パワーエレクトロニクス機器
【課題】結合係数の温度依存性を低減しつつ、外部磁束に起因するノイズとしての影響を軽減するとともに、低圧側と高圧側とを電気的に絶縁しながら信号の授受を行うことが可能なパワーエレクトロニクス機器を提供する。
【解決手段】車体筐体に接地される制御回路１側と、高圧となる上アーム２側および下アーム３側との間には、空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３がそれぞれ介挿され、空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３の２次巻線には、２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、２次巻線を鎖交する信号磁束を強め合うよう構成された複数の巻線を設ける。
【解決手段】車体筐体に接地される制御回路１側と、高圧となる上アーム２側および下アーム３側との間には、空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３がそれぞれ介挿され、空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３の２次巻線には、２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、２次巻線を鎖交する信号磁束を強め合うよう構成された複数の巻線を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワーエレクトロニクス機器に関し、特に、空芯型絶縁トランスを介してスイッチング素子に信号を伝送する方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の車両機器では、高効率化および省エネ対策を図るために、駆動力を生む電動機の駆動システムに昇降圧コンバータおよびインバータを搭載することが行われている。
図１１は、従来の昇降圧コンバータを用いた車両駆動システムの概略構成を示すブロック図である。
図１１において、車両駆動システムには、昇降圧コンバータ１０２に電力を供給する電源１０１、電圧の昇降圧を行う昇降圧コンバータ１０２、昇降圧コンバータ１０２から出力された電圧を３相電圧に変換するインバータ１０３および車両を駆動する電動機１０４が設けられている。なお、電源１０１は、架線からの給電電圧または直列接続されたバッテリーから構成することができる。
【０００３】
そして、車両駆動時には、昇降圧コンバータ１０２は、電源１０１の電圧（例：２８０Ｖ）を電動機１０４の駆動に適した電圧（例：７５０Ｖ）に昇圧し、インバータ１０３に供給する。そして、スイッチング素子をオン／オフ制御することにより、昇降圧コンバータ１０２にて昇圧された電圧を３相電圧に変換して、電動機１０４の各相に電流を流し、スイッチング周波数を制御することで車両の速度を変化させることができる。
【０００４】
一方、車両の制動時には、インバータ１０３は、電動機１０４の各相に生じる電圧に同期してスイッチング素子をオン／オフ制御することにより、整流動作を行い、直流電圧に変換してから、昇降圧コンバータ１０２に供給する。そして、昇降圧コンバータ１０２は、電動機１０４から生じる電圧（例：７５０Ｖ）を電源１０１の電圧（例：２８０Ｖ）に降圧して電力の回生動作を行うことができる。
【０００５】
図１２は、図１１の昇降圧コンバータの概略構成を示すブロック図である。
図１２において、昇降圧コンバータ１０２には、エネルギーの蓄積を行うリアクトルＬ、電荷の蓄積を行うコンデンサＣ、インバータ１０３に流入する電流を通電および遮断するスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の導通および非導通を指示する制御信号をそれぞれ生成する制御回路１１１、１１２が設けられている。
【０００６】
そして、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２は直列に接続されるとともに、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の接続点には、リアクトルＬを介して電源１０１が接続されている。ここで、スイッチング素子ＳＷ１には、制御回路１１１からの制御信号に従ってスイッチング動作を行うＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１０５が設けられ、ＩＧＢＴ１０５に流れる電流と逆方向に電流を流すフライホイールダイオードＤ１がＩＧＢＴ１０５に並列に接続されている。
【０００７】
また、スイッチング素子ＳＷ２には、制御回路１１２からの制御信号に従ってスイッチング動作を行うＩＧＢＴ１０６が設けられ、ＩＧＢＴ１０６に流れる電流と逆方向に電流を流すフライホイールダイオードＤ２がＩＧＢＴ１０６に並列に接続されている。そして、ＩＧＢＴ１０６のコレクタは、コンデンサＣおよびインバータ１０３の双方に接続されている。
【０００８】
図１３は、昇圧動作時に図１２のリアクトルＬに流れる電流の波形を示す図である。
図１３において、昇圧動作では、スイッチング素子ＳＷ１のＩＧＢＴ１０５がオン（導通）すると、ＩＧＢＴ１０５を介してリアクトルＬに電流Ｉが流れ、ＬＩ2／２のエネルギーがリアクトルＬに蓄積される。
次に、スイッチング素子ＳＷ１のＩＧＢＴ１０５がオフ（非導通）すると、スイッチング素子ＳＷ２のフライホイールダイオードＤ２に電流が流れ、リアクトルＬに蓄えられたエネルギーがコンデンサＣに送られる。
【０００９】
一方、降圧動作では、スイッチング素子ＳＷ２のＩＧＢＴ１０６がオン（導通）するとＩＧＢＴ１０６を介してリアクトルＬに電流Ｉが流れ、ＬＩ2／２のエネルギーがリアクトルＬに蓄積される。
次に、スイッチング素子ＳＷ２のＩＧＢＴ１０６がオフ（非導通）すると、スイッチング素子ＳＷ１のフライホイールダイオードＤ１に電流が流れ、リアクトルＬに蓄えられたエネルギーが電源１０１へ回生される。
【００１０】
ここで、スイッチング素子のオン時間（ＯＮ Ｄｕｔｙ）を変更することで、昇降圧の電圧を調整することが可能であり、概略の電圧値は以下の（１）式にて求めることができる。
ＶL／ＶH＝ＯＮ Ｄｕｔｙ（％） （１）
ただし、ＶLは電源電圧、ＶHは昇降圧後の電圧、ＯＮ Ｄｕｔｙはスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２のスイッチング周期に対する導通期間の割合である。
【００１１】
ここで、実際には負荷の変動、電源電圧ＶLの変動などがあるので、昇降圧後の電圧ＶHを監視し、昇降圧後の電圧ＶHが目標値となるように、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２のオン時間（ＯＮ Ｄｕｔｙ）の制御が行われている。
また、車体筐体に接地される制御回路１１１、１１２側は低圧であり、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２に接続されるアーム側は高圧となる。このため、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の破壊などの事故が発生しても、人体が危険に晒されることがないようにするために、アーム側とは、信号伝送用絶縁トランスを用いて制御回路１１１、１１２と電気的に絶縁しながら信号の授受が行われる。
【００１２】
図１４は、従来の信号伝送用絶縁トランスの概略構成を示す平面図である。
図１４において、絶縁トランスには、磁気コアＭＣが設けられ、磁気コアＭＣには１次巻線Ｍ１および２次巻線Ｍ２が巻かれている。なお、磁気コアＭＣは、フェライトやパーマロイなどの強磁性体にて構成することができる。そして、１次巻線Ｍ１に印加された電流により生成された磁束φは磁気コアＭＣにて集束され、磁気コアＭＣ内を通過して第２次巻線Ｍ２を鎖交し、２次巻線Ｍ２の両端にｄφ／ｄＴなる電圧が発生する。ここで、磁気コアＭＣを用いることにより閉磁路を形成することができ、外部磁界の影響を軽減しつつ、１次巻線Ｍ１と２次巻線Ｍ２との間の結合係数を高くすることができる。
【００１３】
図１５は、従来の信号伝送用絶縁トランスを用いた信号伝送回路の概略構成を示すブロック図である。
図１５において、絶縁トランスＴの１次巻線の一端は抵抗Ｒ１を介して電界効果型トランジスタＭ１のドレインに接続され、絶縁トランスＴの２次巻線の一端は復調回路２０３に接続されている。そして、変調回路２０２には、局部発振回路２０１にて生成された局部発振信号が入力される。そして、ＰＷＭ信号ＳＰが変調回路２０２に入力されると、局部発振信号がＰＷＭ信号ＳＰにて変調され、電界効果型トランジスタＭ１の制御信号として電界効果型トランジスタＭ１のゲートに入力される。そして、電界効果型トランジスタＭ１のゲートに制御信号が入力されると、高周波で変調された変調信号が絶縁トランスＴを介して復調回路２０３に伝送され、復調回路２０３にてＰＷＭ信号ＳＰが復調される。
【００１４】
また、特許文献１には、バスを介して相互接続された第１の装置と第２の装置の間に配置されたアイソレーション・バリヤからなるインターフェースを介してＮＲＺデータ信号を伝送する方法において、アイソレーション・バリヤとしてパルス変成器を用いる方法が開示されている。
また、特許文献２には、第１基板上に形成されたドライバと、第２基板上に形成されたレシバーとを、コイルを用いた磁気結合によって接続する方法が開示されている。
【００１５】
また、特許文献３には、入力回路と出力回路とを分離するためのロジック分離回路として、リンク結合変成器体を用いる方法が開示されている。
【特許文献１】特許第３３９９９５０号公報
【特許文献２】特表２００１−５２１１６０号公報
【特許文献３】特表２００１−５１３２７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、信号伝送用絶縁トランスとしてコア付きトランスを用いる方法では、磁性体の透磁率の温度特性の影響を受け、結合係数の温度依存性が大きい上に、低価格化および小型化が困難であるという問題があった。また、コア付きトランスを介してＰＷＭ信号自体を直接送ることができず、高周波で変調した変調信号を２次巻線で受信してから復調する必要があるので、回路規模が大きくなるという問題があった。
【００１７】
一方、信号伝送用絶縁トランスとして空芯トランスを用いる方法では、磁気コアを用いていないので、低価格化および小型化は可能だが、磁気回路が閉じていないため、外部磁束がノイズとして２次巻線に重畳し易く、誤動作を招く危険性があった。
そこで、本発明の目的は、結合係数の温度依存性を低減しつつ、外部磁束に起因するノイズとしての影響を軽減するとともに、低圧側と高圧側とを電気的に絶縁しながら信号の授受を行うことが可能なパワーエレクトロニクス機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述した課題を解決するために、請求項１記載のパワーエレクトロニクス機器によれば、負荷へ流入する電流を通電および遮断するスイッチング素子と、前記スイッチング素子の導通および非導通を指示する制御信号を生成する制御回路と、前記制御信号に基づいて前記スイッチング素子の制御端子を駆動する駆動回路と、前記制御回路と前記駆動回路とが絶縁されるように送信側の１次巻線および受信側の２次巻線が設けられた空芯型絶縁トランスとを備え、前記空芯型絶縁トランスの２次巻線には、前記２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、前記２次巻線を鎖交する信号磁束による起電圧を強め合うよう構成された複数の巻線が少なくとも設けられていることを特徴とする。
【００１９】
これにより、２次巻線として複数の巻線を設けることで、２次巻線に鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合わせることができ、磁気コアを用いることなく、外部磁束がノイズとして２次巻線に重畳することを低減することができる。このため、誤動作を招く危険性を回避しつつ、制御回路側とスイッチング素子側とを電気的に絶縁しながら信号の授受を行わせることが可能となるとともに、パワーエレクトロニクス機器の低価格化および小型化を図ることができる。
【００２０】
また、請求項２記載のパワーエレクトロニクス機器によれば、前記２次巻線には、巻き方向が互いに異なるとともに隣接配置された第１巻線と第２巻線とが設けられ、前記１次巻線と前記２次巻線の第１巻線とは同軸状に配置されるとともに、前記第１巻線の終端が前記第２巻線の始端に接続されているか、または前記第１巻線の始端が前記第２巻線の終端に接続されていることを特徴とする。
【００２１】
これにより、２次巻線に設けられた複数の巻線の巻き方向を互いに異ならせることで、２次巻線に鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合わせることができる。このため、信号伝送用絶縁トランスとして空芯トランスを用いた場合においても、外部磁束がノイズとして２次巻線に重畳することを低減することができ、誤動作を招く危険性を回避しつつ、パワーエレクトロニクス機器の低価格化および小型化を図ることができる。
【００２２】
また、請求項３記載のパワーエレクトロニクス機器によれば、前記２次巻線には、巻き方向が同一であるとともに隣接配置された第１巻線と第２巻線とが設けられ、前記１次巻線と前記２次巻線の第１巻線とは同軸状に配置されるとともに、前記第１巻線の始端が前記第２巻線の始端に接続されているか、または前記第１巻線の終端が前記第２巻線の終端に接続されていることを特徴とする。
【００２３】
これにより、２次巻線に設けられた複数の巻線の巻き方向が同一である場合においても、２次巻線に設けられた複数の巻線の結線方法を変えることで、２次巻線に鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合わせることができる。このため、信号伝送用絶縁トランスとして空芯トランスを用いた場合においても、外部磁束がノイズとして２次巻線に重畳することを低減することができ、誤動作を招く危険性を回避しつつ、パワーエレクトロニクス機器の低価格化および小型化を図ることができる。
【００２４】
また、請求項４記載のパワーエレクトロニクス機器によれば、負荷へ流入する電流を通電および遮断するスイッチング素子と、前記スイッチング素子の導通および非導通を指示する制御信号を生成する制御回路と、前記制御信号に基づいて前記スイッチング素子の制御端子を駆動する駆動回路と、前記制御回路と前記駆動回路とが絶縁されるように送信側の１次巻線および受信側の２次巻線が設けられた空芯型絶縁トランスとを備え、前記空芯型絶縁トランスの１次巻線には、前記２次巻線を鎖交する信号磁束による起電圧を高くするように構成された複数の巻線が少なくとも設けられ、前記空芯型絶縁トランスの２次巻線には、前記２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、前記２次巻線を鎖交する信号磁束による起電圧を高めるよう構成された複数の巻線が少なくとも設けられていることを特徴とする。
【００２５】
これにより、１次巻線および２次巻線として複数の巻線をそれぞれ設けることで、１次巻線および２次巻線に鎖交する外部磁束をそれぞれ打ち消し合わせることができ、磁気コアを用いることなく、外部磁束がノイズとして１次巻線および２次巻線に重畳することを低減することができる。このため、誤動作を招く危険性を回避しつつ、制御回路側とスイッチング素子側とを電気的に絶縁しながら信号の授受を行わせることが可能となるとともに、パワーエレクトロニクス機器の低価格化および小型化を図ることができる。
【００２６】
また、請求項５記載のパワーエレクトロニクス機器によれば、前記１次巻線および前記２次巻線には、巻き方向が互いに異なる第１巻線と第２巻線とがそれぞれ設けられ、各第１巻線同士および各第２巻き線同士は同軸状に配置されるとともに、前記１次巻線および前記２次巻線の第１巻線と第２巻線とはそれぞれ隣接するように配置され、第１巻線の終端が第２巻線の始端にそれぞれ接続されているか、または第１巻線の始端が第２巻線の終端にそれぞれ接続されていることを特徴とする。
【００２７】
これにより、１次巻線および２次巻線にそれぞれ設けられた複数の巻線の巻き方向を互いに異ならせることで、１次巻線および２次巻線に鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合わせることができる。このため、信号伝送用絶縁トランスとして空芯トランスを用いた場合においても、外部磁束がノイズとして１次巻線および２次巻線に重畳することを低減することができ、誤動作を招く危険性を回避しつつ、パワーエレクトロニクス機器の低価格化および小型化を図ることができる。
【００２８】
また、請求項６記載のパワーエレクトロニクス機器によれば、前記１次巻線および前記２次巻線には、巻き方向が同一の第１巻線と第２巻線とがそれぞれ設けられ、各第１巻線同士および各第２巻き線同士は同軸状に配置されるとともに、前記１次巻線および前記２次巻線の第１巻線と第２巻線とはそれぞれ隣接するように配置され、前記第１巻線の始端が前記第２巻線の始端にそれぞれ接続されているか、または前記第１巻線の終端が前記第２巻線の終端にそれぞれ接続されていることを特徴とする。
【００２９】
これにより、１次巻線および２次巻線にそれぞれ設けられた複数の巻線の巻き方向が同一である場合においても、１次巻線および２次巻線に設けられた複数の巻線の結線方法をそれぞれ変えることで、１次巻線および２次巻線に鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合わせることができる。このため、信号伝送用絶縁トランスとして空芯トランスを用いた場合においても、外部磁束がノイズとして１次巻線および２次巻線に重畳することを低減することができ、誤動作を招く危険性を回避しつつ、パワーエレクトロニクス機器の低価格化および小型化を図ることができる。
【００３０】
また、請求項７記載のパワーエレクトロニクス機器によれば、前記２次巻線の第１巻線と第２巻線の巻数が概ね同一で有ることを特徴とする。
これにより、２次巻線の第１巻線と第２巻線にそれぞれ鎖交する外部磁束を概ね同一とすることができ、２次巻線に鎖交する外部磁束をほぼ完全に打ち消し合すことができる。
また、請求項８記載のパワーエレクトロニクス機器によれば、前記空芯型絶縁トランスが微細加工技術によって形成されていることを特徴とする。
【００３１】
これにより、１次巻線および２次巻線の巻径を小さくすることが可能となるとともに、１次巻線と２次巻線との間隔を小さくすることができる。このため、１次巻線と２次巻線との結合係数を高めつつ、外部磁束が１次巻線および２次巻線に鎖交した場合においてもノイズとしての影響を低減することができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３２】
以上説明したように、本発明によれば、２次巻線に鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合わせることができ、信号伝送用絶縁トランスとして空芯トランスを用いた場合においても、外部磁束がノイズとして２次巻線に重畳することを低減し、誤動作を招く危険性を回避することが可能となるとともに、パワーエレクトロニクス機器の低価格化および小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態に係るパワーエレクトロニクス機器について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るパワーエレクトロニクス機器が適用される昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ：Ｉｎｔｅｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）の概略構成を示すブロック図である。
【００３４】
図１において、昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュールには、負荷へ流入する電流を通電および遮断するスイッチング素子ＳＷＵ、ＳＷＤおよびスイッチング素子ＳＷＵ、ＳＷＤの導通および非導通を指示する制御信号をそれぞれ生成する制御回路１が設けられている。ここで、制御回路１は、ＣＰＵ４または論理ＩＣ、あるいは論理ＩＣとＣＰＵが搭載されたシステムＬＳＩなどで構成することができる。
【００３５】
また、スイッチング素子ＳＷＵ、ＳＷＤはそれぞれ上アーム２用および下アーム３用として動作するように直列に接続されている。そして、スイッチング素子ＳＷＵには、ゲート信号ＳＵ４に従ってスイッチング動作を行うＩＧＢＴ６が設けられ、ＩＧＢＴ６に流れる電流と逆方向に電流を流すフライホイールダイオードＤＵ１がＩＧＢＴ６に並列に接続されている。また、ＩＧＢＴ６が形成されたチップには、チップ温度変化に起因するダイオードＤＵ２のＶＦ変化を測定原理として用いた温度センサ、および抵抗ＲＵ１、ＲＵ２を介してＩＧＢＴ６のエミッタ電流を分流して主回路電流を検出する電流センサが設けられている。
【００３６】
また、スイッチング素子ＳＷＤには、ゲート信号ＳＤ４に従ってスイッチング動作を行うＩＧＢＴ５が設けられ、ＩＧＢＴ５に流れる電流と逆方向に電流を流すフライホイールダイオードＤＤ１がＩＧＢＴ５に並列に接続されている。また、ＩＧＢＴ５が形成されたチップには、チップ温度変化に起因するダイオードＤＤ２のＶＦ変化を測定原理として用いた温度センサ、およびＩＧＢＴ５のエミッタ電流を抵抗ＲＤ１、ＲＤ２を介して分流して主回路電流を検出する電流センサが設けられている。
【００３７】
そして、上アーム２側には、温度センサからの過熱検知信号ＳＵ６および電流センサからの過電流検知信号ＳＵ５を監視しながら、ＩＧＢＴ６の制御端子を駆動するためのゲート信号ＳＵ４を生成する保護機能付きゲートドライバＩＣ８が設けられるとともに、ＩＧＢＴ６の温度に対応したＰＷＭ信号を生成するアナログＰＷＭ変換器ＣＵが設けられている。
【００３８】
また、下アーム３側には、温度センサからの過熱検知信号ＳＤ６および電流センサからの過電流検知信号ＳＤ５を監視しながら、ＩＧＢＴ５の制御端子を駆動するためのゲート信号ＳＤ４を生成する保護機能付きゲートドライバＩＣ７が設けられるとともに、ＩＧＢＴ５の温度に対応したＰＷＭ信号を生成するアナログＰＷＭ変換器ＣＤが設けられている。
【００３９】
また、車体筐体に接地される制御回路１側と、高圧となる上アーム２側および下アーム３側との間には、空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３がそれぞれ介挿され、制御回路１では、空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３を用いて上アーム２側および下アーム３側と電気的に絶縁しながら信号の授受が行われる。
すなわち、上アーム２側において、ＣＰＵ４から出力されたゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＵ１は、空芯型絶縁トランスＴＵ１を介して保護機能付きゲートドライバＩＣ８に入力される。また、保護機能付きゲートドライバＩＣ８から出力されたアラーム信号ＳＵ２は、空芯型絶縁トランスＴＵ２を介してＣＰＵ４に入力される。また、アナログＰＷＭ変換器ＣＵから出力されたＩＧＢＴチップ温度ＰＭＷ信号ＳＵ３は、空芯型絶縁トランスＴＵ３を介してＣＰＵ４に入力される。
【００４０】
一方、下アーム３側において、ＣＰＵ４から出力されたゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＤ１は、空芯型絶縁トランスＴＤ１を介して保護機能付きゲートドライバＩＣ７に入力される。また、保護機能付きゲートドライバＩＣ７から出力されたアラーム信号ＳＤ２は、空芯型絶縁トランスＴＤ２を介してＣＰＵ４に入力される。また、アナログＰＷＭ変換器ＣＤから出力されたＩＧＢＴチップ温度ＰＭＷ信号ＳＤ３は、空芯型絶縁トランスＴＤ３を介してＣＰＵ４に入力される。
【００４１】
ここで、空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３には、送信側の１次巻線および受信側の２次巻線がそれぞれ設けられている。そして、空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３の２次巻線には、２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、２次巻線を鎖交する信号磁束による起電圧を強め合うよう構成された複数の巻線が設けられている。
【００４２】
そして、ＣＰＵ４は、ＩＧＢＴ５、６の導通または非導通をそれぞれ指示するゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＤ１、ＳＵ１を生成し、このゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＤ１、ＳＵ１を空芯型絶縁トランスＴＤ１、ＴＵ１をそれぞれ介して保護機能付きゲートドライバＩＣ７、８にそれぞれ絶縁伝送する。そして、保護機能付きゲートドライバＩＣ７、８は、ゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＤ１、ＳＵ１にそれぞれ基づいてゲート信号ＳＤ４、ＳＵ４を生成し、ＩＧＢＴ５、６の制御端子を駆動することにより、ＩＧＢＴ５、６をスイッチング動作させる。
【００４３】
ここで、温度センサから出力された過熱検知信号ＳＤ６、ＳＵ６が保護機能付きゲートドライバＩＣ７、８にそれぞれ入力されるとともに、電流センサから出力された過電流検知信号ＳＤ５、ＳＵ５が保護機能付きゲートドライバＩＣ７、８にそれぞれ入力される。そして、保護機能付きゲートドライバＩＣ７、８は、ＩＧＢＴ５、６が破壊しない閾値を超過した場合には、空芯型絶縁トランスＴＤ２、ＴＵ２をそれぞれ介してＣＰＵ４にアラーム信号ＳＤ２、ＳＵ２を伝送する。そして、ＣＰＵ４は、保護機能付きゲートドライバＩＣ７、８からアラーム信号ＳＤ２、ＳＵ２をそれぞれ受け取ると、ゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＤ１、ＳＵ１の生成をそれぞれ停止することにより、ＩＧＢＴ５、６に流れる電流を遮断する。
【００４４】
なお、保護機能付きゲートドライバＩＣ７、８は、温度センサから出力された過熱検知信号ＳＤ６、ＳＵ６および電流センサから出力された過電流検知信号ＳＤ５、ＳＵ５に基づいて、ＩＧＢＴが破壊しない閾値を下回ったと判断した場合、一定の時間が経過した後にアラーム信号ＳＤ２、ＳＵ２を解除する。
さらに、細かい監視を行う場合には、温度センサから出力された過熱検知信号ＳＤ６、ＳＵ６がアナログＰＷＭ変換器ＣＤ、ＣＵにそれぞれ入力される。そして、アナログＰＷＭ変換器ＣＤ、ＣＵは、過熱検知信号ＳＤ６、ＳＵ６のアナログ値をデジタル信号にそれぞれ変換することにより、ＩＧＢＴチップ温度ＰＭＷ信号ＳＤ３、ＳＵ３をそれぞれ生成し、空芯型絶縁トランスＴＤ３、ＴＵ３をそれぞれ介してＣＰＵ４にＩＧＢＴチップ温度ＰＭＷ信号ＳＤ３、ＳＵ３を伝送する。そして、ＣＰＵ４は、ＩＧＢＴチップ温度ＰＭＷ信号ＳＤ３、ＳＵ３からＩＧＢＴ５、６のチップ温度をそれぞれ算出し、予め設けられた数段階の閾値に応じて、ＩＧＢＴ５、６のスイッチング周波数の段階的な低下を行ったり、スイッチング停止を行ったりすることができる。
【００４５】
ここで、空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３の２次巻線として複数の巻線を設けることで、２次巻線に鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合わせることができ、磁気コアを用いることなく、外部磁束がノイズとして２次巻線に重畳することを低減することができる。このため、誤動作を招く危険性を回避しつつ、制御回路１側と上アーム２側および下アーム３側とを電気的に絶縁しながら信号の授受を行わせることが可能となるとともに、昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュールの低価格化および小型化を図ることができる。
【００４６】
図２は、本発明の第１実施形態に係る空芯型絶縁トランスの概略構成を示す外観図である。
図２において、図１の空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３には、送信側の役割を担う１次巻線Ｍ１１を設けるとともに、受信側の役割を担う２次巻線の第１巻線Ｍ２１および第２巻線Ｍ２２を設けることができる。ここで、２次巻線の第１巻線Ｍ２１および第２巻線Ｍ２２は、２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、２次巻線を鎖交する信号磁束を強め合うよう構成することができる。
【００４７】
例えば、２次巻線の第１巻線Ｍ２１と第２巻線Ｍ２２の巻き方向を互いに異ならせるとともに、２次巻線の第１巻線Ｍ２１と第２巻線Ｍ２２とを近接して配置することができる。さらに、１次巻線Ｍ１１と２次巻線の第１巻線Ｍ２１とは同軸状に配置するとともに、１次巻線Ｍ１１と２次巻線の第１巻線Ｍ２１の巻き方向は同一とすることができる。また、２次巻線の第１巻線Ｍ２１の終端を第２巻線Ｍ２２の始端に接続するか、または２次巻線の第１巻線Ｍ２１の始端を第２巻線Ｍ２２の終端に接続することができる。なお、２次巻線の第１巻線Ｍ２１と第２巻線Ｍ２２の巻数は概ね同一とすることが好ましい。
【００４８】
これにより、２次巻線に設けられた第１巻線Ｍ２１と第２巻線Ｍ２２の巻き方向を互いに異ならせることで、２次巻線に鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合わせることができる。このため、信号伝送用絶縁トランスとして空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３を用いた場合においても、外部磁束がノイズとして２次巻線に重畳することを低減することができ、誤動作を招く危険性を回避しつつ、昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュールの低価格化および小型化を図ることができる。
【００４９】
図３は、図２の空芯型絶縁トランスにおける外部磁束の鎖交状態を示す図である。
図３において、外部磁束Ｊｏは、２次巻線の第１巻線Ｍ２１および第２巻線Ｍ２２の双方に同一方向から概ね均等に鎖交する。
図４は、図２の空芯型絶縁トランスにおける信号磁束の鎖交状態を示す図である。
図４において、１次巻線Ｍ１１に流れた信号電流によって形成される信号磁束Ｊｓは、１次巻線Ｍ１１の軸を中心として周回するように形成され、１次巻線Ｍ１１の同軸上に配置された２次巻線の第１巻線Ｍ２１に大部分が鎖交し、２次巻線の第２巻線Ｍ２２には一部分が鎖交する。
なお、周回する巻線に鎖交する磁束が変化する場合、巻線の両端の発生電圧は下記のファラデーの法則にて表すことができる。
【００５０】
【数１】
【００５１】
ただし、この（２）式での太字はベクトルを表現している。この（２）式から判るように、磁束変化によって生じる電圧の符号に影響を与える因子は、巻線の巻方向（ｄＳ）および磁束の向き（Ｂ）である。主回路電流によって発生される外部磁束Ｊｏによる起電圧は、２次巻線の第１巻線Ｍ２１と第２巻線Ｍ２２で巻き方向が異なるため、符号が異なる同等値の起電圧となり、お互いに打ち消し合うことができる。この起電圧の打ち消し合いは、２次巻線の第１巻線Ｍ２１と第２巻線Ｍ２２の巻数が概ね等しい場合に最も効果的である。
【００５２】
一方、信号磁束Ｊｓに対しては、２次巻線の第１巻線Ｍ２１および第２巻線Ｍ２２ともに同一方向に起電圧が発生し、起電圧レベルは大きくなる。以上のような構成を用いることにより、信号磁束Ｊｓによる起電圧レベルを高くし、主回路電流の外部磁束Ｊｏによる起電圧レベルを抑制することができ、図１の空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３を用いた場合においても、信号のＳ／Ｎ比を高めることが可能となる。
【００５３】
なお、上述した実施形態では、２次巻線の第１巻線Ｍ２１と第２巻線Ｍ２２の巻き方向を互いに異ならせるとともに、２次巻線の第１巻線Ｍ２１の終端を第２巻線Ｍ２２の始端に接続するか、または２次巻線の第１巻線Ｍ２１の始端を第２巻線Ｍ２２の終端に接続する方法について説明したが、２次巻線の第１巻線Ｍ２１と第２巻線Ｍ２２の巻き方向を同一とするとともに、２次巻線の第１巻線Ｍ２１の始端を第２巻線Ｍ２２の始端に接続するか、または２次巻線の第１巻線Ｍ２１の終端を第２巻線Ｍ２２の終端に接続するようにしてもよい。
【００５４】
また、上述した実施形態では、１次巻線Ｍ１１と、２次巻線の第１巻線Ｍ２１の巻き方向を同一としたが、これらの巻線の巻き方向が逆でも良く、この場合には信号磁束Ｊｓによる出力電圧の符号が変わるのみで、外部磁束Ｊｏの影響を抑制する効果は変わらない。
また、図２において示した巻線は縦方向に形成されているが、微細加工技術によって形成される平面型コイルを用いるようにしてもよい。
【００５５】
図５（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る絶縁トランスの概略構成を示す断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の絶縁トランスの概略構成を示す平面図である。
図５において、基板１１には引き出し配線層１２が埋め込まれるとともに、基板１１上には１次コイルパターン１４が形成されている。そして、１次コイルパターン１４は引き出し部１３を介して引き出し配線層１２に接続されている。そして、１次コイルパターン１４上には平坦化膜１５が形成され、平坦化膜１５上には、絶縁層１６を介して２次コイルパターン１７が形成され、２次コイルパターン１７は保護膜１８にて覆われている。
【００５６】
一方、基板２１には引き出し配線層２２が埋め込まれるとともに、基板２１上には２次コイルパターン２４が形成されている。そして、２次コイルパターン２４は引き出し部２３を介して引き出し配線層２２に接続されている。そして、２次コイルパターン２４は保護膜２５にて覆われている。
ここで、１次コイルパターン１４および２次コイルパターン１７は巻き方向を時計回りに設定するとともに、２次コイルパターン２４は巻き方向を反時計回りに設定し、２次コイルパターン１７、２４は互いに近接して配置することができる。さらに、２次コイルパターン１７の終端を２次コイルパターン２４の始端に接続するか、または２次コイルパターン１７の始端を２次コイルパターン２４の終端に接続することができる。
【００５７】
この場合、外部磁束Ｊｏは、２次コイルパターン１７、２４の双方に同一方向から概ね均等に鎖交する。一方、１次コイルパターン１４に流れた信号電流によって形成される信号磁束Ｊｓは、１次コイルパターン１４の軸を中心として周回するように形成され、１次コイルパターン１４の同軸上に配置された２次コイルパターン１７に大部分が鎖交し、２次コイルパターン２４には一部分が鎖交する。このため、信号磁束Ｊｓによる起電圧レベルを高くし、主回路電流の外部磁束Ｊｏによる起電圧レベルを抑制することができ、信号のＳ／Ｎ比を高めることが可能となる。
【００５８】
また、１次コイルパターン１４および２次コイルパターン１７、２４の巻径を小さくすることが可能となるとともに、１次コイルパターン１４と２次コイルパターン１７との間隔を小さくすることができる。このため、１次コイルパターン１４と２次コイルパターン１７との結合係数を高めつつ、外部磁束Ｊｏによるノイズとしての影響を低減することができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００５９】
図６は、本発明の第３実施形態に係る空芯型絶縁トランスの概略構成を示す外観図である。
図６において、図１の空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３には、送信側の役割を担う１次巻線の第１巻線Ｍ１１１および第２巻線Ｍ１１２を設けるとともに、受信側の役割を担う２次巻線の第１巻線Ｍ１２１および第２巻線Ｍ１２２を設けることができる。ここで、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１および第２巻線Ｍ１１２は、２次巻線を鎖交する信号磁束を強めるよう構成することができる。また、２次巻線の第１巻線Ｍ１２１および第２巻線Ｍ１２２は、２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、２次巻線を鎖交する信号磁束を多くするように構成することができる。
【００６０】
例えば、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１と第２巻線Ｍ１１２の巻き方向を互いに異ならせるとともに、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１と第２巻線Ｍ１１２とを近接して配置することができる。また、２次巻線の第１巻線Ｍ１２１と第２巻線Ｍ１２２の巻き方向を互いに異ならせるとともに、２次巻線の第１巻線Ｍ１２１と第２巻線Ｍ１２２とを近接して配置することができる。さらに、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１と２次巻線の第１巻線Ｍ１２１とは同軸状に配置するとともに、１次巻線の第２巻線Ｍ１１２と２次巻線の第２巻線Ｍ１２２とは同軸状に配置することができる。また、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１の終端を第２巻線Ｍ１１２の始端に接続するか、または１次巻線の第１巻線Ｍ１１１の始端を第２巻線Ｍ１１２の終端に接続することができる。さらに、２次巻線の第１巻線Ｍ１２１の終端を第２巻線Ｍ１２２の始端に接続するか、または２次巻線の第１巻線Ｍ１２１の始端を第２巻線Ｍ１２２の終端に接続することができる。
【００６１】
このような構成では、図２に示した構成に対して、２次巻線の第２巻線Ｍ１２２に対しても、信号磁束を確実に鎖交させることができ、Ｓ／Ｎ比をより改善することが可能となる。
なお、図６の第３実施形態では、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１と第２巻線Ｍ１１２の巻き方向を互いに異ならせるとともに、２次巻線の第１巻線Ｍ１２１と第２巻線Ｍ１２２の巻き方向を互いに異ならせ、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１の終端を第２巻線Ｍ１１２の始端に接続するか、または１次巻線の第１巻線Ｍ１１１の始端を第２巻線Ｍ１１２の終端に接続し、２次巻線の第１巻線Ｍ１２１の終端を第２巻線Ｍ１２２の始端に接続するか、または２次巻線の第１巻線Ｍ１２１の始端を第２巻線Ｍ１２２の終端に接続する方法について説明したが、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１と第２巻線Ｍ１１２の巻き方向を同一とするとともに、２次巻線の第１巻線Ｍ１２１と第２巻線Ｍ１２２の巻き方向を同一とし、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１の始端を第２巻線Ｍ１１２の始端に接続するか、または１次巻線の第１巻線Ｍ１１１の終端を第２巻線Ｍ１１２の終端に接続し、２次巻線の第１巻線Ｍ１２１の始端を第２巻線Ｍ１２２の始端に接続するか、または２次巻線の第１巻線Ｍ１２１の終端を第２巻線Ｍ１２２の終端に接続するようにしてもよい。
【００６２】
図７（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る絶縁トランスの概略構成を示す断面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）の絶縁トランスの概略構成を示す平面図である。
図７において、基板３１には引き出し配線層３２が埋め込まれるとともに、基板３１上には１次コイルパターン３４が形成されている。そして、１次コイルパターン３４は引き出し部３３を介して引き出し配線層３２に接続されている。そして、１次コイルパターン３４上には平坦化膜３５が形成され、平坦化膜３５上には、絶縁層３６を介して２次コイルパターン３７が形成され、２次コイルパターン３７は保護膜３８にて覆われている。
【００６３】
一方、基板４１には引き出し配線層４２が埋め込まれるとともに、基板４１上には１次コイルパターン４４が形成されている。そして、１次コイルパターン４４は引き出し部４３を介して引き出し配線層４２に接続されている。そして、１次コイルパターン４４上には平坦化膜４５が形成され、平坦化膜４５上には、絶縁層４６を介して２次コイルパターン４７が形成され、２次コイルパターン４７は保護膜４８にて覆われている。
【００６４】
ここで、１次コイルパターン３４および２次コイルパターン３７は巻き方向を時計回りに設定するとともに、１次コイルパターン４４および２次コイルパターン４７は巻き方向を反時計回りに設定し、１次コイルパターン３４、４４は互いに近接して配置するとともに、２次コイルパターン４７、４７は互いに近接して配置することができる。また、１次コイルパターン３４の終端を１次コイルパターン４４の始端に接続するか、または１次コイルパターン３４の始端を１次コイルパターン４４の終端に接続することができる。さらに、２次コイルパターン３７の終端を２次コイルパターン４７の始端に接続するか、または２次コイルパターン３７の始端を２次コイルパターン４７の終端に接続することができる。
【００６５】
この場合、外部磁束Ｊｏは、２次コイルパターン３７、４７の双方に同一方向から概ね均等に鎖交する。一方、１次コイルパターン３４、４４に流れた信号電流によって形成される信号磁束Ｊｓは、１次コイルパターン３４、４４の軸を中心として周回するように形成され、１次コイルパターン３４、４４の同軸上にそれぞれ配置された２次コイルパターン３７、４７に大部分が鎖交する。このため、信号磁束Ｊｓによる起電圧レベルを高くし、主回路電流の外部磁束Ｊｏによる起電圧レベルを抑制することができ、信号のＳ／Ｎ比を高めることが可能となる。
【００６６】
図８および図９は、本発明の第５実施形態に係る絶縁トランスの製造方法を示す断面図である。
図８（ａ）において、Ａｓ、Ｐ、Ｂなどの不純物を半導体基板５１内に選択的に注入することにより、１次コイルパターン５５ａの中心からの引き出しを行うための引き出し拡散５２を半導体基板５１に形成する。なお、半導体基板５１の材質としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＳｎ、ＰｂＳ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮまたはＺｎＳｅなどの中から選択することができる。
【００６７】
次に、図８（ｂ）に示すように、引き出し拡散５２が形成された半導体基板５１上にプラズマＣＶＤなどの方法にて絶縁層５３を形成する。なお、絶縁層５３の材質としては、例えば、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などを用いることができる。
次に、図８（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、１次コイルパターン５５ａの中心からの引き出し部分に対応して開口部５４ａが設けられたレジストパターン５４を絶縁層５３上に形成する。
【００６８】
次に、図８（ｄ）に示すように、開口部５４ａが形成されたレジストパターン５４をマスクとして絶縁層５３をエッチングすることにより、１次コイルパターン５５ａの中心からの引き出し部分に対応した開口部５３ａを絶縁層５３に形成する。
次に、図８（ｅ）に示すように、レジストパターン５４を薬品により絶縁層５３から剥離する。
【００６９】
次に、図８（ｆ）に示すように、スパッタや蒸着などの方法により、導電膜５５を絶縁層５３上に形成する。なお、導電膜５５の材質としては、ＡｌやＣｕなどの金属を用いることができる。
次に、図８（ｇ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、１次コイルパターン５５ａに対応したレジストパターン５６を形成する。
【００７０】
次に、図８（ｈ）に示すように、レジストパターン５６をマスクとして導電膜５５をエッチングすることにより、１次コイルパターン５５ａを絶縁層５３上に形成する。
次に、図８（ｉ）に示すように、レジストパターン５６を薬品により１次コイルパターン５５ａから剥離する。
次に、図８（ｊ）に示すように、１次コイルパターン５５ａが形成された絶縁層５３上にプラズマＣＶＤなどの方法にて平坦化膜５７を形成する。なお、平坦化膜５７の材質としては、例えば、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などを用いることができる。
【００７１】
次に、図８（ｋ）に示すように、斜めエッチングあるいはＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などの方法により、平坦化膜５７を平坦化し、平坦化層５７の表面の凹凸を除去する。
次に、図８（ｌ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、２次コイルパターン５５ａの外端の配線取出し部分に対応して開口部５８ａが設けられたレジストパターン５８を平坦化膜５７上に形成する。
【００７２】
次に、図９（ａ）に示すように、開口部５８ａが設けられたレジストパターン５８をマスクとして平坦化膜５７をエッチングすることにより、２次コイルパターン５５ａの外端の配線取出し部分に対応した開口部５７ａを平坦化膜５７に形成する。
次に、図９（ｂ）に示すように、レジストパターン５８を薬品により平坦化膜５７から剥離する。
【００７３】
次に、図９（ｃ）に示すように、１次コイルパターン５５ａと２次コイルパターン５５ａとの分離層５９を平坦化膜５７上に形成する。なお、分離層５９の形成方法としては、ポリイミド層を平坦化膜５７上に塗布する方法などを用いることができる。
次に、図９（ｄ）に示すように、スパッタや蒸着などの方法により、導電膜６０を分離層５９上に形成する。なお、導電膜６０の材質としては、ＡｌやＣｕなどの金属を用いることができる。
【００７４】
次に、図９（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、２次コイルパターン６０ａに対応したレジストパターン６１を形成する。
次に、図９（ｆ）に示すように、レジストパターン６１をマスクとして導電膜６０をエッチングすることにより、２次コイルパターン６０ａを分離層５９上に形成する。
次に、図９（ｇ）に示すように、レジストパターン６１を薬品により２次コイルパターン６０ａから剥離する。
【００７５】
次に、図９（ｈ）に示すように、２次コイルパターン６０ａが形成された分離層５９上にプラズマＣＶＤなどの方法にて保護膜６２を形成する。なお、保護膜６２の材質としては、例えば、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などを用いることができる。そして、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて保護膜６２をパターニングすることにより、２次コイルパターン６０ａの端部および中央部を露出させる。
【００７６】
これにより、微細加工技術によって１次コイルパターン５５ａ上に２次コイルパターン６０ａを積層することができ、１次コイルパターン５５ａおよび２次コイルパターン６０ａの巻径を小さくすることが可能となるとともに、１次コイルパターン５５ａと２次コイルパターン６０ａとの間隔を小さくすることができる。
図１０は、本発明の第６実施形態に係る昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュールの実装状態を示す断面図である。
【００７７】
図１０において、放熱の役割を行う銅ベース７１上には、絶縁用セラミックス基板７２を介して、ＩＧＢＴチップ７３ａおよびＦＷＤチップ７３ｂが実装されている。そして、ＩＧＢＴチップ７３ａおよびＦＷＤチップ７３ｂは、ボンディングワイヤ７４ａ〜７４ｃを介して互いに接続されるとともに、主回路電流の取り出しを行う主端子７７に接続されている。また、ＩＧＢＴチップ７３ａおよびＦＷＤチップ７３ｂ上には、ＩＧＢＴのゲート駆動および監視を行う回路基板７５が配置され、ＩＧＢＴチップ７３ａ、ＦＷＤチップ７３ｂおよび回路基板７５はモールド樹脂７６にて封止されている。ここで、ＩＧＢＴチップ７３ａおよびＦＷＤチップ７３ｂは、負荷へ流入する電流を通電および遮断するスイッチング素子を構成することができ、上アーム用および下アーム用として動作するようにスイッチング素子を直列に接続することができる。また、回路基板７５には、スイッチング素子の導通および非導通を指示する制御信号を生成する制御回路を設けることができる。
【００７８】
そして、主回路電流は、主端子７７のみならず、主端子７７とＩＧＢＴチップ７３ａおよびＦＷＤチップ７３ｂを接続するボンディングワイヤ７４ａ〜７４ｃにも流れるが、ボンディングワイヤ７４ａ〜７４ｃは回路基板７５の直近に配置されるので、ボンディングワイヤ７４ａ〜７４ｃを流れる主回路電流で生成される磁界による影響の方が大きい。この主回路電流は、通常の運転時には、最高でも２５０Ａ程度であるが、例えば発進時あるいは、空転後の負荷等では、９００Ａ以上流れる場合が有る。
【００７９】
ここで、車体筐体に接地される制御回路側と、高圧となる上アーム側および下アーム側との間には、空芯型絶縁トランスがそれぞれ介挿され、制御回路では、空芯型絶縁トランスを用いて上アーム側および下アーム側と電気的に絶縁しながら信号の授受が行われる。そして、空芯型絶縁トランスの２次巻線には、２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、２次巻線を鎖交する信号磁束による起電圧を強め合うよう構成された複数の巻線を設けることができる。
【００８０】
これにより、ＩＧＢＴチップ７３ａ、ＦＷＤチップ７３ｂおよび主端子７７を電気的に接続するボンディングワイヤ７４ａ〜７４ｃに主回路の大電流が流れた場合でも、空芯型絶縁トランスの受信側である２次巻線の出力電圧における信号レベルを主回路電流によるノイズレベルに対して十分大きくすることが可能となり、空芯型絶縁トランスを用いた場合においても、誤動作の無い信号伝達が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の一実施形態に係るパワーエレクトロニクス機器が適用される昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュールの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る空芯型絶縁トランスの概略構成を示す外観図である。
【図３】図２の空芯型絶縁トランスにおける外部磁束の鎖交状態を示す図である。
【図４】図２の空芯型絶縁トランスにおける信号磁束の鎖交状態を示す図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る絶縁トランスの概略構成を示す断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の絶縁トランスの概略構成を示す平面図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る空芯型絶縁トランスの概略構成を示す外観図である。
【図７】図７（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る絶縁トランスの概略構成を示す断面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）の絶縁トランスの概略構成を示す平面図である。
【図８】本発明の第５実施形態に係る絶縁トランスの製造方法を示す断面図である。
【図９】本発明の第５実施形態に係る絶縁トランスの製造方法を示す断面図である。
【図１０】本発明の第６実施形態に係る昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュールの実装状態を示す断面図である。
【図１１】従来の昇降圧コンバータを用いた車両駆動システムの概略構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１の昇降圧コンバータの概略構成を示すブロック図である。
【図１３】昇圧動作時に図１２のリアクトルに流れる電流の波形を示す図である。
【図１４】従来の信号伝送用絶縁トランスの概略構成を示す平面図である。
【図１５】従来の信号伝送用絶縁トランスを用いた信号伝送回路の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８２】
１ 制御回路
２ 上アーム
３ 下アーム
４ ＣＰＵ
５、６ ＩＧＢＴ
７、８ ゲートドライバＩＣ
ＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３ 空芯型絶縁トランス
ＤＵ１、ＤＵ２、ＤＤ１、ＤＤ２ ダイオード
ＲＵ１、ＲＵ２、ＲＤ１、ＲＤ２ 抵抗
ＣＵ、ＣＤ ＰＷＭ変換器
Ｍ１１、Ｍ１１１ １次巻線
Ｍ１１１ １次巻線の第１巻線
Ｍ１１２ １次巻線の第２巻線
Ｍ２１、Ｍ１２１ ２次巻線の第１巻線
Ｍ２２、Ｍ１２２ ２次巻線の第２巻線
１１、２１、３１、４１ 基板
１２、２２、３２、４２ 引き出し配線層
１３、２３、３３、４３ 引き出し部
１４、３４、４４、５５ａ １次コイルパターン
１５、３５、４５、５７ 平坦化膜
１６、３６、４６、５３ 絶縁層
１７、２４、３７、４７、６０ａ ２次コイルパターン
１８、２５、３８、４８、６２ 保護膜
５１ 半導体基板
５２ 引き出し拡散層
５４、５６、５８、６１ レジストパターン
５４ａ、５７ａ、５８ａ 開口部
５５、６０ 導電膜
５９ 分離層
７１ 銅ベース
７２ 絶縁用セラミックス基板
７３ａ ＩＧＢＴチップ
７３ｂ ＦＷＤチップ
７４ａ〜７４ｃ ボンディングワイヤ
７５ 回路基板
７６ モールド樹脂
７７ 主端子
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワーエレクトロニクス機器に関し、特に、空芯型絶縁トランスを介してスイッチング素子に信号を伝送する方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の車両機器では、高効率化および省エネ対策を図るために、駆動力を生む電動機の駆動システムに昇降圧コンバータおよびインバータを搭載することが行われている。
図１１は、従来の昇降圧コンバータを用いた車両駆動システムの概略構成を示すブロック図である。
図１１において、車両駆動システムには、昇降圧コンバータ１０２に電力を供給する電源１０１、電圧の昇降圧を行う昇降圧コンバータ１０２、昇降圧コンバータ１０２から出力された電圧を３相電圧に変換するインバータ１０３および車両を駆動する電動機１０４が設けられている。なお、電源１０１は、架線からの給電電圧または直列接続されたバッテリーから構成することができる。
【０００３】
そして、車両駆動時には、昇降圧コンバータ１０２は、電源１０１の電圧（例：２８０Ｖ）を電動機１０４の駆動に適した電圧（例：７５０Ｖ）に昇圧し、インバータ１０３に供給する。そして、スイッチング素子をオン／オフ制御することにより、昇降圧コンバータ１０２にて昇圧された電圧を３相電圧に変換して、電動機１０４の各相に電流を流し、スイッチング周波数を制御することで車両の速度を変化させることができる。
【０００４】
一方、車両の制動時には、インバータ１０３は、電動機１０４の各相に生じる電圧に同期してスイッチング素子をオン／オフ制御することにより、整流動作を行い、直流電圧に変換してから、昇降圧コンバータ１０２に供給する。そして、昇降圧コンバータ１０２は、電動機１０４から生じる電圧（例：７５０Ｖ）を電源１０１の電圧（例：２８０Ｖ）に降圧して電力の回生動作を行うことができる。
【０００５】
図１２は、図１１の昇降圧コンバータの概略構成を示すブロック図である。
図１２において、昇降圧コンバータ１０２には、エネルギーの蓄積を行うリアクトルＬ、電荷の蓄積を行うコンデンサＣ、インバータ１０３に流入する電流を通電および遮断するスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の導通および非導通を指示する制御信号をそれぞれ生成する制御回路１１１、１１２が設けられている。
【０００６】
そして、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２は直列に接続されるとともに、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の接続点には、リアクトルＬを介して電源１０１が接続されている。ここで、スイッチング素子ＳＷ１には、制御回路１１１からの制御信号に従ってスイッチング動作を行うＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１０５が設けられ、ＩＧＢＴ１０５に流れる電流と逆方向に電流を流すフライホイールダイオードＤ１がＩＧＢＴ１０５に並列に接続されている。
【０００７】
また、スイッチング素子ＳＷ２には、制御回路１１２からの制御信号に従ってスイッチング動作を行うＩＧＢＴ１０６が設けられ、ＩＧＢＴ１０６に流れる電流と逆方向に電流を流すフライホイールダイオードＤ２がＩＧＢＴ１０６に並列に接続されている。そして、ＩＧＢＴ１０６のコレクタは、コンデンサＣおよびインバータ１０３の双方に接続されている。
【０００８】
図１３は、昇圧動作時に図１２のリアクトルＬに流れる電流の波形を示す図である。
図１３において、昇圧動作では、スイッチング素子ＳＷ１のＩＧＢＴ１０５がオン（導通）すると、ＩＧＢＴ１０５を介してリアクトルＬに電流Ｉが流れ、ＬＩ2／２のエネルギーがリアクトルＬに蓄積される。
次に、スイッチング素子ＳＷ１のＩＧＢＴ１０５がオフ（非導通）すると、スイッチング素子ＳＷ２のフライホイールダイオードＤ２に電流が流れ、リアクトルＬに蓄えられたエネルギーがコンデンサＣに送られる。
【０００９】
一方、降圧動作では、スイッチング素子ＳＷ２のＩＧＢＴ１０６がオン（導通）するとＩＧＢＴ１０６を介してリアクトルＬに電流Ｉが流れ、ＬＩ2／２のエネルギーがリアクトルＬに蓄積される。
次に、スイッチング素子ＳＷ２のＩＧＢＴ１０６がオフ（非導通）すると、スイッチング素子ＳＷ１のフライホイールダイオードＤ１に電流が流れ、リアクトルＬに蓄えられたエネルギーが電源１０１へ回生される。
【００１０】
ここで、スイッチング素子のオン時間（ＯＮ Ｄｕｔｙ）を変更することで、昇降圧の電圧を調整することが可能であり、概略の電圧値は以下の（１）式にて求めることができる。
ＶL／ＶH＝ＯＮ Ｄｕｔｙ（％） （１）
ただし、ＶLは電源電圧、ＶHは昇降圧後の電圧、ＯＮ Ｄｕｔｙはスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２のスイッチング周期に対する導通期間の割合である。
【００１１】
ここで、実際には負荷の変動、電源電圧ＶLの変動などがあるので、昇降圧後の電圧ＶHを監視し、昇降圧後の電圧ＶHが目標値となるように、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２のオン時間（ＯＮ Ｄｕｔｙ）の制御が行われている。
また、車体筐体に接地される制御回路１１１、１１２側は低圧であり、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２に接続されるアーム側は高圧となる。このため、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の破壊などの事故が発生しても、人体が危険に晒されることがないようにするために、アーム側とは、信号伝送用絶縁トランスを用いて制御回路１１１、１１２と電気的に絶縁しながら信号の授受が行われる。
【００１２】
図１４は、従来の信号伝送用絶縁トランスの概略構成を示す平面図である。
図１４において、絶縁トランスには、磁気コアＭＣが設けられ、磁気コアＭＣには１次巻線Ｍ１および２次巻線Ｍ２が巻かれている。なお、磁気コアＭＣは、フェライトやパーマロイなどの強磁性体にて構成することができる。そして、１次巻線Ｍ１に印加された電流により生成された磁束φは磁気コアＭＣにて集束され、磁気コアＭＣ内を通過して第２次巻線Ｍ２を鎖交し、２次巻線Ｍ２の両端にｄφ／ｄＴなる電圧が発生する。ここで、磁気コアＭＣを用いることにより閉磁路を形成することができ、外部磁界の影響を軽減しつつ、１次巻線Ｍ１と２次巻線Ｍ２との間の結合係数を高くすることができる。
【００１３】
図１５は、従来の信号伝送用絶縁トランスを用いた信号伝送回路の概略構成を示すブロック図である。
図１５において、絶縁トランスＴの１次巻線の一端は抵抗Ｒ１を介して電界効果型トランジスタＭ１のドレインに接続され、絶縁トランスＴの２次巻線の一端は復調回路２０３に接続されている。そして、変調回路２０２には、局部発振回路２０１にて生成された局部発振信号が入力される。そして、ＰＷＭ信号ＳＰが変調回路２０２に入力されると、局部発振信号がＰＷＭ信号ＳＰにて変調され、電界効果型トランジスタＭ１の制御信号として電界効果型トランジスタＭ１のゲートに入力される。そして、電界効果型トランジスタＭ１のゲートに制御信号が入力されると、高周波で変調された変調信号が絶縁トランスＴを介して復調回路２０３に伝送され、復調回路２０３にてＰＷＭ信号ＳＰが復調される。
【００１４】
また、特許文献１には、バスを介して相互接続された第１の装置と第２の装置の間に配置されたアイソレーション・バリヤからなるインターフェースを介してＮＲＺデータ信号を伝送する方法において、アイソレーション・バリヤとしてパルス変成器を用いる方法が開示されている。
また、特許文献２には、第１基板上に形成されたドライバと、第２基板上に形成されたレシバーとを、コイルを用いた磁気結合によって接続する方法が開示されている。
【００１５】
また、特許文献３には、入力回路と出力回路とを分離するためのロジック分離回路として、リンク結合変成器体を用いる方法が開示されている。
【特許文献１】特許第３３９９９５０号公報
【特許文献２】特表２００１−５２１１６０号公報
【特許文献３】特表２００１−５１３２７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、信号伝送用絶縁トランスとしてコア付きトランスを用いる方法では、磁性体の透磁率の温度特性の影響を受け、結合係数の温度依存性が大きい上に、低価格化および小型化が困難であるという問題があった。また、コア付きトランスを介してＰＷＭ信号自体を直接送ることができず、高周波で変調した変調信号を２次巻線で受信してから復調する必要があるので、回路規模が大きくなるという問題があった。
【００１７】
一方、信号伝送用絶縁トランスとして空芯トランスを用いる方法では、磁気コアを用いていないので、低価格化および小型化は可能だが、磁気回路が閉じていないため、外部磁束がノイズとして２次巻線に重畳し易く、誤動作を招く危険性があった。
そこで、本発明の目的は、結合係数の温度依存性を低減しつつ、外部磁束に起因するノイズとしての影響を軽減するとともに、低圧側と高圧側とを電気的に絶縁しながら信号の授受を行うことが可能なパワーエレクトロニクス機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述した課題を解決するために、請求項１記載のパワーエレクトロニクス機器によれば、負荷へ流入する電流を通電および遮断するスイッチング素子と、前記スイッチング素子の導通および非導通を指示する制御信号を生成する制御回路と、前記制御信号に基づいて前記スイッチング素子の制御端子を駆動する駆動回路と、前記制御回路と前記駆動回路とが絶縁されるように送信側の１次巻線および受信側の２次巻線が設けられた空芯型絶縁トランスとを備え、前記空芯型絶縁トランスの２次巻線には、前記２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、前記２次巻線を鎖交する信号磁束による起電圧を強め合うよう構成された複数の巻線が少なくとも設けられていることを特徴とする。
【００１９】
これにより、２次巻線として複数の巻線を設けることで、２次巻線に鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合わせることができ、磁気コアを用いることなく、外部磁束がノイズとして２次巻線に重畳することを低減することができる。このため、誤動作を招く危険性を回避しつつ、制御回路側とスイッチング素子側とを電気的に絶縁しながら信号の授受を行わせることが可能となるとともに、パワーエレクトロニクス機器の低価格化および小型化を図ることができる。
【００２０】
また、請求項２記載のパワーエレクトロニクス機器によれば、前記２次巻線には、巻き方向が互いに異なるとともに隣接配置された第１巻線と第２巻線とが設けられ、前記１次巻線と前記２次巻線の第１巻線とは同軸状に配置されるとともに、前記第１巻線の終端が前記第２巻線の始端に接続されているか、または前記第１巻線の始端が前記第２巻線の終端に接続されていることを特徴とする。
【００２１】
これにより、２次巻線に設けられた複数の巻線の巻き方向を互いに異ならせることで、２次巻線に鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合わせることができる。このため、信号伝送用絶縁トランスとして空芯トランスを用いた場合においても、外部磁束がノイズとして２次巻線に重畳することを低減することができ、誤動作を招く危険性を回避しつつ、パワーエレクトロニクス機器の低価格化および小型化を図ることができる。
【００２２】
また、請求項３記載のパワーエレクトロニクス機器によれば、前記２次巻線には、巻き方向が同一であるとともに隣接配置された第１巻線と第２巻線とが設けられ、前記１次巻線と前記２次巻線の第１巻線とは同軸状に配置されるとともに、前記第１巻線の始端が前記第２巻線の始端に接続されているか、または前記第１巻線の終端が前記第２巻線の終端に接続されていることを特徴とする。
【００２３】
これにより、２次巻線に設けられた複数の巻線の巻き方向が同一である場合においても、２次巻線に設けられた複数の巻線の結線方法を変えることで、２次巻線に鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合わせることができる。このため、信号伝送用絶縁トランスとして空芯トランスを用いた場合においても、外部磁束がノイズとして２次巻線に重畳することを低減することができ、誤動作を招く危険性を回避しつつ、パワーエレクトロニクス機器の低価格化および小型化を図ることができる。
【００２４】
また、請求項４記載のパワーエレクトロニクス機器によれば、負荷へ流入する電流を通電および遮断するスイッチング素子と、前記スイッチング素子の導通および非導通を指示する制御信号を生成する制御回路と、前記制御信号に基づいて前記スイッチング素子の制御端子を駆動する駆動回路と、前記制御回路と前記駆動回路とが絶縁されるように送信側の１次巻線および受信側の２次巻線が設けられた空芯型絶縁トランスとを備え、前記空芯型絶縁トランスの１次巻線には、前記２次巻線を鎖交する信号磁束による起電圧を高くするように構成された複数の巻線が少なくとも設けられ、前記空芯型絶縁トランスの２次巻線には、前記２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、前記２次巻線を鎖交する信号磁束による起電圧を高めるよう構成された複数の巻線が少なくとも設けられていることを特徴とする。
【００２５】
これにより、１次巻線および２次巻線として複数の巻線をそれぞれ設けることで、１次巻線および２次巻線に鎖交する外部磁束をそれぞれ打ち消し合わせることができ、磁気コアを用いることなく、外部磁束がノイズとして１次巻線および２次巻線に重畳することを低減することができる。このため、誤動作を招く危険性を回避しつつ、制御回路側とスイッチング素子側とを電気的に絶縁しながら信号の授受を行わせることが可能となるとともに、パワーエレクトロニクス機器の低価格化および小型化を図ることができる。
【００２６】
また、請求項５記載のパワーエレクトロニクス機器によれば、前記１次巻線および前記２次巻線には、巻き方向が互いに異なる第１巻線と第２巻線とがそれぞれ設けられ、各第１巻線同士および各第２巻き線同士は同軸状に配置されるとともに、前記１次巻線および前記２次巻線の第１巻線と第２巻線とはそれぞれ隣接するように配置され、第１巻線の終端が第２巻線の始端にそれぞれ接続されているか、または第１巻線の始端が第２巻線の終端にそれぞれ接続されていることを特徴とする。
【００２７】
これにより、１次巻線および２次巻線にそれぞれ設けられた複数の巻線の巻き方向を互いに異ならせることで、１次巻線および２次巻線に鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合わせることができる。このため、信号伝送用絶縁トランスとして空芯トランスを用いた場合においても、外部磁束がノイズとして１次巻線および２次巻線に重畳することを低減することができ、誤動作を招く危険性を回避しつつ、パワーエレクトロニクス機器の低価格化および小型化を図ることができる。
【００２８】
また、請求項６記載のパワーエレクトロニクス機器によれば、前記１次巻線および前記２次巻線には、巻き方向が同一の第１巻線と第２巻線とがそれぞれ設けられ、各第１巻線同士および各第２巻き線同士は同軸状に配置されるとともに、前記１次巻線および前記２次巻線の第１巻線と第２巻線とはそれぞれ隣接するように配置され、前記第１巻線の始端が前記第２巻線の始端にそれぞれ接続されているか、または前記第１巻線の終端が前記第２巻線の終端にそれぞれ接続されていることを特徴とする。
【００２９】
これにより、１次巻線および２次巻線にそれぞれ設けられた複数の巻線の巻き方向が同一である場合においても、１次巻線および２次巻線に設けられた複数の巻線の結線方法をそれぞれ変えることで、１次巻線および２次巻線に鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合わせることができる。このため、信号伝送用絶縁トランスとして空芯トランスを用いた場合においても、外部磁束がノイズとして１次巻線および２次巻線に重畳することを低減することができ、誤動作を招く危険性を回避しつつ、パワーエレクトロニクス機器の低価格化および小型化を図ることができる。
【００３０】
また、請求項７記載のパワーエレクトロニクス機器によれば、前記２次巻線の第１巻線と第２巻線の巻数が概ね同一で有ることを特徴とする。
これにより、２次巻線の第１巻線と第２巻線にそれぞれ鎖交する外部磁束を概ね同一とすることができ、２次巻線に鎖交する外部磁束をほぼ完全に打ち消し合すことができる。
また、請求項８記載のパワーエレクトロニクス機器によれば、前記空芯型絶縁トランスが微細加工技術によって形成されていることを特徴とする。
【００３１】
これにより、１次巻線および２次巻線の巻径を小さくすることが可能となるとともに、１次巻線と２次巻線との間隔を小さくすることができる。このため、１次巻線と２次巻線との結合係数を高めつつ、外部磁束が１次巻線および２次巻線に鎖交した場合においてもノイズとしての影響を低減することができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３２】
以上説明したように、本発明によれば、２次巻線に鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合わせることができ、信号伝送用絶縁トランスとして空芯トランスを用いた場合においても、外部磁束がノイズとして２次巻線に重畳することを低減し、誤動作を招く危険性を回避することが可能となるとともに、パワーエレクトロニクス機器の低価格化および小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態に係るパワーエレクトロニクス機器について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るパワーエレクトロニクス機器が適用される昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ：Ｉｎｔｅｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）の概略構成を示すブロック図である。
【００３４】
図１において、昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュールには、負荷へ流入する電流を通電および遮断するスイッチング素子ＳＷＵ、ＳＷＤおよびスイッチング素子ＳＷＵ、ＳＷＤの導通および非導通を指示する制御信号をそれぞれ生成する制御回路１が設けられている。ここで、制御回路１は、ＣＰＵ４または論理ＩＣ、あるいは論理ＩＣとＣＰＵが搭載されたシステムＬＳＩなどで構成することができる。
【００３５】
また、スイッチング素子ＳＷＵ、ＳＷＤはそれぞれ上アーム２用および下アーム３用として動作するように直列に接続されている。そして、スイッチング素子ＳＷＵには、ゲート信号ＳＵ４に従ってスイッチング動作を行うＩＧＢＴ６が設けられ、ＩＧＢＴ６に流れる電流と逆方向に電流を流すフライホイールダイオードＤＵ１がＩＧＢＴ６に並列に接続されている。また、ＩＧＢＴ６が形成されたチップには、チップ温度変化に起因するダイオードＤＵ２のＶＦ変化を測定原理として用いた温度センサ、および抵抗ＲＵ１、ＲＵ２を介してＩＧＢＴ６のエミッタ電流を分流して主回路電流を検出する電流センサが設けられている。
【００３６】
また、スイッチング素子ＳＷＤには、ゲート信号ＳＤ４に従ってスイッチング動作を行うＩＧＢＴ５が設けられ、ＩＧＢＴ５に流れる電流と逆方向に電流を流すフライホイールダイオードＤＤ１がＩＧＢＴ５に並列に接続されている。また、ＩＧＢＴ５が形成されたチップには、チップ温度変化に起因するダイオードＤＤ２のＶＦ変化を測定原理として用いた温度センサ、およびＩＧＢＴ５のエミッタ電流を抵抗ＲＤ１、ＲＤ２を介して分流して主回路電流を検出する電流センサが設けられている。
【００３７】
そして、上アーム２側には、温度センサからの過熱検知信号ＳＵ６および電流センサからの過電流検知信号ＳＵ５を監視しながら、ＩＧＢＴ６の制御端子を駆動するためのゲート信号ＳＵ４を生成する保護機能付きゲートドライバＩＣ８が設けられるとともに、ＩＧＢＴ６の温度に対応したＰＷＭ信号を生成するアナログＰＷＭ変換器ＣＵが設けられている。
【００３８】
また、下アーム３側には、温度センサからの過熱検知信号ＳＤ６および電流センサからの過電流検知信号ＳＤ５を監視しながら、ＩＧＢＴ５の制御端子を駆動するためのゲート信号ＳＤ４を生成する保護機能付きゲートドライバＩＣ７が設けられるとともに、ＩＧＢＴ５の温度に対応したＰＷＭ信号を生成するアナログＰＷＭ変換器ＣＤが設けられている。
【００３９】
また、車体筐体に接地される制御回路１側と、高圧となる上アーム２側および下アーム３側との間には、空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３がそれぞれ介挿され、制御回路１では、空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３を用いて上アーム２側および下アーム３側と電気的に絶縁しながら信号の授受が行われる。
すなわち、上アーム２側において、ＣＰＵ４から出力されたゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＵ１は、空芯型絶縁トランスＴＵ１を介して保護機能付きゲートドライバＩＣ８に入力される。また、保護機能付きゲートドライバＩＣ８から出力されたアラーム信号ＳＵ２は、空芯型絶縁トランスＴＵ２を介してＣＰＵ４に入力される。また、アナログＰＷＭ変換器ＣＵから出力されたＩＧＢＴチップ温度ＰＭＷ信号ＳＵ３は、空芯型絶縁トランスＴＵ３を介してＣＰＵ４に入力される。
【００４０】
一方、下アーム３側において、ＣＰＵ４から出力されたゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＤ１は、空芯型絶縁トランスＴＤ１を介して保護機能付きゲートドライバＩＣ７に入力される。また、保護機能付きゲートドライバＩＣ７から出力されたアラーム信号ＳＤ２は、空芯型絶縁トランスＴＤ２を介してＣＰＵ４に入力される。また、アナログＰＷＭ変換器ＣＤから出力されたＩＧＢＴチップ温度ＰＭＷ信号ＳＤ３は、空芯型絶縁トランスＴＤ３を介してＣＰＵ４に入力される。
【００４１】
ここで、空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３には、送信側の１次巻線および受信側の２次巻線がそれぞれ設けられている。そして、空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３の２次巻線には、２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、２次巻線を鎖交する信号磁束による起電圧を強め合うよう構成された複数の巻線が設けられている。
【００４２】
そして、ＣＰＵ４は、ＩＧＢＴ５、６の導通または非導通をそれぞれ指示するゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＤ１、ＳＵ１を生成し、このゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＤ１、ＳＵ１を空芯型絶縁トランスＴＤ１、ＴＵ１をそれぞれ介して保護機能付きゲートドライバＩＣ７、８にそれぞれ絶縁伝送する。そして、保護機能付きゲートドライバＩＣ７、８は、ゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＤ１、ＳＵ１にそれぞれ基づいてゲート信号ＳＤ４、ＳＵ４を生成し、ＩＧＢＴ５、６の制御端子を駆動することにより、ＩＧＢＴ５、６をスイッチング動作させる。
【００４３】
ここで、温度センサから出力された過熱検知信号ＳＤ６、ＳＵ６が保護機能付きゲートドライバＩＣ７、８にそれぞれ入力されるとともに、電流センサから出力された過電流検知信号ＳＤ５、ＳＵ５が保護機能付きゲートドライバＩＣ７、８にそれぞれ入力される。そして、保護機能付きゲートドライバＩＣ７、８は、ＩＧＢＴ５、６が破壊しない閾値を超過した場合には、空芯型絶縁トランスＴＤ２、ＴＵ２をそれぞれ介してＣＰＵ４にアラーム信号ＳＤ２、ＳＵ２を伝送する。そして、ＣＰＵ４は、保護機能付きゲートドライバＩＣ７、８からアラーム信号ＳＤ２、ＳＵ２をそれぞれ受け取ると、ゲートドライブ用ＰＭＷ信号ＳＤ１、ＳＵ１の生成をそれぞれ停止することにより、ＩＧＢＴ５、６に流れる電流を遮断する。
【００４４】
なお、保護機能付きゲートドライバＩＣ７、８は、温度センサから出力された過熱検知信号ＳＤ６、ＳＵ６および電流センサから出力された過電流検知信号ＳＤ５、ＳＵ５に基づいて、ＩＧＢＴが破壊しない閾値を下回ったと判断した場合、一定の時間が経過した後にアラーム信号ＳＤ２、ＳＵ２を解除する。
さらに、細かい監視を行う場合には、温度センサから出力された過熱検知信号ＳＤ６、ＳＵ６がアナログＰＷＭ変換器ＣＤ、ＣＵにそれぞれ入力される。そして、アナログＰＷＭ変換器ＣＤ、ＣＵは、過熱検知信号ＳＤ６、ＳＵ６のアナログ値をデジタル信号にそれぞれ変換することにより、ＩＧＢＴチップ温度ＰＭＷ信号ＳＤ３、ＳＵ３をそれぞれ生成し、空芯型絶縁トランスＴＤ３、ＴＵ３をそれぞれ介してＣＰＵ４にＩＧＢＴチップ温度ＰＭＷ信号ＳＤ３、ＳＵ３を伝送する。そして、ＣＰＵ４は、ＩＧＢＴチップ温度ＰＭＷ信号ＳＤ３、ＳＵ３からＩＧＢＴ５、６のチップ温度をそれぞれ算出し、予め設けられた数段階の閾値に応じて、ＩＧＢＴ５、６のスイッチング周波数の段階的な低下を行ったり、スイッチング停止を行ったりすることができる。
【００４５】
ここで、空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３の２次巻線として複数の巻線を設けることで、２次巻線に鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合わせることができ、磁気コアを用いることなく、外部磁束がノイズとして２次巻線に重畳することを低減することができる。このため、誤動作を招く危険性を回避しつつ、制御回路１側と上アーム２側および下アーム３側とを電気的に絶縁しながら信号の授受を行わせることが可能となるとともに、昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュールの低価格化および小型化を図ることができる。
【００４６】
図２は、本発明の第１実施形態に係る空芯型絶縁トランスの概略構成を示す外観図である。
図２において、図１の空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３には、送信側の役割を担う１次巻線Ｍ１１を設けるとともに、受信側の役割を担う２次巻線の第１巻線Ｍ２１および第２巻線Ｍ２２を設けることができる。ここで、２次巻線の第１巻線Ｍ２１および第２巻線Ｍ２２は、２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、２次巻線を鎖交する信号磁束を強め合うよう構成することができる。
【００４７】
例えば、２次巻線の第１巻線Ｍ２１と第２巻線Ｍ２２の巻き方向を互いに異ならせるとともに、２次巻線の第１巻線Ｍ２１と第２巻線Ｍ２２とを近接して配置することができる。さらに、１次巻線Ｍ１１と２次巻線の第１巻線Ｍ２１とは同軸状に配置するとともに、１次巻線Ｍ１１と２次巻線の第１巻線Ｍ２１の巻き方向は同一とすることができる。また、２次巻線の第１巻線Ｍ２１の終端を第２巻線Ｍ２２の始端に接続するか、または２次巻線の第１巻線Ｍ２１の始端を第２巻線Ｍ２２の終端に接続することができる。なお、２次巻線の第１巻線Ｍ２１と第２巻線Ｍ２２の巻数は概ね同一とすることが好ましい。
【００４８】
これにより、２次巻線に設けられた第１巻線Ｍ２１と第２巻線Ｍ２２の巻き方向を互いに異ならせることで、２次巻線に鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合わせることができる。このため、信号伝送用絶縁トランスとして空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３を用いた場合においても、外部磁束がノイズとして２次巻線に重畳することを低減することができ、誤動作を招く危険性を回避しつつ、昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュールの低価格化および小型化を図ることができる。
【００４９】
図３は、図２の空芯型絶縁トランスにおける外部磁束の鎖交状態を示す図である。
図３において、外部磁束Ｊｏは、２次巻線の第１巻線Ｍ２１および第２巻線Ｍ２２の双方に同一方向から概ね均等に鎖交する。
図４は、図２の空芯型絶縁トランスにおける信号磁束の鎖交状態を示す図である。
図４において、１次巻線Ｍ１１に流れた信号電流によって形成される信号磁束Ｊｓは、１次巻線Ｍ１１の軸を中心として周回するように形成され、１次巻線Ｍ１１の同軸上に配置された２次巻線の第１巻線Ｍ２１に大部分が鎖交し、２次巻線の第２巻線Ｍ２２には一部分が鎖交する。
なお、周回する巻線に鎖交する磁束が変化する場合、巻線の両端の発生電圧は下記のファラデーの法則にて表すことができる。
【００５０】
【数１】
【００５１】
ただし、この（２）式での太字はベクトルを表現している。この（２）式から判るように、磁束変化によって生じる電圧の符号に影響を与える因子は、巻線の巻方向（ｄＳ）および磁束の向き（Ｂ）である。主回路電流によって発生される外部磁束Ｊｏによる起電圧は、２次巻線の第１巻線Ｍ２１と第２巻線Ｍ２２で巻き方向が異なるため、符号が異なる同等値の起電圧となり、お互いに打ち消し合うことができる。この起電圧の打ち消し合いは、２次巻線の第１巻線Ｍ２１と第２巻線Ｍ２２の巻数が概ね等しい場合に最も効果的である。
【００５２】
一方、信号磁束Ｊｓに対しては、２次巻線の第１巻線Ｍ２１および第２巻線Ｍ２２ともに同一方向に起電圧が発生し、起電圧レベルは大きくなる。以上のような構成を用いることにより、信号磁束Ｊｓによる起電圧レベルを高くし、主回路電流の外部磁束Ｊｏによる起電圧レベルを抑制することができ、図１の空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３を用いた場合においても、信号のＳ／Ｎ比を高めることが可能となる。
【００５３】
なお、上述した実施形態では、２次巻線の第１巻線Ｍ２１と第２巻線Ｍ２２の巻き方向を互いに異ならせるとともに、２次巻線の第１巻線Ｍ２１の終端を第２巻線Ｍ２２の始端に接続するか、または２次巻線の第１巻線Ｍ２１の始端を第２巻線Ｍ２２の終端に接続する方法について説明したが、２次巻線の第１巻線Ｍ２１と第２巻線Ｍ２２の巻き方向を同一とするとともに、２次巻線の第１巻線Ｍ２１の始端を第２巻線Ｍ２２の始端に接続するか、または２次巻線の第１巻線Ｍ２１の終端を第２巻線Ｍ２２の終端に接続するようにしてもよい。
【００５４】
また、上述した実施形態では、１次巻線Ｍ１１と、２次巻線の第１巻線Ｍ２１の巻き方向を同一としたが、これらの巻線の巻き方向が逆でも良く、この場合には信号磁束Ｊｓによる出力電圧の符号が変わるのみで、外部磁束Ｊｏの影響を抑制する効果は変わらない。
また、図２において示した巻線は縦方向に形成されているが、微細加工技術によって形成される平面型コイルを用いるようにしてもよい。
【００５５】
図５（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る絶縁トランスの概略構成を示す断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の絶縁トランスの概略構成を示す平面図である。
図５において、基板１１には引き出し配線層１２が埋め込まれるとともに、基板１１上には１次コイルパターン１４が形成されている。そして、１次コイルパターン１４は引き出し部１３を介して引き出し配線層１２に接続されている。そして、１次コイルパターン１４上には平坦化膜１５が形成され、平坦化膜１５上には、絶縁層１６を介して２次コイルパターン１７が形成され、２次コイルパターン１７は保護膜１８にて覆われている。
【００５６】
一方、基板２１には引き出し配線層２２が埋め込まれるとともに、基板２１上には２次コイルパターン２４が形成されている。そして、２次コイルパターン２４は引き出し部２３を介して引き出し配線層２２に接続されている。そして、２次コイルパターン２４は保護膜２５にて覆われている。
ここで、１次コイルパターン１４および２次コイルパターン１７は巻き方向を時計回りに設定するとともに、２次コイルパターン２４は巻き方向を反時計回りに設定し、２次コイルパターン１７、２４は互いに近接して配置することができる。さらに、２次コイルパターン１７の終端を２次コイルパターン２４の始端に接続するか、または２次コイルパターン１７の始端を２次コイルパターン２４の終端に接続することができる。
【００５７】
この場合、外部磁束Ｊｏは、２次コイルパターン１７、２４の双方に同一方向から概ね均等に鎖交する。一方、１次コイルパターン１４に流れた信号電流によって形成される信号磁束Ｊｓは、１次コイルパターン１４の軸を中心として周回するように形成され、１次コイルパターン１４の同軸上に配置された２次コイルパターン１７に大部分が鎖交し、２次コイルパターン２４には一部分が鎖交する。このため、信号磁束Ｊｓによる起電圧レベルを高くし、主回路電流の外部磁束Ｊｏによる起電圧レベルを抑制することができ、信号のＳ／Ｎ比を高めることが可能となる。
【００５８】
また、１次コイルパターン１４および２次コイルパターン１７、２４の巻径を小さくすることが可能となるとともに、１次コイルパターン１４と２次コイルパターン１７との間隔を小さくすることができる。このため、１次コイルパターン１４と２次コイルパターン１７との結合係数を高めつつ、外部磁束Ｊｏによるノイズとしての影響を低減することができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００５９】
図６は、本発明の第３実施形態に係る空芯型絶縁トランスの概略構成を示す外観図である。
図６において、図１の空芯型絶縁トランスＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３には、送信側の役割を担う１次巻線の第１巻線Ｍ１１１および第２巻線Ｍ１１２を設けるとともに、受信側の役割を担う２次巻線の第１巻線Ｍ１２１および第２巻線Ｍ１２２を設けることができる。ここで、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１および第２巻線Ｍ１１２は、２次巻線を鎖交する信号磁束を強めるよう構成することができる。また、２次巻線の第１巻線Ｍ１２１および第２巻線Ｍ１２２は、２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、２次巻線を鎖交する信号磁束を多くするように構成することができる。
【００６０】
例えば、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１と第２巻線Ｍ１１２の巻き方向を互いに異ならせるとともに、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１と第２巻線Ｍ１１２とを近接して配置することができる。また、２次巻線の第１巻線Ｍ１２１と第２巻線Ｍ１２２の巻き方向を互いに異ならせるとともに、２次巻線の第１巻線Ｍ１２１と第２巻線Ｍ１２２とを近接して配置することができる。さらに、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１と２次巻線の第１巻線Ｍ１２１とは同軸状に配置するとともに、１次巻線の第２巻線Ｍ１１２と２次巻線の第２巻線Ｍ１２２とは同軸状に配置することができる。また、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１の終端を第２巻線Ｍ１１２の始端に接続するか、または１次巻線の第１巻線Ｍ１１１の始端を第２巻線Ｍ１１２の終端に接続することができる。さらに、２次巻線の第１巻線Ｍ１２１の終端を第２巻線Ｍ１２２の始端に接続するか、または２次巻線の第１巻線Ｍ１２１の始端を第２巻線Ｍ１２２の終端に接続することができる。
【００６１】
このような構成では、図２に示した構成に対して、２次巻線の第２巻線Ｍ１２２に対しても、信号磁束を確実に鎖交させることができ、Ｓ／Ｎ比をより改善することが可能となる。
なお、図６の第３実施形態では、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１と第２巻線Ｍ１１２の巻き方向を互いに異ならせるとともに、２次巻線の第１巻線Ｍ１２１と第２巻線Ｍ１２２の巻き方向を互いに異ならせ、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１の終端を第２巻線Ｍ１１２の始端に接続するか、または１次巻線の第１巻線Ｍ１１１の始端を第２巻線Ｍ１１２の終端に接続し、２次巻線の第１巻線Ｍ１２１の終端を第２巻線Ｍ１２２の始端に接続するか、または２次巻線の第１巻線Ｍ１２１の始端を第２巻線Ｍ１２２の終端に接続する方法について説明したが、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１と第２巻線Ｍ１１２の巻き方向を同一とするとともに、２次巻線の第１巻線Ｍ１２１と第２巻線Ｍ１２２の巻き方向を同一とし、１次巻線の第１巻線Ｍ１１１の始端を第２巻線Ｍ１１２の始端に接続するか、または１次巻線の第１巻線Ｍ１１１の終端を第２巻線Ｍ１１２の終端に接続し、２次巻線の第１巻線Ｍ１２１の始端を第２巻線Ｍ１２２の始端に接続するか、または２次巻線の第１巻線Ｍ１２１の終端を第２巻線Ｍ１２２の終端に接続するようにしてもよい。
【００６２】
図７（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る絶縁トランスの概略構成を示す断面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）の絶縁トランスの概略構成を示す平面図である。
図７において、基板３１には引き出し配線層３２が埋め込まれるとともに、基板３１上には１次コイルパターン３４が形成されている。そして、１次コイルパターン３４は引き出し部３３を介して引き出し配線層３２に接続されている。そして、１次コイルパターン３４上には平坦化膜３５が形成され、平坦化膜３５上には、絶縁層３６を介して２次コイルパターン３７が形成され、２次コイルパターン３７は保護膜３８にて覆われている。
【００６３】
一方、基板４１には引き出し配線層４２が埋め込まれるとともに、基板４１上には１次コイルパターン４４が形成されている。そして、１次コイルパターン４４は引き出し部４３を介して引き出し配線層４２に接続されている。そして、１次コイルパターン４４上には平坦化膜４５が形成され、平坦化膜４５上には、絶縁層４６を介して２次コイルパターン４７が形成され、２次コイルパターン４７は保護膜４８にて覆われている。
【００６４】
ここで、１次コイルパターン３４および２次コイルパターン３７は巻き方向を時計回りに設定するとともに、１次コイルパターン４４および２次コイルパターン４７は巻き方向を反時計回りに設定し、１次コイルパターン３４、４４は互いに近接して配置するとともに、２次コイルパターン４７、４７は互いに近接して配置することができる。また、１次コイルパターン３４の終端を１次コイルパターン４４の始端に接続するか、または１次コイルパターン３４の始端を１次コイルパターン４４の終端に接続することができる。さらに、２次コイルパターン３７の終端を２次コイルパターン４７の始端に接続するか、または２次コイルパターン３７の始端を２次コイルパターン４７の終端に接続することができる。
【００６５】
この場合、外部磁束Ｊｏは、２次コイルパターン３７、４７の双方に同一方向から概ね均等に鎖交する。一方、１次コイルパターン３４、４４に流れた信号電流によって形成される信号磁束Ｊｓは、１次コイルパターン３４、４４の軸を中心として周回するように形成され、１次コイルパターン３４、４４の同軸上にそれぞれ配置された２次コイルパターン３７、４７に大部分が鎖交する。このため、信号磁束Ｊｓによる起電圧レベルを高くし、主回路電流の外部磁束Ｊｏによる起電圧レベルを抑制することができ、信号のＳ／Ｎ比を高めることが可能となる。
【００６６】
図８および図９は、本発明の第５実施形態に係る絶縁トランスの製造方法を示す断面図である。
図８（ａ）において、Ａｓ、Ｐ、Ｂなどの不純物を半導体基板５１内に選択的に注入することにより、１次コイルパターン５５ａの中心からの引き出しを行うための引き出し拡散５２を半導体基板５１に形成する。なお、半導体基板５１の材質としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＳｎ、ＰｂＳ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮまたはＺｎＳｅなどの中から選択することができる。
【００６７】
次に、図８（ｂ）に示すように、引き出し拡散５２が形成された半導体基板５１上にプラズマＣＶＤなどの方法にて絶縁層５３を形成する。なお、絶縁層５３の材質としては、例えば、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などを用いることができる。
次に、図８（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、１次コイルパターン５５ａの中心からの引き出し部分に対応して開口部５４ａが設けられたレジストパターン５４を絶縁層５３上に形成する。
【００６８】
次に、図８（ｄ）に示すように、開口部５４ａが形成されたレジストパターン５４をマスクとして絶縁層５３をエッチングすることにより、１次コイルパターン５５ａの中心からの引き出し部分に対応した開口部５３ａを絶縁層５３に形成する。
次に、図８（ｅ）に示すように、レジストパターン５４を薬品により絶縁層５３から剥離する。
【００６９】
次に、図８（ｆ）に示すように、スパッタや蒸着などの方法により、導電膜５５を絶縁層５３上に形成する。なお、導電膜５５の材質としては、ＡｌやＣｕなどの金属を用いることができる。
次に、図８（ｇ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、１次コイルパターン５５ａに対応したレジストパターン５６を形成する。
【００７０】
次に、図８（ｈ）に示すように、レジストパターン５６をマスクとして導電膜５５をエッチングすることにより、１次コイルパターン５５ａを絶縁層５３上に形成する。
次に、図８（ｉ）に示すように、レジストパターン５６を薬品により１次コイルパターン５５ａから剥離する。
次に、図８（ｊ）に示すように、１次コイルパターン５５ａが形成された絶縁層５３上にプラズマＣＶＤなどの方法にて平坦化膜５７を形成する。なお、平坦化膜５７の材質としては、例えば、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などを用いることができる。
【００７１】
次に、図８（ｋ）に示すように、斜めエッチングあるいはＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などの方法により、平坦化膜５７を平坦化し、平坦化層５７の表面の凹凸を除去する。
次に、図８（ｌ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、２次コイルパターン５５ａの外端の配線取出し部分に対応して開口部５８ａが設けられたレジストパターン５８を平坦化膜５７上に形成する。
【００７２】
次に、図９（ａ）に示すように、開口部５８ａが設けられたレジストパターン５８をマスクとして平坦化膜５７をエッチングすることにより、２次コイルパターン５５ａの外端の配線取出し部分に対応した開口部５７ａを平坦化膜５７に形成する。
次に、図９（ｂ）に示すように、レジストパターン５８を薬品により平坦化膜５７から剥離する。
【００７３】
次に、図９（ｃ）に示すように、１次コイルパターン５５ａと２次コイルパターン５５ａとの分離層５９を平坦化膜５７上に形成する。なお、分離層５９の形成方法としては、ポリイミド層を平坦化膜５７上に塗布する方法などを用いることができる。
次に、図９（ｄ）に示すように、スパッタや蒸着などの方法により、導電膜６０を分離層５９上に形成する。なお、導電膜６０の材質としては、ＡｌやＣｕなどの金属を用いることができる。
【００７４】
次に、図９（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、２次コイルパターン６０ａに対応したレジストパターン６１を形成する。
次に、図９（ｆ）に示すように、レジストパターン６１をマスクとして導電膜６０をエッチングすることにより、２次コイルパターン６０ａを分離層５９上に形成する。
次に、図９（ｇ）に示すように、レジストパターン６１を薬品により２次コイルパターン６０ａから剥離する。
【００７５】
次に、図９（ｈ）に示すように、２次コイルパターン６０ａが形成された分離層５９上にプラズマＣＶＤなどの方法にて保護膜６２を形成する。なお、保護膜６２の材質としては、例えば、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などを用いることができる。そして、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて保護膜６２をパターニングすることにより、２次コイルパターン６０ａの端部および中央部を露出させる。
【００７６】
これにより、微細加工技術によって１次コイルパターン５５ａ上に２次コイルパターン６０ａを積層することができ、１次コイルパターン５５ａおよび２次コイルパターン６０ａの巻径を小さくすることが可能となるとともに、１次コイルパターン５５ａと２次コイルパターン６０ａとの間隔を小さくすることができる。
図１０は、本発明の第６実施形態に係る昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュールの実装状態を示す断面図である。
【００７７】
図１０において、放熱の役割を行う銅ベース７１上には、絶縁用セラミックス基板７２を介して、ＩＧＢＴチップ７３ａおよびＦＷＤチップ７３ｂが実装されている。そして、ＩＧＢＴチップ７３ａおよびＦＷＤチップ７３ｂは、ボンディングワイヤ７４ａ〜７４ｃを介して互いに接続されるとともに、主回路電流の取り出しを行う主端子７７に接続されている。また、ＩＧＢＴチップ７３ａおよびＦＷＤチップ７３ｂ上には、ＩＧＢＴのゲート駆動および監視を行う回路基板７５が配置され、ＩＧＢＴチップ７３ａ、ＦＷＤチップ７３ｂおよび回路基板７５はモールド樹脂７６にて封止されている。ここで、ＩＧＢＴチップ７３ａおよびＦＷＤチップ７３ｂは、負荷へ流入する電流を通電および遮断するスイッチング素子を構成することができ、上アーム用および下アーム用として動作するようにスイッチング素子を直列に接続することができる。また、回路基板７５には、スイッチング素子の導通および非導通を指示する制御信号を生成する制御回路を設けることができる。
【００７８】
そして、主回路電流は、主端子７７のみならず、主端子７７とＩＧＢＴチップ７３ａおよびＦＷＤチップ７３ｂを接続するボンディングワイヤ７４ａ〜７４ｃにも流れるが、ボンディングワイヤ７４ａ〜７４ｃは回路基板７５の直近に配置されるので、ボンディングワイヤ７４ａ〜７４ｃを流れる主回路電流で生成される磁界による影響の方が大きい。この主回路電流は、通常の運転時には、最高でも２５０Ａ程度であるが、例えば発進時あるいは、空転後の負荷等では、９００Ａ以上流れる場合が有る。
【００７９】
ここで、車体筐体に接地される制御回路側と、高圧となる上アーム側および下アーム側との間には、空芯型絶縁トランスがそれぞれ介挿され、制御回路では、空芯型絶縁トランスを用いて上アーム側および下アーム側と電気的に絶縁しながら信号の授受が行われる。そして、空芯型絶縁トランスの２次巻線には、２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、２次巻線を鎖交する信号磁束による起電圧を強め合うよう構成された複数の巻線を設けることができる。
【００８０】
これにより、ＩＧＢＴチップ７３ａ、ＦＷＤチップ７３ｂおよび主端子７７を電気的に接続するボンディングワイヤ７４ａ〜７４ｃに主回路の大電流が流れた場合でも、空芯型絶縁トランスの受信側である２次巻線の出力電圧における信号レベルを主回路電流によるノイズレベルに対して十分大きくすることが可能となり、空芯型絶縁トランスを用いた場合においても、誤動作の無い信号伝達が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の一実施形態に係るパワーエレクトロニクス機器が適用される昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュールの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る空芯型絶縁トランスの概略構成を示す外観図である。
【図３】図２の空芯型絶縁トランスにおける外部磁束の鎖交状態を示す図である。
【図４】図２の空芯型絶縁トランスにおける信号磁束の鎖交状態を示す図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る絶縁トランスの概略構成を示す断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の絶縁トランスの概略構成を示す平面図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る空芯型絶縁トランスの概略構成を示す外観図である。
【図７】図７（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る絶縁トランスの概略構成を示す断面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）の絶縁トランスの概略構成を示す平面図である。
【図８】本発明の第５実施形態に係る絶縁トランスの製造方法を示す断面図である。
【図９】本発明の第５実施形態に係る絶縁トランスの製造方法を示す断面図である。
【図１０】本発明の第６実施形態に係る昇降圧コンバータ用インテリジェントパワーモジュールの実装状態を示す断面図である。
【図１１】従来の昇降圧コンバータを用いた車両駆動システムの概略構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１の昇降圧コンバータの概略構成を示すブロック図である。
【図１３】昇圧動作時に図１２のリアクトルに流れる電流の波形を示す図である。
【図１４】従来の信号伝送用絶縁トランスの概略構成を示す平面図である。
【図１５】従来の信号伝送用絶縁トランスを用いた信号伝送回路の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８２】
１ 制御回路
２ 上アーム
３ 下アーム
４ ＣＰＵ
５、６ ＩＧＢＴ
７、８ ゲートドライバＩＣ
ＴＵ１〜ＴＵ３、ＴＤ１〜ＴＤ３ 空芯型絶縁トランス
ＤＵ１、ＤＵ２、ＤＤ１、ＤＤ２ ダイオード
ＲＵ１、ＲＵ２、ＲＤ１、ＲＤ２ 抵抗
ＣＵ、ＣＤ ＰＷＭ変換器
Ｍ１１、Ｍ１１１ １次巻線
Ｍ１１１ １次巻線の第１巻線
Ｍ１１２ １次巻線の第２巻線
Ｍ２１、Ｍ１２１ ２次巻線の第１巻線
Ｍ２２、Ｍ１２２ ２次巻線の第２巻線
１１、２１、３１、４１ 基板
１２、２２、３２、４２ 引き出し配線層
１３、２３、３３、４３ 引き出し部
１４、３４、４４、５５ａ １次コイルパターン
１５、３５、４５、５７ 平坦化膜
１６、３６、４６、５３ 絶縁層
１７、２４、３７、４７、６０ａ ２次コイルパターン
１８、２５、３８、４８、６２ 保護膜
５１ 半導体基板
５２ 引き出し拡散層
５４、５６、５８、６１ レジストパターン
５４ａ、５７ａ、５８ａ 開口部
５５、６０ 導電膜
５９ 分離層
７１ 銅ベース
７２ 絶縁用セラミックス基板
７３ａ ＩＧＢＴチップ
７３ｂ ＦＷＤチップ
７４ａ〜７４ｃ ボンディングワイヤ
７５ 回路基板
７６ モールド樹脂
７７ 主端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷へ流入する電流を通電および遮断するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子の導通および非導通を指示する制御信号を生成する制御回路と、
前記制御信号に基づいて前記スイッチング素子の制御端子を駆動する駆動回路と、
前記制御回路と前記駆動回路とが絶縁されるように送信側の１次巻線および受信側の２次巻線が設けられた空芯型絶縁トランスとを備え、
前記空芯型絶縁トランスの２次巻線には、前記２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、前記２次巻線を鎖交する信号磁束による起電圧を強め合うよう構成された複数の巻線が少なくとも設けられていることを特徴とするパワーエレクトロニクス機器。
【請求項２】
前記２次巻線には、巻き方向が互いに異なるとともに隣接配置された第１巻線と第２巻線とが設けられ、前記１次巻線と前記２次巻線の第１巻線とは同軸状に配置されるとともに、前記第１巻線の終端が前記第２巻線の始端に接続されているか、または前記第１巻線の始端が前記第２巻線の終端に接続されていることを特徴とする請求項１記載のパワーエレクトロニクス機器。
【請求項３】
前記２次巻線には、巻き方向が同一であるとともに隣接配置された第１巻線と第２巻線とが設けられ、前記１次巻線と前記２次巻線の第１巻線とは同軸状に配置されるとともに、前記第１巻線の始端が前記第２巻線の始端に接続されているか、または前記第１巻線の終端が前記第２巻線の終端に接続されていることを特徴とする請求項１記載のパワーエレクトロニクス機器。
【請求項４】
負荷へ流入する電流を通電および遮断するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子の導通および非導通を指示する制御信号を生成する制御回路と、
前記制御信号に基づいて前記スイッチング素子の制御端子を駆動する駆動回路と、
前記制御回路と前記駆動回路とが絶縁されるように送信側の１次巻線および受信側の２次巻線が設けられた空芯型絶縁トランスとを備え、
前記空芯型絶縁トランスの１次巻線には、前記２次巻線を鎖交する信号磁束による起電圧を高くするように構成された複数の巻線が少なくとも設けられ、
前記空芯型絶縁トランスの２次巻線には、前記２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、前記２次巻線を鎖交する信号磁束による起電圧を高めるよう構成された複数の巻線が少なくとも設けられていることを特徴とするパワーエレクトロニクス機器。
【請求項５】
前記１次巻線および前記２次巻線には、巻き方向が互いに異なる第１巻線と第２巻線とがそれぞれ設けられ、各第１巻線同士および各第２巻き線同士は同軸状に配置されるとともに、前記１次巻線および前記２次巻線の第１巻線と第２巻線とはそれぞれ隣接するように配置され、第１巻線の終端が第２巻線の始端にそれぞれ接続されているか、または第１巻線の始端が第２巻線の終端にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項４記載のパワーエレクトロニクス機器。
【請求項６】
前記１次巻線および前記２次巻線には、巻き方向が同一の第１巻線と第２巻線とがそれぞれ設けられ、各第１巻線同士および各第２巻き線同士は同軸状に配置されるとともに、前記１次巻線および前記２次巻線の第１巻線と第２巻線とはそれぞれ隣接するように配置され、前記第１巻線の始端が前記第２巻線の始端にそれぞれ接続されているか、または前記第１巻線の終端が前記第２巻線の終端にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項４記載のパワーエレクトロニクス機器。
【請求項７】
前記２次巻線の第１巻線と第２巻線の巻数が概ね同一で有ることを特徴とする請求項２、３、５、６のいずれか１項記載のパワーエレクトロニクス機器。
【請求項８】
前記空芯型絶縁トランスが微細加工技術によって形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載のパワーエレクトロニクス機器。
【請求項１】
負荷へ流入する電流を通電および遮断するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子の導通および非導通を指示する制御信号を生成する制御回路と、
前記制御信号に基づいて前記スイッチング素子の制御端子を駆動する駆動回路と、
前記制御回路と前記駆動回路とが絶縁されるように送信側の１次巻線および受信側の２次巻線が設けられた空芯型絶縁トランスとを備え、
前記空芯型絶縁トランスの２次巻線には、前記２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、前記２次巻線を鎖交する信号磁束による起電圧を強め合うよう構成された複数の巻線が少なくとも設けられていることを特徴とするパワーエレクトロニクス機器。
【請求項２】
前記２次巻線には、巻き方向が互いに異なるとともに隣接配置された第１巻線と第２巻線とが設けられ、前記１次巻線と前記２次巻線の第１巻線とは同軸状に配置されるとともに、前記第１巻線の終端が前記第２巻線の始端に接続されているか、または前記第１巻線の始端が前記第２巻線の終端に接続されていることを特徴とする請求項１記載のパワーエレクトロニクス機器。
【請求項３】
前記２次巻線には、巻き方向が同一であるとともに隣接配置された第１巻線と第２巻線とが設けられ、前記１次巻線と前記２次巻線の第１巻線とは同軸状に配置されるとともに、前記第１巻線の始端が前記第２巻線の始端に接続されているか、または前記第１巻線の終端が前記第２巻線の終端に接続されていることを特徴とする請求項１記載のパワーエレクトロニクス機器。
【請求項４】
負荷へ流入する電流を通電および遮断するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子の導通および非導通を指示する制御信号を生成する制御回路と、
前記制御信号に基づいて前記スイッチング素子の制御端子を駆動する駆動回路と、
前記制御回路と前記駆動回路とが絶縁されるように送信側の１次巻線および受信側の２次巻線が設けられた空芯型絶縁トランスとを備え、
前記空芯型絶縁トランスの１次巻線には、前記２次巻線を鎖交する信号磁束による起電圧を高くするように構成された複数の巻線が少なくとも設けられ、
前記空芯型絶縁トランスの２次巻線には、前記２次巻線を鎖交する外部磁束による起電圧を打ち消し合うとともに、前記２次巻線を鎖交する信号磁束による起電圧を高めるよう構成された複数の巻線が少なくとも設けられていることを特徴とするパワーエレクトロニクス機器。
【請求項５】
前記１次巻線および前記２次巻線には、巻き方向が互いに異なる第１巻線と第２巻線とがそれぞれ設けられ、各第１巻線同士および各第２巻き線同士は同軸状に配置されるとともに、前記１次巻線および前記２次巻線の第１巻線と第２巻線とはそれぞれ隣接するように配置され、第１巻線の終端が第２巻線の始端にそれぞれ接続されているか、または第１巻線の始端が第２巻線の終端にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項４記載のパワーエレクトロニクス機器。
【請求項６】
前記１次巻線および前記２次巻線には、巻き方向が同一の第１巻線と第２巻線とがそれぞれ設けられ、各第１巻線同士および各第２巻き線同士は同軸状に配置されるとともに、前記１次巻線および前記２次巻線の第１巻線と第２巻線とはそれぞれ隣接するように配置され、前記第１巻線の始端が前記第２巻線の始端にそれぞれ接続されているか、または前記第１巻線の終端が前記第２巻線の終端にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項４記載のパワーエレクトロニクス機器。
【請求項７】
前記２次巻線の第１巻線と第２巻線の巻数が概ね同一で有ることを特徴とする請求項２、３、５、６のいずれか１項記載のパワーエレクトロニクス機器。
【請求項８】
前記空芯型絶縁トランスが微細加工技術によって形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載のパワーエレクトロニクス機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００７−２５０８９１（Ｐ２００７−２５０８９１Ａ）
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−７３１６５（Ｐ２００６−７３１６５）
【出願日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【出願人】（５０３３６１２４８）富士電機デバイステクノロジー株式会社 (1,023)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【出願人】（５０３３６１２４８）富士電機デバイステクノロジー株式会社 (1,023)
【Ｆターム（参考）】
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