WO2005008873A1

WO2005008873A1 - 電流検出回路

Info

Publication number: WO2005008873A1
Application number: PCT/JP2004/007476
Authority: WO
Inventors: Takahiro Hara
Original assignee: Ikeda Electric Co., Ltd.
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2005-01-27
Also published as: US7425799B2; US20070007904A1; JP4280116B2; JP2005006465A

Abstract

　本発明は、スイッチ素子に流れる電流を、高精度で、電力損が少なく、高い電圧でかつ絶縁された形で検出し得るようにした電流検出回路を提供することを目的とする。　本発明の電流検出回路は、チョークコイルに発生する電圧に比例した電流によりコンデンサを充電する充電回路が設けられ、スイッチ素子に流れる電流が０のときに、前記コンデンサの電圧を０Ｖにする放電回路が設けられ、前記コンデンサの電圧を、スイッチ素子に流れる電流に比例した値として検出するようにした。

Description

明細書

電流検出回路

技術分野

[0001] 本発明は、スィッチ素子に流れる電流を検出する電流検出回路に関する。

背景技術

[0002] スィッチ素子をオン、オフさせて該スィッチ素子を流れる電流値を制御する回路として、例えば、図 6に示すように、アクティブフィルターを使用した昇圧チョッパー回路がある。また、図 7に示すように、ハーフブリッジ式の HID点灯回路がある。この種の回路では、スィッチ素子に流れる電流を検出し、その検出した電流値に基づいて、スィツチ素子をオンオフ制御する必要があり、どのようにしてスィッチ素子に流れる電流を検出するかが問題になる。

[0003] 即ち、図 6のアクティブフィルターを使用した昇圧チョッパー回路では、交流電源 81 と全波整流回路 82により直流電源 84が構成され、直流電源 84の出力端子間に、チヨークコイル 85とスィッチ素子（半導体スィッチ） 86とが直列に接続され、スィッチ素子 86の両端に、ダイオード 87とコンデンサ 88との直列回路が並列に接続され、スィツチ素子 86のオンオフ動作によりチョークコイル 85に電磁エネルギーを蓄積してそのエネルギーを前記ダイオード 87を介してコンデンサ 88に放出し、これにより交流電源 81を全波整流回路 82により全波整流した電圧より高い電圧をコンデンサ 88に蓄えるようになつている。

[0004] スィッチ制御回路 89は、スィッチ素子 86に流れる電流を抵抗（例えば 1 Ω ) 90により検出して、高電圧（H)となるオン信号 Sをスィッチ素子 86に出力し、オン信号 Sを出力する（出力信号が高電圧 (H)になる）間にスィッチ素子 86をオンさせると共に、ォン信号 Sの停止（出力信号が低電圧 (L)になる）により、スィッチ素子 86をオフさせるようになつている。

そして、前記スィッチ制御回路 89は、チョークコイル 85及びダイオード 87の電流が 0になると、オン信号 Sの出力を開始し (スィッチ素子 86をオンし）、抵抗 90を介して検出したスィッチ素子 86に流れる電流が、所望のチョークコイル 85の電流のピーク値に対応した閾値に達すると、オン信号 Sを停止し (スィッチ素子 86をオフし）、これによりスィッチ素子 86を高周波にてオンオフ制御して、コンデンサ 88側に安定した直流電圧を得るようになつている。

[0005] また、図 7のハーフブリッジ式の HID点灯回路では、直流電源 91の出力端子間に、一対のスィッチ素子 92， 93の直列回路が接続されると共に、一対のコンデンサ 94 , 95の直列回路が接続され、一対のスィッチ素子 92， 93間と、一対のコンデンサ 94 , 95間とに、チョークィノレ 97と HIDランプ 98とチョークィノレ 99とンデンサ 100とを接続している。そして、コンデンサ 100と一対のコンデンサ 94, 95間とに抵抗（例えば 1 Ω ) 103を接続し、一対のスィッチ素子 92, 93に流れる電流を抵抗 103により検出し、この検出した電流に基づいてスィッチ制御回路 104により、一対のスィッチ素子 92, 93のオンオフ動作を交互に繰り返させることによって、 HIDランプ 98を点灯させるようにしている。

[0006] しかし、図 6における従来の電流検出回路では、スィッチ素子 86に流れる電流を、スィッチ素子 86に直列に接続した抵抗 90により検出しており、スィッチ素子 86に流れる電流を検出する抵抗にはインダクタンス成分があるため、スパイク状のノイズがあり、誤検出するおそれがあるし、電力損が発生するという問題があった。

即ち、スィッチ素子 86に流れる電流 Iを、抵抗 90の両端に生じる電圧 V、抵抗 90の抵抗値を Rとすると、スィッチ素子 86に流れる電流を、 V=IRの関係で電圧として検出するので、電圧 (抵抗値 R)を大きくすると、検出電圧を大きくできるが、抵抗 90での電力損を Wとすると、 W=IVの関係になり、抵抗 90で電力損が発生する。電圧 (抵抗値 R)を小さくすると、抵抗 90の電力損が少なくなるが、検出電圧が小さくなり、ノィズが大きいと、検出電圧にノイズがのり高精度で検出することは困難になった。

[0007] また、図 7の従来の電流検出回路では、一対のスィッチ素子 92， 93に流れる電流を抵抗 103により検出しており、図 6の回路の場合と同様な問題点を有する他に、比較回路 106等を有する電流検出回路 105を設ける必要があり、また、スィッチ制御回路 104に電流検出信号を伝えるために、電流検出回路 105とスィッチ制御回路 104 との間を例えばフォトカプラー 108等を用いて絶縁する必要があった。

その他、スィッチ素子に流れる電流を検出する方法として、図 8に示すように、 1次卷線 11 laと 2次卷線 11 lbとを有する電流トランス 111を設け、電流トランス 111の 2 次卷線 11 lbに設けた抵抗 112の両端で電流を検出することが考えられる。この場合、 2次卷線 11 lbの卷数を 1次卷線 1 1 laの卷数よりも多くすることにより、低電流を高電圧でかつ低電力損で絶縁した形で電流を検出できるが、直流成分が検出できなレ、という問題がある。

[0008] また、図 9に示すように、スィッチ素子に直列に抵抗 114を設け、この抵抗 114で電流を検出し、トランス 115で昇圧することが考えられる。この場合、図 8の場合と同種の効果があるが、直流成分は検出できないという問題がある。

さらに、ホール素子で直流成分を検出する方法が実用化されているが、この場合、回路部品が多数必要で高価になるという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、スィッチ素子に流れる電流を、高精度で、電力損が少なぐ高い電圧でかつ絶縁された形で検出し得るようにした電流検出回路を提供することを目的とする。

特許文献 1 :特開平 7 - 231650号公報

発明の開示

[0009] 本発明は、上記目的を達成すベぐ以下の技術的手段を講じた。

即ち、スィッチ素子に流れる電流が、回路構成要素であるチョークコイルにも流れる回路において、チョークコイルに発生する電圧に比例した電流によりコンデンサを充電する充電回路が設けられ、スィッチ素子に流れる電流が 0のときに、前記コンデンサの電圧を OVにする放電回路が設けられ、前記コンデンサの電圧を、スィッチ素子に流れる電流に比例した値として検出するようにした点にある。

[0010] また、本発明の他の技術的手段は、直流電源の出力端子間に、チョークコイルとスイッチ素子とが直列に接続され、スィッチ素子の両端に、ダイオードとコンデンサとの直列回路が並列に接続され、スィッチ素子のオンオフ動作によりチョークコイルに電磁エネルギーを蓄積してそのエネルギーを前記ダイオードを介してコンデンサに放出して直流電圧を得るようにした回路において、チョークコイルに発生する電圧に比例した電流によりコンデンサを充電する充電回路が設けられ、スィッチ素子に流れる電流が 0のときに、前記コンデンサの電圧を OVにする放電回路が設けられ、前記コンデンサの電圧を、スィッチ素子に流れる電流に比例した値として検出するようにした点にある。

[0011] また、本発明の他の技術的手段は、直流電源の出力端子間に、一対のスィッチ素子の直列回路が接続されると共に、一対のコンデンサの直列回路が接続され、前記一対のスィッチ素子間と、前記一対のコンデンサ間とに、チョークコイルと HIDランプとが接続され、一対のスィッチ素子にオンオフ動作を交互にさせることによって、 HID ランプを高周波で点灯させるようにしたハーフブリッジ式の HID点灯回路において、チョークコイルに発生する電圧に比例した電流によりコンデンサを充電する充電回路力 S設けられ、一対のスィッチ素子が共にオフしたときに、コンデンサの電圧を 0Vにする放電回路が設けられ、前記コンデンサの電圧を、スィッチ素子に流れる電流に比例した値として検出するようにした点にある。

図面の簡単な説明

[0012] [図 1]図 1は本発明の一実施の形態を示す回路図である。

[図 2]図 2は同動作説明用の波形図である。

[図 3]図 3は他の実施の形態を示す回路図である。

[図 4]図 4は同動作説明用の波形図である。

[図 5]図 5は同動作説明用の他の波形図である。

[図 6]図 6は従来例を示す回路図である。

[図 7]図 7は他の従来例を示す回路図である。

[図 8]図 8は他の従来例を示す回路図である。

[図 9]図 9は他の従来例を示す回路図である。

発明を実施するための最良の形態

[0013] 以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図 1はアクティブフィルターを使用した昇圧チョッパー回路に本発明を適用した一実施の形態を示している。同図において、 1は商用交流電源、 2は交流電源 1を全波整流する全波整流回路で、ダイオードブリッジにより構成されている。交流電源 1と全波整流回路 2により直流電源 4が構成されている。

5はチョークコイル、 6はスィッチ素子（半導体スィッチ）で、例えば金属酸化膜グート電界効果形トランジスタ (MOSFET)により構成されている。これらチョークコィノレ 5 及びスィッチ素子 6は、直流電源 4の出力端子間に直列に接続されている。スィッチ素子 6の両端に、ダイオード 7とコンデンサ 8との直列回路が並列に接続されている。直流電源 4とチョークコイル 5とスィッチ素子 6とダイオード 7とコンデンサ 8とによりァクティブフィルタが構成され、スィッチ素子 6が高周波でオンオフ動作することにより、チヨークコイル 5に電磁エネルギーを蓄積してそのエネルギーを前記ダイオード 7を介してコンデンサ 8に放出し、これにより交流電源 1を全波整流回路 2に'より全波整流した電圧より高い電圧をコンデンサ 8に蓄えるようになっている。

[0014] なお、図 1に鎖線で示すように、昇圧チヨッパ一回路（ナクティブフィルタ）の負荷として、コンデンサ 8の出力端側に、インバータ回路 11を介して放電灯 12を接続することにより、放電灯 12を高周波点灯させる放電灯点灯装置が構成される。

そして、スィッチ素子 6をオンオフ制御するスィッチ制御回路 15と、チョークコイル 5 に発生する電圧に比例した電流によりコンデンサ 16を充電する充電回路 17と、スィツチ素子 6に流れる電流が 0のときにコンデンサ 16 電圧が 0Vになるように放電する放電回路 18とが設けられ、チョークコイル 5に 2次卷線 5bが設けられている。

[0015] スィッチ制御回路 15は、高電圧 (H)となるオン信号 Sをスィッチ素子 6に出力し、ォン信号 Sを出力する（出力信号が高電圧 (H)になる）間にスィッチ素子 6をオンさせると共に、オン信号 Sの停止（出力信号が低電圧 (L)になること）により、スィッチ素子 6 をオフさせるようになつている。

そして、前記スィッチ制御回路 15は、比較回路 19等を有し、図 2に示すように、チヨークコイル 5の電流 Iが 0になると、オン信号 Sの出力を開始し (スィッチ素子 6をオンし )、充電回路 17を介して検出したスィッチ素子 6に流れる電流 Iと、所定の周波数で正弦波形状となる基準電圧 Vとを比較し、スィッチ素子 6に流れる電流 Iが、基準電圧 V

0

に達すると、オン信号 Sを停止し (スィッチ素子 6をオフし）、これによりスィッチ素子 6 を高周波にてオンオフ制御して、コンデンサ 8側に安定した直流電圧を得るようになつている。

[0016] なお、図 2において、図 2 ( a)は、スィッチ素子 6に流れる電流 Iの電流波形を示し、図 2 (b)は、スィッチ素子 6のゲート電圧波形を示し、図 2 ( a)の Iは、スィッチ素子 6

差替え用紙（規則 26) に流れる電流 Iの平均値を示し、この電流 I は、直流電源 4からチョークコイル 5側に

A

入力される入力電流となる。

充電回路 18は、コンデンサ 16とミラー回路を構成する一対のスィッチ素子（トランジスタ） 21 , 22と他のミラー回路を構成する一対のスィッチ素子（トランジスタ） 23， 24と直流電源 25と抵抗 26, 27とを備えてレ、る。放電回路 18は、トランジスタ 28と NOT回路 29とを備え、スィッチ制御回路 15がオン信号 Sを停止しているときに、トランジスタ 28がオンして、コンデンサ 16を放電するように構成されている。

[0017] 上記実施の形態によれば、充電回路 17の一対のスィッチ素子 21， 22はミラー回路であるから、スィッチ素子 21に流れる電流 Iとスィッチ素子 22に流れる電流 Iとは等

1 2 しくなる（I =1 )。また、一対のスィッチ素子 23, 24もミラー回路であるから、スィッチ

1 2

素子 23に流れる電流 Iとスィッチ素子 24に流れる電流 Iとは等しくなる（I =1 )。そ

2 3 2 3 して、スィッチ素子 21に流れる電流 Iは、チョークコイル 5の 2次卷線 5bを流れる電流と同じであり、チョークコイル 5及びスィッチ素子 6を流れる電流 Iに比例しているから、コンデンサ 16を流れる電流 Iは、チョークコイル 5及びスィッチ素子 6を流れる電流 I

3

に対応（比例）したものとなる。

[0018] 従って、チョークコイル 5に発生する電圧 Vとチョークコイル 5に流れる電流 Iとの関

L

係は以下の通りである。

コンデンサ 16の電圧を Vとし、コンデンサ 16の容量を Cとし、抵抗 26の抵抗値を R

c

V = J (l X C) dt/C

c

= ί (V /R) dt/C

L

= ί V dt/ (R X C) - - -(l)

L

V =Ldi/dt

L

V dt = Ldi

L

ί V dt= ί Ldi = L X I---(2)

L

(1X2)より、

v = I X LZ (R X C)となる。

c

[0019] 従って、コンデンサ 16の電圧 Vは、スィッチ素子 6に流れる電流 Iに比例した値となる。

そして、放電回路 18では、スィッチ素子 6がオンするまで、トランジスタ 28をオンさせておいて、コンデンサ 16の電圧 Vを 0Vにしておき、スィッチ素子 6がオンしたとき c

力、らコンデンサ 16を 0Vから充電を開始する。このため、スィッチ素子 6に流れる電流 I 力 Sコンデンサ： L6の電圧 Vと完全比例する関係になり、直流成分のオフセットは生じ

C

ない。即ち、チョークコイル 5 (スィッチ素子 6)に流れる電流 Iは、チョーク電圧を積分した値に定数を加算した値になるが、チョークコイル 5に電流 Iが流れ始めるときに、積分値を 0にクリャして積分することとなるため、定数は 0となり、コンデンサ 16の電圧

Vをスィッチ素子 6に流れる電流 Iの値として用いることができるようになる。また、チヨ c

ークコイル 5に電流が流れ始める毎に積分値をリセットすることができて、誤差が積み重ならないようになる。

従って、スィッチ素子 6に流れる電流 Iを、チョークコイル 5の 2次卷線 5b等を介して、高精度で電力損が少なぐ高い電圧でかつ絶縁された形で検出し得るようになる。

[0020] 図 3はハーフブリッジ式の HID点灯回路に本発明を適用した他の実施形態を示している。図 3において、 41は直流電源で、直流電源 41の出力端子間に、一対のスィツチ素子 42, 43の直列回路が接続されると共に、一対のコンデンサ 44, 45の直列回路が接続されている。一対のスィッチ素子 42, 43間と、一対のコンデンサ 44, 45 間とに、チョークィノレ 47と tilDランプ 48とチョークノレ 49とンデンサ 50と力 S接続されている。ここで、 HIDランプとは、 high intensity discharge lampの略で、高圧水銀ランプ、メタルノヽライドランプ、高圧ナトリウムランプの総称である。 HIDランプは、高輝度放電ランプとも呼ばれ、小型で高出力'高効率'長寿命が特徴である。

[0021] そして、スィッチ素子 42, 43をオンオフ制御するスィッチ制御回路 55と、チョークコィル 47に発生する電圧に比例した電流によりコンデンサ 56を充電する充電回路 57 と、オン信号 SI , S2が共に停止している（スィッチ素子 42， 43への出力信号が共に低電圧 (L)になる）ときにコンデンサ 56の電圧が 0Vになるように放電する放電回路 5 8と力 S設けられ、チョークコイル 42に 2次卷線 42bが設けられている。

スィッチ制御回路 55は、高電圧（H)となるオン信号 SI , S2をスィッチ素子 42, 43 に出力し、オン信号 S1を出力する（スィッチ素子 42への出力信号が高電圧 (H)となる）間にスィッチ素子 42をオンさせると共に、オン信号 S1の停止 (スィッチ素子 42への出力信号が低電圧 (L)になること）により、スィッチ素子 42をオフさせ、また、オン信号 S2を出力する (スィッチ素子 43への出力信号が高電圧 (H)となる）間にスィッチ素子 43をオンさせると共に、オン信号 S2の停止（スィッチ素子 43への出力信号が低電圧 (L)になること）により、スィッチ素子 43をオフさせるようになっている。

[0022] そして、前記スィッチ制御回路 55は、比較回路 59等を有し、図 5に示すように、チヨークコイル 47の電流 Iが 0になると、オン信号 S1又はオン信号 S2の出力を開始し (スイッチ素子 42又はスィッチ素子 43をオンし)、充電回路 57を介して検出したスィッチ素子 42又はスィッチ素子 43に流れる電流 Iと、所定の直流電圧となる基準電圧 Vと

0 を比較し、スィッチ素子 42又はスィッチ素子 43に流れる電流 Iが、基準電圧 Vに達

0 すると、オン信号 S1又はオン信号 S2を停止（スィッチ素子 42又はスィッチ素子 43をオフ）するようになつている。

[0023] なお、図 5において、図 5 ( a)は、スィッチ素子 42 (又はスィッチ素子 43)に流れる電流 Iの電流波形を示し、図 5 ( b)は、スィッチ素子 42 (又はスィッチ素子 43)の電圧波形を示し、図 5 ( a)の Iは、スィッチ素子 42 (又はスィッチ素子 43)に流れる電流 I

A

の平均値を示し、この電流 Iは、直流電源 41側から HIDランプ 48側に入力されるラ

Λ

ンプ電流となる。

また、スィッチ制御回路 55は、図 4に示すように、オン信号 S1を出力する期間 Aとオン信号 S2を出力する期間 Bとを交互に繰り返すように制御し、これにより、スィッチ素子 42のオンオフ動作とスィッチ素子 43のオンオフ動作とを交互に繰り返させて、図 4 ( c) ( d)に示すように、 HIDランプ 48に交流のランプ電圧 Viaを印加すると共に、交流のランプ電流 Ilaを流し、 HIDランプ 48を安定に点灯させるようになっている。

[0024] なお、図 4において、図 4 ( _a)はスィッチ素子 42の電圧波形を示し、図 4 (b)はスィツチ素子 43の電圧波形を示し、図 4 ( c )は HIDランプ 48のランプ電圧 Viaの波形を示し、図 4 ( d)は HIDランプ 48のランプ電圧 Ilaの波形を示している。

充電回路 57は、コンデンサ 56とミラー回路を構成する一対のスィッチ素子（トランジスタ） 61， 62と他のミラー回路を構成する一対のスィッチ素子 63, 64と直流電源 65 と抵抗 66とを備えている。 2次卷線 42bの両端に、それぞれダイオード 71, 72を介し

差替え用紙（規則 26) て充電回路 57の抵抗 66が接続されている。放電回路 58は、トランジスタ 68と NOT 回路 69と OR回路 70とを備え、スィッチ制御回路 55からのオン信号 Sl， S2が共に停止している（スィッチ素子 42, 43が共にオフしている）ときに、トランジスタ 68がオンして、コンデンサ 56を放電するように構成されている。

[0025] 上記実施の形態によれば、前記図 1の実施の形態の場合と同様に、コンデンサ 56 の電圧 Vは、スィッチ素子 42, 43に流れる電流 Iに比例した値となり、放電回路 58

C

では、スィッチ素子 42， 43が共にオフのときに、トランジスタ 68をオンさせておいて、コンデンサ 50の電圧 Vを 0Vにしておき、スィッチ素子 42， 43の一方がオンしたとき c

力コンデンサ 56を 0Vから充電を開始する。このため、スィッチ素子 42, 43に流れる電流がコンデンサ 16の電圧 Vと完全比例する関係になり、直流成分のオフセット

■ C

は生じない。従って、前記実施の形態の場合と同様に、スィッチ素子 42, 43に流れる電流 Iを、チョークコイル 47の 2次巻線 5b等を介して高精度で、電力損が少なぐ高い電圧でかつ絶縁された形で検出し得るようになる。

[0026] そして、図 4 ( a) ( b)に示すように、期間 Aでスィッチ素子 42がオンオフ動作して、図 3に波線で示す電流ィが流れ、期間 Bでスィッチ素子 43がオンオフ動作して、図 3 に波線で示す電流口が流れ、その結果、図 4 ( c) ( d)に示すように、 HIDランプ 48 に交流のランプ電圧 Viaが印加すると共に、交流のランプ電流 Ilaが流れ、 HIDランプ 48が安定に点灯する。

産業上の利用可能性

[0027] スィッチ素子に流れる電流を検出する電流検出回路として利用できる。

差替え用紙（規則 26)

Claims

請求の範囲

[1] スィッチ素子（6, 42, 43)に流れる電流が、回路構成要素であるチョークコイル（5 , 47)にも流れる回路において、

チョークコイル（5, 47)に発生する電圧に比例した電流によりコンデンサ（16, 56) を充電する充電回路（17， 57)が設けられ、スィッチ素子（6, 42, 43)に流れる電流力 ¾のときに、前記コンデンサ（16, 56)の電圧を 0Vにする放電回路（18, 58)が設けられ、前記コンデンサ（16, 56)の電圧を、スィッチ素子（6, 42, 43)に流れる電流に比例した値として検出するようにしたことを特徴とする電流検出回路。

[2] 直流電源 (4)の出力端子間に、チョークコイル（5)とスィッチ素子（6)とが直列に接続され、スィッチ素子（6)の両端に、ダイオード（7)とコンデンサ (8)との直列回路が並列に接続され、スィッチ素子（6)のオンオフ動作によりチョークコイル（5)に電磁ェネルギーを蓄積してそのエネルギーを前記ダイオード（₇)を介してコンデンサ（8)に放出して直流電圧を得るようにした回路において、

チョークコイル（5)に発生する電圧に比例した電流によりコンデンサ（16)を充電する充電回路（17)が設けられ、スィッチ素子（6)に流れる電流が 0のときに、前記コンデンサ（16)の電圧を 0Vにする放電回路（18)が設けられ、前記コンデンサ（16)の電圧を、スィッチ素子（6)に流れる電流に比例した値として検出するようにしたことを特徴とする電流検出回路。

[3] 直流電源 (41)の出力端子間に、一対のスィッチ素子 (42， 43)の直列回路が接続されると共に、一対のコンデンサ (44, 45)の直列回路が接続され、前記一対のスィツチ素子（42, 43)間と、前記一対のコンデンサ（44， 45)間とに、チョークコィノレ（47 )と HIDランプ (48)とが接続され、一対のスィッチ素子 (42, 43)にオンオフ動作を交互にさせることによって、 HIDランプ（48)を点灯させるようにしたハーフブリッジ式の HID点灯回路において、

チョークコイル (47)に発生する電圧に比例した電流によりコンデンサ（56)を充電する充電回路 (47)が設けられ、一対のスィッチ素子 (42， 43)が共にオフしたときに、コンデンサ（56)の電圧を 0Vにする放電回路（58)が設けられ、前記コンデンサ（5 6)の電圧を、スィッチ素子 (42, 43)に流れる電流に比例した値として検出するようにしたことを特徴とする電流検出回路。