JP6509030B2 - 電流検出器 - Google Patents
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Description
図1は、この発明の実施の形態1による電流検出器1の構成を示す回路ブロック図である。図1において、この電流検出器1は、たとえば、ハーフブリッジ型インバータ80(駆動回路)と負荷90の間のバスバー85(導体)に流れる電流を検出するために使用される。
図5は、この発明の実施の形態2による電流検出器15の構成を示す回路ブロック図であって、図1と対比される図である。図5を参照して、この電流検出器15が図1の電流検出器1と異なる点は、差動増幅器6と比較器9の間に積分器16(第2の積分器)が追加されている点である。
図6は、この発明の実施の形態3による電流検出器20の構成を示す回路ブロック図であって、図5と対比される図である。図6を参照して、この電流検出器20が図5の電流検出器1と異なる点は、DAコンバータ(電圧発生回路)26、スイッチS9〜S12、およびキャパシタ27,28が追加されている点である。スイッチS9〜S12の各々は、PチャネルMOSトランジスタ、NチャネルMOSトランジスタ、またはPチャネルMOSトランジスタおよびNチャネルMOSトランジスタの並列接続体で構成される。
図7は、この発明の実施の形態4による電流検出器30の構成を示す回路ブロック図である。図7において、この電流検出器30は、半導体チップであり、半導体基板(図示せず)の表面に形成されたコイル2,3、ΔΣ変調器31、およびデジタルフィルタ32を備え、ハーフブリッジ型インバータ80の配線に流れる電流を検出し、検出値を示すデジタルコードDCOを出力する。インバータ80は、直流電源電圧VDCおよび接地電圧GNDによって駆動される。ΔΣ変調器31およびデジタルフィルタ32の各々は、直流電源電圧VDCと異なる直流電源電圧VDCAによって駆動される。
図8は、この発明の実施の形態5による電流検出器1の構成および使用方法を模式的に示す図である。図8において、この電流検出器1は、半導体基板35の表面に形成されたコイル2,3、電流発生回路4,5、差動増幅器6、キャパシタ7,8、比較器9、およびD型フリップフロップ10を備える。
図9は、この発明の実施の形態6による電流検出器40の構成および使用方法を模式的に示す図であって、図8と対比される図である。図9において、この電流検出器40が図8の電流検出器1と異なる点は、コイル2,3がそれぞれコイル41,42と置換されている点である。
図11は、この発明の実施の形態7による電流検出器45の構成および使用方法を模式的に示す図であって、図9と対比される図である。図11において、この電流検出器45が図9の電流検出器40と異なる点は、コイル41,42がそれぞれコイル46,47と置換されている点である。
図13は、この発明の実施の形態8による電流検出器50の構成を示す回路ブロック図であって、図1と対比される図である。図13において、この電流検出器50は、たとえば、ハーフブリッジ型インバータ80のパワートランジスタ82に流れるセンス電流を検出するために使用される。パワートランジスタ82は、ゲート電極、主ドレイン電極、主ソース電極、およびセンス用ソース電極を含む。パワートランジスタ82の主ドレイン電極および主ソース電極間には主電流が流れる。パワートランジスタ82の主ドレイン電極およびセンス用ソース電極間にはセンス電流が流れる。センス電流は、主電流よりも十分に小さく、主電流に応じて変化する。センス電流は、主電流の1/100以下の大きさである。センス電流をモニタすることにより、主電流をモニタすることができる。インバータ80および絶縁ドライバ70の構成および動作は、実施の形態1で説明した通りである。
図14は、この発明の実施の形態9による電流検出器55の構成を示す回路ブロック図であって、図13と対比される図である。図14を参照して、この電流検出器55が図13の電流検出器50と異なる点は、差動増幅器6と比較器9の間に積分器16が追加されている点である。
図15は、この発明の実施の形態10による電流検出器60の構成を示す回路ブロック図であって、図13と対比される図である。図15を参照して、この電流検出器60が図13の電流検出器50と異なる点は、スイッチS1〜S12、キャパシタ21,22,24,25,27,28、差動増幅器23、およびDAコンバータ(電圧発生回路)26が追加されている点である。追加された回路の構成および動作は、図5および図6で説明した通りであるので、その説明は繰り返さない。この実施の形態10では、実施の形態8,9と同じ効果が得られる他、高い分解能で電流を検出することができる。
図16は、この発明の実施の形態11による電流検出器65の構成を示す回路ブロック図である。図16において、この電流検出器65は、半導体チップであって、半導体基板(図示せず)の表面に形成されたマイクロトランス53、絶縁部材54、ΔΣ変調器31、およびデジタルフィルタ32を備え、ハーフブリッジ型インバータ80に含まれるパワートランジスタ82のセンス用ソース電極に流れるセンス電流を検出し、検出値を示すデジタルコードDCOを出力する。インバータ80は、直流電源電圧VDCおよび接地電圧GNDによって駆動される。ΔΣ変調器31およびデジタルフィルタ32の各々は、直流電源電圧VDCと異なる直流電源電圧VDCAによって駆動される。
Claims (14)
- 半導体基板上に形成された電流検出器であって、
検出すべき電流に応じた値の差動電流を出力する第1および第2のコイルと、
前記第1および第2のコイルから出力される差動電流をΔΣ変調してデジタル信号に変換するΔΣ変調器とを備え、
前記ΔΣ変調器は、
第1の論理レベルの信号に応答して負の差動電流を出力し、第2の論理レベルの信号に応答して正の差動電流を出力する電流発生回路と、
前記第1および第2のコイルから出力される差動電流と前記電流発生回路から出力される差動電流とを加算した差動電流を積分し、積分値に応じた値の差動電圧を出力する第1の積分器と、
前記第1の積分器の出力電圧が正のしきい値電圧よりも高い場合は前記第1の論理レベルの信号を出力し、前記第1の積分器の出力電圧が負のしきい値電圧よりも低い場合は前記第2の論理レベルの信号を出力する比較器と、
前記比較器の出力信号をラッチし、ラッチした信号を前記電流発生回路に与えるフリップフロップと、
前記第1の積分器と前記比較器との間に設けられる第2の積分器とを含み、
前記比較器と前記フリップフロップが交互に動作されて前記比較器の出力信号が前記デジタル信号となり、
前記第2の積分器は、クロック信号の前縁に応答して、前記第1の積分器から出力される差動電圧をサンプリングし、前記クロック信号の後縁に応答して、サンプリングした差動電圧を積分し、積分値に応じた値の差動電圧を出力し、
前記比較器は、前記第2の積分器の出力電圧が前記正のしきい値電圧よりも高い場合は前記第1の論理レベルの信号を出力し、前記第2の積分器の出力電圧が前記負のしきい値電圧よりも低い場合は前記第2の論理レベルの信号を出力する、電流検出器。 - 前記第1の積分器は、
反転入力端子および非反転入力端子と非反転出力端子および反転出力端子とを有する完全差動型の第1の差動増幅器と、
前記第1の差動増幅器の反転入力端子および非反転出力端子間に接続された第1のキャパシタと、
前記第1の差動増幅器の非反転入力端子および反転出力端子間に接続された第2のキャパシタとを有し、
前記第1および第2のコイルから出力される差動電流と前記電流発生回路から出力される差動電流とは、前記第1の差動増幅器の反転入力端子および非反転入力端子に与えられ、
前記第1の差動増幅器の非反転出力端子および反転出力端子間の電圧が前記第1の積分器の出力電圧となる、請求項1に記載の電流検出器。 - 前記第2の積分器は、
反転入力端子および非反転入力端子と非反転出力端子および反転出力端子とを有する完全差動型の第2の差動増幅器と、
前記第2の差動増幅器の反転入力端子および非反転出力端子間に接続された第3のキャパシタと、
前記第2の差動増幅器の非反転入力端子および反転出力端子間に接続された第4のキャパシタと、
クロック信号の前縁に応答して、前記第1の差動増幅器の非反転出力端子および反転出力端子の電圧をサンプリングし、前記クロック信号の後縁に応答して、サンプリングした前記第1の差動増幅器の非反転出力端子および反転出力端子の電圧をそれぞれ前記第2の差動増幅器の反転入力端子および非反転入力端子に与える第1のサンプリング回路とを有し、
前記第2の差動増幅器の非反転出力端子および反転出力端子間の電圧が前記第2の積分器の出力電圧となる、請求項2に記載の電流検出器。 - さらに、前記フリップフロップから前記第1の論理レベルの信号が出力されている場合は負の差動電圧を第1および第2の出力端子間に出力し、前記フリップフロップから前記第2の論理レベルの信号が出力されている場合は正の差動電圧を前記第1および第2の出力端子間に出力する電圧発生回路と、
前記クロック信号の前縁に応答して、前記電圧発生回路の前記第1および第2の出力端子の電圧をサンプリングし、前記クロック信号の後縁に応答して、サンプリングした前記電圧発生回路の前記第1および第2の出力端子の電圧をそれぞれ前記第2の差動増幅器の反転入力端子および非反転入力端子に与える第2のサンプリング回路とを含み、
前記比較器は前記クロック信号の後縁に応答して動作し、
前記フリップフロップは前記クロック信号の前縁に応答して動作する、請求項3に記載の電流検出器。 - さらに、前記比較器の出力信号をデジタルコードに変換するデジタルフィルタを備える、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電流検出器。
- 前記第1および第2のコイルは、検出すべき電流が流れる導体と電磁結合され、
前記第1および第2のコイルの一方端子は互いに接続され、それらの他方端子から前記導体の周囲の磁界変化に応じた値の差動電流が出力される、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電流検出器。 - 前記導体には、パワー半導体素子の主電極が接続され、前記パワー半導体素子の主電流が流される、請求項6に記載の電流検出器。
- 前記電流検出器は駆動回路に流れる電流を検出し、
前記駆動回路は、
第1の直流電圧のラインと出力端子との間に接続された第1のパワー半導体素子と、
前記出力端子と第2の直流電圧のラインとの間に接続された第2のパワー半導体素子とを含み、
前記第1および第2のパワー半導体素子のいずれか一方のパワー半導体素子が選択的にオンされ、
前記導体は、前記第1および第2の直流電圧のライン間に前記第1および第2のパワー半導体素子と直列接続されている、請求項6に記載の電流検出器。 - 前記第1および第2のコイルの各々は、前記半導体基板の表面と垂直な方向に中心軸を向けて渦巻状に形成され、
前記第1および第2のコイルは互いに線対称に形成され、
前記導体は帯状に形成され、
前記導体の表面と前記半導体基板との間に絶縁部材が設けられ、
前記半導体基板の表面に垂直な方向から見て、前記第1および第2のコイルの各々は前記導体から外れた位置に配置される、請求項6から請求項8のいずれか1項に記載の電流検出器。 - 前記第1および第2のコイルの各々は、前記半導体基板の表面と平行な方向に中心軸を向けて渦巻状に形成され、
前記第1および第2のコイルは互いに線対称に形成され、
前記導体は帯状に形成され、
前記導体の表面と前記半導体基板との間に絶縁部材が設けられ、
前記第1および第2のコイルの各々は、その中心軸が前記半導体基板の表面に垂直な方向から見て前記導体と直交する方向に向かうように前記導体上に配置される、請求項6から請求項8のいずれか1項に記載の電流検出器。 - 前記第1および第2のコイルの各々は、前記半導体基板の表面と平行な方向に中心軸を向けてスプリング状に形成され、
前記第1および第2のコイルは互いに面対称に形成され、
前記導体は帯状に形成され、
前記導体の表面と前記半導体基板との間に絶縁部材が設けられ、
前記第1および第2のコイルの各々は、その中心軸が前記半導体基板の表面に垂直な方向から見て前記導体と直交する方向に向かうように前記導体上に配置される、請求項6から請求項8のいずれか1項に記載の電流検出器。 - 前記第1および第2のコイルの各々は、前記半導体基板の表面の複数の金属配線層と複数のビアホールを用いて形成されている、請求項10または請求項11に記載の電流検出器。
- 1次巻線および2次巻線を含むマイクロトランスを備え、
前記1次巻線には検出すべき電流が流され、
前記2次巻線は前記第1および第2のコイルを含み、
前記第1および第2のコイルの一方端子は互いに接続されて基準電圧を受け、それらの他方端子から前記1次巻線に流れる電流に応じた値の差動電流が出力される、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電流検出器。 - 前記1次巻線には、パワー半導体素子のセンス電極が接続され、前記パワー半導体素子の主電極に流れる主電流に応じた値のセンス電流が流される、請求項13に記載の電流検出器。
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