JP2018009863A

JP2018009863A - 電流測定装置

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Publication number: JP2018009863A
Application number: JP2016138468A
Authority: JP
Inventors: 保遠藤; Tamotsu Endo; 亮大澤; Akira Osawa
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2016-07-13
Filing date: 2016-07-13
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2036-07-13
Also published as: CN109416376B; US20190324058A1; WO2018012150A1; JP6815772B2; CN109416376A; DE112017003516T5; US10859600B2

Abstract

【課題】インバータ回路等を備える電流測定装置において、電流検出素子としてシャント抵抗器を用いた場合におけるインダクタンスを低減する。
【解決手段】導電性の金属で形成した第１の配線部材と、導電性の金属で形成されるとともに、一部に抵抗体金属を備えた第２の配線部材と、を有し、前記第１の配線部材と前記第２の配線部材とは、少なくとも前記抵抗体金属を備えた部位において、絶縁体を介して併設した、電流測定装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、電流測定装置に関し、特に、インバータ回路などのパワーモジュールの電流測定装置に関する。

インバータ装置によって電動モータを駆動する技術がある。インバータ装置は、電源（バッテリ）側からの直流電流をスイッチング素子のスイッチング動作により交流電流に変換する。

このようなインバータ装置において、半導体スイッチング素子や、電流を平滑化するための電解コンデンサが搭載される。このようなインバータ装置として、例えば、特許文献１のモータ制御モジュールが挙げられる。このモータ制御モジュールにおいて、プリント基板上には、電解コンデンサの温度を計測する第１の温度検出素子と、ＦＥＴ（スイッチング素子）の温度を計測する第２の温度検出素子とが設けられている。また、電解コンデンサの一端子と第１の温度検出素子とが接続され、ＦＥＴの一端子と第２の温度検出素子とが接続されている。このため、電解コンデンサの一端子と第１の温度検出素子とは、ほぼ同じ温度になり、ＦＥＴの一端子と第２の温度検出素子とは、ほぼ同じ温度になる。

そして、温度計測回路により、第１及び第２の温度検出素子の抵抗値を検出することで、電解コンデンサ及びＦＥＴの温度を計測することができる。計測された温度から電解コンデンサ及びＦＥＴの温度が所定温度を超えた場合には、モータの制御ユニットによりモータの最大出力を下げる等の制御が行われ、電解コンデンサ及びＦＥＴが保護されるようになっている。

また、特許文献２には、スイッチ動作を行うスイッチング素子（ＩＧＢＴ、ＦＥＴ等）が搭載され、またＬＣフィルタを構成する電解コンデンサが搭載され、電流検出素子としてシャント抵抗器を用いて交流モータの電流を検出する技術が開示されている。

特開２００４−９６８４８号公報特開２０１１−２１７４６３号公報

図６は、一般的なインバータ回路付き電流測定装置Ｘの一構成例を示す回路図である。図６に示すように、モータＭを電源Ｐにより駆動する場合に、主回路コンデンサ１０１からインバータブリッジ１０３までの配線１０５、１０７において、スイッチング素子のオン、オフにより発生するサージ電圧が問題となる（図７参照）。

サージ電圧を低減することはインバータ装置等の設計において品質上重要なテーマである。一般に、配線１０５、１０７における配線インダクタンスを小さくしないと、サージ電圧は大きくなる。

本発明は、インバータ回路等のパワーモジュールにおいて使用される電流測定装置として特に有用であり、電流検出素子としてシャント抵抗器を用いた場合における配線のインダクタンスを低減することを目的とする。

本発明の一観点によれば、導電性の金属で形成した第１の配線部材と、導電性の金属で形成されるとともに、一部に抵抗体金属を備えた第２の配線部材と、を有し、前記第１の配線部材と前記第２の配線部材とは、少なくとも前記抵抗体金属を備えた部位において、絶縁体を介して併設した、電流測定装置が提供される。

これにより、例えばインバータ回路において、コンデンサからパワーモジュールまでの直流配線経路にシャント抵抗器からなる電流検出器を設ける際に、電流ループの形成される面積を低減することができる。従って、配線のインダクタンスを低減し、パワーモジュールへのサージ電圧を抑制することができる。

前記第１の配線部材と前記第２の配線部材とは板状であり、前記第１の配線部材と前記第２の配線部材の幅広の面同士を対向させて併設することが好ましい。

前記抵抗体金属を備えた部位には、電圧信号が入力される回路を内蔵した電流検出部を備えるようにすると良い。

電源と接続するための第１の端子及び第２の端子を有し、電力制御を行うためのパワーモジュールを備え、前記第１の配線部材は、前記第１の端子に接続され、前記第２の配線部材は、前記第２の端子に接続されていることが好ましい。

この際、コンデンサ（キャパシタ）を備え、前記第１の配線部材と前記第２の配線部材は、前記コンデンサ（キャパシタ）に接続されることが好ましい。

インバータ回路等の電流測定装置において、電流検出素子としてシャント抵抗器を用いた場合における配線のインダクタンスを低減することができる。

本発明の第１の実施の形態による電流測定装置の一構成例を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図である。図１（ｃ）から（ｅ）までは、図１（ｂ）のＩｂ−Ｉｂ線に沿う断面構造の例を示す図である。図２（ａ）は、シャント抵抗器近傍の詳細な構成例を示す斜視図であり、図２（ｂ）から図２（ｄ）は、シャント抵抗器の構成例を示す斜視図である。本実施の形態によるインバータ回路付き電流測定装置の一構成例を示す回路図である。本発明の第２の実施の形態による電流測定装置の一構成例を示す図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は側面図である。シャント抵抗器近傍の詳細な構成例を示す斜視図であり、図２（ａ）に対応する図である。一般的なインバータ回路付き電流測定装置の一構成例を示す回路図である。サージ電圧が発生している様子を示す図である。

本明細書において、インバータ（回路）とは、直流電力から交流電力を電気的に生成する（逆変換する）電源回路、またはその回路を持つ電力変換装置を指す。

以下に、本発明の実施の形態による電流測定装置（電流検出装置）について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態による電流測定装置の一構成例を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図である。図１（ｃ）から図１（ｅ）までは、図１（ｂ）のＩｂ−Ｉｂ線に沿う断面構造の例を示す図である。

また、図２（ａ）は、シャント抵抗器近傍の詳細な構成例を、図２（ｂ）から図２（ｄ）は、シャント抵抗器の構成例を示す斜視図である。

図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、本実施の形態による電流測定装置Ａは、例えば、インバータ回路１と、インバータ回路１を駆動させる電源（図５にて後述する）のプラス端子（＋）に接続する第１の配線部材１１およびマイナス端子（−）に接続する第２の配線部材１５と、コンデンサ（キャパシタ）２５と、を有している。

第１の配線部材１１は、インバータ回路１のプラス端子側からコンデンサ２５のプラス端子に向けて、順番に、第１の接続部５ａと、本体部５ｃと、第２の接続部５ｂとからなるバスバーにより構成されている。第１の配線部材１１（バスバー）は、Ｃｕなどの材料を用いることができる。

第２の配線部材１５は、インバータ回路１のマイナス端子側からコンデンサ２５のマイナス端子に向けて、順番に、第１の接続部（電極端子）７ａと、本体部７ｃと、シャント式の電流検出部１７と、第２の接続部（電極端子）７ｂにより構成されている。

さらに、第１の配線部材１１側と電源とを接続する配線２７と、第２の配線部材１５と電源とを接続する配線３１とを有する。

そして、第１の配線部材１１と第２の配線部材１５とは、絶縁体２３を介して近接して併設配置されている。

絶縁体２３は、例えば、エポキシ樹脂、シリコン、ガラス繊維等からなる絶縁シート（絶縁紙）、酸化膜、窒化膜などの薄膜、エポキシ樹脂やガラスなどの被膜を用いることができる。尚、第１の配線部材１１と第２の配線部材１５とは、一定の間隔を保つ構造にしてもよい（即ち、絶縁体２３を空気とする）。

図１（ｂ）に示すように、インバータ１とコンデンサ２５とにネジ止めされる部分、すなわち、第１の接続部５ａ、第２の接続部５ｂおよび第１の接続部７ａ、第２の接続部（電極端子）７ｂは、水平になっている。

一方、併設される本体部５ｃと本体部７ｃとは、各接続部に対して垂直に立ち上がっている縦型構造となっている。すなわち、インバータ１の表面、コンデンサ２５の上面から、平行に立ち上がるように併設配置されている。そして、本体部５ｃと本体部７ｃとは、その対向する面が近接しており、その間隔は、狭くなっている。対向する面は、幅広の面であることが好ましい。

そして、その対向する面の間に、絶縁体２３が設けられていることが好ましい。本実施の形態では、絶縁体２３は、近接配置された配線部材１１、１５の自立を補助する機能も有する。

絶縁体２３の例を、図１（ｃ）から図１（ｅ）に示す。図１（ｃ）は、絶縁体２３が本体部５ｃと本体部７ｃとの対向面よりも広く、図示において上下方向（図１（ａ）（ｂ）では上下左右方向）に絶縁体２３がはみ出すように構成した例である。図１（ｄ）は、一方の配線、本例では本体部５ｃの外周を絶縁体２３により覆うことで絶縁した構造である。図１（ｅ）は、絶縁体２３が、本体部５ｃと本体部７ｃの間に介在するとともに、本体部５ｃの上部を覆い、また、本体部７ｃの下部を覆うように、かぎ型にした構造である。第１の配線部材１１と第２の配線部材１５には大電流が流れることから、より確実な絶縁を図るために、図１（ｃ）〜図１（ｅ）に示すような、沿面距離を確保する構造が好ましい。

尚、本体部５ｃと本体部７ｃとの間に挟む絶縁体２３としては、電気的な絶縁性能を有する絶縁シートを用いることができ、１ｍｍ以下の厚みで、加工も容易である。

図２は、第２の配線部材１５側の詳細な構成を示す図である。図２（ａ）に示すように、第１の配線部材１１の本体部５ｃと、第２の配線部材１５の本体部７ｃとが、絶縁体２３を介して縦型に配置固定されている。

図２（ｂ）に示すように、シャント抵抗器を備えた配線部分には、その本体部７ｃに、例えば、電圧信号の出力回路などを備えた電流検出部１７が配置されており、電流検出部１７からは電圧信号を取り出すための配線３１が引き出されている。

図２（ｃ）、図２（ｄ）は、本体部７ｃのより詳細な構成例を示す図である。図２（ｃ）に示す構成では、抵抗体４１と、抵抗体４１と溶接接合された第１および第２の電極４３ａ、４３ｂを備えた、シャント抵抗器を備える。抵抗体４１と電極４３ａ、４３ｂとは、端面同士を突き合わせて溶接している。シャント抵抗器の電極４３ａ、４３ｂを、それぞれ第１の接続部７ａ、第２の接続部７ｂに接続している。かかる接続は、レーザービーム溶接、電子ビーム溶接などで溶接したり、ネジ止め機構などにより接続することができる。

抵抗体４１は、Ｃｕ−Ｎｉ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｃｕ−Ｍｎ系などの抵抗材料を用いることができる。電極４３ａ、電極４３ｂ、第１の接続部７ａ、第２の接続部７ｂは、Ｃｕなどの材料を用いることができる。

第１および第２の電極４３ａ、４３ｂから立設された電圧検出端子４５ａ、４５ｂを、電流検出部１７の内部に配置した出力回路に接続し、取り出し用の配線３１から信号を取り出す。電流検出部１７には、必要に応じて、増幅回路やＡ／Ｄ変換回路、マイコン等が内蔵される。電流検出部は、第２の配線部材１５における、第１の配線部材１１の対向面と反対側の面にのみ搭載されている。このため、第１の配線部材１１と第２の配線部材１５とをより近接して併設できるため、好適である。

図２（ｄ）は、本体部７ｃの他の構造例である。本例では抵抗体５１を備える。抵抗体５１は、抵抗体４１と同様に、Ｃｕ−Ｎｉ系などの抵抗材料である。第１の接続部７ａと一体に構成された本体部７ｃの一部を構成する立設部位は、抵抗体５１に接続されている。また、第２の接続部７ｂと一体に構成された本体部７ｃの一部を構成する立設部位は、抵抗体５１に接続されている。両者の接続は、電子ビーム、レーザービームなどの溶接の他、クラッド接合、金属ナノペーストによるろう付け等を用いて形成することができる。

本構造は、第１の配線部材１１と第２の配線部材１５とをより近接して併設できるため、好適である。なお、第２の配線部材１５にのみ電流検出部１７を設けたが、第１の配線部材１１に電流検出部１７を設けたり、第１および第２の配線部材の双方に電流検出部を設けてもよい。

図３は、本実施の形態によるインバータ回路付き電流測定装置Ａの一構成例を示す回路図である。上記の構成により、破線部Ｃを近接させて短くすることができる。

従って、インバータ回路において、コンデンサからパワーモジュールまでの直流配線経路にシャント抵抗器からなる電流検出器を設ける際に、電流ループの形成される面積を低減することができる。従って、配線のインダクタンスを低減し、パワーモジュールへのサージ電圧を抑制することができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は、本実施の形態による電流測定装置Ｂの一構成例を示す図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は側面図である。

また、図５は、斜視図であり、図２（ａ）に対応する図である。
第１の実施の形態との相違点は、第２の実施の形態では、基板面に水平な方向に配線が対向して配置されている点である。図示するように、第１の配線部材１１の本体部５ｃ（図示なし）と第２の配線部材１５の本体部７ｃとを上下方向に重なるように対向配置している。そして、その間に絶縁体２３を介装している。

以上のように構成することで、インバータ回路において、コンデンサからパワーモジュールまでの直流配線経路にシャント抵抗器からなる電流検出器を設ける際に、電流ループの形成される面積を低減することができる。従って、配線のインダクタンスを低減し、パワーモジュールへのサージ電圧を抑制することができる。

また、本実施の形態では、絶縁体２３は、上下に近接配置された配線部材５、７間の間隔を維持するための機能も有する。

本実施の形態によれば、インバータ回路を備える電流測定装置において、電流検出素子としてシャント抵抗器を用いた場合におけるインダクタンスを低減することができる。

上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。上記の説明では、インバータ回路を例に説明したが、本発明は、トランジスタ、ダイオード、ＦＥＴなどのパワー半導体素子が搭載された、電力の制御に関わる各種パワーモジュールに適用できる。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

本発明は、電流測定装置に利用可能である。

Ａ…電流測定装置
１…インバータ回路
５ａ…第１の接続部
５ｂ…第２の接続部
５ｃ…本体部
７ａ…第１の接続部（電極端子）
７ｂ…第２の接続部（電極端子）
７ｃ…本体部
１１…第１の配線部材
１５…第２の配線部材
１７…電流検出部
２３…絶縁体
２５…コンデンサ
２７…プラス端子側の配線
３１…マイナス端子側の配線

Claims

導電性の金属で形成した第１の配線部材と、
導電性の金属で形成されるとともに、一部に抵抗体金属を備えた第２の配線部材と、を有し、
前記第１の配線部材と前記第２の配線部材とは、少なくとも前記抵抗体金属を備えた部位において、絶縁体を介して併設した、電流測定装置。
前記第１の配線部材と前記第２の配線部材は板状であり、
前記第１の配線部材と前記第２の配線部材の幅広の面同士を対向させて併設した、請求項１に記載の電流測定装置。
前記抵抗体金属を備えた部位には、電圧信号が入力される回路を内蔵した電流検出部を備える、請求項１又は請求項２に記載の電流測定装置。
電源と接続するための第１の端子及び第２の端子を有し、電力制御を行うためのパワーモジュールを備え、
前記第１の配線部材は、前記第１の端子に接続され、
前記第２の配線部材は、前記第２の端子に接続された、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電流測定装置。
コンデンサを備え、
前記第１の配線部材と前記第２の配線部材は、前記コンデンサに接続される、請求項４に記載の電流測定装置。