(57)【要約】【課題】フォトカプラによる信号の伝播遅延を抑制しつつ、フォトカプラの寿命を向上させる。【解決手段】出力信号監視回路２１、２２は、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の出力信号ＳＵ２、ＳＤ２の信号レベルを監視し、その監視結果をフォトカプラＦＵ４、ＦＵ５をそれぞれ介して制御回路１側の電流制御回路２３、２４にそれぞれ伝送し、電流制御回路２３、２４は、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の出力信号ＳＵ２、ＳＤ２の信号レベルの監視結果を出力信号監視回路２１、２２からそれぞれ受け取ると、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の出力側の信号レベルに基づいて、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御する。【選択図】      図１
2008270548.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レベルを監視する出力信号監視手段と、
前記出力信号監視手段にて監視される信号レベルに基づいて、前記フォトカプラの入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御する電流制御手段とを備えることを特徴とするフォトカプラの駆動装置。
【請求項２】
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入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御する電流制御手段とを備えることを特徴とするフォトカプラの駆動装置。
【請求項３】
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、
前記電流制御手段は、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入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御することを特徴とする請求項２記載のフォトカプラの駆動装置。
【請求項４】
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時の遅延時間を算出する検出する遅延時間算出手段と、
前記遅延時間算出手段にて算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時の遅延時間に基づいて、前記フォトカプラの入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御する電流制御手段とを備えることを特徴とするフォトカプラの駆動装置。
【請求項５】
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４のいずれか１項記載のフォトカプラの駆動装置。
【請求項６】
前記フォトカプラの入力側の発光ダイオードに印加される順方向電圧を可変する可変電圧源をさらに備え、
前記電流制御手段は、前記可変電圧源の電圧を制御することにより、前記フォトカプラの入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御す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駆動装置。
【請求項７】
前記可変電圧源の電圧値が、前記フォトカプラの発光ダイオードの許容パルス電流に相当する値を超えた場合、アラームを生成することを特徴とする請求項６記載のフォトカプラの駆動装置。
【請求項８】
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、
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入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御する電流制御手段とを備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
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入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御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駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフォトカプラの駆動装置、電力変換装置およびフォトカプラの駆動方法に関し、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）を推定しながら、フォトカプラを駆動する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１２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１２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１３は、図１２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１３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１４は、昇圧動作時に図１３のリアクトルに流れる電流の波形を示す図である。
図１４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。
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。
【００１１】
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１５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１５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、負荷抵抗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に接続された負荷抵抗ＲＬに流れる電流はＩｃ−ＩＬＶ−ＩＣとなる。そして、コレクタ電流Ｉｃの変化に伴う負荷抵抗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の赤外発光ダイオードＰＤ１に流れる順電流Ｉｆは、以下の（１）式で表すことができる。
Ｉｆ＝（Ｖｐ−Ｖｆ）／（Ｒ２９＋Ｒ００＋Ｒｏｎ）−Ｖｆ／Ｒ２８    ・・・（１）
ただし、Ｖｆは赤外発光ダイオードＰＤ１の順方向電圧降下、Ｒｏｎは電界効果型トランジスタＭ１のオン抵抗である。
そして、この順電流Ｉｆによって流れるフォトトランジスタＭ２のコレクタ電流Ｉｃは、以下の（２）式で表すことができる。
Ｉｃ＝Ｉｆ×初期保証ＣＴＲ×ＣＴＲ寿命劣化                        ・・・（２）
【００１６】
一方、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０の入力端子にはプルアップのための定常電流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に接続された負荷抵抗ＲＬに流れる電流はＩｃ−ＩＬＶ−ＩＣとなるので、フォトトランジスタＭ２のコレクタ電位Ｖｃは、以下の（３）式で表すことができる。
Ｖｃ＝Ｖｃｃ２−ＲＬ×（Ｉｃ−ＩＬＶ−ＩＣ）                          ・・・（３）
そして、フォトトランジスタＭ２のコレクタ電位Ｖｃは、抵抗ＲＬＰＦを介してＩＧＢＴドライブＩＣ３０に入力されることから、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の値は、以下の（４）式で表すことができる。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｃｃ２−ＲＬ×（Ｉｃ−ＩＬＶ−ＩＣ）＋ＲＬＰＦ×ＩＬＶ−ＩＣ    ・・・（４）
【００１７】
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負荷抵抗ＲＬの値が決定される。
【００１８】
図１６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１６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１７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１７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。
【００１９】
図１８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１８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１５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。
【００２０】
図１９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１９において、図１５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に達するまでの立ち下がり時間を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に達するまでの立ち上がり時間をＴｐＬＨと定義する。
【００２１】
ここで、図１５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。
【００２２】
図２０（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２０（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２０において、フォトカプラＦＣによる立ち下がり時間ＴｐＨＬは、負荷抵抗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、立ち上がり時間ＴｐＬＨは、負荷抵抗ＲＬや周囲温度Ｔａが大きくなるに従って増大する。
【００２３】
この結果、負荷抵抗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。
【００２４】
図２１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２１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、立ち下がり時間ＴｐＨＬと立ち上がり時間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。
【００２５】
図２２は、発光ダイオードの順方向電圧の温度依存性を示す図、図２３は、電界効果型トランジスタのオン抵抗の温度依存性を示す図、図２４は、発光ダイオードに流れる順方向電流の温度依存性を示す図であるである。
図２２において、図１５の赤外発光ダイオードＰＤ１の順方向電圧は負の温度特性を持つことが判る。また、図２３において、図１５の電界効果型トランジスタＭ１のオン抵抗Ｒｏｎは正の温度特性を持つことが判る。この結果、図２４に示すように、図１５の赤外発光ダイオードＰＤ１の順方向電流Ｉｆは正の温度特性を持つようになり、高温になるほど順方向電流Ｉｆは増加することが判る。
【００２６】
図２５は、順方向電流をパラメータとした時のフォトカプラの周囲温度に対する推定寿命を示す図である。
図２５において、フォトカプラの推定寿命は、環境温度が高いほど短くなるとともに、赤外発光ダイオードＰＤ１の順方向電流Ｉｆが大きくなるほど短くなることが判る。
一方、フォトカプラＦＣの電流変換効率は、図１７に示すように、環境温度が高いほど大きくなることから、図１５の負荷抵抗ＲＬに流れる電流が一定でよいならば、環境温度が高くなるほど赤外発光ダイオードＰＤ１の順方向電流Ｉｆを少なくすることができる。
【００２７】
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】
【００２８】
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、図２４に示すように、環境温度が高くなるほど赤外発光ダイオードＰＤ１の順方向電流Ｉｆが大きくなることから、図２５に示すように、フォトカプラＦＣの推定寿命が短くなるという問題があった。
また、フォトカプラＦＣの電流変換効率が低下してもＰＷＭ信号の伝送が正常に行われるようにするために、赤外発光ダイオードＰＤ１の順方向電流Ｉｆが大きくなるように予め設定する必要がある。このため、フォトカプラＦＣの電流変換効率の低下が少ない初期の動作期間では、赤外発光ダイオードＰＤ１の順方向電流Ｉｆが本来必要な値を超過するようになり、図２５に示すように、フォトカプラＦＣの寿命劣化を促進させるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、フォトカプラによる信号の伝播遅延を抑制しつつ、フォトカプラの寿命を向上させることが可能なフォトカプラの駆動装置、電力変換装置およびフォトカプラの駆動方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
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駆動装置によれば、フォトカプラの出力側の信号レベルを監視する出力信号監視手段と、前記出力信号監視手段にて監視される信号レベルに基づいて、前記フォトカプラの入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御する電流制御手段とを備えることを特徴とする。
また、請求項２記載のフォトカプラの駆動装置によれば、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入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御する電流制御手段とを備えることを特徴とする。
【００３０】
また、請求項３記載のフォトカプラの駆動装置によれば、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、前記電流制御手段は、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入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御することを特徴とする。
【００３１】
また、請求項４記載のフォトカプラの駆動装置によれば、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時の遅延時間を算出する検出する遅延時間算出手段と、前記遅延時間算出手段にて算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時の遅延時間に基づいて、前記フォトカプラの入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御する電流制御手段とを備えることを特徴とする。
また、請求項５記載のフォトカプラの駆動装置によれば、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。
【００３２】
また、請求項６記載のフォトカプラの駆動装置によれば、前記フォトカプラの入力側の発光ダイオードに印加される順方向電圧を可変する可変電圧源をさらに備え、前記電流制御手段は、前記可変電圧源の電圧を制御することにより、前記フォトカプラの入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御することを特徴とする。
また、請求項７記載のフォトカプラの駆動装置によれば、前記可変電圧源の電圧値が、前記フォトカプラの発光ダイオードの許容パルス電流に相当する値を超えた場合、アラームを生成することを特徴とする。
【００３３】
また、請求項８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、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入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御する電流制御手段とを備えることを特徴とする。
【００３４】
また、請求項９記載のフォトカプラの駆動方法によれば、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入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御するステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
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レベルを監視することで、フォトカプラが使用される環境温度やフォトカプラの電流変換効率の劣化に応じて、フォトカプラの入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御することが可能となる。このため、環境温度が高くなるほどフォトカプラの入力側の発光ダイオードの順方向電流を小さくしたり、フォトカプラの電流変換効率の低下が少ない初期の動作期間では、フォトカプラの入力側の発光ダイオードの順方向電流を本来必要な値に制限したりすることが可能となり、フォトカプラによる信号の伝播遅延を抑制しつつ、フォトカプラの寿命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】
【００３６】
以下、本発明の実施形態に係るフォトカプラの駆動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駆動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。
【００３７】
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ＰＷＭ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、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の出力側の信号レベルに基づいて、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御する電流制御回路２３、２４が設けられている。
【００３８】
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ＰＷＭ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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
また、上アーム２側には、フォトカプラＦＵ１からの出力信号ＳＵ２の信号レベルを監視し、その監視結果を制御回路１側の電流制御回路２３に伝える出力信号監視回路２１が設けられている。
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。
【００４３】
また、下アーム３側には、フォトカプラＦＤ１からの出力信号ＳＤ２の信号レベルを監視し、その監視結果を制御回路１側の電流制御回路２４に伝える出力信号監視回路２２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。
【００４４】
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〜ＦＵ５が介挿され、制御回路１では、フォトカプラＦＵ１〜ＦＵ５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。
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ＰＷＭ信号ＳＵ１、ＳＤ１を生成し、このゲートドライブ用ＰＷＭ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、駆動装置２１、２２にそれぞれ絶縁伝送する。
【００４５】
そして、ゲートドライバ９、１１は、ゲートドライブ用ＰＷＭ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。
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。
【００４６】
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ＰＷＭ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。
【００４７】
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ＰＷＭ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が出力信号監視回路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が出力信号監視回路２１、２２にそれぞれ入力されると、出力信号監視回路２１、２２は、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の出力信号ＳＵ２、ＳＤ２の信号レベルを監視し、その監視結果をフォトカプラＦＵ４、ＦＵ５をそれぞれ介して制御回路１側の電流制御回路２３、２４にそれぞれ伝送する。
【００４８】
そして、電流制御回路２３、２４は、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の出力信号ＳＵ２、ＳＤ２の信号レベルの監視結果を出力信号監視回路２１、２２からそれぞれ受け取ると、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の出力側の信号レベルに基づいて、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御することができる。
【００４９】
これにより、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の出力側の信号レベルを監視することで、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２が使用される環境温度やフォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の電流変換効率の劣化に応じて、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の入力側に流れる発光ダイオードの順方向電流を制御することが可能となる。このため、環境温度が高くなるほどフォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の入力側の発光ダイオードの順方向電流を小さくしたり、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の電流変換効率の低下が少ない初期の動作期間では、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の入力側の発光ダイオードの順方向電流を本来必要な値に制限したりすることが可能となり、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２による信号の伝播遅延を抑制しつつ、フォトカプラＦＵ１、ＦＵ２の寿命を向上させることが可能となる。
【００５０】
図２は、本発明の第１実施形態に係るフォトカプラの駆動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ＦＣ１の駆動装置には、低圧側と高圧側との間で信号の絶縁伝送を行うフォトカプラＦＣ１、ＦＣ２が設けられている。ここで、フォトカプラＦＣ１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。また、フォトトランジスタＭ２のコレクタは、負荷抵抗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。
【００５１】
また、フォトカプラＦＣ２には、赤外光を放射する赤外発光ダイオードＰＤ４、赤外発光ダイオードＰＤ４から放射された赤外光を受光する受光ダイオードＰＤ３および受光ダイオードＰＤ３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Ｍ３が設けられている。そして、赤外発光ダイオードＰＤ４にはＲ２７が並列接続されるとともに、抵抗赤外発光ダイオードＰＤ４のカソードは時間間隔／ＰＷＭパルス変換回路３４に接続されている。また、フォトトランジスタＭ２のコレクタは、抵抗Ｒ２６を介して電源電圧Ｖｃｃ３に接続されるとともに、演算ユニット３６に接続されている。
【００５２】
また、フォトカプラＦＣ１の駆動装置において、フォトカプラＦＣ１の出力側には、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３１、パルス時間間隔測定回路３１にて測定された時間差に対応したＰＷＭパルスを生成する時間間隔／ＰＷＭパルス変換回路３４が設けられている。
【００５３】
なお、基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２にそれぞれ達した時の時間差を測定する信号は、フォトカプラＦＣ１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。
【００５４】
また、フォトカプラＦＣ１の駆動装置において、フォトカプラＦＣ１の入力側には、パルス時間間隔測定回路３１にて測定される時間差と、負荷抵抗ＲＬに流れる電流Ｉｃ−ＩＬＶ−ＩＣとの対応関係が登録された時間間隔／電流対応テーブル３５、時間間隔／電流対応テーブル３５を参照することで、負荷抵抗ＲＬに実際に流れている電流ＩＣ_Ｒ−ＩＬＶ−ＩＣ_Ｒを推測し、その推測結果に基づいて可変電圧源３７の電圧を増減させる演算ユニット３６およびフォトカプラＦＣ１の入力側の発光ダイオードＰＤ１に印加される順方向電圧を可変する可変電圧源３７が設けられている。
【００５５】
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に接続された負荷抵抗ＲＬに流れる電流はＩｃ−ＩＬＶ−ＩＣとなる。そして、コレクタ電流Ｉｃの変化に伴う負荷抵抗ＲＬの他端電圧の変化が、（４）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。
【００５６】
さらに、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０に入力される出力信号Ｖｏｕｔは演算増幅器３２、３３に送られ、その出力信号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３１にて測定され、その測定結果が時間間隔／ＰＷＭパルス変換回路３４に送られる。
【００５７】
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時間間隔／ＰＷＭパルス変換回路３４に送られると、時間間隔／ＰＷＭパルス変換回路３４は、パルス時間間隔測定回路３１にて測定された時間差に対応したＰＷＭパルスを生成し、そのＰＷＭパルスを赤外発光ダイオードＰＤ４のカソードに印加する。そして、時間間隔／ＰＷＭパルス変換回路３４にて生成されたＰＷＭパルスが赤外発光ダイオードＰＤ４のカソードに印加されると、そのＰＷＭパルスのレベルに対応して順電流が赤外発光ダイオードＰＤ４に流れ、赤外光が放射される。
【００５８】
そして、赤外発光ダイオードＰＤ４から放射された赤外光は、受光ダイオードＰＤ３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Ｍ３のベースに流れる。そして、フォトトランジスタＭ３のベースに光電流が流れると、フォトトランジスタＭ３にコレクタ電流が流れ、そのコレクタ電流は片端を電源電圧Ｖｃｃ３に接続された抵抗Ｒ２６に流入する。そして、パルス時間間隔測定回路３１にて測定された時間差が、フォトトランジスタＭ３に流れるコレクタ電流の変化に伴う抵抗Ｒ２６の他端電圧の変化として演算ユニット３６に入力される。
【００５９】
そして、演算ユニット３６は、パルス時間間隔測定回路３１にて測定された時間差が入力されると、時間間隔／電流対応テーブル３５を参照することで、負荷抵抗ＲＬに実際に流れている電流ＩＣ_Ｒ−ＩＬＶ−ＩＣ_Ｒを推測し、ＩＬＶ−ＩＣ_Ｒとして既知の値を適用することで、フォトトランジスタＭ２に実際に流れているコレクタ電流ＩＣ_Ｒを算出する。そして、演算ユニット３６は、フォトトランジスタＭ２に実際に流れているコレクタ電流ＩＣ_Ｒを、フォトトランジスタＭ２に流れるように予め規定されたコレクタ電流ＩＣ_Ｓと比較し、フォトトランジスタＭ２に実際に流れているコレクタ電流ＩＣ_Ｒが、フォトトランジスタＭ２に流れるように予め規定されたコレクタ電流ＩＣ_Ｓと一致するように、可変電圧源３７の電圧を増減させながら、フォトカプラＦＣ１の入力側の発光ダイオードＰＤ１に流れる順電流Ｉｆを制御することができる。
【００６０】
そして、演算ユニット３６は、可変電圧源３７の電圧値が、フォトカプラＦＣ１の発光ダイオードＰＤ１の許容パルス電流に相当する値を超えた場合には、フォトカプラＦＣ１が寿命限界に達したと判断し、アラーム信号ＡＬを発生させる。
なお、演算ユニット３６としては、例えば、上述した順電流Ｉｆの制御方法が記述されたプログラムを実行するＣＰＵを用いることができる。また、ＩＧＢＴのゲートドライブ信号は、数ｋＨｚから数十ｋＨｚなので、上述した順電流Ｉｆの制御は頻繁に行うことができる。
【００６１】
これにより、フォトカプラＦＣ１の出力信号Ｖｏｕｔの立ち下がりの傾きをフォトカプラＦＣ１の出力側で算出することで、フォトカプラＦＣ１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ＦＣ１が使用される環境温度やフォトカプラＦＣ１の電流変換効率の劣化に応じて、フォトカプラＦＣ１の入力側に流れる発光ダイオードＰＤ１の順方向電流Ｉｆを制御することが可能となる。このため、低圧側と高圧側との間で信号の絶縁伝送が行われている場合においても、フォトカプラＦＣ１による信号の伝播遅延を抑制しつつ、フォトカプラＦＣ１の寿命を向上させることが可能となるとともに、フォトカプラＦＣ１の電流変換効率が低下した場合においても、負荷抵抗ＲＬに流れる電流値を一定に保つことが可能となり、フォトカプラＦＣ１による信号の伝播遅延の増大を抑制することができる。
【００６２】
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ＦＣ１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ＦＣ１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。
【００６３】
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。
【００６４】
ここで、図２のＩＧＢＴドライブＩＣ３０の出力をロウレベルにするには、赤外発光ダイオードＰＤ１に流れる順電流Ｉｆを０にすると、（４）式において、Ｖｏｕｔ＝Ｖｃｃ２＋ＲＬＰＦ×ＩＬＶ−ＩＣとなり、フォトカプラＦＣからの出力信号Ｖｏｕｔは必ずＶＩＮＨ以上の電圧となる。
一方、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０の出力をハイレベルにするには、回路素子のバラツキや温度特性、電源電圧の変動に加え、フォトカプラＦＣの電流変換効率は劣化寿命を考慮する必要があることから、稼働環境１００℃、稼動時間１５０００時間においてフォトカプラＦＣの電流変換効率が最も低下する動作保証温度−３０℃で、Ｖｏｕｔ≦ＶＩＮＬという条件を満足させるように順電流Ｉｆを流す必要がある。
【００６５】
そして、稼働環境１００℃、稼動時間１５０００時間においてフォトカプラＦＣの電流変換効率が最も低下する動作保証温度−３０℃で、Ｖｏｕｔ≦ＶＩＮＬという条件を満足させるように、電源電圧Ｖｃｃ２を５Ｖ、８Ｖ、１１Ｖのチューナダイオードにて生成した場合の負荷抵抗ＲＬの値を求めると、電源電圧Ｖｃｃ２が１１Ｖのチューナダイオードでは、ＲＬ≧１６．２ｋΩ、電源電圧Ｖｃｃ２が８Ｖのチューナダイオードでは、ＲＬ≧１１．３ｋΩ、電源電圧Ｖｃｃ２が５Ｖのチューナダイオードでは、ＲＬ≧６．８ｋΩの場合には、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０は製品寿命まで確実に動作することができる。
【００６６】
そして、図２０に示すように、図１の上アーム２と下アーム３とが短絡しないように、デッドタイムＤＴ１、ＤＴ２が通常は５μｓ程度に設定されるが、図２のフォトカプラＦＣによる信号伝送時にデッドタイムＤＴ１、ＤＴ２が狭くなるのは望ましくなく、図１８の出力信号Ｖｏｕｔの立ち下がり時間ＴｐＨＬと立ち上がり時間ＴｐＬＨとの差ΔＴはできる限り小さいほうがよい。そして、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０の入力がロウレベルになると、ＩＧＢＴがオンすることから、ＴｐＨＬ≧ＴｐＬＨならばデッドタイムＤＴ１、ＤＴ２が増加する方向、ＴｐＨＬ≦ＴｐＬＨならばデッドタイムＤＴ１、ＤＴ２が減少する方向に作用する。そして、出力信号Ｖｏｕｔの立ち下がり時間ＴｐＨＬと立ち上がり時間ＴｐＬＨとの差ΔＴは、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０内での伝播時間差やＩＧＢＴのスイッチング時間差を考慮して、−３０℃から＋１００℃までの全使用温度範囲内において少なくとも２μｓ以下に抑制するのが好ましい。
【００６７】
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。
【００６８】
図４において、フォトカプラＦＣ１の寿命劣化状態では、フォトカプラＦＣ１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ＦＣ１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ＦＣ１の寿命劣化状態を判定することができる。
【００６９】
そして、フォトカプラＦＣ１の寿命が劣化すると、（２）式に示すように、フォトトランジスタＭ２に流れるコレクタ電流Ｉｃが小さくなることから、フォトトランジスタＭ２に流れるコレクタ電流Ｉｃを監視し、フォトトランジスタＭ２に流れるコレクタ電流Ｉｃが一定になるように発光ダイオードＰＤ１に流れる順電流Ｉｆを制御することで、フォトカプラＦＣ１による信号の伝播遅延の増大を抑制することができる。
【００７０】
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ＦＣ１による立ち上がり波形の遅延時間ＴｐＬＨは、フォトカプラＦＣ１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ＦＣ１による立ち下がり波形の遅延時間ＴｐＨＬは、フォトカプラＦＣ１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。
【００７１】
従って、フォトカプラＦＣ１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ＦＣ１の寿命劣化状態を判定することができ、フォトトランジスタＭ２に流れるコレクタ電流Ｉｃが一定になるように発光ダイオードＰＤ１に流れる順電流Ｉｆを制御することで、フォトカプラＦＣ１が使用される環境温度やフォトカプラＦＣ１の電流変換効率の劣化にかかわらず、フォトカプラＦＣ１による信号の遅延時間ＴｐＨＬを一定に保つことができる。
【００７２】
図７は、本発明の一施形態に係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断面図である。
図７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では、回路基板１０４の上段には駆動回路１０５が搭載されるとともに、回路基板１０４の下段にはＩＧＢＴチップ１０３が搭載されている。そして、ＩＧＢＴチップ１０３および駆動回路１０５が搭載された回路基板１０４はケース１０１に収容され、ケース１０１を介して主回路用端子１０８が取り出されるとともに、放熱ベース１０２を介して冷却フィン１０７に取り付けられている。
【００７３】
そして、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の運転時には、ＩＧＢＴのスイッチング損失によってＩＧＢＴチップ１０３から発熱し、冷却フィン１０７を介して冷却水を流すことで、回路基板１０４の冷却が行われる。ここで、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継続運転時には、冷却水の温度は７０〜８０℃になるため、回路基板１０４の温度は１００℃近辺まで上昇することから、１００℃近辺における出力信号Ｖｏｕｔの立ち下がり時間ＴｐＨＬと立ち上がり時間ＴｐＬＨとの差ΔＴを考慮しながら、回路設計を行うことが好ましい。
【００７４】
ここで、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回路設計を行う場合、フォトカプラＦＣ１を介して絶縁伝送した時の出力信号Ｖｏｕｔの立ち下がり時間ＴｐＨＬと立ち上がり時間ＴｐＬＨとの差ΔＴが２μｓ以下という条件を満たした上で、仕様温度範囲の最も厳しい条件で継続使用されたＣＴＲ寿命末期に到達後に、フォトカプラＦＣ１の最も電流変換効率の小さな温度でも、後段回路のしきい値を満足させる回路定数を採用することが好ましい。
【００７５】
図８（ａ）は、負荷抵抗をパラメータとした時のフォトカプラの初期状態における立ち下がり時間ＴｐＨＬの温度依存性を示す図、図８（ｂ）は、負荷抵抗をパラメータとした時のフォトカプラの初期状態における立ち上がり時間ＴｐＨＬの温度依存性を示す図、図８（ｃ）は、負荷抵抗をパラメータとした時のフォトカプラの初期状態における立ち下がり時間ＴｐＨＬと立ち上がり時間ＴｐＬＨとの差ΔＴの温度依存性を示す図、図８（ｄ）は、負荷抵抗をパラメータとした時のフォトカプラの１５０００時間寿命劣化後（ＣＴＲ＝９．５％）における立ち下がり時間ＴｐＨＬの温度依存性を示す図、図８（ｅ）は、負荷抵抗をパラメータとした時のフォトカプラの１５０００時間寿命劣化後（ＣＴＲ＝９．５％）における立ち上がり時間ＴｐＨＬの温度依存性を示す図、図８（ｆ）は、負荷抵抗をパラメータとした時のフォトカプラの１５０００時間寿命劣化後（ＣＴＲ＝９．５％）における立ち下がり時間ＴｐＨＬと立ち上がり時間ＴｐＬＨとの差ΔＴの温度依存性を示す図である。
【００７６】
なお、図８の例では、図２の負荷抵抗ＲＬに印加される電源電圧Ｖｃｃ２を５Ｖとし、フォトカプラの初期状態での実力値と、―３０℃でのＣＴＲフを９．５％とし、１００℃の環境下で１５０００時間連続使用後の最悪値とを比較して示した。
図８において、電源電圧Ｖｃｃ２が１１Ｖにおいて、−３０℃から＋１００℃までの全使用温度範囲内においてＩＧＢＴドライブＩＣ３０が動作するには、負荷抵抗ＲＬの値は１６．２ｋΩ以上でなければならず、フォトカプラの初期状態での実力値も＋１００℃において、出力信号Ｖｏｕｔの立ち下がり時間ＴｐＨＬと立ち上がり時間ＴｐＬＨとの差ΔＴが２μｓ以下を超えることはない。従って、−３０℃から＋１００℃までの全使用温度範囲内において、フォトカプラの使用開始から１５０００時間経過に至るまで、図２のフォトカプラＦＣによる信号伝送時に図２１のデッドタイムＤＴ１、ＤＴ２が狭くなるのを防止することができる。
【００７７】
図９は、本発明の第２施形態に係るフォトカプラの駆動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ＦＣ１の入力側には、図２の演算ユニット３６および時間間隔／電流対応テーブル３５の代わりに、フォトトランジスタＭ３からの出力信号を基準電圧Ｖｒｅｆ４と比較する演算増幅器３８、フォトトランジスタＭ３からの出力信号を演算増幅器３８の反転入力端子に入力する抵抗Ｒ２５および演算増幅器３８の反転入力端子と出力端子との間に接続されたコンデンサＣ１が設けられるとともに、可変電圧源３７の電圧を基準電圧Ｖｒｅｆ３と比較する演算増幅器３９が設けられている。
【００７８】
そして、パルス時間間隔測定回路３１にて測定された時間差が、フォトトランジスタＭ３に流れるコレクタ電流の変化に伴う抵抗Ｒ２６の他端電圧の変化として、抵抗Ｒ２５を介して演算増幅器３８に入力される。
そして、演算増幅器３８は、フォトトランジスタＭ３からの出力信号が入力されると、その出力信号のレベルを基準電圧Ｖｒｅｆ４と比較し、フォトトランジスタＭ３からの出力信号のレベルと基準電圧Ｖｒｅｆ４との差分を可変電圧源３７に出力し、フォトトランジスタＭ３からの出力信号のレベルと基準電圧Ｖｒｅｆ４とが一致するように、可変電圧源３７の電圧を増減させながら、フォトカプラＦＣ１の入力側の発光ダイオードＰＤ１に流れる順電流Ｉｆを制御することにより、負荷抵抗ＲＬに流れる電流値を一定に保つことができる。
【００７９】
そして、可変電圧源３７の電圧は発光ダイオードＰＤ１に印加されるとともに、演算増幅器３８に入力される。そして、演算増幅器３８は、可変電圧源３７の電圧値が基準電圧Ｖｒｅｆ３を超えた場合には、フォトカプラＦＣ１が寿命限界に達したと判断し、アラーム信号ＡＬを発生させる。なお、基準電圧Ｖｒｅｆ３は、フォトカプラＦＣ１の発光ダイオードＰＤ１の許容パルス電流に相当する値に設定することができる。
【００８０】
図１０は、本発明の第３施形態に係るフォトカプラの駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
図１０において、フォトカプラＦＣ１の出力側には、図２の演算増幅器３２、３３、パルス時間間隔測定回路３１および時間間隔／ＰＷＭパルス変換回路３４の代わりに、フォトカプラＦＣからの出力信号Ｖｏｕｔと基準電圧Ｖｒｅｆとを比較する演算増幅器５１が設けられている。
また、フォトカプラＦＣ１の入力側には、図２の演算ユニット３６および時間間隔／電流対応テーブル３５の代わりに、入力信号Ｖｉｎが入力されてからフォトトランジスタＭ３の出力信号が入力されるまでの時間間隔をカウントするカウンタ５２、カウンタ５２によるカウント値と、負荷抵抗ＲＬに流れる電流Ｉｃ−ＩＬＶ−ＩＣとの対応関係が登録されたカウント値／電流対応テーブル５３、カウント値／電流対応テーブル５３を参照することで、負荷抵抗ＲＬに実際に流れている電流ＩＣ_Ｒ−ＩＬＶ−ＩＣ_Ｒを推測し、その推測結果に基づいて可変電圧源３７の電圧を増減させる演算ユニット５４が設けられている。
【００８１】
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に接続された負荷抵抗ＲＬに流れる電流はＩｃ−ＩＬＶ−ＩＣとなる。そして、コレクタ電流Ｉｃの変化に伴う負荷抵抗ＲＬの他端電圧の変化が、（４）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。
【００８２】
また、入力信号Ｖｉｎは、電界効果型トランジスタＭ１のゲートに入力されるとともにカウンタ５２にも入力され、入力信号Ｖｉｎがカウンタ５２に入力されると、カウンタ５２はカウントを開始する。
そして、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０に入力される出力信号Ｖｏｕｔは演算増幅器５１に送られ、その出力信号Ｖｏｕｔが演算増幅器５１にて基準電圧Ｖｒｅｆと比較される。そして、出力信号Ｖｏｕｔのレベルが基準電圧Ｖｒｅｆに達すると、演算増幅器５１の出力レベルがロウレベルからハイレベルに変化し、その演算増幅器５１の出力レベルが赤外発光ダイオードＰＤ４のカソードに印加される。そして、演算増幅器５１の出力レベルが赤外発光ダイオードＰＤ４のカソードに印加されると、演算増幅器５１の出力レベルに対応して順電流が赤外発光ダイオードＰＤ４に流れ、赤外光が放射される。
【００８３】
そして、赤外発光ダイオードＰＤ４から放射された赤外光は、受光ダイオードＰＤ３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Ｍ３のベースに流れる。そして、フォトトランジスタＭ３のベースに光電流が流れると、フォトトランジスタＭ３にコレクタ電流が流れ、そのコレクタ電流は片端を電源電圧Ｖｃｃ３に接続された抵抗Ｒ２６に流入する。そして、演算増幅器５１の出力レベルの変化が、フォトトランジスタＭ３に流れるコレクタ電流の変化に伴う抵抗Ｒ２６の他端電圧の変化としてカウンタ５２に入力される。
そして、カウンタ５２は、演算増幅器５１の出力レベルの変化が入力されると、カウント動作を停止し、入力信号Ｖｉｎが入力されてから演算増幅器５１の出力レベルが変化するまでのカウント値を演算ユニット５４に送る。
【００８４】
そして、演算ユニット５４は、カウンタ５２からのカウント値を受け取ると、カウント値／電流対応テーブル５３を参照することで、負荷抵抗ＲＬに実際に流れている電流ＩＣ_Ｒ−ＩＬＶ−ＩＣ_Ｒを推測し、ＩＬＶ−ＩＣ_Ｒとして既知の値を適用することで、フォトトランジスタＭ２に実際に流れているコレクタ電流ＩＣ_Ｒを算出する。そして、演算ユニット５４は、フォトトランジスタＭ２に実際に流れているコレクタ電流ＩＣ_Ｒを、フォトトランジスタＭ２に流れるように予め規定されたコレクタ電流ＩＣ_Ｓと比較し、フォトトランジスタＭ２に実際に流れているコレクタ電流ＩＣ_Ｒが、フォトトランジスタＭ２に流れるように予め規定されたコレクタ電流ＩＣ_Ｓと一致するように、可変電圧源３７の電圧を増減させながら、フォトカプラＦＣ１の入力側の発光ダイオードＰＤ１に流れる順電流Ｉｆを制御することができる。
そして、演算ユニット５４は、可変電圧源３７の電圧値が、フォトカプラＦＣ１の発光ダイオードＰＤ１の許容パルス電流に相当する値を超えた場合には、フォトカプラＦＣ１が寿命限界に達したと判断し、アラーム信号ＡＬを発生させることができる。
【００８５】
図１１は、本発明の第４施形態に係るフォトカプラの駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
図１１において、フォトカプラＦＣ１の駆動装置には、低圧側と高圧側との間で信号の絶縁伝送を行うフォトカプラＦＣ１、ＦＣ２が設けられている。ここで、フォトカプラＦＣ１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。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。
【００８６】
また、フォトカプラＦＣ２には、赤外光を放射する赤外発光ダイオードＰＤ４、赤外発光ダイオードＰＤ４から放射された赤外光を受光する受光ダイオードＰＤ３および受光ダイオードＰＤ３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Ｍ３が設けられている。そして、赤外発光ダイオードＰＤ４にはＲ２７が並列接続されるとともに、抵抗赤外発光ダイオードＰＤ４のカソードは時間間隔／ＰＷＭパルス変換回路３４に接続されている。また、フォトトランジスタＭ２のコレクタは、抵抗Ｒ２６を介して電源電圧Ｖｃｃ３に接続されるとともに、演算ユニット３６に接続されている。
【００８７】
また、フォトカプラＦＣ１の駆動装置において、フォトカプラＦＣ１の出力側には、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１３１、パルス時間間隔測定回路１３１にて測定された時間差に対応したＰＷＭパルスを生成する時間間隔／ＰＷＭパルス変換回路１３４が設けられている。
【００８８】
なお、基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２にそれぞれ達した時の時間差を測定する信号は、フォトカプラＦＣ１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。
【００８９】
また、フォトカプラＦＣ１の駆動装置において、フォトカプラＦＣ１の入力側には、パルス時間間隔測定回路１３１にて測定される時間差と、負荷抵抗ＲＬに流れる電流Ｉｃ−ＩＬＶ−ＩＣとの対応関係が登録された時間間隔／電流対応テーブル１３５、時間間隔／電流対応テーブル１３５を参照することで、負荷抵抗ＲＬに実際に流れている電流ＩＣ_Ｒ−ＩＬＶ−ＩＣ_Ｒを推測し、その推測結果に基づいて可変電圧源３７の電圧を増減させる演算ユニット１３６およびフォトカプラＦＣ１の入力側の発光ダイオードＰＤ１に印加される順方向電圧を可変する可変電圧源１３７が設けられている。
【００９０】
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負荷抵抗ＲＬに流れる電流はＩｃ−ＩＬＶ−ＩＣとなる。そして、コレクタ電流Ｉｃの変化に伴う負荷抵抗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。
【００９１】
さらに、ＩＧＢＴドライブＩＣ３０に入力される出力信号Ｖｏｕｔは演算増幅器１３２、１３３に送られ、その出力信号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１３１にて測定され、その測定結果が時間間隔／ＰＷＭパルス変換回路１３４に送られる。
【００９２】
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時間間隔／ＰＷＭパルス変換回路１３４に送られると、時間間隔／ＰＷＭパルス変換回路１３４は、パルス時間間隔測定回路１３１にて測定された時間差に対応したＰＷＭパルスを生成し、そのＰＷＭパルスを赤外発光ダイオードＰＤ４のカソードに印加する。そして、時間間隔／ＰＷＭパルス変換回路１３４にて生成されたＰＷＭパルスが赤外発光ダイオードＰＤ４のカソードに印加されると、そのＰＷＭパルスのレベルに対応して順電流が赤外発光ダイオードＰＤ４に流れ、赤外光が放射される。
【００９３】
そして、赤外発光ダイオードＰＤ４から放射された赤外光は、受光ダイオードＰＤ３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Ｍ３のベースに流れる。そして、フォトトランジスタＭ３のベースに光電流が流れると、フォトトランジスタＭ３にコレクタ電流が流れ、そのコレクタ電流は片端を電源電圧Ｖｃｃ３に接続された抵抗Ｒ２６に流入する。そして、パルス時間間隔測定回路１３１にて測定された時間差が、フォトトランジスタＭ３に流れるコレクタ電流の変化に伴う抵抗Ｒ２６の他端電圧の変化として演算ユニット１３６に入力される。
【００９４】
そして、演算ユニット１３６は、パルス時間間隔測定回路１３１にて測定された時間差が入力されると、時間間隔／電流対応テーブル１３５を参照することで、負荷抵抗ＲＬに実際に流れている電流ＩＣ_Ｒ−ＩＬＶ−ＩＣ_Ｒを推測し、ＩＬＶ−ＩＣ_Ｒとして既知の値を適用することで、フォトトランジスタＭ２に実際に流れているコレクタ電流ＩＣ_Ｒを算出する。そして、演算ユニット１３６は、フォトトランジスタＭ２に実際に流れているコレクタ電流ＩＣ_Ｒを、フォトトランジスタＭ２に流れるように予め規定されたコレクタ電流ＩＣ_Ｓと比較し、フォトトランジスタＭ２に実際に流れているコレクタ電流ＩＣ_Ｒが、フォトトランジスタＭ２に流れるように予め規定されたコレクタ電流ＩＣ_Ｓと一致するように、可変電圧源３７の電圧を増減させながら、フォトカプラＦＣ１の入力側の発光ダイオードＰＤ１に流れる順電流Ｉｆを制御することができる。
【００９５】
そして、演算ユニット１３６は、可変電圧源３７の電圧値が、フォトカプラＦＣ１の発光ダイオードＰＤ１の許容パルス電流に相当する値を超えた場合には、フォトカプラＦＣ１が寿命限界に達したと判断し、アラーム信号ＡＬを発生させる。
これにより、フォトカプラＦＣ１の出力信号Ｖｏｕｔの立ち上がりの傾きをフォトカプラＦＣ１の出力側で算出することで、フォトカプラＦＣ１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ＦＣ１が使用される環境温度やフォトカプラＦＣ１の電流変換効率の劣化に応じて、フォトカプラＦＣ１の入力側に流れる発光ダイオードＰＤ１の順方向電流Ｉｆを制御することが可能となる。このため、低圧側と高圧側との間で信号の絶縁伝送が行われている場合においても、フォトカプラＦＣ１による信号の伝播遅延を抑制しつつ、フォトカプラＦＣ１の寿命を向上させることが可能となるとともに、フォトカプラＦＣ１の電流変換効率が低下した場合においても、負荷抵抗ＲＬに流れる電流値を一定に保つことが可能となり、フォトカプラＦＣ１による信号の伝播遅延の増大を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の一実施形態に係るフォトカプラの駆動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駆動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】本発明の一施形態に係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断面図である。
【図８】図８（ａ）は、負荷抵抗をパラメータとした時のフォトカプラの初期状態における立ち下がり時間ＴｐＨＬの温度依存性を示す図、図８（ｂ）は、負荷抵抗をパラメータとした時のフォトカプラの初期状態における立ち上がり時間ＴｐＨＬの温度依存性を示す図、図８（ｃ）は、負荷抵抗をパラメータとした時のフォトカプラの初期状態における立ち下がり時間ＴｐＨＬと立ち上がり時間ＴｐＬＨとの差ΔＴの温度依存性を示す図、図８（ｄ）は、負荷抵抗をパラメータとした時のフォトカプラの１５０００時間寿命劣化後（ＣＴＲ＝９．５％）における立ち下がり時間ＴｐＨＬの温度依存性を示す図、図８（ｅ）は、負荷抵抗をパラメータとした時のフォトカプラの１５０００時間寿命劣化後（ＣＴＲ＝９．５％）における立ち上がり時間ＴｐＨＬの温度依存性を示す図、図８（ｆ）は、負荷抵抗をパラメータとした時のフォトカプラの１５０００時間寿命劣化後（ＣＴＲ＝９．５％）における立ち下がり時間ＴｐＨＬと立ち上がり時間ＴｐＬＨとの差ΔＴの温度依存性を示す図である。
【図９】本発明の第２施形態に係るフォトカプラの駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第３施形態に係るフォトカプラの駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第４施形態に係るフォトカプラの駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１２】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１３】図１２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１４】昇圧動作時に図１３のリアクトルに流れる電流の波形を示す図である。
【図１５】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１６】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１７】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１８】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１９】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２０】図２０（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２０（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２１】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２２】発光ダイオードの順方向電圧の温度依存性を示す図である。
【図２３】電界効果型トランジスタのオン抵抗の温度依存性を示す図である。
【図２４】発光ダイオードに流れる順方向電流の温度依存性を示す図である。
【図２５】順方向電流をパラメータとした時のフォトカプラの周囲温度に対する推定寿命を示す図である。
【符号の説明】
【００９７】
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  出力信号監視回路
２３、２４  電流制御回路
ＦＵ１〜ＦＵ５、ＦＣ１、ＦＣ２  フォトカプラ
ＤＵ１、ＤＵ２、ＤＤ１、ＤＤ２  ダイオード
ＲＵ１、ＲＵ２、ＲＤ１、ＲＤ２、Ｒ００、Ｒ２５、Ｒ２６、Ｒ２７、Ｒ２８、Ｒ２９、ＲＬ、ＲＬＰＦ  抵抗
Ｍ１  電界効果型トランジスタ
Ｍ２、Ｍ３  フォトトランジスタ
Ｃ１  コンデンサ
３０  ＩＧＢＴドライブＩＣ
３２、３３、３８、３９、５１、１３２、１３３  演算増幅器
Ｖｒｅｆ、Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２、Ｖｒｅｆ３、Ｖｒｅｆ４  基準電圧
３１、１３１  パルス時間間隔測定回路
３４、１３４  時間間隔／ＰＷＭパルス変換回路
３５、１３５  時間間隔／電流対応テーブル
３６、５４、１３６  演算ユニット
３７  可変電圧源
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
５２  カウンタ
５３  カウント値／電流対応テーブル
１０１  ケース
１０２  放熱ベース
１０３  ＩＧＢＴチップ
１０４  回路基板
１０５  駆動回路
１０７  冷却フィン
１０８  主回路用端子
【図１】
2008270548.tif 000003
【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】
2008270548.tif 000020
【図１９】
2008270548.tif 000021
【図２０】
2008270548.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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