JP2014052233A - 電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、低電圧直流電圧が利用できない環境であっても高精度の電流検出を行なうことができるとともに、小形で、オンボード実装可能な電流検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するために、本発明は、磁気抵抗素子からなる検出回路２２と、検出回路２２から出力される信号を電流検出信号に変換する変換回路２３ｂと、電源回路２３ａを備え、電源回路２３ａは電流線と電磁的に結合するコイル２６を有し、コイル２６に電磁誘導された電圧を整流、平滑して検出回路２２と変換回路２３ｂに所定の直流電圧を供給する構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子機器内の電流を検出するための電流検出装置に関し、特に電気自動車やハイブリッド車のモータに供給される電流の電流値や電流位相を検出するための電流検出装置に関する。

従来、この種の電流検出装置としては、バスバーが貫通する集磁コアのギャップ内にホール素子を配設したものが知られている。図５は、このような電流検出装置を電気自動車等の駆動系の制御に適用した場合のブロック図である。

図５において、三相交流モータ１（以下、適宜「モータ」と称する）を制御するモータ制御装置はＩＧＢＴ基板２、ＩＧＢＴ制御基板３、モータ制御装置４から構成されている。主電源５から出力される略４００ボルトの直流高電圧はＩＧＢＴ基板２によってＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる、略１０ｋＨｚのパルス幅変調（ＰＷＭ）３相交流に変換され、バスバーによりモータ１に加えられる。

マイクロコンピュータ等を中核部品とするモータ制御装置４には補助電源６から、ＩＧＢＴ基板２に加えられる電源電圧よりも遥かに低い、たとえば１２ボルトの直流電圧が加えられる。補助電源６は主電源５をＤＣ／ＤＣコンバータ７で降圧して構成することができる。また、モータ制御装置４にはマイクロコンピュータ等の動作電圧である３．３ボルトや５ボルトのさらに低い電圧を生成するレギュレータ回路（図示せず）を含むことができる。

モータ制御装置４にはモータ１の回転センサ（図示せず）からのモータ回転数情報Ｎｍ、アクセルセンサ（図示せず）によって検出されるアクセル位置情報ＡＣＬが入力される。電流検出装置８はモータ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各電流線にそれぞれ電流センサとして配設され、各電流線の電流値や電流位相を検出する。検出された電流情報ＩＵ、ＩＶ、ＩＷはモータ制御装置４に入力される。モータ制御装置４はこれらの情報に基づいて、生成すべき３相交流電流の各相に対応したパルス幅変調信号ＰＷＭＵ、ＰＷＭＶ、ＰＷＭＷを出力する。

ＩＧＢＴ制御基板３はモータ制御装置４において生成されたパルス幅変調信号ＰＷＭＵ、ＰＷＭＶ、ＰＷＭＷに基づいてＩＧＢＴ基板２のＩＧＢＴを制御するものであり、ゲート駆動回路９、絶縁部品１０、電源制御回路１１、給電回路１２が含まれている。前記のように、ＩＧＢＴ基板２は高電圧で動作する高電圧回路であり、モータ制御装置４は低電圧で動作する低電圧回路である。これに対して、ＩＧＢＴ制御基板３には高電圧で動作するゲート駆動回路９と、低電圧で動作する電源制御回路１１および給電回路１２との双方が含まれている。そして、高電圧回路であるゲート駆動回路９と、低電圧回路である電源制御回路１１およびモータ制御装置４との間はトランスＬおよびフォトカプラＰからなる絶縁部品１０により絶縁結合される。すなわち、補助電源６の電力は電源制御回路１１にて交流変換されトランスＬによって伝送された後、整流、平滑されてゲート駆動回路９に供給されるとともに、モータ制御装置４からのパルス幅変調信号ＰＷＭＵ、ＰＷＭＶ、ＰＷＭＷはフォトカプラＰによって伝送され、ゲート駆動回路９にてＩＧＢＴを駆動するゲート駆動信号を発生するものである。給電回路１２は補助電源６の直流電圧を所定の電圧に降圧してＩＧＢＴ制御基板３の内部電源や電流検出装置８の電源電圧等を生成供給している。

電流検出装置８は前記のようにバスバーが貫通する集磁コアのギャップ内にホール素子を配設したものであり、前記給電回路１２が生成した略５ボルトの直流電圧によって動作している。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１、２が知られている。

特開平９−３０４４４７号公報 特開２００９−１３０９６７号公報

しかしながら、上記従来の電流検出装置においては、バスバーが貫通する集磁コアのギャップ内にホール素子を配設した構成となっているため、小形化に限界があるとともに取り付けの手間が大きいという問題点があった。これに対して、集磁コアが不要な、いわゆるコアレスの電流検出装置を電気自動車等の駆動系の制御に適用することが考えられている。なかでも磁気抵抗素子を用いた電流検出装置はきわめて小形であり、高感度であるため集磁コアが不要であるため、ＩＧＢＴ基板上に直接、実装できるという大きな利点を有する。

しかしながら、前記のようにＩＧＢＴ基板は高電圧で動作する高電圧回路であり、電流検出装置を動作させるための略５ボルトの低電圧電源を持たない。そのため、磁気抵抗素子を用いた電流検出装置をＩＧＢＴ基板上に配設しようとすれば、給電回路１２から所定の低電圧を電流検出装置に供給することが考えらえるが、ＩＧＢＴ基板２と給電回路１２とは直流的に絶縁されているため給電回路１２から所定の低電圧を電流検出装置に供給することはきわめて困難である。また、高電圧で動作するゲート駆動回路の直流電圧を再び降圧して電流検出装置に供給することも現実的ではない。これにより、コアレスの電流検出装置を電気自動車等の駆動系の制御に適用することが困難であるという問題があった。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、ＩＧＢＴ基板等の低電圧直流電圧が利用できない環境であっても高精度の電流検出を行なうことができるとともに、小形で、オンボード実装可能な電流検出装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。

請求項１に記載の発明は、回路基板上に形成された電流線に流れる交流電流を検出する電流検出装置であって、前記電流検出装置は、磁気抵抗素子からなり前記回路基板上に配置された検出回路と、前記検出回路から出力される信号を電流検出信号に変換する変換回路と、前記検出回路と変換回路に接続された電源回路を備え、前記電源回路は前記電流線と電磁的に結合するコイルを有し、前記コイルに電磁誘導された電圧を整流、平滑して前記検出回路と変換回路に所定の直流電圧を供給するように構成したもので、この構成によれば、電流線に流れる交流電流によりコイルに電磁誘導される交流電圧から検出回路と変換回路を動作させる直流電圧を生成できるため、直流電圧が利用できない環境にあっても、電流線に流れる電流を検出できるとともに、高感度の磁気抵抗素子を用いているため、電流線が貫通する集磁コアを削除することができ、回路基板上に直接、実装可能なきわめて小形の電流検出装置が実現できるという作用効果を有するものである。

請求項２に記載の発明は、特に、前記コイル内にコアを挿入したもので、この構成によれば、コイルのインダクタンスを高めることにより、電流検出回路の電源回路に充分な電力を生成させることができるため、さらに動作の安定した電流検出装置を実現できるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明は、回路基板上に形成された電流線に流れる交流電流を検出する電流検出装置であって、前記電流検出装置は、磁気抵抗素子からなり前記回路基板上に配置された検出回路と、前記検出回路から出力される信号を電流検出信号に変換する変換回路と、前記検出回路と変換回路に接続された電源回路を備え、前記電源回路は前記電流線と電磁的に結合するコイルを有し、前記コイルに電磁誘導された電圧を整流、平滑して前記検出回路と変換回路に所定の直流電圧を供給するように構成したもので、電流線に流れる交流電流によりコイルに電磁誘導される交流電圧から検出回路と変換回路を動作させる直流電圧を生成できるため、直流電圧が利用できない環境にあっても、電流線に流れる電流を検出できるとともに、高感度の磁気抵抗素子を用いているため、電流線が貫通する集磁コアを削除することができ、回路基板上に直接、実装可能なきわめて小形の電流検出装置が実現できるという優れた効果を奏するものである。

（ａ）本発明の一実施の形態における電流検出装置の側面図、（ｂ）同電流検出装置の分解斜視図 同電流検出装置の回路構成を示すブロック図 （ａ）同電流検出装置の検出回路の上面図、（ｂ）図３（ａ）のＥ−Ｅ断面図 同電流検出装置を電気自動車等の駆動系の制御に適用した場合のブロック図 従来の電流検出装置を電気自動車等の駆動系の制御に適用した場合のブロック図

以下、本発明の一実施の形態における電流検出装置について図を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施の形態における電流検出装置２１の側面図、図１（ｂ）は同電流検出装置２１の分解斜視図である。また、図２は同電流検出装置２１の回路構成を示すブロック図である。図１（ａ）（ｂ）および図２において、２２は磁気抵抗素子からなる検出回路、２３はＡＳＩＣ、２４はフレーム、２５はボビン、２６はコイル、２７は端子ピン、２８は絶縁基板である。電流検出装置２１はプリント基板３０上に形成された電流線３１上に実装される。図１（ａ）に示すようなＸＹＺ座標系をとった時、電流線３１にはＺ軸に平行な方向に被測定電流Ｉが流れている。この被測定電流Ｉにより発生する磁束密度のＹ方向成分Ｂｙが鎖交するようにコイル２６がボビン２５上に巻回されている。

ＡＳＩＣ２３は電源回路２３ａおよび変換回路２３ｂを含んでいる。電源回路２３ａは、電流線３１に流れる被測定電流Ｉによりコイル２６に電磁誘導された電圧を整流、平滑して、所定の直流定電圧を検出回路２２および変換回路２３ｂに供給するものである。変換回路２３ｂは検出回路２２から出力される電圧信号を増幅、レベルシフトして電流検出信号に変換するものである。検出回路２２はブリッジを構成する磁気抵抗素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄと後述のバイアス磁界発生手段とからなり、磁気抵抗素子２２ａ、２２ｄの結合点Ａと、磁気抵抗素子２２ｂ、２２ｃの結合点Ｂとの間には前記電源回路２３ａから直流定電圧が印加されている。磁気抵抗素子２２ａ、２２ｂの結合点Ｃと、磁気抵抗素子２２ｃ、２２ｄの結合点Ｄとの電位差信号が前記変換回路２３ｂに入力される。電流線３１に流れる被測定電流が零のとき、磁気抵抗素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄからなるブリッジは平衡しているとともに結合点Ａ、Ｂ間に直流定電圧が印加されていないため、結合点Ｃ、Ｄ間には電位差が発生せず変換回路２３ｂには出力電圧は現れない。電流線３１に被測定電流Ｉが流れると、磁気抵抗素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの抵抗が変化してブリッジの平衡が破れるとともに、結合点Ａ、Ｂ間に直流定電圧が印加されるため、結合点Ｃ、Ｄ間には電位差が発生する。この電位差は変換回路２３ｂの差動増幅、レベルシフトされて電流検出信号として出力されるものである。

図３を用いて検出回路２２の構成を説明する。図３（ａ）は検出回路２２の上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＥ−Ｅ線断面図である。図３（ａ）（ｂ）において、磁気抵抗素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄはセラミック等の絶縁基板上に形成されたＮｉ−Ｃｏ等の強磁性体からなる厚み約０．１μｍの磁気抵抗薄膜である。磁気抵抗素子２２ａ、２２ｂおよび磁気抵抗素子２２ｃ、２２ｄは各々直列に接続され、磁気検出方向であるパターンの長手方向が互いに直交している。磁気抵抗素子２２ａ、２２ｄの結合点Ａに対応する電源入力電極４１、磁気抵抗素子２２ｂ、２２ｃの結合点Ｂに対応するグランド電極４２、磁気抵抗素子２２ａ、２２ｂの結合点Ｃに対応する第１の出力電極４３、磁気抵抗素子２２ｃ、２２ｄの結合点Ｄに対応する第２の出力電極４４が絶縁基板上に形成されている。４５ａは厚みが約１μｍのＳｉＯ₂薄膜からなる第１の絶縁層で、前記磁気抵抗素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを覆うことにより後述する薄膜磁石４６からなるバイアス磁界発生手段との電気的絶縁を行うものである。４６は厚みが約０．６μｍのＣｏＰｔ等からなる薄膜磁石で、前記第１の絶縁層４５ａの上に蒸着、スパッタ法等により形成した後、露光、エッチングによりパターニングすることにより、前記磁気抵抗素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの磁気検出方向と４５度をなす方向に長手方向を有する複数の略長方体に分割されているものである。そして、この複数の略長方体形状の薄膜の幅方向にきわめて大きな磁界を印加することにより、略長方体形状の薄膜が幅方向に磁化されて、薄膜磁石４６を得ることができる。この薄膜磁石４６により、磁気抵抗素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの磁気検出方向に対して４５度をなす方向にバイアス磁界が印加されることになる。４５ｂは厚みが約１μｍのＳｉＯ₂薄膜からなる第２の絶縁層で、前記薄膜磁石４６を覆っている。このような構成とすることにより、絶縁基板上に磁気抵抗素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、薄膜磁石４６を一体的に互いに近接させて、かつ精度よく配置することができるものである。

図４は本発明の一実施の形態における電流検出装置２１を電気自動車等の駆動系に適用した場合のブロック図である。なお、このブロック図において、上記した従来の電流検出装置を電気自動車等の駆動系の制御に適用した場合の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。図４に示したブロック図が図５に示したブロック図と相違する点は、図４において、本発明の一実施の形態における電流検出装置２１が図１（ａ）に示すような態様にてＩＧＢＴ基板２上に実装されている点である。これはＩＧＢＴ基板２のような、電流検出装置２１を動作させるための低電圧電源を利用できない環境であっても、電流線に流れる交流電流によりコイルに電磁誘導される交流電圧から検出回路と変換回路を動作させる直流電圧を生成できるとともに、高感度の磁気抵抗素子を用いているため、電流線が貫通する集磁コアを削除することができることによる。これにより、回路基板上に直接、実装可能なきわめて小形の電流検出装置が実現できるという効果が得られるものである。

また電流検出装置２１のコイル２６内に磁性体コアを挿入することにより、コイルのインダクタンスを高めることができ、電流検出回路の電源回路に充分な電力を生成させることができるため、さらに動作の安定した電流検出装置を実現できるものである。

なお、本発明の他の実施の形態における検出回路２２として、たとえば感温回路や加速度検知回路などの物理量に感応する素子を用いることにより、直流電圧が利用できない環境にあっても、種々の物理量を検出でき、回路基板上に直接、実装可能なきわめて小形の物理量検出装置が実現できるという効果が得られるものである。

本発明は、直流電圧が利用できない環境にあっても、電流線に流れる電流を検出できるとともに、電流線が貫通する集磁コアを削除することができるもので、特に電気自動車やハイブリッド車などのモータ駆動電流を検出する電流検出装置として有用なものである。

２１ 電流検出装置
２２ 検出回路
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ 磁気抵抗素子
２３ａ 電源回路
２３ｂ 変換回路
２６ コイル
３１ 電流線

Claims (2)

1. 回路基板上に形成された電流線に流れる交流電流を検出する電流検出装置であって、前記電流検出装置は、磁気抵抗素子からなり前記回路基板上に配置された検出回路と、前記検出回路から出力される信号を電流検出信号に変換する変換回路と、前記検出回路と前記変換回路に接続された電源回路を備え、
   前記電源回路は前記電流線と電磁的に結合するコイルを有し、前記コイルに電磁誘導された電圧を整流、平滑して前記検出回路と変換回路に所定の直流電圧を供給することを特徴とする電流検出装置。
2. 前記コイル内にはコアが挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。

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