JP2012026735A

JP2012026735A - 電流検出装置

Info

Publication number: JP2012026735A
Application number: JP2010162426A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Iino; 泰弘飯野
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2012-02-09
Also published as: KR20120009404A; US20120020121A1; KR101228561B1

Abstract

【課題】装置の大型化を招くことなく且つ電力損失を抑制しながら、スイッチング素子に流れる電流を検出することが可能な電流検出装置を提供すること。
【解決手段】本明細書に開示の電流検出装置１０は、電気ノイズを抑制するためのビーズコア２１が装着されたスイッチング素子４２を有する電気回路に適用される。ビーズコア２１には導線２２が巻回される。信号発生部３０は、導線２２に流れる電流に基いて、ビーズコア２１が装着されているスイッチング素子４２の電流に相関する信号（値）を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明はビーズコアを用いた電流検出装置に関する。

近年、ネットワーク機器及びサーバ機器等に使用される「ＣＰＵ及びＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)等の半導体デバイス」が急速に高性能化して来ている。即ち、半導体デバイスの「動作電圧の低電圧化、動作電流の大電流化、処理速度の高速化及び小型化」が進んでいる。従って、電源装置は、電圧が低く且つ電流の大きな電力を「半導体デバイス等を用いた負荷装置」に供給する必要がある。更に、電源装置は、半導体デバイスの小型化を無駄にしないためにも小型化される必要がある。

このような要求に応えるための電源装置の一つは、スイッチング周波数が高められたスイッチング電源回路を備える。スイッチング電源回路におけるスイッチングは、一般に、スイッチング素子（電力用半導体素子）を用いた「ハードスイッチング」である。従って、スイッチング周波数が高いと、スイッチング素子から大きな電気ノイズ（不要電波）が発生する。このような電気ノイズを抑制するためにビーズコアが使用される。ビーズコアは、中央部に貫通孔を備えるビーズ状のコア（鉄心）である。ビーズコアは、例えば、「スイッチング素子により制御される電流が流れる導線」がビーズコアの貫通孔を物理的に通過するように、スイッチング素子に装着される。ビーズコアは、スイッチング電源回路に限らず、スイッチング等により発生する電気ノイズを抑制すべき電気回路に対して使用され得る。

一方、電源回路等を含む電気回路に流れる電流を検出することは、その電気回路を使用した装置を管理・制御する上で重要である。電気回路が電源回路である場合、電気回路に流れる電流は、その電源回路の負荷を流れる電流（負荷電流）でもある。電気回路に流れる電流は、例えば、電気回路の一部等（電源回路の場合にはその電源回路の出力線上）に直列に挿入された抵抗器の両端電圧（即ち、抵抗器の電圧降下分）を測定することにより検出されている。ところが、上述したような低電圧化・大電流化が進むと、抵抗器における消費電力が電流Ｉの二乗と抵抗値Ｒとの積（Ｉ²・Ｒ）と等しいことから、抵抗器において非常に大きな電力が消費される。その結果、電流を測定するために「比較的大きなエネルギー」が無駄に消費されるという問題がある。

上記問題に対処するため、スイッチング素子の端子にトロイダルコイルを装着し、そのスイッチング素子の端子を一次巻線として用い且つトロイダルコイルの巻線を二次巻線として用いることにより、電気回路の電流を検出する技術が知られている（特許文献１を参照。）。この技術によれば、新たに装着したトロイダルコイルが変流器（ＣＴ，Current Transformer）の一部として使用されるので、抵抗器を用いて電流を検出する場合に比較して大きな電力が無駄に消費されることを回避することができる。

特開平７−３２６５３０号公報

しかしながら、「スイッチング素子等の部品の大きさ及び端子間距離等」が小さくなってきているので、変流器専用のトロイダルコイルを電気回路に新たに装着するスペースを確保することは非常に困難である。換言すると、変流器専用のトロイダルコイルを用いて電流検出を行おうとすると、素子の端子間距離を大きくしなければならず、その結果、装置全体が大型化するという問題がある。本発明は、このような問題を解決するために為されたものである。即ち、本発明の目的の一つは、大きな電力損失及び装置の大型化を招くことなく、電源回路等に用いられるスイッチング素子に流れる電流に相関する信号（値）を検出することにある。なお、本発明は、電源回路のみならず、スイッチング素子に装着されたビーズコアを備える電気回路であれば適用することができる。

本発明の一つの態様に係る電流検出装置は、スイッチング素子に装着されるビーズコア及び前記ビーズコアに巻回された導線を含む巻線部と、前記導線に流れる電流に基いて前記スイッチング素子に流れる電流に相関する値を有する信号を発生する信号発生部と、を備える。

電気ノイズの発生を抑制するために従来から使用されているビーズコアを「変流器のコア（鉄心）」として利用することにより、スイッチング素子に流れる電流に相関する値を有する信号（値）が取得されるので、変流器専用の新たな部品を搭載する必要がない。この結果、装置を大型化することなく、且つ、大きな電力損失を招くことなく、スイッチング素子に流れる電流に相関する値を取得することができる。同時に、ビーズコアにより、電気ノイズの発生を効果的に抑制することができる。

本発明の実施形態に係る電流検出装置の、巻線部の概略図、及び、その巻線部に接続された信号発生部の回路図である。図１に示した巻線部の概略斜視図である。図１に示した電流検出装置が適用される電気回路の一例の回路図である。図３に示した電流検出装置の等価回路図である。図３に示した電気回路の電気的作動を示すタイムチャートである。図１に示した電流検出装置が適用されたサーバの概略図である。図６に示したサーバに搭載されるプリントボードの概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。但し、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、様々な形態を取り得る。

図１に示したように、本発明の実施形態に係る電流検出装置１０は、巻線部２０と、信号発生部３０と、を含む。

図１及び図２に示したように、巻線部２０は、ビーズコア２１と、導線２２と、を含む。ビーズコア２１は磁性体（例えば、フェライト磁性体）である。ビーズコア２１は、スイッチング電源等の電気回路から発生する電気ノイズを抑制するために用いられる。ビーズコア２１は円筒形状を有する。ビーズコア２１は、その中心軸線に沿って貫通する貫通孔２１ａを有する。即ち、ビーズコア２１はリング形状を有する。貫通孔２１ａには、後述する低側スイッチング素子４２のソース端子４０ａが貫通させられる（例えば、特許第３４５８６２１号、特公平５−６８８１８号公報及び特開２００１−３１３２１５号公報等を参照。）。なお、ビーズコア２１は、その内部をスイッチング素子の電流経路が通過し得る構成を有していればよく、従って、ビーズコア２１の形状はリング形状に限定されない。

導線２２は、トロイダルコイルを構成するようにビーズコア２１に巻回されている。即ち、導線２２は、ビーズコア２１の外側側面を中心軸線に沿い、次いで、ビーズコア２１の貫通孔２１ａの壁面を中心軸線に沿うように、ビーズコア２１に複数回巻回されている。

信号発生部３０は、図１に示したように、抵抗器３１、キャパシタ３２及びダイオード３３を含む周知の平滑回路である。端子Ｐ１は導線２２の一端と接続され、端子Ｐ２は導線２２の他端と接続されている。即ち、端子Ｐ１及び端子Ｐ２は、導線２２の両端とそれぞれ接続されている。抵抗器３１は、端子Ｐ１と端子Ｐ２との間に直列に接続されている。キャパシタ３２は、端子Ｐ１及び端子Ｐ２に対して抵抗器３１と並列となるように接続され、一端は、端子Ｐ１と抵抗器３１の一端との間に、他端は、端子Ｐ２と抵抗器３１の他端との間にそれぞれ接続されている。ダイオード３３は、端子Ｐ２とキャパシタ３２の他端との間に挿入され、アノードが端子Ｐ２にカソードがキャパシタ３２の他端にそれぞれ接続されている。

この結果、導線２２に流れる電流に応じた電圧信号（導線２２に流れる電流を整流した信号）Ｖoutが抵抗器３１の両端に現れる。信号発生部３０は、この抵抗器３１の両端電圧Ｖoutを電圧信号として出力する。

電流検出装置１０は、図３に示したように、電気回路４０に適用される。電気回路４０は、高側スイッチング素子（電力用半導体）４１、低側スイッチング素子（電力用半導体）４２、インダクタ４３及びキャパシタ４４を含む。スイッチング素子４１，４２は、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴである。電気回路４０は、周知の「非絶縁型ステップダウンコンバータ（降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ）」であり、直流電源ＶＢの電圧Ｖ１を降圧して電圧Ｖ２に変換し、その電圧Ｖ２を負荷装置５０（例えば、ＣＰＵ等を含む負荷装置）に印加する。このとき、負荷装置５０に負荷電流Ｉ２が流れる。

電気回路４０について簡単に説明すると、直流電圧Ｖ１を発生する直流電源ＶＢに対して、高側スイッチング素子４１、インダクタ４３及びキャパシタ４４が直列に接続されている。高側スイッチング素子４１のドレイン端子は直流電源ＶＢの正極に接続され、高側スイッチング素子４１のソース端子はインダクタ４３の一端に接続されている。インダクタ４３の他端はキャパシタ４４の一端に接続され、キャパシタ４４の他端は直流電源ＶＢの負極に接続されている。キャパシタ４４の両端は負荷装置５０に接続されている。キャパシタ４４の両端電圧Ｖ２が電気回路４０の出力電圧である。低側スイッチング素子４２は、直流電源ＶＢに対して、インダクタ４３及びキャパシタ４４を含む回路に並列に挿入され、ドレイン端子は高側スイッチング素子４１のソース端子とインダクタ４３との間に、ソース端子は直流電源ＶＢの負極にそれぞれ接続されている。

電流検出装置１０の巻線部２０は、低側スイッチング素子４２のソース端子４０ａに装着されている。より具体的には、巻線部２０は、低側スイッチング素子４２のソース端子４０ａがビーズコア２１の貫通孔２１ａを通過するように低側スイッチング素子４２に装着される（図１及び図２を参照。）。これにより、図４の等価回路図に示したように、低側スイッチング素子４２のソース端子は「巻線数Ｎ１の一次巻線」として機能し、導線２２は「巻線数Ｎ２の二次巻線」として機能する。即ち、巻線部２０は、ビーズコア２１をコア（鉄心）として有する変流器として機能する。本例において、巻線数Ｎ１に対する巻線数Ｎ２の比（＝Ｎ２／Ｎ１）は５〜１０程度であるが、これに限定されるものではない。

図５は電気回路４０の作動を示すタイムチャートである。電気回路４０においては、時刻ｔ１にて高側スイッチング素子４１がオン状態に変更させられるとともに低側スイッチング素子４２がオフ状態に変更させられる。更に、時刻ｔ１から所定のオン時間ｔonが経過した時刻ｔ２にて、高側スイッチング素子４１はオフ状態に変更させられるとともに低側スイッチング素子４２はオン状態に変更させられる。時刻ｔ１から時刻ｔ２の間、高側スイッチング素子４１を流れるソース電流ＩＱ１は時刻ｔ１にてステップ状に増大した後に徐々に増大し、低側スイッチング素子４２を流れるソース電流ＩＱ２はゼロである。この結果、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間、インダクタ４３を流れる電流（インダクタ電流）ＩＬは増大する。時刻ｔ１から時刻ｔ２の間までのインダクタ電流ＩＬの増大分ｉｕはｔon・（Ｖ１−Ｖ２）／Ｌである。

更に、時刻ｔ２から所定のオフ時間ｔoffが経過した時刻ｔ３にて、高側スイッチング素子４１は再びオン状態に変更させられるとともに低側スイッチング素子４２はオフ状態に変更させられる。時刻ｔ２から時刻ｔ３の間、高側スイッチング素子４１を流れるソース電流ＩＱ１はゼロであり、低側スイッチング素子４２を流れるソース電流ＩＱ２は時刻ｔ２にてステップ状に増大した後に次第に減少する。この結果、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間、インダクタ電流ＩＬは減少する。時刻ｔ２から時刻ｔ３の間までのインダクタ電流ＩＬの減少分ｉｄはｔoff・Ｖ２／Ｌである。

定常状態において、増大分ｉｕと減少分ｉｄとは等しい。これにより、電気回路４０の出力電圧Ｖ２は次の（１）式のように定まる。Ｔはオン時間ｔonとオフ時間ｔoffとの和であり、制御周期である。（１）式から、出力電圧Ｖ２は、デューティＤ（＝ｔon／Ｔ）に応じて変化することが理解される。電気回路４０は図示しない制御部を有している。制御部は出力電圧Ｖ２が一定となるようにデューティＤを決定し、スイッチング素子４１，４２のゲート端子に制御信号を送出する。
Ｖ２＝Ｖ１・（ｔon／（ｔon＋ｔoff））＝Ｖ１・ｔon／Ｔ …（１）

更に、電気回路４０の出力電流Ｉ２（即ち、負荷装置５０を流れる負荷電流Ｉ２）はインダクタ電流ＩＬの平均値である。よって、出力電流Ｉ２は低側スイッチング素子４２を流れるソース電流ＩＱ２（＝ドレイン電流）の平均値ＩＱ２avに実質的に比例する（強い相関を有する）。

変流器を構成する巻線部２０の導線２２には、ソース電流ＩＱ２に比例した電流が流れる。その電流は信号発生部３０によって整流（平均化）され、電圧信号Ｖoutとなって抵抗器３１の両端に現れる。従って、電圧信号Ｖoutの大きさを例えば電圧計及びＡＤ変換等により取得することにより、低側スイッチング素子４２に流れる電流に相関する値を取得することができる。この取得される値は、電気回路４０に流れる電流（この場合、電気回路４０の一部に流れる電流であるインダクタ電流ＩＬであり、且つ、負荷電流Ｉ２）に強い相関を有する。なお、「電流に相関する値」とは、その電流の電流値そのもの及び電流を電圧に変換した値等、検出すべき電流に応じて変化する値（例えば、検出すべき電流に略比例する値）であって検出すべき電流の大きさを一意に特定し得る値である。

図６及び図７に示したように、電流検出装置１０は、例えば、複数のプリントボード１０１を搭載したサーバ１００に適用することができる。プリントボード１０１のそれぞれは、複数の負荷装置５０Ａと、その複数の負荷装置５０Ａのそれぞれに電力を供給する電源装置４０Ａと、を含む。電源装置４０Ａは、前述した電気回路（電源回路）４０と電流検出装置１０とを含む。このように構成されたサーバ１００において、電流検出装置１０により電源装置４０Ａの負荷電流が実質的に無損失にて検出される。そして、検出された負荷電流は、サーバ１００の管理及び／又は制御に利用される。

以上、説明したように、電流検出装置１０は、電気ノイズを抑制するためにスイッチング素子（本例において、低側スイッチング素子４２）に元々装着されているビーズコア２１を「変流器の巻線部２０の一部（コア）」として利用する。従って、変流器専用の新たな部品を電気回路４０に別途装着する必要がないので、電気回路４０を含む装置全体の大型化を招かない。しかも、電流検出用の抵抗器に比べて、電力を無駄に消費することなく、スイッチング素子に流れる電流に相関する値を有する信号Ｖout（従って、電気回路４０に流れる電流に相関する値を有する信号）を取得することができる。

本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、ビーズコア２１が高側スイッチング素子４１のソース端子に装着されている場合には、そのビーズコア２１に導線２２を巻回し、その導線に流れる電流に基いて「高側スイッチング素子４１に流れる電流に相関する値を有する信号」を取り出してもよい。

また、電流検出装置１０は、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータに適用することもでき、電源回路以外の電気回路であっても、ビーズコア２１が装着されているスイッチング素子を含む回路であれば、適用することができる。加えて、信号発生部３０は、他の形式の整流・平滑回路であってもよい。更に、信号発生部３０は例えば抵抗器のみを備え、その抵抗器の両端の電圧信号を出力するように構成されてもよい。この場合、その抵抗器の両端電圧をＡＤ変換することにより複数の電圧値（電圧信号の大きさ）を取得し、取得した複数の電圧値をソフトウェアにより平均化することによって「スイッチング素子（従って、電気回路４０）に流れる電流に相関する値」を取得してもよい。

更に、上記開示の電流検出装置１０は、「ビーズコア２１が装着されたスイッチング素子」に流れる電流に相関する値を検出する電流検出方法を実現する装置でもある。この電流検出方法は、スイッチング素子に装着されたビーズコア２１を変流器のコアとして利用するとともに、ビーズコア２１に巻回された導線２２を変流器の二次巻線として利用し、その二次巻線に流れる電流に基いて「スイッチング素子に流れる電流」に相関する値を検出する方法である。換言すると、この電流検出方法は、ビーズコア２１が装着されているスイッチング素子の導体部（端子）を変流器の一次巻線として利用することにより「スイッチング素子に流れる電流」を検出する方法である。

１０…電流検出装置、２０…巻線部、２１…ビーズコア、２１ａ…貫通孔、２２…導線、３０…信号発生部、３１…抵抗器、３２…キャパシタ、４０…電気回路、４０ａ…ソース端子、４１…高側スイッチング素子、４２…低側スイッチング素子、４３…インダクタ、４４…キャパシタ、５０…負荷装置。

Claims

スイッチング素子に装着されるビーズコア及び前記ビーズコアに巻回された導線を含む巻線部と、
前記導線に流れる電流に基いて前記スイッチング素子に流れる電流に相関する値を有する信号を発生する信号発生部と、
を備えた電流検出装置。