JP4993685B2 - 半導体スイッチを制御するための光学的電力供給型駆動回路および方法 - Google Patents

Description

負荷を付勢するために用いられる半導体スイッチの制御用に、電気的ゲート駆動回路が開発されている。

ゲート駆動回路は、少なくとも２つの導電体によって外部電圧源に電気的に結合される。この設計の欠点は、導体中に望ましくない電圧および／または電流を誘起することにより、電磁干渉（ＥＭＩ）によってゲート駆動回路の動作性能が低下し得ることである。この状態は次の２つのタイプの問題を生じ得る。（１）ゲート駆動回路が意図せずにオンになる、あるいはオフになること。（２）線を流れる高周波電流からの電磁放射。
米国特許４，１２９，７８５号公報

ここで、発明者らにより、光学的に電力供給および制御され、ならびに上記の欠点を低減および／または解消する、改善されたゲート駆動回路の必要性が認識された。

１つの例示的実施形態による、第１の半導体スイッチを制御するための光学的電力供給型駆動回路が提供される。光学的電力供給型駆動回路は、光ファイバケーブルから第１の光信号を受け取り、第１の光信号に応答して第１の電圧を出力するように構成された光電池を含む。光学的電力供給型駆動回路は、第１の電圧から受け取った電気エネルギーを蓄積し、第２の電圧を出力するように構成され、光電池に電気的に結合されたエネルギー蓄積デバイスをさらに含む。光学的電力供給型駆動回路は、光電池およびエネルギー蓄積デバイスの両方に電気的に結合された電気回路をさらに含む。電気回路は、第２の電圧によって付勢される。電気回路は、第１の半導体スイッチの動作を制御するために、第１の電圧を受け取り、第１の電圧に応答して第３の電圧を出力するように構成される。

他の例示的実施形態による光学的電力供給型駆動回路を使用して、第１の半導体スイッチを制御する方法が提供される。光学的電力供給型駆動回路は、エネルギー蓄積デバイスおよび電気回路の両方に電気的に結合された光電池を含む。電気回路は、第１の半導体スイッチに電気的に結合される。この方法は、光電池にて、光ファイバケーブルから第１の光信号を受け取り、第１の光信号に応答して第１の電圧を発生することを含む。この方法は、第１の電圧からのエネルギーをエネルギー蓄積デバイスに蓄積し、エネルギー蓄積デバイスからの第２の電圧を出力することをさらに含む。この方法は、第２の電圧を用いて電気回路を付勢することをさらに含む。この方法は、電気回路が受け取った第１の電圧に応答して、第１の半導体スイッチを第１の動作状態に遷移させることをさらに含む。

他の例示的実施形態による、第１の半導体スイッチを制御するための光学的電力供給型駆動回路が提供される。光学的電力供給型駆動回路は、第１の光ファイバケーブルから第１の光信号を受け取り、第１の光信号に応答して第１の電圧を出力するように構成された光電池を含む。光学的電力供給型駆動回路は、第２の光ファイバケーブルから第２の光信号を受け取り、第２の電圧を出力するように構成された第２の半導体スイッチをさらに含む。光学的電力供給型駆動回路は、光電池および第２の半導体スイッチの両方に電気的に結合された電気回路をさらに含む。電気回路は、第１の電圧によって付勢される。電気回路は、第１の半導体スイッチの動作を制御するために、第２の電圧に応答して第３の電圧を出力するように構成される。

他の例示的実施形態による光学的電力供給型駆動回路を使用して、第１の半導体スイッチを制御する方法が提供される。光学的電力供給型駆動回路は、電気回路に電気的に結合された光電池を含む。電気回路は、第１の半導体スイッチに電気的に結合される。この方法は、光電池にて、第１の光ファイバケーブルから第１の光信号を受け取り、第１の光信号に応答して第１の電圧を発生することを含む。この方法は、第２の半導体スイッチにて、第２の光ファイバケーブルから第２の光信号を受け取り、第２の光信号に応答して、第２の半導体スイッチから第２の電圧を出力することをさらに含む。この方法は、第１の電圧を用いて電気回路を付勢することをさらに含む。この方法は、電気回路が受け取った第２の電圧に応答して、第１の半導体スイッチを第１の動作状態に遷移させることをさらに含む。

図１を参照すると、例示的実施形態の光学的電力供給型駆動回路を複数使用した、電気的負荷３０を制御するための制御システム１０の概略図を示している。制御システムは、光源１２、複数の光ファイバケーブル１４、１６、１８、２０、２２、２４、３相インバータ２６、電圧源２８、および電気的負荷３０を含む。

光源１２は、３相インバータ２６の動作を制御するために、光ファイバケーブル１４、１６、１８、２０、２２、２４を通して伝播する複数の光ビームを発生させるために設けられる。光源１２は、光ファイバケーブル１４、１６、１８、２０、２２、２４を通して、３相インバータ２６に光学的に結合される。代替実施形態では、光ファイバケーブル１４、１６、１８、２０、２２、２４が２つ以上の光ファイバを含み、それによって複数の光ビームが１つの光ファイバケーブルを透過することが可能となることに留意すべきである。

３相インバータ２６は、電気的負荷３０を制御するために、ノード８０、８２、８４に信号を発生させるために設けられる。３相インバータ２６は、光学的電力供給型駆動回路４０、４２、４４、４６、４８、５０、トランジスタ５２、５４、５６、５８、６０、６２、およびダイオード６４、６６、６８、７０、７２、７４を含む。トランジスタ５２、５４、５６、５８、６０、６２は、電気的負荷３０を制御するために、信号を発生させるために設けられる。トランジスタ５２、５４、５６、５８、６０、６２は、ほぼ同じように動作するので、話を簡単にするために、トランジスタ５２の動作のみを詳細に説明する。動作時には、トランジスタ５２は、光学的電力供給型駆動回路４０から発生される電圧に応答して、２つの動作状態の間で切り換わる。第１の動作状態では、トランジスタ５２は開回路のように作用し、それによってトランジスタ５２を通してノード７６とノード８０の間に比較的小さな電流だけが流れる。第２の動作状態では、トランジスタ５２は閉回路のように作用し、それによって比較的大きな電流がノード７６とノード８０の間を流れる。トランジスタ５２は、第１の動作状態で動作しているときはオンになり、第２の動作状態で動作しているときはオフになる。ダイオード６４、６６、６８、７０、７２、７４は、トランジスタ５２、５４、５６、５８、６０、６２のそれぞれの両端間で、逆並行の経路で電流が流れることを可能にするために設けられる。３相インバータ２６は、ノード７６および７８で電圧源２８に電気的に結合され、ノード８０、８２、および８４で電気的負荷３０に結合される。

電圧源２８は、３相インバータ２６の一部に電力供給するための電気エネルギーを供給するために設けられる。電圧源２８は、ノード７６および７８で３相インバータ２６に電気的に結合され、ノード７６とノード７８の両端間に電圧を発生するように構成される。

電気的負荷３０は、３相インバータ２６によって供給される電気的パルスを用いて、電気エネルギーを処理するために設けられる。電気的負荷３０は、ノード８０、８２、および８４で３相インバータ２６に電気的に結合される。

光学的電力供給型駆動回路４０、４２、４４、４６、４８、５０は、それぞれトランジスタ５２、５４、５６、５８、６０、６２の動作を制御するために設けられる。光源１２からの光ビームは、光ファイバケーブル１４、１６、１８、２０、２２、２４を通って伝播し、それぞれ光学的電力供給型駆動回路４０、４２、４４、４６、４８、５０によって受け取られる。光ビームは、光学的電力供給型駆動回路４０、４２、４４、４６、４８、５０に電力供給するための電気エネルギーを供給する。光ビームはさらに、光学的電力供給型駆動回路４０、４２、４４、４６、４８、５０に、それぞれトランジスタ５２、５４、５６、５８、６０、６２の動作状態を制御させるための制御信号を供給する。光学的電力供給型駆動回路４０の構造は、光学的電力供給型駆動回路４２、４４、４６、４８、５０の構造とほぼ同様であるので、光学的電力供給型駆動回路４０のみについて詳しく説明する。

議論のために、図２、図３、図４、および図１３中で参照される各電圧は、別段の指定がない限り、ノード８０を基準とする。

図２を参照すると、制御システム１０で使用される光学的電力供給型駆動回路４０の概略図が示されている。光学的電力供給型駆動回路４０は、光電池１００、コンデンサ１０２、ダイオード１０４、トランジスタ１０６、１０８、１１０、１１２、および抵抗１１４、１１６、１１８、１２０、１２２、１２４、１２６、１２８、１３０、１３２を含む。

光電池１００は、光ファイバケーブル１４から受け取った光エネルギーを電気エネルギーに変換し、ノード１３４とノード８０の間に電圧を発生させるために設けられる。光電池１００は、光ファイバケーブル１４から光を受け取っているときは、ある高い電圧に対応する電圧をノード１３４に出力し、光ファイバケーブル１４から光を受け取っていないときは、低い電圧をノード１３４に出力する。

コンデンサ１０２は、光電池１００によって発生された電気エネルギーを蓄積するために設けられる。コンデンサ１０２は、ノード８０で光電池に、ノード１３８でダイオード１０４に電気的に結合される。

ダイオード１０４は、光電池１００が光ファイバケーブル１４から光を受け取っていないときに、コンデンサ１０２が放電するのを防止する。ダイオード１０４のアノードは、ノード１３４で光電池１００に電気的に結合される。ダイオード１０４のカソードは、ノード１３８でコンデンサ１０２に電気的に結合される。ダイオード１０４は、光電池１００からコンデンサ１０２へ電流が流れることが可能となるように構成される。

トランジスタ１０６、１０８、１１０、１１２は、ノード１３４の電圧に基づいて、トランジスタ５２を２つの動作状態の間で切り換えるために設けられる。トランジスタ１０６、１０８、１１０、１１２は、各トランジスタのベースとエミッタ間の電圧に応じて２つの異なった動作状態の間を遷移する、電気的スイッチとして作用する。トランジスタ１０６、１０８、および１１２はＮＰＮトランジスタであり、トランジスタ１１０はＰＮＰトランジスタである。トランジスタ１０６のようなＮＰＮトランジスタは、ノード１３４においてエミッタノード８０に対して高い電圧を受け取ったとき、オンになる。トランジスタ１０６は、オンになると、ノード１０７とノード８０の間に比較的大きな電流を通す。トランジスタ１０６は、ノード１３４においてエミッタノード８０に対して低い電圧を受け取ったとき、オフになる。トランジスタ１０６は、オフになると、ノード１０７とノード８０の間に電流を通さなくなる。トランジスタ１０８および１１２もＮＰＮトランジスタであり、トランジスタ１０６と同様に動作する。トランジスタ１１０のようなＰＮＰトランジスタは、ノード１０７に低い電圧を受け取ったとき、オンになる。トランジスタ１１０は、オンになると、ノード１３８とノード１４８の間に比較的大きな電流を通す。トランジスタ１０６がオフになると、トランジスタ１１０はオフになり、抵抗１２６がベースノード１４４を、ノード１３８の電位に保つ。トランジスタ１１０は、オフになると、ノード１３８とノード１４８の間に電流を通さなくなる。

トランジスタ１１０は、トランジスタ５２をオンにするのに適した電圧レベルまで、ノード１４８を充電するために設けられる。トランジスタ１１２は、トランジスタ５２をオフにするのに適した電圧レベルまで、ノード１４８を放電するために設けられる。トランジスタ１０６は、ノード１３４に高い電圧を受け取ったときにトランジスタ１１０をオンにし、ノード１３４に低い電圧を受け取ったときにトランジスタ１１０をオフにするために設けられる。トランジスタ１０８は、ノード１３４に高い電圧を受け取ったときにトランジスタ１１２をオフにし、ノード１３４に低い電圧を受け取ったときにトランジスタ１１２をオンにするために設けられる。

トランジスタ１０６は、ベース端子にてノード１４０に、エミッタ端子にてノード８０に、コレクタ端子にてノード１０７に電気的に結合される。トランジスタ１０８は、ベース端子にてノード１４２に、エミッタ端子にてノード８０に、コレクタ端子にてノード１４６に電気的に結合される。トランジスタ１１０は、ベース端子にてノード１４４に、エミッタ端子にてノード１３８に、コレクタ端子にて抵抗１３０を通してノード１４８に電気的に結合される。トランジスタ１１２は、ベース端子にてノード１４６に、エミッタ端子にてノード８０に、コレクタ端子にて抵抗１３２を通してノード１４８に電気的に結合される。

抵抗１１４は、ノード１３４とノード１４０の間に直列に接続される。抵抗１１６は、ノード１４０とノード８０の間に直列に接続される。抵抗１１８は、ノード１３４とノード１４２の間に直列に接続される。抵抗１２０は、ノード１４２とノード８０の間に直列に接続される。抵抗１２２は、ノード１３８とノード１４６の間に直列に接続される。抵抗１２４は、ノード１４４とノード１０７の間に直列に接続される。抵抗１２６は、ノード１３８とノード１４４の間に直列に接続される。抵抗１２８は、ノード１４６とノード８０の間に直列に接続される。抵抗１３０は、ノード１４８とトランジスタ１１０のコレクタの間に直列に接続される。抵抗１３２は、ノード１４８とトランジスタ１１２のコレクタの間に直列に接続される。

次に、光学的電力供給型駆動回路４０の動作について、説明する。光電池１００は、光ファイバケーブル１４から光を受け取ると、光エネルギーを、ノード１３４のノード８０に対するある高い電圧に対応する、ノード１３４とノード８０の間の電圧に変換する。ダイオード１０４は、ノード１３４の電圧がコンデンサ１０２を充電し、ノード１３８に高い電圧を発生することを可能にする。ノード１３４の高い電圧は、トランジスタ１０６および１０８をオンにする。トランジスタ１０６および１０８がオンになると、ベース電流が存在することによってトランジスタ１１０がオンになり、トランジスタ１１２はベース電流がないのでオフになる。トランジスタ１１０は、ノード１３８からノード１４８へ電流を通し、トランジスタ５２をオンにするのに十分な電圧まで、ノード８０に対してノード１４８を充電することを可能にする。

同様に、光電池１００は、光ファイバケーブル１４から光を受け取らないときは、ノード８０に対してノード１３４に低い電圧を生じる。ダイオード１０４は、コンデンサ１０２がノード１３４を通って放電されるのを防止する。ノード１３４の低い電圧は、トランジスタ１０６および１０８をオフにする。トランジスタ１０６および１０８がオフになると、トランジスタ１１０はオフになり、トランジスタ１１２はオンになる。トランジスタ１１２は、ノード１４８からノード８０へ電流を通し、トランジスタ５２をオフにするのに十分な電圧までノード１４８を放電することを可能にする。

図３を参照すると、光学的電力供給型駆動回路４０の代わりに制御システム１０で使用することができる、他の例示的実施形態による共振式光学的電力供給型駆動回路１９８の概略図が示されている。光学的電力供給型駆動回路１９８は、光電池２００、コンデンサ２０２、ダイオード２０４、２５２、２５４、インダクタ２５６、トランジスタ２０６、２０８、２１０、２１２、および抵抗２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８を含む。議論のために、トランジスタ５２のゲートノード２５０およびエミッタノード８０は、コンデンサのように作用する。この容量は、トランジスタ５２のベース２５０からエミッタ８０への容量を含み、またトランジスタ５２のゲートノード２５０とコレクタ７６の間の実効ミラー容量を含む。

光電池２００は、光ファイバケーブル１４から受け取った光エネルギーを、ノード２３４とノード８０の間に電圧を発生することによって電気エネルギーに変換するために設けられる。光電池２００は、光ファイバケーブル１４から光を受け取っているときはノード８０に対して高い電圧をノード２３４に出力し、光ファイバケーブル１４から光を受け取っていないときはノード２３４に低い電圧を出力する。

コンデンサ２０２は、光電池２００によって発生される電気エネルギーを蓄積するために設けられる。コンデンサ２０２は、ノード８０で光電池に、ノード２３８でダイオード２０４に電気的に結合される。

ダイオード２０４は、光電池２００が光ファイバケーブル１４から光を受け取っていないときに、コンデンサ２０２が放電するのを防止する。ダイオード２０４のアノードは、ノード２３４で光電池２００に電気的に結合される。ダイオード２０４のカソードは、ノード２３８でコンデンサ２０２に電気的に結合される。ダイオード２０４は、光電池２００からコンデンサ２０２に電流が流れることが可能となるように構成される。

トランジスタ２０６、２０８、２１０、２１２は、ノード２３４の電圧に基づいて、トランジスタ５２を２つの動作状態の間で切り換えるために設けられる。トランジスタ２０６、２０８、および２１２はＮＰＮトランジスタであり、前述のトランジスタ１０６と同様に動作する。トランジスタ２１０はＰＮＰトランジスタであり、前述のトランジスタ１１０と同様に動作する。

トランジスタ２１０は、ノード２４８に、したがってノード２５０に、トランジスタ５２をオンにするのに適した電圧を供給するために設けられる。トランジスタ２１２は、ノード２４８に、したがってノード２５０にトランジスタ５２をオフにするのに適した電圧を供給するために設けられる。トランジスタ２０６は、ノード２３４に高い電圧を受け取ったときにトランジスタ２１０をオンにし、ノード２３４に低い電圧を受け取ったときにトランジスタ２１０をオフにするために設けられる。トランジスタ２０８は、ノード２３４に高い電圧を受け取ったときにトランジスタ２１２をオフにし、ノード２３４に低い電圧を受け取ったときにトランジスタ２１２をオンにするために設けられる。

トランジスタ２０６は、ベース端子にてノード２４０に、エミッタ端子にてノード８０に、コレクタ端子にてノード２０７に電気的に結合される。トランジスタ２０８は、ベース端子にてノード２４２に、エミッタ端子にてノード８０に、コレクタ端子にてノード２４６に電気的に結合される。トランジスタ２１０は、ベース端子にてノード２４４に、エミッタ端子にてノード２３８に、コレクタ端子にてダイオード２５２を通してノード２４８に電気的に結合される。トランジスタ２１２は、ベース端子にてノード２４６に、エミッタ端子にてノード８０に、コレクタ端子にてダイオード２５４を通してノード２４８に電気的に結合される。

インダクタ２５６は、トランジスタ２１０がオンになるときはノード２５０をノード２４８の電圧より高い電圧まで共振的に充電し、トランジスタ２１２がオンになるときはノード２５０をノード２４８の電圧より低い電圧まで放電するために設けられる。インダクタは、ノード２４８とノード２５０の間に直列に電気的に結合される。共振回路は、インダクタ２５６、トランジスタ５２のベース２５０からエミッタ８０への容量、およびベース２５０からコレクタ７６への容量を含む。

ダイオード２５２および２５４は、トランジスタ２１０がオンになるときは電流の正の共振パルスだけがトランジスタ５２のベースノード２５０へ流れ込み、トランジスタ２１２がオンになるときは電流の負のパルスだけがベース２５０へ流れ込むことが可能になるように設けられる。ダイオード２５２は、アノード端子にてトランジスタ２１０のコレクタに、カソード端子にてノード２４８に電気的に結合される。ダイオード２５２は、トランジスタ２１０からインダクタ２５６へ電流が通ることが可能になるように構成される。ダイオード２５４は、アノード端子にてノード２４８に、カソード端子にてトランジスタ２１２のコレクタに電気的に結合される。ダイオード２５４は、インダクタ２５６からトランジスタ２１２へ電流が通ることが可能になるように構成される。

抵抗２１４は、ノード２３４とノード２４０の間に直列に接続される。抵抗２１６は、ノード２４０とノード８０の間に直列に接続される。抵抗２１８は、ノード２３４とノード２４２の間に直列に接続される。抵抗２２０は、ノード２４２とノード８０の間に直列に接続される。抵抗２２２は、ノード２３８とノード２４６の間に直列に接続される。抵抗２２４は、ノード２４４とノード２０７の間に直列に接続される。抵抗２２６は、ノード２３８とノード２４４の間に直列に接続される。抵抗２２８は、ノード２４６とノード８０の間に直列に接続される。

光電池２００は、光ファイバケーブル１４から光を受け取ると、光エネルギーを、ノード２３４のノード８０に対するある高い電圧に対応した電圧に変換する。ダイオード２０４は、ノード２３４の電圧がコンデンサ２０２を充電し、ノード２３８に高い電圧を発生するのを可能にする。ノード２３４の高い電圧は、トランジスタ２０６および２０８をオンにする。トランジスタ２０６および２０８がオンになると、トランジスタ２１０はオンになり、トランジスタ２１２はオフになる。トランジスタ２１０は、ノード２３８からノード２４８へ電流が通ることを可能にする。インダクタ２５６およびトランジスタ５２のベース−エミッタ（およびベース−コレクタ）容量は、Ｌ−Ｃ共振回路を形成する。トランジスタ２１０がオンになると、電流の共振的な正の半分のパルスがインダクタ２５６に流れ込み、トランジスタ５２をオンにするのに十分な電圧までノード２５０を充電する。ダイオード２５２は、トランジスタ２１０がオンになるとき、インダクタ２５６の電流が負になるのを防止する。

同様に、光電池２００が光ファイバケーブル１４から光を受け取らないときは、ノード２３４のノード８０に対するある低い電圧に対応した電圧を生じる。ダイオード２０４は、ノード２３４を通してコンデンサ２０２が放電されるのを防止する。ノード２３４の低い電圧は、トランジスタ２０６および２０８をオフにする。トランジスタ２０６および２０８がオフになると、トランジスタ２１０はオフになり、トランジスタ２１２はオンになる。トランジスタ２１２は、ノード２４８からノード８０へ電流が通り、インダクタ２５６を通してトランジスタ５２のベース容量を共振的に放電することを可能にする。インダクタ２５６およびトランジスタ５２のベース容量は、Ｌ−Ｃ共振回路を形成する。トランジスタ２１２がオンになると、負の半分のパルスの電流がインダクタ２５６を流れ、トランジスタ５２をオフにするのに十分な電圧まで、ノード２５０を共振的に放電する。ダイオード２５４は、トランジスタ２１２がオンになるとき、インダクタ２５６の電流が正になるのを防止する。

図４を参照し、共振式光学的電力供給型駆動回路１９８の単純化した概略図を使用して、回路１９８のエネルギー回収機能を説明する。光学的電力供給型駆動回路１９８は、電圧源２７８、制御回路２８０、スイッチ２１０、２１２、ダイオード２５２、２５４、インダクタ２５６、コンデンサ２８２として示されているノード２５０とノード８０の間のＩＧＢＴベース容量を含む。エネルギー回収機能の動作をより良く説明するために、図３の光学的電力供給型駆動回路１９８中に示されるいくつかの要素は、単純化した概略図には明示されていない。たとえば、図３の抵抗２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８は明示されていない。

電圧源２７８は、光電池２００、ダイオード２０４、およびコンデンサ２０２の組合せを含む。電圧源２７８は、ノード８０とノード２３８の間に電圧を発生させることにより、光ファイバケーブル１４から受け取った光エネルギーを電気エネルギーに変換するために設けられる。電圧源は、スイッチ２１０および２１２に電気的に結合される。

制御回路２８０は、光電池２００、トランジスタ２０６、２０８、および抵抗２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８の組合せを含む。制御回路２８０は、光ファイバケーブル１４から受け取った光信号に基づいて、スイッチ２１０および２１２の動作を制御するために設けられる。制御回路は、ノード８０、２３８、および２４８に電気的に結合される。電圧源２７８および制御回路２８０によって受け取られる光は、光ファイバケーブル１４からのものである。代替実施形態では、電圧源２７８および制御回路２８０は、光ファイバケーブル１４の異なる光ファイバから光を受け取ることができることに留意すべきである。

コンデンサ２８２は、制御システム１０内のトランジスタ５２のベース−エミッタ（およびベース−コレクタ）容量に相当する。トランジスタ５２のゲートとベースの間の充放電特性を説明するために、トランジスタ５２はコンデンサとしてモデル化されている。トランジスタ５２は、制御システム１０内の電気的負荷３０を制御するための信号を発生するために設けられる。

光学的電力供給型駆動回路１９８の動作時には、電圧源２７８は、光ファイバケーブル１４から光を受け取る。電圧源２７８は、光エネルギーを電気エネルギーに変換し、ノード８０とノード２３８の間に電圧を発生する。光ファイバケーブル１４から光が受け取られないときは、電圧源２７８は、エネルギー蓄積コンデンサ中の残りの電気エネルギーが消散されるまでの間、ノード８０とノード２３８の間に電圧を出力し続ける。

制御回路２８０は、光ファイバケーブル１４から光を受け取っているときは、スイッチ２１０を閉じる電圧をノード２４４に発生し、光ファイバケーブル１４から光を受け取っていないときは、スイッチ２１０を開く電圧をノード２４４に発生する。制御回路２８０はさらに、光ファイバケーブル１４から光を受け取っているときは、スイッチ２１２を開く電圧をノード２４６に発生し、光ファイバケーブル１４から光を受け取っていないときは、スイッチ２１２を閉じる電圧をノード２４６に発生する。

光学的電力供給型駆動回路１９８のエネルギー回収機能により、回路１９８が、電源２７８によって供給される電圧より高い電圧まで、コンデンサ２８２を共振的に充電することが可能になる。この電圧の利得は、以下に詳しく説明するように、ダイオード２５２、２５４、およびインダクタ２５６を使用することによって得られる。

図７および図８を参照すると、波形２８５、２８６は、それぞれスイッチ２１０および２１２の動作状態を示している。スイッチ２１０は、開いているときは開回路のように作用し、ノード２３８とノード２４８の間に電流が流れなることができなくなる。スイッチ２１０は、閉じているときは短絡のように作用し、ノード２３８とノード２４８の間に比較的大きな電流が流れることが可能になる。図７および図８は、スイッチ２１０とスイッチ２１２が、開位置と閉位置の間で交替することを示している。スイッチ２１０が閉じているときは、スイッチ２１２は開いている。さらに、スイッチ２１２が閉じているときは、スイッチ２１０は開いている。両方のスイッチが同時に閉じる状態を避けるために、スイッチ２１０と２１２の両方が開いている比較的短い時間があることに留意すべきである。スイッチ２１０および２１２の両方が同時にオンになったなら、エネルギー蓄積コンデンサ２０２を放電することになる。

図５〜８を参照すると、スイッチ２１０が閉じてスイッチ２１２が開いているときは、電圧源２７８から始まり、スイッチ２１０、ダイオード２５２、インダクタ２５６、コンデンサ２８２を通って、電圧源２７８に戻る電流ループが形成される。スイッチ２１０が閉じられると、波形２８７は、低い電圧レベルから高い電圧レベルへ共振的に遷移する。インダクタ２５６およびコンデンサ２８２は、共振回路を形成する。その後、波形２８８で示されるインダクタ２５６を通る電流は、ある時間増加し、次いで減少して零に戻る。正のインダクタ電流は、スイッチ２１０から、ダイオード２５２、インダクタ２５６を通って、ノード２５０へ電流が流れることを示す。ノード２５０の電圧はまた、正電流がある間は、共振的に増加する。波形２８８で示されるインダクタ電流が零に戻ると、波形２８７は高い電圧で安定する。さらにダイオード２５２は、逆の負電流が流れるのを防止し、それによってノード２５０の電圧がインダクタ２５６を通って放電するのを防止する。電圧および電流は、スイッチ２１２が閉じるまで、安定なままとなる。

スイッチ２１０が開いてスイッチ２１２が閉じられると、コンデンサ２８２から始まり、インダクタ２５６、ダイオード２５４、スイッチ２１２を通って、コンデンサ２８２に戻る共振電流ループが形成される。スイッチ２１２が閉じられると、制御波形２８６は、低い電圧から高い電圧へ遷移する。したがって波形２８８で示されるように、インダクタ２５６を通る電流はある時間、負方向に増加し、次いで減少して零に戻る。負のインダクタ電流は、電流がノード２５０からダイオード２５４を通ってスイッチ２１２へ流れることを示している。負電流がある間、ノード２５０の電圧は減少する。波形２８８で示されるインダクタ電流が零に戻ると、波形２８７は低い電圧で安定する。さらに、ダイオード２５４は、正電流が流れるのを防止し、それによってノード２５０の電圧がインダクタ２５６を通して再充電されるのを防止する。電圧および電流は、スイッチ２１０が閉じるまで、安定なままとなる。

図９および図１０を参照し、波形２８７、２８８の拡大部分を使用して、光学的電力供給型駆動回路１９８のエネルギー回収機能をさらに詳しく説明する。領域Ａは時刻ｔ０とｔ１の間の時間間隔、領域Ｂは時刻ｔ１とｔ２の間の時間間隔、領域Ｃは時刻ｔ３とｔ４の間の時間間隔、ならびに領域Ｄは時刻ｔ４とｔ５の間の時間間隔として定義される。

インダクタ２５６を通って流れる電流の変化率は、ノード２４８とノード２５０の間の電圧差に直接比例し、インダクタ２５６のインダクタンス値に間接的に比例する。したがって、ノード２４８の電圧がノード２５０の電圧より高い場合は、インダクタ２５６を通る電流は増加する。同様に、ノード２４８の電圧がノード２５０の電圧より低い場合は、インダクタ２５６を通る電流は減少する。ノード２４８の電圧がノード２５０の電圧に等しい場合は、インダクタ２５６を通る電流は一定値のままとなる。

コンデンサ２８２の両端子の電圧の変化率は、インダクタ２５６を通る電流に直接比例し、コンデンサ２８２の容量値に間接的に比例する。したがって、インダクタ２５６を通る電流が正の場合は、ノード２５０の電圧は増加する。同様に、インダクタ２５６を通る電流が負の場合は、ノード２５０の電圧は減少する。インダクタ２５６を通る電流がない場合は、ノード２５０の電圧は安定なままとなる。

図９および図１０の領域Ａを参照すると、時刻ｔ０はスイッチ２１０が閉じる時点を表している。インダクタ２５６は、電流の不連続変化を阻止するので、インダクタ２５６を通る電流は時刻ｔ０で、異なる値に瞬間的に飛び移ることはできない。同様に、コンデンサ２５２は、その両端子間の電圧の不連続変化を阻止するので、ノード２５０とノード８０の間の電圧も時刻ｔ０で異なる値に瞬間的に飛び移ることはできない。したがって、スイッチ２１０が閉じた直後では、インダクタ２５２を通る電流はその前の零の値を保持し、ノード２５０の電圧はその前の負の値を保持する。さらに、ノード２４８の電圧は、ノード２３８の電圧とほぼ等しい値に飛び移る。

ノード２４８の電圧はノード２５０の電圧より高いので、インダクタ２５６を通る電流は、正方向に増加し始める。正電流がインダクタ２５６を流れ始めると、電荷がノード２５０に移動され、それによってノード２５０の電圧が増加し始める。したがって領域Ａでは、インダクタ２５６を通る電流は増加し、ノード２５０の電圧も増加する。時刻ｔ１は、ノード２４８の電圧がノード２５０の電圧と等しくなる時点を表している。この時点で、インダクタ２５６を通る電流は、その正の最大値に達する。

図９および図１０の領域Ｂを参照すると、時刻ｔ１において、依然としてノード２４８からノード２５０へインダクタ２５６を正電流が流れているので、時刻ｔ１の後、ノード２５０は、ノード２４８の電圧より高い電圧まで充電され続ける。ここで、ノード２５０の電圧はノード２４８の電圧より高いので、インダクタ２５６を通って流れる電流は減少し始める。電流は、減少しつつあるが、依然としてノード２４８からノード２５０へ電荷を移動させる正電流であり、それによってノード２５０の電圧は増加し続ける。したがって領域Ｂでは、インダクタ２５６を通る電流は正であるが減少しつつあり、ノード２５０の電圧は増加し続ける。時刻ｔ２は、インダクタ２５６を通る電流が零に減少する時刻を表している。時刻ｔ２でノード２５０の電圧は、その正の最大値に達する。さらに、回路が、インダクタ２５６とコンデンサ２８２からなる共振回路を通して、電圧源２７８からコンデンサ２８２へエネルギーを移動させるので、ノード２５０の電圧はノード２４８より大幅に高くなる。

ノード２５０の電圧はノード２３８の電圧より高いので、ダイオード２５２がなかったなら、インダクタ２５６を通る電流は負方向に増加し始めることになる。しかしダイオード２５２が、インダクタ２５６を通って負電流が流れるのを防止し、それによってインダクタ２５６を通してノード２５０が放電するのを防止する。

図９および図１０の領域Ｃを参照すると、時刻ｔ３は、スイッチ２１２が閉じる時刻を表している。スイッチ２１２が閉じた直後は、インダクタ２５６を通る電流はその前の零の値を保持し、ノード２５０は、前の比較的大きな正の値を保持する。さらに、ノード２４８の電圧は、ノード８０とほぼ同じ電圧となる。したがって、インダクタの両端には、ノード２５０におけるコンデンサ２８２の電圧に等しい負の電圧が生じる。

ノード２４８の電圧はノード２５０の電圧より低いので、インダクタ２５６を通る電流の大きさは、負方向に増大する。インダクタ２５６を通って負電流が流れ始めると、ノード２５０からノード２４８へ電荷が移動され、それによってノード２５０の電圧が減少し始める。したがって領域Ｃでは、インダクタ２５６を通る負電流の大きさは増大し、ノード２５０の電圧は減少する。時刻ｔ４は、ノード２４８の電圧がノード２５０の電圧と等しくなる瞬間を表している。時刻ｔ４で、インダクタ２５６を通る電流は、その負の最大値に達する。

図９および図１０の領域Ｄを参照すると、時刻ｔ４では、インダクタ２５６を依然として負電流が流れている。ここで、ノード２４８の電圧はノード２５０の電圧より正であるので、インダクタ２５６を通る負電流の大きさは減少し始める。電流の大きさは減少しつつあるが、依然としてノード２５０からノード２４８の方向へ電流を移動させる負電流であり、それによってノード２５０の電圧は減少し続ける。したがって領域Ｄでは、負電流の大きさは減少し、コンデンサの電圧も減少する。時刻ｔ５は、インダクタ２５６を通る負電流の大きさが零に達する瞬間を表している。時刻ｔ５で、コンデンサ２８２の電圧は、その負の最大値に達する。さらに、インダクタ２５６の電流が零に達する直前では、ノード２４８の電圧はノード２５０の電圧より大幅に高い。コンデンサ２８２の両端間の電圧は負となり、ここでインダクタ２５６の電流は零であるので、ダイオード２５４がなかったなら、インダクタ２５６を通る電流は正方向に増加し始めることになる。しかしダイオード２５４がインダクタ２５６を通って正電流が流れるのを防止し、それによってインダクタ２５６を通してコンデンサ２８２が放電するのを防止する。

図１１を参照すると、光学的電力供給型駆動回路４０の代わりに制御システム１０で使用することができる、他の例示的実施形態による共振式フルブリッジ光学的電力供給型駆動回路３０１の概略図が示されている。光学的電力供給型駆動回路３０１は、光電池３００、コンデンサ３０２、ダイオード３０４、３５２、３５４、インダクタ３８６、トランジスタ３０６、３０８、３１０、３１２、３５６、３５８、３６０、３６２、および抵抗３１４、３１６、３１８、３２０、３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、３３２、３６４、３６６、３６８、３７０、３７２、３７４、３７６、３７８、３８０、３８２を含む。図１１に関しては、別段の指定がない限り、すべての電圧はノード３３６に対するものとする。

光電池３００は、光ファイバケーブル１４から受け取った光エネルギーを、ノード３３４とノード３３６の間に電圧を発生することによって電気エネルギーに変換するために設けられる。光電池３００は、光ファイバケーブル１４から光を受け取っているときはノード３３４に比較的高い電圧を発生し、光ファイバケーブル１４から光を受け取っていないときはノード３３４に低い電圧を発生する。

コンデンサ３０２は、光電池３００によって発生される電気エネルギーを蓄積するために設けられる。コンデンサ３０２は、ノード３３６で光電池に、ノード３３８でダイオード３０４に電気的に結合される。

ダイオード３０４は、光電池３００が光ファイバケーブル１４から光を受け取っていないときに、コンデンサ３０２が放電するのを防止する。ダイオード３０４のアノードは、ノード３３４で光電池３００に電気的に結合される。ダイオード３０４のカソードは、ノード３３８でコンデンサ３０２に電気的に結合される。ダイオード３０４は、光電池３００からコンデンサ３０２へ電流を流すことが可能となるように構成される。

トランジスタ３０６、３０８、３１０、３１２、３５６、３５８、３６０、３６２は、ノード３３４の電圧に基づいて、トランジスタ５２を２つの動作状態の間で切り換えるために設けられる。トランジスタ３０６、３０８、３１２、３５６、３５８、および３６２はＮＰＮトランジスタであり、前述のトランジスタ１０６と同様に動作する。トランジスタ３１０および３６０はＰＮＰトランジスタであり、前述のトランジスタ１１０と同様に動作する。

トランジスタ３１０および３６２は、ノード８０に対してノード３５６を充電し、トランジスタ５２をオンするために、トランジスタ５２のベース容量を共振的に充電するのに適した電圧を、ノード３５６とノード８０の間に発生する。トランジスタ３１２および３６０は、ノード３５６をノード８０に対して放電するために設けられ、トランジスタ５２をオフにするために、トランジスタ５２のベース容量を共振的に放電するのに適した電圧をノード３５６とノード８０の間に発生する。トランジスタ３０６は、ノード３３４に高い電圧を受け取ったときはトランジスタ３１０をオンにし、ノード３３４に低い電圧を受け取ったときはトランジスタ３１０をオフにするために設けられる。トランジスタ３０８は、ノード３３４に高い電圧を受け取ったときはトランジスタ３１２をオフにし、ノード３３４に低い電圧を受け取ったときはトランジスタ３１２をオンにするために設けられる。トランジスタ３５６は、ノード３４６に高い電圧を受け取ったときはトランジスタ３６０をオフにし、ノード３４６に低い電圧を受け取ったときはトランジスタ３６０をオンにするために設けられる。トランジスタ３５８は、ノード３４６に高い電圧を受け取ったときはトランジスタ３６２をオフにし、ノード３４６に低い電圧を受け取ったときはトランジスタ３６２をオンにするために設けられる。

トランジスタ３０６は、ベース端子にてノード３４０に、エミッタ端子にてノード３３６に、コレクタ端子にて抵抗３２４を通してノード３４４に電気的に結合される。トランジスタ３０８は、ベース端子にてノード３４２に、エミッタ端子にてノード３３６に、コレクタ端子にてノード３４６に電気的に結合される。トランジスタ３１０は、ベース端子にてノード３４４に、エミッタ端子にてノード３３８に、コレクタ端子にてダイオード３５２および抵抗３３２を通してノード３５０に電気的に結合される。トランジスタ３１２は、ベース端子にてノード３４８に、エミッタ端子にてノード３３６に、コレクタ端子にてノード３５０に電気的に結合される。トランジスタ３５６は、ベース端子にてノード３９０に、エミッタ端子にてノード３３６に、コレクタ端子にて抵抗３７４を通してノード３９４に電気的に結合される。トランジスタ３５８は、ベース端子にてノード３９２に、エミッタ端子にてノード３３６に、コレクタ端子にてノード３９６に電気的に結合される。トランジスタ３６０は、ベース端子にてノード３９４に、エミッタ端子にてノード３３８に、コレクタ端子にてダイオード３５４および抵抗３８２を通してノード８０に電気的に結合される。トランジスタ３６２は、ベース端子にてノード３９８に、エミッタ端子にてノード３３６に、コレクタ端子にてノード８０に電気的に結合される。

インダクタ３８６は、トランジスタ３１０がオンのときノード８０に対するノード３５０の電圧よりも高い電圧に、ノード８０に対してノード３５６を、充電し、トランジスタ３１２がオフのときノード８０に対するノード３５０の電圧よりも低い電圧に、ノード８０に対してノード３５６を、放電するために設けられる。インダクタ３８６は、ノード３５０とノード３５６の間に直列に電気的に結合される。

ダイオード３５２および３５４は、トランジスタ３１２がオフのときにノード３５６が放電するのを防止し、トランジスタ３１０がオフのときにノード３５６が再充電されるのを防止する。ダイオード３５２は、アノード端子にてトランジスタ３１０のコレクタに、カソード端子にて抵抗３３２を通してノード３５０に電気的に結合される。ダイオード３５２は、トランジスタ３１０からインダクタ３８６へ電流が通れるように構成される。ダイオード３５４は、アノード端子にてトランジスタ３６０のコレクタに、カソード端子にて抵抗３８２を通してノード８０に電気的に結合される。ダイオード３５４は、トランジスタ３６０からノード８０に電流が通れるように構成される。

抵抗３１４は、ノード３３４とノード３４０の間に直列に接続される。抵抗３１６は、ノード３４０とノード３３６の間に直列に接続される。抵抗３１８は、ノード３３４とノード３４２の間に直列に接続される。抵抗３２０は、ノード３４２とノード３３６の間に直列に接続される。抵抗３２２は、ノード３３８とノード３４６の間に直列に接続される。抵抗３２４は、ノード３４４とトランジスタ３０６のコレクタの間に直列に接続される。抵抗３２６は、ノード３３８とノード３４４の間に直列に接続される。抵抗３２８は、ノード３４６とノード３４８の間に直列に接続される。抵抗３３０は、ノード３４８とノード３３６の間に直列に接続される。抵抗３３２は、ノード３５０と、ダイオード３５２を通してトランジスタ３１０のコレクタの間に直列に接続される。抵抗３６４は、ノード３４６とノード３９０の間に直列に接続される。抵抗３６６は、ノード３９０とノード３３６の間に直列に接続される。抵抗３６８は、ノード３４６とノード３９２の間に直列に接続される。抵抗３７０は、ノード３９２とノード３３６の間に直列に接続される。抵抗３７２は、ノード３３８とノード３９６の間に直列に接続される。抵抗３７４は、ノード３９４とトランジスタ３５６のコレクタの間に直列に接続される。抵抗３７６は、ノード３３８とノード３９４の間に直列に接続される。抵抗３７８は、ノード３９６とノード３９８の間に直列に接続される。抵抗３８０は、ノード３９８とノード３３６の間に直列に接続される。抵抗３８２は、ノード８０と、ダイオード３５４を通してトランジスタ３６０のコレクタの間に直列に接続される。

次に、共振式フルブリッジ光学的電力供給型駆動回路３０１の動作を説明する。光電池３００は、光ファイバケーブル１４から光を受け取ると、光エネルギーを、ノード３３４でのノード３３６に対してある高い電圧に対応する、ノード３３４での電圧に変換する。ダイオード３０４は、ノード３３４の電圧がコンデンサ３０２を充電してノード３３８に高い電圧を発生できるようにする。ノード３３４での高い電圧は、トランジスタ３０６および３０８をオンにする。トランジスタ３０６および３０８がオンのときは、ノード３０７およびノード３４６は、高い電圧から低い電圧に遷移し、トランジスタ３１０をオンにし、トランジスタ３１２をオフにする。ノード３４６での低い電圧はまた、トランジスタ３５６および３５８をオフにし、さらにトランジスタ３６０をオフにし、トランジスタ３６２をオンにする。トランジスタ３１０および３６２がオンになることにより、ノード３３８からノード３５０、さらにノード３５６、ノード８０、ノード３３６、コンデンサ３０２を通って再びノード３３８へ、電流が通ることが可能になる。ダイオード３５２は、トランジスタ３１２および３６０がオフになるとき、電流がノード３５６に逆転し、インダクタ３８６を放電するのを防止する。先に述べたように、この間、インダクタ３５６はトランジスタ５２のベース容量と共振して、トランジスタ５２をオンにする。

同様に、光電池３００は、光ファイバケーブル１４から光を受け取っていないときは、ノード３３４のノード３３６に対するある低い電圧に対応する電圧を、ノード３３６に対してノード３３４に生じる。ダイオード３０４は、コンデンサ３０２がノード３３４を通して放電されるのを防止する。ノード３３４の低い電圧は、トランジスタ３０６および３０８をオフにする。トランジスタ３０６および３０８がオフになると、ノード３０７および３４６は、低い電圧から高い電圧に遷移し、トランジスタ３１０をオフにし、トランジスタ３１２をオンにする。ノード３４６の高い電圧は、トランジスタ３５６および３５８をオンにし、さらにトランジスタ３６０をオンにし、トランジスタ３６２をオフにする。トランジスタ３１２は、電流がノード３５０からノード３３６へ通り、ノード３５０を放電することを可能にする。トランジスタ３６０および３１２は共にオンになり、ノード３３８からノード８０へ、トランジスタ５２のベース容量を通り、ノード３５６、ノード３５０、ノード３３６、コンデンサ３０２を通って再びノード３３８へ電流が通ることを可能にする。ダイオード３５４は、トランジスタ３１０および３６２がオフになるとき、ノード３５６が再充電されるのを防止する。先に述べたように、この間、インダクタ３５６は、トランジスタ５２のベース容量と共振し、トランジスタ５２をオフにする。

図１２を参照すると、光学的電力供給型駆動回路４０の代わりに制御システム１０で使用することができる、他の例示的実施形態によるフルブリッジ光学的電力供給型駆動回路４０１の概略図が示されている。光学的電力供給型駆動回路４０１は、光電池４００、コンデンサ４０２、ダイオード４０４、トランジスタ４０６、４０８、４１０、４１２、４５６、４５８、４６０、４６２、および抵抗４１４、４１６、４１８、４２０、４２２、４２４、４２６、４２８、４３０、４３２、４６４、４６６、４６８、４７０、４７２、４７４、４７６、４７８、４８０、４８２を含む。図１２に関しては、別段の指定がない限り、すべての電圧はノード４３６に対するものとする。

光電池４００は、光ファイバケーブル１４から受け取った光エネルギーを、ノード４３６に対してノード４３４に電圧を発生することによって、電気エネルギーに変換するために設けられている。光電池４００は、光ファイバケーブル１４から光を受け取っているときはノード４３４に高い電圧を出力し、光ファイバケーブル１４から光を受け取っていないときはノード４３４に低い電圧を発生する。

コンデンサ４０２は、光電池４００によって発生される電気エネルギーを蓄積するために設けられる。コンデンサ４０２は、ノード４３６で光電池に、ノード４３８でダイオード４０４に電気的に結合される。

ダイオード４０４は、光電池４００が光ファイバケーブル１４から光を受け取っていないときに、コンデンサ４０２が放電するのを防止するために設けられる。ダイオード４０４のアノードは、ノード４３４で光電池４００に電気的に結合される。ダイオード４０４のカソードは、ノード４３８でコンデンサ４０２に電気的に結合される。ダイオード４０４は、光電池４００からコンデンサ４０２に電流が流れることが可能になるように構成される。

トランジスタ４０６、４０８、４１０、４１２、４５６、４５８、４６０、４６２は、ノード４３４の電圧に基づいて、トランジスタ５２を２つの動作状態の間で切り換えるために設けられる。トランジスタ４０６、４０８、４１２、４５６、４５８、および４６２はＮＰＮトランジスタであり、前述のトランジスタ１０６と同様に動作する。トランジスタ４１０および４６０はＰＮＰトランジスタであり、前述のトランジスタ１１０と同様に動作する。

トランジスタ４１０およびトランジスタ４６２は、ノード８０に対してノード４５０を充電し、トランジスタ５２をオンにするのに適した電圧をノード４５０とノード８０の間に発生するために設けられる。トランジスタ４１２および４６０は、ノード４５０とノード８０の間に負電圧を発生し、トランジスタ５２をオフにするのに適した電圧をノード４５０とノード８０の間に発生する。トランジスタ４０６は、ノード４３４に高い電圧を受け取ったときはトランジスタ４１０をオンにし、ノード４３４に低い電圧を受け取ったときはトランジスタ４１０をオフにするために設けられる。トランジスタ４０８は、ノード４３４に高い電圧を受け取ったときはトランジスタ４１２をオフにし、ノード４３４に低い電圧を受け取ったときはトランジスタ４１２をオンにするために設けられる。トランジスタ４５６は、ノード４４６に高い電圧を受け取ったときはトランジスタ４６０をオンにし、ノード４４６に低い電圧を受け取ったときはトランジスタ４６０をオフにするために設けられる。トランジスタ４５８は、ノード４４６に高い電圧を受け取ったときはトランジスタ４６２をオフにし、ノード４４６に低い電圧を受け取ったときはトランジスタ４６２をオンにするために設けられる。

トランジスタ４０６は、ベース端子にてノード４４０に、エミッタ端子にてノード４３６に、コレクタ端子にてノード４０７に電気的に結合される。トランジスタ４０８は、ベース端子にてノード４４２に、エミッタ端子にてノード４３６に、コレクタ端子にてノード４４６に電気的に結合される。トランジスタ４１０は、ベース端子にてノード４４４に、エミッタ端子にてノード４３８に、コレクタ端子にて抵抗４３２を通してノード４５０に電気的に結合される。トランジスタ４１２は、ベース端子にてノード４４８に、エミッタ端子にてノード４３６に、コレクタ端子にてノード４５０に電気的に結合される。トランジスタ４５６は、ベース端子にてノード４９０に、エミッタ端子にてノード４３６に、コレクタ端子にて抵抗４７４を通してノード４９４に電気的に結合される。トランジスタ４５８は、ベース端子にてノード４９２に、エミッタ端子にてノード４３６に、コレクタ端子にてノード４９６に電気的に結合される。トランジスタ４６０は、ベース端子にてノード４９４に、エミッタ端子にてノード４３８に、コレクタ端子にて抵抗４８２を通してノード８０に電気的に結合される。トランジスタ４６２は、ベース端子にてノード４９８に、エミッタ端子にてノード４３６に、コレクタ端子にてノード８０に電気的に結合される。

抵抗４１４は、ノード４３４とノード４４０の間に直列に接続される。抵抗４１６は、ノード４４０とノード４３６の間に直列に接続される。抵抗４１８は、ノード４３４とノード４４２の間に直列に接続される。抵抗４２０は、ノード４４２とノード４３６の間に直列に接続される。抵抗４２２は、ノード４３８とノード４４６の間に直列に接続される。抵抗４２４は、ノード４４４とトランジスタ４０６のコレクタの間に直列に接続される。抵抗４２６は、ノード４３８とノード４４４の間に直列に接続される。抵抗４２８は、ノード４４６とノード４４８の間に直列に接続される。抵抗４３０は、ノード４４８とノード４３６の間に直列に接続される。抵抗４３２は、ノード４５０とトランジスタ４１０のコレクタの間に直列に接続される。抵抗４６４は、ノード４４６とノード４９０の間に直列に接続される。抵抗４６６は、ノード４９０とノード４３６の間に直列に接続される。抵抗４６８は、ノード４４６とノード４９２の間に直列に接続される。抵抗４７０は、ノード４９２とノード４３６の間に直列に接続される。抵抗４７２は、ノード４３８とノード４９６の間に直列に接続される。抵抗４７４は、ノード４９４とトランジスタ４５６のコレクタの間に直列に接続される。抵抗４７６は、ノード４３８とノード４９４の間に直列に接続される。抵抗４７８は、ノード４９６とノード４９８の間に直列に接続される。抵抗４８０は、ノード４９８とノード４３６の間に直列に接続される。最後に、抵抗４８２は、ノード８０とトランジスタ４６０のコレクタの間に直列に接続される。

次に、フルブリッジ光学的電力供給型駆動回路４０１の動作を説明する。光電池４００は、光ファイバケーブル１４から光を受け取ると、光エネルギーを、ノード４３４とノード４３６の間に、ノード４３６に対するノード４３４のある高い電圧に対応する電圧に変換する。ダイオード４０４は、ノード４３４の電圧がコンデンサ４０２を充電し、ノード４３８に高い電圧を発生することを可能にする。ノード４３４の高い電圧は、トランジスタ４０６および４０８をオンにする。トランジスタ４０６および４０８がオンになると、ノード４０７および４４６は、高い電圧から低い電圧に遷移し、トランジスタ４１０をオンにし、トランジスタ４１２をオフにする。ノード４４６の低い電圧はまた、トランジスタ４５６および４５８をオフにし、さらにトランジスタ４６０をオフにし、トランジスタ４６２をオンにする。トランジスタ４６２は、ノード８０からノード４３６に電流が通り、ノード８０を放電することを可能にする。トランジスタ４１０は、ノード４３８からノード４５０へ、トランジスタ５２のベース容量、トランジスタ４６２、コンデンサ４０２を通って、再びノード４３８へ電流が通ることを可能にする。これにより、ノード８０に対してノード４５０は、トランジスタ５２をオンにするのに十分な正の電圧まで充電される。

同様に、光電池４００は、光ファイバケーブル１４から光を受け取っていないときは、ノード４３６に対するノード４３４のある低い電圧に対応する電圧を、ノード４３４とノード４３６の間に生じる。ダイオード４０４は、ノード４３４を通してコンデンサ４０２が放電されるの防止する。ノード４３４の低い電圧は、トランジスタ４０６および４０８をオフにする。トランジスタ４０６および４０８がオフになると、ノード４０７および４４６は低い電圧から高い電圧に遷移し、トランジスタ４１０をオフにし、トランジスタ４１２をオンにする。ノード４４６の高い電圧はまた、トランジスタ４５６および４５８をオンにし、さらにトランジスタ４６０をオンにし、トランジスタ４６２をオフにする。トランジスタ４６０および４１２がオンになることにより、ノード４３８からノード８０へ、トランジスタ５２のベース容量、トランジスタ４１２、コンデンサ４０２を通り、再びノード４３８へ電流が通ることが可能になる。これにより、トランジスタ５２をオフにするのに十分な負電圧まで、ノード８０に対してノード４５０が充電される。

図１３を参照すると、光学的電力供給型駆動回路４０の代わりに制御システム１０内で使用することができる、他の例示的実施形態による光学的電力供給型駆動回路４９９の概略図が示されている。光学的電力供給型駆動回路４９９は、光電池５００、コンデンサ５０２、トランジスタ５０４、５０６、５０８、５１０、抵抗５１２、５１４、５１６、５１８、５２０を含む。

光電池５００は、ノード５２４とノード８０の間に電圧を発生することによって、光ファイバケーブル１４から受け取った光エネルギーを電気エネルギーに変換するために設けられる。光電池５００は、光ファイバケーブル１４から光を受け取っているときはノード５２４に高い電圧を出力し、光ファイバケーブル１４から光を受け取っていないときはノード５２４に低い電圧を出力する。

コンデンサ５０２は、光電池５００によって発生される電気エネルギーを蓄積するために設けられる。コンデンサ５０２は、ノード５２４および８０で光電池に電気的に結合される。

トランジスタ５０４、５０６、５０８、５１０は、ノード５２８の電圧に基づいて、トランジスタ５２を２つの動作状態の間で切り換えるために設けられる。トランジスタ５０４、５０６、および５０８はＮＰＮトランジスタであり、前述のトランジスタ１０６と同様に動作する。トランジスタ５１０はＰＮＰトランジスタであり、前述のトランジスタ１１０と同様に動作する。

トランジスタ５０８は、トランジスタ５２をオンにするのに適した電圧まで、ノード５３８を充電するために設けられる。トランジスタ５１０は、トランジスタ５２をオフにするのに適した電圧までノード５３８を放電するために設けられる。トランジスタ５０６は、ノード５３０に低い電圧を受け取ったときにトランジスタ５０８をオンにし、トランジスタ５１０をオフにし、ノード５３０に高い電圧を受け取ったときはトランジスタ５０８をオフにし、トランジスタトランジスタ５１０をオンにするために設けられる。トランジスタ５０４は、ベース端子にて光を受け取っているときはトランジスタ５０６をオフにし、ベース端子にて光を受け取っていないときはトランジスタ５０６をオンにするために設けられる。

トランジスタ５０４は、ベース端子にて光ファイバケーブル１４に、エミッタ端子にてノード８０に、コレクタ端子にてノード５２８に電気的に結合される。トランジスタ５０６は、ベース端子にてノード５３０に、エミッタ端子にてノード４２６に、コレクタ端子にてノード５３２に電気的に結合される。トランジスタ５０８は、ベース端子にてノード５３４に、エミッタ端子にてノード５３６に、コレクタ端子にてノード５２４に電気的に結合される。トランジスタ５１０は、ベース端子にてノード５３４に、エミッタ端子にてノード５３６に、コレクタ端子にてノード８０に電気的に結合される。

抵抗５１２は、ノード５２４とノード５２８の間に直列に接続される。抵抗５１４は、ノード５２８とノード５３０の間に直列に接続される。抵抗５１６は、ノード５２４とノード５３２の間に直列に接続される。抵抗５１８は、ノード５３２とノード５３４の間に直列に接続される。抵抗５２０は、ノード５３６とノード５３８の間に直列に接続される。

次に、光学的電力供給型駆動回路４９９の動作を説明する。光電池５００は、光ファイバケーブル１４から光を受け取ると、光エネルギーを、ノード５２４とノード８０の間に、ノード８０に対するノード５２４のある高い電圧に対応する電圧に変換する。光電池５００が光ファイバケーブル１４から光を受け取っていないときは、コンデンサ５０２は限られた時間の間、ノード５２４に高い電圧を維持する。

トランジスタ５０４は、ベース端子にて第２の光ファイバケーブルから光を受け取るとオンになる。トランジスタ５０４がオンになると、ノード５２８は高い電圧から低い電圧に遷移する。ノード５２８の低い電圧は、トランジスタ５０６をオフにする。トランジスタ５０６がオフになると、ノード５３２は低い電圧から高い電圧に遷移する。ノード５３２の高い電圧は、トランジスタ５０８をオンにし、トランジスタ５１０をオフにする。トランジスタ５０８は、ノード５２４からノード５３６へ電流を通し、ノード５３８を充電し、トランジスタ５２をオンにすることを可能にする。

同様に、トランジスタ５０４は、ベース端子にて第２の光ファイバケーブルから光を受け取っていないときはオフになる。トランジスタ５０４がオフになると、ノード５２８は低い電圧から高い電圧に遷移する。ノード５２８の高い電圧は、トランジスタ５０６をオンにする。トランジスタ５０６がオンになると、ノード５３２は高い電圧から低い電圧に遷移する。ノード５３２の低い電圧は、トランジスタ５０８をオフにし、トランジスタ５１０をオンにする。トランジスタ５１０は、ノード５３６からノード８０に電流を通してノード５３８を放電し、トランジスタ５２をオフにすることを可能にする。

本明細書において開示された光学的電力供給型駆動回路および方法は、他の駆動回路および方法に対して大きな優位をもたらす。特に、光学的電力供給型駆動回路は、光学的電力供給型駆動回路に結合された半導体スイッチの動作を制御するために、光ファイバケーブルからの１つまたは複数の光信号によって電力供給され、かつ制御されるという技術的効果を有する。

本発明の実施形態を、例示的実施形態を参照しながら説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であり、本発明の要素を等価物に置き換えることができることは、当業者には理解されよう。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、具体的な状況に適合させるために、本発明の教示に多くの修正を加えることができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために開示された実施形態に限定されるものではなく、本発明は意図された特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むものとする。さらに、第１、第２などの言葉は、重要度の順序を示すものではなく、１つの要素を他の要素から区別するために用いられる。さらに、１つの（ａ、ａｎなど）という言葉は、数量の限定を示すものではなく、参照された品目が少なくとも１つあることを示す。

１つの例示的実施形態による光学的電力供給型駆動回路を複数用いた、制御システムの概略図である。 図１の１つの例示的実施形態による制御システム中で使用される、光学的電力供給型駆動回路の概略図である。 他の例示的実施形態による、共振式光学的電力供給型駆動回路の概略図である。 図３の共振式光学的電力供給型駆動回路の、単純化した概略図である。 図３の共振式光学的電力供給型駆動回路の動作時における、出力電圧の波形概略図である。 図３の共振式光学的電力供給型駆動回路の動作時に、インダクタを通って流れる電流の波形概略図である。 図３の共振式光学的電力供給型駆動回路の動作時における、第１のスイッチの動作状態の波形概略図である。 図３の共振式光学的電力供給型駆動回路の動作時における、第２のスイッチの動作状態の波形概略図である。 図５の波形の一部を示す、波形概略図である。 図６の波形の一部を示す、波形概略図である。 他の例示的実施形態による、共振式フルブリッジ光学的電力供給型駆動回路の概略図である。 他の例示的実施形態による、フルブリッジ光学的電力供給型駆動回路の概略図である。 他の例示的実施形態による、光学的電力供給型駆動回路の概略図である。

符号の説明

１０ 制御システム
３０ 電気的負荷
１２ 光源
１４、１６、１８、２０、２２、２４ 光ファイバケーブル
２６ ３相インバータ
２８ 電圧源
４０、４２、４４、４６、４８、５０ 駆動回路
５２、５４、５６、５８、６０、６２ トランジスタ
６４、６６、６８、７０、７２、７４ ダイオード
７６、７８、８０、８２、８４、１０７ ノード
１００ 光電池
１０２ コンデンサ
１０４ ダイオード
１０６、１０８、１１０、１１２ トランジスタ
１１４、１１６、１１８、１２０、１２２、１２４、１２６、１２８、１３０、１３２ 抵抗
１３４、１３８、１４０、１４２、１４６、１４８ ノード
１４４ ベースノード
１９８ 光学的電力供給型駆動回路
２００ 光電池
２０２ コンデンサ
２０６、２０８、２１０、２１２ トランジスタ
２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８ 抵抗
２０４、２５２、２５４ ダイオード
２５０ ゲートノード
２５６ インダクタ
２０７、２３４、２３８、２４０、２４２、２４４、２４６、２４８ ノード
２７８ 電圧源
２８０ 制御回路
２８２ コンデンサ
２８５、２８６、２８７、２８８ 波形
３００ 光電池
３０１ 駆動回路
３０２ コンデンサ
３０４、３５２、３５４ ダイオード
３０６、３０８、３１０、３１２、３５６、３５８、３６０、３６２ トランジスタ
３１４、３１６、３１８、３２０、３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、３３２、３６４、３６６、３６８、３７０、３７２、３７４、３７６、３７８、３８０、３８２ 抵抗
３０７、３３４、３３６、３３８、３４０、３４２、３４４、３４６、３４８、３５０、３９０、３９２、３９４、３９６、３９８ ノード
３８６ インダクタ
４００ 光電池
４０１ 駆動回路
４０２ コンデンサ
４０４ ダイオード
４０６、４０８、４１０、４１２、４５６、４５８、４６０、４６２
トランジスタ
４１４、４１６、４１８、４２０、４２２、４２４、４２６、４２８、４３０、４３２、４６４、４６６、４６８、４７０、４７２、４７４、４７６、４７８、４８０、４８２ 抵抗
４０７、４３４、４３６、４３８、４４０、４４２、４４４、４４６、４４８、４５０、４９０、４９２、４９４、４９６、４９８ ノード
４９９ 駆動回路
５００ 光電池
５０２ コンデンサ
５０４、５０６、５０８、５１０ トランジスタ
５１２、５１４、５１６、５１８、５２０ 抵抗
５２４、５２８、５３０、５３２、５３４、５３６、５３８ ノード

Claims (6)

1. 光ファイバケーブル（１４）から第１の光信号を受け取り、前記第１の光信号に応答して第１の電圧を出力するように構成された光電池（１００）と、
   前記光電池（１００）に電気的に結合され、前記第１の電圧から受け取った電気エネルギーを蓄積し、第２の電圧を出力するように構成されたエネルギー蓄積デバイス（１０２）と、
   前記光電池（１００）および前記エネルギー蓄積デバイス（１０２）の両方に電気的に結合された電気回路であって、前記第２の電圧のみによって付勢され、第１の半導体スイッチ（５２）の動作を制御するために、前記第１の電圧を受け取り、前記第１の電圧に応答して第３の電圧を出力するように構成して、前記第１の半導体スイッチ（５２）が、光学的電力供給型駆動回路（４０）とは独立した電源からの電気的エネルギーを通過させる、電気回路とを含む、前記第１の半導体スイッチ（５２）を制御するための光学的電力供給型駆動回路（４０）。
2. 前記第１の半導体スイッチ（５２）が、前記第３の電圧に応答して負荷を付勢する、請求項１記載の光学的電力供給型駆動回路（４０）。
3. 前記電気回路が、受け取った前記第１の電圧に応答して、前記第１の半導体スイッチ（５２）を第１の動作状態に遷移させるように構成された第２の半導体スイッチ（１１０）を含む、請求項１記載の光学的電力供給型駆動回路（４０）。
4. 前記電気回路が、前記第１の電圧が受け取られないことに応答して、前記第１の半導体スイッチ（５２）を第２の動作状態に遷移させるように構成された第３の半導体スイッチ（１１２）をさらに含む、請求項３記載の光学的電力供給型駆動回路（４０）。
5. 前記電気回路によって受け取られる前記第１の電圧に応答して、前記電気回路から前記第１の半導体スイッチ（５２）に、無効電力を移動するように構成されたエネルギー回収回路をさらに含む、請求項１記載の光学的電力供給型駆動回路（４０）。
6. 前記エネルギー回収回路が、前記電気回路と前記第１の半導体スイッチの間に直列に接続されたインダクタを含む、請求項５記載の光学的電力供給型駆動回路（４０）。
   

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