JP2018064243A - 絶縁伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁伝送装置の対応電圧範囲を広げる。【解決手段】入力信号の絶縁伝送を行なう絶縁伝送装置であって、フラックスゲート回路を有し、フラックスゲート回路の一次導体を流れる電流を検出することで入力信号の直流を含む低域の絶縁伝送を行なう低域絶縁伝送回路と、入力信号の中高域の絶縁伝送を行なうトランスと、低域絶縁伝送回路で伝送された信号とトランスで伝送された信号とを加算する加算回路と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、入力信号を絶縁伝送する絶縁伝送装置に関する。

高電圧機器等を電圧測定対象とした際の安全性を確保するための一手法として絶縁電圧測定がある。絶縁電圧測定を行なうことで、測定対象と測定器とで接地電位の異なる電圧を安全に扱うことができるようになる。すなわち、大地アースに対して絶縁状態（フローティング）におかれている測定対象が高電圧レベルであっても、接地された測定器側の安全が維持される。また、絶縁電圧測定では、測定対象と測定器とのグランドループを切ることで、グランドインピーダンスに起因するノイズを除去することができる。

絶縁電圧測定においては、絶縁回路を備えた測定器が広く用いられているが、絶縁回路を備えない測定器であっても、絶縁回路を備えた絶縁アンプを用いることで絶縁電圧測定を行なうことができる。

絶縁回路の代表的な方式としては、フォトカプラを利用する光結合方式、トランス等を利用する磁気結合方式、コンデンサを利用する容量結合方式が挙げられ、これらの方式を組み合わせた複合型伝送方式の絶縁回路も用いられている。

図７は、複合型伝送方式の絶縁回路を利用した従来の絶縁伝送装置５００の構成例を示す図である。絶縁伝送装置５００は、フローティング側回路５１０から接地側回路５２０に絶縁伝送を行なう装置である。絶縁伝送装置５００では、トランス５４０とフォトカプラ５３０とを組み合わせた複合型伝送方式の絶縁回路を用いており、伝送信号の周波数帯域によって絶縁伝送経路を分けている。

すなわち、直流を含む低域信号はフォトカプラ５３０で絶縁伝送し、中高域信号は、コンデンサＣを介して接続された高周波用のトランス５４０で絶縁伝送している。

それぞれの絶縁伝送経路で接地側回路５２０に伝送されたアナログ信号は、接地側回路５２０内で加算されて出力される。このとき、低域信号と中高域信号とのクロスオーバー帯域の周波数特性がフラットになるように各種パラメータが調整される。

絶縁伝送装置５００では、アナログ信号による絶縁伝送が行なわれるため、測定対象から入力信号を導くプローブ装置を電力不要で小型のものとすることができる。

特開平０８−２５６０２７号公報

近年、デバイスの高速化、高耐圧化に伴い、広帯域かつ低電圧から高電圧までの広い電圧範囲に対応した絶縁伝送装置が望まれている。ここで、絶縁伝送装置５００が対応する電圧範囲は、低域信号の絶縁伝送経路であるフォトカプラ５３０の最大印加電圧が１ｋＶ程度であることから、高電圧側の電圧範囲は、フォトカプラ５３０の耐圧性能に依存することになる。

このため、フォトカプラ５３０を用いた絶縁伝送装置では、より広い電圧範囲への対応が困難である。そこで、本発明は、絶縁伝送装置の対応電圧範囲を広げることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の絶縁伝送装置は、入力信号の絶縁伝送を行なう絶縁伝送装置であって、フラックスゲート回路を有し、前記フラックスゲート回路の一次導体を流れる電流を検出することで前記入力信号の直流を含む低域の絶縁伝送を行なう低域絶縁伝送回路と、前記入力信号の中高域の絶縁伝送を行なうトランスと、前記低域絶縁伝送回路で伝送された信号と前記トランスで伝送された信号とを加算する加算回路と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記入力信号を、前記低域絶縁伝送回路に導く低域信号と、前記トランスに導く中高域信号とに分離するハイパスフィルタを備えることができる。
また、前記加算回路は、前記トランスで伝送された信号を差動増幅するとともに、前記低域絶縁伝送回路で伝送された信号を加算することができる。
また、前記トランスがセンタータップを有していてもよい。

本発明によれば、絶縁伝送装置の対応電圧範囲を広げることができる。

本実施形態に係る絶縁伝送装置の構成を示す図である。 フローティング側回路を示す図である。 フラックスゲート回路を含んだ低域絶縁伝送回路を示す図である。 フラックスゲート回路のコアを説明するための図である。 シングル伝送と差動伝送とを説明するための図である。 トランスを説明するための図である。 複合型伝送方式の絶縁回路を利用した従来の絶縁伝送装置の構成例を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る絶縁伝送装置１００の構成を示す図である。本図に示すように、絶縁伝送装置１００は、フローティング側回路１１０から接地側回路１２０にアナログ信号の絶縁伝送を行なう装置である。絶縁伝送装置１００は、例えば、絶縁測定を行なう測定器、絶縁アンプ等に用いることができる。

絶縁伝送装置１００では、トランス１４０とフラックスゲート回路１５０とを組み合わせた複合型伝送方式の絶縁回路を用いており、伝送信号の周波数帯域によって絶縁伝送経路を分けている。

すなわち、直流から数ｋＨｚ程度の低域信号はフラックスゲート回路１５０で絶縁伝送し、数ｋＨｚから数百ＭＨｚ程度の中高域信号は、高周波用のトランス１４０で絶縁伝送する。

このように、本実施形態では、通常、磁気センサあるいは電流センサとして用いられているフラックスゲート回路１５０を低域信号の絶縁伝送回路として用いている。フラックスゲート回路１５０は、フォトカプラよりも耐圧性能に優れるため、絶縁伝送装置の対応電圧範囲を広げることができる。

図２は、フローティング側回路１１０を示す図である。図１、図２に示すように、中高域信号を絶縁伝送するトランス１４０へは、ハイパスフィルタ１１１により直流成分をカットした信号が入力される。これにより、トランス１４０に直流成分が流入し、安定した動作を妨げてしまうことを防いでいる。ただし、従来どおりコンデンサを用いて直流成分をカットしてもよい。

ハイパスフィルタ１１１は、伝送信号を入力する差動増幅回路の出力を積分回路でフィードバックする回路構成となっている。差動増幅回路、積分回路ともオペアンプを用いた基本的な構成としている。ただし、ハイパスフィルタ１１１は、他の回路構成であってもよい。

そして、ハイパスフィルタ１１１を通過しない低域信号をシャント抵抗Ｒｓ１により電流に変換してフラックスゲート回路１５０の一次導体に流し、１次側電流としている。なお、フラックスゲート回路１５０を含んだ低域絶縁伝送を行なうブロックを低域絶縁伝送回路１３０と称する。

図３は、フラックスゲート回路１５０を含んだ低域絶縁伝送回路１３０を示す図である。フラックスゲート回路１５０は、１次導体を流れる１次側電流に対応した電流を発生させ、検出抵抗Ｒｓ２でその電流値を検出する。１次導体と検出抵抗Ｒｓ２とは絶縁されているため、絶縁伝送に用いることができる。ただし、フラックスゲート回路１５０は、高周波特性が十分でないため、低域絶縁伝送に利用し、中高域側の絶縁伝送は、高周波用トランス１４０を利用した複合型伝送方式としている。

フラックスゲート回路は種々の方式が提案されているが、本実施形態では、直流に近い帯域は、励磁コイルを用いてｆｒ＞１００ｋＨ程度で変調して信号を取り出すようにし、それより上の帯域は、検出コイルでカレントトランス動作をさせることで取り出している。そして２つの信号を加算した電流を検出抵抗Ｒｓ２で電圧に変換して検出している。

励磁コイルに印加するパルスはコアを飽和動作させるため、ある程度の電流が必要となる。この電流がコアを介した容量結合により検出コイルや１次導体に流れ込んだとしても中高域信号に影響を与えないようにローパスフィルタＬＰＦをフローティング側回路１１０および接地側回路１２０の双方に設けている。ローパスフィルタＬＰＦのカットオフ周波数は、励磁コイルに印加するパルス信号の基本周波数をカットできるとともに、低域絶縁伝送回路１３０で伝送すべき周波数成分が減衰することなく通過できる値に設定する。

図４に示すように、フラックスゲート回路１５０のコアは、磁性体に対して直流側成分を検出するための励磁コイルを巻き、ゼロフラックスのためのフィードバックコイル（検出コイル）を巻いて構成している。これらは、耐圧性能の観点から、高絶縁電線である３層絶縁電線を使用するとともに、さらに耐圧性能を高めるために絶縁テープ（ポリエステル）を巻くことが好ましい。１次側電流を流す１次導体についても３層絶縁電線を用いることが好ましい。

コアは磁性体であり金属と見なすことができるが、磁性体と３層絶縁電線、絶縁テープを巻きつけることで、非金属としてみることが可能となる。これにより、１次導体の半田付け部分から接地側の半田付け部分までのトータルの距離を沿面距離として見ることができるようになる。また、１次導体のターン数を減らすことで、フローティング側と接地側の結合容量を抑えることが可能となり、高域でのＩＭＲＲ特性向上にもつながる。

絶縁伝送装置１００では、トランス１４０の出力側に差動増幅回路１６０を用いている。従来のシングル伝送では、図５（ａ）に示すように、フローティング側のコモンモード電圧が接地側にトランスを介して伝送され、接地側で信号を受けるオペアンプの基準電位（ＧＮＤ）を変動させ、これがオペアンプの揺れとなって伝送された信号に重畳されてしまう。この結果、コモンモードがノーマルモードに変換されて出力信号に影響を与えることになる。

これに対して、差動伝送であれば、図５（ｂ）に示すように、コモンモード電圧をオペアンプの基準電位（ＧＮＤ）と切り離すことができ、フローティング側から伝送されたコモンモード電圧が出力信号に与える影響を抑制することが可能となる。

なお、図１に示すように、トランス１４０は、１次側をシングル、２次側を差動とするとともに、２次側にセンタータップを使用している。センタータップは、１次側から飛び込んできた大振幅のノイズ成分を接地に逃がす役割を果たすため、後段に配置されたオペアンプが飽和することを防いでいる。このとき、差動増幅回路１６０に用いられている各抵抗は相対精度の高いものを選択することが望ましい。

トランス１４０については、図６に示すように、基本的に磁性体にコイルを巻いた交流トランスの考え方となる。コアそのものはフラックスゲート回路１５０のコアと同様に磁性体であり金属として見なすことができる。中間に金属がある場合、フローティング側・接地側から金属までの距離の合計が沿面距離として計算される。

３層絶縁電線を使用し、なおかつ沿面・空間距離を通過させたい中高域に合わせて巻き数調整することで、高電圧のフローティング電圧で要求されるような距離に容易に対応することが可能になる。中心となるコアはできるだけ初期透磁率の高いものを使用することで巻き数を抑えることが可能となり、結果としてフローティング側と接地側の結合容量を抑制でき、高域までのＩＭＲＲ特性向上にもつながる。

さらに、磁性体そのものに絶縁コーティングをすることで、フラックスゲート回路１５０のコアと同様に耐圧性能を一層高めることが可能となり、より安全性を確保することが可能となる。

１００…絶縁伝送装置、１１０…フローティング側回路、１１１…ハイパスフィルタ、１２０…接地側回路、１３０…低域絶縁伝送回路、１４０…トランス、１５０…フラックスゲート回路、１６０…差動増幅回路

Claims (4)

1. 入力信号の絶縁伝送を行なう絶縁伝送装置であって、
   フラックスゲート回路を有し、前記フラックスゲート回路の一次導体を流れる電流を検出することで前記入力信号の直流を含む低域の絶縁伝送を行なう低域絶縁伝送回路と、
   前記入力信号の中高域の絶縁伝送を行なうトランスと、
   前記低域絶縁伝送回路で伝送された信号と前記トランスで伝送された信号とを加算する加算回路と、
   を備えたことを特徴とする絶縁伝送装置。
2. 前記入力信号を、前記低域絶縁伝送回路に導く低域信号と、前記トランスに導く中高域信号とに分離するハイパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項１に記載の絶縁伝送装置。
3. 前記加算回路は、前記トランスで伝送された信号を差動増幅するとともに、前記低域絶縁伝送回路で伝送された信号を加算することを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁伝送装置。
4. 前記トランスがセンタータップを有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の絶縁伝送装置。