JP2009213214A - パワー駆動電源 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型かつ小型軽量で、２次側コイルのいずれかが短絡してもパワー半導体素子への電力供給を継続できるパワー駆動電源を提供する。
【解決手段】パワー駆動電源は、ＩＧＢＴ３ａ〜３ｍを駆動する複数の駆動回路４２に電力を供給するものであり、各駆動回路４２に対して個別に電力を供給するための複数の駆動用電源回路と、各駆動用電源回路が搭載されたプリント基板３０とを備え、各駆動用電源回路は、電力を伝送するための電源トランス７０を含む。電源トランス７０は、プリント基板３０に配置された１次側および２次側コイルパターン７０ａ，７０ｂと、プリント基板３０に装着され、１次側および２次側コイルパターン７０ａ，７０ｂと電磁結合するコア７１とで構成され、各電源トランス７０の１次側コイルパターン７０ａは直列接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのパワー半導体素子を駆動する複数の駆動回路に電力を供給するためのパワー駆動電源に関する。

インバータやコンバータなどのパワースイッチング回路は、複数のパワー半導体素子を駆動制御するための複数の駆動回路に電力を供給する電源回路を備える。その電源回路は、一般に、単一コアと複数の２次側巻線回路からなる単一の電源トランスを採用して、各巻線回路から各制御回路への電力を分配している。

２次側コイルの出力数が多くなると、トランスの端子数が増加するため、必然的にトランス形状が肥大化する。さらに、単一コアを用いる場合、２次側コイルのいずれかが短絡すると、全ての２次側出力が停止してしまうという問題がある。下記特許文献１では、コイルのプリント配線によるフラットなコイルを用いてトランスの小型化を実現しているが、後者の短絡問題については何ら解決できない。

特開２００７−８８１３１号公報 特開２００１−１５６２５２号公報 特開平４−３６７２０８号公報 特開２００２−１５９２７号公報

パワースイッチング回路では、正ラインと負ラインとの間に、２個以上のパワー半導体素子を含む直列回路が並列的に接続されている。各パワー半導体素子の駆動タイミングおよび駆動基準電圧は一般に異なるため、各パワー半導体素子に対応した複数のゲート駆動回路を設ける必要がある。従って、パワー半導体素子の個数が増加すると、それに応じてゲート駆動回路の個数も増加することから、電源トランスの巻線回路数も増やす必要がある。その結果、単一コアトランスで複数出力の電源を構成すると、２次側コイルのいずれかが短絡した場合、トランスの全ての２次側出力が停止してしまう。

本発明の目的は、上記のような問題点を解決するため、薄型かつ小型軽量で、２次側コイルのいずれかが短絡してもパワー半導体素子への電力供給を継続できるパワー駆動電源を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、パワー半導体素子を駆動する複数の駆動回路に電力を供給するためのパワー駆動電源であって、
各駆動回路に対して個別に電力を供給するための複数の駆動用電源回路と、
各駆動用電源回路が搭載されたプリント基板とを備え、
各駆動用電源回路は、電力を伝送するための電源トランスを含み、
該電源トランスは、プリント基板に配置された１次側および２次側コイルパターンと、プリント基板に装着され、１次側および２次側コイルパターンと電磁結合するコア部材とで構成され、
各電源トランスの１次側コイルパターンは直列接続されている。

本発明によれば、電源トランスの巻線回路をプリント基板のコイルパターンで構成することにより、トランスの薄型化、小型軽量化が図られる。さらに、個々の駆動用電源回路ごとに電源トランスを設けて、各電源トランスの１次側コイルパターンを直列接続することによって、２次側コイルのいずれかが短絡してもパワー半導体素子への電力供給を継続できる。そのため、故障時の保護動作を安全かつ確実に実行できるようになり、信頼性を大幅に改善できる。

実施の形態１．
図１は、本発明が適用可能なパワースイッチング回路の一例を示す回路図である。ここでは、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電力入力Ｐｉｎを三相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の電力出力Ｐｏｕｔへ変換するコンバータを例示するが、その他の各種コンバータや各種インバータにも本発明は適用可能である。

正ラインＬｐと負ラインＬｎとの間には、Ｕ相をスイッチングするＩＧＢＴ３ａ，３ｇからなる直列回路、Ｖ相をスイッチングするＩＧＢＴ３ｂ，３ｈからなる直列回路、Ｗ相をスイッチングするＩＧＢＴ３ｃ，３ｉからなる直列回路、さらに、Ｒ相をスイッチングするＩＧＢＴ３ｄ，３ｊからなる直列回路、Ｓ相をスイッチングするＩＧＢＴ３ｅ，３ｋからなる直列回路、Ｔ相をスイッチングするＩＧＢＴ３ｆ，３ｍからなる直列回路が接続されている。各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｍには、ダイオード４ａ〜４ｍがそれぞれ逆並列接続されている。各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｍのゲートおよびエミッタは、複数の接続端子１３を介して駆動信号Ｓａ〜Ｓｍが個別に供給される。

図２は、本発明に係るパワー駆動電源の一例を示す回路図である。パワー駆動電源は、各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｍの駆動信号Ｓａ〜Ｓｍを出力するための複数の駆動回路４２と、各駆動回路４２に対して個別に電力を供給するための複数の駆動用電源回路とを備え、各駆動回路４２および各駆動用電源回路は、単一のプリント基板に搭載される。なお、図２では、駆動信号Ｓａ〜Ｓｆの６系統についての回路図を示し、残りの駆動信号Ｓｇ〜Ｓｍについては同様な回路構成であるため省略している。

各駆動用電源回路は、電源トランス７０と、整流回路４１とを備える。各電源トランス７０の１次側コイル７０ａは直列接続され、２次側コイル７０ｂには個別の整流回路４１が接続される。

各整流回路４１は、整流ダイオード４１ａと、平滑コンデンサ４１ｂとを備える。各整流回路４１からの直流電圧は、各駆動回路４２に個別に供給される。

外部電源の正極Ｖｉｎ＋に接続される正ラインと外部電源の負極Ｖｉｎ−に接続される負ラインとの間には、バイパスコンデンサ３９と、発振回路３７と、各電源トランス７０の１次側コイル７０ａの多段直列回路およびＭＯＳＦＥＴ３８からなる直列回路が接続される。

発振回路３７は、所定の周期および所定のデューティ比を持つパルスを発生する。ＭＯＳＦＥＴ３８は、発振回路３７からのパルスに応じて、各電源トランス７０の１次側コイル５０ａに流れる電流をパルス状にスイッチングする。個々の電源トランス７０の１次側コイル７０ａには、直列接続された１次側コイル７０ａの個数をＮとして、外部電源電圧のＮ分の１の電圧が印加される。各電源トランス７０は、１次側コイル７０ａと２次側コイル７０ｂの巻線比に応じた電圧に変換し、各整流回路４１に供給する。なお、バイパスコンデンサ３９は、パルス状の電流がノイズとなって外部へ漏出するのを防止している。

各駆動回路４２は、光絶縁用のフォトカプラ４２ａを備え、マイクロプロセッサ等の外部制御回路からの制御信号を受信して、個々の駆動信号Ｓａ〜Ｓｍを出力し、接続端子１３を経由して各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｍのゲートおよびエミッタに供給する。

本実施形態では、１次側コイル７０ａおよび２次側コイル７０ｂをプリント基板のコイルパターンで形成し、各コイルパターンと電磁結合するコア部材をプリント基板に搭載することによって、電源トランス７０をシートトランスとして構成している。そのため、電源トランス７０の薄型化、小型軽量化が図られ、しかも半田付け箇所を削減できるため、耐振動性、耐ヒートサイクル性能、トランス耐圧を改善できる。

さらに、各１次側コイル７０ａを直列接続することにより、複数の２次側コイル７０ｂのうち何れか１つが短絡故障した場合でも、他の２次側コイルの出力を停止させること無く、残りの駆動回路４２への電力供給を継続することができる。

パワースイッチング用の駆動回路４２は、一般にロジック回路で構成されるため、電源電圧が急に低下すると、回路の動作状態が不確定となり、制御不能になる可能性がある。本実施形態では、２次側短絡故障時でも電源電圧の急激な降下を防止できるため、故障時の保護動作を安全かつ確実に実行できるようになり、信頼性を大幅に改善できる。

実施の形態２．
図３〜図６は、電源トランス７０の各種構成例を示し、図３（ａ）〜図６（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）〜図６（ｂ）は断面図である。図３において、プリント基板３０は、下面から電気絶縁層、第１導体層、電気絶縁層、第２導体層、電気絶縁層、第３導体層という順に積層された多層基板で構成される。

電源トランス７０は、プリント基板３０の第２導体層と第３導体層に配置された１次側コイルパターン７０ａと、プリント基板３０の第１導体層と第３導体層に配置された２次側コイルパターン７０ｂと、両方のコイルパターン７０ａ，７０ｂと電磁結合するコア７１とで構成される。コイルパターン７０ａの第２導体層と第３導体層は、スルーホール３２を介して電気接続される。コイルパターン７０ｂの第１導体層と第３導体層は、スルーホール３２を介して電気接続される。

プリント基板３０には、両方のコイルパターン７０ａ，７０ｂに近接するように、３つの貫通孔３１が形成されている。コア７１は、例えば、Ｅ字状の分割コアに予め二分されており、プリント基板３０の両面側から各分割コアを貫通孔３１に装着すると、分割コアを一体化したコア７１が得られる。

次に図４において、プリント基板３０は、下面から電気絶縁層、第１導体層、電気絶縁層、第２導体層、電気絶縁層という順に積層された多層基板で構成される。

電源トランス７０は、プリント基板３０の第１導体層と第２導体層に配置された１次側コイルパターン７０ａと、プリント基板３０の第１導体層と第２導体層に配置された２次側コイルパターン７０ｂと、両方のコイルパターン７０ａ，７０ｂと電磁結合するコア７１とで構成される。コイルパターン７０ａの第１導体層と第２導体層は、スルーホール３２を介して電気接続される。コイルパターン７０ｂの第１導体層と第２導体層は、スルーホール３２を介して電気接続される。

プリント基板３０には、コイルパターン７０ａ，７０ｂがそれぞれ取り囲む２つの貫通孔３１が形成されている。コア７１は、例えば、コ字状の分割コアに予め二分されており、プリント基板３０の両面側から各分割コアを貫通孔３１に装着すると、分割コアを一体化した矩形環状のコア７１が得られる。

このように電源トランス７０をシートトランスとして構成することにより、トランスの薄型化、小型軽量化が図られ、従来のボビン巻線トランスと比べて、耐振動性、耐ヒートサイクル性能、トランス耐圧を大幅に改善することができる。

次に、電源トランス７０の１次側コイルパターン７０ａを１ターンで直列接続した例について説明する。

図５において、プリント基板３０は、下面から電気絶縁層、第１導体層、電気絶縁層、第２導体層、電気絶縁層という順に積層された多層基板で構成される。電源トランス７０は、プリント基板３０の第２導体層に配置された１次側コイルパターン７０ａと、プリント基板３０の第１導体層と第２導体層に配置された２次側コイルパターン７０ｂと、両方のコイルパターン７０ａ，７０ｂと電磁結合するコア７１とで構成される。コイルパターン７０ｂの第１導体層と第２導体層は、スルーホール３２を介して電気接続される。

プリント基板３０には、両方のコイルパターン７０ａ，７０ｂに近接するように、３つの貫通孔３１が形成されている。コア７１は、例えば、Ｅ字状の分割コアに予め二分されており、プリント基板３０の両面側から各分割コアを貫通孔３１に装着すると、分割コアを一体化したコア７１が得られる。

次に図６において、プリント基板３０は、下面から電気絶縁層、第１導体層、電気絶縁層、第２導体層、電気絶縁層という順に積層された多層基板で構成される。電源トランス７０は、プリント基板３０の第１導体層に配置された１次側コイルパターン７０ａと、プリント基板３０の第１導体層と第２導体層に配置された２次側コイルパターン７０ｂと、両方のコイルパターン７０ａ，７０ｂと電磁結合するコア７１とで構成される。コイルパターン７０ｂの第１導体層と第２導体層は、スルーホール３２を介して電気接続される。

プリント基板３０には、コイルパターン７０ａ，７０ｂがそれぞれ取り囲む２つの貫通孔３１が形成されている。コア７１は、例えば、コ字状の分割コアに予め二分されており、プリント基板３０の両面側から各分割コアを貫通孔３１に装着すると、分割コアを一体化した矩形環状のコア７１が得られる。

このように図５と図６に示した電源トランス７０は、１次側コイルパターン７０ａの巻数を１ターンとしているため、単一の導体層のみで構成することが可能となる。そのため、１次側のコイルパターン７０ａには、スルーホール３２が不要となる。さらに、１次側コイルパターン７０ａをプリント基板３０の内層に配置することで、コイルパターン７０ａ，７０ｂ間だけでなく、コイルパターン７０ａとコア７１の間にも電気絶縁層が介在するため、絶縁距離が確保される。その結果、コイル間の絶縁耐圧だけでなく、コア−コイル間の絶縁耐圧を高くすることができる。

例えば、車輌用パワースイッチング回路など、高耐圧（例えば、絶縁耐圧５．６ｋＶ）が要求される場合、トランスの絶縁耐圧を確保するため、トランスの外装に樹脂のフルモールド処理を施す必要がある。これに対して図５と図６のように、トランスの巻線回路をプリント基板の内層パターンで構成することによって、巻線の防塵・防滴構造が形成されるため、樹脂フルモールド処理を省くことができ、薄型化、低コスト化が図られる。

さらに、コイルパターン７０ａ，７０ｂを内層に配置した場合、コア７１の近傍に電子部品を配置する際、コア−部品間に絶縁樹脂塗布などを施す必要がないため、電子部品の高密度実装が可能になる。

また、図３と図５では、Ｅ字状の分割コアを一体化したコア７１を使用して、その中心コアを取り囲むように両方のコイルパターン７０ａ，７０ｂを配置している。この場合、コイルパターン７０ａとコイルパターン７０ｂは、プリント基板の電気絶縁層を介した対向配置となる。そのため、巻線間の浮遊容量が増加する傾向があり、回路動作時の充放電電流により、パワー回路におけるノイズ要因になる可能性がある。

これに対して図４と図６では、コ字状の分割コアを一体化した環状のコア７１を使用して、コア７１が通過する２つの貫通孔３１をコイルパターン７０ａ，７０ｂがそれぞれ取り囲むように配置している。この場合、コイルパターン７０ａとコイルパターン７０ｂは、プリント基板面に投影して相互に重ならないようになり、同じ導体層に位置していても巻線間の物理的距離を確保できる。従って、巻線間の浮遊容量を低減でき、回路動作時のノイズ抑制が図られる。

実施の形態３．
図７は、本発明に係るパワー駆動電源の他の例を示す回路図である。このパワー駆動電源では、図２の構成に対して短絡検出回路８０を追加している。短絡検出回路８０は、検出信号と予め設定した基準電圧とを比較する比較器を備え、直列接続された複数の１次側コイル７０ａのうちいずれか１つの印加電圧の変動を監視して、２次側出力の短絡を検出している。なお、図７では、短絡検出回路８０が１次側コイル直列回路の第１コイルの印加電圧を検出する例を示しているが、第２コイルまたはその他のコイルの印加電圧を検出するように構成してもよい。

複数の１次側コイル７０ａを直列接続した場合、複数の２次側コイル７０ｂのうち何れか１つが短絡故障すると、短絡故障した電源トランス７０の１次側コイル７０ａの両端電圧はゼロボルト近くまで低下する。このとき短絡故障していない電源トランス７０の１次側コイル７０ａの両端電圧がある程度上昇する。従って、複数の１次側コイル７０ａのうちいずれか１つの印加電圧の変動を監視することによって、２次側出力の短絡故障を検出することができる。この場合、残りの正常な電源トランス７０は、電力供給を継続することが可能である。

例えば、６個の電源トランス７０の１次側コイル７０ａを直列接続した１次側コイル直列回路において、その両端に入力電圧Ｖｉｎ＝１２Ｖの電圧を印加したとすると、個々の１次側コイル７０ａには１２／６＝２Ｖの電圧が印加される。もし１つのトランスの２次側コイル７０ｂが短絡故障した場合、短絡した電源トランスの１次側コイルおよび２次側コイルの両端電圧はゼロボルトとなる。従って、残りのトランス５個にＶｉｎ＝１２Ｖが印加されることになり、トランス１つ当たりの１次側コイル７０ａに掛かる電圧は、２．４Ｖ（＝１２／５）に上昇する。さらに、２次側コイル７０ｂの出力電圧も、入力電圧Ｖｉｎの巻数比倍の電圧が出力されることになる。このとき、正常な２次側コイル７０ｂで上昇した出力電圧が、２次側コイル７０ｂに接続される各部品の定格耐圧内であれば、問題なく継続使用することができる。

２次側コイル７０ｂのいずれかが短絡故障すると、短絡したトランスの２次側コイル７０ｂの出力はゼロボルトとなるが、残りのトランスの２次側コイル７０ｂの出力電圧は上昇することになる。図７では、短絡検出回路８０の検出ラインを電源トランス７０の１次側コイル７０ａのいずれかに接続した場合を説明したが、短絡検出回路８０の検出ラインを２次側コイル７０ｂのいずれかに接続しても同様に２次側コイルの短絡故障を検出することができる。

従って、短絡検出回路８０は、１次側コイルおよび２次側コイルのいずれか一方の少なくとも１箇所の電圧変動（ゼロボルトまたは電圧上昇）を検出することによって、短絡故障を容易に検出することが可能となる。

なお、直列接続した１次側コイルの数が増えるほど、個々の１次側コイル７０ａの両端電圧は小さくなるため、前述の短絡故障時には、正常な２次側コイル７０ｂの上昇分が小さくなり、部品の信頼性も向上することになる、一方、１次側コイルの直列数を増やしすぎると、前述の正常なコイルの電圧上昇分が小さくなり、短絡検出が困難となる。従って、１次側コイルの直列数は４〜１５個が望ましく、それ以上の直列数（出力数）が必要になる場合は、並列接続との組み合わせで対応することが望ましい。

従来の単一トランスによる複数出力の電源は、いずれか１つの出力が短絡した場合、全出力を停止させるか、または、出力毎に短絡異常を検出し、異常出力のみを切り離すスイッチ回路が必要になるなど、非常に複雑な回路構成が必要である。

さらに、従来の短絡検出方法は、電流検出抵抗を用いる方法や、カレントトランスを用いる方法などが一般的であるが、電流検出抵抗を用いると、抵抗の通電ロスが発生する問題がある。さらに、カレントトランスには、検出遅延があるため、高速遮断を要する回路には用いることができないなど制約がある。

本実施形態は、コイルの両端電圧を検出するため、パワー回路を低損失で動作させつつ高速かつ安全に保護することができる。また、複数の出力を有する電源において、出力毎に短絡検出を設けることなく、１次側コイルおよび２次側コイルのいずれか一方の少なくとも１箇所の電圧変化を監視することにより短絡検出が可能になる。従って、従来の検出方法に比べ、検出回路は約１／６の回路規模で構成可能であり、故障モードに対するパワー回路の信頼性が飛躍的に向上し、高性能なパワー回路を提供することができる。

本発明が適用可能なパワースイッチング回路の一例を示す回路図である。 本発明に係るパワー駆動電源の一例を示す回路図である。 電源トランス７０の構成例を示し、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は断面図である。 電源トランス７０の構成例を示し、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は断面図である。 電源トランス７０の構成例を示し、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は断面図である。 電源トランス７０の構成例を示し、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は断面図である。 本発明に係るパワー駆動電源の他の例を示す回路図である。

符号の説明

３ａ〜３ｍ ＩＧＢＴ、 ４ａ〜４ｍ ダイオード、 １３ 接続端子、
３０ プリント基板、 ３１ 貫通孔、 ３２ スルーホール、
３７ 発振回路、 ３８ ＭＯＳＦＥＴ、 ３９ バイパスコンデンサ、
４１ 整流回路、 ４２ 駆動回路、 ７０ 電源トランス、
７０ａ １次側コイル，７０ｂ ２次側コイル、 ７１ コア、
８０ 短絡検出回路。

Claims (7)

1. パワー半導体素子を駆動する複数の駆動回路に電力を供給するためのパワー駆動電源であって、
   各駆動回路に対して個別に電力を供給するための複数の駆動用電源回路と、
   各駆動用電源回路が搭載されたプリント基板とを備え、
   各駆動用電源回路は、電力を伝送するための電源トランスを含み、
   該電源トランスは、プリント基板に配置された１次側および２次側コイルパターンと、プリント基板に装着され、１次側および２次側コイルパターンと電磁結合するコア部材とで構成され、
   各電源トランスの１次側コイルパターンは直列接続されていることを特徴とするパワー駆動電源。
2. プリント基板は、多層プリント基板で構成され、
   １次側および２次側コイルパターンの両方が、多層プリント基板の内層に配置されることを特徴とする請求項１記載のパワー駆動電源。
3. １次側および２次側コイルパターンは、プリント基板面に投影して相互に重ならないように配置されていることを特徴とする請求項２記載のパワー駆動電源。
4. コア部材は、１次側コイルパターンが囲む第１貫通孔、および２次側コイルパターンが囲む第２貫通孔をそれぞれ通過する環状コアであることを特徴とする請求項３記載のパワー駆動電源。
5. 各電源トランスの１次側コイルパターンは、それぞれ１ターンで直列接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のパワー駆動電源。
6. 直列接続された複数の１次側コイルパターンのうちいずれか１つの印加電圧の変動を監視して、２次側出力の短絡を検出するための短絡検出回路を備えることを特徴とする請求項１記載のパワー駆動電源。
7. 複数の２次側コイルパターンのうちいずれか１つの出力電圧の変動を監視して、２次側出力の短絡を検出するための短絡検出回路を備えることを特徴とする請求項１記載のパワー駆動電源。