランジスタＭ１のゲートに入力信号Ｖｉｎが入力されると、順電流Ｉｆが赤外発光ダイオードＰＤ１に流れ、赤外光が放射される。そして、赤外発光ダイオードＰＤ１から放射された赤外光は、受光ダイオードＰＤ２にて受光され、その赤外光に応じた光電流がフォトトランジスタＭ２のベースに流れる。そして、フォトトランジスタＭ２のベースに光電流が流れると、フォトトランジスタＭ２にコレクタ電流Ｉｃが流れるとともに、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０内のカレントミラー回路に定常電流ＩLV-ICが抵抗ＲLPFを介して外部から吸い込まれ、片端を接地電位に接続された抵抗ＲＬに流れる電流はＩｃ−ＩLV-ICとなる。そして、コレクタ電流Ｉｃの変化に伴う抵抗ＲＬの他端電圧の変化が、以下の式に示すように、フォトカプラＦＣからの出力信号Ｖｏｕｔとして抵抗ＲLPFを介してＩＧＢＴドライブＩＣ３０に入力される。
Ｖｏｕｔ＝ＲＬ×（Ｉｃ−ＩLV-IC）＋ＲLPF×ＩLV-IC
【００６９】
さらに、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０に入力される出力信号Ｖｏｕｔは寿命予測装置１３１に入力される。そして、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０に入力される出力信号Ｖｏｕｔが寿命予測装置１３１に入力されると、出力信号Ｖｏｕｔのレベルが演算増幅器１３２、１３３にて基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２とそれぞれ比較される。そして、出力信号Ｖｏｕｔのレベルが基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２にそれぞれ達すると、演算増幅器１３２、１３３の出力レベルがロウレベルからハイレベルにそれぞれ変化し、演算増幅器１３２、１３３の出力レベルが変化した時の時間差がパルス時間間隔測定回路１３４にて測定され、その測定結果がパルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット１３６に送られる。
【００７０】
そして、演算増幅器１３２、１３３の出力レベルが変化した時の時間差がパルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット１３６に送られると、パルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット１３６は、パルス時間間隔／ＣＴＲ特性マップ１３５を参照することにより、フォトカプラＦＣの電流変換効率を推定し、その推定結果を寿命限界到達推定ユニット１３８に送るとともに、ＣＴＲトレンドテーブル１３７に登録する。そして、フォトカプラＦＣの電流変換効率の推定結果がＣＴＲトレンドテーブル１３７に登録されると、寿命限界到達推定ユニット１３８は、ＣＴＲトレンドテーブル１３７を参照することにより、フォトカプラＦＣが寿命限界に到達する時期を予測することができる。
【００７１】
これにより、フォトカプラＦＣの出力信号Ｖｏｕｔの立ち上がりの傾きをフォトカプラＦＣの出力側で算出することで、フォトカプラＦＣの入力側の信号（赤外発光ダイオードＰＤ１に流れる順電流Ｉｆ）を参照することなく、フォトカプラの寿命を予測することが可能となる。このため、フォトカプラＦＣを介してＰＷＭ信号の伝送するような正規の動作を中止することなく、フォトカプラＦＣの寿命を個々に予測することが可能となり、フォトカプラＦＣを用いた回路設計における自由度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の一実施形態に係るフォトカプラの寿命予測装置が適用される昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュールの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１施形態に係るフォトカプラの寿命予測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】図２のＩＧＢＴドライブＩＣの概略構成を示すブロック図である。
【図４】図４（ａ）は、図２のフォトカプラの初期状態における入力側の電圧Ｖｉｎの立ち上がり波形および出力側の電圧Ｖｏｕｔの立ち下がり波形、図４（ｂ）は、図２のフォトカプラの初期状態における入力側の電圧Ｖｉｎの立ち下がり波形および出力側の電圧Ｖｏｕｔの立ち上がり波形、図４（ｃ）は、図２のフォトカプラの寿命劣化状態における入力側の電圧Ｖｉｎの立ち上がり波形および出力側の電圧Ｖｏｕｔの立ち下がり波形、図４（ｄ）は、図２のフォトカプラの寿命劣化状態における入力側の電圧Ｖｉｎの立ち下がり波形および出力側の電圧Ｖｏｕｔの立ち上がり波形を示すである。
【図５】本発明の一実施形態に係るフォトカプラの電流変換効率と出力側の電圧Ｖｏｕｔの立ち下がり時間ＴｐＬＨとの関係について温度をパラメータとして示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るフォトカプラの電流変換効率と出力側の電圧Ｖｏｕｔの立ち上がり時間ＴｐＨＬとの関係について温度をパラメータとして示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るフォトカプラの電流変換効率の寿命限界の予測方法を示す図である。
【図８】本発明の第２施形態に係るフォトカプラの寿命予測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第３施形態に係るフォトカプラの寿命予測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１０】従来の昇降圧コンバータを用いた車両駆動システムの概略構成を示すブロック図である。
【図１１】図１０の昇降圧コンバータの概略構成を示すブロック図である。
【図１２】昇圧動作時に図１１のリアクトルに流れる電流の波形を示す図である。
【図１３】フォトカプラを用いたＰＷＭ信号の伝送回路の構成を示す図である。
【図１４】２０℃におけるフォトカプラの発光ダイオードに流れる順電流Ｉｆをパラメータとした時の電流変換効率のコレクタ／エミッタ電圧依存性を示す図である。
【図１５】フォトカプラの発光ダイオードに流れる順電流Ｉｆに対するフォトトランジスタのコレクタ電流Ｉｃをパラメータとした時の電流変換効率の温度依存性を示す図である。
【図１６】フォトカプラの発光ダイオードに流れる順電流Ｉｆをパラメータとした時の電流変換効率の経時特性を示す図である。
【図１７】フォトカプラを用いたＰＷＭ信号の伝送回路における入力信号と出力信号の伝搬遅延時間の定義を示す図である。
【図１８】図１８（ａ）は、負荷抵抗ＲＬに対するフォトカプラの伝搬遅延時間特性を示す図、図１８（ｂ）は、周囲温度Ｔａに対するフォトカプラの伝搬遅延時間特性を示す図である。
【図１９】ＩＧＢＴのゲート信号のデッドタイムの設定方法を示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
ＳＷＵ、ＳＷＤ  スイッチング素子
１  制御回路
２  上アーム
３  下アーム
４  ＶH比較器
５  ゲート信号発生器
６  ローパスフィルタ
７、８  ＩＧＢＴ
９、１１  ゲートドライバ
１０、１２  ＩＧＢＴ保護回路
１３  ＶH検出回路
１４  三角波生成器
１５  レベル調整部
１６  分圧回路
１７  比較回路
２１、２２、３１、５１、１３１  寿命予測装置
ＦＵ１〜ＦＵ３、ＦＣ  フォトカプラ
ＤＵ１、ＤＵ２、ＤＤ１、ＤＤ２  ダイオード
ＲＵ１、ＲＵ２、ＲＤ１、ＲＤ２、Ｒ００、Ｒ２８、Ｒ２９、ＲＬ、ＲLPF  抵抗
Ｍ１  電界効果型トランジスタ
Ｍ２  フォトトランジスタ
３０  ＩＧＢＴドライブＩＣ
３２、３３、１３２、１３３  演算増幅器
Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２  基準電圧
１３４  パルス時間間隔測定回路
１３５  パルス時間間隔／ＣＴＲ特性マップ
１３６  パルス時間間隔／ＣＴＲ推測ユニット
１３７  ＣＴＲトレンドテーブル
１３８  寿命限界到達推定ユニット
３９  温度補正テーブル
４０  温度センサ
４１  電流源
４２  ２値化回路
４３、４５  論理回路
４４  ＭＯＳ−ＦＥＴドライバ
４６  温度信号比較器
４７  電流信号比較器
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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