JP2008128915A - 電流測定装置および電流測定機能を備える半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールに接続された導体を流れる電流を測定する装置の省スペース化を図る。
【解決手段】電流測定装置１０は、電源装置１からモータ４へ電力を供給する導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流を測定する。導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流の総和はゼロである。コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、それぞれ、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗの間に配置され、半導体モジュールのパッケージ２２の端部に取り付けられる。信号処理装置１２は、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流の総和がゼロであることを利用して、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力信号に基づいて、各導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流をそれぞれ算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体モジュールに接続された導体を流れる電流を測定する電流測定装置、及びそのような電流測定機能を備えた半導体モジュールに係わる。

導体を介して流れる電流をその導体から絶縁された状態で測定する手法として、カレントトランス等を利用する構成が知られている。この構成では、導体の周辺に発生する磁束を集磁するための磁気コアが必要となる。しかし、磁気コアを備える電流センサは、一般に、磁気損失による発熱量が多く、また、小型化、軽量化、低コスト化において問題がある。

これらの問題を解決する構成として、コアレス電流センサを利用する電流測定回路の開発が進められている。コアレス電流センサとしては、磁束密度に対応する電圧を生成するデバイス（例えば、ホール素子など）が知られている。

特許文献１には、等間隔に配置された３本の導体に流れる各電流を検出するために４個の磁気センサを備える構成が記載されている。４個の磁気センサは、等間隔に配置されている。ここで、磁気センサの個数を測定対象の導体の本数よりも多くすることにより、外部の磁界（すなわち、測定対象の３本の導体に流れる電流以外の要因によって発生する磁界）の影響を相殺している。そして、各磁気センサの出力信号に基づいて所定の演算を行うことにより、各導体を流れる電流が算出される。
特開２００５−２０７７９１号公報（図１）

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、３本の導体から各磁気センサを絶縁し、且つそれらの導体に対して各磁気センサを所定の位置に固定するための構造物が必要となる。すなわち、電流を測定する回路を設けるために専用の構造物が必要となる。したがって、この構成は、省スペース化が要求される用途（例えば、電源装置を半導体モジュールで実現することにより省スペース化を実現しようとする構成）において好ましい形態ではない。また、各磁気センサと各磁気センサの出力信号を処理する回路との間をハーネス等で接続する必要があるので、このハーネス等も省スペース化の妨げとなる。さらに、磁気センサの個数を測定対象の導体の本数より多くしなければならない。

本発明の課題は、半導体モジュールに接続された導体を流れる電流を測定する装置の省スペース化を図ることである。

本発明の電流測定装置は、半導体モジュールに接続された総和がゼロとなる電流が流れる３本の導体の各導体を流れる電流値を測定するものであり、前記半導体モジュールのパッケージに取り付けられた第１および第２のコアレス電流センサと、各導体を介して流れる電流値と各コアレス電流センサの出力信号との間の関係を表す係数を保持する保持手段と、前記３本の導体を介して流れる電流値の総和がゼロであることを利用して、前記第１および第２のコアレス電流センサの出力信号および前記保持手段に保持されている各係数に基づいて、各導体を介して流れる電流値を算出する算出手段、を有する。

上記電流測定装置においては、第１および第２のコアレス電流センサが半導体モジュールのパッケージに取り付けられるので、それらのセンサを所定位置に保持するための専用の構造物は不要である。よって、電流測定装置の省スペース化が実現される。また、各導体を介して流れる電流値と各コアレス電流センサの出力信号との間の関係が予め得られているので、３本の導体を介して流れる電流値の総和がゼロであることを利用すれば、測定対象の導体の数（すなわち、３本）よりも少ない個数（すなわち、２個）のコアレス電流センサで、各導体を介して流れる電流を測定することができる。

上記電流測定装置において、前記３本の導体が前記半導体モジュールから平行または略平行に引き出されている場合には、前記第１のコアレス電流センサは、前記３本の導体の中の第１の導体と第２の導体との間に配置され、前記第２のコアレス電流センサは、前記３本の導体の中の前記第２の導体と第３の導体との間に配置されるようにしてもよい。このような配置とすれば、発生する磁束を有効に利用しながら、電流測定装置の小型化を図ることができる。

前記算出手段の少なくとも一部が基板上に形成されており、前記第１および第２のコアレス電流センサがそれぞれ信号を出力するための端子を備えている場合には、前記基板を前記パッケージに取り付けたときに、前記第１および第２のコアレス電流センサの端子が前記基板上に形成されている前記算出手段のための配線に接続されるように構成してもよい。この構成によれば、ハーネス等を用いることなく電流センサと算出手段との間を接続できるので、さらなる省スペース化を図ることができる。

上記電流測定装置は、前記第１および第２のコアレス電流センサを取り囲むシールド材をさらに備えるようにしてもよい。この構成によれば、外部磁界の影響を抑えることができる。

前記第１および第２のコアレス電流センサは、前記半導体モジュールのパッケージの側壁部の上端部に取り付けられるようにしてもよい。この場合、前記パッケージの側壁部の上端部において、前記第１の導体と、第１のコアレス電流センサと、第２の導体と、第２のコアレス電流センサと、第３の導体とが、順にほぼ一直線上に等間隔に配置されるようにしてもよい。

本発明の半導体モジュールは、総和がゼロとなる電流が流れる３本の導体が接続された半導体モジュールであって、前記電流を生成する半導体素子を搭載したパッケージと、前記パッケージに取り付けられた第１および第２のコアレス電流センサと、前記３本の導体を介して流れる電流値の総和がゼロであることを利用して、前記第１および第２のコアレス電流センサの出力信号および各導体を介して流れる電流値と各コアレス電流センサの出力信号との間の関係を表す係数に基づいて、各導体を介して流れる電流値を算出する算出手段、を有する。

本発明によれば、半導体モジュールに接続された導体を流れる電流を測定する装置の省スペース化を図ることができる。

本発明の電流測定装置は、総和がゼロとなる電流が流れる３本の導体の各電流を測定する形態を前提とする。そして、以下では、電源装置からモータに供給される３相交流の各相の電流を測定する実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態の電流測定装置の使用例を示す図である。図１において、電源装置１は、３相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を生成してモータ４に供給する。電源装置１は、例えば、複数のスイッチング素子（トランジスタ等の半導体素子）を含んで構成されるインバータ回路２、およびインバータ回路２を制御する制御部３を備えるスイッチング電源である。そして、電源装置１とモータ４との間は、３本の導体（５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ）により接続されている。

電流測定装置１０は、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂ（第１および第２のコアレス電流センサ）、および信号処理部１２（算出手段）を含んで構成され、導体５Ｕ（第１の導体）、導体５Ｖ（第２の導体）、導体５Ｗ（第３の導体）を介して流れる電流をそれぞれ測定する。コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、特に限定されるものではないが、例えば、ホール素子を利用して構成され、磁束密度に対応する電圧を出力する。信号処理部１２は、例えばマイコンであり、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂからの出力信号に基づいて導体５Ｕ、導体５Ｖ、導体５Ｗを介して流れる電流をそれぞれ算出する。ここで、信号処理部１２は、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂにより得られる電圧信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄコンバータを内蔵していてもよい。また、信号処理部１２は、電源装置１の動作を制御するマイコンの一部機能として提供されるようにしてもよく、その場合、そのマイコンによって制御部３および信号処理部１２が実現されるようにしてもよい。

図２は、電流測定装置１０の構成を説明する図である。ここで、インバータ回路２は、半導体モジュールにより実現されている。半導体モジュールは、特に限定されるものではないが、複数の半導体素子２１およびそれらの半導体素子を取り囲んで保護するパッケージ２２を含んで構成される。図２に示す例では、半導体素子２１は、例えば、トランジスタ（および、そのトランジスタに接続されるダイオード）である。また、パッケージ２２は、底面部２２ａおよびその底面部２２ａから垂直方向に伸びる側壁部２２ｂから構成されており、例えば、樹脂により一体的に形成されている。

導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗは、それぞれバスバーであり、パッケージ２２の端部から引き出されている。なお、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗと対応する半導体素子２１との間は、例えば、図３に示すように、電極２３およびボンディングワイヤ２４を介して接続される。電極２３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のためにそれぞれ設けられている。各電極２３は、図３に示す例では、パッケージ２２の底面部２２ａの端部から側壁部２２ｂの内壁に沿って上方に伸びてその側壁部２２ｂの上端部にまで形成されている。そして、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗは、側壁部２２ｂの上端部において、それぞれ対応する電極２３にネジ等で圧接するようにして接触する。

導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗは、パッケージ２２の端部に等間隔に取り付けられ、互いに平行または略平行に引き出される。ここで、各導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流は、特に限定されるものではないが、例えば、数Ａ〜数百Ａである。

コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、それぞれ、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗに対して所定の相対位置に配置するように、パッケージ２２に取り付けられる。図２に示す例では、パッケージ２２の側壁部２２ｂの上端部において、導体５Ｕ、５Ｖ間にコアレス電流センサ１１Ａが配置され、導体５Ｖ、５Ｗ間にコアレス電流センサ１１Ｂが配置されている。この場合、コアレス電流センサ１１Ａは、導体５Ｕ、５Ｖから等距離に配置されることが好ましく、コアレス電流センサ１１Ｂは、導体５Ｖ、５Ｗから等距離に配置されることが好ましい。なお、各コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、それぞれ、検出結果としての信号を出力するための端子を備えている。また、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、例えば、パッケージ２２の製造時に、その一部がパッケージ２２埋め込まれるようにしてパッケージ２２に取り付けられるようにしてもよい。

基板３１は、信号処理部１２またはその一部が形成されており、半導体モジュールのパッケージ２２に取り付けられる。また、基板３１には、コアレス電流センサの１１Ａ、１１Ｂの端子が挿入されるホールを備えている。これらのホールは、金属メッキがされており、印刷配線パターンにより信号処理部１２に接続されている。したがって、基板３１をパッケージ２２に取り付けると、コアレス電流センサの１１Ａ、１１Ｂは、信号処理部１２に接続されることになる。すなわち、コアレス電流センサの１１Ａ、１１Ｂは、ハーネス等を介することなく、信号処理部１２に接続される。

図４（ａ）は、実施形態に係わる半導体モジュール、導体、コアレス電流センサを上方から見た図であり、図４（ｂ）は、その断面図である。導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗは、等間隔で配置されて半導体モジュールから引き出されている。そして、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、パッケージ２２の端部において、それぞれ導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗどうしの間に設けられている。ここで、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗおよびコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、パッケージ２２の側壁部２２ｂの上端部に設けられるので、ほぼ一直線状に、等間隔に配置されることになる。この場合、側壁部２２ｂの上端部における導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗとコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの位置関係は、端から順に、導体５Ｕ、コアレス電流センサ１１Ａ、導体５Ｖ、コアレス電流センサ１１Ｂ、導体５Ｗの順にほぼ一直線上に等間隔に配置されることになる。また、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、この実施例では、磁束を検知するための集磁面を１つだけ備える構成であり、その集磁面が所定の方向（図４（ａ）においては、紙面に垂直に手前側に向く方向。図４（ｂ）においては上方向。）を向くように取り付けられる。

なお、実施形態の電流測定装置は、図４（ｂ）に示すように、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗおよびコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂを取り囲むシールド材４１を備えるようにしてもよい。この場合、シールド材４１は特に限定されるものではないが、例えば、鉄板で形成される。シールド材４１を設ければ、外部磁界に起因するノイズの影響が低くなり、電流測定の精度が向上する。

図５は、実施形態の電流測定装置による測定方法を説明する図である。以下では、電源装置１からモータ４に向かう方向を「正（＋）」とする。
＜準備＞
実施形態の電流測定装置１０は、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流を測定する前の準備段階において、その測定に必要な係数を取得し、信号処理部１２が備える記憶領域（保持手段）に保持する。ここで、この記憶領域は、不揮発性メモリまたはレジスタ等のハードウェア資源である。なお、準備段階において、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ、およびコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、既に、上述のようにして半導体モジュールのパッケージ２２に固定されているが、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗは、インバータ回路２およびモータ４に接続されていない。また、外部磁界の影響は無視できるものとする。

一般に、導体に電流Ｉが流れたとき、その導体から距離ｒだけ離れた位置における磁束密度Ｂは、下式で表される。ここで、μ₀ は、透磁率である。

また、コアレス電流センサとして、磁束密度Ｂに比例する電圧Ｖを出力する磁気センサを使用する場合、磁束は、下式によって電圧に変換される。ここで、Ｋs は、磁気センサの感度を表す比例定数である。
Ｖ＝Ｋs ×Ｂ
そして、まず、導体５Ｖおよび導体５Ｗに流れる電流をゼロに保持した状態で、導体５Ｕに既知の基準電流Ｉ_u0を流す。ここで、磁気センサの出力電圧は磁束密度に比例し、その磁束密度は導体を介して流れる電流に比例する。よって、コアレス電流センサ１１Ａの出力電圧Ｖua、およびコアレス電流センサ１１Ｂの出力電圧Ｖubは、それぞれ下式により表される。
Ｖua＝Ｋua×Ｉ_u0
Ｖub＝Ｋub×Ｉ_u0
ここで、係数Ｋuaおよび係数Ｋubは、それぞれ下式により表される。

なお、係数Ｋsaは、コアレス電流センサ１１Ａの感度を表す定数であり、係数Ｋsbは、コアレス電流センサ１１Ｂの感度を表す定数である。また、距離ｒ_uaは、導体５Ｕとコアレス電流センサ１１Ａとの間の距離を表し、距離ｒ_ubは、導体５Ｕとコアレス電流センサ１１Ｂとの間の距離を表す。

このように、導体５Ｕのみに基準電流を流した状態でコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を検出することにより、２つの係数Kua、Ｋubが得られる。ここで、これらの係数（Kua、Ｋub）は、各センサの感度（Ｋsa、Ｋsb）および電流の流れている導体と各センサとの間の距離（ｒ_ua、ｒ_ub）の影響を含んでいる。したがって、製造ばらつき等によってコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの感度が誤差を持っていたとしても、或いは、導体５Ｕとコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂとの間の距離が適正距離からずれていたとしても、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を実測すれば、導体を介して流れる電流とコアレス電流センサの出力信号との間の関係を表す係数を取得することができる。

同様に、導体５Ｖのみに基準電流Ｉ_v0を流した状態で、下式によって表されるコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を検出する。
Ｖva＝Ｋva×Ｉ_v0
Ｖvb＝Ｋvb×Ｉ_v0
これにより、導体５Ｖを介して流れる電流とコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力信号との間の関係を表す２つの係数Kva、Ｋvbが得られる。

また、導体５Ｗのみに基準電流Ｉ_w0を流した状態で、下式によって表されるコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を検出する。
Ｖwa＝Ｋwa×Ｉ_w0
Ｖwb＝Ｋwb×Ｉ_w0
これにより、導体５Ｗを介して流れる電流とコアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力信号との間の関係を表す２つの係数Kwa、Ｋwbが得られる。

上述のようにして得られた６個の係数（Ｋua、Ｋub、Ｋva、Ｋvb、Ｋwa、Ｋwb）は、信号処理部１２が備える記憶領域に書き込まれる。
＜測定＞
電源装置１からモータ４へ電力を供給するときに導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流を測定するためには、信号処理部１２は、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力電圧を読み込む。このとき、コアレス電流センサ１１Ａは、導体５Ｕを介して流れる電流Ｉu に起因して発生する磁束、導体５Ｖを介して流れる電流Ｉv に起因して発生する磁束、導体５Ｗを介して流れる電流Ｉw に起因して発生する磁束の影響を受ける。したがって、コアレス電流センサ１１Ａの出力電圧Ｖa は、下記（１）式により表される。
Ｖa ＝Ｋua×Ｉu ＋Ｋva×Ｉv ＋Ｋwa×Ｉw ・・・（１）
同様に、コアレス電流センサ１１Ｂの出力電圧Ｖb は、下記（２）式により表される。
Ｖb ＝Ｋub×Ｉu ＋Ｋvb×Ｉv ＋Ｋwb×Ｉw ・・・（２）
ここで、係数Ｋua、Ｋub、Ｋva、Ｋvb、Ｋwa、Ｋwbは、準備段階において取得して保持しておいた値が使用される。

ところで、電源装置１からモータ４へ向かう方向に流れる電流の総和は、ゼロになる。すなわち、下記（３）式が成立する。
Ｉu ＋Ｉv ＋Ｉw ＝０ ・・・（３）
したがって、（３）式を利用して（１）式および（２）式から「Ｉv 」を消去すると、下記の（４）式および（５）式が得られる。
Ｖa ＝（Ｋua−Ｋva）×Ｉu ＋（Ｋwa−Ｋva）×Ｉw ・・・（４）
Ｖb ＝（Ｋub−Ｋvb）×Ｉu ＋（Ｋwb−Ｋvb）×Ｉw ・・・（５）
そして、上記（３）〜（５）式より、電流Ｉu および電流Ｉw が得られる。

さらに、上記（３）の関係を考慮すれば、電流Ｉv も得られる。
このように、実施形態の電流測定装置１０によれば、各導体（５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ）を介して流れる電流（Ｉu 、Ｉv 、Ｉw ）は、先に取得して保持してある６個の係数（Ｋua、Ｋub、Ｋva、Ｋvb、Ｋwa、Ｋwb）を利用するので、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの出力信号（Ｖa 、Ｖb ）に基づいて算出することができる。

なお、実施形態の電流測定装置１０においては、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂが半導体モジュールのパッケージ２２に取り付けられるので、電流センサと図３に示す電極２３との間の距離が小くなる。しかし、電極２３を介して流れる電流に起因する磁束は、各電流センサの集磁面に平行な成分しか有していないので、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂは、導体５Ｕ、５Ｖ、５Ｗを介して流れる電流を正確に測定できる。

以上説明したように、実施形態の電流測定装置１０は、３本の導体を流れる各電流を２個の電流センサを用いて測定することができる。
また、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂが半導体モジュールのパッケージ２２に取り付けられるので、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂを固定するための専用の構造物が不用である。よって、電流測定装置の省スペース化が図れる。

さらに、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂと信号処理部１２とを接続するためのハーネス等が不要なので、さらに省スペース化が図れる。
なお、コアレス電流センサ１１Ａ、１１Ｂの配置は、図２または図４に示す実施例に限定されるものではなく、パッケージ上の互いに同じでない所望の２点に配置することができる。

本発明の実施形態の電流測定装置の使用例を示す図である。 電流測定装置の構成を説明する図である。 半導体素子と導体との間の接続を説明する図である。 （ａ）は実施形態に係わる半導体モジュール、導体、コアレス電流センサを上方から見た図であり、（ｂ）はその断面図である。 実施形態の電流測定装置による測定方法を説明する図である。

符号の説明

１ 電源装置
２ インバータ回路
３ 制御部
４ モータ
５Ｕ、５Ｖ、５Ｗ 導体
１０ 電流測定装置
１１Ａ、１１Ｂ コアレス電流センサ
１２ 信号処理部
２１ 半導体素子
２２ パッケージ
２２ａ 底面部
２２ｂ 側壁部
３１ 基板
４１ シールド材

Claims (7)

1. 半導体モジュールに接続された総和がゼロとなる電流が流れる３本の導体の各導体を流れる電流値を測定する電流測定装置であって、
   前記半導体モジュールのパッケージに取り付けられた第１および第２のコアレス電流センサと、
   各導体を介して流れる電流値と各コアレス電流センサの出力信号との間の関係を表す係数を保持する保持手段と、
   前記３本の導体を介して流れる電流値の総和がゼロであることを利用して、前記第１および第２のコアレス電流センサの出力信号および前記保持手段に保持されている各係数に基づいて、各導体を介して流れる電流値を算出する算出手段、
   を有することを特徴とする電流測定装置。
2. 前記３本の導体は、前記半導体モジュールから平行または略平行に引き出されており、
   前記第１のコアレス電流センサは、前記３本の導体の中の第１の導体と第２の導体との間に配置され、前記第２のコアレス電流センサは、前記３本の導体の中の前記第２の導体と第３の導体との間に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
3. 前記算出手段の少なくとも一部が基板上に形成されており、
   前記第１および第２のコアレス電流センサは、それぞれ、信号を出力するための端子を備えており、
   前記基板を前記パッケージに取り付けると、前記第１および第２のコアレス電流センサの端子が、前記基板上に形成されている前記算出手段のための配線に接続される
   ことを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
4. 前記第１および第２のコアレス電流センサを取り囲むシールド材をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
5. 前記第１および第２のコアレス電流センサは、前記半導体モジュールのパッケージの側壁部の上端部に取り付けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
6. 前記パッケージの側壁部の上端部において、前記第１の導体と、第１のコアレス電流センサと、第２の導体と、第２のコアレス電流センサと、第３の導体とが、順にほぼ一直線上に等間隔に配置される
   ことを特徴とする請求項５に記載の電流測定装置。
7. 総和がゼロとなる電流が流れる３本の導体が接続された半導体モジュールであって、
   前記電流を生成する半導体素子を搭載したパッケージと、
   前記パッケージに取り付けられた第１および第２のコアレス電流センサと、
   前記３本の導体を介して流れる電流値の総和がゼロであることを利用して、前記第１および第２のコアレス電流センサの出力信号および各導体を介して流れる電流値と各コアレス電流センサの出力信号との間の関係を表す係数に基づいて、各導体を介して流れる電流値を算出する算出手段、
   を有することを特徴とする半導体モジュール。