JP2013005463A - 電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】一次側と二次側とが絶縁された電源回路において、一次側からの電力供給が遮断された場合であっても、二次側に設けられた回路の誤動作を低コストで防止することのできる電源回路を提供すること。
【解決手段】絶縁電源回路１４は、一次側と二次側が絶縁され、一次側から二次側に電力を供給する電源回路であって、トランス４１と、トランス４１の一次巻線に接続され一次側の直流電源Ｖ_ＩＧをスイッチングする電界効果トランジスタＴＲ４０と、電界効果トランジスタＴＲ４０のオンオフを制御する制御ＩＣ４２と、トランス４１の二次側に接続された高圧側マイコン３１と、トランス４１の二次側出力を監視してスイッチングの停止を検出するパルス検出回路５と、を備え、高圧側マイコン３１は、パルス検出回路５がスイッチングの停止を検出した停止信号に合わせて機能を停止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電源回路に関し、特にインバータ回路内の絶縁を介して２次側に設けられたゲート駆動回路を駆動させる電源回路に関する。

パワーエレクトロニクスで用いるゲート駆動回路は、コントローラ回路が発生したパルスを、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などのパワートランジスタに伝達する役割を果たす。このゲート駆動回路が上記役割を果たす際に、以下の２つが重要な要素となる。１つは、ガルバニック絶縁性を保ちながら、コントローラ回路からの制御信号を伝達し、パワートランジスタをオン／オフさせるためのエネルギーを供給すること。もう１つは、必要な時間だけ、パワートランジスタをオンまたはオフの状態に維持することである。
また、ゲート駆動回路の主要部分はＩＣ（Integrated Circuit）化されたものが多く、機能として電源電圧の監視機能や、ＩＧＢＴを駆動するバッテリ電圧の監視、ＩＧＢＴに流れる電流の監視、ＩＧＢＴの温度の監視等が付加された製品もある。

従来、インバータ制御モータにおいて、直流を交流に変換してモータに供給するインバータ部を駆動するためのゲート駆動回路に対して与えるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を遮断する安全停止回路が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の安全停止回路は、ゲート駆動回路とＰＷＭ発生回路との間に、ＰＷＭ信号遮断回路が設けられており、モータ停止スイッチが押されたときに、ＰＷＭ信号遮断回路がＰＷＭ信号を遮断することで、ゲートの駆動を停止する。

また、ゲート電源回路が過負荷電流によって２次破壊することを防止する技術として、一次側と二次側が絶縁された装置において、一次側に設けられたゲート電源回路から二次側に電力を供給する方式の電源回路が知られている（特許文献２参照）。特許文献２に記載のゲート電源回路は、一次側から、必要に応じて、トランスの二次側に接続されたゲート制御回路への電源の供給を停止する旨の信号を送出する。

国際公開第２００８／１３２９７５号 特開２００５−１１０４１１号公報

一次側の上位システムと二次側の下位システムとが絶縁されたシステムにおいて、下位システムの構成要素に故障が生じたとき、障害がシステム全体に波及しないような設計がなされる必要がある。例えば、インバータ制御モータにおいて、ゲート駆動回路の電圧が低下した場合や、インバータ部の温度が異常になった場合に、ゲート駆動回路を含む二次側の回路自体がＰＷＭ信号を遮断し、システムを停止する処理が行われる。この場合、緊急度が高ければ、下位システムの構成要素を含む一部のブロックが０−１のフェール信号を送ることで、この信号を受けた上位システムが該ブロックの動作を停止させ、その後、通信によって上位システムに対してフェールの内容を受け渡す方法も考えられる。例えば、上位システムは、一次側からの電力供給が遮断された場合、二次側からの通信が途絶えたことを検出して、「異常」と判定する方法をとることになる。しかしながら、この場合、フェールの詳細について検知することができない。

また、絶縁を介した二次側に、電力を蓄えるコンデンサを備える場合、一次側からの電力供給が遮断されると、このコンデンサに残された残留電荷によって、二次側の回路が動作し続ける。すなわち、一次側は停止しているが、二次側は動作している状態が発生する。この場合、二次側は外来ノイズ等によって誤動作する可能性が否定できない。また、トランス等の絶縁素子を含むスイッチング電源が、一次側の不具合等の理由によって停止した場合においても、二次側のゲート駆動回路が停止できることが望ましい。そこで、一次側の上位システムからの二次側の下位システムへのシャットダウン制御を可能とする方策として、一次側と二次側の通信チャンネルを増加させることが考えられるが、この場合、フォトカプラ等の絶縁デバイスの増加によって製造コストが増加してしまう。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、一次側と二次側とが絶縁された電源回路において、一次側からの電力供給が遮断された場合であっても、二次側に設けられた回路の誤動作を低コストで防止することのできる電源回路を提供することを課題とする。

本発明は、前記目的を達成するために創案されたものであり、本発明に係る電源回路は、一次側と二次側が絶縁され、一次側から二次側に電力を供給する電源回路であって、トランスと、前記トランスの一次巻線に接続され、一次側の直流電源をスイッチングするスイッチング用トランジスタと、前記スイッチング用トランジスタのオンオフを制御するスイッチング制御回路と、前記トランスの二次側に接続された二次側回路と、前記トランスの二次側出力を監視して前記スイッチングの停止を検出する停止検出回路と、を備え、前記二次側回路が、前記停止検出回路が前記電源の停止を検出した停止信号に合わせて機能を停止することを特徴とする。

かかる構成によれば、電源回路では、スイッチング制御回路によるスイッチング用トランジスタのオンオフ制御に用いられるパルス信号に対応して、トランスの二次側に、パルス状に電力が出力される。このパルス状の矩形波信号が観測（検出）される期間は、一次側から電源回路に電力が供給されている期間なので、電源回路において一次側のスイッチング制御回路が停止すると矩形波信号は停止することになる。したがって、本発明の電源回路では、二次側回路が、停止検出回路がスイッチングの停止を検出した停止信号に合わせて機能を停止することとしたので、前記矩形波信号が観測される期間を二次側の動作期間とすることができる。よって、電源回路に電力を供給する一次側の動作期間に対して、電源回路を含む二次側の動作期間を合わせることができる。つまり、一次側電源が停止すると、二次側回路も停止する。

また、本発明に係る電源回路は、前記停止検出回路が、前記トランスの二次側出力電圧を示す矩形波電圧の変化が停止した場合に、前記スイッチングの停止を検出することが好ましい。

かかる構成によれば、電源回路は、一次側のスイッチング制御回路がオンオフ制御の動作をしている期間では、トランスの二次巻線の直後の出力端に、パルス信号に対応した矩形波の電圧信号が観測される。この矩形波の電圧信号は、一次側電源に同期しているので、一次側電源が完全に停止しなくても電圧の低下が起こり始めた時点で電源電圧が低下傾向の状態にあることを検出することが可能である。

また、本発明に係る電源回路は、前記トランスの二次巻線と前記二次側回路との間に接続され、前記二次側回路に向けて電流を流す整流素子を備え、前記停止検出回路が、前記トランスの二次側出力電流として前記整流素子に流れる電流を示す矩形波電流の変化が停止した場合に、前記スイッチングの停止を検出することが好ましい。

かかる構成によれば、電源回路は、この電源回路の出力を整流するために二次巻線には整流素子が接続されるので、整流素子が例えば整流ダイオードであればカソード端子の地点では、パルス信号に対応した矩形波の駆動電流の形で観測される。なお、この場合、アノード端子の地点では矩形波の電圧信号が観測される。

本発明の電源回路によれば、一次側電源が停止すると二次側回路も停止するので、二次側に設けられた回路の誤動作を低コストで防止することができる。

本発明の第１実施形態に係る絶縁電源回路を含むモータ駆動システムの回路図である。 本発明の第１実施形態に係る絶縁電源回路を含むインバータ回路の回路図（その１）である。 本発明の第１実施形態に係る絶縁電源回路を含むインバータ回路の回路図（その２）である。 本発明の第１実施形態に係る絶縁電源回路が搭載されるプリドライブ基板を模式的に示す構成図である。 本発明の第１実施形態に係る絶縁電源回路に一部が含まれるゲートドライブ回路を模式的に示す構成図である。 本発明の第１実施形態に係る絶縁電源回路に一部が含まれる高圧側マイコン回路を模式的に示す構成図である。 本発明の第１実施形態に係る絶縁電源回路が主電源から切断するときの電圧変動を示すタイミングチャートであって、（ａ）は一次側の電圧変動、（ｂ）は二次側の電圧変動をそれぞれ示している。 本発明の第１実施形態に係る絶縁電源回路が備えるパルス検出回路の一例を模式的に示す回路図である。 本発明の第１実施形態に係る絶縁電源回路が備えるパルス検出回路の他の例を模式的に示す回路図である。 本発明の第２実施形態に係る絶縁電源回路に一部が含まれるゲートドライブ回路を模式的に示す構成図である。 本発明の第２実施形態に係る絶縁電源回路が備えるパルス検出回路の配置に関する第１の変形例を模式的に示す構成図である。 本発明の第２実施形態に係る絶縁電源回路が備えるパルス検出回路の配置に関する第２の変形例を模式的に示す構成図である。

以下、本発明を実施するための形態（実施形態という）について図面を参照して詳細に説明する。
［モータ駆動システムの構成］
図１に示すモータ駆動システム１は、本発明の第１実施形態に係る絶縁電源回路１４（図２および図４参照）を含むインバータ回路１０を備える。インバータ回路１０には、モータＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００と、モータ１１０と、電源部１２とが接続されている。インバータ回路１０は、低出力電圧（低圧）側に配置されたモータＥＣＵ１００の駆動信号によって、モータ１１０を回転駆動する。

（モータ）
モータ１１０は、負荷としての電力機器であり、例えば、ハイブリッド車両、燃料電池車両、または、電動車両などの車両に駆動源として搭載される三相ブラシレスモータなどである。このモータ１１０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル端子を備え、各相のコイルに流れる三相の交流電流によって回転駆動する。また、モータ駆動システム１には、モータ１１０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相電流に対応するアナログ信号をモータＥＣＵ１００に出力するために、電流センサ１３（＝１３−１〜１３−３）が設けられている。

（モータＥＣＵ）
モータＥＣＵ１００は、モータ１１０の駆動動作および回生動作を制御する。
モータＥＣＵ１００は、駆動信号であるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を出力して、インバータ回路１０に設けられたパワーモジュール１１のＩＧＢＴ素子１１−１〜１１−６を駆動する機能を有している。
モータＥＣＵ１００の出力側は、インバータ回路１０に設けられたゲートドライブ回路２０にフォトカプラＰＣ２１−ｎ（ｎは１〜６の自然数）を介して接続されている（図５参照）。
モータＥＣＵ１００には、インバータ回路１０に設けられた高圧側マイコン回路３０の出力側がフォトカプラＰＣ３０を介して接続されている（図２、４、６参照）。
モータＥＣＵ１００には、インバータ回路１０に設けられたゲートドライブ回路２０の出力側がフォトカプラＰＣ２２−ｎを介して接続されている（図５参照）。
モータＥＣＵ１００は、例えばＥＣＵ基板１０１上に設けられており（図２参照）、外部の１次側の主電源（イグニッション電源Ｖ_ＩＧ）が供給される。

（電源部）
電源部１２は、例えば６００ボルト程度の高出力の直流電圧を供給するための蓄電装置であり、複数のバッテリブロックが直列接続されている。ここで、バッテリブロックは、複数のリチウムイオン電池やニッケル水素電池などがモジュール化されて構成されている。しかし、これに限られず、電源部１２は、キャパシタで構成してもよい。この電源部１２の正極側端子ＰＮ＋と負極側端子ＰＮ−との間には、平滑コンデンサＣ１２が接続され、電源部１２の出力電圧を平滑化している。

（電流センサ）
電流センサ１３（＝１３−１〜１３−３）は、モータ１１０の相電流を検出するセンサであり、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相電流に対応するアナログ信号をモータＥＣＵ１００に出力する。
電流センサ１３−１は、後記するパワーモジュール１１のＵ相のアームとモータ１１０のＵ相との間に直列接続され、さらに、図示しないフォトカプラを介してモータＥＣＵ１００に接続されている。
同様に、電流センサ１３−２は、後記するパワーモジュール１１のＶ相のアームと、モータ１１０のＶ相との間に直列接続され、さらに、図示しないフォトカプラを介してモータＥＣＵ１００に接続されている。
電流センサ１３−３は、後記するパワーモジュール１１のＷ相のアームと、モータ１１０のＷ相との間に直列接続され、さらに、図示しないフォトカプラを介してモータＥＣＵ１００に接続されている。

（インバータ回路）
インバータ回路１０は、電源部１２からの高出力電圧（高圧）をモータ１１０に供給するパワーモジュール１１と、パワーモジュール１１を作動させるゲートドライブ回路２０と、高圧側マイコン回路３０と、前記平滑コンデンサＣ１２と、を有している。

＜パワーモジュール＞
パワーモジュール１１は、電源部１２の正極側端子ＰＮ＋と負極側端子ＰＮ−との間に接続された三相インバータ回路である。
パワーモジュール１１は、バッテリなどの直流電力である電源部１２から、三相ブラシレスであるモータ１１０を駆動するための交流電力に変換する機能と、モータ１１０より回生される交流電力を直流電力に変換する機能とを有している。

パワーモジュール１１は、スイッチング素子であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子１１−１〜１１−６と、フライホイールダイオードＤ１１−１〜Ｄ１１−６とを具備している。
パワーモジュール１１において、ＩＧＢＴ素子１１−１およびフライホイールダイオードＤ１１−１は、Ｕ相の上アームを構成している。また、ＩＧＢＴ素子１１−３およびフライホイールダイオードＤ１１−３は、Ｖ相の上アームを構成し、ＩＧＢＴ素子１１−５およびフライホイールダイオードＤ１１−５は、Ｗ相の上アームを構成している。

ＩＧＢＴ素子１１−２及びフライホイールダイオードＤ１１−２は、Ｕ相の下アームを構成している。また、ＩＧＢＴ素子１１−４及びフライホイールダイオードＤ１１−４は、Ｖ相の下アームを構成し、ＩＧＢＴ素子１１−６及びフライホイールダイオードＤ１１−６は、Ｗ相の下アームを構成している。

ＩＧＢＴ素子１１−１，１１−３，１１−５のコレクタ端子は、電源部１２の正極側端子ＰＮ＋に接続されている。
ＩＧＢＴ素子１１−２，１１−４，１１−６のエミッタ端子は、電源部１２の負極側端子ＰＮ−に接続されている。
各ＩＧＢＴ素子１１−１〜１１−６のコレクタ端子−エミッタ端子間は、コレクタ端子からエミッタ端子への方向と逆方向にフライホイールダイオードＤ１１−１〜Ｄ１１−６が並列接続されている。

ＩＧＢＴ素子１１−１〜１１−６をパルス幅変調によりＯＮ／ＯＦＦするＰＷＭ信号（ゲート信号）がモータＥＣＵ１００よりＩＧＢＴ素子１１−１〜１１−６のゲート端子に入力される。このＰＷＭ信号は、外部であるモータＥＣＵ１００から入力される駆動信号である。
ＩＧＢＴ素子１１−１のエミッタ端子と、ＩＧＢＴ素子１１−２のコレクタ端子とは、モータ１１０のＵ相のコイル端子に接続されている。
ＩＧＢＴ素子１１−３のエミッタ端子と、ＩＧＢＴ素子１１−４のコレクタ端子とは、モータ１１０のＶ相のコイル端子に接続されている。
ＩＧＢＴ素子１１−５のエミッタ端子と、ＩＧＢＴ素子１１−６のコレクタ端子とは、モータ１１０のＷ相のコイル端子に接続されている。

［絶縁電源回路］
次に、絶縁電源回路の構成について図２を参照（適宜図１および図３参照）して説明する。図２および図３は、本発明の第１実施形態に係る絶縁電源回路を含むインバータ回路の回路図である。
図２に示す絶縁電源回路１４は、一次側と二次側が絶縁され、一次側から二次側に電力を供給する電源回路である。絶縁電源回路１４は、外部の１次側の主電源（イグニッション電源Ｖ_ＩＧ）からなる低出力電圧（低圧）系統と、２次側の電源部１２等の高圧系統とを絶縁する機能を有したスイッチング電源である。この絶縁電源回路１４は、イグニッション電源Ｖ_ＩＧを２次側直流電圧に変換し、変換した電圧を電源電圧として、ゲートドライブ回路２０と、高圧側を制御する高圧側マイコン回路３０と、図示しないロジック回路や温度センサ回路や電圧検出回路などとに供給している。ここで、主電源であるイグニッション電源Ｖ_ＩＧは、例えばイグニッションキーをオンしたときに図示しないバッテリから供給される電源である。

絶縁電源回路１４は、図２に示すように、トランス４１の絶縁を挟んで２次側にゲートドライブ回路２０の一部と、高圧側マイコン回路３０の一部と、を備え、絶縁の一次側には、スイッチング素子である電界効果トランジスタＴＲ４０と、制御ＩＣ４２と、整流ダイオードＤ４０と、平滑コンデンサＣ４０と、負荷Ｚ４０とを有している。

（トランス）
トランス４１は、絶縁を挟んで１次側に、一次巻線および三次巻線（フィードバック巻線）を備え、絶縁を挟んで２次側に二次巻線を備える。なお、ここでは、算用数字により絶縁の両側を区別し、漢数字により巻線を区別することとした。

トランス４１の一次巻線の一端には、イグニッション電源Ｖ_ＩＧの電源供給ラインが接続されて、他端には電界効果トランジスタＴＲ４０のドレイン端子が接続されている。
トランス４１の三次巻線（フィードバック巻線）は、トランス４１の絶縁を挟んで１次側において負荷Ｚ４０に接続されている。この三次巻線は、トランス４１の絶縁を挟んで１次側のフィードバック電圧Ｖｆｂを生成する。

トランス４１の二次巻線は、ゲートドライブ回路２０の一部と高圧側マイコン回路３０の一部とを構成している（図２、４参照）。また、トランス４１の二次巻線は、ゲートドライブ回路２０の一部を構成している（図２、４、５参照）。すなわち、トランス４１は、ゲートドライブ回路２０−１〜２０−６に接続されている６個の二次巻線と、高圧側マイコン回路３０に接続されている１個の二次巻線と、を備える。

（絶縁の１次側構成）
スイッチング用トランジスタである電界効果トランジスタＴＲ４０のゲート端子は、制御ＩＣ４２の出力に接続されている。電界効果トランジスタＴＲ４０のドレイン端子は、トランス４１の一次巻線を介してイグニッション電源Ｖ_ＩＧに接続されている。電界効果トランジスタＴＲ４０のソース端子は、グランドに接続されている。
スイッチング制御回路である制御ＩＣ４２は、電界効果トランジスタＴＲ４０のゲート端子に制御パルスを出力することで、電界効果トランジスタＴＲ４０によって生成されたスイッチング信号を、トランス４１の一次巻線に入力して、トランス４１を駆動する。
制御ＩＣ４２は、電界効果トランジスタＴＲ４０のオンオフを制御する。これにより、電界効果トランジスタＴＲ４０は一次側の主電源であるイグニッション電源Ｖ_ＩＧ（直流電源）をスイッチングする。

トランス４１の三次巻線は、順方向に接続された整流ダイオードＤ４０を介して、平滑コンデンサＣ４０と負荷Ｚ４０に並列に接続されている。この整流ダイオードＤ４０のカソード端子は、さらに、制御ＩＣ４２を介して電界効果トランジスタＴＲ４０のゲート端子に接続されている。

（絶縁の２次側構成の概略）
絶縁電源回路１４は、図２に示すように、２次側に、ゲートドライブ回路２０の一部と、高圧側マイコン回路３０の一部とを備えている。
ゲートドライブ回路２０は、図２および図３に示すように、Ｕ相上アームのＩＧＢＴ素子１１−１を駆動するゲートドライブ回路２０−１と、Ｕ相下アームのＩＧＢＴ素子１１−２を駆動するゲートドライブ回路２０−２と、Ｖ相上アームのＩＧＢＴ素子１１−３を駆動するゲートドライブ回路２０−３と、Ｖ相下アームのＩＧＢＴ素子１１−４を駆動するゲートドライブ回路２０−４と、Ｗ相上アームのＩＧＢＴ素子１１−５を駆動するゲートドライブ回路２０−５と、Ｗ相下アームのＩＧＢＴ素子１１−６を駆動するゲートドライブ回路２０−６とを具備している。

各ゲートドライブ回路２０−ｎ（ｎは１〜６の自然数）と、絶縁電源回路１４と、を同じ基板に搭載した場合の一例を図４に示す。各ゲートドライブ回路２０−ｎの詳細については、後記する。図４では、各ゲートドライブ回路２０−ｎにおいて主要な構成として、二次側回路であるゲート駆動回路２１−１〜６を図示した。各ゲートドライブ回路２０−ｎの一部の構成は絶縁電源回路１４に含まれている。図４では、高圧側マイコン回路３０において主要な構成として、二次側回路である高圧側マイコン３１およびパルス検出回路５を図示した。高圧側マイコン回路３０の詳細については、後記する。

［各ゲートドライブ回路の構成］
図５に示すように、各ゲートドライブ回路２０−ｎ（ｎは１〜６の自然数）は、整流ダイオードＤ２０−ｎと、平滑コンデンサＣ２０−ｎと、ゲート駆動回路２１−ｎとを有し、それぞれトランス４１の二次巻線に接続されている。ここで、整流ダイオードＤ２０−ｎと、平滑コンデンサＣ２０−ｎとは、絶縁電源回路１４（図２参照）の二次側に含まれている。

各ゲートドライブ回路２０−ｎのトランス４１の二次巻線は、順方向の整流ダイオードＤ２０−ｎを介して、平滑コンデンサＣ２０−ｎに接続され、絶縁電源回路１４の二次側出力を構成している。平滑コンデンサＣ２０−ｎの両端子間に発生する電圧は、電圧Ｖｘ−ｎである。この絶縁電源回路１４の二次側出力は、ゲート駆動回路２１−ｎに接続されている。

ゲート駆動回路２１−ｎは、モータＥＣＵ１００からのＰＷＭ信号によって駆動される駆動回路である。ゲート駆動回路２１−ｎの出力側は、スイッチング素子であるＩＧＢＴ素子１１−ｎ（図１参照）のゲート端子に接続されている。モータＥＣＵ１００のＰＷＭ信号端子は、フォトカプラＰＣ２１−ｎを介して、ゲート駆動回路２１−ｎに接続され、ゲート駆動回路２１−ｎにＰＷＭ信号を出力するように構成されている。

ゲート駆動回路２１−ｎのフェール信号端子は、フォトカプラＰＣ２２−ｎを介してモータＥＣＵ１００に接続されて、異常発生時に、モータＥＣＵ１００にフェール信号を出力するように構成されている。フェール信号は、シリアル通信で情報が送信される。モータＥＣＵ１００は、フェール信号に基づいた二次側回路の情報を取得し、過熱や短絡（過電流）や過電圧などを検知したとき、種々の制御素子の破壊を防止するためにモータ１１０を駆動停止する保護機能を有している。

ゲート駆動回路２１−ｎの出力側は、ＩＧＢＴ素子１１−ｎのゲート端子と第１のエミッタ端子とに接続され、モータ１１０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相ぞれぞれの駆動信号を発生する。ＩＧＢＴ素子１１−ｎの第１のエミッタ端子は、抵抗Ｒ１１−ｎを介してグランドに接続され、第２のエミッタ端子は、直接にグランドに接続されている。ＩＧＢＴ素子１１−ｎのコレクタ端子と第２のエミッタ端子との間には、フライホイールダイオードＤ１１−ｎが逆方向に接続されている。

［高圧側マイコン回路の構成］
図６に示すように、高圧側マイコン回路３０は、整流ダイオードＤ３０と、平滑コンデンサＣ３０と、高圧側マイコン３１と、フォトカプラＰＣ３０と、パルス検出回路５とを有し、トランス４１の二次巻線に接続されている。ここで、整流ダイオードＤ３０と、平滑コンデンサＣ３０とは、絶縁電源回路１４の二次側の構成要素である。整流素子である整流ダイオードＤ３０は、トランス４１の二次巻線と、高圧側マイコン３１との間に接続され、高圧側マイコン３１に向けて電流を流す。

高圧側マイコン回路３０のトランス４１の二次巻線は、順接続の整流ダイオードＤ３０を介して、平滑コンデンサＣ３０に接続され、絶縁電源回路１４の二次側出力を構成している。この絶縁電源回路１４の二次側出力は、高圧側マイコン３１に接続されている。

高圧側マイコン３１には、図示しない温度センサが接続され、パワーモジュール１１のＩＧＢＴ素子１１−１〜１１−６（図３参照）の温度を測定可能に構成されている。
高圧側マイコン３１には、ゲートドライブ回路２０−６の整流ダイオードＤ２０−６のカソード端子が接続され、ゲートドライブ回路２０−６の電圧Ｖｘ−６（図５参照）を測定可能に構成されている。
さらに、他のゲートドライブ回路２０−１〜２０−５の整流ダイオードＤ２０−１〜Ｄ２０−５のカソード端子が接続され（不図示）、ゲートドライブ回路２０−１〜２０−５の電圧Ｖｘ−１〜Ｖｘ−５（図５参照）も測定可能に構成されている。

高圧側マイコン３１の出力端子は、フォトカプラＰＣ３０の入力端子に接続されている。フォトカプラＰＣ３０の出力端子は、モータＥＣＵ１００に接続され、ゲートドライブ回路２０に発生している電圧（電圧Ｖｘ−ｎ（図５参照））等の２次側状態を表すステータス信号をモータＥＣＵ１００に送信する。このステータス信号を送信する通信のことをここではＩＰＵＡ通信（Intelligent Power Unitからの信号Ａによる通信）と呼ぶ。ＩＰＵＡ通信には、例えば、ＩＧＢＴ素子１１−ｎ（図３参照）近傍にそれぞれ設けられた図示しない温度センサの出力、電源部１２の電圧など、二次側回路に係る様々な情報を含む。

パルス検出回路５は、トランス４１の二次側出力を監視してスイッチングの停止を検出する停止検出回路である。
本実施形態では、パルス検出回路５は、トランス４１の二次側出力電圧を示す矩形波電圧の変化が停止した場合に、電源の停止を検出することとした。
具体的には、パルス検出回路５は、トランス４１の二次側出力電圧として、整流ダイオードＤ３０のアノード端子と、トランス４１の二次巻線との間の所定の二次側接続点Ｐ１の電圧を検出することとした。パルス検出回路５は、二次側接続点Ｐ１の電圧により、電源の停止を検出した場合、停止信号を、二次側回路である高圧側マイコン３１に出力することとした。これにより、高圧側マイコン３１は、パルス検出回路５が電源の停止を検出した停止信号に合わせて機能を停止する。

［パルス検出回路の概要]
パルス検出回路５による電源の停止検出について図７を参照して説明する。
図７は、本発明の第１実施形態に係る絶縁電源回路が主電源から切断するときの電圧変動を示すタイミングチャートであって、（ａ）は一次側の電圧変動、（ｂ）は二次側の電圧変動をそれぞれ示している。

図７（ａ）に示すように、時刻Ｔ_０において、絶縁電源回路４２の一次側（図２参照）が一次側の主電源Ｖ_ＩＧ（ここでは定格の電圧値をＶ_１とする）に接続したものとする。その後、時刻Ｔ_１を経て時刻Ｔ_２まで、一次側電圧値は電圧値Ｖ_１を維持したものとする。なお、実際には、制御ＩＣ４２からのオンオフ駆動による電界効果トランジスタＴＲ４０（図２参照）のスイッチングによって、トランス４１の一次巻線には、矩形波電圧が印加されることになる。電界効果トランジスタＴＲ４０のオン状態の電圧を図７（ａ）では時間軸に対して一直線の電圧値Ｖ_１で表した。

そして、図７（ａ）に示すように、時刻Ｔ_２において、絶縁電源回路４２の一次側（図２参照）が主電源Ｖ_ＩＧから切断したものとする。この場合、一次側の電圧が定格の電圧値Ｖ_１から所定の閾値電圧ｔｈ１まで落ちた時刻Ｔ_３に、スイッチングが停止することになる。一次側では、時刻Ｔ_４を経て、やがて電圧値が０となる。

この場合、二次側では、図７（ｂ）に示すように、絶縁を介することによる所定の時間差があるので、時刻Ｔ_１において、絶縁電源回路４２の二次側（図２参照）にスイッチング電源が起動したものとする（ここでは定格の電圧値をＶ_２とする）。その後、時刻Ｔ_２を経て時刻Ｔ_３まで二次側電圧値は電圧値Ｖ_２を維持したものとする。なお、実際には、トランス４１の二次巻線には、矩形波電圧が印加されることになる。図７（ｂ）では、電界効果トランジスタＴＲ４０（図２参照）のオン状態の電圧がトランス４１により変換された電圧を時間軸に対して一直線の電圧値Ｖ_２で表した。

そして、図７（ｂ）に示すように、時刻Ｔ_３においてスイッチングが停止する。この場合、パルス検出回路５は、時刻Ｔ_３においてスイッチングの停止を検出し、停止信号を二次側回路である高圧側マイコン３１に出力する。これにより、高圧側マイコン３１は、時刻Ｔ_３に機能を停止する処理を開始し、二次側電圧値が定格の電圧値Ｖ_２から所定の閾値電圧ｔｈ２まで落ちた時刻Ｔ_４に高圧側マイコン３１の動作が停止し、やがて、二次側電圧値が０となる。

なお、高圧側マイコン３１は機能を停止する処理において、一次側のモータＥＣＵ１００にＩＰＵＡ通信によって、一次側電源の遮断によって機能を停止する旨を通知することができる。この場合、モータＥＣＵ１００は、二次側のフェール信号の詳細を知ることができる。

一方、従来の電源回路のように、パルス検出回路５を備えない場合には、時刻Ｔ_３においてスイッチングの停止を検出することができず、高圧側マイコン３１は機能を停止する処理を即座に実行することはできないまま時刻Ｔ_４に動作が停止する。

［パルス検出回路の構成例］
図８に、パルス検出回路の一例を模式的に示す。パルス検出回路５ａ（５）は、図８に示すように、ダイオードＤ５０と、コンデンサＣ５０と、抵抗Ｒ５１〜Ｒ５７と、トランジスタＴＲ１，ＴＲ２とを備えている。整流ダイオードＤ３０のアノード端子と、トランス４１の二次巻線との間の所定の二次側接続点Ｐ１には、分圧抵抗Ｒ５１，Ｒ５２が接続されている。分圧抵抗Ｒ５１，Ｒ５２の接続ノードは、順方向に接続された整流ダイオードＤ５０と、抵抗Ｒ５３、Ｒ５５とを介して、トランジスタＴＲ１のベース端子に接続されている。抵抗Ｒ５３、Ｒ５５の間には、一端がグランドに接続されたコンデンサＣ５０と、一端がグランドに接続された抵抗Ｒ５４とが接続されている。ここで、抵抗Ｒ５３とコンデンサＣ５０とはローパスフィルタＬＰＦを形成している。トランジスタＴＲ１のコレクタ端子は、高圧側マイコン３１に接続されると共に、ツェナー電流制限抵抗Ｒ５７を介して所定の電源電圧Ｖ_ＣＣ（例えば５ボルト）に接続されている。トランジスタＴＲ１のエミッタ端子は、トランジスタＴＲ２のコレクタ端子に接続されている。トランジスタＴＲ２のエミッタ端子は、グランドに接続されている。トランジスタＴＲ２のベース端子は、抵抗Ｒ５６を介して図示しないフォトカプラに接続されている。

二次側接続点Ｐ１に、通常の定格電圧（例えば１６．３ボルト）が印加されている場合、正常なので、パルス検出回路５ａにおいて、抵抗Ｒ５６を介して接続されている不図示のフォトカプラがオフしており、トランジスタＴＲ２のベース端子にハイレベルの信号が入力する。同時に、この場合、パルス検出回路５ａにおいて、トランジスタＴＲ１のベース端子にハイレベルの信号が入力するので、電源電圧Ｖ_ＣＣ（例えば５ボルト）が、ツェナー電流制限抵抗Ｒ５７、トランジスタＴＲ１，ＴＲ２を介してグランドに入力する。

一方、一次側電源が遮断されて二次側接続点Ｐ１に通常の定格電圧（例えば１６．３ボルト）が印加されていない場合、異常なので、パルス検出回路５ａにおいて、抵抗Ｒ５６を介して接続されている不図示のフォトカプラがオンしており、トランジスタＴＲ２のベース端子にロウレベルの信号が入力する。同時に、この場合、パルス検出回路５ａにおいて、トランジスタＴＲ１のベース端子にロウレベルの信号が入力するので、電源電圧Ｖ_ＣＣ（例えば５ボルト）が、ツェナー電流制限抵抗Ｒ５７を介して高圧側マイコン３１に入力する。すなわち、スイッチングが停止した場合、パルス検出回路５ａは、停止信号として、例えば５ボルトの信号を高圧側マイコン３１に供給することができる。

図９に、パルス検出回路の他の例を模式的に示す。パルス検出回路５ｂ（５）は、図９に示すように、ダイオードＤ５０と、コンデンサＣ５０と、抵抗Ｒ５１〜Ｒ５６，Ｒ５７と、トランジスタＴＲ１と、を備え、トランジスタＴＲ２の代わりに整流ダイオードＤ５１およびツェナーダイオードＺＤを備えている点がパルス検出回路５ａとは異なっている。なお、パルス検出回路５ａと同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。トランジスタＴＲ１のコレクタ端子は、順方向に接続された整流ダイオードＤ５１を介して高圧側マイコン３１に接続されると共に、ツェナー電流制限抵抗Ｒ５７を介して整流ダイオードＤ３０のカソード端子に接続されている。ツェナー電流制限抵抗Ｒ５７は高圧側マイコン３１の電源部にも接続されている。トランジスタＴＲ１のエミッタ端子は、グランドに接続されている。さらに、例えば５ボルトに制限するツェナーダイオードＺＤが順方向としてトランジスタＴＲ１のエミッタ端子からコレクタ端子に向かう方向に接続されている。このツェナーダイオードＺＤのカソード端子は、ダイオードＤ５１のアノード端子に接続されている。

二次側接続点Ｐ１に、通常の定格電圧（例えば１６．３ボルト）が印加されている場合、正常なので、パルス検出回路５ｂにおいて、トランジスタＴＲ１のベース端子にハイレベルの信号が入力し、通常の定格電圧（例えば１６．３ボルト）が、ツェナー電流制限抵抗Ｒ５７およびトランジスタＴＲ１を介してグランドに入力する。

一方、一次側電源が遮断されて二次側接続点Ｐ１に通常の定格電圧（例えば１６．３ボルト）が印加されていない場合、異常であり、パルス検出回路５ｂにおいて、トランジスタＴＲ１のベース端子にロウレベルの信号が入力するので、二次側接続点Ｐ１と同じ電位の電圧が印加されるが、例えば５ボルトに制限するツェナーダイオードＺＤがあるため、例えば５ボルトに制限された信号が、整流ダイオードＤ５１を介して高圧側マイコン３１に入力する。すなわち、スイッチングが停止した場合、パルス検出回路５ｂは、停止信号として、例えば５ボルトの信号を高圧側マイコン３１に供給することができる。

（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態に係る絶縁電源回路の概要を模式的に示す構成図である。本発明の第２実施形態に係る絶縁電源回路では、パルス検出回路を高圧側マイコン回路３０ではなく、各ゲートドライブ回路２０−ｎに設けた点が第１実施形態と相違している。したがって、第１実施形態の絶縁電源回路と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。なお、第２実施形態に係る絶縁電源回路の全体の構成図は省略する。

図１０に示す各ゲートドライブ回路２０−ｎにおいて、パルス検出回路５−ｎは、トランス４１の二次側出力電圧として、整流ダイオードＤ２０−ｎのアノード端子と、トランス４１の二次巻線との間の所定の二次側接続点Ｐ２−ｎの電圧を検出することとした。パルス検出回路５は、二次側接続点Ｐ２−ｎの電圧により、電源の停止を検出した場合、停止信号を、二次側回路であるゲート駆動回路２１−ｎに出力することとした。これにより、ゲート駆動回路２１−ｎは、パルス検出回路５が電源の停止を検出した停止信号に合わせて機能を停止することができる。ゲート駆動回路２１−ｎが、停止機能を備えたＩＣで構成されている場合には、入力された停止信号により、その停止機能を利用することができる。

なお、ゲート駆動回路２１−ｎは機能を停止する処理において、一次側のモータＥＣＵ１００に対して、フォトカプラＰＣ２２−ｎを介してフェール信号を送信することによって、一次側電源の遮断によって機能を停止する旨を通知することができる。この場合、モータＥＣＵ１００は、二次側のフェール信号の詳細を知ることができる。

ここで、各ゲートドライブ回路２０−ｎを構成するＩＣに停止機能を備えることは必須ではない。各ゲートドライブ回路２０−ｎにおいて、パルス検出回路５が出力する停止信号に基づいて機能を停止する他の方法としては、パルス検出回路５が出力する停止信号自体を、ゲート駆動回路２１−ｎの機能停止に利用する方法もある。この方法を以下の変形例１，２として説明する。

（変形例１）
図１１は、本発明の第２実施形態に係る絶縁電源回路においてパルス検出回路を、ゲート駆動回路２１−ｎとフォトカプラＰＣ２１−ｎとの間に配置した場合の構成例を示している。パルス検出回路５−ｎの一端は、二次側接続点Ｐ２−ｎに接続され、他端は、トランジスタＴＲ３のベース端子に接続されている。このトランジスタＴＲ３のエミッタ端子は、フォトカプラＰＣ２１−ｎを介してモータＥＣＵ１００に接続されている。また、トランジスタＴＲ３のコレクタ端子は、ゲート駆動回路２１−ｎのＰＷＭ信号入力端子に接続されている。

この場合、パルス検出回路５−ｎの出力する停止信号は、トランジスタＴＲ３のベース端子に供給される。これにより、停止信号が供給されていないとき、トランジスタＴＲ３がオンするので、モータＥＣＵ１００からフォトカプラＰＣ２１−ｎを介してゲート駆動回路２１−ｎのＰＷＭ信号入力端子にＰＷＭ信号が入力される。一方、停止信号が供給されるとき、トランジスタＴＲ３がオフするので、ゲート駆動回路２１−ｎへ入力するＰＷＭ信号が遮断される。つまり、ゲート駆動回路２１−ｎは、パルス検出回路５−ｎから停止信号が出力されるとき、機能を停止することができる。

（変形例２）
図１２は、本発明の第２実施形態に係る絶縁電源回路においてパルス検出回路を、ゲート駆動回路２１−ｎとＩＧＢＴ素子１１−ｎとの間に配置した場合の構成例を示している。パルス検出回路５−ｎの一端は、二次側接続点Ｐ２−ｎに接続され、他端は、トランジスタＴＲ４のベース端子に接続されている。このトランジスタＴＲ４のエミッタ端子は、ゲート駆動回路２１−ｎのＩＧＢＴ駆動信号出力端子に接続されている。また、トランジスタＴＲ４のコレクタ端子は、ＩＧＢＴ素子１１−ｎのベース端子に接続されている。

この場合、パルス検出回路５−ｎの出力する停止信号は、トランジスタＴＲ４のベース端子に供給される。これにより、停止信号が供給されていないとき、トランジスタＴＲ４がオンするので、ゲート駆動回路２１−ｎからＩＧＢＴ駆動信号出力端子にＩＧＢＴ駆動信号が入力される。一方、停止信号が供給されるとき、トランジスタＴＲ４がオフするので、ＩＧＢＴ素子１１−ｎへ入力するＩＧＢＴ駆動信号が遮断される。つまり、ゲート駆動回路２１−ｎは、パルス検出回路５−ｎから停止信号が出力されるとき、機能を停止することができる。

以上説明したように、本発明の各実施形態の絶縁電源回路１４は、トランス４１の二次側出力を監視してスイッチングの停止を検出するパルス検出回路５を備え、スイッチングの停止を検出したときに、二次側回路である高圧側マイコン３１またはゲート駆動回路２１−ｎが機能を停止するように構成したので、一次側電源が停止すると、二次側回路も停止することができる。そのため、二次側に設けられた回路の誤動作を低コストで防止することができる。

また、本発明の各実施形態の絶縁電源回路１４によれば、トランス４１の二次側出力を監視し一次側電源の動作状態を検出できるので、一次側電源が完全に停止しなくても電圧の低下が起こり始めた時点で電源電圧が低下傾向の状態にあることを検出できる。これにより、レア・ショートのように、電源のスイッチングは正常だが電圧の低下が生じた場合などの検出が可能となる。

さらに、本発明の各実施形態の絶縁電源回路１４によれば、一次側電源が遮断された場合にスイッチングは停止するが、二次側においてもスイッチングの停止を検出できるので二次側のコンデンサの残留電荷によって回路が動作する事態を防ぐこともできる。これによって、電源が遮断されたのに回路が動作している状態を無くすことができる。

以上、本発明のインバータ回路の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではない。例えば、パルス検出回路５は、整流ダイオードＤ３０のアノード端子と、トランス４１の二次巻線との間の二次側接続点Ｐ１またはＰ２−ｎの電圧値を検出するものとしたが、整流ダイオードＤ３０に流れる電流を示す矩形波電流の変化が停止した場合に、電源の停止を検出することとしてもよい。この場合、パルス検出回路５は、整流ダイオードＤ３０のカソード端子側の所定の接続点の電流値を検出すれば、同様な効果を奏することができる。

また、本実施形態では、モータＥＣＵ１００は、ＰＷＭ信号を出力してモータ１１０を駆動させている。しかし、これに限られず、ＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation：パルス振幅変調方式）信号、ＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation：パルス周波数変調）信号、ＰＤＭ（Pulse Density Modulation：パルス密度変調）信号、ＰＰＭ（Pulse Position Modulation：パルス位置変調）信号、ＰＣＭ（Pulse Code Modulation：パルス符号変調）信号のいずれによって、モータ１１０を駆動してもよい。

また、本実施形態では、パワーモジュール１１は、スイッチング素子としてＩＧＢＴ素子１１−１〜１１−６を用いている。しかし、これに限られず、大出力用途としてＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor：ゲートターンオフサイリスタ）をスイッチング素子として用いてもよい。また、小出力用途としてパワーバイポーラトランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などをスイッチング素子として用いてもよい。

１ モータ駆動システム
２ プリドライブ基板
５（５ａ，５ｂ，５−ｎ） パルス検出回路（停止検出回路）
１０ インバータ回路
１１ パワーモジュール
１１−１〜１１−６ ＩＧＢＴ素子
１２ 電源部
１３（１３−１〜１３−３） 電流センサ
１４ 絶縁電源回路（電源回路）
２０ ゲートドライブ回路
２０−１〜２０−６（２０−ｎ） ゲートドライブ回路
２１−１〜２１−６（２１−ｎ） ゲート駆動回路（二次側回路）
３０ 高圧側マイコン回路
３１ 高圧側マイコン（二次側回路）
４１ トランス
４２ 制御ＩＣ（スイッチング制御回路）
１００ モータＥＣＵ
１０１ ＥＣＵ基板
１１０ モータ
Ｃ１２ 平滑コンデンサ
Ｃ２０−ｎ，Ｃ３０，Ｃ４０，Ｃ５０ コンデンサ
Ｄ１１−１〜Ｄ１１−６ フライホイールダイオード
Ｄ１１−ｎ，Ｄ２０−ｎ，Ｄ３０，Ｄ４０，Ｄ５０，Ｄ５１ ダイオード
ＬＰＦ ローパスフィルタ
ＰＣ２１−ｎ，ＰＣ２２−ｎ，ＰＣ３０ フォトカプラ
Ｒ１１−ｎ，Ｒ５１〜Ｒ５７ 抵抗
ＴＲ１〜ＴＲ４ トランジスタ
ＴＲ４０ 電界効果トランジスタ（スイッチング用トランジスタ）
Ｚ４０ 負荷
ＺＤ ツェナーダイオード

Claims (3)

1. 一次側と二次側が絶縁され、一次側から二次側に電力を供給する電源回路であって、
   トランスと、
   前記トランスの一次巻線に接続され、一次側の直流電源をスイッチングするスイッチング用トランジスタと、
   前記スイッチング用トランジスタのオンオフを制御するスイッチング制御回路と、
   前記トランスの二次側に接続された二次側回路と、
   前記トランスの二次側出力を監視して前記スイッチングの停止を検出する停止検出回路と、を備え、
   前記二次側回路は、前記停止検出回路が前記電源の停止を検出した停止信号に合わせて機能を停止することを特徴とする電源回路。
2. 前記停止検出回路は、
   前記トランスの二次側出力電圧を示す矩形波電圧の変化が停止した場合に、前記スイッチングの停止を検出することを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
3. 前記トランスの二次巻線と前記二次側回路との間に接続され、前記二次側回路に向けて電流を流す整流素子を備え、
   前記停止検出回路は、
   前記トランスの二次側出力電流として前記整流素子に流れる電流を示す矩形波電流の変化が停止した場合に、前記スイッチングの停止を検出することを特徴とする請求項１に記載の電源回路。

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