TWI475816B - 電力線通信裝置、附帶通信功能之電源電路、電氣機器及控制監視系統 - Google Patents

Description

電力線通信裝置、附帶通信功能之電源電路、電氣機器及控制監視系統

本發明有關於利用電力線作為信號傳送路徑之電力線通信裝置，以及搭載電力線通信功能之電源電路、電氣機器及控制監視系統。

藉由電力線通信(PLC：Power Line Communication)在宅内構成網路之技術，業已被實際應用。關於此種電力線通信，可在與插座連接之PLC調變解調器(電力線通信裝置)間，將電力線(屋內配線)作為信號傳送路徑作通信。因此，即使不將專用的通信纜線架設於宅內，亦能構成有線LAN(區域網路)(例如，參照非專利文獻1。)。在PLC調變解調器，經由通信線而連接著個人電腦等之具有資訊通信功能的機器。

又，不限於個人電腦等，也可將附加有來自外部之控制功能或往外部之資訊提供功能的家電機器與PLC調變解調器連接而編入網路中(例如，參照專利文獻1。)。

然而，依家電機器購入PLC調變解調器而作設置係為繁雜，亦有PLC調變解調器佔據1個插座的不便。又，亦有在壁面等之PLC調變解調器的設置物理上困難之情況。於是，預先使PLC調變解調器內建於家電機器中，在功能方面、促進PLC普及方面皆較為理想。

第5圖係顯示使PLC調變解調器內建於家電機器中之情況之電路構成例的圖。在圖中，家電機器63多數具備電源電路62，以提供直流之電源電壓於控制用而搭載的電子電路。電源電路62係將透過插頭63p所供給之商用交流電壓變換為既定的直流電壓。PLC調變解調器61係並聯於電源電路62的1次側，藉由將插頭63p插入插座64，與電力線65連接。

PLC調變解調器61係由PLC調變解調器電路部611、與電力線之結合用的高頻變壓器612及電容器613所構成。又，PLC調變解調器電路部611係由未圖示之數位通信處理部、調變部、解調部及線路驅動器(類比放大器)等所構成。

如上述，若將PLC調變解調器61編入家電機器63内，則家電機器63有著該部分電路複雜化、成本增高的問題點。因此，如何將電路簡樸化，抑制成本增高成為課題。

先行技術文献 專利文獻

專利文獻1：特開2008-48012號公報(第1、2圖)

非專利文獻

非專利文獻1：Interface、第70～81頁、「電力線搬送(PLC：Power Line communication)之現狀」、江藤潔著、CQ出版社、2000年9月

鑒於如上述之課題，本發明係以在搭載於家電機器等之電氣機器的PLC調變解調器，藉由較簡樸且便宜之電路構成來實現電力線通信的發送功能為目的。

(1)本發明係利用電力線作為信號傳送路徑之電力線通信裝置，具備：半導體切換元件，存在於與前述電力線連接之電路上；以及調變部，藉由控制前述半導體切換元件之打開/關閉，使經調變之矩形波的通信信號既定期間輸出於前述電力線。

在構成為如上述之電力線通信裝置，藉由以根據應發送之電力線通信的信號而經調變之打開/關閉的型態來切換半導體切換元件，可經由電力線而將信號發送至其他的電力線通信裝置。因此，不需要將電力線通信之信號送出於電力線用之線路驅動器(類比放大器)及高頻變壓器。

(2)又，在上述電力線通信裝置，半導體切換元件係亦用於從電力線接收交流電壓之供給的電源電路之切換，調變部係藉由半導體切換元件，而於利用電源電路之電力信號的空閒時間，使通信信號輸出。

此時，利用電源電路能構成電力線通信裝置。

(3)另一方面，本發明係根據從電力線供給之交流電壓，而進行利用切換之AC/DC轉換之電源電路，其具備：半導體切換元件，進行前述切換；解調部，抽出以前述電力線作為信號傳送路徑而傳來之電力線通信的信號而作解調；以及調變部，利用前述AC/DC轉換用之切換的空閒時間，藉由控制前述半導體切換元件之打開/關閉，使經調變之矩形波的通信信號在既定期間輸出於前述電力線。

在構成為如上述之附帶通信功能之電源電路，藉由以根據應發送之電力線通信的信號而經調變之打開/關閉的型態來切換半導體切換元件，可經由電力線而將電力線通信的信號發送。因此，不需要將電力線通信之信號送出於電力線用之線路驅動器及高頻變壓器。又，藉由利用電源電路既可不必同時設置電力線通信功能專用的電源部，且可利用電源電路之半導體切換元件。

(4)又，在上述(3)之附帶通信功能之電源電路，與用於電源電路內之整流的電容器串列，插入電感器與電容器之LC並聯電路，而在該LC並聯電路設定電感量及電容量，以利用電力線通信用之切換頻率作並聯共振較為理想。

此時，因為並聯共振導致LC並聯電路之阻抗變極大，所以可防止整流輸出端子間之短路。

(5)又，在上述(3)之附帶通信功能之電源電路，半導體切換元件係使用SiC電晶體、GaN電晶體及鑽石電晶體之任一者較為理想。

此時，此等電晶體之任一個因為切換損失為少，所以即使在本來之切換追加電力線通信用的切換，亦可抑止電源電路之轉換効率降低。

(6)又，在上述(3)之附帶通信功能之電源電路，亦可模組化為可裝備於電氣機器。

此時，藉由對各種家電機器安裝經模組化之電源電路，可容易地附加電力線通信之功能。

(7)再者，搭載上述(3)之附帶通信功能之電源電路的本發明之電氣機器，亦可係使有關自己之消耗電力的資訊包含於前述通信信號。

此時，可將有關於消耗電力之資訊容易地提供給管理機器(集中控制監視裝置及個人電腦等)。

(8)又，搭載上述(3)之附帶通信功能之電源電路的本發明之電氣機器，亦可係根據作解調而得到之電力線通信的信號以進行自己的動作控制或電力管理。

此時，可將該電氣機器變成利用電力線通信之遠端控制或電力管理之對象。

(9)又，作為控制監視系統之本發明，係搭載上述(3)之附帶通信功能之電源電路，使有關自己的消耗電力之資訊包含於前述通信信號，同時藉由根據作解調而得到之電力線通信的信號以進行自己的動作控制或電力管理之電氣機器、具有電力線通信的功能之管理機器而構成電力線通信的網路，前述管理機器係就前述電氣機器進行控制及資訊的監視。

此時，即使不新設置通信專用線，亦可藉管理機器(集中控制監視裝置及個人電腦等)而集中進行各電氣機器之控制及監視。

第1圖係顯示本發明之一實施形態的電力線通信裝置(以下，稱為PLC調變解調器。)及、利用電力線通信之附帶通信功能之電源電路的概略構成的圖。即，PLC調變解調器1係被內建於電源電路2，電源電路2係例如內建於家電機器3。藉由被連接於電源電路2之1次側的插頭3p被插入電源插座4，且電源電路2從電力線5接收商用交流電壓(AC100V)之供給，以使PLC調變解調器1可進行電力線通信。

第2圖係顯示上述電源電路2之內部構成的電路圖。此電源電路2係藉由以商用交流電壓作為輸入電壓，且進行利用整流及切換之AC/DC轉換，以提供直流之既定的輸出電壓(例如，DC16V)。具體而言，該電源電路2係將由以4個二極體構成之橋接電路21、用於整流之電容器Cs、LC並聯電路22、半導體切換元件Sx、變壓器23、2個二極體24,25、抗流線圈26、及平滑用電容器27如圖示地連接而構成順向型轉換器。

LC並聯電路22係電感器Lx(電感量：Lx)、電容器Cx(電容量：Cx)互相並聯連接。除了LC並聯電路22外之上述各部，係原本作為電源電路就為必要者。

此外，二極體21,24,25之功能亦可藉由代替FET等電晶體而進行同步整流來實現。

又，作為上述半導體切換元件Sx，使用適於在高頻(2MHz以上)下之切換的電晶體、或接面FET、MOS-FET等。於半導體切換元件Sx之控制端子(基極、閘極)並聯連接著驅動部29及調變部12。驅動部29係從切換控制部28接收驅動指令而動作。調變部12係從數位通信處理部11接收調變指令而動作。

又，切換控制部28係使數位通信處理部11獲悉利用驅動部29之切換的時序、及空閒時間(詳細後述)，以使驅動部29之輸出與調變部12之輸出不會同時發生。於LC並聯電路22之兩端，如圖示，經由高通濾波器14,15而連接著解調部13。來自解調部13之輸出信號係被送至數位通信處理部11。

首先，就上述之電源電路2的電源電路原功能作說明。當原為關閉狀態之半導體切換元件Sx藉由驅動部29之輸出而成為打開狀態時，根據藉橋接電路21整流之電壓，於變壓器23的1次側繞線產生逆向電力，於2次側繞線產生感應電力。藉此，經由二極體24電流流動於負載(未圖示。)，於抗流線圈26儲存能量。

接著，當半導體切換元件Sx成為關閉之狀態時，抗流線圈26放出所存之能量，電流經由二極體25而流動於負載，以抑止電流變化。藉由此循環，於負載供給電力。切換頻率係為數10kHz～數100kHz左右之較低的頻率。

接著，就上述之電源電路2的電力線通信的功能作說明。

首先，關於接收，重疊於電力線之電力線通信的信號(2MHz～30MHz之高頻)經由高通濾波器14,15而藉解調部13作解調。經解調之信號藉數位通信處理部11而被解讀。

另一方面，傳送係藉由從數位通信處理部11經過調變部12，而將半導體切換元件Sx作切換以進行。此切換係在2MHz以上之高頻下進行。

第3(a)圖係將為電力線通信用而驅動半導體切換元件Sx之脈衝信號(傳送信號)的一例簡略化而顯示的圖。此信號係被相位調變之數位信號。即，此信號的基本係在單位時間(=1周期t)內，根據脈衝(矩形波)的打開/關閉之時序變化而表示2位元的資訊。當與周期t之開始同時成為打開，在1/2周期之時點成為關閉時，表示「0」。相反地，當在1/2周期之時點成為打開，在1周期結束時點成為關閉時，表示「1」。

例如，若應傳送之電力線通信的信號(資訊)為「00101」，則調變部12係輸出示於(a)之脈衝信號。藉此，變成調變部12係在既定期間T之間以固定周期t進行使半導體切換元件Sx在單位時間(=t)內打開/關閉，且將在1周期t內使打開/關閉之時序根據應傳送之電力線通信的信號來予以變化，以進行相位調變。

第3(b)圖係顯示包含示於(a)之脈衝信號之電源電路2切換的圖。作為電源電路之原本的切換係依作為電力信號之圖示的PWM(脈衝幅調變)脈衝而在一定周期ts進行。此PWM脈衝並非係涵蓋1周期ts的全部，而係於1周期ts之初期/終期必存在空閒時間。於是，利用此空閒時間，例如如圖示般，在1周期的初期插入示於(a)之電力線通信的脈衝信號。

此外，如前述，因為電力線通信信號頻率係遠比電源電路本來的切換頻率還高頻，因此僅有短暫之傳送之時間T。又，因為第2圖之數位通信處理部11係使調變部12與切換控制部28同步動作，所以可尋找正確空閒時間而插入信號。

依上述之信號插入而半導體切換元件Sx被切換，電力線通信之信號經由橋接電路21而送出至電力線5(第1圖)。藉此，半導體切換元件Sx係在為AC/DC轉換用之本來的切換期間，扮演如將電力線通信之信號送出的振盪器般之腳色。

上述之信號插入進行之頻次雖因依傳送之資訊量而異，惟例如，若係數據等則1秒1次左右即足夠。因此，可將信號插入對電源電路之轉換効率等造成之影響抑止至可無視的程度。

如以上，具有上述之PLC調變解調器1或其功能之電源電路2係藉由以根據應傳送之電力線通信的信號而相位經調變之打開/關閉型態來切換半導體切換元件Sx，以經由電力線5將信號傳送至其他的PLC調變解調器(或電源電路或家電機器)。因此，不需要將電力線通信之信號送出於電力線用之線路驅動器(類比放大器)及高頻變壓器，即可藉簡樸且便宜之電路構成實現電力線通信的傳送功能。

又，因為藉由利用電源電路2即可不必同時設置電力線通信功能專用的電源部，且可利用電源電路2之半導體切換元件Sx，因此可藉由簡樸且便宜之電路構成，實現電力線通信之功能。

此外，LC並聯電路22係設定電感量及電容量以依電力線通信用之切換頻率作並聯共振。即，當以fs為電力線通信用之切換頻率時，則

fs=1/{2π‧(Lx‧Cx)^1/2 }

。此時，因為並聯共振導致LC並聯電路22之阻抗變極大，即使在高頻下之電容器Cs的阻抗變成接近0，亦可防止第2圖之整流輸出端子C-D間的短路。

又，必須調整Lx、Cx之共振的Q值，以使流於第2圖之輸入端子A，B之共模電流在根據電波法(radio law)規定之電力線通信的容許值(2～15MHz：30dBμA,15～30MHz：20dBμA)以內。

此外，用於電力線通信之頻率可為單一的頻率，亦可為複數的頻率或OFDM(正交頻率部門多工)。然而，在所使用之頻帶為寬之情況，不為如第2圖之LC並聯電路22(1個電感器Lx及1個電容器Cx)，而有必要進一步並聯連接共振頻率不同之複數的LC並聯電路。

此外，在使用電晶體作為上述半導體切換元件Sx之情況，較佳為使用SiC電晶體、GaN電晶體或鑽石電晶體。此等電晶體之任一個因為切換損失為少，所以即使在本來之切換追加電力線通信用的切換，亦可抑止電源電路之轉換効率降低。

此外，如上述之附帶通信功能之電源電路2較佳為經模組化(例如，作為電源單元收容於殼體等之完成部件)。

此時，藉由對各種家電機器其他電氣機器安裝經模組化之電源電路2，可容易地附加電力線通信之功能。

第4圖係顯示利用電力線通信之宅內網路的一例的圖。在此家H，在設置於光纖102的終端之ONU(電線終端裝置)101連接著PLC調變解調器100。宅內之電力線(屋內配線)5係經由配電板6而相互連接。配電板5係經由支線7而連接於外部電線。在電力線5於各處設有電源插座4。

藉由將PLC調變解調器100連接於電源插座4，可將分布於宅之電力線5作為利用電力線通信之信號傳送路徑而利用。又，藉由將搭載如上述之附帶通信功能之電源電路2的宅之各種家電機器等之電氣機器連接於電源插座4，以構成利用電力線之LAN。在此，以例如，空調301～303、電視304、冷藏庫305、及集中控制監視裝置306作為搭載附帶通信功能之電源電路2的電氣機器。

個人電腦307係與PLC調變解調器100連接為可通信。然而，只要於個人電腦307搭載附帶通信功能之電源電路2，亦可進行經由電力線之通信。流於支線7之電流係可藉電流檢測器8而檢測，此輸出係被送至集中控制監視裝置306。

在如第4圖之構成中，個人電腦307係可從PLC調變解調器100及ONU101經由光纖102而連接網路。又，電視304係亦可例如，從光纖102經由電力線5而接收映像傳送。

而且，此宅內網路，係以電力控制及監視作為目的而構成，例如，將消耗電力大之空調作為控制/監視的對象。各空調301~303係具有提供自己的消耗電力之資訊的功能，該資訊係利用搭載於電源電路2內之PLC調變解調器1的功能而被送出於電力線5。又，各空調301~303係具有從外部接收進行自己的動作控制之信號的功能，且可藉由搭載於電源電路2內之PLC調變解調器1的功能而接收該信號。

另一方面，集中控制監視裝置306係可利用搭載於電源電路2內之PLC調變解調器1的功能，而從電力線5接收信號。因此，可監視宅內之各空調301~303的消耗電力，並依需要而顯示。又，集中控制監視裝置306係可根據電流檢測器8之輸出檢測宅內全部的消耗電力。而且，集中控制監視裝置306係具有與宅內之容許消耗電力 (例如，依省能之1觀點來看作為可使用之最大電力而預先設定者)有關之資訊。

集中控制監視裝置306係在宅內之消耗電力超過容許消耗電力之情況，使運作中之空調301~303之至少1台停止。

具體而言，集中控制監視裝置306係可對要予以停止之空調傳送停止信號，而接收此之空調係藉由使電源電路2之半導體切換元件Sx呈連續關閉的狀態，以停止其運轉。又，亦可在宅內之消耗電力降低而大為低於容許消耗電力之情況，使已予以停止之空調再度啟動。據此，變成可利用電力線通信更遠距地控制家電機器。

此外，集中控制監視裝置306係與網路中之電力的控制監視有關的管理機器的一例。如此功能亦可藉由個人電腦而實現。又，由如此管理機器、成為控制/監視之對象的電氣機器所構成之控制監視系統可不僅以空調，而以各種電氣機器作為對象。而且，不僅於宅內，在辦公處及工場內亦可構成如此之控制監視系統。

此外，應想作本次所記載之實施形態的所有點皆為例示，並非限制。本發明之範圍係根據申請專利範圍來表示，與申請專利範圍均等之涵義及範圍內之所有變更皆包含。

例如，本通信方式係不僅於交流電源線，於直流電源線中亦可因為省略橋接電路21而適用。又不僅相位調變，FSK、QPSK、QAM、OFDM、SS(Spread Spectrum)調變亦可適用。

產業上之可利用性

根據本發明之電力線通信裝置，變成不需要將電力線通信之信號送出至電力線用之線路驅動器及高頻變壓器，即可藉由簡樸且便宜之電路構成來實現電力線通信之傳送功能。又，根據本發明之附帶通信功能之電源電路，除了不需要將電力線通信之信號送出至電力線用之線路驅動器及高頻變壓器以外，藉由利用電源電路，根據較簡樸且便宜之電路構成，可提供實現電力線通信之功能的電源電路。就本發明之電氣機器、控制監視系統而言亦為如此。

1．．．PLC調變解調器

11．．．數位通信處理部

12．．．調變部

13．．．解調部

14、15．．．高通濾波器

100．．．PLC調變解調器

101．．．ONU(電線終端裝置)

102．．．光纖

2．．．電源電路

21．．．橋接電路

21、24、25．．．二極體

22．．．LC並聯電路

23．．．變壓器

26．．．抗流圈

27．．．平滑用電容器

28．．．切換控制部

29．．．驅動部

3．．．家電機器

3p．．．的插頭

301~303．．．空調

304．．．電視

305．．．冷藏庫

306．．．集中控制監視裝置

307．．．個人電腦

4．．．電源插座

5．．．電力線

6．．．配電板

61．．．PLC調變解調器

611．．．PLC調變解調器電路部

612．．．高頻變壓器

613．．．電容器

62．．．電源電路

63．．．家電機器

63p．．．插頭

64．．．插座

65．．．電力線

7．．．支線

8．．．電流檢測器

A、B．．．輸入端子

C、D．．．輸出端子

Cx、Cs．．．電容器

H．．．家

Lx．．．電感器

Sx．．．半導體切換元件

第1圖係顯示本發明之一實施形態的電力線通信裝置(PLC調變解調器)、及利用電力線通信之附帶通信功能之電源電路的概略構成的圖。

第2圖係顯示上述電源電路之內部構成的電路圖。

第3(a)圖係將電力線通信用而驅動半導體切換元件之脈衝信號的一例簡略化而顯示的圖，第3(b)圖係顯示包含示於(a)之脈衝信號之顯示電源電路之切換的圖。

第4圖係顯示利用電力線通信之宅內網路的一例的圖。

第5圖係顯示使PLC調變解調器內建於家電機器之情況的電路構成例的圖。

2．．．電源電路

11．．．數位通信處理部

12．．．調變部

13．．．解調部

14、15．．．高通濾波器

21、24、25．．．二極體

22．．．LC並聯電路

23．．．變壓器

26．．．抗流線圈

27．．．平滑用電容器

28．．．切換控制部

29．．．驅動部

A、B．．．輸入端子

C、D．．．輸出端子

Cx、Cs．．．電容器

Lx．．．電感器

Sx．．．半導體切換元件

Claims (9)

1. 一種電力線通信裝置，係利用電力線作為信號傳送路徑之電力線通信裝置，其特徵在於具備：半導體切換元件，係在從前述電力線接收電壓的供給之電源電路中進行電壓轉換用的切換；以及調變部，不同於利用前述半導體切換元件所進行的前述切換，而藉由控制相同的前述半導體切換元件之打開/關閉，使經調變之矩形波的通信信號在既定期間輸出於前述電力線。
2. 如申請專利範圍第1項之電力線通信裝置，其中前述調變部係藉由前述半導體切換元件而在基於前述電源電路之電力信號的空閒時間使前述通信信號輸出。
3. 一種附帶通信功能之電源電路，係根據從電力線供給之交流電壓，而進行利用切換所致之AC/DC轉換之電源電路，其特徵在於具備：半導體切換元件，進行前述切換；解調部，抽出並解調以前述電力線作為信號傳送路徑而傳來之電力線通信的信號；以及調變部，利用由前述AC/DC轉換用之前述半導體切換元件所進行之切換的空閒時間以控制相同的前述半導體切換元件之打開/關閉，藉此使經調變之矩形波的通信信號在既定期間輸出於前述電力線。
4. 如申請專利範圍第3項之附帶通信功能之電源電路，其中與在前述電源電路內用於整流的電容器串聯並插入電感器與電容器之LC並聯電路，且該LC並聯電路係以藉 由電力線通信用之切換頻率作並聯共振的方式設定電感量及電容量。
5. 如申請專利範圍第3項之附帶通信功能之電源電路，其中前述半導體切換元件係使用SiC電晶體、GaN電晶體及鑽石電晶體之任一者。
6. 如申請專利範圍第3至5項中任一項之附帶通信功能之電源電路，其中模組化為可裝備於電氣機器。
7. 一種電氣機器，其特徵在於：搭載如申請專利範圍第3至6項中任一項之附帶通信功能之電源電路，使有關自己之消耗電力的資訊包含於前述通信信號。
8. 一種電氣機器，其特徵在於：搭載如申請專利範圍第3至6項中任一項之附帶通信功能之電源電路，根據作解調而得到之電力線通信的信號以進行自己的動作控制或電力管理。
9. 一種控制監視系統，其特徵在於：搭載如申請專利範圍第3至6項中任一項之附帶通信功能之電源電路，使有關自己的消耗電力之資訊包含於前述通信信號，同時藉由根據作解調而得到之電力線通信的信號以進行自己的動作控制或電力管理之電氣機器、和具有電力線通信的功能之管理機器而構成電力線通信的網路，前述管理機器係對前述電氣機器進行控制及資訊的監視。