JP2009052898A

JP2009052898A - 電流検出基板

Info

Publication number: JP2009052898A
Application number: JP2007217065A
Authority: JP
Inventors: Masaki Takada; 雅樹高田; Takashi Kumagai; 隆熊谷; Koji Nakajima; 浩二中島; Shigeo Takada; 茂生高田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2009-03-12

Abstract

【課題】大電流検出時に必要であったカレントトランスや電流検出抵抗器を不要にし、一般的なプリント基板の配線パターンを用いて大電流の検出を、小型、低コスト、低ノイズで可能とする。
【解決手段】プリント基板上に主回路電流が流れる配線パターンを形成し、上記配線パターンの一部を電流検出用の検出抵抗として作用させる電流検出基板において、上記電流検出用配線パターンに熱的に結合され、主回路電流の経路を形成しない放熱器を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、プリント基板の配線パターンを用いて電流の検出を行う電流検出基板に関するものである。

従来、主電流回路に流れる電流により発生する電圧降下を利用して電流値を検出するものとしては、例えば特許文献１（特開平７−９８３３９）のような回路が既に提案されている。これは、主電流回路に直列挿入する電流検出用の抵抗器として、電子回路の導体パターンを用い、この導体パターンに使用される金属材料の抵抗率、導体パタ−ンの長さ、幅、厚さを適宜選択することにより特定の抵抗値を設定するものである。

特開平７−９８３３９

ところが、上記特許文献１に示すような従来のプリント基板の配線パターンによる電流検出方法では、検出すべき電流値と必要とする電圧降下分から、配線パターン幅Ｗと配線パターン長Ｌと配線パターンの厚さtを決めている。配線パターンの抵抗分で生じる電圧
降下分は、通常、ＯＰアンプ等の増幅器で増幅されるため、例えば、配線パターンでの電圧降下分が数ｍＶ程度と小さい場合は、外部から混入したノイズが配線パターンの抵抗分で生じる電圧降下分と比較して無視できないレベルとなり、後段の増幅器で両者が共に増幅される場合、電流検出回路部において誤動作する問題がある。従って、配線パターン部での電圧降下分は、外部から混入したノイズレベルより大きな数十ｍＶ以上に設定するのが一般的である。

一方、電流検出パターンに大電流が流れる場合、配線パターンの抵抗成分によって発生するジュール熱により配線パターンが高温となるため、配線パターンが剥離、断線する問題がある。従って、配線パターンに大電流が流れる場合は、配線パターンの抵抗成分を極力下げる必要があるため、プリント基板の配線パターン厚さtは太く、配線パターン長Ｌ
を短くレイアウトする必要がある。

しかし、配線パターンによる電流検出を考えた場合、逆に配線パターンの抵抗分で生じる電圧降下分を大きく設計する必要があり、配線パターンは細く、長くする必要がある。従って、従来のプリント基板の配線パターンによる電流検出方法は、大電流を検出する事例においては、電流検出レベルと配線パターンの温度上昇は相反することが求められ、配線パターンによる電流検出は実際上実現不可能であるという課題があった。

例えば、プリント基板で一般的なt＝３５[ｕｍ]銅箔厚のプリント基板で、銅抵抗率１
．７／１０^８ [Ω・ｍ]、配線幅Ｗ＝１０[ｍｍ]、配線長さＬ＝３０[ｍｍ]とした場合、
検出パターンでの抵抗が１．４６[ｍΩ]となり、また、電流２０[Ａ]時の電圧降下は２９．１ｍＶとなって、検出電圧レベルとしては問題ない。

しかし、配線パターンでの温度上昇を考えた場合、配線パターン片面からの自然対流の放熱と考えた場合、検出電流２０[Ａ]時の発熱０．５８[Ｗ]となり、熱伝達率１０[Ｗ／
ｍ^２℃]と考えると温度上昇は１９４．３℃にも達する。一般的なガラスエポキシ基板で
は、表面温度１００℃以下での使用が要求されるため、使用可能な温度を超えてしまう。

以上のような理由から、上記特許文献１に示すようなプリント基板の配線パターンを用いた電流検出方法は、実用化が困難であって、実際に大電流を検出する事例においては、ジュール熱による電力損失を考慮して、電力容量の大きな電流検出抵抗器、例えば、セメント抵抗やホウロウ抵抗といった電力容量の大きな部品を選定する必要がある。しかし、部品も大きく重量物となり、また、検出抵抗器自体には検出電流が流れるためノイズ発生源となり、周辺回路への影響が懸念される。

さらに、電流検出抵抗器に流れる電流が高周波である場合、ホウロウ抵抗など内部が巻線抵抗構造である部品は、部品自身の自己インダクタンス成分(L)が大きいため、交流的
な電圧降下(jωLi)が大きく発生するため、電流検出回路において補正が難しく、電流検
出回路が誤検知する問題がある。従って、電流検出に用いる抵抗器は、自己インダクタンス成分のない、電流検出用の高価な無誘導抵抗器を選定する必要がある。

また、他の電流検出としてカレントトランスを使用する方式もあるが、カレントトランスは鉄心を必要とするので、どうしても部品が大きく重くコスト高となる上に、使用できる最高周波数、最低周波数に制限があるなどといった問題がある。さらにカレントトランスでは、検出する電流がカレントトランス内を貫通する必要があるため、別途配線が必要になり、実装上の制限が極めて大きい。

この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、従来のように大電流検出時に必要であったカレントトランスや電流検出抵抗器を不要にし、一般的なプリント基板の配線パターンを用いて、大電流の検出を、小型、低コスト、低ノイズで可能とする信頼性の高い電流検出基板を提供することを目的とするものである。

プリント基板上に主回路電流が流れる配線パターンを形成し、上記配線パターンの一部を電流検出用の検出抵抗として作用させる電流検出基板において、上記電流検出用配線パターンに熱的に結合され、上記主回路電流の経路を形成しない放熱器を備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、プリント基板の配線パターンの抵抗分による電圧降下を利用した電流検出方式において、放熱器に検出電流が流れないように構成することにより、大電流を検出する場合においても、電流検出配線パターンの温度上昇を抑え、配線パターンの剥離や断線を防止できると共に、放熱器からの輻射ノイズがなく、周辺の電気部品へのシールド効果も期待できる信頼性の高い電流検出基板を実現できる効果を有する。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る電流検出基板の斜視図を示している。図において、電流検出基板は、放熱器１と電流検出用配線パターン２とプリント基板３と検出回路配線パターン４、５と補正抵抗器６と補正コンデンサ７を備えている。

プリント基板３上の電流検出用配線パターン２は、主電流回路に挿入される検出抵抗としても作用しており、上記検出抵抗として用いられるくびれ部分の長さをＬ、幅をＷで示している。主電流回路に流れる電流（通流方向を８で示している）により発生する上記検出抵抗の電圧降下を利用して電流値を検出するものである。

検出回路配線パターン４および検出回路配線パターン５は、上記検出抵抗の両端から図示しない外部の検出回路の測定端子へ導出するためのもので、測定端子ノイズによる検出回路の誤動作を防止するため、それぞれ近接して配置されている。補正用抵抗器６と補正用コンデンサ７は、パターンのもつインピーダンス分を補正するために配置されている。

放熱器１は、銅や真鍮などの熱伝導率の良い板状の部材で構成されており、例えば、複数個のタブ１aを有するタブ型端子が、プリント基板３上の電流検出用配線パターン２に
流れる検出電流の方向８と直行方向に配され、例えば、ハンダ付けの方法により、放熱器１と電流検出用配線パターン２は電気的、熱的に結合されている。
図において、放熱器１が電流検出用配線パターン２と電気的、熱的に結合されている部位の放熱器１の厚みをｔ[ｍｍ]、幅をｂ[ｍｍ]、表面積をＳ[ｍｍ^２]とし、電流検出用配線パターン２の検出抵抗部分の長さをＬ[ｍｍ]、幅をＷ[ｍｍ]としている。

図２は、図１の実施の形態１の電流検出用配線パターン２を抵抗網で示した等価回路である。図２において、抵抗９は放熱器１から電流検出用配線パターン２と検出回路配線パターン５との接続部までの抵抗ｒ１[ｍΩ]であり、抵抗１０は放熱器１の電流検出用配線パターン２と結合されている部位の抵抗ｒ２[ｍΩ]であり、抵抗１１は前記抵抗ｒ２[ｍΩ]と並列に接続される電流検出用配線パターン２の抵抗ｒ３[ｍΩ]であり、更に抵抗１２は放熱器１から電流検出用配線パターン２と検出回路配線パターン４との接続部までの抵抗ｒ４[ｍΩ]を示している。

ここで、電流検出用配線パターン２の長さＬ[ｍｍ]＞＞放熱器１の厚みｔ[ｍｍ]とすることで、図２中のｒ１＋ｒ４＞＞ｒ３となり、電流検出用配線パターン２全体の抵抗Ｒを、抵抗Ｒ[ｍΩ]≒ｒ１[ｍΩ]＋ｒ４[ｍΩ]とすることができる。また、電流検出用配線パターン２の幅Ｗ[ｍｍ]＞放熱器１の幅ｂ[ｍｍ]とすることで、抵抗１１（ｒ３[ｍΩ]）に並列接続される抵抗１０（ｒ２[ｍΩ]）を増加し、抵抗１１（ｒ３[ｍΩ]）への影響を軽減させることができる。

さらに、放熱器１が電流検出用配線パターン２に熱的に結合することで、電流検出用配線パターン２での発熱を放熱する放熱面積が、電流検出用配線パターン２のみの場合の放熱面積Ｗ×Ｌ[ｍｍ^２]にさらに放熱器１の面積Ｓ[ｍｍ^２]が加算され、電流検出用配線パターン２の温度上昇を軽減する効果がある。なお、放熱器１のタブ１aは放熱面積を増加
させて放熱効果を増進する働きをしている。

以上のように、上記電流検出用配線パターン２に熱的に結合され主回路電流経路を形成しない放熱器１を用いることで、電流検出用配線パターン２での電流検出レベルを変えることなく、電流検出用配線パターン２での発熱による温度上昇を軽減でき、電流検出配線パターンの剥離や断線を防ぐ効果がある。

さらに、従来の電流検出回路で用いていた電流検出用抵抗器は、それ自体に電流が流れることによってそれ自体がノイズ発生源となり、電流検出回路の誤動作の原因となるという問題があったが、本発明の放熱器１には電流が流れないため、放熱器１からの輻射ノイズもなく電流検出回路への影響がない。さらに電流検出回路は、スイッチング素子のソースラインの電流を検出することが多いため、前記スイッチングノイズによる影響を受けやすいという問題がある。そこで、本発明による放熱器１は電流検出回路へ混入するスイッチングノイズのシールド効果も得られる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る電流検出基板の斜視図を示している。図において、図１と同一あるいは相当部分には同一符号を付して示している。図１と異なる部分は放熱器１を電流検出用配線パターン２と同じ配線パターンでプリント基板３上に平面的に構成している点である。

このようにすることにより、上記電流検出用配線パターン２と熱的に結合され、しかも主回路電流経路を形成しない形式で放熱器１を作成することができるので、プリント基板３上に充分な空間が存在する場合は、上記電流検出用配線パターン２と同時に簡単に作成するでき、また、実施の形態１と同様、放熱器１には電流が流れないため、放熱器１からの輻射ノイズもなく電流検出回路への影響もない電流検出基板を簡単に作成できる効果を有する。

本発明の実施の形態１に係る電流検出基板の斜視図、本発明に係る電流検出基板の抵抗回路網からなる等価回路図、本発明の実施の形態２に係る電流検出基板の斜視図である。

符号の説明

１放熱器、２電流検出用配線パターン、３プリント基板、
４検出回路パターン、５検出回路パターン、
６補正用抵抗器、７補正用コンデンサ、８検出電流方向
９、１０、１１、１２抵抗。

Claims

プリント基板上に主回路電流が流れる配線パターンを形成し、上記配線パターンの一部を電流検出用の検出抵抗として作用させる電流検出基板において、上記電流検出用配線パターンに熱的に結合され、上記主回路電流の経路を形成しない放熱器を備えたことを特徴とする電流検出基板。
上放熱器は、熱伝導率の良い板状の部材で構成されており、上記プリント基板上の電流検出用配線パターンに流れる検出電流の方向と直行方向に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の電流検出基板。
上放熱器は、複数個のタブを有するタブ型端子により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電流検出基板。
上記放熱器の厚みをｔ[ｍｍ]、電流検出用配線パターンの検出抵抗部分の長さをＬ[ｍ
ｍ]とした場合、Ｌ[ｍｍ]＞＞ｔ[ｍｍ]と設定することを特徴とする請求項１に記載の電
流検出基板。
上記放熱器の幅をb[ｍｍ]、電流検出用配線パターンの検出抵抗部分の幅をＷ[ｍｍ]と
した場合、Ｗ[ｍｍ]＞ｂ[ｍｍ]と設定することを特徴とする請求項１に記載の電流検出基板。
上記放熱器を電流検出用配線パターンと同じ配線パターンでプリント基板上に平面的に構成したことを特徴とする請求項１に記載の電流検出基板。