JP2008215844A - 電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一群のパワー素子中の各パワー素子に流れる分流電流の電流値を正確に検出することができる電流検出装置を提供する。
【解決手段】負帰還回路３の作用により差動増幅器電１の反転入力端子が非反転入力端子と同電位となるため、対象パワートランジスタＱ_１のバイアス電圧は、その他の各パワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎのバイアス電圧と略同レベルとなり、対象パワートランジスタＱ_１に流れる分流電流の電流値Ｉ_１は、その他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎに流れる分流電流の電流値Ｉ_２〜Ｉ_ｎと略同等となる。そして、対象パワートランジスタＱ_１の出力側の分割エミッタＥ_１から流出する分流電流は、負帰還回路３中の検出用抵抗２を通過して差動増幅器１の出力端子側へ流れ、その際、電流検出素子４により分流電流値Ｉ_１が正確に検出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流検出装置に関し、詳しくは、相互に並列接続された一群のパワー素子中の一つの対象パワー素子に流れる分流電流の電流値を検出する電流検出装置に関するものである。

モータ等の電動アクチュエータの駆動電流をフィードバック制御する技術として、チップ上に構成された一群のパワー素子を介して駆動電流をフィードバック制御する技術が従来一般に知られている。ここで、一群のパワー素子は、例えば１０万個というオーダの多数のパワートランジスタやパワーＦＥＴからなり、これらは相互に並列に接続されている。

図４は相互に並列接続された一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎの従来例を示しており、一つの対象パワートランジスタＱ_１の出力側であるエミッタＥ_１には、その対象パワートランジスタＱ_１に流れる分流電流の電流値Ｉ_１を計測するための検出用抵抗Ｒが直列に接続されている。

このような一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎにおいては、検出用抵抗Ｒの両端の電位差ΔＶ_１を計測することで対象パワートランジスタＱ_１の分流電流値Ｉ_１が求められる。そして、この分流電流値Ｉ_１を一群のパワートランジスタＱ１〜Ｑｎの数量分だけ乗算することにより、一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎに流れる電流の総電流値が推定される。

このように、一群のパワー素子中の一つの対象パワー素子に流れる分流電流の電流値を求めることで一群のパワー素子に流れる電流の総電流値を推定可能とした関連技術は、例えば特許文献１に記載されている。
特開平６−１８０３３２号公報

ところで、図４に示した従来例では、検出用抵抗ＲによりΔＶ_１＝ＲＩ_１の電圧降下が発生するため、この電圧降下ΔＶ_１分だけ対象パワートランジスタＱ_１のバイアス電圧Ｖ_ＢＥ１がその他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎのバイアス電圧Ｖ_ＢＥ２〜Ｖ_ＢＥｎよりも低下する。

ここで、図５のグラフは、パワートランジスタＱ_１，Ｑ_２のバイアス電圧Ｖ_ＢＥ１，Ｖ_ＢＥ２と出力電流Ｉ_１，Ｉ_２との関係特性を実線の曲線で示しており、このグラフにおいて１／Ｒとして表される検出用抵抗Ｒの変化を点線の直線で示している。

この図５の実線の曲線に示すように、検出用抵抗ＲによるΔＶ_１＝ＲＩ_１の電圧降下が発生すると、対象パワートランジスタＱ_１のバイアス電圧Ｖ_ＢＥ１が他のパワートランジスタＱ_２のバイアス電圧Ｖ_ＢＥ２よりΔＶ_１だけ低下する。換言すれば、他のパワートランジスタＱ_２のバイアス電圧Ｖ_ＢＥ２は、Ｖ_ＢＥ２＝Ｖ_ＢＥ１＋ＲＩ_１となり、対象パワートランジスタＱ_１から出力される分流電流の電流値Ｉ_１は、他のパワートランジスタＱ_２から出力される分流電流の電流値Ｉ_２より大幅に低下し、両者の間に誤差を生じる。

そして、図４に示した検出用抵抗Ｒの両端の電位差ΔＶ_１を計測する際のＳ／Ｎを向上させるように検出用抵抗Ｒの抵抗値の増大させると、図５に示した１／Ｒを示す点線の直線が矢印方向に倒れ、その結果、対象パワートランジスタＱ_１の電流値Ｉ_１における電圧降下ΔＶ_１＝ＲＩ_１が比例的に増大する。そして、この場合には、対象パワートランジスタＱ_１の分流電流値Ｉ_１が他のパワートランジスタＱ_２の分流電流値Ｉ_２より一層大幅に低下することとなり、両者の間の誤差が格段に増加する。

すなわち、図４に示した従来例においては、検出用抵抗Ｒの両端の電位差ΔＶ_１に基づいて求めた対象パワートランジスタＱ_１の分流電流値Ｉ_１がその他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎの分流電流値Ｉ_２〜Ｉ_ｎより大幅に低下してしまい、その結果、一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎに流れる電流の総電流値の推定値が大幅に低下してしまうという問題がある。

そこで、本発明は、一群のパワー素子中の各パワー素子に流れる分流電流の電流値を正確に検出することができる電流検出装置を提供することを課題とする。

本発明に係る電流検出装置は、相互に並列接続された一群のパワー素子中の一つの対象パワー素子に流れる分流電流の電流値を検出する電流検出装置であって、対象パワー素子の出力側に反転入力端子が接続され、その他の各パワー素子の出力側に非反転入力端子が接続された差動増幅器と、この差動増幅器の出力端子を反転入力端子に検出用抵抗を介して接続する負帰還回路と、検出用抵抗を流れる電流値を検出するための検出手段とを備えていることを特徴とする。

本発明に係る電流検出装置では、負帰還回路の作用により差動増幅器の反転入力端子が非反転入力端子と同電位となる。このため、対象パワー素子の出力側から流出する分流電流は、負帰還回路中の検出用抵抗を通過して差動増幅器の出力端子側へ流れ、その際、検出用抵抗を通過する分流電流の電流値が検出手段により検出される。

ここで、作動増幅器の反転入力端子と非反転入力端子とが同電位となるため、反転入力端子に接続された対象パワー素子の出力側の電位は、非反転入力端子に接続されたその他の各パワー素子の出力側の電位と同電位となる。その結果、対象パワー素子のバイアス電圧は、その他の各パワー素子のバイアス電圧と略同レベルとなり、対象パワー素子に流れる分流電流の電流値は、その他の各パワー素子にそれぞれ流れる分流電流の電流値と略同等となる。すなわち、検出用抵抗の抵抗値に拘わらず、検出手段により検出される分流電流値は、その他の各パワー素子にそれぞれ流れる分流電流の電流値と略同等となる。

本発明に係る電流検出装置によれば、検出用抵抗の抵抗値に拘わらず、検出手段により検出される分流電流値がその他の各パワー素子にそれぞれ流れる分流電流の電流値と略同等となるのであり、一群のパワー素子中の各パワー素子に流れる分流電流の電流値を正確に検出することができる。その結果、検出手段により検出される分流電流値に基づいて一群のパワー素子に流れる電流の総電流値を高精度に推定することが可能となる。

また、Ｓ／Ｎ比が向上するように検出用抵抗の抵抗値を大きく設定することができるため、検出手段により分流電流値をより正確に検出して一群のパワー素子に流れる電流の総電流値をより一層高精度に推定することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明に係る電流検出装置の最良の実施形態を説明する。ここで、参照する図面において、図１は一実施形態に係る電流検出装置の概略構成を示す回路図である。なお、以下の説明において、同一または同様の構成部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略することがある。

一実施形態に係る電流検出装置は、相互に並列接続された同一特性の一群のパワー素子、例えば図１に示す一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎのうちの一つの対象パワートランジスタＱ_１に流れる分流電流の電流値を検出することで、一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎに流れる電流の総電流値を高精度に推定可能とするものである。

一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎは、例えば図示しないモータ等の電動アクチュエータの駆動回路中に設置されてその駆動電流をフィードバック制御するものであり、例えばチップ上に構成された１０万個のＮＰＮ型トランジスタからなる。

ここで、一実施形態の電流検出装置は、非反転入力端子と反転入力端子と出力端子とを有するオペアンプからなる差動増幅器１を備えている。この差動増幅器１は、反転入力端子が対象パワートランジスタＱ_１の出力側であるエミッタ（分割エミッタ）Ｅ_１に接続され、非反転入力端子がその他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎの出力側のエミッタＥ_２〜Ｅ_ｎに接続されている。

差動増幅器１には、その出力端子を検出用抵抗２を介して反転入力端子に接続する負帰還回路３が構成されている。そして、この負帰還回路３中の検出用抵抗２には、これを流れる電流の電流値を検出するための検出手段として、例えば電流検出素子４が並列に接続されている。この検出用抵抗２は、電流検出素子４が検出する電流値のＳ／Ｎ比を増大できるように、その抵抗値が所定値に大きく設定されている。

以上のように構成された一実施形態の電流検出装置では、負帰還回路３の作用により差動増幅器１の反転入力端子が非反転入力端子と同電位となって両者が仮想短絡状態となり、差動増幅器１内には電流が通過しなくなる。このため、対象パワートランジスタＱ_１の出力側のエミッタ（分割エミッタ）Ｅ_１から流出する分流電流は、負帰還回路３中の検出用抵抗２を通過して差動増幅器１の出力端子側へ流れる。その際、検出用抵抗２を通過する分流電流の電流値Ｉ_１が電流検出素子４により検出される。

ここで、差動増幅器１の反転入力端子と非反転入力端子とが同電位となるため、反転入力端子に接続された対象パワートランジスタＱ_１の出力側のエミッタ（分割エミッタ）Ｅ_１の電位は、非反転入力端子に接続されたその他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎの出力側のエミッタ（分割エミッタ）Ｅ_２〜Ｅ_ｎの電位と同電位となる。

その結果、対象パワートランジスタＱ_１のバイアス電圧Ｖ_ＢＥ１は、その他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎのバイアス電圧Ｖ_ＢＥ２〜Ｖ_ＢＥｎと略同レベルとなり、対象パワートランジスタＱ_１に流れる分流電流の電流値Ｉ_１は、その他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎにそれぞれ流れる分流電流の電流値Ｉ_２〜Ｉ_ｎと略同等となる。

すなわち、一実施形態の電流検出装置においては、検出用抵抗２の抵抗値が大きな所定値に設定されているにも拘わらず、電流検出素子４により検出される分流電流値Ｉ_１は、その他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎにそれぞれ流れる分流電流の電流値Ｉ_２〜Ｉ_ｎと略同等となる。

従って、一実施形態の電流検出装置によれば、電流検出素子４により検出される分流電流値Ｉ_１に基づき、これを一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎの数量分（例えば１０万個分）だけ乗算することにより、一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎに流れる電流の総電流値を高精度に推定することが可能となる。

また、検出用抵抗２の抵抗値をより大きく設定することで、電流検出素子４が検出する分流電流値Ｉ_１のＳ／Ｎ比をより向上させることができるため、一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎに流れる電流の総電流値を一層高精度に推定することが可能となる。

なお、一実施形態の電流検出装置においては、例えば１０万個のＮＰＮ型トランジスタからなる一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎを一群のパワー素子としたが、その個数は１０万個に限らず、適宜の数量に変更可能である。

また、一群のパワー素子は、Ｐチャンネル型のＦＥＴからなる一群のパワーＦＥＴに変更することができる。この場合、一群のパワーＦＥＴのうちの一つの対象パワーＦＥＴは、出力側のソース（分割ソース）が差動増幅器１の反転入力端子に接続され、その他の各パワーＦＥＴは、出力側のソース（分割ソース）が差動増幅器１の非反転入力端子にそれぞれ接続される。

実施例１として、図２に示す回路構成の電流検出装置により、対象パワートランジスタＱ_１の分流電流値Ｉ_１を検出した。また、比較例１として、図３に示す回路構成の電流検出装置により、対象パワートランジスタＱ_１の分流電流値Ｉ_１を検出した。
（実施例１）

図２に示す実施例１の電流検出装置は、基本的には図１に示した電流検出装置と同様に構成されており、差動増幅器１の反転入力端子には、相互に並列に接続された１０万個の一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎうちの一つの対象パワートランジスタＱ_１の出力側のエミッタＥ_１が接続されている。また、差動増幅器１の非反転入力端子には、その他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎの出力側のエミッタＥ_２〜Ｅ_ｎが接続されている。そして、差動増幅器１の出力端子が１００Ωの検出用抵抗２を介して反転入力端子に接続されることで負帰還回路３が構成されており、検出用抵抗２には電流検出素子４が並列に接続されている。

なお、一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎの各ベースには、１Ωの抵抗Ｒ_１を介して＋５Ｖのバイアス電源Ｖ_１が接続され、各コレクタには、＋１２Ｖの駆動電源Ｖ_２が接続されている。そして、対象パワートランジスタＱ_１を除くその他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎの出力側のエミッタＥ_２〜Ｅ_ｎは、バイアス電源Ｖ_１のマイナス側と共に０．１Ωの抵抗Ｒ_２を介して接地されている。

ここで、実施例１の電流検出装置において、１００Ωの検出用抵抗２の両端の電位差を電流検出素子４により測定したところ、−１２７．５８ｍＶであった。また、対象パワートランジスタＱ_１のコレクタ側に流入する分流電流の電流値Ｉ_１を電流計５で測定したところ、１．２３０ｍＡ（１，２３０μＡ）であった。そして、その他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎのコレクタ側に流入する電流の総電流値を電流計６で測定したところ、１１９，０３０ｍＡであった。従って、一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎに流れた実際の総電流値は概略１１９Ａである。

すなわち、実施例１の電流検出装置では、その他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎの分流電流値Ｉ_２〜Ｉ_ｎが概略１．１９０ｍＡであって、対象パワートランジスタＱ_１の分流電流値Ｉ_１の１．２３０ｍＡと大差がなく、略同等であることが確認された。

換言すれば、対象パワートランジスタＱ_１の分流電流値１．２３０ｍＡを単純に１０万倍して一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎに流れる電流の総電流値を１２３Ａと推定しても、その推定値は実際の総電流値である概略１１９Ａと大差がなく、一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎに流れる電流の総電流値を高精度に推定できることが確認された。
（比較例１）

一方、図３に示す比較例１の電流検出装置は、図２に示した実施例１の電流検出装置から負帰還回路３を有する差動増幅器１を取り除いたものであり、一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎうちの一つの対象パワートランジスタＱ_１を除くその他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎの出力側のエミッタＥ_２〜Ｅ_ｎは、バイアス電源Ｖ_１のマイナス側と共に０．１Ωの抵抗Ｒ_２を介して接地されている。

そして、一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎうちの一つの対象パワートランジスタＱ_１の出力側のエミッタＥ_１は、その他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎの出力側であるエミッタＥ_２〜Ｅ_ｎ側（バイアス電源Ｖ_１のマイナス側）に１００Ωの検出用抵抗Ｒ_３を介して接続されており、検出用抵抗Ｒ_３には電流検出素子４が並列に接続されている。

ここで、比較例１の電流検出装置において、１００Ωの検出用抵抗Ｒ_３の両端の電位差を電流検出素子４により測定したところ、３２．６９ｍＶであった。また、対象パワートランジスタＱ_１のコレクタ側に流入する分流電流の電流値Ｉ_１を電流計５で測定したところ、０．２９３ｍＡ（２９３．７０μＡ）であった。そして、その他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎのコレクタ側に流入する電流の総電流値を電流計６で測定したところ、実施例１と同じ１１９，０３０ｍＡであった。従って、一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎに流れた実際の総電流値は概略１１９Ａである。

すなわち、比較例１の電流検出装置では、対象パワートランジスタＱ_１の分流電流値Ｉ_１は、その他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎの分流電流値Ｉ_２〜Ｉ_ｎである１．１９０ｍＡの１／４程度の０．２９３ｍＡに大幅に低下していることが確認された。

従って、対象パワートランジスタＱ_１に分流する分流電流値０．２９３ｍＡを単純に１０万倍して一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎに流れる総電流値を２９．３Ａと推定すると、その推定値は実際の総電流値である概略１１９Ａと較べて１／４程度と大幅に小さい値となり、一群のパワートランジスタＱ_１〜Ｑ_ｎに流れる総電流値を正確に推定できないことが確認された。

このように比較例１の電流検出装置において、対象パワートランジスタＱ_１の分流電流値Ｉ_１がその他の各パワートランジスタＱ_２〜Ｑ_ｎの分流電流値Ｉ_２〜Ｉ_ｎに較べて大幅に低下する理由は、対象パワートランジスタＱ_１の出力側のエミッタＥ_１に直列に接続された検出用抵抗Ｒ_３によって対象パワートランジスタＱ_１のバイアス電圧Ｖ_ＢＥ１が大幅に低下するためである。

本発明の一実施形態に係る電流検出装置の概略構成を示す回路図である。 本発明の実施例１に係る電流検出装置の概略構成を示す回路図である。 本発明の実施例１と比較される比較例１に係る電流検出装置の概略構成を示す回路図である。 従来例に係る電流検出装置の概略構成を示す回路図である。 図４に示したパワートランジスタのバイアス電圧と出力電流との関係特性を示すグラフである。

符号の説明

１…差動増幅器、２…検出用抵抗、３…負帰還回路、４…電流検出素子、Ｑ_１…対象パワートランジスタ、Ｑ_２〜Ｑ_ｎ…その他の各パワートランジスタ、Ｅ_１…対象パワートランジスタのエミッタ、Ｅ_２〜Ｅ_ｎ…その他の各パワートランジスタのエミッタ。

Claims (1)

1. 相互に並列接続された一群のパワー素子中の一つの対象パワー素子に流れる分流電流の電流値を検出する電流検出装置であって、
   前記対象パワー素子の出力側に反転入力端子が接続され、その他の各パワー素子の出力側に非反転入力端子が接続された差動増幅器と、
   前記差動増幅器の出力端子を前記反転入力端子に検出用抵抗を介して接続する負帰還回路と、
   前記検出用抵抗を流れる電流値を検出するための検出手段とを備えていることを特徴とする電流検出装置。

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