JP2013545429A - 電気ヒータのための電流測定 - Google Patents

Abstract

本発明は、間隔］０；１［に属する、周期Ｔ、デューティサイクルαの、チョッパ回路と呼ばれるスイッチモード電源回路（Ｈ）の電流または電圧出力量を、各周期で、前記電源電流が、一方では持続期間αＴの「オン」位相の間に非ゼロになり、他方では持続期間（１−α）Ｔの「オフ」位相の間にゼロになるように測定するための方法であって、「オン」位相の間の前記出力量の像の値Ｇ_ｏｎの測定のステップと、「オフ」位相の間の前記出力量の像の値Ｇ_ｏｆｆの測定のステップと、差分ΔＧ＝Ｇ_ｏｎ−Ｇ_ｏｆｆの計算のステップと、前記差分ΔＧを使用した前記出力量の評価のステップとを含むことを特徴とする方法に関する。

Description

本発明は、例えば、電力加熱素子（power electric heating element）や直流電動機にさえも電力供給するのに使用される、チョッパ回路とも呼ばれるスイッチモード電源の技術分野に関する。

スイッチモード電源回路はチョッパ回路と呼ばれ、その動作の各サイクルまたは周期の可変持続期間の一部にわたって、電圧および／または電流を周期的に送るように設計されている。そのようなチョッパの速度は、その周期Ｔと、間隔］０；１［に属するデューティサイクルαによって定義される。よって、各周期またはサイクルで、電源電流は、一方では持続期間αＴの「オン」位相の間に非ゼロであり、他方では持続期間（１−α）Ｔの「オフ」位相の間にゼロである。その場合、デューティサイクルの値を調節することにより、チョッパ回路に接続された負荷に電力供給する平均電力を変動させることが可能である。

そのようなチョッパ回路は、特に、デューティサイクルの調節により、電力加熱素子によって送られる平均発熱量を調整することを可能にする電気加熱用途において多くの応用を有する。

チョッパ回路の動作をモニタするため、すなわち、チョッパ回路に接続された電気回路もしくは電力部品の劣化を回避するための安全目的で、または、チョッパ回路によって実際に送られる平均電力を知るための調整目的で、チョッパ回路の出力電流および／または電圧を評価する必要がある。このために、出力電圧を直接測定する、または、そこから出力電流の値を推定するために、この出力電流が流れるシャントとも呼ばれる測定抵抗器の端子での電圧を測定する、１つまたは複数の演算増幅器を伴う測定システムを実施するのが公知のやり方である。

しかし、各演算増幅器は、その反転入力と非反転入力との間にオフセット電圧を有するという欠点を示す。演算増幅器の入力でのこのオフセット電圧は、入力オフセット電圧または単にオフセットとも呼ばれ、その場合、増幅器自体によって増幅される測定誤差を発生させる。

この欠点を除去するために、演算増幅器が測定すべき電圧値に適合した可能な限り低いオフセット電圧を有する演算増幅器を選択することができる。しかし、非常に低いオフセット電圧を呈する演算増幅器は比較的高くつく。

測定抵抗器による電流測定の場合には、オフセット電圧によって誘導される誤差を、誤差の値が測定される値に対して低い相対的構成比を呈するのに十分な高さの測定抵抗器の値を選択することによって補正しようと試みることが可能である。しかし、測定抵抗器の値を増加させることにより大きな熱放散が誘導され、したがって、熱放散システムを適用する必要が生じ、それによって電源の全体コストが増加する。さらに、測定抵抗器上でのこの熱放散は、電源の効率に悪影響を及ぼす。

したがって、上記の欠点を除去するために、低オフセットを有する演算増幅器を使用せずに、または高い値の測定抵抗器さえも使用せずに、信頼性の高い測定を行うことを可能にする方法および装置の必要が生じている。

この目的を達成するために、本発明は、周期Ｔ、デューティサイクルα（αは間隔］０；１［に属する）の、チョッパ回路と呼ばれるスイッチモード電源回路の電流または電圧出力量を測定するための方法に関し、各周期で、電源電流は、一方では、持続期間αＴの「オン」位相の間に非ゼロになり、他方では持続期間（１−α）Ｔの「オフ」位相の間にゼロになる。本発明によれば、この測定方法は、
「オン」位相の間の出力量の像の値Ｇ_ｏｎの測定のステップと、
「オフ」位相の間の出力量の像の値Ｇ_ｏｆｆの測定のステップと、
差分ΔＧ＝Ｇ_ｏｎ−Ｇ_ｏｆｆの計算のステップと、
差分ΔＧを使用した出力量の評価のステップとを含む。

よって、増幅または測定誤差によって誘導されるオフセット電圧は「オフ」位相の間および「オン」位相の間において同じであるため、オフセット電圧または測定誤差による影響を受けない出力量の評価が得られる。したがって本発明は、測定の不変目盛較正（permanent calibration）を得ることを可能にする。

本発明の一実施態様によれば、Ｇ_ｏｎ測定およびＧ_ｏｆｆ測定は、１つの同じ周期の「オン」位相および「オフ」位相の間に行われる。

この実施態様の一変形によれば、Ｇ_ｏｎ測定およびＧ_ｏｆｆ測定は、電源スイッチング頻度より高い頻度で行われる。

本発明の一実施態様によれば、Ｇ_ｏｎ測定およびＧ_ｏｆｆ測定は、２つの連続した周期のそれぞれの「オン」位相および「オフ」位相の間に行われる。

本発明によれば、評価または測定される量は、チョッパ電源回路の出力電圧でもよいし、出力電流でさえもよい。よって、本発明の一特徴によれば、評価される量は出力電流であり、測定される像（image）は、出力電流が流れる測定抵抗器の端子での電圧の増幅された値に対応する。

本発明の一特徴によれば、評価される量に補正成分が加えられる。よって、出力電流の評価の状況では、測定される像はその場合、一方での出力電流が流れる測定抵抗器の端子での電圧と、他方での一定の値の補正電圧と、の和の増幅された電圧に対応する。そのような補正成分の実施態様は、増幅不良に起因するオフセットを補正することを可能にする。

本発明の一変形によれば、補正電圧は正の直流電圧であり、これは負の値のオフセットを補正することを可能にする。

また本発明は、周期Ｔ、デューティサイクルα（間隔］０；１［に属する）の、チョッパ回路と呼ばれるスイッチモード電源回路の電圧または電流出力量を測定するための装置にも関する。各周期で、電源電流が、通常、一方では持続期間αＴの「オン」位相の間に非ゼロになり、他方では持続期間（１−α）Ｔの「オフ」位相の間にゼロになる。本発明による方法の実施を可能にするために、この測定装置は、
測定されるべき量を示す電圧を増幅するための回路と、
増幅回路の出力での増幅電圧を測定するためのユニットであって、
「オン」位相の間に増幅電圧の値Ｇ_ｏｎを測定し、
「オフ」位相の間に増幅電圧のＧ_ｏｆｆ値を測定し、
差分ΔＧ＝Ｇ_ｏｎ−Ｇ_ｏｆｆを計算し、
差分ΔＧの値を使用して出力量を評価する
ように設計されたユニットと
を備える。

本発明の一実施形態によれば、測定装置は、（増幅回路の入力で）増幅された量を表す電圧に補正電圧を加えるための回路を備える。

本実施形態の一特徴によれば、補正電圧は正の直流電圧である。

本発明の一変形実施形態によれば、測定ユニットは、１つの同じ周期の「オン」位相および「オフ」位相の間にＧ_ｏｎ測定およびＧ_ｏｆｆ測定を行うように設計されている。

この変形の一特徴によれば、測定ユニットは、電源スイッチング頻度より高い頻度でＧ_ｏｎ測定およびＧ_ｏｆｆ測定を行うように設計されている。

この変形実施形態の別の特徴によれば、測定ユニットは、電源スイッチング頻度より低い頻度で差分Δを計算するように設計されている。

本発明の一変形実施形態によれば、測定ユニットは、２つの異なる周期の「オン」位相および「オフ」位相の間にＧ_ｏｎ測定およびＧ_ｏｆｆ測定を行うように設計されている。

本発明の一実施形態によれば、装置は、チョッパ回路の出力電流を測定するように設計されており、出力電流が流れる測定抵抗器を備え、増幅回路は、測定抵抗器の端子での電圧を増幅するように設計されている。

言うまでもなく、本発明の様々な特徴、変形および実施形態は、相互に互換性がないわけではなく、相互に排他的でもないため、相互に関連付けることができる。

さらに、本発明の様々な他の特徴も１枚の添付の図を参照して以下の詳細な説明を読めば明らかになる。

図１は、スイッチモード電源回路の出力電流を測定する本発明による方法を実施する測定装置の非限定的実施形態を概略的に示すものである。

図示の例によれば、本発明は、車両の乗員室の加熱に使用される電力加熱素子１の動作をモニタし、調整するという状況において実施される。加熱素子１は、チョッパＨとも呼ばれるスイッチモード電源回路によって電力供給される。この電源回路Ｈは、動作周期Ｔ、および、間隔］０；１［内で変動し得るデューティサイクルαを有する。電源回路Ｈは制御ユニットＵＣによって駆動され、この制御ユニットＵＣは、デューティサイクルαの値を、加熱素子１から求められる発熱量（heating power）の関数として調節する。各周期Ｔで、「オン」位相と呼ばれる時間間隔［ｎＴ；ｎＴ＋αＴ］のどちらでも、出力電流Ｉｓは非ゼロの値を有するのに対し、「オフ」位相と呼ばれる時間間隔［ｎＴ＋αＴ；（ｎ＋１）Ｔ］では、出力電流Ｉｓはゼロである。

加熱素子１によって実際に供給される発熱量を知るため、または、電源回路Ｈと加熱素子１とを接続する電気ケーブルにとって、電源回路Ｈによって送られる出力電流が許容できるものであることを検査するためにさえも、出力電流Ｉｓを測定することを提案する。このために、「シャント」とも呼ばれる測定抵抗器Ｓが実装され、加熱素子１と直列に接続される。公知のように、測定抵抗器Ｓの端子での電圧Ｕの測定により、加熱素子１に送られる出力電流Ｉｓの値を評価することが可能になる。

したがって本発明は、増幅回路３によって電圧Ｕを増幅し、次いでこの電圧を測定ユニットＵＭによって評価する測定装置２を実施することを提案する。

図示の例によれば、増幅回路３は演算増幅器４を備え、その反転入力（−）は抵抗器Ｒ１を介して測定抵抗器Ｓの第１の端子に接続されている。また増幅回路３は負のフィードバック線５を備え、抵抗器Ｒ２を介して反転入力（−）を演算増幅器４の出力６につなぐ。また演算増幅器の非反転入力（＋）も、抵抗器Ｒ３を介して測定抵抗器Ｓの第２の端子に接続されるとともに、抵抗器Ｒ４によって接地に接続されている。最後に、増幅回路３は、抵抗器Ｒ５によって形成される補正電圧を加えるための回路７を備え、Ｒ５の一方の端子は非反転入力（＋）に接続され、他方の端子は、一定の値の直流補正電圧Ｖｃによって電力供給される。

本発明によれば、電源回路、測定抵抗器、増幅回路、および測定ユニットは、単一の集積回路として製造することも、相互に関連付けられたディスクリート部品として製造することも、集積回路とディスクリート部品との組み合わせとして製造することさえもできる。

増幅回路の出力の電圧Ｖｓは以下の関係によって与えられる。

式中、
Ｒ３４５＝Ｒ３／／Ｒ４／／Ｒ５、すなわち、３つの並列抵抗器Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５と等価の抵抗であり、
Ｏｆｆｓｅｔは、演算増幅器４の反転入力（−）と非反転入力（＋）との間の、Ｏｆｆｓｅｔと呼ばれるオフセット電圧である。

さらに、飽和の影響を受けないようにするために、

が、好ましくは、オフセット電圧Ｏｆｆｓｅｔの絶対値として生じる可能性の高い最大値よりも大きくなるように選択される。

その場合測定ユニットＵＭは、一方では各「オン」位相の間に出力電圧Ｖｓの値Ｇ_ｏｎを測定し、各「オフ」位相の間に出力電圧Ｖｓの値Ｇ_ｏｆｆを測定するように設計されている。測定ユニットＵＭは、好ましくは、電源回路のチョッピング周期Ｔより小さいサンプリング周期を有するように設計されている。サンプリング周期は、例えば、チョッピング周期Ｔの１／１０以下とすることができる。よって、各チョッピング周期の間にＧ_ｏｎ値およびＧ_ｏｆｆ値の数回の測定が行われることになる。

「オフ」位相の間、電源回路Ｈの出力電流はゼロであるため、Ｇ_ｏｆｆ値はオフセットアテンションＯｆｆｓｅｔによって誘導される誤差に対応する。

差分ΔＧ＝Ｇ_ｏｎ−Ｇ_ｏｆｆを計算することにより、測定ユニットは、ΔＧが「オン」位相の間に出力電流と完全に比例するように、オフセット電圧ｏｆｆｓｅｔによって誘導される誤差を相殺する。差分ΔＧのこの計算は、例えば、測定ユニットにより両周期Ｔで行うことができる。

測定ユニットは、ΔＧから、出力電流の値を計算または評価する。この出力電流の評価は、加熱素子１で利用可能な電力を調整すべく電源回路Ｈのデューティサイクルαを制御するために制御ユニットＵＣによって使用されることができ、出力電流が電気配線にとって許容可能な値を超えないように保障し、または、電源回路のあり得る誤動作を特定する。

前述の例によれば、電源回路の出力電流が評価されるが、本発明は、各「オン」位相の間の電源回路の出力電圧を評価するように実施することもできるはずである。

当然ながら、添付の特許請求の範囲の枠組み内で本発明に、様々な改変を、特に電源回路および／または増幅回路の構成部品に関して加えることができる。

Claims (16)

1. 周期Ｔ、デューティサイクルα（αは間隔］０；１［に属する）の、チョッパ回路と呼ばれるスイッチモード電源回路（Ｈ）の電流または電圧出力量を測定するための方法であって、
   各周期で、前記電源電流は、
   一方では、持続期間αＴの「オン」位相の間に非ゼロになり、
   他方では、持続期間（１−α）Ｔの「オフ」位相の間にゼロになり、
   この方法は、
   −「オン」位相の間に、前記出力量の像の値Ｇ_ｏｎを測定するステップと、
   −「オフ」位相の間に、前記出力量の像の値Ｇ_ｏｆｆを測定するステップと、
   −差分ΔＧ＝Ｇ_ｏｎ−Ｇ_ｏｆｆを計算するステップと、
   −前記差分ΔＧを使用して前記出力量を評価するステップと、を含むことを特徴とする方法。
2. 前記Ｇ_ｏｎおよび前記Ｇ_ｏｆｆの測定は、１つの同じ周期の「オン」位相および「オフ」位相の間に行われることを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
3. 前記Ｇ_ｏｎおよび前記Ｇ_ｏｆｆの測定は、電源スイッチング頻度より高い頻度で行われることを特徴とする請求項２に記載の測定方法。
4. 前記Ｇ_ｏｎおよび前記Ｇ_ｏｆｆの測定は、２つの連続した周期のそれぞれの「オン」位相および「オフ」位相の間に行われることを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
5. 測定前に、前記評価される量に補正成分が加えられることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の測定方法。
6. 前記評価される量が出力電流であることと、
   前記測定される像は、前記出力電流が流れる測定抵抗器の端子での電圧の増幅された値に対応することと、を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の測定方法。
7. 前記評価される量が出力電流であることと、
   前記測定される像が、一方での前記出力電流が流れる測定抵抗器の端子での電圧と、他方での一定の値の補正電圧と、の和の増幅された値に対応することと、を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の測定方法。
8. 前記補正電圧は、正の直流電圧であることを特徴とする請求項７に記載の測定方法。
9. 周期Ｔ、デューティサイクルα（間隔］０；１［に属する）の、チョッパ回路と呼ばれるスイッチモード電源回路（Ｈ）の出力量を測定するための装置であって、
   各周期で、電源電流は、通常、
   一方では、持続期間αＴの「オン」位相の間に非ゼロになり、
   他方では持続期間（１−α）Ｔの「オフ」位相の間にゼロになり、
   この装置は、
   測定されるべき前記量を示す電圧（Ｕ）を増幅するための回路（３）と、
   前記増幅回路の出力での増幅電圧（Ｖｓ）を測定するためのユニット（ＵＭ）であって、
   「オン」位相の間に前記増幅電圧（Ｖｓ）の値Ｇ_ｏｎを測定し、
   「オフ」位相の間に前記増幅電圧（Ｖｓ）の値Ｇ_ｏｆｆ値を測定し、
   差分ΔＧ＝Ｇ_ｏｎ−Ｇ_ｏｆｆを計算し、
   前記差分ΔＧの値を使用して前記出力量を評価する、
   ように設計された前記ユニット（ＵＭ）と、を備える装置。
10. 前記増幅回路の入力で、補正電圧（Ｖｃ）を前記測定される量を表す前記電圧（Ｕ）に加えるための回路（７）を備えることを特徴とする請求項９に記載の測定装置。
11. 前記補正電圧は、正の直流電圧であることを特徴とする請求項１０に記載の測定方法。
12. 前記測定ユニットは、１つの同じ周期の「オン」位相および「オフ」位相の間に、前記Ｇ_ｏｎ測定および前記Ｇ_ｏｆｆ測定を行うように設計されていることを特徴とする請求項９から１１のいずれか一項に記載の測定装置。
13. 前記測定ユニットは、電源スイッチング頻度より高い頻度で、前記Ｇ_ｏｎ測定および前記Ｇ_ｏｆｆ測定を行うように設計されていることを特徴とする請求項１３に記載の測定装置。
14. 前記測定ユニットは、前記電源スイッチング頻度より低い頻度で、前記差分ΔＧを計算するように設計されていることを特徴とする請求項１３に記載の測定装置。
15. 前記測定ユニットは、２つの異なる周期の「オン」位相および「オフ」位相の間に、Ｇ_ｏｎ測定およびＧ_ｏｆｆ測定を行うように設計されていることを特徴とする請求項９から１１のいずれか一項に記載の測定装置。
16. 当該測定装置は、
    前記チョッパ回路（Ｈ）の出力電流を測定するように設計され、
    前記出力電流が流れる測定抵抗器（Ｓ）を備え、
    前記増幅回路（３）は、前記測定抵抗器の端子での電圧を増幅するように設計されていることを特徴とする請求項９から１５のいずれか一項に記載の測定装置。

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