JPH02216468A

JPH02216468A - 電流検出装置

Info

Publication number: JPH02216468A
Application number: JP63261575A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Harada; 原田　耕介; Hiroshi Sakamoto; 浩坂本
Original assignee: Kyushu University NUC
Current assignee: Kyushu University NUC
Priority date: 1988-10-19
Filing date: 1988-10-19
Publication date: 1990-08-29
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: JPH0664090B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、可飽和変成器の一次側に供給した被検出電流
をトランジスタ・スイッチにより断続して変成した二次
出力交流電流を抵抗素子に供給して得られる電圧に基づ
いて被検出電流を検出する電流検出装置に関し、特に、
相補型ＦＥＴスイッチを可飽和変成器に組合わせて構成
した磁気マルチバイブレータを用いて簡単な構成の小型
装置により良好な特性の電流検出を行ない得るようにし
たものである。

〈従来の技術）近来、マイクロコンピュータを用いた情報処理機器等の
電源装置として、高周波スイッチングによるＤＣ−ＤＣ
コンバータ、あるいは、Ｐｌ’ｉＭ型の小型交流無停電
電源装置等が多く使用されるようになったが、これらの
電源装置には、過電流保護あるいは高効率化等に出力電
流あるいはバッテリ電流等の電流検出が必要であるため
に、安価な小型の電流検出装置が求められている。

しかして、一般に、電流検出装置としてはミ電流が流れ
ている導線に直列に抵抗器を接続し、その抵抗器の両端
にオームの法則に従って発生する電圧を読取って電流の
値を検出する装置が、構成が最も簡単であって、特別な
調整を何ら要せず、電流検出を簡易に行ない得るが故に
、小型直流定電圧電源等の電力界ｌが比較的小さい電源
装置などに従来から多く用いられている。

また、被検出回路と検出出力回路とを絶縁する必要が多
い大電力電源装置等においては、抵抗器の介挿による電
流検出が困難な場合が多いので、可飽和磁心を用いた直
流変成器が、抵抗器の介挿による電流検出器に比して所
要スペースが狭くて済み、損失の発生が少なく、被検出
回路と検出出力回路との絶縁が容易である、などの利点
を有しているが故に、大電力電源装置用電流検出器とし
て、従来、各方面で広（用いられている。

（発明が解決しようとする課語）しかしながら、抵抗器介挿による電流検出装置は、被検
出電源装置の電流容量が大きくなると、検出用抵抗器で
消費される電力が大きくなるために、被検出電源装置の
電力効率が低下し、抵抗器で発生する熱を処理する必要
上、抵抗器の小型化が困難である、などの問題かあった
。

また、可飽和磁心の直流変成器を用いた従来の電流検出
装置は、可飽和磁心を複数個用いる必要があるとともに
、検出装置をリセットするための交流電源を備える必要
があり、さらに、検出出力を整流器を介して取出すよう
になっているた必に一方向に流れる電流のみしか検出し
得ない、という難点があった。したがって、最近多く使
用されるようになったインバータ装置、交流無停電電源
装置等における過電流保護および電流制御のための電流
検出装置として可飽和磁心の直流変成器による従来の電
流検出装置を使用するには、検出装置の小型化右よび両
極性化等の解決すべき多くの課題があった。

なお、大電力用に従来用いられた各種の電流検出方式の
うち、非接触で直流電流もしくは低周波電流を検出する
電流検出方式としては、可飽和磁心を用いた直流電流変
成器方式、可飽和磁心を用いた瞬時値電流検出方式、ホ
ール素子と磁心とを用いた電流検出方式、磁気マルチバ
イブレークを用いた電流検出方式等があり、それぞれ良
好な成果が得られて各方面の技術分野で利用されてはい
るが、いずれの方式によっても、従来の電流検出装置は
、構成部品の種類、個数が多く、装置の特性を良好に保
つために複雑な調整を必要とするものが多（、したがっ
て、電源装置の小型化、低廉化に伴い、小型で構成部品
の種類、個数の少ない、安価な電流検出装置の出現が待
たれていた。

（課題を解決するための手段）本発明の目的は、上述した従来の課題を解決し、電源装
置等の過電流保護や電流制限のための直流電流もしくは
低周波交流電流の検出に関し、小型の磁心を用いた極め
て簡単な回路構成により低損失で被検出回路と検出出力
回路とを非接触にした状態で直流電流もしくは低周波交
流電流を検出し得るようにした電流検出装置を提供する
ことにある。

本発明は、上述した目的を達成するために、原理的には
磁気マルチバイブレーク回路を用いたミキシングアンプ
回路と同様な現象を利用し、磁気マルチバイブレーク回
路のスイッチ素子として相補型電界効果トランジスタ（
ＰＥＴ）　　もしくは相補型相当の電界効果トランジス
タを用いて、電界効果トランジスタの特性を有効に利用
することにより、構成部品の点数が極めて少なく、経済
性に優れ、直線性、動作範囲等が良好な電流検出装置を
実現し得るようにしたものである。

すなわち、本発明電流検出装置は、可飽和の磁心を備え
た変成器の一次巻線に被検出電流を供給し、前記変成器
の二次巻線の一端と接地電位との間に抵抗素子を接続し
、当該二次巻線の他端と直流電圧源との間に前記磁心に
捲回して当該他端に接続したゲート巻線を備えた電界効
果トランジスタを接続するとともに、当該電界効果トラ
ンジスタのオフ期間に前記直流電圧源の電圧とは逆極性
の電圧を前記二次巻線に供給する回路素子を前記他端に
接続することにより、前記一次巻線に供給した前記被検
出電流に対応して前記抵抗素子に誘起する電圧に基づい
て当該被検出電流を検出するようにしたことを特徴とす
るものである。

（作　用）したがって、本発明によれば、簡単な回路構成により低
損失で良好な特性の非接触電流検出を行ない得る電流検
出装置を実現して、直流定電圧電源装置、インバータ装
置、交流無停電電源装置、バッテリ充電装置、電動機制
御駆動装置等に有効に適用することが可能となる。

（実施例）以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

本発明は、前述したように、原理的には、例えば「直流
入力電圧比例周波数スイッチング式直流−交流変成器（
Ａ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ＤＣ−ｔｏ−ＡＣＣｏｎｖｅ
ｒｔｅｒＨａｖｉｎｇ　　ａｎ　　０ｕｔｐｕｔ　　Ｆ
ｒｅｑｕｅｎｃｙ　　Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　　ｔ
。

ｔｈｅ　ＤＣＩｎｐｕｔ　Ｖｏｌｔｏｇｅ）　Ｊ　ＡＩ
ＥεＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｐｔ。

１、　ｖｏｌ、　７４．　Ｊｕｌｙ　１９５５．１１１
１．３２２〜２４、あるいは「改良型方形波発振回路（
Ａｎ　１ｍｐｒｏｖｅｄ　５ｑｕａｒｅ−ＷａｖｅＯｓ
ｃ＋ｌ１ａｔｏｒ　Ｃ１ｒｃｕｉｔ）　Ｊ　ＩＲＥ　Ｔ
ｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎＣｉｒｃｕｉｔＴｈｅｏｒ
ｙ、　ｖｏｌ、　ＣＴ−４，５ｅｐｔ、　１９５７．　
ｐｆｌ、　２７６〜７９などの磁気マルチバイブレーク
回路を用いた、例えば「磁気ミキシング増幅器（Ｔｂｅ
　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｍｉｙ；ｉｎｇ＾ｍｐｌｉｆｉｅ
ｒ）　　Ｊ　　ＩＢＢＢ　　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　
　ｏｎ　　Ｍａｇｎｅｔｔｃｓ。

Ｄｅｃ、　１９７２．　ｖｏｌ、　ＭＡＧ８．　Ｎａ４
．　ｐｐ、　７８０〜７８５などのミキシングアンプ回
路におけると同様な現象を利用したものであるが、磁気
マルチバイブレーク回路のスイッチ素子として相補型Ｆ
８Ｔを用い、ＦＥＴの特性を有効に利用して、部品点数
が極めて少なく、経済性に優れ、直線性や動作範囲が良
好な電流検出装置を実現したものであり、かかる本発明
電流検出装置の基本的回路構成の例を第１図に示す。

第１図示の基本的構成の電流検出回路装置においては、
小型のトロイダル磁心■の中心孔に導線を通して１次巻
線Ｎ、とするとともに、ｌ：ｎの巻線比で一環状部に導
線を巻回して２次巻線Ｎ２とした変成器ＴＩを構成し、
その２次巻線Ｎ２の一端には互いに相補型をなすＦＥＴ
、およびＦＥＴ２のソース電極を接続するとともに、ｐ
ＥＴ、＃よびＦＥＴ２のドレイン電極には直流電圧源子
εおよび−Ｅをそれぞれ接続しである。さらに、ＦＥＴ
、およびＦＥＥＴ、のゲート電極には、２次巻線Ｎ２に
適切な巻線比で巻き足したゲート巻線Ｎ、を接続して各
ＦＥＥＴをオン状態もしくはオフ状態に保持するように
する。また、２次巻線Ｎ２の他端には抵抗器Ｒを接続し
、その抵抗器Ｒに現われる電圧降下ε。から２次電流■
２を検出し、その２大電流Ｉ、とｎ：ｌの比をなす１大
電流■１を検出し得るようにする。

かかる基本的回路構成の本発明電流検出装置においては
、ＰＢＴ、がオン状態にあるときに、そのＦＥＴ１を介
して直流電圧源＋Ｅから２次巻線Ｎ２に正の電圧が供給
され、その正電圧の時間積分に応じてトロイダル磁心Ｉ
内の磁束密度が増大する。トロイダル磁心■内の磁束密
度がかかる態様の増大により正の飽和に達すると、ゲー
ト巻線ＮＧの飽和インダクタンスとＰＥＴのゲート・ソ
ース間容量とがなす共振回路に発生する過渡的振動によ
り駆動されてＦＥＴ、とＦＥＴ２との間にオン・オフ状
態の転換が生じ、ＦＢＴ、からＰＥＴ、ヘオン状態が転
流する。かかるオン状態の転流の結果、ＰＢＴ、を介す
る直流電圧源子Ｅからの正電圧の供給が断たれ、オン状
態に転じたＦＥＴ２を介して直流電圧源−Ｂから２次巻
線Ｎ２に負電圧が供給され、その負電圧の時間積分に応
じてトロイダル磁心Ｉ内の磁束密度が減少する。トロイ
ダル磁心Ｉ内の磁束密度がかかる態様の減少により負の
飽和に達すると、上述した正の飽和に達した場合と同様
にしてその場合とは逆に、ＦＥＴ２からＦＢＴ、ヘオン
状態が転流し、以後同様にしてＦＥＴ、・ＦＥｉＴ、間
にふいてオン・オフ状態が反復して交互に反転する。

かかるＦＥＴ、、　Ｆ［ｌ：Ｔ、間のオン・オフ状態交
互反転を繰返す第１図示の回路構成において、トロイダ
ル磁心Ｉに励磁電流の小さいものを用いれば、ゲート巻
線Ｎｃに流れるＦＥＴのゲート電流ＩＧは１次、２次両
電流１１．１２に比して格段に小さく、はとんど零と見
做し得るので、１次巻線Ｎ、と２次巻線Ｎ２との間には
等アンペアターンの法則が成立ち、出力抵抗器Ｒの両端
間からは１次電流ｌ、に比例した出力電圧Ｅ。を取出す
ことができる。すなわち、オン・オフ状態転流時の一時
期を除いては、トロイダル磁心Ｉの保持起磁力をＦｃと
してつぎの（１）式で表わされる等アンペアターンの法
則が成立つ。

（Ｎ、・ＩＩ＞＋（Ｎ２　・１２）＋（ＮＧ　−１，）
＝　ＦＣ（１）しかして、ＦＩＥＴのゲートインピーダ
ンスは、転流時の過渡状態を除いた定常状態においては
極めて高い値となるので、上述したように、ゲート電流
１．は無視し得る程に小さく、また、保持起磁力が十分
に小さい磁心を用いれば、等アンペアターンの法則に従
い、１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２との巻線比をに〇とす
れば、２次電流Ｉ２はつぎの（２）式で表わされる。

１２　＝　ｒ＋／ｎ　　　　　　　　（２）また、出力
抵抗をＲとすれば、出力電圧Ｅ。はつぎの（３）式で表
わされる。

Ｅｏ＝ｌ　１・Ｒ／ｎ　　　　　　　（３）しかして、
ＦＢＴ、がオン状態にある期間に２次巻線Ｎ２に印加さ
れる電圧は（ε−Ｅｏ）であり、ＦＥＴ２がオン状態に
ある期間に２次巻線Ｎ２に印加される電圧はく一ト巳。

）であるから、前述したように、２次巻線Ｎ２に供給さ
れる電圧の時間積分で決まるトロイダル磁心Ｉ内の磁束
Φは、いずれのＦＥＴがオン状態にあるかにより、つぎ
の（４）式もしくは（５）式で表わされる。

ＦＥＴＩがオンの期間：ＦＥＴ２がオンの期間：ここで、巻線電圧が一定であり、ＦＥＴ、がオンの期間
に磁束Φが負の飽和磁束−Φ、から正の飽和磁束＋Φ５
まで変化し、また、ＦＥＴ２がオンの期間に磁束Φが正
の飽和磁束＋Φ５から負の飽和磁束−Φ１まで変化する
のであるから、ＦＥ’Ｔ、がオンの期間を（Ｔ１）とし
、ＦＢＴ、がオンの期間を（Ｔ２）とすれば、それぞれ
の期間につぎの（６）式および〈７）式の関係が成立つ
。

２Φ、−Ｎ２＝（Ｅ−［！ｏ）・（Ｔ、）　　　　（６
）−２Φ５・Ｎ２＝（−トＢ。）・（Ｔ２）　　　　（
７）したがって、各期間（Ｔ１）および（Ｔ２）は、上
式（６）およびり７）から、それぞれつぎの（８）式お
よび（９）式のように表わされる。

（Ｔ、）＝２Φ５・Ｎ２／（ε−Ｅ。）（８）（Ｔ２）
＝２Φ、−Ｎ２／（Ｅ＋ＥＯ）　　　　　　　　　　（
９）また、発振周波数ｆは、上式（８）および（９）か
らつぎの（１０）式のように表わされる。

ｆ＝　１／　（（Ｔ、）＋（Ｔ２））（［Ｅ’−（Ｒ−１２）　２）　／４・Ｅ・Φ５・Ｎ２
（１０）また、前述の（４）式から、Ｂ＝６．のときに
は、磁束Φの変化が零となることが判る。したがって、
１次電流Ｉ１の変化に対する第１図示の構成による電流
検出装置の理論的な動作範囲は、つぎの（１１）式で表
わされる範囲より狭くなる。

ε〉εｏ＝１１・Ｒ／ｎ　　　　　　　（１１）上述の
ように動作する第１図示の基本構成による本発明電流検
出装置について、１次電流１．の変化に対する検出出力
電圧Ｂ。および発振周波数ｆを測定した実験結果を第２
図に示す。図示の実験結果において、電流検出出力電圧
Ｅ。の１次電流１．の変化に対する変化特性は、前述の
（３〉　式とよ（−致し、良好な直線性が得られること
が判る。また、同じく１次電流１１の変化に対する発振
周波数ｆは、前述のく１０）式における中間項の分母（
（Ｔ、）＋（Ｔ、）　）に、実際には、転流に要する期
間が加算されるので、弐〇〇で決まる値よりわずかに低
い値となる。

しかして、第１図示の回路構成においては、磁心Ｉの飽
和により、スイッチ素子として作用するＦＡＴ、とＦＢ
Ｔ、とのオン・オフ状態が反復して交互に切り替わり、
発振が持続されるのであるが、発振持続のために反復し
て交互に行なわれるＦＥＴ間のオン状態転流の機構は、
可飽和磁心の飽和インダクタンスとＦＢＴのゲート・ソ
ース間容量との共振現象によって説明することができる
。すなわち、まず、ＦＥＴ、がオン状態にあって、トロ
イダル磁心１の磁束がまだ飽和磁束に達していないとき
には、ＦＥＴ、におけるゲートの内部抵抗が極めて高く
、したがって、ＦＥＴ、は、電源電圧子Ｅからオン状態
のＦＥＴ、およびゲート巻線Ｎ、を７＋１１次に介して
ゲート電極に供給される正電圧によってオン状態に保持
されるが、トロイダル磁心■の磁束Φが飽和磁束Φ５に
達すると、ゲート巻線Ｎ、が呈するインダクタンス値が
急激に減少し、比較的小さい飽和インダクタンスとＦＥ
Ｔのゲート・ソース間容量とからなる共振回路が構成さ
れ、その回路の共振によってＦＢＴ、およびＦＥＴ２の
ゲート電圧の極性が反転し、その結果、ＦＡＴ、とＦＥ
Ｔ２との間でオン状態の転流が生ずる。すなわち、一対
のＦ［ｌｉＴスイッチを交互に切換えるに必要なゲート
電流が、磁心飽和時の共振電流によって供給されるので
あるから、ＦＢＴスイッチ対のオン状態転流の際にＦ［
！Ｔ対を駆動するためにゲートで消費される電力は極め
て少ないことになる。

また、本発明電流検出装置においてスイッチ素子とて用
いるＦＢＴには、バイポーラトランジスタにみられるよ
うな電荷蓄積時間が存在しないのであるから、ＰＥＴス
イッチ素子切換えによる発振周波数を極めて高く設定す
るごとができ、したがって、その発振周波数を極めて高
く設定することにより、スイッチ切換えの際に入出力端
に現われるノイズを除去するために電流検出回路に介挿
するフィルタを容易に小型化し得る、という利点が得ら
れる。

つぎに、第１図示の基本的回路構成においては、一対の
ＦＢＴスイッチを介して一対の電圧源から正・負の電圧
を電流変成器の２次巻線に供給するようになっているの
に対し、単一のＦＢＴを介し、単一の電圧源により正・
負の電圧を電流変成器の２次巻線に供給するようにして
実用に適するようにした本発明電流検出装置の構成例を
第３図に示す。

第３図示の回路構成においては、第１図示の回路構成に
ふけるＦＢＴ、および負電圧源−Ｅの代わりに、ダイオ
ードＤとチョークコイルとして作用する小型の変成器Ｔ
２との直列接続をＦＥＴ、に並列に接続することにより
、第１図示の回路構成と同等の作用効果が得られる。す
なわち、まず、ＦＥＴ、がオン状態にあって、電圧源子
Ｅから正の電流が変成器Ｔ２の１次巻線Ｎ３に流れてエ
ネルギーが変成器Ｔ２に蓄えられ、ついで、ＦＥＴ、が
上述した磁心■の飽和インダクタンスとゲート・ソース
間容量との共振回路にふける共振によってオフ状態に反
転すると、ダイオードＤの作用により２次巻線Ｎ、に生
ずる正の電圧が反転した負の電圧が１次巻線Ｎ、によっ
て変成器Ｔ１の２次巻線Ｎ２に供給され、その負電圧に
よって変成器Ｔ１の磁心Ｉが負の飽和に達すると、ＦＥ
Ｔ、が再びオン状態に転じ、第１図示の回路構成におけ
ると全く同様に、オン・オフ状態の反復交互反転が行な
われることになる。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明によれば、つぎ
のような幾多の顕著な効果が得られる。

（１）直流電流および低周波の交流電流を被検出回路に
非接触の状態で抵抗器に生ずる電圧降下の形態にして検
出することができる。

（２）直流−交流変換用スイッチ素子としてＦＥＴを用
いているので、バイポーラトランジスタを用いた従来の
磁気マルチバイブレークに使用していたベース抵抗が不
要となり、構成部品の点数が少なくなる。

（３）　ＦＡＴの使用により、ベース電流による非直線
性が生じないので、出力電圧による良好な電流検出特性
が得られる。

（４）　ＰＥＴには、バイポーラトランジスタにみられ
るような電荷蓄積時間がないので、スイッチング周波数
を高く設定することができ、したがって、スイッチング
ノイズ除去のためのフィルタを容易に小型化することが
できる。

（５）相補型ＦＥＴ対もしくは同等の作用をなす回路素
子を用いているので、直流−交流変換用変成器の磁心に
巻回する巻線が少なくてすむ。

（６）零点から立上る電流電圧特性のエンハンス型ＦＢ
Ｔを使用することにより、安定な起動および安定な発振
持続特性が容易に得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明電流検出装置の基本的構成例を示す回路
図、第２図は本発明電流検出装置における入力電流の変化に
対する出力電圧特性および発振周波数特性の例を示す特
性曲線図、第３図は本発明電流検出装置の他の構成例を示す回路図
である。Ｔ、、Ｔ２・・・変成器　　　　Ｎ、、Ｎ、・・・１次
巻線Ｎ２．Ｎ４・・・２次巻線Ｎｃ・・・ゲート巻線ＦＥＴ、。ＦＥＴ２・・・電界効果トランジスタ・・・抵抗器・・・ダイオード特許出願人九州大学長

Claims

【特許請求の範囲】

１、可飽和の磁心を備えた変成器の一次巻線に被検出電
流を供給し、前記変成器の二次巻線の一端と接地電位と
の間に抵抗素子を接続し、当該二次巻線の他端と直流電
圧源との間に前記磁心に捲回して当該他端に接続したゲ
ート巻線を備えた電界効果トランジスタを接続するとと
もに、当該電界効果トランジスタのオフ期間に前記直流
電圧源の電圧とは逆極性の電圧を前記二次巻線に供給す
る回路素子を前記他端に接続することにより、前記一次
巻線に供給した前記被検出電流に対応して前記抵抗素子
に誘起する電圧に基づいて当該被検出電流を検出するよ
うにしたことを特徴とする電流検出装置。