JP2016111374A - 信号伝達装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】絶縁トランスを介した信号伝達装置において、コモンモードノイズの発生を抑制し、対策回路の簡素化を可能とする信号伝達装置を提供する。【解決手段】ハイサイド側の半導体パワースイッチを駆動する信号を伝達するために、送信回路２０、受信回路３０、および、送信回路２０と受信回路３０間に設けられた絶縁トランス１０を備える。絶縁トランス１０は、セット用トランス１の２次側(S1)とリセット用トランスの２次側(S2)を磁気結合する。そして磁気結合の方向は、トランス１の２次側端子(pinS1)とトランス２の２次側端子(pinS2)が逆極性になるよう構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体スイッチング素子から成るスイッチング電源、インバータおよび各種駆動回路などのハイサイド側に設けられたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体パワースイッチを駆動するための信号伝達装置に関する。
図１１は、絶縁トランスを介した信号伝達装置を含む、半導体パワースイッチで構成される一般的なスイッチング電源の構成例を示す図である。半導体パワースイッチは、例えばIGBT、MOSFET(Metal Oxide Field-Effect Transistor)等が用いられている。このスイッチング回路は、絶縁トランスを介した信号伝達装置からの出力によりハイサイドの半導体パワースイッチMHがオン／オフ駆動されるものである。
図１２は、従来の信号伝達装置の構成を示す図である。図１２において従来の信号伝達装置は、送信回路200、受信回路300、および、送信回路200と受信回路300間に設けられた絶縁トランス100で構成されている。また受信回路300の後端にはドライバ400が接続されている。さらに絶縁トランス100は、トランス１及びトランス２の２個のトランスを使用し、トランス１で半導体パワースイッチMHのターンオンのタイミングを示す信号(セット信号)を受信回路300のR1端子に送信し、トランス２でターンオフのタイミングを示す信号(リセット信号)を受信回路300のR2端子に送信するように構成されている。図１２に示されるように、トランス１及びトランス２の２次側巻線の出力端子が磁気的に同じ極性になるよう（同一方向の磁束の変化に対する出力端子の電圧変化の方向が同じになるよう）構成されている。そして図１２の従来の信号伝達装置は、図１１に示すスイッチング回路のハイサイドにある半導体パワースイッチMHをドライバ400を介して駆動する。
図１３は、図１２に示した従来の信号伝達装置の理想動作波形を示す図である。また図１４は、図１２に示した従来の信号伝達装置の問題点を説明する動作波形図であり、図１３と重複するところがあるので、図１１及び図１４を用いてその動作を説明することにする。
図１１に示すハイサイドのパワースイッチMHを駆動する場合、図１２，図１４中のGND2の電位はパワースイッチMH，MLのオン/オフ動作に連動して変動する。信号伝達装置からの出力によりパワースイッチMHがオフし、MLがオンすると、図１４に示されるように、GND2の電位はハイサイド電源電圧→GND1に降下する。このGND2の変動により、寄生容量(不図示)を介して受信回路300側の信号端子R1、R2にプラスのコモンモードノイズ(N1+，N2+)が発生する。
一方、信号伝達装置からの出力によりパワースイッチMLがオフし、MHがオンすると、GND2の電位はGND1→ハイサイド電源電圧に上昇する。このGND2の変動により、寄生容量(不図示)を介して受信回路300側の信号端子R1、R2にマイナスのコモンモードノイズ(N1-，N2-)が発生する。
上記に説明したコモンモードノイズにより、図１１に示すハイサイドのパワースイッチMHが誤オン/誤オフする場合がある。
従来では、コモンモードノイズによる誤動作を防止するために、通常、受信回路300内にコモンモードノイズを検知して、誤パルスの生成を抑制する回路(不図示)が搭載されている。
ところで下記特許文献１には、コモンモードノイズによる誤動作を防止するための検出回路を搭載した構成が示されている（段落００５８、図５参照）。
また下記特許文献２には、コモンモードノイズによる誤動作を防止するための回路構成が示されている（第１図参照）。
特開２０１３−５１５４７号公報（図５） 特開平３−４４５０７号公報（第１図）
上記した特許文献１に示される構成では、受信回路が複雑になるとともに、GND2の変動幅が大きくなると誤動作防止効果が低下するという問題がある。
また特許文献２に示される構成においても、受信回路側で例えば差動アンプのようなコモンモードの電圧信号を引き算して相殺させる装置を必要とするため、受信回路が複雑になるという問題がある。
そこで本発明の目的は、絶縁トランスを介した信号伝達装置において、コモンモードノイズの発生を抑制し、対策回路の簡素化を可能とする信号伝達装置を提供することにある。
上記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、トランスによりに信号を伝達する信号伝達装置であって、
受信回路のセット側入力端子に接続するトランスの２次側巻線とリセット側入力端子に接続するトランスの２次側巻線の１方に鎖交する磁束が他方にも鎖交するように上記２次側巻線同士の磁気結合を密にし、上記受信回路のセット側入力端子とリセット側入力端子が磁気的に逆極性になるように、上記２つの２次側巻線を受信回路に接続して構成したものである。
また請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記２つの２次側巻線の巻く方向を同一にし、これら２つの２次側巻線の信号端子と接地端子を互いに逆にすることで、上記受信回路のセット側入力端子とリセット側入力端子の磁気的極性を逆極性になるよう構成したものである。
また請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、トランスを角形または円形または楕円形または多角形のスパイラルコイルで形成したものである。
また請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、トランスを角形または円形または楕円形または多角形のソレノイドコイルで形成したものである。
また請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、トランスを角形または円形または楕円形または多角形のスパイラルコイルを積層したソレノイドコイルで形成したものである。
また請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記２つの２次側巻線の巻く方向を逆にすることで、上記受信回路のセット側入力端子とリセット側入力端子の磁気的極性を逆極性になるよう構成したものである。
また請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、トランスを角形または円形または楕円形または多角形のスパイラルコイルで形成したものである。
また請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、トランスを角形または円形または楕円形または多角形ソレノイドコイルで形成したものである。
また請求項９に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、トランスを角形または円形または楕円形または多角形のスパイラルコイルを積層したソレノイドコイルで形成したものである。
また請求項１０に記載の発明は、請求項２または請求項６に記載の発明において、１次側巻線を１個のコイルあるいは複数のコイルを直列または並列に接続して構成したものである。
また請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、トランスを角形または円形または楕円形または多角形のスパイラルコイルで形成したものである。
また請求項１２に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、トランスを角形または円形または楕円形または多角形のソレノイドコイルで形成したものである。
また請求項１３に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、トランスを角形または円形または楕円形または多角形のスパイラルコイルを積層したソレノイドコイルで形成したものである。
また請求項１４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、１次側巻線を１つのコイルで構成し、該１次側巻線の両側端子に、それぞれ受信回路のセット側入力端子に送信する信号および受信回路のリセット側入力端子に送信する信号を入力するように構成したものである。
また請求項１５に記載の発明は、請求項２または１４に記載の発明において、前記２つの２次側巻線の一端同士を接続した接続点に中間タップを設け、前記２つの２次側巻線の他端をそれぞれ受信回路のセット側入力端子およびリセット側端子に接続して構成したものである。
本発明によれば、絶縁トランスを介した信号伝達装置において、コモンモードノイズの発生を抑制し、対策回路の簡素化を実現することが可能となる。
本発明の第１の実施例に係る信号伝達装置の構成を示す図である。 図１に示した本発明の第１の実施例に係る信号伝達装置の基本動作波形を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る信号伝達装置の構成を示す図である。 図１に示した第１の実施例におけるトランスをスパイラルコイルで形成した場合の構成例（その１）を示す図である。 図１に示した第１の実施例におけるトランスをスパイラルコイルで形成した場合の構成例（その２）を示す図である。 図３に示した第２の実施例におけるトランスをスパイラルコイルで形成した場合の構成例（その３）を示す図である。 図３に示した第２の実施例におけるトランスをスパイラルコイルで形成した場合の構成例（その４）を示す図である。 図３に示した第２の実施例におけるトランスをスパイラルコイルで形成した場合の構成例（その５）を示す図である。 図１に示した第１の実施例におけるトランスをソレノイドコイルで形成した場合の構成例（その６）を示す図である。 図３に示した第２の実施例におけるトランスをソレノイドコイルで形成した場合の構成例（その７）を示す図である。 絶縁トランスを介した信号伝達装置を含む、半導体パワースイッチで構成される一般的なスイッチング電源の構成例を示す図である。 従来の信号伝達装置の構成を示す図である。 図１２に示した従来の信号伝達装置の理想動作波形を示す図である。 図１２に示した従来の信号伝達装置の問題点を説明する動作波形図である。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
本発明の実施例に係る信号伝達装置の基本は、２次側のセット用巻線とリセット用巻線を磁気結合し、セット／リセット信号の同相変化を打ち消す構成にしたことにある。このように構成することにより、従来構成の信号伝達装置において受信回路側の信号端子R1、R2に発生していたコモンモードを抑制できるため、従来構成では必要であった次段のコモンモード除去手段(不図示)を不要とすること、あるいは、コモンモード除去手段(不図示)の構成を簡単化することができるという作用効果を奏する。
［実施例１］
図１は、本発明の第１の実施例に係る信号伝達装置の構成を示す図である。図１に示す第１の実施例に係る信号伝達装置は、スイッチング電源、インバータ、各種駆動回路等のハイサイド側の半導体パワースイッチ(不図示)を駆動するためのものであって、ハイサイド側の半導体パワースイッチを駆動する信号を伝達するために、送信回路２０、受信回路３０、および、送信回路２０と受信回路３０間に設けられた絶縁トランス１０を備えて構成される。
送信回路２０と受信回路３０間に設けられた絶縁トランス１０は、図１に示すように、２個のトランス（トランス１，トランス２）を有し、トランス１でターンオンのタイミングを示す信号(セット信号)を送信し、トランス２でターンオフのタイミングを示す信号(リセット信号)を送信するよう動作するようにされている。
そして図１の絶縁トランス１０において、セット用トランス１の２次側(S1)とリセット用トランスの２次側(S2)を磁気結合する。磁気結合の方向は、トランス１の２次側端子(pinS1)とトランス２の２次側端子(pinS2)が逆極性（磁束の変化に対する出力端子の電圧変化の方向が逆になる）になるよう構成する。具体的には、
コア（空芯も含む）を共有する形で２次側のセット用巻線(S1)とリセット用巻線(S2)を密に巻いて一方に鎖交する磁束が他方にも鎖交するようにし、セット側トランス１の２次側巻線(S1)と、リセット側トランス２の２次巻線(S2)の巻く方向を同一にする。
つまり受信回路３０のセット端子(R1)と接続するセット側トランス１の２次側端子(pinS1)と、受信回路３０のリセット端子(R2)と接続するリセット側トランス２の２次側端子(pinS2)の磁気結合が逆になるように、上記２対の２次側端子(GND2と信号端子(セットあるいはリセット端子))のうちの一方のGND2と信号端子の配置をもう一方のトランスの２次側端子(GND2と信号端子(リセットあるいはセット端子))の配置と反対にする。あるいは、上記２つのトランス(セットトランス１／リセットトランス２)の２次側端子(pinS1、pinS2)の配置は反対にせず、セット側２次側巻線(S1)とリセット側２次側巻線(S2)の巻く方向を逆向きにすることで、端子の磁気結合を逆極性にする。
図２は、図１に示した本発明の第１の実施例に係る信号伝達装置の動作波形を示す図である。図２を用いて本発明の第１の実施例に係る信号伝達装置の基本的動作を説明するが、図１４に示した従来の信号伝達装置の動作波形を適宜比較のために参照するものとする。
図１及び図２について詳しく説明すると、図１の送信回路２０のIN端子にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体パワースイッチ(不図示)をオン／オフする信号が入力される。送信回路２０はIN端子の信号の立ち上がりタイミングである図２中の時間t1にセット信号(T1)を出力し、トランス1を介して受信回路３０で図２中の時間t1にセット信号(R1)が受信される。
図１の送信回路２０はIN端子の信号の立ち下がりタイミングである図２中の時間t2にリセット信号(T2)を出力し、トランス２を介して受信回路３０で図２中の時間t2にリセット信号(R2)が受信される。
図１の受信回路３０は受信したセット信号(R1)とリセット信号(R2)のタイミングでH(high)/L(low)が切り替わるパルスOUTを生成し、図１のドライバ４０に供給する。ドライバ４０は、半導体パワースイッチ(不図示)を駆動するパルスをゲートに出力する。
本発明の第１の実施例に係る信号伝達装置は、トランスを逆極性で磁気結合するようにしているので、従来のような２次側巻線に発生していたコモンモードノイズの発生を抑制することができる。すなわち、GND2の電位が急変することによりコモンモードノイズが生じ、信号端子R1、R2の電位が同じ方向に変化しようとしても、これによりそれぞれの２次側の巻線に発生する磁束が互いに相手の端子の電位変化を打ち消すよう作用するので、コモンモードノイズの発生を抑制することができる。このため、次段のコモンモード除去手段(不図示)を不要にすることができる、あるいは、コモンモード除去手段(不図示)の構成を簡単化することができる。
［実施例２］
図３は、本発明の第２の実施例に係る信号伝達装置の構成を示す図である。図３に示す第２の実施例に係る信号伝達装置は、図１の信号伝達装置と同様に、スイッチング電源、インバータ、各種駆動回路等のハイサイド側の半導体パワースイッチ(不図示)を駆動するためのものであって、ハイサイド側の半導体パワースイッチを駆動する信号を伝達するために、送信回路２０、受信回路３０、および、送信回路２０と受信回路３０間に設けられた絶縁トランス５０を備えて構成される。
図３の第２の実施例に係る信号伝達装置の絶縁トランス５０の構成において、図１の第１の実施例に係る信号伝達装置の絶縁トランス１０の構成と異なる点は、図３に示す絶縁トランス５０の構成においては、トランス３の１次側巻線を１個で構成するとともに２次側巻線に中間タップを設け、該中間タップをGND2に接続するようにした点である。ここで、１次側巻線の両端が、それぞれ送信回路２０からのセット信号およびリセット信号が入力される端子となる。また２次側巻線は、図１に示す２つの２次側巻線のGND2側の端子を接続して、この接続点に中間タップを設けたものとも見做すことができる。その余の構成は図１に示した第１の実施例に係る信号伝達装置の絶縁トランス１０の構成と同じなのでその説明を割愛する。
［トランスコイルパターン］
図４は、図１に示した第１の実施例に係るトランスをスパイラルコイルで形成した場合の構成例１を示す図である。図中は角形のコイルパターンだが、円形または楕円形または多角形のコイルパターンでも良い。各コイルの１次側及び２次側巻線の巻く方向は共通、セット側とリセット側で端子の配置を逆にしている。
図５は、図１に示した第１の実施例に係るトランスをスパイラルコイルで形成した場合の構成例２を示す図である。図中は角形のコイルパターンだが、円形または楕円形または多角形のコイルパターンでも良い。各コイルの１次側及び２次側巻線の巻く方向を逆にし、セット側とリセット側で端子の配置を共通にしている。
図６および図７は、図３に示した第２の実施例に係るトランスをスパイラルコイルで形成した場合の構成例３、構成例４を示す図である。図中は角形のコイルパターンだが、円形または楕円形または多角形のコイルパターンでも良い。
図４ないし図７に示したコイルパターンにより形成されるトランスを半導体技術で作製する場合には、例えば、３層ないし４層のコイルパターンを、間に絶縁膜を挟んで積層することによって形成することができる。
図８は、図３に示した第２の実施例に係るトランスをスパイラルコイルで形成した場合の構成例５を示す図である。図中は角形のコイルパターンだが、円形または楕円形または多角形のコイルパターンでも良い。また図中において、１次側巻線(pinP1,pinP2)、セット側２次巻線(pinS1,GND2)、リセット側２次巻線(GND2,pinS2)の順番は変更しても良い。さらに１次巻線の本数を２以上としても良い。この場合、複数本の１次巻線、セット側２次巻線、リセット側２次巻線を交互に配置しても良い。
図８に示したコイルパターンにより形成されるトランスを半導体技術で作製する場合には、全てのコイルパターンを同じ層に形成することで作製することができる。その場合、pinS1,pinP1,GND2への接続は多層配線により行ってもよい。すなわち、図８のコイルパターン上を絶縁膜で覆い、pinS1,pinP1,GND2の直上の絶縁膜に開口部（スルーホールとも云う）を開け、この開口部を介して上側の層の配線に接続することによって形成する。また、ボンディングワイヤで接続してもよい。また、プリント基板等の外部配線で接続してもよい。また、図８の２箇所（左下と中心部）のGND2を結ぶ図示しない接続部が図３の中間タップに相当する。
図９は、図１に示した第１の実施例に係るトランスをソレノイドコイルで形成した場合の構成例６を示す図である。図中は角形のコイルパターンだが、円形または楕円形または多角形のコイルパターンでも良い。
図１０は、図３に示した第２の実施例に係るトランスをソレノイドコイルで形成した場合の構成例７を示す図である。図中は角形のコイルパターンだが、円形または楕円形または多角形のコイルパターンでも良い。
１０ 絶縁トランス
２０ 送信回路
３０ 受信回路
４０ ドライバ
５０ 絶縁トランス
ML、MH 半導体パワースイッチ

Claims (15)

  1. トランスによりに信号を伝達する信号伝達装置であって、
    受信回路のセット側入力端子に接続するトランスの２次側巻線とリセット側入力端子に接続するトランスの２次側巻線の１方に鎖交する磁束が他方にも鎖交するように前記２次側巻線同士の磁気結合を密にし、前記受信回路のセット側入力端子とリセット側入力端子が磁気的に逆極性になるように、前記２つの２次側巻線を受信回路に接続したことを特徴とする信号伝達装置。
  2. 前記２つの２次側巻線の巻く方向を同一にし、これら２つの２次側巻線の信号端子と接地端子を互いに逆にすることで、前記受信回路のセット側入力端子とリセット側入力端子の磁気的極性を逆極性になるよう構成したことを特徴とする請求項１記載の信号伝達装置。
  3. トランスを角形または円形または楕円形または多角形のスパイラルコイルで形成したことを特徴とする請求項２記載の信号伝達装置。
  4. トランスを角形または円形または楕円形または多角形のソレノイドコイルで形成したことを特徴とする請求項２記載の信号伝達装置。
  5. トランスを角形または円形または楕円形または多角形のスパイラルコイルを積層したソレノイドコイルで形成したことを特徴とする請求項２記載の信号伝達装置。
  6. 前記２つの２次側巻線の巻く方向を逆にすることで、前記受信回路のセット側入力端子とリセット側入力端子の磁気的極性を逆極性になるよう構成したことを特徴とする請求項１記載の信号伝達装置。
  7. トランスを角形または円形または楕円形または多角形のスパイラルコイルで形成したことを特徴とする請求項６記載の信号伝達装置。
  8. トランスを角形または円形または楕円形または多角形のソレノイドコイルで形成したことを特徴とする請求項６記載の信号伝達装置。
  9. トランスを角形または円形または楕円形または多角形のスパイラルコイルを積層したソレノイドコイルで形成したことを特徴とする請求項６記載の信号伝達装置。
  10. １次側巻線を１個のコイルあるいは複数のコイルを直列または並列に接続して構成したことを特徴とする請求項２または６記載の信号伝達装置。
  11. トランスを角形または円形または楕円形または多角形のスパイラルコイルで形成したことを特徴とする請求項１０記載の信号伝達装置。
  12. トランスを角形または円形または楕円形または多角形のソレノイドコイルで形成したことを特徴とする請求項１０記載の信号伝達装置。
  13. トランスを角形または円形または楕円形または多角形のスパイラルコイルを積層したソレノイドコイルで形成したことを特徴とする請求項１０記載の信号伝達装置。
  14. １次側巻線を１つのコイルで構成し、該１次側巻線の両側端子に、それぞれ受信回路のセット側入力端子に送信する信号および受信回路のリセット側入力端子に送信する信号を入力するよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の信号伝達装置。
  15. 前記２つの２次側巻線の一端同士を接続した接続点に中間タップを設け、前記２つの２次側巻線の他端をそれぞれ受信回路のセット側入力端子およびリセット側端子に接続したことを特徴とする請求項２または１４に記載の信号伝達装置。
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