JP2005300170A - 電流検出装置およびそれを備えた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 大電流を検出する場合でも、通電経路の発熱を抑制し、ホール素子の温度上昇を抑え、検出精度の高い電流検出装置を得る。また、振動の多い環境下でも検出精度の低下をなくす。さらには、装置の組立容易化および小型化を可能にする。
【解決手段】 磁性体からなるバスバー側コア２と、金属からなるバスバー１と、磁束検出部５を具備するプリント基板２と、磁性体からなる基板側コア４を順次近接して配置する。さらには、バスバーとバスバー側コアを一体化する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えば電力変換装置の出力電流を検出するための電流検出装置の構造に関するものである。

従来の電流検出装置においては、電流パターンは磁気センサーを囲むように形成され、その磁気センサーの上下を集磁チップで挟んでいる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１６７００９号公報（第４−５頁、第５−６図）

従来の電流検出装置では、被検出電流が流れる通電経路が、プリント基板に形成された電流パターンであるため、通電経路の断面積を拡大して通電抵抗を小さくすることが困難であった。そのために通電時の通電経路での発熱が大きかった。また、磁気センサーとしてのホール素子が電流パターンに近接して同じプリント基板上に配置されているため、ホール素子は電流パターンの発熱の影響を受けやすい。さらに、集磁チップがホール素子の上下にしか設けられていないため磁束の漏れが大きく、ホール素子部の磁束密度を向上させるために、プリント基板の電流パターンは、ホール素子を囲むように形成されていた。そのため、電流パターン長が必要以上に長くなっていた。電流パターン長が長いと、電流パターンでの発熱量が増加し、温度上昇が大きくなる。ホール素子の温度が上昇すると、温度ドリフトにより、オフセット電圧や感度が変化するため、大電流通電時の電流検出精度が悪化するという課題があった。さらに、プリント基板の電流パターンを、ホール素子を囲むように形成する必要から、プリント基板の面積が大きくなり、電流検出装置の小型化が困難であった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、大電流を検出する場合でも通電経路の発熱を抑制し、ホール素子の温度上昇を抑え、検出精度の高い電流検出装置を得るものである。

この発明に係る電流検出装置においては、磁性体からなるバスバー側コアと、導電性のバスバーと、磁束検出部を具備するプリント基板と、磁性体からなる基板側コアとを、順次近接して配置したものである。

この発明は、被検出電流が流れる通電経路を、導電性の金属板からなるバスバーにすることにより、通電経路の断面積を拡大して通電抵抗を小さくすることが容易で、通電経路の発熱を抑制できる。また、バスバーとプリント基板は分離しているため、バスバーで発生した熱がプリント基板に伝わりにくく、プリント基板上に設置された磁束検出部の温度上昇を抑えることができる。さらに、電流が流れるバスバーと、磁束検出部を具備するプリント基板とを磁性体で挟んだことにより、磁束の漏れが小さく、磁束検出部の磁束密度を向上させるために磁束検出部を通電経路で囲む必要がないので、通電経路が短くなり、発熱抑制および小型化に寄与する。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における電流検出装置の断面図である。図１において、本実施の形態の電流検出装置は、例えば銅などの導電率の高い金属板からなるバスバー１と、ホール素子からなる磁束検出部５が設けられたプリント基板２とが透磁率の高いブロック状の磁性体で挟まれている。この発明において、バスバー１に近接して配置される磁性体をバスバー側コア３、プリント基板２に近接して配置される磁性体を基板側コア４と表現する。

次に本実施の形態における電流検出の原理について説明する。図１において、バスバー１に検出対象となる電流が紙面の前方から後方へ流れた場合、バスバー１の周囲には、図１の矢印で示す時計回りの方向にループ状の磁界が発生する。発生した磁界の多くは、磁気抵抗の小さいバスバー側コア３および基板側コア４の内部を通過するため、図１の矢印で示す磁界ループ上で最も磁束密度が高く、バスバー１に流れる電流の変化に応じてこの磁束密度が変化する。磁束検出部５は、図１の矢印で示す最も磁束密度の高い磁界ループが通過する位置に配置されており、磁束密度を電圧に変換する機能を有している。したがって、バスバー１に流れる電流は、磁束検出部５によって電圧に変換され、プリント基板２に設けられた検出回路（図示せず）において電圧増幅され、電流検出信号となる。

このように構成された電流検出装置においては、バスバー１が金属板で構成されているため、通電経路の断面積を拡大して通電抵抗を小さくすることができ、通電経路の発熱を抑制することができる。さらに、バスバー１とプリント基板２とが密着していないので、バスバー１で発生した熱がプリント基板２に伝わりにくく、プリント基板２上に設置された磁束検出部５の温度上昇を抑えることができる。

なお、本実施の形態では、バスバー１、プリント基板２、バスバー側コア３および基板側コア４はそれぞれ間隔を設けて配置されているが、バスバー１とバスバー側コア３とが接触した状態、あるいはプリント基板２と基板側コア４とが接触した状態で配置されていてもよい。この場合、バスバー側コア３と基板側コア４との間隔が小さくなるため、図１の矢印で示す磁界ループの磁気抵抗が低下して、磁束検出部５を通過する磁束密度が高くなり、電流検出精度が向上する。

実施の形態２．
図２は、実施の形態２における電流検出装置の断面図である。本実施の形態の電流検出装置は、バスバー１と磁束検出部５が設けられたプリント基板２とを、バスバー側コア３および基板側コア４で挟んだ構成であり、バスバー側コア３の磁束検出部５に対向する部分に突端部が平坦な突起３１を設けたものである。このように構成することで、突起３１と基板側コア４との間隔が他の部分より小さくなり、この部分の磁気抵抗が低下するため、この突起３１を通過する磁界ループの磁束密度が高くなり、結果として磁束検出部５を通過する磁束密度を高くすることができ、電流検出精度が向上する。

また、突起３１の突端部の面積を磁束検出部５の面積より大きくすることで、さらに検出精度を向上させることができる。図３は本実施の形態における突起３１と磁束検出部５との大きさおよび位置関係を示したバスバー側コア３の上面図である。本実施の形態では、磁束検出部５の面積より突起３１の突端部の面積を大きくしたものである。突起３１の領域内においては、磁束密度は周辺端部を除いて均一性が高い。

このように構成することで、磁束検出部５と突起３１との相対位置がばらついても磁束検出部５が突起３１の周辺端部を除く面内に位置すれば、磁束密度は変化せず、電流検出精度のばらつきを抑えることができる。このため、各構成部材の位置精度および加工精度の裕度が広がり、組立容易化および低コスト化が可能となる。

なお、突起を設けることでバスバー側コア３と基板側コア４との間隔を狭くして磁気抵抗を低下させることができるため、図２に示すように、最も磁束密度の高い磁気ループが通過するが磁束検出部に対向していないバスバー側コア３に突端部が平坦な突起３２を設けてもよい。また、バスバー側コア３と基板側コア４との間隔をさらに小さくするために、バスバー側コア３の突起３１、３２に対向する位置の基板側コア４に突起を設けてもよい。

実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係る電流検出装置の断面図である。本実施の形態における電流検出装置は、バスバー１と突起３１および３２を設けたバスバー側コア３とを、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルフィド）などの合成樹脂４１で一体化したものである。ただし、突起３１の上部は磁束検出部５と対向するために空間を設けており、もう一方の突起３２の上部は磁束ループの対称性のために突起３１の上部と同様の空間を設けている。一体化の方法は、例えば射出成型法などの方法を用いることができる。図５は本実施の形態における電流検出装置の構成を示す模式図である。図５において、構成を説明するために、それぞれの構成部材を離した位置で示しているが、実際には図４に示したように、プリント基板２は一体化された合成樹脂４１と密着して配置され、また基板側コア４はプリント基板２に近接して配置される。

本実施の形態においては、バスバー１とバスバー側コア３とが合成樹脂４１で一体化されているため、バスバー１とバスバー側コア３との間隔が固定されており、かつ、合成樹脂４１をスペーサとしてプリント基板２を密着させているため、突起３１と磁束検出部５との間隔も固定されることになるので、振動などが加わっても、バスバー１、バスバー側コア３および磁束検出部５の相対位置が変化しないため、振動による磁束密度変化は発生せず、振動が多い環境下でも電流検出精度の低下は起こらない。

実施の形態４．
図６は、実施の形態４に係る電流検出装置の構成を示す模式図である。本実施の形態における電流検出装置は、３本のバスバー１と、各バスバーに対応する３個のバスバー側コア３とを合成樹脂４１で一体化し、さらに各バスバーに対応する３個の基板側コア４を別の合成樹脂４２で一体化し、これらの一体化されたもので磁束検出部（図示せず）が設けられたプリント基板２を挟み込んだ構成である。このとき、合成樹脂４１のバスバー側コア３が埋め込まれてない位置に突起状のピン６１を形成し、プリント基板２および合成樹脂４２に、ピン６１に対応する位置に孔６２および６３をそれぞれ形成し、ピン６１を孔６２および６３に挿入して、合成樹脂４１、プリント基板２および合成樹脂４２を密着させる。

本実施の形態においては、バスバー１、プリント基板２およびバスバー側コア３が合成樹脂４１で一体化され、基板側コア４が合成樹脂４２により一体化され、これらの一体化された部材同士が密着固定されているので、振動などが加わっても、バスバー１、バスバー側コア３、基板側コア４および磁束検出部５の相対位置が変化しないため、振動による磁束密度変化は発生せず、振動が多い環境下でも電流検出精度の低下は起こらない。また、ピン６１に対応した位置に形成されたプリント基板２および合成樹脂４２のそれぞれの孔６２と６３とにピン６１を挿入するため、各構成部材の位置が一義的に決まり、組立が容易となる。なお、本実施の形態では３本のバスバーを一体化した例を示したが、さらに多くのバスバーを一体化してもよい。

実施の形態５．
図７は、本発明を実施するための実施の形態５に係る電力変換装置の構成を示す模式図である。本実施の形態では、電力変換装置として代表的な直流電流を３相交流電流に変換するインバータ装置を例として説明する。本発明に係る電力変換装置の構成は、直流電流を交流電流に変換する半導体素子を内蔵する半導体モジュール７１に電流検出装置を接続したものである。図７に示すように、半導体モジュール７１は、３個並べて配置されており、各半導体モジュール７１のＡＣ端子７２がそれぞれバスバー１に接続されている。電流検出装置は、３本のバスバー１と、各バスバー１に対応するバスバー側コア３とが例えばＰＰＳ樹脂などの合成樹脂４１で一体化され、さらに各バスバー１に対応する基板側コア４は合成樹脂４２で一体化されており、これらの一体化されたもので磁束検出部（図示せず）が設けられたプリント基板２を挟み込んだ構成となっている。このとき、合成樹脂４１のバスバー側コア３が埋め込まれてない位置に突起状のピン６１を形成し、プリント基板２および合成樹脂４２に、ピン６１に対応する位置に孔６２および６３をそれぞれ形成し、ピン６１を孔６２および６３に挿入して、合成樹脂４１、プリント基板２および合成樹脂４２を密着させる。プリント基板２には、電流検出回路と半導体モジュール７１の動作を制御する制御回路とが設けられており、半導体モジュール７１の制御端子７３は、プリント基板２に接続されている。半導体モジュールのＰ端子７４およびＮ端子７５は直流電源（図示せず）に接続される。バスバー１の他の端部は、例えば、モータなどの負荷装置に接続される。

本実施の形態においては、バスバー１、プリント基板２およびバスバー側コア３が合成樹脂４１で一体化され、基板側コア４が合成樹脂４２により一体化され、これらの一体化された部材同士が密着固定されているので、振動などが加わっても、バスバー１、バスバー側コア３、基板側コア４および磁束検出部５の相対位置が変化しないため、振動による磁束密度変化は発生せず、振動が多い環境下でも電流検出精度の低下は起こらない。また、ピン６１に対応した位置に形成されたプリント基板２および合成樹脂４２の孔６２、６３にピン６１を挿入するため、各構成部材の位置再現性が高く、組立が容易となる。

さらに、半導体モジュール７１の動作を制御する制御回路が電流検出回路を備えるプリント基板２設けられており、かつ、半導体モジュール７１の制御端子７３はプリント基板２に直接接続されているので、配線が不要となり、部品点数削減、組立容易化、低コスト化が可能となる。

実施の形態６．
図８に実施の形態６に係る電流検出装置の断面図である。本実施の形態におけるバスバー側コア８３は、上面からみて対称となる面Ｃに対して左右対称な八角形となっている。図９は、バスバー側コア８３の上面図および断面図を示しおり、中央部付近から突起３１および３２に向かって面積を狭くしている。なお、バスバー側コア８３の対称となる面Ｃは、バスバー１の電流が流れる方向に平行なバスバー１の中心面と一致させて配置される。基板側コア８４はバスバー側コア８３から突起３１と３２とを取り除いた形状で、上面からみてバスバー側コア８３と同じ八角形である。

このように構成することにより、実施の形態２で用いた上面からみて長方形のバスバー側コアを用いたときよりも突起３１での磁束密度が高くなり、電流検出精度を向上させることが可能となる。次に、突起３１の突端部の面積とこの突起３１における磁束密度との関係について説明する。

図１０にバスバー側コア８３の上面図を示す。バスバー側コア８３は最大幅１９ｍｍ、最大高さ１２ｍｍであり、突起３１および３２の幅は４ｍｍである。バスバーの大きさは、断面の幅が９ｍｍ、厚さが１ｍｍである。突起３１の突端部の面積をＳａとし、突起３１および３２を図１０に示す矢印の方向へ面積を拡大したバスバー側コア８３を作製した。基板側コア８４もバスバー側コア８３の形状変化に応じて変化させており、バスバー側コア８３と同じ投影形状をもち、突起３１および３２が削除された形状とした。このように形状を変化させたバスバー側コア８３と基板側コア８４とを用いて、図８に示す構造の電流検出装置を作製した。図１１に、この電流検出装置において、バスバー１に３００Ａの電流が流れたときの、突起３１の突端部の面積Ｓａと磁束検出部５を通過する磁束密度との関係を示す。突起３１の突端部の面積Ｓａの減少に伴って磁束検出部５を通過する磁束密度が増大する。電流検出のためには、磁束検出部を通過する磁束密度が高い方が望ましい。なぜなら、外部からの磁気ノイズとの比、すなわちＳ／Ｎ比が大きくなるために電流検出精度が向上するからである。しかし、突起３１の突端部の面積Ｓａを小さくし過ぎると磁束検出部の位置ずれによる磁束密度の低下の問題も生じるので、本実施の形態では、Ｓａを１６ｍｍ^２（４ｍｍ×４ｍｍ）に設定した。

次に、バスバー側コアの中心部の断面積と磁束密度との関係について述べる。図１２は、バスバー側コア８３の上面図および断面図である。バスバー側コア８３の厚さは３ｍｍであり、幅は１９ｍｍである。突起３１および３２の突端部の面積は、４ｍｍ×４ｍｍである。バスバー側コア８３の中央断面積（Ｂ−Ｂ断面）Ｓｂとし、図１２に示す矢印方向へ断面積を拡大したバスバー側コア８３を作製した。基板側コア８４もバスバー側コア８３の形状変化に応じて変化させており、バスバー側コア８３と同じ投影形状をもち、３１および３２が削除された形状とした。このように形状を変化させたバスバー側コア８３と基板側コア８４とを用いて、図８に示す構造の電流検出装置を作製した。図１３は、この電流検出装置において、バスバー１に３００Ａの電流が流れたときの、バスバー側コア８３の中央断面積Ｓｂ（図１３の断面図の斜線部）とそこを通過する磁束密度との関係を示したものである。バスバー側コア８３の中央断面積Ｓｂの減少に伴って中央断面を通過する磁束密度が増大する。

しかし、バスバー側コア８３の中央断面の磁束密度が高くなるにしたがってバスバー側コア８３の透磁率が低下して、磁束密度の飽和現象が起こる。図１４は、バスバー側コア８３の中央断面積Ｓｂを変えた電流検出装置における、バスバー１を流れる電流と磁束検知部５で磁束密度から変換された出力電圧との関係を示す。Ｓｂ＝３６ｍｍ^２のときは、電流と出力電圧とは比例関係にあるが、Ｓｂ＝２４ｍｍ^２およびＳｂ＝１２ｍｍ^２では高電流領域において比例関係からずれてくる。この飽和現象が、大電流領域おける測定誤差の原因となる。したがって、本実施の形態においては、Ｓｂは３６ｍｍ^２（３ｍｍ×１２ｍｍ）に設定した。

上述のように、本実施の形態におけるバスバー側コア８３は、上面から見た形状が八角形で、Ｓａ＝１６ｍｍ^２、Ｓｂ＝３６ｍｍ^２となる形状を用いたが、形状やサイズが規定されるものではなく、ＳａがＳｂより小さければよい。好ましくは、ＳａはＳｂの１／２以下が望ましい。

また、本実施の形態におけるバスバー側コア８３は、図９に示したように対称となる面Ｃに対して左右対称に形成しているが、この効果について説明する。図１５は、突起３２が突起３１よりも高く形成した場合の電流検出装置の断面図を示したものである。図１６は、このときのバスバー側コア８３の上面図と断面図を示したものである。このような突起３１と３２とが異なる形状をもつ場合の問題点は、電流測定精度が悪化する点にある。図１７は、図１５におけるＤ−Ｄ断面のバスバー１を流れる電流を説明するための模式図である。Ｄ−Ｄ断面におけるバスバー１の寄生インダクタンスは、突起３２に近い部分の方が、磁束検出部５に近い方よりも大きくなる。そのため、交流電流の電流が増加するときには、電流は寄生インダクタンスの小さいバスバー１の磁束検出部に近い領域を流れやすく、逆に交流電流の電流が減少するときは、電流は寄生インダクタンスの大きな突起３２に近い領域を流れやすくなる。すなわち、バスバー１を同じ電流量が流れる場合でも、電流の増減によってバスバー内の電流分布が変化するために、磁束検出部５を通過する磁束密度に違いが生じる。図１８は、図１５に示した電流検出装置において、バスバー１を流れる交流電流と磁束検出部５を通過する磁束密度の関係を示す特性図である。電流値がゼロ付近で、交流電流が増加する場合と減少する場合にそれぞれ正と負とのオフセット値をもつ特性（ヒステリシス特性）となる。この特性は低電流域での電流検出装置の測定誤差の原因となる。

上述のように、本実施の形態においては、バスバー側コア８３は中心面に対して左右対称の形状にすることで、低電流域での測定誤差をなくすことができる。

実施の形態７．
図１９は、この発明の実施の形態７に係る電流検出装置の断面図である。本実施の形態における電流検出装置は、バスバー１とプリント基板２とを、それぞれ対称となる面で２つに分割して、かつ、分離されたバスバー側コア９３と基板側コア９４とで挟んだものである。

このように構成された電流検出装置では、バスバー１に大電流が流れた場合でも、バスバー側コア９３の中央断面を通過する磁束密度が、分離のない場合よりも低くなるため、バスバー１を流れる電流に対する磁束検知部５を通過する磁束密度の飽和現象が起こりにくくなり、より大電流まで精度よく検知できる。図２０は、分離の有無によるバスバー側コア９３の内部の磁束密度分布を示した模式図である。分離なしの場合は、バスバー側コア９３の中央断面の磁束密度が最も高くなっているが、分離ありの場合には、中央部で磁束密度は低くなり、すべての位置で分離なしの場合より磁束密度が低くなる。この結果、バスバー１に大電流が流れた場合でも、磁束密度の飽和現象が起こりにくく、大電流領域での測定精度の低下が起こらない。

この発明の実施の形態１を示す電流検出装置の断面図である。 この発明の実施の形態２を示す電流検出装置の断面図である。 この発明の実施の形態２におけるバスバー側コアの上面図である。 この発明の実施の形態３を示す電流検出装置の断面図である。 この発明の実施の形態３における電流検出装置の構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態４における電流検出装置の構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態５における電力変換装置の構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態６を示す電流検出装置の断面図である。 この発明の実施の形態６におけるバスバー側コアの上面図および断面図である。 この発明の実施の形態６における突起の突端部の面積の変化を示すバスバー側コアの上面図である。 この発明の実施の形態６における突起の突端部の面積と磁束密度との関係を示す特性図である。 この発明の実施の形態６におけるバスバー側コアの中央断面積の変化を示す上面図および断面図である。 この発明の実施の形態６におけるバスバー側コアの中央断面積と磁束密度との関係を示す特性図である。 この発明の実施の形態６における電流と出力電圧の関係を示す特性図である。 この発明の実施の形態６におけるバスバー側コアが非対称形状の電流検出装置の断面図である。 この発明の実施の形態６における非対称形状のバスバー側コアの上面図および断面図である。 この発明の実施の形態６におけるバスバーを流れる電流を示す模式図である。 この発明の実施の形態６における電流と磁束密度の関係を示す特性図である。 この発明の実施の形態７における電流検出装置の断面図である。 この発明の実施の形態７におけるバスバー側コアの形状と磁束密度の関係を示す模式図である。

符号の説明

１ バスバー
２ プリント基板
３ バスバー側コア
４ 基板側コア
５ 磁束検出部
３１、３２ 突起
４１、４２ 合成樹脂
７１ 半導体モジュール

Claims (10)

1. 磁性体からなるバスバー側コアと、
   導電性のバスバーと、
   磁束検出部を具備するプリント基板と
   磁性体からなる基板側コアとを、
   順次近接して配置することを特徴とする電流検出装置。
2. バスバー側コアは、磁束検出部に対向する位置に突起を備え、上記突起の突端部が平坦であることを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
3. 突起の突端部の面積は、磁束検出部の面積より大きいことを特徴とする請求項２に記載の電流検出装置。
4. バスバー側コアと、バスバーとが一体化されることを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
5. 複数のバスバー側コアと、前記複数のバスバー側コアに対応する複数のバスバーとが一体化され、かつ、前記複数のバスバー側コアに対応する複数の基板側コアが一体化されることを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
6. 磁性体からなるバスバー側コアと、
   導電性のバスバーと、
   磁束検出部を具備するプリント基板と
   磁性体からなる基板側コアとを、
   順次近接して配置する電流検出装置および半導体モジュールを備えることを特徴とする電力変換装置。
7. プリント基板は、半導体モジュールの制御回路を備えることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 突起の突端部の面積は、バスバー側コアの中央断面積より小さいことを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
9. バスバー側コアおよび基板側コアは、それぞれが面対称の形状であり、かつ対称となる面がバスバーの電流が流れる方向に平行な方向の前記バスバーの中心面と一致して配置されることを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
10. バスバー側コアおよび基板側コアは、それぞれが対称となる面で分割され、かつ、分離されて配置されることを特徴とする請求項９に記載の電流検出装置。
    

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