JP2005006465A - 電流検出回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】スイッチ素子に流れる電流を、高精度で、電力損が少なく、高い電圧でかつ絶縁された形で検出できるようにする。
【解決手段】スイッチ素子に流れる電流が、回路構成要素であるチョークコイル5,47にも流れる回路において、
チョークコイルに発生する電圧に比例した電流によりコンデンサを充電する充電回路が設けられ、スイッチ素子に流れる電流が0のときに、前記コンデンサの電圧を0Vにする放電回路が設けられ、前記コンデンサの電圧を、スイッチ素子に流れる電流に比例した値として検出するようにした。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチ素子に流れる電流を検出する電流検出回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
スイッチ素子をオン、オフさせて該スイッチ素子を流れる電流値を制御する回路として、例えば、図6に示すように、アクティブフィルターを使用した昇圧チョッパー回路がある。また、図7に示すように、ハーフブリッジ式のHID点灯回路がある。この種の回路では、スイッチ素子に流れる電流を検出し、その検出した電流値に基づいて、スイッチ素子をオンオフ制御する必要があり、どのようにしてスイッチ素子に流れる電流を検出するかが問題になる。
【0003】
即ち、図6のアクティブフィルターを使用した昇圧チョッパー回路では、交流電源81と全波整流回路82により直流電源84が構成され、直流電源84の出力端子間に、チョークコイル85とスイッチ素子(半導体スイッチ)86とが直列に接続され、スイッチ素子86の両端に、ダイオード87とコンデンサ88との直列回路が並列に接続され、スイッチ素子86のオンオフ動作によりチョークコイル85に電磁エネルギーを蓄積してそのエネルギーを前記ダイオード87を介してコンデンサ88に放出し、これにより交流電源81を全波整流回路82により全波整流した電圧より高い電圧をコンデンサ88に蓄えるようになっている。
【0004】
スイッチ制御回路89は、スイッチ素子86に流れる電流を抵抗(例えば1Ω)90により検出して、高電圧(H)となるオン信号Sをスイッチ素子86に出力し、オン信号Sを出力する(出力信号が高電圧(H)になる)間にスイッチ素子86をオンさせると共に、オン信号Sの停止(出力信号が低電圧(L)になる)により、スイッチ素子86をオフさせるようになっている。
そして、前記スイッチ制御回路89は、チョークコイル85及びダイオード87の電流が0になると、オン信号Sの出力を開始し(スイッチ素子86をオンし)、抵抗90を介して検出したスイッチ素子86に流れる電流が、所望のチョークコイル85の電流のピーク値に対応した閾値に達すると、オン信号Sを停止し(スイッチ素子86をオフし)、これによりスイッチ素子86を高周波にてオンオフ制御して、コンデンサ88側に安定した直流電圧を得るようになっている(例えば特許文献1)。
【0005】
また、図7のハーフブリッジ式のHID点灯回路では、直流電源91の出力端子間に、一対のスイッチ素子92,93の直列回路が接続されると共に、一対のコンデンサ94,95の直列回路が接続され、一対のスイッチ素子92,93間と、一対のコンデンサ94,95間とに、チョークコイル97とHIDランプ98とチョークコイル99とコンデンサ100とを接続している。そして、コンデンサ100と一対のコンデンサ94,95間とに抵抗(例えば1Ω)103を接続し、一対のスイッチ素子92,93に流れる電流を抵抗103により検出し、この検出した電流に基づいてスイッチ制御回路104により、一対のスイッチ素子92,93のオンオフ動作を交互に繰り返させることによって、HIDランプ98を点灯させるようにしている。
【0006】
【特許文献1】
特開平7−231650号公報
【特許文献2】
特開2002−170695号公報
【特許文献3】
特開2002−184593号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図6における従来の電流検出回路では、スイッチ素子86に流れる電流を、スイッチ素子86に直列に接続した抵抗90により検出しており、スイッチ素子86に流れる電流を検出する抵抗にはインダクタンス成分があるため、スパイク状のノイズがあり、誤検出するおそれがあるし、電力損が発生するという問題があった。
即ち、スイッチ素子86に流れる電流Iを、抵抗90の両端に生じる電圧V、抵抗90の抵抗値をRとすると、スイッチ素子86に流れる電流を、V=IRの関係で電圧として検出するので、電圧(抵抗値R)を大きくすると、検出電圧を大きくできるが、抵抗90での電力損をWとすると、W=IVの関係になり、抵抗90で電力損が発生する。電圧(抵抗値R)を小さくすると、抵抗90の電力損が少なくなるが、検出電圧が小さくなり、ノイズが大きいと、検出電圧にノイズがのり高精度で検出することは困難になった。
【0008】
また、図7の従来の電流検出回路では、一対のスイッチ素子92,93に流れる電流を抵抗103により検出しており、図6の回路の場合と同様な問題点を有する他に、比較回路106等を有する電流検出回路105を設ける必要があり、また、スイッチ制御回路104に電流検出信号を伝えるために、電流検出回路105とスイッチ制御回路104との間を例えばフォトカプラー108等を用いて絶縁する必要があった。
その他、スイッチ素子に流れる電流を検出する方法として、図8に示すように、1次巻線111aと2次巻線111bとを有する電流トランス111を設け、電流トランス111の2次巻線111bに設けた抵抗112の両端で電流を検出することが考えられる。この場合、2次巻線111bの巻数を1次巻線111aの巻数よりも多くすることにより、低電流を高電圧でかつ低電力損で絶縁した形で電流を検出できるが、直流成分が検出できないという問題がある。
【0009】
また、図9に示すように、スイッチ素子に直列に抵抗114を設け、この抵抗114で電流を検出し、トランス115で昇圧することが考えられる。この場合、図8の場合と同種の効果があるが、直流成分は検出できないという問題がある。
さらに、ホール素子で直流成分を検出する方法が実用化されているが、この場合、回路部品が多数必要で高価になるという問題がある。
本発明は上記問題点に鑑み、スイッチ素子に流れる電流を、高精度で、電力損が少なく、高い電圧でかつ絶縁された形で検出し得るようにしたものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この技術的課題を解決する本発明の技術的手段は、スイッチ素子6,42,43に流れる電流が、回路構成要素であるチョークコイル5,47にも流れる回路において、
チョークコイル5,47に発生する電圧に比例した電流によりコンデンサ16,56を充電する充電回路17,57が設けられ、スイッチ素子6,42,43に流れる電流が0のときに、前記コンデンサ16,56の電圧を0Vにする放電回路18,58が設けられ、前記コンデンサ16,56の電圧を、スイッチ素子6,42,43に流れる電流に比例した値として検出するようにした点にある。
【0011】
また、本発明の他の技術的手段は、直流電源4の出力端子間に、チョークコイル5とスイッチ素子6とが直列に接続され、スイッチ素子6の両端に、ダイオード7とコンデンサ8との直列回路が並列に接続され、スイッチ素子6のオンオフ動作によりチョークコイル5に電磁エネルギーを蓄積してそのエネルギーを前記ダイオード7を介してコンデンサ8に放出して直流電圧を得るようにした回路において、
チョークコイル5に発生する電圧に比例した電流によりコンデンサ16を充電する充電回路17が設けられ、スイッチ素子6に流れる電流が0のときに、前記コンデンサ16の電圧を0Vにする放電回路18が設けられ、前記コンデンサ16の電圧を、スイッチ素子6に流れる電流に比例した値として検出するようにした点にある。
【0012】
また、本発明の他の技術的手段は、直流電源41の出力端子間に、一対のスイッチ素子42,43の直列回路が接続されると共に、一対のコンデンサ44,45の直列回路が接続され、前記一対のスイッチ素子42,43間と、前記一対のコンデンサ44,45間とに、チョークコイル47とHIDランプ48とが接続され、一対のスイッチ素子42,43にオンオフ動作を交互にさせることによって、HIDランプ48を高周波で点灯させるようにしたハーフブリッジ式のHID点灯回路において、
チョークコイル47に発生する電圧に比例した電流によりコンデンサ56を充電する充電回路47が設けられ、一対のスイッチ素子42,43が共にオフしたときに、コンデンサ56の電圧を0Vにする放電回路58が設けられ、前記コンデンサ56の電圧を、スイッチ素子42,43に流れる電流に比例した値として検出するようにした点にある。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1はアクティブフィルターを使用した昇圧チョッパー回路に本発明を適用した一実施の形態を示している。同図において、1は商用交流電源、2は交流電源1を全波整流する全波整流回路で、ダイオードブリッジにより構成されている。交流電源1と全波整流回路2により直流電源4が構成されている。
5はチョークコイル、6はスイッチ素子(半導体スイッチ)で、例えば金属酸化膜ゲート電界効果形トランジスタ(MOSFET)により構成されている。これらチョークコイル5及びスイッチ素子6は、直流電源4の出力端子間に直列に接続されている。スイッチ素子6の両端に、ダイオード7とコンデンサ8との直列回路が並列に接続されている。直流電源4とチョークコイル5とスイッチ素子6とダイオード7とコンデンサ8とによりアクティブフィルタが構成され、スイッチ素子6が高周波でオンオフ動作することにより、チョークコイル5に電磁エネルギーを蓄積してそのエネルギーを前記ダイオード7を介してコンデンサ8に放出し、これにより交流電源1を全波整流回路2により全波整流した電圧より高い電圧をコンデンサ8に蓄えるようになっている。
【0014】
なお、図1に鎖線で示すように、昇圧チョッパー回路(アクティブフィルタ)の負荷として、コンデンサ8の出力端側に、インバータ回路11を介して放電灯12を接続することにより、放電灯12を高周波点灯させる放電灯点灯装置が構成される。
そして、スイッチ素子6をオンオフ制御するスイッチ制御回路15と、チョークコイル5に発生する電圧に比例した電流によりコンデンサ16を充電する充電回路17と、スイッチ素子6に流れる電流が0のときにコンデンサ16の電圧が0Vになるように放電する放電回路18とが設けられ、チョークコイル5に2次巻線5bが設けられている。
【0015】
スイッチ制御回路15は、高電圧(H)となるオン信号Sをスイッチ素子6に出力し、オン信号Sを出力する(出力信号が高電圧(H)になる)間にスイッチ素子6をオンさせると共に、オン信号Sの停止(出力信号が低電圧(L)になること)により、スイッチ素子6をオフさせるようになっている。
そして、前記スイッチ制御回路15は、比較回路19等を有し、図2に示すように、チョークコイル5の電流Iが0になると、オン信号Sの出力を開始し(スイッチ素子6をオンし)、充電回路17を介して検出したスイッチ素子6に流れる電流Iと、所定の周波数で正弦波形状となる基準電圧Vとを比較し、スイッチ素子6に流れる電流Iが、基準電圧Vに達すると、オン信号Sを停止し(スイッチ素子6をオフし)、これによりスイッチ素子6を高周波にてオンオフ制御して、コンデンサ8側に安定した直流電圧を得るようになっている。
【0016】
なお、図2において、図2(イ)は、スイッチ素子6に流れる電流Iの電流波形を示し、図2(ロ)は、スイッチ素子6のゲート電圧波形を示し、図2(イ)のIは、スイッチ素子6に流れる電流Iの平均値を示し、この電流Iは、直流電源4からチョークコイル5側に入力される入力電流となる。
充電回路18は、コンデンサ16とミラー回路を構成する一対のスイッチ素子(トランジスタ)21,22と他のミラー回路を構成する一対のスイッチ素子(トランジスタ)23,24と直流電源25と抵抗26,27とを備えている。放電回路18は、トランジスタ28とNOT回路29とを備え、スイッチ制御回路15がオン信号Sを停止しているときに、トランジスタ28がオンして、コンデンサ16を放電するように構成されている。
【0017】
上記実施の形態によれば、充電回路17の一対のスイッチ素子21,22はミラー回路であるから、スイッチ素子21に流れる電流Iとスイッチ素子22に流れる電流Iとは等しくなる(I=I)。また、一対のスイッチ素子23,24もミラー回路であるから、スイッチ素子23に流れる電流Iとスイッチ素子24に流れる電流Iとは等しくなる(I=I)。そして、スイッチ素子21に流れる電流Iは、チョークコイル5の2次巻線5bを流れる電流と同じであり、チョークコイル5及びスイッチ素子6を流れる電流Iに比例しているから、コンデンサ16を流れる電流Iは、チョークコイル5及びスイッチ素子6を流れる電流Iに対応(比例)したものとなる。
【0018】
従って、チョークコイル5に発生する電圧Vとチョークコイル5に流れる電流Iとの関係は以下の通りである。
コンデンサ16の電圧をVとし、コンデンサ16の容量をCとし、抵抗26の抵抗値をRとし、チョークコイル5のインダクタンスをLとすると、
Figure 2005006465
【0019】
従って、コンデンサ16の電圧Vは、スイッチ素子6に流れる電流Iに比例した値となる。
そして、放電回路18では、スイッチ素子6がオンするまで、トランジスタ28をオンさせておいて、コンデンサ16の電圧Vを0Vにしておき、スイッチ素子6がオンしたときからコンデンサ16を0Vから充電を開始する。このため、スイッチ素子6に流れる電流Iがコンデンサ16の電圧Vと完全比例する関係になり、直流成分のオフセットは生じない。即ち、チョークコイル5(スイッチ素子6)に流れる電流Iは、チョーク電圧を積分した値に定数を加算した値になるが、チョークコイル5に電流Iが流れ始めるときに、積分値を0にクリヤして積分することとなるため、定数は0となり、コンデンサ16の電圧Vをスイッチ素子6に流れる電流Iの値として用いることができるようになる。また、チョークコイル5に電流が流れ始める毎に積分値をリセットすることができて、誤差が積み重ならないようになる。
【0020】
従って、スイッチ素子6に流れる電流Iを、チョークコイル5の2次巻線5b等を介して、高精度で電力損が少なく、高い電圧でかつ絶縁された形で検出し得るようになる。
図3はハーフブリッジ式のHID点灯回路に本発明を適用した他の実施形態を示している。図3において、41は直流電源で、直流電源41の出力端子間に、一対のスイッチ素子42,43の直列回路が接続されると共に、一対のコンデンサ44,45の直列回路が接続されている。一対のスイッチ素子42,43間と、一対のコンデンサ44,45間とに、チョークコイル47とHIDランプ48とチョークコイル49とコンデンサ50とが接続されている。ここで、HIDランプとは、high intensity discharge lampの略で、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプの総称である。HIDランプは、高輝度放電ランプとも呼ばれ、小型で高出力・高効率・長寿命が特徴である。
【0021】
そして、スイッチ素子42,43をオンオフ制御するスイッチ制御回路55と、チョークコイル47に発生する電圧に比例した電流によりコンデンサ56を充電する充電回路57と、オン信号S1,S2が共に停止している(スイッチ素子42,43への出力信号が共に低電圧(L)になる)ときにコンデンサ56の電圧が0Vになるように放電する放電回路58とが設けられ、チョークコイル42に2次巻線42bが設けられている。
スイッチ制御回路55は、高電圧(H)となるオン信号S1,S2をスイッチ素子42,43に出力し、オン信号S1を出力する(スイッチ素子42への出力信号が高電圧(H)となる)間にスイッチ素子42をオンさせると共に、オン信号S1の停止(スイッチ素子42への出力信号が低電圧(L)になること)により、スイッチ素子42をオフさせ、また、オン信号S2を出力する(スイッチ素子43への出力信号が高電圧(H)となる)間にスイッチ素子43をオンさせると共に、オン信号S2の停止(スイッチ素子43への出力信号が低電圧(L)になること)により、スイッチ素子43をオフさせるようになっている。
【0022】
そして、前記スイッチ制御回路55は、比較回路59等を有し、図5に示すように、チョークコイル47の電流Iが0になると、オン信号S1又はオン信号S2の出力を開始し(スイッチ素子42又はスイッチ素子43をオンし)、充電回路57を介して検出したスイッチ素子42又はスイッチ素子43に流れる電流Iと、所定の直流電圧となる基準電圧Vとを比較し、スイッチ素子42又はスイッチ素子43に流れる電流Iが、基準電圧Vに達すると、オン信号S1又はオン信号S2を停止(スイッチ素子42又はスイッチ素子43をオフ)するようになっている。
【0023】
なお、図5において、図5(イ)は、スイッチ素子42(又はスイッチ素子43)に流れる電流Iの電流波形を示し、図5(ロ)は、スイッチ素子42(又はスイッチ素子43)の電圧波形を示し、図5(イ)のIは、スイッチ素子42(又はスイッチ素子43)に流れる電流Iの平均値を示し、この電流Iは、直流電源41側からHIDランプ48側に入力されるランプ電流となる。
また、スイッチ制御回路55は、図4に示すように、オン信号S1を出力する期間Aとオン信号S2を出力する期間Bとを交互に繰り返すように制御し、これにより、スイッチ素子42のオンオフ動作とスイッチ素子43のオンオフ動作とを交互に繰り返させて、図4(ハ)(ニ)に示すように、HIDランプ48に交流のランプ電圧Vlaを印加すると共に、交流のランプ電流Ilaを流し、HIDランプ48を安定に点灯させるようになっている。
【0024】
なお、図4において、図4(イ)はスイッチ素子42の電圧波形を示し、図4(ロ)はスイッチ素子43の電圧波形を示し、図4(ハ)はHIDランプ48のランプ電圧Vlaの波形を示し、図4(ニ)はHIDランプ48のランプ電圧Ilaの波形を示している。
充電回路57は、コンデンサ56とミラー回路を構成する一対のスイッチ素子(トランジスタ)61,62と他のミラー回路を構成する一対のスイッチ素子63,64と直流電源65と抵抗66とを備えている。2次巻線42bの両端に、それぞれダイオード71,72を介して充電回路57の抵抗66が接続されている。放電回路58は、トランジスタ68とNOT回路69とOR回路70とを備え、スイッチ制御回路55からのオン信号S1,S2が共に停止している(スイッチ素子42,43が共にオフしている)ときに、トランジスタ68がオンして、コンデンサ56を放電するように構成されている。
【0025】
上記実施の形態によれば、前記図1の実施の形態の場合と同様に、コンデンサ56の電圧Vは、スイッチ素子42,43に流れる電流Iに比例した値となり、放電回路58では、スイッチ素子42,43が共にオフのときに、トランジスタ68をオンさせておいて、コンデンサ50の電圧Vを0Vにしておき、スイッチ素子42,43の一方がオンしたときからコンデンサ56を0Vから充電を開始する。このため、スイッチ素子42,43に流れる電流がコンデンサ16の電圧Vと完全比例する関係になり、直流成分のオフセットは生じない。従って、前記実施の形態の場合と同様に、スイッチ素子42,43に流れる電流Iを、チョークコイル47の2次巻線5b等を介して高精度で、電力損が少なく、高い電圧でかつ絶縁された形で検出し得るようになる。
【0026】
そして、図4(イ)(ロ)に示すように、期間Aでスイッチ素子42がオンオフ動作して、図3に波線で示す電流イが流れ、期間Bでスイッチ素子43がオンオフ動作して、図3に波線で示す電流ロが流れ、その結果、図4(ハ)(ニ)に示すように、HIDランプ48に交流のランプ電圧Vlaが印加すると共に、交流のランプ電流Ilaが流れ、HIDランプ48が安定に点灯する。
【0027】
【発明の効果】
本発明によれば、 スイッチ素子に流れる電流を、高精度で電力損が少なく、高い電圧でかつ絶縁された形で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態を示す回路図である。
【図2】同動作説明用の波形図である。
【図3】他の実施の形態を示す回路図である。
【図4】同動作説明用の波形図である。
【図5】同動作説明用の他の波形図である。
【図6】従来例を示す回路図である。
【図7】他の従来例を示す回路図である。
【図8】他の従来例を示す回路図である。
【図9】他の従来例を示す回路図である。
【符号の説明】
4 直流電源
5 チョークコイル
6 スイッチ素子
7 ダイオード
8 コンデンサ
16 コンデンサ
17 充電回路
18 放電回路
25 直流電源
41 直流電源
42 スイッチ素子
43 スイッチ素子
44 コンデンサ
45 コンデンサ
47 チョークコイル
48 HIDランプ
56 コンデンサ
57 充電回路
58 放電回路

Claims (3)

  1. スイッチ素子(6,42,43)に流れる電流が、回路構成要素であるチョークコイル(5,47)にも流れる回路において、
    チョークコイル(5,47)に発生する電圧に比例した電流によりコンデンサ(16,56)を充電する充電回路(17,57)が設けられ、スイッチ素子(6,42,43)に流れる電流が0のときに、前記コンデンサ(16,56)の電圧を0Vにする放電回路(18,58)が設けられ、前記コンデンサ(16,56)の電圧を、スイッチ素子(6,42,43)に流れる電流に比例した値として検出するようにしたことを特徴とする電流検出回路。
  2. 直流電源(4)の出力端子間に、チョークコイル(5)とスイッチ素子(6)とが直列に接続され、スイッチ素子(6)の両端に、ダイオード(7)とコンデンサ(8)との直列回路が並列に接続され、スイッチ素子(6)のオンオフ動作によりチョークコイル(5)に電磁エネルギーを蓄積してそのエネルギーを前記ダイオード(7)を介してコンデンサ(8)に放出して直流電圧を得るようにした回路において、
    チョークコイル(5)に発生する電圧に比例した電流によりコンデンサ(16)を充電する充電回路(17)が設けられ、スイッチ素子(6)に流れる電流が0のときに、前記コンデンサ(16)の電圧を0Vにする放電回路(18)が設けられ、前記コンデンサ(16)の電圧を、スイッチ素子(6)に流れる電流に比例した値として検出するようにしたことを特徴とする電流検出回路。
  3. 直流電源(41)の出力端子間に、一対のスイッチ素子(42,43)の直列回路が接続されると共に、一対のコンデンサ(44,45)の直列回路が接続され、前記一対のスイッチ素子(42,43)間と、前記一対のコンデンサ(44,45)間とに、チョークコイル(47)とHIDランプ(48)とが接続され、一対のスイッチ素子(42,43)にオンオフ動作を交互にさせることによって、HIDランプ(48)を点灯させるようにしたハーフブリッジ式のHID点灯回路において、
    チョークコイル(47)に発生する電圧に比例した電流によりコンデンサ(56)を充電する充電回路(47)が設けられ、一対のスイッチ素子(42,43)が共にオフしたときに、コンデンサ(56)の電圧を0Vにする放電回路(58)が設けられ、前記コンデンサ(56)の電圧を、スイッチ素子(42,43)に流れる電流に比例した値として検出するようにしたことを特徴とする電流検出回路。
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