JP2007121052A - 電流検出回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来、過電圧保護回路が設けられた電流検出回路においては、電流検出の精度が低下してしまう。
【解決手段】電流検出回路は、電力用MOSFET1(第1の半導体スイッチング素子)、センスMOSFET2(第2の半導体スイッチング素子)、差動増幅器3、ツェナーダイオード33(第1の電圧クランプ素子)、ツェナーダイオード34(第2の電圧クランプ素子)、MOSFET6(可変抵抗素子)、ディプリーション型MOSFET31(第1のMOSFET)、およびディプリーション型MOSFET32(第2のMOSFET)を備えている。
【選択図】図1

Description

本発明は、電流検出回路に関する。
自動車や家電製品において、電圧や電流を制御するためにパワーIC(Integrated Circuit)が広く利用されている。パワーICには、電力制御用にMOSFET(以降、電力用MOSFETと呼ぶ)を使ったものがある。かかるパワーICにおいては、電力用MOSFETの電流を検出(または観測)するために、電力用MOSFETよりも面積の小さい類似のMOSFET(以降、センスMOSFETと呼ぶ)が搭載される場合がある。
一般に、電力用MOSFETは複数個の小型MOSFET(セル)を並列接続した構成となっており、センスMOSFETもこのセルを複数個並列接続した構成となる(例えば特許文献1〜3)。電力用MOSFETとセンスMOSFETとの間でドレイン−ソース間電圧を等しくすれば、電力用MOSFETを構成する各セルとセンスMOSFETを構成する各セルとの間でもドレイン−ソース間電圧が等しくなる。ゲート−ソース間電圧についても同様である。したがって、各セルには、互いに等しい量の電流が流れることとなる。よって、電力用MOSFETとセンスMOSFETとのセル数の比がn:1なら、それらのドレイン電流の比もn:1になる。
図4に示すように、特許文献1には、ハイサイドの電力用MOSFET101のソース端子に負荷104が直列に接続された電流検出回路が開示されている。電力用MOSFET101およびセンスMOSFET102のドレイン端子は共に端子111に接続されている。電力用MOSFET101およびセンスMOSFET102のゲート端子は共に抵抗108を介して入力端子109と接続されており、この入力端子109に制御電圧が与えられる。センスMOSFET102のソース端子にはMOSFET106のソース端子が接続されている。
MOSFET106のドレイン端子は端子110を介して測定抵抗105と接続されている。測定抵抗105の他方の端子には固定電位が与えられる。MOSFET106のゲート端子は差動増幅器103の出力端と接続されている。この差動増幅器103は2つの入力端を有し、その負の入力端はセンスMOSFET102のソース端子と、また正の入力端は電力用MOSFET101のソース端子と接続されている。端子111には、電圧Vbbが印加される。
制御電圧が入力端子109に与えられると、電力用MOSFET101およびセンスMOSFET102は共に導通状態となる。すると、負荷電流が負荷104を通って流れる。また、センスMOSFET102、MOSFET106および測定抵抗105にも電流が流れる。ここで、センスMOSFET102のソース‐ドレイン間電圧が電力用MOSFET101のそれよりも大きいと仮定する。その場合、差動増幅器103の出力電圧により、MOSFET106の抵抗が増大する。すると、センスMOSFET102を通る電流が減ぜられ、それによってセンスMOSFET102のドレイン‐ソース間電圧が減少する。
センスMOSFET102を通る電流は、差動増幅器103への入力電圧の差が0になるまで、すなわち電力用MOSFET101とセンスMOSFET102との間でソース端子電位が等しくなるまで減少する。このことは、定常状態では測定抵抗105に負荷104の電流に比例した電流が流れることを意味する。すなわち、負荷104のインピーダンスが変化すると、電力用MOSFET101におけるドレイン‐ソース間電圧が増大(または減少)し、またそれによってMOSFET106の抵抗が減少(または増大)し、差動増幅器103への入力電圧の差が常に0になるように制御される。
特開平8−334534号公報 特許第2628694号公報 特開平11−68533号公報
しかしながら、図4の電流検出回路においては、電力用MOSFET101のソース端子が差動増幅器103の入力に接続されているため、電力用MOSFET101のソース端子に過大な負電圧が印加されると、差動増幅器103の許容入力電圧範囲を超えてしまう。一般に、差動増幅器をMOSFETで構成する場合、差動増幅器の入力はMOSFETのゲートとなるため、差動増幅器が静電破壊し易い。このため、電流検出回路には過電圧保護回路を設けることが重要である。
この点、特許文献1には、図5に示すように、かかる保護回路が設けられた電流検出回路も開示されている。この電流検出回路は、差動増幅器103の入力端に過大な電圧が印加されるのを防ぐべく、図4の電流検出回路に対して、ダイオード115,116,117,119および電流源118,120等が追加された構成となっている。
ところが、この方法では、ダイオード117,119の個体差および電流源118,120の電流差により、ダイオード117のアノード−カソード間電圧とダイオード119のアノード−カソード間電圧との間に差が生じる。ダイオード117,119のアノード−カソード間電圧をそれぞれVf17,Vf19と定義すると、差動増幅器103が理想的な特性(増幅率=∞、入力オフセット=0)をもつ場合、MOSFET102のソース電圧はMOSFET101のソース電圧よりもΔVf=Vf17−Vf19だけ高くなる。これにより、MOSFET101を構成する各セルのドレイン−ソース間電圧とMOSFET102を構成する各セルのそれとの間にΔVfの差が生じる(ゲート−ソース間電圧についても同様)。そのため、センス比(=MOSFET101のドレイン電流:MOSFET102のドレイン電流)がセル比n:1と一致しなくなってしまう。つまり、電流検出の精度が低下してしまう。
本発明による電流検出回路は、(a)第1の固定電位が与えられる第1の端子と、一端に第2の固定電位が与えられる負荷の他端に接続される第2の端子と、第1の電流制御端子とを有する第1の半導体スイッチング素子と、(b)上記第1の端子に接続された第3の端子と、第4の端子と、上記第1の電流制御端子に接続された第2の電流制御端子とを有する第2の半導体スイッチング素子と、(c)正の入力端子と、負の入力端子とを有する差動増幅器と、(d)上記第1の端子と上記正の入力端子との間の経路中に設けられた第1の電圧クランプ素子と、(e)上記第1の端子と上記負の入力端子との間の経路中に設けられた第2の電圧クランプ素子と、(f)上記第4の端子に接続された第5の端子と、一端に上記第2の固定電位が与えられた検出抵抗の他端に接続される第6の端子とを有し、上記差動増幅器の出力値によって抵抗値が制御される可変抵抗素子と、(g)上記第2の端子と上記正の入力端子との間の経路中に設けられた第1のMOSFETと、(h)上記第4の端子と上記負の入力端子との間の経路中に設けられた第2のMOSFETと、を備えることを特徴とする。
この電流検出回路においては、電圧クランプ回路が設けられていることにより、差動増幅器の各入力端子に過大な電圧が印加されるのが防止される。さらに、差動増幅器が理想的な特性をもつ場合、センス比(=第1の半導体スイッチング素子の電流:第2の半導体スイッチング素子の電流)が、セル比(=第1の半導体スイッチング素子のセル数:第2の半導体スイッチング素子のセル数)と一致する。したがって、高い電流検出精度が得られる。
本発明によれば、電流検出精度の低下を招くことなく、差動増幅器の入力端子に過大な電圧が印加されるのを防ぐことが可能な電流検出回路が実現される。
以下、図面を参照しつつ、本発明による電流検出回路の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
(第1実施形態)
図1は、本発明による電流検出回路の第1実施形態を示す回路図である。この電流検出回路は、電力用MOSFET1(第1の半導体スイッチング素子)、センスMOSFET2(第2の半導体スイッチング素子)、差動増幅器3、ツェナーダイオード33(第1の電圧クランプ素子)、ツェナーダイオード34(第2の電圧クランプ素子)、MOSFET6(可変抵抗素子)、ディプリーション型MOSFET31(第1のMOSFET)、およびディプリーション型MOSFET32(第2のMOSFET)を備えている。
電力用MOSFET1は、電源12に接続されたドレイン端子(第1の端子)と、負荷4に接続されたソース端子(第2の端子)と、ゲート端子(第1の電流制御端子)とを有している。センスMOSFET2は、電力用MOSFET1のドレイン端子に接続されたドレイン端子(第3の端子)と、ソース端子(第4の端子)と、電力用MOSFET1のゲート端子に接続されたゲート端子(第2の電流制御端子)とを有している。差動増幅器3は、正の入力端子と、負の入力端子と、出力端子とを有している。
電力用MOSFET1のドレイン端子と差動増幅器3の正の入力端子との間の経路中には、ツェナーダイオード33が設けられている。また、電力用MOSFET1のドレイン端子と差動増幅器3の負の入力端子との間の経路中には、ツェナーダイオード34が設けられている。MOSFET6は、差動増幅器3の出力端子に接続されたゲート端子と、センスMOSFET2のソース端子に接続されたソース端子(第5の端子)と、測定抵抗5(検出抵抗)に接続されたドレイン端子(第6の端子)とを有している。電力用MOSFET1のソース端子と差動増幅器3の正の入力端子との間の経路中には、ディプリーション型MOSFET31が設けられている。また、センスMOSFET2のソース端子と差動増幅器3の負の入力端子との間の経路中には、ディプリーション型MOSFET32が設けられている。
ハイサイドの電力用MOSFET1のソース端子は端子8を介して負荷4に接続されている。負荷4の他端は接地されている。電力用MOSFET1およびセンスMOSFET2それぞれのドレイン端子、ディプリーション型MOSFET31,32のゲート端子、ならびにツェナーダイオード33,34のカソード端子は、全て端子11に接続されている。電力用MOSFET1およびセンスMOSFET2のゲート端子は共に入力端子9と接続されており、この入力端子9に制御電圧が与えられる。センスMOSFET2のソース端子には、MOSFET6のソース端子とディプリーション型MOSFET32の一端とが接続されている。MOSFET6のドレイン端子には、端子10を介して測定抵抗5が接続されている。測定抵抗5の他端には、固定電位が与えられる。測定抵抗5は、接地点に接続されていることが好ましい。
MOSFET6のゲート端子は、差動増幅器3の出力端子と接続されている。この差動増幅器3は2つの入力端子を有している。その負の入力端子はディプリーション型MOSFET32の一端およびツェナーダイオード34のアノードに、また正の入力端子はディプリーション型MOSFET31の一端およびツェナーダイオード33のアノードに接続されている。端子11は電源12に接続されている。
この電流検出回路の動作および効果について説明する。電力用MOSFET1のドレイン−ソース間電圧をVds1、センスMOSFET2のドレイン−ソース間電圧をVds2、端子11と差動増幅器3の正の入力端子との間の電位差をV+、端子11と差動増幅器3の負の入力端子との間の電位差をV−、ツェナーダイオード33,34のツェナー電圧Vz、ツェナーダイオード33,34の順方向電圧をVfと定義する。ツェナーダイオード33,34により、V+およびV−は、−Vf〜+Vzの範囲に制限される。これによって、差動増幅器3の入力端子に過大な電圧が印加されるのが防止される。つまり、差動増幅器3の入力は保護される。また、ディプリーション型MOSFET31,32の閾値をVtd(>0)と定義する。Vtd<Vzとなるように、VtdおよびVzを選定する。こうすることで、ディプリーション型MOSFET31,32を定常的に流れる電流をほぼ0にすることができる。以下に、この理由を説明する。
差動増幅器3の入力インピーダンスは無限大とみなす。ツェナーダイオード33およびディプリーション型MOSFET31は受動素子であるため、定常状態ではVds1≧V+≧0となる。ディプリーション型MOSFET31が導通状態(つまりV+<Vtd)であると仮定すると、V+<Vzとなるのでツェナーダイオード33には逆電流(≒0)しか流れない。そのため、ディプリーション型MOSFET31にもこの逆電流しか流れない。ディプリーション型MOSFET31が非導通状態(つまりV+≧Vtd)であれば、ディプリーション型MOSFET31には電流が流れない。同様の理由で、ディプリーション型MOSFET32を定常的流れる電流もほぼ0となる。したがって、ツェナーダイオード33,34とディプリーション型MOSFET31,32とからなる回路は、定常的な電流を消費しない。つまり、本実施形態においては、ディプリーション型MOSFET31,32のそれぞれにツェナーダイオード33,34を直列に接続することにより、ツェナーダイオード33,34に定常電流が流れないようにし、それにより消費電力の増加を回避している。
Vds1<Vtdである場合、ディプリーション型MOSFET31は導通状態となるため、Vds1=V+となる。制御電圧が入力端子9に与えられると、電力用MOSFET1およびセンスMOSFET2は導通状態となり、負荷電流が負荷4を通って流れる。また、センスMOSFET2、MOSFET6および測定抵抗5にも電流が流れる。ディプリーション型MOSFET32が導通状態(Vds2<VtdまたはV−<Vtd)の場合、Vds2=V−となる。V+とV−の電圧差を差動増幅器3が増幅し、MOSFET6のゲートを制御する。
Vds2>Vds1の場合、差動増幅器3の出力電圧により、MOSFET6の抵抗が増大する。すると、センスMOSFET2を通る電流が減ぜられ、それによってVds2が減少する。センスMOSFET2を通る電流は、V+=V−となるまで、すなわちVds1=Vds2となるまで減少する。このことは、定常状態では測定抵抗5に負荷4の電流に比例した電流が流れることを意味する。すなわち、負荷4のインピーダンスが変化すると、電力用MOSFET1におけるドレイン‐ソース間電圧Vds1が増大(または減少)し、またそれによってMOSFET6の抵抗が減少(または増大)し、差動増幅器3の入力端における電圧差が常に0になるように制御される。差動増幅器3が理想的な特性(増幅率=∞、入力オフセット=0)をもつ場合、センス比(=MOSFET1のドレイン電流:MOSFET2のドレイン電流)は、セル比(=MOSFET1のセル数:MOSFET2のセル数)と一致する。このように、本実施形態によれば、電流検出精度の低下を招くことなく、差動増幅器の入力端に過大な電圧が印加されるのを防ぐことが可能な電流検出回路が実現される。
以上の説明では初期状態でディプリーション型MOSFET32が導通状態であることを仮定したが、初期状態が非導通状態(Vds2≧VtdかつV−≧Vtd)でも、同じ結果となる。ディプリーション型MOSFET32が非導通状態である限り、V−≧Vtd>Vds1=V+となるため、MOSFET6の抵抗値は増大し続ける。それにより、やがてVds2<Vtdとなるので、ディプリーション型MOSFET32が導通状態となる。その後は、初期状態でディプリーション型MOSFET32が導通状態を仮定した場合と同じ結果になる。なお、Vds1≧Vtdの場合、図1の電流検出回路の動作は、上述の説明と相異する。したがって、センス比とセル比が一致するのは、Vds1<Vtdの範囲に限定される。
(第2実施形態)
図2は、本発明による電流検出回路の第2実施形態を示す回路図である。この電流検出回路は、電力用MOSFET1、センスMOSFET2、差動増幅器3、ツェナーダイオード33、ツェナーダイオード34、MOSFET6、エンハンスメント型MOSFET37(第1のMOSFET)、およびエンハンスメント型MOSFET38(第2のMOSFET)を備えている。すなわち、この電流検出回路においては、図1中のディプリーション型MOSFET31,32の代わりに、それぞれエンハンスメント型MOSFET37,38が用いられている。また、エンハンスメント型MOSFET37,38のゲート端子は、電圧源35を介して端子11に接続されている。
エンハンスメント型MOSFET37,38の閾値をVte(<0)、電圧源35の電圧をVpと定義する。エンハンスメント型MOSFET37,38は、閾値がVp+Vteであるディプリーション型MOSFETと類似の動作をする。これは、図1の電流検出回路においてディプリーション型MOSFET31,32の閾値Vtdが(Vp+Vte)に等しい場合に相当する。したがって、本実施形態の電流検出回路も、図1の電流検出回路と同様に動作する。
本実施形態の電流検出回路は、図1の電流検出回路が奏する効果に加えて、次の効果を奏する。すなわち、電圧源35の電圧を回路で設定できるため、プロセスに依存することなく(Vp+Vte)の値を設定することが可能である。
本発明による電流検出回路は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。上記実施形態においてはハイサイドスイッチの例を示したが、本発明はローサイドスイッチにも適用可能である。例えば、図2の電流検出回路において電力用MOSFET1を負荷4のローサイドに設ける場合、図3のように構成することができる。本例において、ツェナーダイオード33のカソード端子およびアノード端子は、それぞれ差動増幅器3の正の入力端子および電力用MOSFET1のソース端子に接続されている。また、ツェナーダイオード34のカソード端子およびアノード端子は、それぞれ差動増幅器3の負の入力端子および電力用MOSFET1のソース端子に接続されている。電力用MOSFET1をローサイドに設けた場合も、電流検出回路の動作は、電力用MOSFET1をハイサイドに設けた場合と同様である。
電力用MOSFETとセンスMOSFETとが同一のセル構造を有していると仮定して説明したが、電力用MOSFETとセンスMOSFETとの特性が似ていれば、それらが同一のセル構造を有していることは必須ではない。また、半導体スイッチング素子としてNチャネルの電力用MOSFETを用いた場合の例を示したが、半導体スイッチング素子としては、Pチャネルの電力用MOSFET、バイボーラトランジスタまたはIGBT等の他の電力制御素子を用いてもよい。
電圧クランプ素子としては、上記実施形態において例示したツェナーダイオードに限らず、電圧クランプ機能を有する他の素子を用いてもよい。また、電流検出回路の用途に応じて、測定抵抗5は、抵抗以外の負荷(例えばカレントミラーや定電流源)で置き換えてもよい。また、ディプリーション型MOSFET31、32およびエンハンスメント型MOSFET37,38のゲート端子の接続先は、図1〜図3で例示したものには限られない。
本発明は、自動車や家電製品等のパワーICに適用することができる。
本発明による電流検出回路の第1実施形態を示す回路図である。 本発明による電流検出回路の第2実施形態を示す回路図である。 実施形態の変形例に係る電流検出回路を示す回路図である。 従来の電流検出回路を示す回路図である。 従来の電流検出回路を示す回路図である。
符号の説明
1 電力用MOSFET
2 センスMOSFET
3 差動増幅器
4 負荷
5 測定抵抗
6 MOSFET
31,32 ディプリーション型MOSFET
33,34 ツェナーダイオード
35 電圧源
37,38 エンハンスメント型MOSFET

Claims (7)

  1. 第1の固定電位が与えられる第1の端子と、一端に第2の固定電位が与えられる負荷の他端に接続される第2の端子と、第1の電流制御端子とを有する第1の半導体スイッチング素子と、
    前記第1の端子に接続された第3の端子と、第4の端子と、前記第1の電流制御端子に接続された第2の電流制御端子とを有する第2の半導体スイッチング素子と、
    正の入力端子と、負の入力端子とを有する差動増幅器と、
    前記第1の端子と前記正の入力端子との間の経路中に設けられた第1の電圧クランプ素子と、
    前記第1の端子と前記負の入力端子との間の経路中に設けられた第2の電圧クランプ素子と、
    前記第4の端子に接続された第5の端子と、一端に前記第2の固定電位が与えられた検出抵抗の他端に接続される第6の端子とを有し、前記差動増幅器の出力値によって抵抗値が制御される可変抵抗素子と、
    前記第2の端子と前記正の入力端子との間の経路中に設けられた第1のMOSFETと、
    前記第4の端子と前記負の入力端子との間の経路中に設けられた第2のMOSFETと、
    を備えることを特徴とする電流検出回路。
  2. 請求項1に記載の電流検出回路において、
    前記第1および第2の電圧クランプ素子は、ツェナーダイオードである電流検出回路。
  3. 請求項1または2に記載の電流検出回路において、
    前記第1および第2のMOSFETは、ディプリーション型MOSFETである電流検出回路。
  4. 請求項1または2に記載の電流検出回路において、
    前記第1および第2のMOSFETは、エンハンスメント型MOSFETであり、
    当該第1および第2のMOSFETのゲート端子には、電圧源が接続されている電流検出回路。
  5. 請求項1乃至4いずれかに記載の電流検出回路において、
    前記可変抵抗素子は、ゲート端子が前記差動増幅器の出力端子に接続された第3のMOSFETである電流検出回路。
  6. 請求項1乃至5いずれかに記載の電流検出回路において、
    前記第1および第2の固定電位は、それぞれ電源電位および接地電位であり、
    前記第1の電圧クランプ素子のカソード端子およびアノード端子は、それぞれ前記第1の端子および前記正の入力端子に接続され、
    前記第2の電圧クランプ素子のカソード端子およびアノード端子は、それぞれ前記第1の端子および前記負の入力端子に接続されている電流検出回路。
  7. 請求項1乃至5いずれかに記載の電流検出回路において、
    前記第1および第2の固定電位は、それぞれ接地電位および電源電位であり、
    前記第1の電圧クランプ素子のカソード端子およびアノード端子は、それぞれ前記正の入力端子および前記第1の端子に接続され、
    前記第2の電圧クランプ素子のカソード端子およびアノード端子は、それぞれ前記負の入力端子および前記第1の端子に接続されている電流検出回路。
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