JPWO2012090271A1

JPWO2012090271A1 - 通信システム

Info

Publication number: JPWO2012090271A1
Application number: JP2012550599A
Authority: JP
Inventors: 敬亮山本; 博史篠田; 崇秀寺田; 順一坂野; 航平恩田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: WO2012090271A1; JP5632928B2; US20130236189A1; US9148232B2

Abstract

高耐圧絶縁を維持しつつ通信を行う通信システムを提供するため、低電圧動作する制御回路と高電圧動作する非制御回路とを導波路構造を持つ伝搬層を介して接続し、通信を行うようにする。特に、高電圧回路で生じた電位変動に起因して、高電圧回路と低電圧回路の間に変位電流（サージ電流）が流れる。サージ電流保護回路を設け、通信モジュール及び低電圧回路にこのようなサージ電流による定格外の入力が印加されるのを防止する。

Description

本発明は、高耐圧絶縁を維持しつつ通信を行う通信システムに関する。

一例として、大電力を扱うモータ制御用インバータでは、スイッチング素子にＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、Insulated Gate Bipolar Transistor）が広く用いられる。インバータを駆動するゲートドライバとゲートドライバに対して駆動制御信号を出す論理部との間では高耐圧絶縁を維持しつつ制御信号を通信することが必要である。基準電位の異なる回路間を電気的に絶縁して信号伝達する手法としては、フォトカプラやトランス等の絶縁素子を用いる手法が知られている。光結合、磁気結合、容量結合といった異なる結合方式に基づく絶縁素子が知られているが、大電力／高電圧用途では、優れた絶縁特性を有する光モジュールと光ファイバを用いて制御信号の通信を行う手法が主流である。光ファイバを用いたインバータ制御システムの一例として特許文献１を示す。特許文献２では、メッシュ層、導体層、誘電体層からなる導波路構造のシートに、無線通信機を接続し、メッシュ層から染み出す電磁波をアンテナで受信することにより、漏洩電磁波が少ない通信システムを低コストで実現している。

米国特許公開公報ＵＳ２００４／００２４９３７Ａ１特開２０１０−１１４６９６号公報

光ファイバを用いて高耐圧絶縁を維持する方法は、絶縁特性に優れる一方、光ファイバの実装には大きなスペースが必要になり、またファイバの破損による取り換えコストも大きい。より堅牢性が高く（例えば、振動に対する耐性の向上）、小型化、低コスト化可能な通信システムが望ましい。

低電圧・低耐圧の低い論理部（低電圧回路）と高電圧・高耐圧な駆動部（高電圧回路）とを、絶縁対策を施した導波路構造を持つ層を介して接続することにより、高耐圧絶縁を維持しつつ、堅牢性が高く、小型化可能な通信手段を提供する。

低電圧回路や高電圧回路と一体化可能な導波路構造を持つ層を介して通信を行うことにより、低コストで、堅牢性が高く、小型化が可能な通信システムを構築できる。

図１（Ａ）は絶縁通信システムのブロック図を示した説明図であり、図１（Ｂ）はその伝搬路の説明図である。絶縁通信システムのインバータ制御システムへの適用例を示した図である。多層基板を用いた絶縁通信システムの構成例であり、図３（Ａ）は断面図、図３（Ｂ）にアンテナ面、図３（Ｃ）に開口部の形状を示す。多層基板を用いた絶縁通信システムの構成例であり、図４（Ａ）は断面図、図４（Ｂ）にアンテナシールド導体の形状、図４（Ｃ）に開口部の形状を示す。図５（Ａ）、（Ｂ）ともに多層基板を用いた絶縁通信システムの構成例である。複数チャネルの導波路構造を小型に実現するための構造を示した説明図であり、図６（Ａ）はアンテナ面、図６（Ｂ）に開口部、図６（Ｃ）にシールドの形状を示す。通信モジュールの構成を示した説明図であり、図７（Ａ）は単一チャネル対応の通信モジュール、図７（Ｂ）はマルチチャネル対応の通信モジュールである。通信モジュールの別の構成を示した説明図であり、図８（Ａ）は周波数によりチャネルを分離する例、図８（Ｂ）は通信モジュール間にアイソレータを設ける例である。複数チャネルの導波路構造を小型に実現するための構造を示した説明図であり、図９（Ａ）はアンテナ面、図９（Ｂ）に開口部の形状を示す。サージ電流保護回路の構成図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。以下の説明では、回路間の電気的な絶縁を維持しつつ通信を行うことを絶縁通信と記載する。絶縁通信においては、信号伝達に用いられる伝搬路が導波路であるため、通信を行う１次側と２次側の信号線及びグランドは直流的には分離されている。実用化においては、耐圧を確保する構造を付与することが重要である。この様な導波路を介した通信での絶縁の確保は、通信を行う低電圧回路と高電圧回路との間の電気的な結合を所望の範囲内に設計することにより実現される。

図１（Ａ）は本発明の絶縁通信システムのブロック図を示す図である。１０は通信モジュール、１１はサージ電流保護回路、１２は導波路構造を有する伝搬路、１３はアンテナを示している。例えば、この通信システムの端子１８Ａに低電圧回路である制御論理回路が接続され、端子１８Ｂに高電圧回路であるゲートドライバが接続され、導波路構造を有する伝搬路１２を介して制御信号の通信を行う。図１（Ｂ）に伝搬路１２の構造を模式的に示しており、伝搬路１２は、導波路１５と絶縁層１４で構成される。導波路１５の具体的な構成は後に詳述するが、上側・下側の導体層で誘電体層を挟んだ構造で実現される。上側導体層には開口部１６が設けられている。アンテナ１３と導波路１５とは絶縁層１４により電気的に絶縁されている。アンテナ１３Ａ（１３Ｂ）からの信号１７は、開口部１６Ａ（１６Ｂ）を介して導波路１５に入力され、開口部１６（Ｂ）を介してアンテナ１３Ｂ（１３Ａ）に伝搬される。

絶縁層１４はアンテナや端子に接続される回路の信号線、グランドと導波路の導体層等の導体部との間に印加される電圧に対して十分な耐圧を持つ様に設計される。このような絶縁設計は特に、動作電圧差が大きい回路同士を接続する場合に重要な意味を持つ。図２に本発明の通信システム２１を、モータ２５を駆動するインバータ制御システムに適用した例を示す。インバータ２４はＩＧＢＴモジュール２３を含んで構成され、直流電圧ＨＶ（例えば、数百Ｖ以上）からモータ２５を駆動する交流電圧を生成する。生成される交流電圧を制御するため、制御論理部２０はＩＧＢＴモジュール２３をゲートドライバ２２により制御する。なお、通信システム２１上の制御論理部２０とゲートドライバ２２とを結ぶ点線２６は通信チャネルを示している。この例では通信チャネルごとに開口部１６を設けている例を示しているが、後述するように複数のチャネルで１つの開口部１６を共有することも可能である。ここで、制御論理部２０及び、通信システム２１のうち制御論理部２０側の端子１８Ａにつながる通信モジュール、サージ保護回路、アンテナ（図示せず）は制御論理部の電源電圧により動作する。ここではこれらをまとめて低電圧回路と称する。一方、ゲートドライバ２２及び、通信システム２１のうちゲートドライバ２２側の端子１８Ｂにつながる通信モジュール、サージ保護回路、アンテナ（図示せず）は制御論理部２０の電源電圧よりも高い、ゲートドライバの電源電圧により動作する。ここではこれらをまとめて高電圧回路と称する。

ゲートドライバ２２はスイッチング素子であるＩＧＢＴを駆動する。そのため、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ経路を介して大電流が流れることにより高電圧回路側には頻繁に電位変動が生じる。図１（Ｂ）の構造から理解されるように、高電圧回路、低電圧回路、及び通信システムの導波路１５とは絶縁層１４により直流電圧は分離されている。しかしながら、電位変動による交流成分は導波路１５を伝搬する。すなわち、高電圧回路で生じた電位変動に起因して、高電圧回路と低電圧回路の間に変位電流（これがサージ電流である）が流れる。絶縁層１４によりある程度の電位変動は吸収するとともに、サージ電流保護回路１１により、通信モジュール１０及び低電圧回路にこのようなサージ電流により定格外の入力が印加されるのを防止している。

本発明の導波路構造を用いた絶縁通信システムで小型化、堅牢性の向上を実現するには、信号線やグランド、アンテナと導波路の間隔等を厳密に設計する必要がある。したがって、少なくとも導波路とアンテナ部を含む通信機は多層基板を用いて一体化することが望ましい。多層基板を用いて一体化する事により、堅牢性の向上は勿論、基準電位の異なる導体部の間隔、電気的な結合をより厳密に設計できるため、必要最低限のスペースで、所望の絶縁特性を確保できる。

図３は多層基板を用いた絶縁通信システムの構成例である。なお、この例では要部を中心に表示し、例えばサージ保護回路１１は省略して示している。多層基板３１は、通信基板層３２、絶縁層１４、導波路１５とからなり、層を区別するために分離して表示しているが、これらの層は一体化されている。導波路１５は両面銅箔誘電体基板を用いて作製することができる。上面銅箔には開口部１６が設けられている。一方、通信基板層３２は、通信モジュールの回路が実装される層である。図３の例では、制御論理部（低電圧回路）に接続される通信基板層３２Ａとゲートドライバ（高電圧回路）に接続される通信基板層３２Ｂとは物理的に分離されている。これに代えて、低電圧回路の信号線やグランド等の導体部と高電圧回路の信号線やグランド等の導体部とが物理的に分離されていれば（すなわち、直流電流は絶縁される状態になっている）、両者は一枚の基板として繋がっていてもよい。このように、低電圧回路と高電圧回路との間の信号線とグランドは物理的に分離されており、低電圧回路と高電圧回路との間の通信は、両面銅箔誘電体基板を用いて作製した導波路１５を通じて行われる。アンテナ１３は、導波路１５の開口部との間で電磁波を伝搬させる。アンテナ１３と導波路１５との間には絶縁層１４を設け、電気的絶縁を維持する。

図３（Ｂ）に通信基板層３２を導波路１５側からみた平面図（アンテナ面）を示す。アンテナ１３は金属箔で形成され、通信に用いるキャリア波長に応じたアンテナ長さを持たせる。図のように折り曲げることにより、実装面積を小さくしている。アンテナ１３と通信モジュール１０とは貫通ビアを介して接続されている。図３（Ｃ）は導波路１５を形成する両面銅箔誘電体基板の上面銅箔の形状を示している。なお、図示していないが、図３の絶縁通信システムの多層基板３１の側面を銅箔で覆うことが望ましい。これは、外部からの電磁波ノイズが通信路にのってくるのを防止するためである。この点は、後述する通信システムの構成例でも同様である。

通信モジュール１０は、導波路１５を介した通信を行うにあたり、制御信号をベースバンド周波数からキャリア周波数にアップコンバート及びキャリア周波数からベースバンド周波数にダウンコンバートして通信を行う構成を持つことが望ましい。周波数変換を行い高周波信号に変換することにより、導波路構造を小型化可能であり、信号に重畳されるインバータノイズと信号を分離することも容易になる。例えば、インバータ動作により生じるノイズはおよそ５００ＭＨｚ以下であるので、通信に用いる周波数を例えば９００ＭＨｚ〜数ＧＨｚとすることで、ノイズの影響を十分小さく抑えることができる。また、アンテナを小型化することにより、アンテナと導波路層の容量結合を小さく抑えることができるため、絶縁を維持しやすくなる。

図４は多層基板を用いた絶縁通信システムの別の構成例である。第１の特徴点は、アンテナ周辺にシールドを設けた点である。通信基板層４２は２層の誘電体層の基板で形成され、その間にアンテナシールド導体４３が形成されている。図４（Ｂ）にシールド導体４３の平面図を示している。シールド導体４３は中央部に開口部が設けられ、その開口部を通信モジュール１０とアンテナ１３とを接続する貫通ビア４４が貫通している。また、通信基板層４２の下側（導波路１５側）誘電体層には、シールド導体４３につながるように複数の貫通ビア４５が設けられている。複数の貫通ビア４５の間隔は通信波長よりも十分小さい間隔になるように設定される。アンテナシールド（シールド導体４３及び貫通ビア４５）は外部ノイズ及び干渉の低減やアンテナからの漏洩電磁波を低減する際に用いられる。第２の特徴点は、開口部４６を複数の小さなスロット４７で実現した点である。開口部４６から放射される電磁波を所望の大きさ、放射パターンに制御する際には、開口部を図３の例のような一つのスロットではなく、複数のスロットで構成する手法が有効である。

図５は多層基板を用いた絶縁通信システムの別の構成例である。アンテナを導波路の内部に設けた点に特徴がある。導波路１５は２つの誘電体層５１、５２からなり、誘電体層５１、５２の間の導体層にアンテナ１３が形成される。図３、４の構造では導波路設計と独立して絶縁体設計ができる利点があるのに対し、図５の構造では導波路設計において絶縁体設計を行う必要がある。図５の構造ではアンテナ１３が導波路内部に実装されるため、主に外部ノイズ及びアンテナからの漏洩電磁波の低減を重視する際にはこのような構造が有効である。また、アンテナ利得が小さくて良い場合には、図５（Ｂ）に示すように、アンテナ５４のような、平面的な構造を持たない単純なアンテナを用いてもよい。

図６は多層基板を用いた絶縁通信システムの別の構成例である。複数の導波路を効率よく実装することが特徴である。図６（Ａ）はアンテナ面を示し、一対のアンテナ６１〜６３が並列に配置されている。図６（Ｂ）は、開口部での断面図を模式的に示す。アンテナ対６１は開口部対６５に対応し、アンテナ対６２は開口部対６６に対応し、アンテナ対６３は開口部対６７に対応している。導波路はシールド６４により、チャネルごとに分離することができる。シールドは、図６（Ｃ）に示すように、貫通ビア６８により実現する。貫通ビア６８は穴の内側に導体めっきを施したものであり、他の導体（例えば、導波路の金属箔など）とは電気的に接続されていないフローティング状態になっている。また、シールドの長手方向に配置される貫通ビア６８間の間隔は、通信波長よりも十分小さい間隔になるように設定される。このように、複数の導波路間にシールドを設けることにより、一つの導波路層に複数の実効的な導波路層を実現できる。この際、必要に応じて図４に示したようなシールドをアンテナ周辺に設けてもよい。

図７はＯＯＫ（On-Off-Keying）を用いた場合の通信モジュールの構成を示すブロック図である。８０は発振器、８１はＰＬＬ（Phase Locked Loop）、８２はスイッチ、８３はパワーアンプ、８４はアンテナ面、８５は導波路層、８６は検波器、８７はコンパレータを示す。低電圧回路と高電圧回路間での通信において一つの導波路で一つの通信チャンネルを用いる場合には、図７（Ａ）のようにキャリア周波数をＯｎ−Ｏｆｆするだけの簡易な通信機で通信モジュールが構築可能である。図７（Ｂ）は複数のチャネルを用いる場合である。この構成では、通信モジュールのキャリア周波数発生部は複数のチャネルで共用可能であるが、それ以外は複数のチャネルごとに送信回路・受信回路、及び導波路が必要となる。なお、複数の導波路は図６のような一つの多層基板に対して実効的に複数のチャネルを設けてもよい。

図８は複数の通信チャネルを周波数で分離する場合の通信モジュールの構成を示すブロック図である。キャリア周波数ｆ１で送信機Ｔｘ１と受信機Ｒｘ１とが通信を行い、キャリア周波数ｆ２で送信機Ｔｘ２と受信機Ｒｘ２とが通信を行う。９０はローパスフィルタ、９１は変調器、９２は周波数シンセサイザ、９３は復調器、９４はサーキュレータを示す。この構成では、図８（Ａ）のように複数のチャネルで導波路を共有し、キャリア周波数を変えることで複数のチャネルを分離する。通信モジュールのコストは図７の構成に比べて高くなるが、導波路層の小型化、構造の簡略化が可能である。導波路を共有する通信モジュール間でアイソレーションが必要な場合には通信モジュールと導波路の間にアイソレータやサーキュレータを挿入することが望ましい。図８（Ｂ）は導波路を共有する通信モジュールがそれぞれ送信側、受信側であり、かつアンテナも共有する場合の構成を示す図である。この例では、受信機９５及び送信機９６がアンテナを共有しており、受信機９７及び送信機９８がアンテナを共有している。

図９は複数の通信チャネルで導波路を共用する場合の導波路の構造を示す図である。図９（Ａ）はアンテナ面を示し、一対のアンテナ１０１〜１０２が並列に配置されている。図９（Ｂ）は、開口部での断面図を模式的に示す。図８（Ａ）に示したように、通信モジュールが複数のチャネルを分離して送受信できる構成の場合、一つの導波路に複数の開口部を設け、それぞれを別の通信部に接続するようなバス構造の導波路を用いることで通信システムの小型化が可能である。例えば、アンテナ１０１Ａ（図９Ａ）は変調器９１Ａ（図８Ａ）に、アンテナ１０１Ｂ（図９Ａ）は復調器９３Ａ（図８Ａ）に、アンテナ１０２Ａ（図９Ａ）は変調器９１Ｂ（図８Ａ）に、アンテナ１０２Ｂ（図９Ａ）は復調器９３Ｂ（図８Ａ）に接続すればよい。図６のように導波路が分離されていないが、アンテナ１０１Ｂはアンテナ１０１Ａからの信号を選択的に受信し、アンテナ１０２Ｂはアンテナ１０２Ａからの信号を選択的に受信する。

一般に、導波路の幅は通信キャリアの波長に応じた幅が必要である。一通信チャネルが一導波路に対応する場合、それぞれの導波路が通信キャリアの波長に応じた幅が必要になる。これに対して、複数の通信チャネルで導波路を共用できるのであれば、共用される導波路の幅Ｗが使用される通信キャリアに応じた幅をもっていればよいことになる。したがって、導波路の共有により、小型化が実現できる。なお、通信モジュールが複数のチャネルを分離する方法は図８のような周波数で分離する手法の他にも、時間、空間、符号等を用いて分離してもよい。

図１０は図７の構成において、通信モジュールに印加される電力を所望の範囲内に抑えるためのサージ保護回路を追加した構成例を示す図である。１１０はパワーアンプの負荷インダクタ、１１１はサージ保護回路を示す。本発明の絶縁通信システムをインバータ制御システムのような電源電位の大きく異なる回路間に適用すると、アンテナ面と導波路層との間の寄生容量が主要な容量性カップリングとなり、ゲートドライバ（高電圧回路）の電圧変動の際に通信モジュールや制御論理回路に回路の定格を超えた変位電流ノイズが流入し得る。このようなノイズが発生した際にも通信モジュールや制御論理回路が正常に動作するように、通信モジュールはサージ保護回路１１１を有することが望ましい。図１０の例では、サージ保護回路１１１はＬＣフィルタで構成している。ゲートドライバ（高電圧回路）の電圧変動により発生するサージ電流の主要な周波数成分が、通信で用いる周波数帯域よりも十分低い場合にはＬＣフィルタによりノイズ成分と信号を分離できる。この際、サージ電流の大部分はサージ保護回路のインダクタを流れるため、通信モジュールの動作には大きな影響を与えない。サージ保護回路は図示の構成に限定されることなく、ＲＣフィルタ、バリスタ、ダイオードを用いて構成することもできる。

１０：通信モジュール、１１：サージ電流保護回路、１２：導波路構造を有する伝搬路、１３：アンテナ、１４：絶縁層、１５：導波路、１６：開口部、１７：信号、１８：端子。

Claims

第１電圧で動作する制御論理回路と第２電圧で動作する被制御回路との通信システムであって、
上記制御論理回路からの制御信号を第１のキャリア周波数に変換する第１の通信モジュールと、
第１のアンテナと、
導波路と、
上記第１のアンテナ及び上記導波路とを経由して上記第１のキャリア周波数に変換された制御信号を受信する第２のアンテナと、
上記第２のアンテナで受信された上記第１のキャリア周波数に変換された制御信号をベースバンド周波数に逆変換する第２の通信モジュールとを有する通信システム。
請求項１において、
上記第１アンテナは第１サージ保護電流回路を介して上記第１の通信モジュールに接続され、上記第２アンテナは第２サージ保護電流回路を介して上記第２の通信モジュールに接続される通信システム。
請求項１において、
上記導波路は、対向する面を導体層で挟まれた誘電体層で構成され、上記第１のアンテナ及び上記第２のアンテナに対応する開口部を有する通信システム。
請求項３において、
上記第１通信モジュールを実装する通信基板層と上記導波路は多層基板で構成され、
上記通信基板層、上記第１のアンテナを形成する金属導体層、絶縁層、上記導波路の順に積層され、
上記絶縁層は、上記第１のアンテナと上記導波路の導体層との電気的絶縁を維持する通信システム。
請求項３において、
上記第１通信モジュールを実装する通信基板層と上記導波路は多層基板で構成され、
上記通信基板層、上記導波路の順に積層され、
上記第１のアンテナは、上記導波路の誘電体層中に設けられる通信システム。
請求項５において、
上記導波路の誘電体層は２層の誘電体層で形成され、上記２層の誘電体層の間に上記第１のアンテナを形成する金属導体層が設けられる通信システム。
請求項１において、
上記制御信号のキャリア周波数への変換は、キャリア周波数を２値で表された制御信号でスイッチングすることにより行う通信システム。
請求項３において、
上記制御論理回路からの別の制御信号を第２のキャリア周波数に変換する第３の通信モジュールと、
第３のアンテナと、
上記第３のアンテナ及び上記導波路とを経由して上記第２のキャリア周波数に変換された別の制御信号を受信する第４のアンテナと、
上記第４のアンテナで受信された上記第２のキャリア周波数に変換された別の制御信号をベースバンド周波数に逆変換する第４の通信モジュールとを有する通信システム。
請求項８において、
上記導波路は、上記第１のアンテナに対応する第１開口部、上記第２のアンテナに対応する第２開口部、上記第３のアンテナに対応する第３開口部、上記第４のアンテナに対応する第４開口部とを有し、
上記第１のキャリア周波数と上記第２のキャリア周波数とは同じ周波数であり、
上記第１開口部及び上記第２開口部と上記第３開口部及び上記第４開口部とを隔てるようにシールドを設けることにより、上記第１及び上記第２の通信モジュールの間に第１の通信チャネルが実現され、上記第３及び第４の通信モジュールの間に第２の通信チャネルが実現される通信システム。
請求項８において、
上記導波路は、上記第１のアンテナに対応する第１開口部、上記第２のアンテナに対応する第２開口部、上記第３のアンテナに対応する第３開口部、上記第４のアンテナに対応する第４開口部とを有し、
上記第１のキャリア周波数と上記第２のキャリア周波数とは異なる周波数であり、上記第２のアンテナは上記第１のキャリア周波数に変換された制御信号を選択的に受信し、上記第４のアンテナは上記第２のキャリア周波数に変換された別の制御信号を選択的に受信することにより、上記第１及び上記第２の通信モジュールの間に第１の通信チャネルが実現され、上記第３及び第４の通信モジュールの間に第２の通信チャネルが実現される通信システム。