JP5868490B2 - 絶縁伝送媒体および絶縁伝送装置 - Google Patents
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Description
以下、本発明の実施の形態1に係る絶縁伝送媒体を図1〜図7を用いて説明する。図1は絶縁伝送媒体200の構成を示す縦断面から見た透視図および、絶縁伝送媒体200を用いた回路ブロック図である。絶縁伝送媒体200は、IGBT等の高耐圧インバータのスイッチング素子105を駆動するゲートドライバ回路104と、ゲートドライバ回路104に駆動指令を送る論理制御ユニット102との間の絶縁通信に用いられる。絶縁伝送媒体200と論理制御ユニット102、絶縁伝送媒体200とゲートドライバ回路104の間には通信機103a、103bがそれぞれ設けられ、駆動信号を高周波信号へ変換して絶縁伝送媒体200へ入力、絶縁伝送媒体200より出力された高周波信号を駆動信号に再変換してゲートドライバ回路104に入力する役割を担う。ここでの高周波信号は、例えば2.4GHz帯を利用することで、500MHz程度までの周波数領域を持つインバータのスイッチングノイズに対する通信品質の耐性を大きくすることができる。また、以下に説明する絶縁伝送媒体200も伝送される電磁エネルギーの波長が小さい方が小型化しやすいというメリットがあるため、高周波帯を利用することが望ましい。ここで、電磁エネルギーというのは、絶縁伝送媒体200が介在してやりとりされる電磁気的なエネルギーであり、回路素子等の動作電力として利用できるのはもちろん、制御信号等の変調信号も含む。絶縁伝送媒体200は、複数の誘電体の層から成る誘電体多層基板101から成り、例えばガラスエポキシ基板やセラミック基板が用いられる。通信機103a、103bと主共振部導体108a、108bは外部インターフェース主導体106a、106b、インターフェース主ビア107a、107b、内部インターフェース主導体111a、111bを経由して接続される。ここで、外部インターフェース主導体106a、106bが被覆の無い裸電極だとすると、両者は最小沿面距離Lmin以上離す必要があることが安全規格(例えば、JISC1010−1)で決められており、以下の式で近似される(Vop:スイッチング素子の動作電圧)。
Lmin=4.1×Vop−1.0
これは、気体と誘電体の境界に2つの電極があるケースにおいて、コロナ放電あるいは火花放電によって誘電体の表面に沿って樹枝状の放電路が形成される、いわゆる沿面放電の発生を防止するための規格である。一般的に沿面放電は空間放電よりも短い電極間距離、低い印加電圧で発生するため、重要な項目である。この沿面放電を防ぐには外部インターフェース主導体106a、106bを誘電体材料により被覆することが有効である。この誘電体材料としては、ソルダーレジスト材、シリコン系コーティング材が候補として挙げられる。また、主共振部導体108a、108bの間の距離Dminについては安全規格に規定は無いが、0.4mm以上の厚さの誘電体を設けることが望ましい。ガラスエポキシ基板等のプリント基板加工においては、誘電体の厚みは数mm程度まで厚くできるので、絶縁体として長期的な絶縁信頼性を考慮した十分な絶縁性能が得られる。なお、目安としてのガラスエポキシ基板の絶縁破壊耐量は約30kV/mmであり、これに長期的な絶縁信頼性を考慮し、熱サイクル試験、恒温恒湿試験等の加速試験による性能確認を実施し、Dminを設定する。
以下、本発明の実施の形態2に係る絶縁伝送媒体を図8〜図10を用いて説明する。図8は絶縁伝送媒体200の構成を示す縦断面から見た透視図である。絶縁伝送媒体200を用いた回路ブロックに関しては実施例1や図1と同様である。
以下、本発明の実施の形態3に係る絶縁伝送媒体を図11〜図13を用いて説明する。図11は絶縁伝送媒体200の構成を示す縦断面から見た透視図である。絶縁伝送媒体200を用いた回路ブロックに関しては実施例1や図1と同様である。通信機と主共振部導体108a、108bは外部インターフェース主導体106a、106b、インターフェース主ビア107a、107b、内部インターフェース主導体111a、111bを経由して接続される。主共振部導体108c、108dはそれぞれ主共振部導体108a、108bと対向するように配置され、内部インターフェース主導体111cによってお互いに接続される。主共振部導体108c、108dは他の素子と物理的に接続されないフローティングであるため中間電位となり、主共振部導体108a、108c間にかかる電圧は、主共振部導体108a、108b間に掛かる電圧の1/2に抑えることができる。従って、主共振部導体108a、108cの間もしくは主共振部導体108b、108dの間の距離Dminは小さくでき、絶縁伝送媒体200の薄型化が可能になる。また、共振器間の伝送効率の向上、外部への電磁波漏洩の低減にも効果がある。
以下、本発明の実施の形態4に係る絶縁伝送媒体を図14〜図16を用いて説明する。図14(a)は絶縁伝送媒体200の構成を示す縦断面から見た透視図である。絶縁伝送媒体200を用いた回路ブロックに関しては図1と類似しているが、論理制御ユニット側の通信機からは二つのスイッチング素子に対する駆動指令が送られることが異なる。通信機と主共振部導体108a、108b、108cが物理的に接続されており、主共振部導体108a、108bに挟まれて、主共振部導体108cが配置される。主共振部は実施形態1で説明したメアンダライン、もしくは図6A〜図6Bで上述した変形例を用いても良い。なお、複数のスイッチング素子への制御信号を伝送するため、実用上は動作電圧や長期的な絶縁信頼性を考慮し、外部インターフェース導体138b、138cの距離を離すことが望ましい。もちろん、1個のスイッチング素子との絶縁伝送として複数の共振器を用いる場合は、上記距離は小さくて良い。例としては、制御信号伝送とそれに対するスイッチング素子の状態信号伝送、もしくは制御信号伝送とゲートドライバ回路への電力伝送などが挙げられる。本実施形態は、主共振部導体108aから主共振部導体108cへの結合と、主共振部導体108aから主共振部導体108cを介した主共振部導体108bへの結合の比率を共振器構造の設計により容易に変えることができるため、制御信号伝送と電力伝送というエネルギー比率が大きく異なる用途への適性が高い。
以下では、本発明の実施の形態5に係り、2つの導体層と3つの誘電体層で構成される絶縁伝送媒体を図17〜図27と図32を用いて説明する。
以下では、本発明の実施の形態6に係り、4つの導体層と5つの誘電体層で構成される絶縁伝送媒体を図26、27を用いて説明する。
実施の形態7では、先の実施の形態で明らかにした絶縁伝送媒体を適用した絶縁伝送装置の例を、図28−29を参照しながら説明する。
実施の形態8では、先の実施の形態で明らかにした絶縁伝送媒体を適用した他の絶縁伝送装置の例を図31−32を参照しながら説明する。
同様に他の構成要素についても同様に多様な実装手段がある。
実施の形態9では、先の実施の形態で明らかにした絶縁伝送媒体と絶縁伝送回路を多層基板に実装した絶縁伝送装置の構成例を図33−34を参照しながら説明する。
102:論理制御ユニット、
103:通信機、
104:ゲートドライバ回路、
105:スイッチング素子、
106:外部インターフェース主導体、
107:インターフェース主ビア、
108:共振器主導体、
109:インターフェース副ビア、
110:外部インターフェース副導体、
111:内部インターフェース主導体、
112:内部インターフェース副導体、
113、114、116:静電容量成分、
115:自己誘導成分、
117:相互誘導成分、
118:誘電体層、
119:通過量、
120:反射量、
121:共振器副導体、
122、123、124:共振器主導体、
125:共振器主ビア、
126、128:共振器主導体、
129:内部インターフェース副導体、
132:共振器副ビア、
133、136、137:共振器副導体、
138:外部インターフェース導体、
200:電磁波伝搬装置
210、232、242:基板外形
208、212、230、233、243、249:スルービア、
209、217、219、225、227、231、239、241、253:ブリッジ配線、
213、216、218、235、238、245、251:巻線導体パターン、
213a、213b、216a、216b、235a、235b、238a、238b、245a、245b、251a、251b:端面
211、215、234、237、244、250:引き出し配線、
221、222、223:領域
220a:巻線導体パターン概形
226:領域
228:領域
228a:領域
229:領域
247、248:無給電導体パターン
301:絶縁伝送装置
302:絶縁伝送回路
303、322:共振器群
304:導体
305:誘電体層
306、323、326:送信器
307、318、324:受信器
308:ノイズ除去フィルタ
309:サーキュレータ
310:発振器
311:位相ロックループ
312:スイッチ
313:検波器
314:コンパレータ
315:論理制御ユニット
316:ゲートドライバ回路
317:スイッチング素子
319:フィルタ
320、325:乗算器
321:結合/分配器
327:電圧制御発振器
328:増幅器
329:整流回路
330:レギュレータ。
Claims (14)
- 複数の誘電体層からなる誘電体多層基板と、
前記基板上に設けられた、第1の基準電位を持つ第1の共振器と、
前記基板上に設けられ、前記第1の基準電位とは異なる第2の基準電位を持つ第2の共振器とを有し、
前記第1の共振器と前記第2の共振器との間は直流電流に対しては電気的に絶縁されており、
前記第1の共振器と前記第2の共振器との間で、所定の周波数帯域を持ち、かつ、直流ではない電磁波を伝送させるものであり、
前記第1の共振器は、第1の主共振部と、第1の副共振部とからなり、
前記第2の共振器は、第2の主共振部と、第2の副共振部とからなる
ことを特徴とする絶縁伝送媒体。 - 請求項1において
前記第1の共振器は、第1の誘電体層上に設けられ、
前記第2の共振器は、第1の誘電体層より下層の第2の誘電体層上に設けられて、
前記第1の誘電体層より上には、第3の誘電体層が設けられていることを特徴とする絶縁伝送媒体。 - 請求項1において
前記第1の共振器、前記第2の共振器の少なくとも一つが複数の誘電体層に渡って設けられていることを特徴とする絶縁伝送媒体。 - 請求項1において
前記第1及び第2の副共振部は複数あることを特徴とする絶縁伝送媒体。 - 請求項1において、前記第1の共振器および前記第2の共振器はいずれも導体であることを特徴とする絶縁伝送媒体。
- 請求項2において、
前記第1の主共振部は複数回曲折していることを特徴とする絶縁伝送媒体。 - 請求項2において、
前記第1の共振器および前記第2の共振器から前記誘電体層により絶縁されたフローティング共振器をさらに備え、
前記第1の共振器と、前記第2の共振器との間で、前記フローティング共振器を介して電磁エネルギーを伝送させることを特徴とする絶縁伝送媒体。 - 請求項6において、
前記第1の副共振部は、前記第1の主共振部を挟むような位置に設けられていることを特徴とする絶縁伝送媒体。 - 請求項8において、
前記第1及び第2の共振器が複数であることを特徴とする絶縁伝送媒体。 - 請求項1において、
前記第1の共振器は、前記基板の第1の層上に設けられたコイル状の導体パターンであり、
前記第2の共振器は、前記基板の前記第1の層とは異なる第2の層上に設けられたコイル状の導体パターンであり、
前記第2の層には、前記第1の共振器の導体パターンの始点と終点をつなぐための第1ブリッジ配線が設けられ、
前記第1の層には、前記第2の共振器の導体パターンの始点と終点をつなぐための第2ブリッジ配線が設けられていることを特徴とする絶縁伝送媒体。 - 請求項10において、
前記第1の共振器と前記第2の共振器とは互いに点対称であり、
前記第1の共振器の外周と前記第2ブリッジ配線との距離は、両者が絶縁をとれる程度に離間され、
前記第2の共振器の外周と前記第1ブリッジ配線との距離は、両者が絶縁をとれる程度に離間されていることを特徴とする絶縁伝送媒体。 - 複数の誘電体層からなる誘電体多層基板と、前記基板上に設けられた、第1の基準電位を持つ第1の共振器と、前記基板上に設けられ、
前記第1の基準電位とは異なる第2の基準電位を持ち、前記第1の共振器とは電気的に絶縁されている第2の共振器と、を有し、前記第1の共振器は、第1の主共振部と、第1の副共振部とからなる、絶縁伝送媒体と、
前記絶縁伝送媒体の前記第1の共振器と電気的に接続された第1の回路と、
前記絶縁伝送媒体の前記第2の共振器と電気的に接続された第2の回路とを有し、
前記第1の回路と前記第2の回路との間で、前記絶縁伝送媒体を介し電磁エネルギーを伝送させる絶縁伝送装置。 - 請求項12において、
前記第1の回路と前記第2の回路との間で、複数の信号が同時に伝送されることを特徴とする絶縁伝送装置。 - 請求項12において、
前記第1の回路と前記第2の回路との間で、通信と電力伝送とが同時に行われることを特徴とする絶縁伝送装置。
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