JP2015082851A - 電力変換装置のゲート駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置のゲート駆動回路において、制御回路部とゲート駆動回路間を電気的に絶縁すると共に、装置の小型化を図る。
【解決手段】ケース５１の側面のうち発光素子４４，４６および受光素子４５，４７間の沿面距離が最も短い面に、凸部５４、または、凹部を少なくとも一つ形成する。また、前記ケース５１内には、各光絶縁信号伝送素子間の光信号経路を仕切り、凸部５５、または、凹部が少なくとも一つ形成された仕切り板５２を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は電力変換装置のゲート駆動回路に係り、特に、各々の半導体スイッチングデバイスに印加される電圧が高い電力変換装置のゲート駆動回路に関する。

図７は、一般的な３相インバータの一例を示す主回路構成図であり、図７に示すように、６個の半導体スイッチングデバイス（以下、半導体デバイスと称する）Ｓ１〜Ｓ６により構成されている。使用する半導体デバイスＳ１〜Ｓ６は様々な種類のものが考えられるが、図７では大容量の電力変換装置に使用されることが多いＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を例に図示している。

なお、以下で述べる問題点および実施形態等はＩＧＢＴに限定されるものではなく、ＦＥＴなどの電圧制御型自己消弧型半導体スイッチングデバイスであれば共通である。

３相インバータは半導体デバイスＳ１〜Ｓ６のＯＮ／ＯＦＦを制御回路部において決定し制御することにより、所望の交流電圧出力を得ることができる。各々の半導体デバイスのＯＮ／ＯＦＦはゲート−エミッタ間の電圧により決定される。例えば、半導体デバイスＳ１のＯＮ／ＯＦＦはゲート端子Ｇｓ１−エミッタ端子Ｅｓ１間の電圧により、半導体デバイスＳ２のＯＮ／ＯＦＦはゲート端子Ｇｓ２−エミッタ端子Ｅｓ２間の電圧により決定される。

エミッタ端子Ｅｓ２の電位は常に直流部のＮ端子の電位であるが、エミッタ端子Ｅｓ１の電位は半導体デバイスＳ１がＯＮ時は直流部のＰ端子の電位で、半導体デバイスＳ２がＯＮ時は直流部のＮ端子の電位となる。このように各々の半導体デバイスのエミッタ電位は異なるため、各々のゲート−エミッタ間電圧は絶縁された電圧とする必要がある。

図８は一般的な電力変換装置の概略図である。制御回路部１０内のゲート信号生成部１１で生成した半導体デバイスＳ１〜Ｓ６のＯＮ／ＯＦＦのゲート信号は各々絶縁されたゲート駆動回路４０に入力され、絶縁されたゲート−エミッタ間電圧となりＳ１〜Ｓ６（半導体デバイス７０）に入力される。

ゲート信号生成部１１から出力されるゲート信号は光絶縁信号伝送素子（例えば、フォトカプラ：以下、フォトカプラと称する）４１ａにより絶縁され、ゲートドライバ６０に出力される。また、制御回路部１０内の電源生成部１３から供給されるゲート駆動回路４０の電源はトランス５０により絶縁され、ゲートドライバ６０に出力される。さらに、ゲート駆動回路４０内のゲートドライバ６０からは、ゲートドライバ６０および半導体デバイス７０の状態を示す状態信号が出力される。この状態信号は、例えば、ゲートドライバ６０の電源異常や半導体デバイス７０の短絡などであり、装置の停止などに利用される。この状態信号もフォトカプラ４１ｂにより絶縁され、制御回路部１０内の状態検知部１２に出力される。

特開昭５９−９８５６５号公報

出力電圧が数ｋｖのインバータなど、半導体デバイスに印加される電圧が非常に高い電力変換装置の場合、絶縁耐圧が不足するため制御回路部１０とゲート駆動回路４０との間の絶縁信号伝送に一般的なフォトカプラを使用することができない。

図９に示すように、フォトカプラは１対の発光素子１００と受光素子１１０を外部からの光を遮断するケース１２０に収めた素子であるため、絶縁に必要な沿面距離を長くなるようなケース１２０を用意することにより、高耐圧の光絶縁信号伝送素子を構成することが可能である。

しかしながら、沿面距離の長いケースを用いることにより、筐体が大きくなり、その結果、装置が大きくなるという問題がある。また、この場合、発光素子１００と受光素子１１０間の距離が長くなり、発光素子の輝度を大幅に上げる必要があった。

そのため、図１０に示すように絶縁の必要な回路間の沿面距離を長く取ることのできる光ファイバ（例えば、ライトガイド）３０を信号伝達手段として使用するのが一般的である。しかし、光ファイバや光送信器１４，４３，光受信器１５，４２は高価であるため、これを使用した場合、電力変換装置の価格の上昇につながる。

また、特許文献１において、図１１に示すように、フォトカプラ４１のケース１２０の表面に凹部或いは凸部を設けることにより、沿面距離を長くし高耐圧化を図る技術が提案されている。これを応用すれば、小型の筐体でありながら対向して設置される発光素子１００と受光素子１１０間で信号伝送するフォトカプラを製作することが可能である。

図１１に示すように、発光素子１００と受光素子１１０間の直線距離をｐ、発光素子１００の厚さ（＝受光素子１１０の厚さ）をｑ、凹部の幅（＝凸部の幅）をｒ、ケースの厚さをｄ、発光素子１００の幅（＝受光素子１１０の幅＝凹部内部の空間距離）をａ、凸部の突出方向の長さ（＝凹部の深さ方向の長さ）をｂとする。図１１よりそれぞれの長さの関係を考える。凹部がｎ個（図１１ではｎ＝３）のフォトカプラを考え、素子の縦方向の距離をｐ、ｑ、ｒ、ｄを使って表すと以下の（１）式となる。

ここで、ｐ、ｑ、ｄは必要な耐電圧や使用する素子、ケース素材によって決まる定数である。ｒは変更できるが、例えば、ＪＩＳＣ６０６６４−１により安全上の理由で最小値が決められている。よって前記（１）式を変形することによりｎの最大値はｒの変数として以下の（２）式のように与えられる。

また、必要な沿面距離をｌとして、ｌをｐ、ｑ、ｂ、ｎで表すと、以下の（３）式となる。

ここで、ｌ，ｐ，ｑは必要な耐電圧や使用する素子によって決まる定数であり、ｎの最大値は前記（２）式によって決まる。よって、前記（３）式を変形することにより、凸部の突出方向の長さ（＝凹部の深さ方向の長さ）ｂは以下の（４）式のように与えられる。

このように、凸部の突出方向の長さ（＝凹部の深さ方向の長さ）ｂは ｌ−ｐ−ｑ／２（１＋ｎ） よりも小さくすることはできない。

ところで、上記に記載したとおり、制御回路部１０からゲート駆動回路４０へ伝送するゲート信号と、ゲート駆動回路４０から制御回路部１０へ伝送する状態信号と、の２方向の信号伝送の必要があるため、２つのフォトカプラが必要となる。

図１１に示すフォトカプラを２台並べてゲート駆動回路４０に実装する場合、図１２のように凸部の突出方向の長さ（＝凹部の深さ方向の長さ）ｂが大きいため実装面積が大きくなってしまうという問題点があった。

以上示したようなことから、電力変換装置のゲート駆動回路において、制御回路部とゲート駆動回路間を電気的に絶縁すると共に、装置の小型化を図ることが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、相対向するように配置され、制御回路部から入力されるゲート信号および制御回路部への出力信号を光絶縁しながら信号伝送する発光素子および受光素子と、を有する２以上の光絶縁信号伝送素子と、前記２以上の光絶縁信号伝送素子を収納するケースと、を備えた電力変換装置のゲート駆動回路であって、前記ケースの側面のうち少なくとも発光素子および受光素子間の沿面距離が最も短い面に凸部、または、凹部が少なくとも一つ形成され、前記ケース内には、各光絶縁信号伝送素子間の光信号経路を仕切り、凸部または凹部が少なくとも一つ形成された仕切り板が設けられたことを特徴とする。

また、他の態様として、相対向するように配置され、制御回路部から入力されるゲート信号および制御回路部への出力信号を光絶縁しながら信号伝送する発光素子および受光素子と、を有する２以上の光絶縁信号伝送素子と、前記２以上の光絶縁信号伝送素子を収納するケースと、を備えた電力変換装置のゲート駆動回路であって、前記ケースの側面のうち少なくとも発光素子および受光素子間の沿面距離が最も短い面に凸部、または凹部が少なくとも一つ形成され、前記ケースの発光素子，受光素子が設けられる面に、受光素子が対となる発光素子以外の発光を検出値下限値以上入射しないように遮蔽する遮蔽板が立設されたことを特徴とする。

本発明によれば、電力変換装置のゲート駆動回路において、光絶縁信号伝送素子を小型化するともに、制御回路部とゲート駆動回路間を電気的に絶縁することが可能となる。

実施形態１，２における電力変換装置を示す概略図。 実施形態１における光絶縁信号伝送素子およびケースを示す概略図。 実施形態２における光絶縁信号伝送素子およびケースを示す概略図。 実施形態３，４における電力変換装置を示す概略図。 実施形態３における光絶縁信号伝送素子およびケースを示す概略図。 実施形態４における光絶縁信号伝送素子およびケースを示す概略図。 一般的な３相インバータの一例を示す回路構成図。 従来の電力変換装置の一例を示す概略図。 従来の光絶縁信号伝送素子の一例を示す概略図。 従来の電力変換装置の他例を示す概略図。 従来の光絶縁信号伝送素子の他例を示す概略図。 従来の光絶縁信号伝送素子（双方向）の他例を示す概略図。

以下、本発明における電力変換装置のゲート駆動回路の実施形態１〜４を図１〜図６に基づいて説明する。

［実施形態１］
図１は、本実施形態１における電力変換装置を示す概略図である。電力変換装置は、３相インバータを構成する半導体デバイス７０と、制御回路部１０と、ゲート駆動回路４０と、を備えている。

なお、電力変換装置の主回路は、図７と同様に構成されているものとする。

制御回路部１０は、ゲート信号生成部１１と、状態検知部１２と、電源生成部１３と、を備えている。ゲート駆動回路４０は、フォトカプラと、フォトカプラを収納するケース５１と、トランス５０と、ゲートドライバ６０と、を備えている。フォトカプラは、発光素子４４，４６と、受光素子４５，４７により構成されている。

制御回路部１０内のゲート信号生成部１１で生成されたゲート信号は銅線２０によりゲート駆動回路４０内の発光素子４４に出力される。発光素子４４により光信号に変換されたゲート信号は受光素子４５で受信され、制御回路部１０から絶縁した電気信号に再変換される。この電気信号はゲートドライバ６０に入力され、半導体デバイス７０のゲート−エミッタ間電圧を制御する。

また、ゲートドライバ６０から出力される半導体デバイス７０やゲートドライバ６０の状態信号は電気信号として発光素子４６に出力される。発光素子４６により光信号に変換された状態信号は受光素子４７で受信され、ゲート駆動回路４０から絶縁した電気信号に再変換される。この電気信号は制御回路部１０内の状態検知部１２に入力される。状態検知部１２に入力された状態信号は装置の停止などに利用される。

ここで発光素子４４、４６および受光素子４５、４７は、ケース５１に収納される。上記ゲート信号と状態信号は、信号の入出力の向きが互いに逆である。すなわち本実施形態１は双方向信号伝送が可能である。

上述したように、電力変換装置において各々の半導体デバイス７０のエミッタ電位は同一ではなく、各々のゲート−エミッタ間電圧は絶縁する必要がある。ゲート駆動回路４０と半導体デバイス７０は同電位であるため、制御回路部１０とゲート駆動回路４０は絶縁が必要である。

本実施形態１においては、制御回路部１０とゲート駆動回路４０の間の伝送路は銅線２０を利用しながら、発光素子４４−受光素子４５間および発光素子４６−受光素子４７間で光信号による絶縁を行う。

ここで、発光素子４４、４６および受光素子４５、４７は外部から光ノイズが入射しないようケース５１に収納する。前記ケース５１の形状は、略直方体でも略円柱形であってもよい。また、発光素子４４−受光素子４５間は制御回路部１０とゲート駆動回路４０の間の高電圧に耐える必要がある。発光素子４６−受光素子４７間も同様である。そのため、図２に示すように、ケース５１の側面（発光素子４４，４６，受光素子４５，４７が設けられていない面）のうち少なくとも発光素子４４−受光素子４５，発光素子４６−受光素子４７間の沿面距離が最も短い面に凸部５４を設け、凹凸を形成する。

なお、ケース５１の側面のうち沿面距離の最も短い面に凹凸を形成し沿面距離を長くすればよいため、凸部５４の代わりに凹部を設けてもよい。また、ケース５１の側面のうち沿面距離の最も短い面以外の面にも凸部、または凹部を形成してもよい。さらに、凸部５４、または、凹部は少なくとも一つ形成されれば、一つでも複数でもよい。

また、ケース５１内には発光素子４４−受光素子４５間と発光素子４６−受光素子４７間の２系統の光信号経路が必要である。そのため、ケース５１の内部に２系統の光信号経路を仕切る仕切り板５２を設ける。この仕切り板５２についても、図２に示すように、制御回路部１０とゲート駆動回路４０の間の高電圧に耐える必要があるため、沿面距離が長くなるよう凸部５５を設け、凹凸を形成する。

なお、仕切り板５２に凹凸が形成し沿面距離が長くなればよいため、凸部５５の代わりに凹部を設けてもよい。また、本実施形態１では、発光素子４４，受光素子４７（受光素子４５，発光素子４６）の中間位置を図２のａとすると、ａを基準として凸部と凹部がそれぞれ交互に複数設けられている。

以上示したように、本実施形態１における電力変換装置のゲート駆動回路によれば、ケース５１の側面のうち前記沿面距離の最も短い面，および仕切り板５２に凸部５４，５５（または凹部）を形成したため、沿面距離が長くなり、半導体デバイス７０に印加される電圧が高圧であっても、制御回路部１０とゲート駆動回路４０間を電気的に絶縁することが可能となる。

また、２つのフォトカプラを１つのケース５１内に収納しているため、沿面距離を長くするために、ケース５１に凹凸を形成しても装置の大型化を最小限に抑制することが可能となる。

さらに、本実施形態１では、制御回路部１０とゲート駆動回路４０との間を銅線で接続しているため、光ファイバ等の高価な部材を使用した場合と比較して、コストを削減することができる。

また、本実施形態１における電力変換装置のゲート駆動回路によれば、制御回路部１０とゲート駆動回路４０間の双方向の信号伝送が可能となる。

［実施形態２］
次に、本実施形態２における電力変換装置のゲート駆動回路を説明する。実施形態１では、２系統の光信号経路を仕切るために仕切り板５２を設けたが、本実施形態２は、仕切り板５２の代わりに遮蔽板５３を設けたものである。

実施形態１と同様に、発光素子４４、４６および受光素子４５、４７はケース５１に収納し、そのケース５１の側面のうち前記沿面距離の最も短い面に、凸部５４（または、凹部）を形成する。

ケース５１内には発光素子４４−受光素子４５間と発光素子４６−受光素子４７間の２系統の光信号経路が必要である。そのため、発光素子４４の発光により受光素子４７が誤検知しないように、また、発光素子４６の発光により受光素子４５が誤検知しないようにする必要がある。

しかしながら、発光素子４４、４６は一般的に指向性があり、光量のほとんどは前方に向けて照射される。また、受光素子４５、４７は検出下限値があり、発光素子４４、４６からの光がケース５１の内部で反射し受光素子４５、４７に入射したとしても、その反射後の光量が上記検出下限値以下であれば、受光素子４５、４７は検出できない。

すなわち、図２の仕切り板５２のように光信号経路を完全に仕切る必要はなく、図３に示すように、発光素子４４，４６，受光素子４５，４７が設けられる面に遮蔽板５３を立設させることにより、誤検知は防ぐことができる。

この遮蔽板５３を設けることにより、受光素子が対となる発光素子（４５に対する４４、および、４７に対する４６）以外の発光を検出下限値以上の光量、入射しないようにする。そのために遮蔽板５３の長さｓは、対となる発光素子以外からの上記検出下限値以上の光量を受光素子４５、４７に入射させない長さに設定する。

以上示したように、本実施形態における電力変換装置のゲート駆動回路によれば、実施形態１と同様の作用効果を奏する。

また、各遮蔽板５３間は離間しているため、半導体デバイスに印加される電圧が高圧であっても、制御回路部１０とゲート駆動回路４０間を電気的に絶縁することが可能となる。

［実施形態３］
次に、本実施形態３における電力変換装置のゲート駆動回路を説明する。実施形態１と同様の箇所は説明を省略し、実施形態１と異なる点についてのみ説明する。

図４に示すように、ゲートドライバ６０から出力される半導体デバイス７０やゲートドライバ６０の状態信号は単一とは限らず、複数ある場合がある（図４では２信号）。ここでは状態信号が２信号の場合について説明するが、さらに多くの状態信号がある場合も同一である。

複数の状態信号は各々発光素子４６、４８に伝送される。発光素子４６により光信号に変換された状態信号は受光素子４７で受信され、発光素子４８により光信号に変換された状態信号は受光素子４９で受信され、ゲート駆動回路４０から絶縁した電気信号に再変換される。この電気信号は制御回路部１０内の状態検知部１２ａ，１２ｂに出力される。状態検知部１２ａ，１２ｂに入力された状態信号は装置の停止などに利用される。

実施形態１と同様に制御回路部１０とゲート駆動回路４０の間の伝送路は銅線２０を利用しながら、発光素子４４−受光素子４５間、発光素子４６−受光素子４７間および発光素子４８−受光素子４９間で光信号による絶縁を行う。上記ゲート信号と状態信号は、信号の入出力の向きが互いに逆である。すなわち、本実施形態３は双方向信号伝送が可能である。ここで、発光素子４４、４６、４８および受光素子４５、４７、４９は外部から光ノイズが入射しないようケース５１に収納する。

発光素子４４−受光素子４５間は制御回路部１０とゲート駆動回路４０の間の高電圧に耐える必要がある。発光素子４６−受光素子４７間、発光素子４８−受光素子４９間も同様である。そのため、図５に示すように、ケース５１の側面のうち前記沿面距離の最も短い面に凸部５４（または、凹部）を設け、凹凸を形成する。

また、ケース５１内には発光素子４４−受光素子４５間、発光素子４６−受光素子４７間および発光素子４８−受光素子４９間の３系統の光信号経路が必要である。そのため、ケース５１の内部に３系統の光信号経路を仕切る仕切り板５２を設ける。図５に示すように、仕切り板５２についても制御回路部１０とゲート駆動回路４０の間の高電圧に耐える必要があるため、沿面距離が長くなるよう凸部５５（または、凹部）を設ける。

以上示したように、本実施形態３における電力変換装置のゲート駆動回路によれば、実施形態１と同様の作用効果を奏する。

［実施形態４］
次に、本実施形態４における電力変換装置のゲート駆動回路を説明する。実施形態１〜３と同様の箇所は説明を省略し、実施形態１〜３と異なる点についてのみ説明する。

実施形態３と同様にゲートドライバ６０から出力される状態信号は単一とは限らず、複数ある場合がある。ここでは状態信号が２信号の場合について説明するが、さらに多くの状態信号がある場合も同一である。

ここで、発光素子４４、４６、４８および受光素子４５、４７、４９は外部から光ノイズが入射しないようケース５１に収納し、ケース５１の側面のうち前記沿面距離の最も短い面に凸部５４（または、凹部）を設け、凹凸を形成する。

また、ケース５１内には発光素子４４−受光素子４５間、発光素子４６−受光素子４７間および発光素子４８−受光素子４９間の３系統の光信号経路が必要である。実施形態２と同様に発光素子の発光により対となる受光素子以外が誤検知しないようにする必要がある。

しかしながら、実施形態２と同様の理由により、光信号経路を完全に仕切る必要はなく、図６に示すように遮蔽板５３を設けることで誤検知は防ぐことができる。この遮蔽板５３を設けることにより発光素子の発光により対となる受光素子（４４に対する４５、および、４６に対する４７、および、４８に対する４９）以外からの検出下限値以上の光量を入射させないようにする。そのために遮蔽板５３の長さｓは、対となる発光素子以外からの上記検出下限値以上の光量を受光素子４５、４７、４９に入射させない長さに設定する。

以上示したように、本実施形態４における電力変換装置のゲート駆動回路によれば、実施形態２と同様の作用効果を奏する。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

例えば、実施形態２，４の図３，６では、前記遮蔽板５３と発光素子４４，４６，４８，受光素子４５，４７，４９が接した状態で立設しているが、対となる発光素子以外からの光量を検出下限値以下に抑えられるのであれば、発光素子４４，４６，４８，受光素子４５，４７，４９から離れた位置から立設してもよい。同様に、図３，図６では、各発光素子と受光素子間に２つの遮蔽板５３が立設しているが、対となる発光素子以外からの光量を検出下限値以下に抑えられるのであれば、一つの遮蔽板５３でもよい。

また、電力変換装置として、特定の構成のみ説明したが、その他の構成であってもよい。

１０…制御回路部
４０…ゲート駆動回路
４１…光絶縁信号伝送素子
４４，４６，４８…発光素子
４５，４７，４９…受光素子
５１…ケース
５２…仕切り板
５３…遮蔽板
５４，５５…凸部

Claims (2)

1. 相対向するように配置され、制御回路部から入力されるゲート信号および制御回路部への出力信号を光絶縁しながら信号伝送する発光素子および受光素子と、を有する２以上の光絶縁信号伝送素子と、
   前記２以上の光絶縁信号伝送素子を収納するケースと、を備えた電力変換装置のゲート駆動回路であって、
   前記ケースの側面のうち少なくとも発光素子および受光素子間の沿面距離が最も短い面に、凸部、または、凹部が少なくとも一つ形成され、
   前記ケース内には、各光絶縁信号伝送素子間の光信号経路を仕切り、凸部または凹部が少なくとも一つ形成された仕切り板が設けられたことを特徴とする電力変換装置のゲート駆動回路。
2. 相対向するように配置され、制御回路部から入力されるゲート信号および制御回路部への出力信号を光絶縁しながら信号伝送する発光素子および受光素子と、を有する２以上の光絶縁信号伝送素子と、
   前記２以上の光絶縁信号伝送素子を収納するケースと、を備えた電力変換装置のゲート駆動回路であって、
   前記ケースの側面のうち少なくとも発光素子および受光素子間の沿面距離が最も短い面に、凸部、または凹部が少なくとも一つ形成され、
   前記ケースの発光素子，受光素子が設けられる面に、受光素子が対となる発光素子以外の発光を検出値下限値以上入射しないように遮蔽する遮蔽板が立設されたことを特徴とする電力変換装置のゲート駆動回路。

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