JP2008270548A - Driving unit for photocoupler, power converting device, and driving method for photocoupler - Google Patents

Driving unit for photocoupler, power converting device, and driving method for photocoupler Download PDF

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JP2008270548A JP2007111873A JP2007111873A JP2008270548A JP 2008270548 A JP2008270548 A JP 2008270548A JP 2007111873 A JP2007111873 A JP 2007111873A JP 2007111873 A JP2007111873 A JP 2007111873A JP 2008270548 A JP2008270548 A JP 2008270548A
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Hiroyuki Yoshimura
弘幸 吉村
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress a delay in signal propagation by a photocoupler while improving the life of the photocoupler. <P>SOLUTION: Output signal monitoring circuits 21 and 22 monitor the levels of output signals SU2 and SD2 from photocouplers FU1 and FU2, and transmit the result of the monitoring to current control circuits 23 and 24 on the side of a control circuit 1 via photocouplers FU4 and FU5, respectively. When receiving the result of monitoring of the levels of output signals SU2 and SD2 from the photocouplers FU1 and FU2 from the output signal monitoring circuits 21 and 22, the current control circuits 23 and 24 controls forward currents flowing through light-emitting diodes on the input side of the photocouplers FU1 and FU2, based on signal levels on the output side of the photocouplers FU1 and FU2. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to a photocoupler driving device, a power converter, and a photocoupler driving method, and more particularly, to a current conversion efficiency (CTR: current) of a photocoupler that transmits a signal while insulating between a high voltage side and a low voltage side. The present invention is suitable for application to a method of driving a photocoupler while estimating (Transfer Ratio).

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。
In recent vehicle equipment, in order to achieve high efficiency and energy saving measures, a step-up / down converter and an inverter are mounted on a drive system of an electric motor that generates drive force.
FIG. 12 is a block diagram showing a schematic configuration of a vehicle drive system using a conventional buck-boost converter.
In FIG. 12, the vehicle drive system includes a power source 1101 that supplies power to the buck-boost converter 1102, a buck-boost converter 1102 that boosts and boosts the voltage, and an inverter that converts the voltage output from the buck-boost converter 1102 into a three-phase voltage. 1103 and an electric motor 1104 for driving the vehicle are provided. Note that the power source 1101 can be configured by a power supply voltage from an overhead wire or a battery connected in series.

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。   When the vehicle is driven, the step-up / down converter 1102 boosts the voltage of the power source 1101 (eg, 280 V) to a voltage suitable for driving the electric motor 1104 (eg, 750 V) and supplies the boosted voltage to the inverter 1103. Then, by turning on / off the switching element, the voltage boosted by the buck-boost converter 1102 is converted into a three-phase voltage, current is passed through each phase of the electric motor 1104, and the switching frequency is controlled to control the vehicle. The speed of the can be changed.

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。   On the other hand, at the time of braking of the vehicle, the inverter 1103 performs a rectifying operation by performing on / off control of the switching element in synchronization with the voltage generated in each phase of the electric motor 1104 to convert it into a DC voltage, and then the buck-boost converter. 1102. The step-up / down converter 1102 can perform a power regeneration operation by reducing the voltage (eg, 750 V) generated from the electric motor 1104 to the voltage (eg, 280 V) of the power source 1101.

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。
FIG. 13 is a block diagram showing a schematic configuration of the buck-boost converter of FIG.
In FIG. 13, a buck-boost converter 1102 includes a reactor L for storing energy, a capacitor C for storing charge, switching elements SW1 and SW2, and switching elements SW1 and SW2 for energizing and interrupting current flowing into the inverter 1103. Control circuits 1111 and 1112 are provided for generating control signals instructing conduction and non-conduction, respectively.

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。   The switching elements SW1 and SW2 are connected in series, and a power source 1101 is connected to a connection point of the switching elements SW1 and SW2 via a reactor L. Here, the switching element SW1 is provided with an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 1105 that performs a switching operation in accordance with a control signal from the control circuit 1111. The flywheel diode D1 that flows a current in a direction opposite to the current flowing in the IGBT 1105 is the IGBT 1105. Connected in parallel.

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。   Further, the switching element SW2 is provided with an IGBT 1106 that performs a switching operation in accordance with a control signal from the control circuit 1112, and a flywheel diode D2 that flows a current in a direction opposite to the current flowing in the IGBT 1106 is connected in parallel to the IGBT 1106. The collector of the IGBT 1106 is connected to both the capacitor C and the inverter 1103.

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、LI/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。
FIG. 14 is a diagram showing a waveform of a current flowing through the reactor of FIG. 13 during the boosting operation.
14, the step-up operation, IGBT1105 switching element SW1 Then on (conductive), a current I flows through the reactor L through the IGBT1105, energy LI 2/2 is stored in the reactor L.
Next, when the IGBT 1105 of the switching element SW1 is turned off (non-conducting), a current flows through the flywheel diode D2 of the switching element SW2, and the energy stored in the reactor L is sent to the capacitor C.

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、LI/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。
On the other hand, in the step-down operation, IGBT1106 switching element SW2 is turned on (conducting) Then a current I flows through the reactor L through the IGBT1106, energy LI 2/2 is stored in the reactor L.
Next, when the IGBT 1106 of the switching element SW2 is turned off (non-conducting), a current flows through the flywheel diode D1 of the switching element SW1, and the energy stored in the reactor L is regenerated to the power source 1101.

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。
/V=ON Duty(%) (1)
ただし、Vは電源電圧、V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Vの変動などがあるので、昇降圧後の電圧Vを監視し、昇降圧後の電圧V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。
Here, the voltage of the step-up / step-down can be adjusted by changing the ON time (ON Duty) of the switching element, and the approximate voltage value can be obtained by the following equation (1).
V L / V H = ON Duty (%) (1)
However, VL is a power supply voltage, VH is a voltage after step-up / step-down, and ON Duty is a ratio of a conduction period to a switching cycle of the switching elements SW1 and SW2.
Here, the actual variation of the load, since there is such fluctuations in the power supply voltage V L, monitors the voltage V H after buck, so that the voltage V H after buck becomes a target value, the switching element SW1 , SW2 ON time (ON Duty) is controlled.

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。
Further, the control circuits 1111 and 1112 that are grounded to the vehicle body casing are at low pressure, and the arm side that is connected to the switching elements SW1 and SW2 is at high pressure. Therefore, even if an accident such as destruction of the switching elements SW1 and SW2 occurs, the arm side is connected to the control circuit 1111 using a photocoupler or a pulse transformer so that the human body is not exposed to danger. Signals are exchanged while being electrically insulated from 1112.
Here, photocouplers are being used in vehicles in recent years because they are smaller and cheaper than pulse transformers.

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。
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of a PWM signal transmission circuit using a photocoupler.
In FIG. 15, the photocoupler FC is generated by an infrared light emitting diode PD1 that emits infrared light by a forward current If, a light receiving diode PD2 that receives infrared light emitted from the infrared light emitting diode PD1, and a light receiving diode PD2. A phototransistor M2 is provided which performs a current amplification operation using the photocurrent as a base current. A resistor R28 is connected in parallel to the infrared light emitting diode PD1, and the cathode of the infrared light emitting diode PD1 is connected to the field effect transistor M1 through the resistor R29 and the resistor R00 in order. The resistor R28 is provided to prevent the infrared light emitting diode PD1 from being turned on by a dark current such as a leakage current or a noise current that flows when the field effect transistor M1 is turned off.

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。
The collector of the phototransistor M2 is connected to the power supply voltage Vcc2 via the load resistor RL, and the output signal Vout output via the collector of the phototransistor M2 is sent to the IGBT drive IC 30 via the resistor R LPF. Entered.
Here, the IGBT drive IC 30 has a pull-up function of the input terminal of the IGBT drive IC 30, a binarization function of the output signal Vout from the photocoupler FC, a gate drive function of the IGBT, and an overcurrent / overtemperature protection function of the IGBT. Is provided. In the pull-up function of the input terminal of the IGBT drive IC 30, a steady current I LV-IC of about 80 μA at the maximum from the current mirror circuit in the IGBT drive IC 30 is externally connected via the resistor R LPF for the purpose of improving noise resistance. If a greater amount of current is not drawn by the photocoupler FC, the threshold value for turning on the IGBT is not reached.

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。 When the input signal Vin is input to the gate of the field effect transistor M1, the forward current If flows to the infrared light emitting diode PD1, and infrared light is emitted. The infrared light emitted from the infrared light emitting diode PD1 is received by the light receiving diode PD2, and a photocurrent corresponding to the infrared light flows to the base of the phototransistor M2. When a photocurrent flows to the base of the phototransistor M2, a collector current Ic flows to the phototransistor M2, and a steady current ILV -IC is discharged from the current mirror circuit in the IGBT drive IC 30 to the outside through the resistor R LPF. Thus, the current flowing through the load resistor RL having one end connected to the power supply voltage Vcc2 is Ic-I LV-IC . Then, the change in the voltage at the other end of the load resistor RL accompanying the change in the collector current Ic is input to the IGBT drive IC 30 via the resistor R LPF as the output signal Vout from the photocoupler FC.

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)
Here, the forward current If flowing in the infrared light emitting diode PD1 of the photocoupler FC can be expressed by the following equation (1).
If = (Vp−Vf) / (R29 + R00 + Ron) −Vf / R28 (1)
However, Vf is the forward voltage drop of the infrared light emitting diode PD1, and Ron is the on-resistance of the field effect transistor M1.
The collector current Ic of the phototransistor M2 that flows by the forward current If can be expressed by the following equation (2).
Ic = If × initial guarantee CTR × CTR life deterioration (2)

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)
On the other hand, a steady current I LV-IC for pull-up is discharged to the input terminal of the IGBT drive IC 30 through the resistor R LPF , and the current flowing through the load resistor RL having one end connected to the power supply voltage Vcc 2 is Ic Since −I LV-IC , the collector potential Vc of the phototransistor M2 can be expressed by the following equation (3).
Vc = Vcc2−RL × (Ic−I LV−IC ) (3)
Since the collector potential Vc of the phototransistor M2 is input to the IGBT drive IC 30 via the resistor R LPF , the value of the output signal Vout from the photocoupler FC input to the IGBT drive IC 30 is (4 ) Expression.
Vout = Vcc2−RL × (Ic−I LV−IC ) + R LPF × I LV−IC (4)

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。
Here, the input / output characteristics of the single photocoupler FC can be defined by current conversion efficiency (CTR: Current Transfer Ratio), that is, Ic / If. When designing a circuit using the photocoupler FC, (1) temperature characteristics of the current amplification factor hfe of the phototransistor M2, (2) lifetime deterioration of the luminous efficiency of the infrared light emitting diode PD1, (3) current It is necessary to consider points such as variations in conversion efficiency.
In the fields of industry, railways, automobiles, etc., the photocoupler FC is continuously used over a long period of time in an environment of −40 to + 100 ° C. For example, when cumulative use is performed at 100 ° C. for 15000 hours. Also, the value of the load resistance RL is determined so as to operate even at −40 ° C. while corresponding to the deterioration of the current conversion efficiency and the temperature dependence.

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。
FIG. 16 is a diagram showing the collector / emitter voltage dependence of the current conversion efficiency when the forward current If flowing through the light emitting diode of the photocoupler at 20 ° C. is used as a parameter.
In FIG. 16, when the collector / emitter voltage Vce of the phototransistor M2 is 0.5 V or more, the current conversion efficiency of the photocoupler FC is substantially constant regardless of the forward current If.
FIG. 17 is a diagram showing the temperature dependence of the current conversion efficiency when the collector current Ic of the phototransistor with respect to the forward current If flowing through the light-emitting diode of the photocoupler is used as a parameter.
In FIG. 17, the current conversion efficiency of the photocoupler FC decreases as the temperature decreases, and the cause of this is the temperature characteristic of the current amplification factor hfe of the phototransistor M2.

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。
FIG. 18 is a graph showing the temporal characteristics of current conversion efficiency when the forward current If flowing in the light emitting diode of the photocoupler is used as a parameter.
In FIG. 18, the current conversion efficiency of the photocoupler FC decreases depending on the forward current If of the light emitting diode PD1, the environmental temperature, and the cumulative usage time. In particular, when the continuous usage time of the photocoupler FC exceeds 1000 hours, The decrease in current conversion efficiency appears significantly. The main cause of the decrease in the current conversion efficiency of the photocoupler FC is a decrease in the light emission efficiency of the light emitting diode PD1. The forward current If of the light emitting diode PD1 is large, and the current conversion efficiency is significantly decreased as the environmental temperature is higher. .
Note that the characteristics of the photocoupler FC vary greatly depending on the lot and the solid, and as a minimum guarantee, it is necessary to set 8% at −40 ° C. as a guide.
Further, in the PWM signal transmission circuit using the photocoupler FC of FIG. 15, a propagation delay occurs between the input signal Vin and the output signal Vout.

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。
FIG. 19 is a diagram illustrating the definition of propagation delay times of an input signal and an output signal in a PWM signal transmission circuit using a photocoupler.
19, the falling time from the rising of the forward current If flowing through the light emitting diode PD1 of FIG. 15 to the low level threshold VINL of the output signal Vout is defined as TPHL, and the forward current If flowing through the light emitting diode PD1 of FIG. TpLH is defined as the rise time from when the output signal Vout falls to when the output signal Vout reaches the high level threshold value VINH.

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。   Here, the potential at the input terminal when the output of the IGBT drive IC 30 in FIG. 15 is inverted is VINL when the output is high, and VINH when the output is low, and no malfunction occurs when the output of the IGBT drive IC 30 is inverted. In order to do so, hysteresis is provided as VINL ≦ VINH. In order for the output of the IGBT drive IC 30 to become high level, the value of the output signal Vout from the photocoupler FC input to the IGBT drive IC 30 is Vout ≦ VINL, and for the output of the IGBT drive IC 30 to become low level, Vout ≧ VINH. It is necessary to satisfy the relationship.

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。
20A is a diagram illustrating the propagation delay time characteristic of the photocoupler with respect to the load resistance RL, and FIG. 20B is a diagram illustrating the propagation delay time characteristic of the photocoupler with respect to the ambient temperature Ta.
In FIG. 20, the fall time TPHL by the photocoupler FC hardly changes regardless of the load resistance RL and the ambient temperature Ta, but the rise time TpLH increases as the load resistance RL and the ambient temperature Ta increase. .

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。   As a result, as the load resistance RL and the ambient temperature Ta increase, the low level period of the output signal Vout from the photocoupler FC becomes longer and the IGBT on period becomes longer, so that the upper and lower arms of the inverter are short-circuited. Causes destruction of the IGBT. For this reason, a dead time is provided in the gate signal of the IGBT to prevent the upper and lower arms of the inverter from being short-circuited.

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。
FIG. 21 is a diagram showing a method for setting the dead time of the gate signal of the IGBT.
In FIG. 21, the dead time DT1 is set so that the gate voltage of the lower arm rises after the fall of the gate voltage of the upper arm, and the gate voltage of the upper arm changes with respect to the fall of the gate voltage of the lower arm. The dead time DT2 is set so as to rise with a delay.
The dead times DT1 and DT2 need to be set with a margin with respect to the difference ΔT between the fall time TPLL and the rise time TpLH in order to be able to cope with the characteristic variation of the photocoupler FC and the usage environment. is there. On the other hand, if the dead times DT1 and DT2 are increased, the variable range of the duty ratio of the PWM signal is narrowed and the control response of the output of the IGBT is greatly affected. Therefore, it is usually set to about 5 μs.

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。
22 shows the temperature dependence of the forward voltage of the light emitting diode, FIG. 23 shows the temperature dependence of the on-resistance of the field effect transistor, and FIG. 24 shows the temperature of the forward current flowing through the light emitting diode. It is a figure which shows dependency.
In FIG. 22, it can be seen that the forward voltage of the infrared light emitting diode PD1 of FIG. 15 has a negative temperature characteristic. In FIG. 23, it can be seen that the on-resistance Ron of the field-effect transistor M1 of FIG. 15 has a positive temperature characteristic. As a result, as shown in FIG. 24, the forward current If of the infrared light emitting diode PD1 of FIG. 15 has a positive temperature characteristic, and it can be seen that the forward current If increases as the temperature increases.

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。
FIG. 25 is a diagram showing the estimated lifetime with respect to the ambient temperature of the photocoupler when the forward current is used as a parameter.
In FIG. 25, it can be seen that the estimated lifetime of the photocoupler becomes shorter as the environmental temperature becomes higher and becomes shorter as the forward current If of the infrared light emitting diode PD1 becomes larger.
On the other hand, as shown in FIG. 17, the current conversion efficiency of the photocoupler FC increases as the environmental temperature increases. Therefore, if the current flowing through the load resistor RL in FIG. The forward current If of the external light emitting diode PD1 can be reduced.

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。
特開2004−37155号公報 特開平8−149085号公報
Further, for example, in Patent Document 1, based on the signal level on the output side of the photocoupler when driving the light emitting element on the input side in the photocoupler that is incorporated in the device and used for signal transmission and reception, A method for detecting the operational state of a photocoupler is disclosed.
Further, for example, in Patent Document 2, a speed-up capacitor is connected in parallel to a resistor for holding current limiting provided in a current-carrying path of the light-emitting diode, and a resistor is connected in series to the speed-up capacitor. A method for individually setting a peak current and a hold current flowing in a light emitting element of a photocoupler with a simple circuit configuration is disclosed.
JP 2004-37155 A JP-A-8-149085

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。
However, in the PWM signal transmission circuit using the conventional photocoupler FC, as shown in FIG. 24, the forward current If of the infrared light emitting diode PD1 increases as the environmental temperature increases. In addition, there is a problem that the estimated life of the photocoupler FC is shortened.
Further, it is necessary to set in advance so that the forward current If of the infrared light emitting diode PD1 is increased so that the PWM signal can be normally transmitted even if the current conversion efficiency of the photocoupler FC is lowered. . For this reason, in the initial operation period in which the current conversion efficiency of the photocoupler FC is hardly reduced, the forward current If of the infrared light emitting diode PD1 exceeds the originally required value, and as shown in FIG. There was a problem of promoting the life deterioration of the coupler FC.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a photocoupler driving device, a power converter, and a photocoupler driving method capable of improving the lifetime of the photocoupler while suppressing the propagation delay of the signal by the photocoupler. It is.

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。
In order to solve the above-described problem, according to the photocoupler driving device according to claim 1, the output level is monitored by the output signal monitoring means for monitoring the signal level on the output side of the photocoupler, and the output signal monitoring means. Current control means for controlling the forward current of the light emitting diode flowing on the input side of the photocoupler based on the signal level.
According to the photocoupler drive device of claim 2, the inclination detecting means for detecting the rising or falling inclination of the signal on the output side of the photocoupler on the output side of the photocoupler, and the inclination detecting means Current control means for controlling the forward current of the light emitting diode flowing on the input side of the photocoupler based on the rising or falling slope of the signal on the output side of the photocoupler detected in this way. .

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。   Further, according to the photocoupler driving device according to claim 3, the inclination detecting means includes level detecting means for detecting whether the signal on the output side of the photocoupler has reached a plurality of threshold values of different levels. And a time interval measuring means for measuring a time difference when the signal on the output side of the photocoupler reaches a plurality of threshold values of different levels, and the current control means is configured such that the signal on the output side of the photocoupler The forward current of the light emitting diode that flows on the input side of the photocoupler is controlled based on the time difference when a plurality of threshold values at different levels are reached.

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。
According to the photocoupler drive device of claim 4, the delay time calculating means for calculating the delay time at the rise or fall of the signal on the output side of the photocoupler, and the delay time calculating means Current control means for controlling the forward current of the light emitting diode flowing to the input side of the photocoupler based on the calculated delay time at the rise or fall of the signal on the output side of the photocoupler. To do.
The photocoupler drive device according to claim 5 is characterized in that the signal on the output side of the photocoupler is a signal on which a photocurrent of a phototransistor constituting the photocoupler acts.

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。
The photocoupler drive device according to claim 6 further comprises a variable voltage source that varies a forward voltage applied to a light emitting diode on the input side of the photocoupler, wherein the current control means includes the variable The forward current of the light emitting diode flowing on the input side of the photocoupler is controlled by controlling the voltage of the voltage source.
Further, according to the photocoupler drive device of claim 7, when the voltage value of the variable voltage source exceeds a value corresponding to the allowable pulse current of the light emitting diode of the photocoupler, an alarm is generated. Features.

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。   Further, according to the power conversion device of claim 8, a pair of switching elements that are connected in series so as to operate for the upper arm and the lower arm, respectively, to energize and interrupt the current flowing into the load, A control circuit that generates a control signal that instructs conduction and non-conduction of the switching element, a drive circuit that drives a control terminal of the switching element based on the control signal, and the control circuit and the drive circuit are insulated. And a photocoupler that is provided for each switching element and transmits a signal between the control circuit and the drive circuit, and a signal on the output side of the photocoupler has reached a plurality of threshold levels at different levels. Level detection means for detecting whether or not the signal on the output side of the photocoupler reaches a plurality of threshold values at different levels. The forward current of the light-emitting diode that flows on the input side of the photocoupler is controlled based on the time difference when the interval measurement means and the signal on the output side of the photocoupler reach a plurality of threshold values of different levels And a current control means.

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。   According to the photocoupler driving method of claim 9, the step of measuring the time difference when the signal on the output side of the photocoupler reaches a plurality of threshold values of different levels, and the output side of the photocoupler And controlling the forward current of the light-emitting diode flowing on the input side of the photocoupler based on the time difference when the signal reaches a plurality of threshold values of different levels.

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。   As described above, according to the present invention, the signal level on the output side of the photocoupler is monitored, so that the photocoupler can be controlled according to the ambient temperature in which the photocoupler is used or the deterioration of the current conversion efficiency of the photocoupler. It becomes possible to control the forward current of the light emitting diode flowing on the input side. For this reason, the forward current of the light emitting diode on the input side of the photocoupler is reduced as the environmental temperature is increased, and in the initial operation period in which the current conversion efficiency of the photocoupler is less decreased, the light emitting diode on the input side of the photocoupler It is possible to limit the forward current to a necessary value, and it is possible to improve the life of the photocoupler while suppressing the signal propagation delay by the photocoupler.

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。
Hereinafter, a photocoupler driving apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an intelligent power module for a buck-boost converter to which a photocoupler driving device according to an embodiment of the present invention is applied.
In FIG. 1, the intelligent power module for the buck-boost converter generates control signals for instructing conduction and non-conduction of switching elements SWU, SWD and switching elements SWU, SWD for energizing and interrupting the current flowing into the load, respectively. A circuit 1 is provided.

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V検出回路13にて生成されたPWM信号SD6と比較するV比較器4、V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、V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。 Here, the control circuit 1 can be configured by a CPU, a logic IC, or a system LSI on which the logic IC and the CPU are mounted. Then, the control circuit 1, the buck-boost command value SP based on the comparison result by the V H comparator 4, V H comparator 4 for comparing the PWM signal SD6 generated by V H detection circuit 13, the gate drive Of the PWM signal SU1, SD1 for the signal, the gate signal generator 5 for controlling the duty ratio, the low pass filter 6 for removing unnecessary high frequency components from the PWM signal SD6 generated by the VH detection circuit 13, and the photocouplers FU1, FU2. Current control circuits 23 and 24 for controlling the forward current of the light emitting diodes flowing on the input side of the photocouplers FU1 and FU2 based on the signal level on the output side are provided.

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。   The control circuit 1 can generate the gate drive PWM signals SU1 and SD1 that operate the switching elements SWU and SWD by PWM control. In the PWM control, on / off of the switching elements SWU and SWD in each phase arm can be controlled according to a voltage comparison between a voltage command value on a sine wave and a carrier wave (typically a triangular wave). The basic component of the set of the high level period corresponding to the ON period of the switching element SWU on the upper arm 2 side and the low level period corresponding to the ON period of the switching element SWD on the lower arm 3 side is constant for a certain period The duty ratio can be limited to a sine wave.

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。   The switching elements SWU and SWD are connected in series so as to operate for the upper arm 2 and the lower arm 3, respectively. The switching element SWU is provided with an IGBT 7 that performs a switching operation according to the gate signal SU3, and a flywheel diode DU1 that allows a current to flow in a direction opposite to the current that flows in the IGBT 7 is connected in parallel to the IGBT 7. The chip on which the IGBT 7 is formed has a main circuit in which the emitter current of the IGBT 7 is shunted through the temperature sensor using the VF change of the diode DU2 due to the temperature change of the chip as a measurement principle, and the resistors RU1 and RU2. A current sensor for detecting current is provided.

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。   Further, the switching element SWD is provided with an IGBT 8 that performs a switching operation in accordance with the gate signal SD3, and a flywheel diode DD1 that flows a current in a direction opposite to the current flowing in the IGBT 8 is connected in parallel to the IGBT 8. The chip on which the IGBT 8 is formed includes a temperature sensor that uses the VF change of the diode DD2 due to the temperature change of the chip as a measurement principle, and the emitter current of the IGBT 8 is shunted through the resistors RD1 and RD2, and the main circuit. A current sensor for detecting current is provided.

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。
As the switching elements SWU and SWD, for example, a power MOSFET or a bipolar transistor may be used in addition to the IGBTs 7 and 8.
On the upper arm 2 side, a gate driver 9 for generating a gate signal SU3 for driving the control terminal of the IGBT 7 is provided, an overheat detection signal SU5 from the temperature sensor, and an overcurrent detection signal SU4 from the current sensor. An IGBT protection circuit 10 that protects the IGBT 7 by controlling the driving of the gate driver 9 is provided.

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。
On the upper arm 2 side, an output signal monitoring circuit 21 for monitoring the signal level of the output signal SU2 from the photocoupler FU1 and transmitting the monitoring result to the current control circuit 23 on the control circuit 1 side is provided.
On the lower arm 3 side, a gate driver 11 for generating a gate signal SD3 for driving the control terminal of the IGBT 8 is provided, an overheat detection signal SD5 from the temperature sensor, and an overcurrent detection signal SD4 from the current sensor. An IGBT protection circuit 12 that protects the IGBT 8 by controlling the driving of the gate driver 11 is provided.

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VをPWM信号SD6に変換するV検出回路13が設けられ、V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V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V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V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。
On the lower arm 3 side, an output signal monitoring circuit 22 for monitoring the signal level of the output signal SD2 from the photocoupler FD1 and transmitting the monitoring result to the current control circuit 24 on the control circuit 1 side is provided.
Further, on the lower arm 3 side, a V H detection circuit 13 that converts an output signal V H from the IGBT 7 into a PWM signal SD 6 is provided. The V H detection circuit 13 includes a triangular wave generator 14 that generates a triangular wave, and an IGBT 7. the output signal from the output signal dividing circuit 16 to the V H divide, IGBT 7 which has been level-adjusting section 15 and the level adjustment adjusts the level of the output signal V H from IGBT 7 which is divided by the voltage dividing circuit 16 from A comparison circuit 17 is provided that generates the PWM signal SD6 based on the comparison result between V H and the triangular wave generated by the triangular wave generator.

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。
Further, photocouplers FU1 to FU5 are inserted between the control circuit 1 side grounded to the vehicle body casing and the upper arm 2 side and the lower arm 3 side that are at high pressure. Signals can be exchanged while being electrically insulated from the upper arm 2 side and the lower arm 3 side using FU1 to FU5.
Then, the gate signal generator 5 generates the gate drive PWM signals SU1 and SD1 for instructing the conduction or non-conduction of the IGBTs 7 and 8, respectively. The gate drive PWM signals SU1 and SD1 are supplied to the photocouplers FU1 and FU2, respectively. Insulated and transmitted to the gate drivers 9 and 11, respectively, and insulated and transmitted to the drive devices 21 and 22, respectively.

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。
The gate drivers 9 and 11 generate gate signals SU3 and SD3 based on the gate drive PWM signals SU1 and SD1, respectively, and drive the control terminals of the IGBTs 7 and 8, respectively, thereby switching the IGBTs 7 and 8 respectively. Let
Here, the overheat detection signals SU5 and SD5 output from the temperature sensor are input to the IGBT protection circuits 10 and 12, respectively, and the overcurrent detection signals SU4 and SD4 output from the current sensor are input to the IGBT protection circuits 10 and 12, respectively. Each is entered. Then, the IGBT protection circuits 10 and 12 notify the gate drivers 9 and 11 of this when the thresholds that the IGBTs 7 and 8 do not break are exceeded. When the gate drivers 9 and 11 receive notifications from the IGBT protection circuits 10 and 12 that the IGBTs 7 and 8 have exceeded the threshold values that do not destroy, the gate drivers 9 and 11 stop generating the gate signals SU3 and SD3, respectively. Cut off the current flowing through

また、IGBT7からの出力信号VはV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、V比較器4に入力される。そして、V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。 The output signal V H from the IGBT 7 is input to the V H detection circuit 13, and after the level adjustment is performed by the voltage dividing circuit 16 and the level adjustment unit 15, the output signal V H is compared with the triangular wave generated by the triangular wave generator 14. According to the voltage comparison, the comparison circuit 17 generates the PWM signal SD6. The PWM signal SD6 generated by the comparison circuit 17 is insulated and transmitted to the control circuit 1 side via the photocoupler FU3, and the PWM signal SD7 that is insulated and transmitted to the control circuit 1 side is not required by the low-pass filter 6. After the high frequency components are removed, they are input to the V H comparator 4. When the PWM signal SD7 is sent via the photocoupler FU3, the VH comparator 4 compares the PWM signal SD7 with the step-up / step-down command value SP so that the PWM signal SD7 follows the step-up / step-down command value SP. The gate signal generator 5 can control the duty ratio of the gate drive PWM signals SU1, SD1.

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。   When the gate drive PWM signals SU1 and SD1 generated by the gate signal generator 5 are isolated and transmitted to the gate drivers 9 and 11 via the photocouplers FU1 and FU2, respectively, the photocouplers FU1 and FU2 Output signals SU2 and SD2 are input to output signal monitoring circuits 21 and 22, respectively. When the output signals SU2 and SD2 from the photocouplers FU1 and FU2 are input to the output signal monitoring circuits 21 and 22, respectively, the output signal monitoring circuits 21 and 22 output the output signals SU2 and SD2 of the photocouplers FU1 and FU2. The signal level is monitored, and the monitoring result is transmitted to the current control circuits 23 and 24 on the control circuit 1 side through the photocouplers FU4 and FU5, respectively.

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。   When the current control circuits 23 and 24 receive the monitoring results of the signal levels of the output signals SU2 and SD2 of the photocouplers FU1 and FU2 from the output signal monitoring circuits 21 and 22, respectively, the signals on the output side of the photocouplers FU1 and FU2 Based on the level, it is possible to control the forward current of the light emitting diode that flows to the input side of the photocouplers FU1 and FU2.

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。   Thus, by monitoring the signal level on the output side of the photocouplers FU1 and FU2, the photocoupler FU1 is selected according to the environmental temperature in which the photocouplers FU1 and FU2 are used and the current conversion efficiency of the photocouplers FU1 and FU2. , It becomes possible to control the forward current of the light emitting diode flowing to the input side of FU2. For this reason, as the environmental temperature increases, the forward current of the light emitting diodes on the input side of the photocouplers FU1 and FU2 is reduced, or in the initial operation period in which the current conversion efficiency of the photocouplers FU1 and FU2 is less decreased, the photocoupler FU1. , It is possible to limit the forward current of the light emitting diode on the input side of FU2 to an originally required value, and to suppress the propagation delay of signals by the photocouplers FU1 and FU2, and to shorten the lifetime of the photocouplers FU1 and FU2. It becomes possible to improve.

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。
FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the photocoupler driving device according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 2, the driving device for the photocoupler FC1 is provided with photocouplers FC1 and FC2 that perform insulated transmission of signals between the low pressure side and the high pressure side. Here, the photocoupler FC1 is generated by an infrared light emitting diode PD1 that emits infrared light by a forward current If, a light receiving diode PD2 that receives infrared light emitted from the infrared light emitting diode PD1, and a light receiving diode PD2. A phototransistor M2 that performs a current amplification operation using the photocurrent as a base current is provided. R28 is connected in parallel to the infrared light emitting diode PD1, and the cathode of the infrared light emitting diode PD1 is connected to the field effect transistor M1 through the resistor R29 and the resistor R00 in this order. The collector of the phototransistor M2 is connected to the power supply voltage Vcc2 via the load resistor RL, and the output signal Vout output via the collector of the phototransistor M2 is sent to the IGBT drive IC 30 via the resistor R LPF. Entered. The resistor R LPF inserted between the input terminal of the IGBT drive IC 30 and the collector of the phototransistor M2 is for removing minute noise, and the resistor R LPF is not necessarily inserted.

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。   In addition, the photocoupler FC2 includes an infrared light emitting diode PD4 that emits infrared light, a light receiving diode PD3 that receives infrared light emitted from the infrared light emitting diode PD4, and a photocurrent generated by the light receiving diode PD3 as a base current. A phototransistor M3 for performing a current amplification operation is provided. R27 is connected in parallel to the infrared light emitting diode PD4, and the cathode of the resistance infrared light emitting diode PD4 is connected to the time interval / PWM pulse conversion circuit. The collector of the phototransistor M2 is connected to the power supply voltage Vcc3 via the resistor R26 and is also connected to the arithmetic unit 36.

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。   In the driving device for the photocoupler FC1, on the output side of the photocoupler FC1, the operational amplifier 32 that compares the output signal Vout from the photocoupler FC with the reference voltage Vref1, the output signal Vout from the photocoupler FC and the reference voltage It is measured by an operational amplifier 33 for comparing Vref2 and a pulse time interval measuring circuit 31 and a pulse time interval measuring circuit 31 for measuring a time difference when the output signal Vout from the photocoupler FC reaches the reference voltages Vref1 and Vref2, respectively. A time interval / PWM pulse conversion circuit 34 for generating a PWM pulse corresponding to the time difference is provided.

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。   The signal for measuring the time difference when the reference voltages Vref1 and Vref2 are respectively reached may be any signal on which the photocurrent of the phototransistor M2 constituting the photocoupler FC1 acts. For example, the input terminal of the IGBT drive IC 30 Or a voltage at the collector terminal of the phototransistor M2. Further, the reference voltages Vref1 and Vref2 can be set to different levels in the portion where the falling edge of the output signal Vout from the photocoupler is inclined.

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。 In the driving device for the photocoupler FC1, on the input side of the photocoupler FC1, there is a correspondence relationship between the time difference measured by the pulse time interval measurement circuit 31 and the current Ic-I LV-IC flowing through the load resistor RL. By referring to the registered time interval / current correspondence table 35 and time interval / current correspondence table 35, the current I C_R −I LV−IC_R actually flowing through the load resistance RL is estimated, and based on the estimation result. An arithmetic unit 36 that increases or decreases the voltage of the variable voltage source 37 and a variable voltage source 37 that varies the forward voltage applied to the light emitting diode PD1 on the input side of the photocoupler FC1 are provided.

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。 When the input signal Vin is input to the gate of the field effect transistor M1, the forward current If flows to the infrared light emitting diode PD1, and infrared light is emitted. The infrared light emitted from the infrared light emitting diode PD1 is received by the light receiving diode PD2, and a photocurrent corresponding to the infrared light flows to the base of the phototransistor M2. When a photocurrent flows to the base of the phototransistor M2, a collector current Ic flows to the phototransistor M2, and a steady current ILV -IC is discharged from the current mirror circuit in the IGBT drive IC 30 to the outside through the resistor R LPF. Thus, the current flowing through the load resistor RL having one end connected to the power supply voltage Vcc2 is Ic-I LV-IC . Then, the change in the voltage at the other end of the load resistor RL due to the change in the collector current Ic is input to the IGBT drive IC 30 via the resistor R LPF as the output signal Vout from the photocoupler FC as shown in the equation (4). The

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。   Further, the output signal Vout input to the IGBT drive IC 30 is sent to the operational amplifiers 32 and 33, and the level of the output signal Vout is compared with the reference voltages Vref1 and Vref2 by the operational amplifiers 32 and 33, respectively. When the level of the output signal Vout reaches the reference voltages Vref1 and Vref2, the output levels of the operational amplifiers 32 and 33 change from the low level to the high level, respectively, and the time difference when the output levels of the operational amplifiers 32 and 33 change. Is measured by the pulse time interval measuring circuit 31, and the measurement result is sent to the time interval / PWM pulse converting circuit 34.

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。   When the time difference when the output levels of the operational amplifiers 32 and 33 change is sent to the time interval / PWM pulse conversion circuit 34, the time interval / PWM pulse conversion circuit 34 is measured by the pulse time interval measurement circuit 31. The PWM pulse corresponding to the time difference is generated, and the PWM pulse is applied to the cathode of the infrared light emitting diode PD4. When the PWM pulse generated by the time interval / PWM pulse conversion circuit 34 is applied to the cathode of the infrared light emitting diode PD4, a forward current flows through the infrared light emitting diode PD4 corresponding to the level of the PWM pulse. Infrared light is emitted.

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。   The infrared light emitted from the infrared light emitting diode PD4 is received by the light receiving diode PD3, and a photocurrent corresponding to the infrared light flows to the base of the phototransistor M3. When a photocurrent flows through the base of the phototransistor M3, a collector current flows through the phototransistor M3, and the collector current flows into a resistor R26 having one end connected to the power supply voltage Vcc3. Then, the time difference measured by the pulse time interval measuring circuit 31 is input to the arithmetic unit 36 as a change in the other end voltage of the resistor R26 accompanying a change in the collector current flowing through the phototransistor M3.

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。 Then, when the time difference measured by the pulse time interval measurement circuit 31 is input, the arithmetic unit 36 refers to the time interval / current correspondence table 35 so that the current I C_R actually flowing in the load resistance RL is obtained. -I LV-IC_R is estimated and a known value is applied as I LV- IC_R to calculate the collector current I C_R actually flowing through the phototransistor M2. Then, the arithmetic unit 36, the collector current I C_R that actually flows through the phototransistor M2, compared with the predefined collector current I C_S to flow to the photo transistor M2, are actually flowing in the phototransistor M2 The collector current I C — R flows through the light emitting diode PD1 on the input side of the photocoupler FC1 while increasing or decreasing the voltage of the variable voltage source 37 so that the collector current I C — S matches the collector current I C — S defined in advance so as to flow through the phototransistor M2. The forward current If can be controlled.

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。
When the voltage value of the variable voltage source 37 exceeds a value corresponding to the allowable pulse current of the light emitting diode PD1 of the photocoupler FC1, the arithmetic unit 36 determines that the photocoupler FC1 has reached the life limit. The alarm signal AL is generated.
As the arithmetic unit 36, for example, a CPU that executes a program in which the above-described method for controlling the forward current If can be used. Further, since the gate drive signal of the IGBT is several kHz to several tens kHz, the above-described forward current If can be frequently controlled.

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。   As a result, the slope of the falling edge of the output signal Vout of the photocoupler FC1 is calculated on the output side of the photocoupler FC1, thereby referring to the signal on the input side of the photocoupler FC1 (the forward current If flowing in the infrared light emitting diode PD1). The forward current If of the light-emitting diode PD1 flowing on the input side of the photocoupler FC1 can be controlled according to the environmental temperature in which the photocoupler FC1 is used and the deterioration of the current conversion efficiency of the photocoupler FC1. Become. For this reason, it is possible to improve the life of the photocoupler FC1 while suppressing the propagation delay of the signal by the photocoupler FC1, even when the signal is insulated and transmitted between the low voltage side and the high voltage side. In addition, even when the current conversion efficiency of the photocoupler FC1 decreases, the value of the current flowing through the load resistor RL can be kept constant, and an increase in signal propagation delay due to the photocoupler FC1 can be suppressed.

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。
FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of the IGBT drive IC of FIG.
3, the IGBT drive IC 30 includes a pull-up function of the input terminal of the IGBT drive IC 30, a binarization function of the output signal Vout from the photocoupler FC1, a gate drive function of the IGBT, and an overcurrent / overtemperature protection function of the IGBT. Is provided.
That is, the IGBT drive IC 30 includes a current source 41 including a current mirror circuit for discharging the steady current I LV-IC to the outside, a binarization circuit 42 for binarizing the output signal Vout from the photocoupler FC1, A MOS-FET driver 44 for performing IGBT gate drive, logic circuits 43 and 45 for performing overcurrent / overtemperature protection of the IGBT, a temperature signal comparator 46, and a current signal comparator 47 are provided.

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。
When a PWM signal is input to the IGBT drive IC 30 while discharging the steady current I LV-IC generated by the current source 41 to the outside, the binarization circuit 42 binarizes the PWM signal. 43 is supplied to the MOS-FET driver 44 through 43, and the gate drive of the IGBT is performed.
In addition, when the IGBT temperature signal is input to the temperature signal comparator 46 and the IGBT current signal is input to the current signal comparator 47 and the threshold value that the IGBT does not break is exceeded, an alarm signal is sent via the logic circuit 45. And the generation of the gate signal by the logic circuit 43 is stopped, whereby the current flowing through the IGBT can be cut off and the IGBT can be protected from destruction.

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。
Here, in order to set the output of the IGBT drive IC 30 in FIG. 2 to the low level, when the forward current If flowing through the infrared light emitting diode PD1 is set to 0, in the equation (4), Vout = Vcc2 + R LPF × I LV-IC The output signal Vout from the photocoupler FC is always a voltage higher than VINH.
On the other hand, in order to set the output of the IGBT drive IC 30 to a high level, the current conversion efficiency of the photocoupler FC needs to consider the deterioration life in addition to the variation of circuit elements, temperature characteristics, and fluctuations in the power supply voltage. It is necessary to flow the forward current If so as to satisfy the condition of Vout ≦ VINL at an operation guaranteed temperature of −30 ° C. at which the current conversion efficiency of the photocoupler FC is the lowest when the environment is 100 ° C. and the operation time is 15000 hours.

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。   Then, the power supply voltage Vcc2 is set to 5V, 8V, so as to satisfy the condition of Vout ≦ VINL at the operation guarantee temperature of −30 ° C. at which the current conversion efficiency of the photocoupler FC is the lowest in the operation environment of 100 ° C. and the operation time of 15000 hours. When the value of the load resistance RL when it is generated by an 11V tuner diode is obtained, RL ≧ 16.2 kΩ for a power supply voltage Vcc2 of 11V, and RL ≧ 11.3 kΩ for a tuner diode of 8V power supply voltage Vcc2. In the case of a tuner diode with a power supply voltage Vcc2 of 5 V, the IGBT drive IC 30 can operate reliably until the product lifetime when RL ≧ 6.8 kΩ.

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。   As shown in FIG. 20, the dead times DT1 and DT2 are normally set to about 5 μs so that the upper arm 2 and the lower arm 3 of FIG. 1 are not short-circuited. It is not desirable that the dead times DT1 and DT2 become narrow during transmission, and the difference ΔT between the fall time TPHL and the rise time TpLH of the output signal Vout in FIG. 18 should be as small as possible. When the input of the IGBT drive IC 30 becomes a low level, the IGBT is turned on. Therefore, when TPHL ≧ TpLH, the dead times DT1 and DT2 increase, and when TpHL ≦ TpLH, the dead times DT1 and DT2 decrease. To do. The difference ΔT between the fall time TPHL and the rise time TpLH of the output signal Vout is the entire operating temperature range from −30 ° C. to + 100 ° C. in consideration of the propagation time difference in the IGBT drive IC 30 and the IGBT switching time difference. It is preferable to suppress to at least 2 μs or less.

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。   4A shows the rising waveform of the input-side voltage Vin and the falling waveform of the output-side voltage Vout in the initial state of the photocoupler of FIG. 2, and FIG. 4B shows the initial state of the photocoupler of FIG. 4C shows the rising waveform of the input-side voltage Vin and the rising waveform of the output-side voltage Vout. FIG. 4C shows the rising waveform of the input-side voltage Vin and the output-side voltage when the photocoupler of FIG. FIG. 4D shows the falling waveform of the input side voltage Vin and the rising waveform of the output side voltage Vout in the life deterioration state of the photocoupler of FIG.

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。   In FIG. 4, in the life deterioration state of the photocoupler FC1, there is almost no change in the rising slope of the output voltage Vout compared to the initial state of the photocoupler FC1, whereas the falling of the output voltage Vout The inclination becomes smaller. Therefore, by monitoring the falling slope of the output voltage Vout from the photocoupler FC1, the life deterioration state of the photocoupler FC1 can be determined.

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。   When the life of the photocoupler FC1 is deteriorated, the collector current Ic flowing through the phototransistor M2 is reduced as shown in the equation (2). Therefore, the collector current Ic flowing through the phototransistor M2 is monitored, and the phototransistor M2 is monitored. By controlling the forward current If flowing through the light emitting diode PD1 so that the flowing collector current Ic becomes constant, an increase in signal propagation delay by the photocoupler FC1 can be suppressed.

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。
FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the current conversion efficiency of the photocoupler according to an embodiment of the present invention and the fall time TpLH of the output-side voltage Vout as a parameter, and FIG. 6 illustrates the embodiment of the present invention. It is a figure which shows temperature as a parameter about the relationship between the current conversion efficiency of the photocoupler which concerns, and the rise time TPHL of the voltage Vout on the output side.
5 and 6, the delay time TpLH of the rising waveform by the photocoupler FC1 is less dependent on the current conversion efficiency of the photocoupler FC1, whereas the delay time TPHL of the falling waveform by the photocoupler FC1 is The current conversion efficiency of the coupler FC1 increases as it deteriorates, and this tendency is particularly noticeable as the temperature decreases.

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。   Therefore, by monitoring the falling slope of the output voltage Vout from the photocoupler FC1, it is possible to determine the life deterioration state of the photocoupler FC1, and to emit light so that the collector current Ic flowing through the phototransistor M2 becomes constant. By controlling the forward current If flowing in the diode PD1, the delay time TPHL of the signal by the photocoupler FC1 is kept constant regardless of the environmental temperature in which the photocoupler FC1 is used and the deterioration of the current conversion efficiency of the photocoupler FC1. Can do.

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。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an intelligent power module for a buck-boost converter according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 7, in the step-up / down converter intelligent power module, the drive circuit 105 is mounted on the upper stage of the circuit board 104, and the IGBT chip 103 is mounted on the lower stage of the circuit board 104. The circuit board 104 on which the IGBT chip 103 and the drive circuit 105 are mounted is accommodated in the case 101, and the main circuit terminal 108 is taken out through the case 101 and attached to the cooling fin 107 through the heat dissipation base 102. ing.

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。   During operation of the intelligent power module for the buck-boost converter, the circuit board 104 is cooled by generating heat from the IGBT chip 103 due to the switching loss of the IGBT and flowing cooling water through the cooling fins 107. Here, during the continuous operation of the intelligent power module for the step-down converter, the temperature of the cooling water becomes 70 to 80 ° C., so the temperature of the circuit board 104 rises to around 100 ° C. Therefore, the output signal Vout around 100 ° C. It is preferable to design the circuit in consideration of the difference ΔT between the fall time TPHL and the rise time TpLH.

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。   Here, when designing the circuit of the intelligent power module for the buck-boost converter, the condition that the difference ΔT between the fall time TPHL and the rise time TpLH of the output signal Vout when insulated transmission is performed via the photocoupler FC1 is 2 μs or less. After reaching the end of the CTR life that has been used under the strictest conditions of the specified temperature range, circuit constants that satisfy the threshold value of the subsequent circuit even at the temperature with the lowest current conversion efficiency of the photocoupler FC1 are adopted. It is preferable to do.

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。   FIG. 8A is a diagram showing the temperature dependence of the fall time TPHL in the initial state of the photocoupler when the load resistance is a parameter, and FIG. 8B is a photocoupler when the load resistance is a parameter. FIG. 8C shows the temperature dependence of the rise time TPHL in the initial state, and FIG. 8C shows the temperature of the difference ΔT between the fall time TPLL and the rise time TpLH in the initial state of the photocoupler when the load resistance is a parameter. FIG. 8D is a diagram showing the temperature dependence of the fall time TpHL after 15000 hours of life deterioration of the photocoupler when the load resistance is used as a parameter (CTR = 9.5%). FIG. 8 (e) shows the rise time after deterioration of the lifetime of the photocoupler when the load resistance is a parameter (CTR = 9.5%). FIG. 8 (f) shows the temperature dependence of pHL. The fall time TpHL and the rise time TpLH after 15000-hour life deterioration of the photocoupler (CTR = 9.5%) when the load resistance is used as a parameter are shown in FIG. It is a figure which shows the temperature dependence of difference (DELTA) T.

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。
In the example of FIG. 8, the power supply voltage Vcc2 applied to the load resistor RL in FIG. 2 is 5 V, the actual value of the photocoupler in the initial state, and the CTR value at −30 ° C. is 9.5%. In comparison with the worst value after 15000 hours of continuous use in an environment of 100 ° C.
In FIG. 8, in order for the IGBT drive IC 30 to operate within the entire operating temperature range from −30 ° C. to + 100 ° C. at the power supply voltage Vcc2 of 11 V, the value of the load resistance RL must be 16.2 kΩ or more. The difference ΔT between the fall time TPHL and the rise time TpLH of the output signal Vout does not exceed 2 μs or less at the actual value of the initial state of the photocoupler at + 100 ° C. Accordingly, the dead times DT1 and DT2 of FIG. 21 are narrow during signal transmission by the photocoupler FC of FIG. 2 from the start of use of the photocoupler until the lapse of 15000 hours within the entire use temperature range from −30 ° C. to + 100 ° C. Can be prevented.

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。
FIG. 9 is a block diagram showing a schematic configuration of a photocoupler driving device according to the second embodiment of the present invention.
In FIG. 9, on the input side of the photocoupler FC1, instead of the arithmetic unit 36 and the time interval / current correspondence table 35 of FIG. 2, an operational amplifier 38 for comparing the output signal from the phototransistor M3 with the reference voltage Vref4, photo A resistor R25 for inputting an output signal from the transistor M3 to the inverting input terminal of the operational amplifier 38 and a capacitor C1 connected between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier 38 are provided, and the voltage of the variable voltage source 37 is provided. Is provided with an operational amplifier 39 for comparing the signal with the reference voltage Vref3.

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。
The time difference measured by the pulse time interval measurement circuit 31 is input to the operational amplifier 38 via the resistor R25 as a change in the other end voltage of the resistor R26 accompanying a change in the collector current flowing through the phototransistor M3.
When the output signal from the phototransistor M3 is input, the operational amplifier 38 compares the level of the output signal with the reference voltage Vref4, and calculates the difference between the level of the output signal from the phototransistor M3 and the reference voltage Vref4. The voltage output from the phototransistor M3 to the light emitting diode PD1 on the input side of the photocoupler FC1 while increasing or decreasing the voltage of the variable voltage source 37 so that the level of the output signal from the phototransistor M3 matches the reference voltage Vref4. By controlling the flowing forward current If, the value of the current flowing through the load resistor RL can be kept constant.

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。   The voltage of the variable voltage source 37 is applied to the light emitting diode PD1 and also input to the operational amplifier 38. When the voltage value of the variable voltage source 37 exceeds the reference voltage Vref3, the operational amplifier 38 determines that the photocoupler FC1 has reached the life limit and generates an alarm signal AL. The reference voltage Vref3 can be set to a value corresponding to the allowable pulse current of the light emitting diode PD1 of the photocoupler FC1.

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。
FIG. 10 is a block diagram showing a schematic configuration of a photocoupler driving device according to the third embodiment of the present invention.
In FIG. 10, the output signal Vout from the photocoupler FC is connected to the output side of the photocoupler FC1 instead of the operational amplifiers 32 and 33, the pulse time interval measurement circuit 31 and the time interval / PWM pulse conversion circuit 34 in FIG. An operational amplifier 51 that compares the reference voltage Vref is provided.
Further, on the input side of the photocoupler FC1, instead of the arithmetic unit 36 and the time interval / current correspondence table 35 in FIG. 2, the time from when the input signal Vin is input until the output signal of the phototransistor M3 is input. A counter 52 that counts the interval, a count value / current correspondence table 53, and a count value / current correspondence table 53 in which the correspondence between the count value by the counter 52 and the current Ic-I LV-IC flowing through the load resistor RL is registered. By referring to the calculation unit 54, the current I C R −I LV −IC_R actually flowing in the load resistor RL is estimated, and the voltage of the variable voltage source 37 is increased or decreased based on the estimation result.

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。 When the input signal Vin is input to the gate of the field effect transistor M1, the forward current If flows to the infrared light emitting diode PD1, and infrared light is emitted. The infrared light emitted from the infrared light emitting diode PD1 is received by the light receiving diode PD2, and a photocurrent corresponding to the infrared light flows to the base of the phototransistor M2. When a photocurrent flows to the base of the phototransistor M2, a collector current Ic flows to the phototransistor M2, and a steady current ILV -IC is discharged from the current mirror circuit in the IGBT drive IC 30 to the outside through the resistor R LPF. Thus, the current flowing through the load resistor RL having one end connected to the power supply voltage Vcc2 is Ic-I LV-IC . Then, the change in the voltage at the other end of the load resistor RL due to the change in the collector current Ic is input to the IGBT drive IC 30 via the resistor R LPF as the output signal Vout from the photocoupler FC as shown in the equation (4). The

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。
The input signal Vin is input to the gate of the field effect transistor M1 and also to the counter 52. When the input signal Vin is input to the counter 52, the counter 52 starts counting.
The output signal Vout input to the IGBT drive IC 30 is sent to the operational amplifier 51, and the output signal Vout is compared with the reference voltage Vref by the operational amplifier 51. When the level of the output signal Vout reaches the reference voltage Vref, the output level of the operational amplifier 51 changes from the low level to the high level, and the output level of the operational amplifier 51 is applied to the cathode of the infrared light emitting diode PD4. When the output level of the operational amplifier 51 is applied to the cathode of the infrared light emitting diode PD4, a forward current flows through the infrared light emitting diode PD4 corresponding to the output level of the operational amplifier 51, and infrared light is emitted. .

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。
The infrared light emitted from the infrared light emitting diode PD4 is received by the light receiving diode PD3, and a photocurrent corresponding to the infrared light flows to the base of the phototransistor M3. When a photocurrent flows through the base of the phototransistor M3, a collector current flows through the phototransistor M3, and the collector current flows into a resistor R26 having one end connected to the power supply voltage Vcc3. A change in the output level of the operational amplifier 51 is input to the counter 52 as a change in the voltage at the other end of the resistor R26 accompanying a change in the collector current flowing through the phototransistor M3.
When the change in the output level of the operational amplifier 51 is input, the counter 52 stops the count operation, and calculates the count value from when the input signal Vin is input until the output level of the operational amplifier 51 changes. 54.

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。
When the arithmetic unit 54 receives the count value from the counter 52, the arithmetic unit 54 estimates the current I C_R −I LV−IC_R actually flowing through the load resistance RL by referring to the count value / current correspondence table 53. By applying a known value as I LV-IC_R , the collector current I C_R actually flowing through the phototransistor M2 is calculated. Then, the arithmetic unit 54, the collector current I C_R that actually flows through the phototransistor M2, compared with the predefined collector current I C_S to flow to the photo transistor M2, are actually flowing in the phototransistor M2 The collector current I C — R flows through the light emitting diode PD1 on the input side of the photocoupler FC1 while increasing or decreasing the voltage of the variable voltage source 37 so that the collector current I C — S matches the collector current I C — S defined in advance so as to flow through the phototransistor M2. The forward current If can be controlled.
When the voltage value of the variable voltage source 37 exceeds a value corresponding to the allowable pulse current of the light emitting diode PD1 of the photocoupler FC1, the arithmetic unit 54 determines that the photocoupler FC1 has reached the life limit. The alarm signal AL can be generated.

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。
FIG. 11 is a block diagram showing a schematic configuration of a photocoupler driving device according to the fourth embodiment of the present invention.
In FIG. 11, the driving device for the photocoupler FC1 is provided with photocouplers FC1 and FC2 that perform insulated transmission of signals between the low pressure side and the high pressure side. Here, the photocoupler FC1 is generated by an infrared light emitting diode PD1 that emits infrared light by a forward current If, a light receiving diode PD2 that receives infrared light emitted from the infrared light emitting diode PD1, and a light receiving diode PD2. A phototransistor M2 that performs a current amplification operation using the photocurrent as a base current is provided. R28 is connected in parallel to the infrared light emitting diode PD1, and the cathode of the infrared light emitting diode PD1 is connected to the field effect transistor M1 through the resistor R29 and the resistor R00 in this order. The collector of the phototransistor M2 is connected to the power supply voltage Vcc2, the emitter of the phototransistor M2 is connected to the ground potential through the resistor RL, and the output signal Vout output through the emitter of the phototransistor M2 is It is input to the IGBT drive IC 30 via the resistor R LPF . The resistor R LPF inserted between the input terminal of the IGBT drive IC 30 and the emitter of the phototransistor M2 is for removing minute noise, and the resistor R LPF is not necessarily inserted.

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。   In addition, the photocoupler FC2 includes an infrared light emitting diode PD4 that emits infrared light, a light receiving diode PD3 that receives infrared light emitted from the infrared light emitting diode PD4, and a photocurrent generated by the light receiving diode PD3 as a base current. A phototransistor M3 for performing a current amplification operation is provided. R27 is connected in parallel to the infrared light emitting diode PD4, and the cathode of the resistance infrared light emitting diode PD4 is connected to the time interval / PWM pulse conversion circuit. The collector of the phototransistor M2 is connected to the power supply voltage Vcc3 via the resistor R26 and is also connected to the arithmetic unit 36.

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。   In the driving device for the photocoupler FC1, on the output side of the photocoupler FC1, the operational amplifier 132 that compares the output signal Vout from the photocoupler FC with the reference voltage Vref1, the output signal Vout from the photocoupler FC and the reference voltage It is measured by an operational amplifier 133 that compares with Vref2, a pulse time interval measuring circuit 131 that measures a time difference when the output signal Vout from the photocoupler FC reaches the reference voltages Vref1 and Vref2, and a pulse time interval measuring circuit 131, respectively. A time interval / PWM pulse conversion circuit 134 for generating a PWM pulse corresponding to the time difference is provided.

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。   The signal for measuring the time difference when the reference voltages Vref1 and Vref2 are respectively reached may be any signal on which the photocurrent of the phototransistor M2 constituting the photocoupler FC1 acts. For example, the input terminal of the IGBT drive IC 30 May be a signal (output signal Vout) that is input to, or a voltage at the emitter terminal of the phototransistor M2. Further, the reference voltages Vref1 and Vref2 can be set to different levels in the portion where the rising edge of the output signal Vout from the photocoupler is inclined.

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。 In the driving device for the photocoupler FC1, on the input side of the photocoupler FC1, there is a correspondence relationship between the time difference measured by the pulse time interval measurement circuit 131 and the current Ic-I LV-IC flowing through the load resistor RL. By referring to the registered time interval / current correspondence table 135 and time interval / current correspondence table 135, the current I C_R −I LV−IC_R actually flowing through the load resistance RL is estimated, and based on the estimation result An arithmetic unit 136 that increases or decreases the voltage of the variable voltage source 37 and a variable voltage source 137 that varies the forward voltage applied to the light emitting diode PD1 on the input side of the photocoupler FC1 are provided.

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。 When the input signal Vin is input to the gate of the field effect transistor M1, the forward current If flows to the infrared light emitting diode PD1, and infrared light is emitted. The infrared light emitted from the infrared light emitting diode PD1 is received by the light receiving diode PD2, and a photocurrent corresponding to the infrared light flows to the base of the phototransistor M2. When a photocurrent flows through the base of the phototransistor M2, a collector current Ic flows through the phototransistor M2, and a steady current ILV -IC is sucked into the current mirror circuit in the IGBT drive IC 30 from the outside via the resistor R LPF. Thus, the current flowing through the load resistor RL having one end connected to the ground potential is Ic-I LV-IC . Then, the change in the voltage at the other end of the load resistor RL accompanying the change in the collector current Ic is input to the IGBT drive IC 30 via the resistor R LPF as the output signal Vout from the photocoupler FC.

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。   Further, the output signal Vout input to the IGBT drive IC 30 is sent to the operational amplifiers 132 and 133, and the level of the output signal Vout is compared with the reference voltages Vref1 and Vref2 by the operational amplifiers 132 and 133, respectively. When the level of the output signal Vout reaches the reference voltages Vref1 and Vref2, the output levels of the operational amplifiers 132 and 133 change from low level to high level, respectively, and the time difference when the output levels of the operational amplifiers 132 and 133 change. Is measured by the pulse time interval measurement circuit 131, and the measurement result is sent to the time interval / PWM pulse conversion circuit 134.

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。   When the time difference when the output levels of the operational amplifiers 132 and 133 change is sent to the time interval / PWM pulse conversion circuit 134, the time interval / PWM pulse conversion circuit 134 is measured by the pulse time interval measurement circuit 131. The PWM pulse corresponding to the time difference is generated, and the PWM pulse is applied to the cathode of the infrared light emitting diode PD4. When the PWM pulse generated by the time interval / PWM pulse conversion circuit 134 is applied to the cathode of the infrared light emitting diode PD4, a forward current flows through the infrared light emitting diode PD4 corresponding to the level of the PWM pulse. Infrared light is emitted.

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。   The infrared light emitted from the infrared light emitting diode PD4 is received by the light receiving diode PD3, and a photocurrent corresponding to the infrared light flows to the base of the phototransistor M3. When a photocurrent flows through the base of the phototransistor M3, a collector current flows through the phototransistor M3, and the collector current flows into a resistor R26 having one end connected to the power supply voltage Vcc3. Then, the time difference measured by the pulse time interval measurement circuit 131 is input to the arithmetic unit 136 as a change in the other end voltage of the resistor R26 accompanying a change in the collector current flowing through the phototransistor M3.

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。 Then, when the time difference measured by the pulse time interval measurement circuit 131 is input, the arithmetic unit 136 refers to the time interval / current correspondence table 135 to thereby refer to the current I C_R actually flowing through the load resistor RL. -I LV-IC_R is estimated and a known value is applied as I LV- IC_R to calculate the collector current I C_R actually flowing through the phototransistor M2. Then, the arithmetic unit 136, the collector current I C_R that actually flows through the phototransistor M2, compared with the predefined collector current I C_S to flow to the photo transistor M2, are actually flowing in the phototransistor M2 The collector current I C — R flows through the light emitting diode PD1 on the input side of the photocoupler FC1 while increasing or decreasing the voltage of the variable voltage source 37 so that the collector current I C — S matches the collector current I C — S defined in advance so as to flow through the phototransistor M2. The forward current If can be controlled.

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。
When the voltage value of the variable voltage source 37 exceeds a value corresponding to the allowable pulse current of the light emitting diode PD1 of the photocoupler FC1, the arithmetic unit 136 determines that the photocoupler FC1 has reached the life limit. The alarm signal AL is generated.
Thus, the slope of the rising edge of the output signal Vout of the photocoupler FC1 is calculated on the output side of the photocoupler FC1, thereby referring to the signal on the input side of the photocoupler FC1 (the forward current If flowing in the infrared light emitting diode PD1). The forward current If of the light emitting diode PD1 flowing on the input side of the photocoupler FC1 can be controlled according to the environmental temperature in which the photocoupler FC1 is used and the deterioration of the current conversion efficiency of the photocoupler FC1. . For this reason, it is possible to improve the life of the photocoupler FC1 while suppressing the propagation delay of the signal by the photocoupler FC1, even when the signal is insulated and transmitted between the low voltage side and the high voltage side. In addition, even when the current conversion efficiency of the photocoupler FC1 decreases, the value of the current flowing through the load resistor RL can be kept constant, and an increase in signal propagation delay due to the photocoupler FC1 can be suppressed.

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。1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an intelligent power module for a buck-boost converter to which a photocoupler driving device according to an embodiment of the present invention is applied. 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。1 is a block diagram showing a schematic configuration of a photocoupler driving device according to a first embodiment of the present invention. 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。FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of the IGBT drive IC of FIG. 2. 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。4A shows the rising waveform of the input-side voltage Vin and the falling waveform of the output-side voltage Vout in the initial state of the photocoupler of FIG. 2, and FIG. 4B shows the initial state of the photocoupler of FIG. 4C shows the rising waveform of the input-side voltage Vin and the rising waveform of the output-side voltage Vout. FIG. 4C shows the rising waveform of the input-side voltage Vin and the output-side voltage when the photocoupler of FIG. FIG. 4D shows the falling waveform of the input side voltage Vin and the rising waveform of the output side voltage Vout in the life deterioration state of the photocoupler of FIG. 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。It is a figure which shows temperature as a parameter about the relationship between the current conversion efficiency of the photocoupler which concerns on one Embodiment of this invention, and fall time TpLH of the voltage Vout on the output side. 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。It is a figure which shows temperature as a parameter about the relationship between the current conversion efficiency of the photocoupler which concerns on one Embodiment of this invention, and the rise time TPHL of the voltage Vout on the output side. 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。It is sectional drawing which shows schematic structure of the intelligent power module for buck-boost converters concerning one embodiment of this invention. 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。FIG. 8A is a diagram showing the temperature dependence of the fall time TPHL in the initial state of the photocoupler when the load resistance is a parameter, and FIG. 8B is a photocoupler when the load resistance is a parameter. FIG. 8C shows the temperature dependence of the rise time TPHL in the initial state, and FIG. 8C shows the temperature of the difference ΔT between the fall time TPLL and the rise time TpLH in the initial state of the photocoupler when the load resistance is a parameter. FIG. 8D is a diagram showing the temperature dependence of the fall time TpHL after 15000 hours of life deterioration of the photocoupler when the load resistance is used as a parameter (CTR = 9.5%). FIG. 8 (e) shows the rise time after deterioration of the lifetime of the photocoupler when the load resistance is a parameter (CTR = 9.5%). FIG. 8 (f) shows the temperature dependence of pHL. The fall time TpHL and the rise time TpLH after 15000-hour life deterioration of the photocoupler (CTR = 9.5%) when the load resistance is used as a parameter are shown in FIG. It is a figure which shows the temperature dependence of difference (DELTA) T. 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。It is a block diagram which shows schematic structure of the drive device of the photocoupler which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 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。It is a block diagram which shows schematic structure of the drive device of the photocoupler which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 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。It is a block diagram which shows schematic structure of the drive device of the photocoupler which concerns on 4th Embodiment of this invention. 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。It is a block diagram which shows schematic structure of the vehicle drive system using the conventional buck-boost converter. 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。It is a block diagram which shows schematic structure of the buck-boost converter of FIG. 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。It is a figure which shows the waveform of the electric current which flows into the reactor of FIG. 13 at the time of pressure | voltage rise operation. 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。It is a figure which shows the structure of the transmission circuit of the PWM signal using a photocoupler. 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。It is a figure which shows the collector / emitter voltage dependence of the current conversion efficiency when the forward current If which flows into the light emitting diode of a photocoupler at 20 degreeC is made into a parameter. 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。It is a figure which shows the temperature dependence of the current conversion efficiency when using the collector current Ic of the phototransistor with respect to the forward current If which flows into the light emitting diode of a photocoupler as a parameter. 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。It is a figure which shows the time-dependent characteristic of the current conversion efficiency when the forward current If which flows into the light emitting diode of a photocoupler is used as a parameter. 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。It is a figure which shows the definition of the propagation delay time of the input signal and output signal in the transmission circuit of the PWM signal using a photocoupler. 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。20A is a diagram illustrating the propagation delay time characteristic of the photocoupler with respect to the load resistance RL, and FIG. 20B is a diagram illustrating the propagation delay time characteristic of the photocoupler with respect to the ambient temperature Ta. 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。It is a figure which shows the setting method of the dead time of the gate signal of IGBT. 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。It is a figure which shows the temperature dependence of the forward voltage of a light emitting diode. 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。It is a figure which shows the temperature dependence of the on-resistance of a field effect transistor. 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。It is a figure which shows the temperature dependence of the forward current which flows into a light emitting diode. 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。It is a figure which shows the estimated lifetime with respect to the ambient temperature of a photocoupler when a forward direction current is made into a parameter.

符号の説明Explanation of symbols

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 V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 V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
SWU, SWD Switching element 1 Control circuit 2 Upper arm 3 Lower arm 4 V H comparator 5 Gate signal generator 6 Low-pass filter 7, 8 IGBT
9, 11 Gate driver 10, 12 IGBT protection circuit 13 V H detection circuit 14 Triangular wave generator 15 Level adjustment unit 16 Voltage division circuit 17 Comparison circuit 21, 22 Output signal monitoring circuit 23, 24 Current control circuit FU1 to FU5, FC1, FC2 Photocoupler DU1, DU2, DD1, DD2 Diode RU1, RU2, RD1, RD2, R00, R25, R26, R27, R28, R29, RL, R LPF resistance M1 Field effect transistor M2, M3 Phototransistor C1 Capacitor 30 IGBT Drive IC
32, 33, 38, 39, 51, 132, 133 Operational amplifier Vref, Vref1, Vref2, Vref3, Vref4 Reference voltage 31, 131 Pulse time interval measurement circuit 34, 134 Time interval / PWM pulse conversion circuit 35, 135 Time interval / Current correspondence table 36, 54, 136 Arithmetic unit 37 Variable voltage source 41 Current source 42 Binary circuit 43, 45 Logic circuit 44 MOS-FET driver 46 Temperature signal comparator 47 Current signal comparator 52 Counter 53 Count value / Current correspondence Table 101 Case 102 Heat radiation base 103 IGBT chip 104 Circuit board 105 Drive circuit 107 Cooling fin 108 Main circuit terminal

Claims (9)

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。
Output signal monitoring means for monitoring the signal level on the output side of the photocoupler;
A driving device for a photocoupler, comprising: current control means for controlling a forward current of a light emitting diode flowing on the input side of the photocoupler based on a signal level monitored by the output signal monitoring means.
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。
Inclination detecting means for detecting the rising or falling inclination of the signal on the output side of the photocoupler on the output side of the photocoupler;
Current control means for controlling the forward current of the light emitting diode flowing on the input side of the photocoupler based on the rise or fall slope of the signal on the output side of the photocoupler detected by the slope detection means. A drive device for a photocoupler characterized by the above.
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。
The inclination detecting means includes
Level detection means for detecting whether the signal on the output side of the photocoupler has reached a plurality of thresholds of different levels;
A time interval measuring means for measuring a time difference when the signal on the output side of the photocoupler reaches a plurality of threshold values of different levels;
The current control means controls a forward current of the light emitting diode flowing on the input side of the photocoupler based on a time difference when the signal on the output side of the photocoupler reaches a plurality of threshold values having different levels. The photocoupler driving device according to claim 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。
A delay time calculating means for detecting a delay time at the time of rising or falling of the signal on the output side of the photocoupler;
Current control means for controlling the forward current of the light emitting diode flowing to the input side of the photocoupler based on the delay time at the rise or fall of the signal on the output side of the photocoupler calculated by the delay time calculation means And a photocoupler driving device.
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。   5. The photocoupler driving device according to claim 1, wherein the signal on the output side of the photocoupler is a signal on which a photocurrent of a phototransistor constituting the photocoupler acts. 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。
A variable voltage source that varies a forward voltage applied to the light emitting diode on the input side of the photocoupler;
6. The current control unit according to claim 1, wherein the current control unit controls a forward current of the light emitting diode flowing on an input side of the photocoupler by controlling a voltage of the variable voltage source. The drive device of the described photocoupler.
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。   7. The photocoupler driving device according to claim 6, wherein an alarm is generated when a voltage value of the variable voltage source exceeds a value corresponding to an allowable pulse current of a light emitting diode of the photocoupler. 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。
A pair of switching elements connected in series so as to operate for the upper arm and the lower arm, respectively, for energizing and interrupting the current flowing into the load;
A control circuit for generating a control signal instructing conduction and non-conduction of the switching element;
A drive circuit for driving a control terminal of the switching element based on the control signal;
A photocoupler that is provided for each of the switching elements so that the control circuit and the drive circuit are insulated, and that transmits a signal between the control circuit and the drive circuit;
Level detection means for detecting whether the signal on the output side of the photocoupler has reached a plurality of thresholds of different levels;
A time interval measuring means for measuring a time difference when the signal on the output side of the photocoupler reaches a plurality of threshold values of different levels;
Current control means for controlling the forward current of the light emitting diode flowing on the input side of the photocoupler based on the time difference when the signal on the output side of the photocoupler reaches a plurality of threshold values of different levels. The power converter characterized by the above-mentioned.
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。
Measuring the time difference when the signal on the output side of the photocoupler reaches a plurality of thresholds of different levels;
Controlling a forward current of a light emitting diode flowing on the input side of the photocoupler based on a time difference when the signal on the output side of the photocoupler reaches a plurality of threshold values of different levels. A photocoupler driving method characterized by the above.
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