JP6503269B2 - ゲート駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、ゲート駆動回路、より詳しくは直列共振型のワイヤレス電力伝送システムにおける２次側コンバータの下アームスイッチのゲート駆動回路に関するものである。

非特許文献１には、直列共振型のワイヤレス電力伝送システムを適用したワイヤレスインホイールモータ駆動システムが開示されている。このワイヤレスインホイールモータ駆動システムは、１次側（車体側）から磁界共振結合によりワイヤレスで伝送される交流電力を、２次側（インホイールモータ側）において２次側コンバータで整流して三相インバータを経て三相モータを駆動するものである。

図２は、非特許文献１に記載されているワイヤレスインホイールモータ駆動システムの２次側の要部の回路構成図である。２次側回路は、２次側コンバータ２０と、直流キャパシタ５０と、三相インバータ７０と、三相モータ８０とを有する。２次側コンバータ２０から１次側を見ると、２次側コンバータ２０の入力端子には交流電流源１０が接続されていると見なすことができる。交流電流源１０は、１次側からの給電又は地上側からの給電を想定している。２次側回路では、２次側コンバータ２０により交流電流を直流に変換した後、直流キャパシタ５０を介して三相インバータ７０により再び交流に変換して、三相モータ８０を駆動する。

非特許文献１では、２次側コンバータ２０の上アームスイッチ２０ＨＡ及び２０ＨＢを常にオフとし、三相モータ８０が要求する電力よりも1次側からの伝送電力が大きい場合に、２次側コンバータ２０の下アームスイッチ２０ＬＡ及び２０ＬＢをオンにして入力端子間を短絡する。これにより、２次側コンバータ２０の出力電圧Ｖｄｃの上昇を抑制するようにしている。

ここで、２次側コンバータ２０の下アームスイッチ２０ＬＡ、２０ＬＢは、図２に示すように、２次側コンバータ２０の出力電圧Ｖｄｃから制御電源６０により電圧Ｖ１を生成し、その電圧Ｖ１に基づいて対応するゲート駆動回路３０Ａ、３０Ｂにより駆動される。ゲート駆動回路３０Ａ、３０Ｂは、同じ回路構成からなる。以下、ゲート駆動回路３０Ａ、３０Ｂをゲート回路３０と総称し、下アームスイッチ２０ＬＡ、２０ＬＢ、ゲートＧＡ、ＧＢ、エミッタＥＡ、ＥＢ、ゲート電圧ＶＧＥＡ、ＶＧＥＢを、それぞれ下アームスイッチ２０Ｌ、ゲートＧ、エミッタＥ、ゲート電圧ＶＧＥと総称して説明する。

図３は、ゲート駆動回路３０の従来の回路構成図である。ゲート駆動回路３０は、絶縁回路３４及びノーマリーオフ形フォトカプラ３２を有する。絶縁回路３４は、例えば絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータで構成され、制御電源６０からの電圧Ｖ１を入力して電圧Ｖ２と、電圧Ｖ２の中間電位である電圧Ｖ２Ｇとを出力する。

ノーマリーオフ形フォトカプラ３２のＶＰ＋端子及びＶＰ−端子は、絶縁回路３４のＶ２＋端子及びＶ２−端子にそれぞれ接続される。ノーマリーオフ形フォトカプラ３２の出力端子は、ゲート抵抗３１を介して２次側コンバータ２０の下アームスイッチ２０ＬのゲートＧに接続される。ノーマリーオフ形フォトカプラ３２の１次側ダイオードは、アノードにＣＰＵ等の制御部からのオン・オフ信号が入力され、カソードはプルダウン抵抗３３を介して接地される。絶縁回路３４のＶ２Ｇ端子は、２次側コンバータ２０の下アームスイッチ２０ＬのエミッタＥに接続される。

ノーマリーオフ形フォトカプラ３２は、絶縁回路３４からの電圧Ｖ２を下アームスイッチ２０Ｌのゲート電圧ＶＧＥの電源電圧として、当該下アームスイッチ２０Ｌを制御部からのオン・オフ信号に基づいてオン・オフ制御する。すなわち、制御部からのオン・オフ信号がオン（高レベル）のときは、ゲート電圧ＶＧＥを（Ｖ２＋）−（Ｖ２Ｇ）として、下アームスイッチ２０Ｌをオンとする。これに対し、制御部からのオン・オフ信号がオフ（低レベル）のときは、ゲート電圧ＶＧＥを（Ｖ２Ｇ）−（Ｖ２−）として、下アームスイッチ２０Ｌをオフとする。

山本岳、居村岳広、藤本博志、"ワイヤレスインホイールモータの送電電圧および負荷電圧制御による電力伝送効率最大化"、ＳＰＣ−１５-０１４、ＭＤ−１５−０４

しかしながら、図３に示したゲート駆動回路３０は、例えば図２において制御電源６０が起動していない非起動状態で１次側からの電力伝送が行われた場合、ゲート駆動回路３０Ａ及び３０Ｂが起動しないため、２次側コンバータ２０の下アームスイッチ２０Ｌをオンとすることができない。その結果、交流電流源１０からの電流が、２次側コンバータ２０の各アームスイッチと並列に接続されているダイオードを介して直流キャパシタ３０に流れて出力電圧Ｖｄｃが大きく上昇して、２次側コンバータ２０及び三相インバータ７０の各アームスイッチが過電圧で破損してシステムの信頼性が低下することが懸念される。

したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、直列共振型のワイヤレス電力伝送システムにおける２次側コンバータの出力電圧の不所望な上昇を確実に防止でき、システムの信頼性を向上できるゲート駆動回路を提供することにある。

上記目的を達成する本発明に係るゲート駆動回路は、
直列共振型のワイヤレス電力伝送システムにおける２次側コンバータの下アームスイッチを駆動するゲート駆動回路において、
前記下アームスイッチをオン・オフ制御するノーマリーオン形フォトカプラと、
前記２次側コンバータの出力側に接続された直流キャパシタの電圧を分圧する分圧回路と、を備え、
前記ノーマリーオン形フォトカプラは、前記直流キャパシタの電圧を入力電圧とする制御電源の起動状態では、当該制御電源の出力電圧に基づく電圧を前記下アームスイッチのゲート電圧の電源電圧として当該下アームスイッチをオン・オフ制御し、前記制御電源の非起動状態では、前記分圧回路による前記直流キャパシタの分圧電圧を前記下アームスイッチのゲート電圧の電源電圧として当該下アームスイッチをオンにする、
ことを特徴とするものである。

本発明によれば、直列共振型のワイヤレス電力伝送システムにおける２次側コンバータの出力電圧の不所望な上昇を確実に防止でき、システムの信頼性を向上できる。

一実施の形態に係るゲート駆動回路の構成図である。 本発明に係るゲート駆動回路が適用可能な直列共振型のワイヤレス電力伝送システムを適用したワイヤレスインホイールモータ駆動システムの２次側回路の要部の構成図である。 図２に示したゲート駆動回路の従来の回路構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

図１は、一実施の形態に係るゲート駆動回路の構成図である。図１に示すゲート駆動回路３０は、例えば図２に示した直列共振型のワイヤレス電力伝送システムを適用したワイヤレスインホイールモータ駆動システムの２次側コンバータ２０の下アームスイッチ２０ＬＡ又は２０ＬＢを駆動するゲート駆動回路３０Ａ又は３０Ｂとして用いられる。以下、図３の場合と同様に、ゲート駆動回路３０Ａ、３０Ｂをゲート回路３０と総称し、下アームスイッチ２０ＬＡ、２０ＬＢ、ゲートＧＡ、ＧＢ、エミッタＥＡ、ＥＢ、ゲート電圧ＶＧＥＡ、ＶＧＥＢを、それぞれ下アームスイッチ２０Ｌ、ゲートＧ、エミッタＥ、ゲート電圧ＶＧＥと総称して説明する。

図１に示すゲート駆動回路３０は、図３に示した構成においてノーマリーオフ形フォトカプラ３２がノーマリーオン形フォトカプラ３５に変更され、さらに分圧回路４０とダイオード３６とが追加されている。ノーマリーオン形フォトカプラ３５は、ＶＰ＋端子及びＶＰ−端子が絶縁回路３４のＶ２＋端子及びＶ２−端子にそれぞれ接続される。

分圧回路４０は、第１キャパシタ４４と、抵抗４３と、ダイオード４２と、第２キャパシタ４１とを有する。第１キャパシタ４４は、２次側コンバータ２０のＶｄｃ＋端子とダイオード４２のアノードとの間に接続される。第２キャパシタ４１は、ダイオード４２のカソードと２次側コンバータ２０のＶｄｃ−端子との間に接続される。抵抗４３は、ダイオード４２のアノードと２次側コンバータ２０のＶｄｃ−端子との間に接続される。ダイオード４２のカソードは、絶縁回路３４のＶ２＋端子に接続される。

ダイオード３６は、アノードが絶縁回路３４のＶ２−端子に接続され、カソードが２次側コンバータ２０のＶｄｃ−端子及び絶縁回路３４のＶ２Ｇ端子に接続される。ダイオード３６は、図２に示した制御電源６０の起動状態において、絶縁回路３４のＶ２Ｇ端子とＶ２−端子との間の短絡を防止する。

本実施の形態において、分圧回路４０は、直列接続された第１キャパシタ４４と第２キャパシタ４１とを有し、その直列回路が図２に示した２次側コンバータ２０の直流キャパシタ５０に並列に接続されて、第１キャパシタ４４及び第２キャパシタ４１により直流キャパシタ５０の電圧Ｖｄｃを分圧した電圧Ｖ３を生成する。そして、この電圧Ｖ３がノーマリーオン形フォトカプラ３５のＶＰ＋端子に給電される。第１キャパシタ４４及び第２キャパシタ４１は、例えば、電圧Ｖ３が図２に示した制御電源６０が起動している場合の電圧（Ｖ２＋）−（Ｖ２Ｇ）以下で、かつ、２次側コンバータ２０の下アームスイッチ２０ＬＡ、２０ＬＢが確実にオンとなるように、それぞれの静電容量が設定される。

これにより、図２において、制御電源６０の非起動状態で１次側からの電力伝送が行われると、ノーマリーオン形フォトカプラ３５は、分圧回路４０による直流キャパシタ５０の分圧電圧Ｖ３を下アームスイッチ２０Ｌのゲート電圧ＶＧＥの電源電圧として当該下アームスイッチ２０Ｌをオンにする。

その後、制御電源６０が起動されて絶縁回路３４から電圧Ｖ２が出力されると、ノーマリーオン形フォトカプラ３５のＶＰ＋端子及びＶＰ−端子には絶縁回路３４から電圧Ｖ２が印加される。そして、ノーマリーオン形フォトカプラ３５は、絶縁回路３４からの電圧Ｖ２を下アームスイッチ２０Ｌのゲート電圧ＶＧＥの電源電圧として当該下アームスイッチ２０Ｌをオン・オフ制御する。

すなわち、ゲート駆動回路３０は、制御部からのオン・オフ信号がオフ（低レベル）であるときは、ゲート電圧ＶＧＥを（Ｖ２＋）−（Ｖ２Ｇ）として、当該下アームスイッチ２０Ｌをオンとする。これに対し、制御部からのオン・オフ信号がオン（高レベル）であるときは、ゲート電圧ＶＧＥを（Ｖ２Ｇ）−（Ｖ２−）として、当該下アームスイッチ２０Ｌをオフとする。

分圧回路４０は、入力電圧Ｖｄｃが低下すると抵抗４３を経て第１キャパシタ４４を放電し、その後、電圧Ｖｄｃの上昇時に第１キャパシタ４４及び第２キャパシタ４１を再度充電する。

このように本実施の形態によると、図２において、２次側コンバータ２０の制御電源６０が起動していない状態においても、制御電源６０が起動するまでの間、２次側コンバータ２０の下アームスイッチ２０Ｌをオンとすることができる。これにより、２次側コンバータ２０の出力電圧Ｖｄｃの上昇を確実に防止することができるので、２次側コンバータ２０及び三相インバータ７０の破損を防止することができ、直列共振型のワイヤレス電力伝送システムの信頼性を向上することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、分圧回路４０は、キャパシタ分圧回路に限らず、抵抗分圧回路で構成してもよい。

本発明は、直列共振型のワイヤレス電力伝送システムを適用したワイヤレスインホイールモータ駆動システムに応用することができる。

１０ 交流電流源
２０ ２次側コンバータ
３０Ａ、３０Ｂ、３０ ゲート駆動回路
３４ 絶縁回路
３５ ノーマリーオン形フォトカプラ
４０ 分圧回路
４１ 第２キャパシタ
４４ 第１キャパシタ
５０ 直流キャパシタ
６０ 制御電源
７０ 三相インバータ
８０ 三相モータ

Claims (2)

1. 直列共振型のワイヤレス電力伝送システムにおける２次側コンバータの下アームスイッチを駆動するゲート駆動回路において、
   前記下アームスイッチをオン・オフ制御するノーマリーオン形フォトカプラと、
   前記２次側コンバータの出力側に接続された直流キャパシタの電圧を分圧する分圧回路と、を備え、
   前記ノーマリーオン形フォトカプラは、前記直流キャパシタの電圧を入力電圧とする制御電源の起動状態では、当該制御電源の出力電圧に基づく電圧を前記下アームスイッチのゲート電圧の電源電圧として当該下アームスイッチをオン・オフ制御し、前記制御電源の非起動状態では、前記分圧回路による前記直流キャパシタの分圧電圧を前記下アームスイッチのゲート電圧の電源電圧として当該下アームスイッチをオンにする、
   ことを特徴とするゲート駆動回路。
2. 請求項１に記載のゲート駆動回路において、
   前記分圧回路は、前記直流キャパシタに並列に結合されて、前記直流キャパシタの電圧を分圧する直列接続された２つのキャパシタを有する、
   ことを特徴とするゲート駆動回路。

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