JP2017505914A - 電流検出装置および電流を検出する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、電力経路の電流に対応する測定経路の電流を検出するための方法および装置に関する。このために、測定経路の電流測定装置によって電流が検出され、同時にバイパス装置によって、電流測定装置に並列して電流の一部が伝送され、これにより電流測定装置の負荷が減る。

Description

本発明は、電流評価回路および電流を検出する方法に関する。特に、本発明は電流検出装置、および電力経路の電流に対応する電流をもたらす測定経路の電流を検出する方法に関する。

センス端子を備えるＩＧＢＴに関連して本発明を説明するが、本発明はさらに、電力経路の電流に対応する他の電流経路の電流が評価されるべき、他の随意の用途にも使用可能である。

米国特許第５，８７７，６１７明細書は、電流経路の負荷に電流が供給される回路装置を開示している。さらにこの回路装置は、この負荷のための電流に対応する電流を供給する別のトランジスタを含む。この別のトランジスタによって供給される電流は、負荷のための電流を監視し、評価するために用いられる。

さらに半導体スイッチを通る電流を測定および評価するためには、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が既知である。絶縁ゲートバイポーラトランジスタでは、付加的なセンス端子に、半導体スイッチを通る主電流に比例する電流が供給される。この場合、センス端子からの電流は、ほぼ一定の倍数だけＩＧＢＴのエミッタ経路の主電流よりも小さい。

この場合、このようなＩＧＢＴのセンス経路の電流を評価するための回路装置は、ＩＧＢＴの最大接続時間および最大発生電流に関しても大きさを決定されている必要がある。この場合、特にエラー発生時にはセンス経路にも比較的大きい電流が生じる。

したがって、より広い測定範囲にわたって、電流を高精度に検出することを可能にする電流検出装置および方法が必要である。

米国特許第５，８７７，６１７明細書

このために、本発明の一態様によれば、電力経路の電流に対応する電流をもたらす測定経路の電流を検出するための電流検出装置であって、測定経路に配置されており、電流測定装置を通って流れる電流に対応する出力信号を供給するように構成された電流測定装置と；バイパス電流を設定するように構成されたバイパス装置とを備える電流検出装置が得られ、バイパス電流は、測定経路の電流の関数として設定され、電流測定装置とバイパス装置とは測定経路に並列して配置されている。

本発明の別の態様によれば、電力経路の電流に対応する電流をもたらす測定経路の電流を検出する方法であって、測定経路に電流測定装置を配置するステップと；測定経路にバイパス装置を配置するステップと；測定経路に流れる電流に応じて、バイパス装置を通って流れる電流を設定するステップと；電流測定装置を通って流れる電流を検出するステップとを含む方法が得られる。

本発明は、電流測定装置によって電流を検出する場合に、検出されるべき全ての電流が常に電流測定装置を通って伝送されるわけではないという着想に基づいている。むしろ電流の一部がバイパス装置を通って電流測定装置を迂回させられる。このために、バイパス装置は電流測定装置に並列して配置される。

電流測定装置およびバイパス装置の並列回路により、電流測定装置が電流を検出する最大値範囲を、より小さい最大電流値のために構成することができる。電流測定装置は、より小さい最大値範囲のために構成されていればよいので、電流測定装置をより小型に、安価に実現することもできる。

さらにこのような電流測定装置は、最大値範囲が小さく、この値範囲で検出されるべき電流をより正確に、したがってより厳密に検出することを可能にする。これにより、システム全体の精度を向上させることもできる。

電流はバイパス装置を通って流れ、これにより電流測定装置の負荷が減り、この場合に電流測定装置によって検出される電流の関数として、したがって、検出されるべき総電流の関数として電流を調整することができる。このようにして、一方では、総電流が比較的小さい場合にも電流測定装置を介してこの電流の大部分を伝送し、他方では、総電流が比較的大きい場合は電流の小さい部分のみを電流測定装置によって評価すればよい。これにより、電流が小さい場合にこそ極めて高い精度が可能となり、同時に電流が大きい場合には総システムの負荷を減らすことができる。

一実施形態によれば、バイパス装置は、電流測定装置を通って流れる電流が所定の第１閾値未満となった場合には、バイパス装置を通ってバイパス電流を流れさせないように構成されている。このようにして、電流が小さい場合には電流測定装置によって総電流を検出することができる。これにより電流が小さい場合には極めて高い精度を得ることが可能になる。

一実施形態によれば、バイパス装置は、電流測定装置を通って流れる電流が所定の第２閾値を超えた場合には、電流測定装置に並列してバイパス電流を設定するように構成されている。このようにして、電流が大きい場合にはこの電流の一部は電流測定装置を迂回することができ、これにより電流測定装置は電流が大きい場合には負荷を減らされるので、したがって、最大電流を小さく構成してもよい。

一実施形態によれば、バイパス装置は、電流測定装置の出力信号の関数としてバイパス電流を調整するように構成されている。このように電流測定装置に並列してバイパス電流を動的に調整することにより、電流測定装置を迂回させられる電流を変数として調整することができる。例えば、これにより電流測定装置に並列してバイパス電流を総電流の上昇に伴い連続的に上昇させることもできる。代替的には、電流測定装置に並列してバイパス電流を総電流の関数として複数段階にわたって様々に調整することも可能である。

一実施形態によれば、バイパス装置は、電流測定装置を通る電流を所定の最大限界値に制限するように構成されている。これにより、電流測定装置を通って流れる最大電流を制限することができ、これにより、電流が極めて大きい場合にも電流測定装置に過剰に負荷が加えられないようにすることができる。この場合、電流測定装置は所定の最大限界値を超えた場合には一定の出力信号を出力し、この出力信号は、測定経路の電流がさらに上昇してもさらに上昇することはない。

一実施形態によれば、電流測定装置によって供給される出力信号は電圧信号である。このような電圧信号は、後続システムで処理するために特に良く適している。

一実施形態によれば、電流測定装置によって供給された出力信号は、アナログ‐デジタルコンバータによってデジタル信号に変換される。アナログ出力信号をデジタル信号に変換することによって、測定値をデジタル処理することも可能である。

一実施形態によれば、バイパス装置は参照電圧源を含む。この参照電圧源は、所定の参照電圧を供給するように構成されている。バイパス装置は、電圧信号と、参照電圧源によって供給された参照電圧とを比較するように構成されている。比較に応じて、バイパス装置は電流測定装置に並列してバイパス電流を設定する。１つ以上の参照電圧源の電圧の形態で１つ以上の参照点が定義されていることにより、電流測定装置に並列してバイパス装置を通って迂回させられる電流部分を簡単に決定することが可能である。

一実施形態によれば、バイパス装置は電流ミラー回路を含む。この場合、バイパス装置は、電圧信号と参照電圧との比較に基づいて電流ミラー回路を制御するように構成されている。電流ミラー回路を使用して、バイパス装置を通って電流測定装置を迂回させられる電流を良好に設定することができる。

本発明は、さらに電流を供給するための回路装置を提供する。この回路装置は、電力経路に電流を供給するように構成された電流制御装置を含む。さらに、電流制御装置は、供給された電力経路の電流に対応する測定電流を測定経路に供給するように構成されている。さらに回路装置は、本発明による電流検出装置を含む。

一実施形態によれば、電流制御装置は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含む。好ましくは、ＩＧＢＴは、電力経路に対応する測定電流が供給されるセンス端子を含む。

本発明の他の利点よび実施形態を添付の図面を参照して以下に説明する。

一実施例による電流検出装置によって電流を供給するための回路装置を示す概略的な回路図である。 一実施例による電流検出装置の基礎となる特性線を備える概略的な電流‐電圧線図である。 一実施例の基礎となる電流検出方法を示す概略的なフロー図である。

測定電流を供給するためのセンス端子を備える絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）に関連して本発明を以下に説明するが、さらに、測定経路の別の電流を用いて電力経路の電流を評価する電流を供給するための他の回路装置において本発明を使用することも可能である。

図１は、電流を供給するための回路装置１の概略図を示す。回路装置１は、電流制御装置２０、例えばＩＧＢＴを備える。ＩＧＢＴは、制御接続部Ｇを備える。この制御接続部Ｇに印加された制御信号に基づいて、ＩＧＢＴの入力部Ｃと出力部Ｅとの間の電力経路の電流Ｉ_Ｅを設定することができる。この場合、センス端子Ｓでは、ＩＧＢＴによって、電力経路の電流Ｉ_Ｅに対応する測定電流が出力される。例えば、一定の温度および同一の基板特性など基本条件が一定である場合には、電力経路の電流Ｉ_Ｅと測定経路の測定電流Ｉ_Ｓとの間に固定した伝達比が生じる。しかしながら、このためにはＩＧＢＴの出力部Ｅおよびセンス端子Ｓに同一の電圧比が設定される必要がある。

ＩＧＢＴの出力部Ｅおよびセンス端子Ｓにこのような同一の電圧比を設定するために、回路装置１は補正回路３０を含む。図１に示した実施例では、補正回路３０は、例えば２つの電圧源Ｕ_Ｂ，１およびＵ_Ｂ，２ならびに電流源Ｉ_０を含む。さらに補正回路３０はトランジスタＴ１〜Ｔ５を含む。ＩＧＢＴの出力部Ｅおよびセンス端子Ｓに必要な電圧比を設定するために適した他の補正回路も同様に可能である。

この場合、測定経路の電流Ｉ_Ｓの検出は、電流検出装置１０によって行われる。測定電流Ｉ_Ｓはまず補正回路３０のトランジスタＴ５および電流検出装置１０の抵抗器Ｒ_０ならびに電流測定装置１１を通って流れる。ここに示す実施例では、電流測定装置１１は、シャント抵抗器Ｒ_Ｓによって形成されている。この場合、シャント抵抗器Ｒ_Ｓでは、この抵抗器を流れる電流に比例する電圧Ｕ_Ｓが降下する。この電圧降下Ｕ_Ｓを出力信号として供給することができ、これにより、電流Ｉ_Ｓに対応する測定値が示される。随意に、シャント抵抗器Ｒ_Ｓを介した電圧Ｕ_Ｓを、アナログ‐デジタルコンバータ１３を用いてデジタル信号に変換することも可能である。さらに、例えば適切なスケーリングによって、このようにして検出されたアナログまたはデジタル信号から電力経路の電流Ｉ_Ｅを推定することもできる。しかしながら、出力信号、例えば電圧Ｕ_Ｓがシャント抵抗器Ｒ_Ｓを介してアナログ処理される場合にも、後続の適切なスケーリングによって、完全な測定電流Ｉ_Ｓ、ひいては電力経路の電流Ｉ_Ｅを推定することもできる。

測定電流Ｉ_Ｓが比較的大きい場合にシャント抵抗器Ｒ_Ｓによって電流を低下させるために、シャント抵抗器Ｒ_Ｓを通る電流をバイパス経路の並列回路によって低減することができる。このために、電流検出装置１０はバイパス装置１２を含む。この場合、バイパス装置１２は、シャント抵抗器Ｒ_Ｓと直列に配置された抵抗器Ｒ_０を備える。この抵抗器Ｒ_０を介した電圧降下は演算増幅器ＯＰの入力部に供給される。演算増幅器ＯＰは、この電圧降下を参照伝達源Ｕ_Ｒｅｆの出力電圧と比較する。演算増幅器ＯＰの出力信号はトランジスタＴ_６の制御入力部に供給され、トランジスタＴ_６はトランジスタＴ_７およびＴ_８からなる電流ミラー回路ならびに両方の抵抗器Ｒ_１およびＲ_２を制御する。抵抗器Ｒ_０における電圧降下が参照電圧Ｕ_Ｒｅｆによって供給された電圧を超えた場合には、演算増幅器ＯＰによってトランジスタＴ_６がアクティブ制御され、これにより電流ミラー回路はバイパス電流Ｉ_Ｂを設定する。したがって、バイパス電流Ｉ_Ｂはシャント抵抗器Ｒｓを通る電流と並列に流れる。このようにして、抵抗器Ｒ_０を介した電圧降下が参照電圧源Ｕ_Ｒｅｆの電圧よりも大きくなるとすぐに、バイパス電流Ｉ_Ｂの分だけシャント抵抗Ｒｓを通る電流が低減されるように、測定電流Ｉ_Ｓが分配される。したがって、この場合にはもはや測定電流Ｉ_Ｓの上昇に伴って、シャント抵抗器Ｒ_Ｓを介して電圧Ｕ_Ｓが総測定電流Ｉ_Ｓに比例して上昇することはない。この場合、むしろ電圧降下はバイパス電流Ｉ_Ｂに比例する分だけ低減される。このようにして、測定電流Ｉ_Ｓが大きい場合にはシャント抵抗器Ｒ_Ｓを通る電流は低減され、ひいてはシャント抵抗器Ｒ_Ｓを介した電圧上昇も適宜に低減される。続いて電流検出装置１０の出力信号を評価する場合に、総測定電流Ｉ_Ｓ、ひいては電力経路の電流Ｉ_Ｅを推定するために、測定電流Ｉ_Ｓが上昇した場合に低減された出力信号の経過を考慮し、補正することができる。

図２は、測定電流Ｉ_Ｓと、シャント抵抗器Ｒ_Ｓを介した電圧降下Ｕ_Ｓとの間の関係を示す概略的な電流‐電圧線図である。この場合、第１範囲Ｉでは電圧上昇は、最初は完全に測定電流Ｉ_Ｓに比例している。測定電流Ｉ_Ｓが所定の限界値を超えた場合には、バイパス装置１２にバイパス電流Ｉ_Ｂが流れ始める。これにより、電流‐電圧特性線の勾配は範囲IIにおいて減少する。このようにして、第１範囲Ｉに比較的大きい感度を設けることが可能であり、測定電流Ｉ_Ｓが比較的小さい場合には電流‐電圧特性線の大きい勾配が得られる。これにより、測定電流Ｉ_Ｓが比較的小さい場合には小さい電流を極めて良好に分解し、正確に評価することが可能となる。さらに、測定電流Ｉ_Ｓが比較的大きい場合には第２範囲IIで電流‐電圧特性線の勾配を低減することができ、これにより、測定電流Ｉ_Ｓが比較的大きい場合にも過剰に大きい出力信号が生じることがない。したがって、測定電流Ｉ_Ｓの極めて大きい動特性範囲にわたって、出力信号Ｕ_Ｓの動特性範囲が小さくなり、それにもかかわらず、この動特性範囲で比較的小さい測定電流Ｉ_Ｓを極めて良好に分解することができる。

さらなる最適化のために、電流‐電圧特性線の単一の折れ目ではなく、電流‐電圧特性線の勾配がそれぞれ異なる３つ以上の部分範囲を設けることも可能である。このために、図１に示した回路装置を、例えば複数のバイパス分岐によって拡張してもよいし、または１つの共通のバイパス分岐でそれぞれ個別に制御する複数の参照電圧を比較してもよい。さらに電流‐電圧特性線の複数の部分範囲の勾配を調整するために他の選択肢を用いることも同様に可能である。

測定電流Ｉ_Ｓが極めて高い場合にも電流検出装置１０に過剰な負荷を加えないように、シャント抵抗器Ｒ_Ｓを流れる最大電流を所定の最大値に制限してもよい。この場合、バイパス装置１２は、さらに上昇した測定電流Ｉ_Ｓが完全にバイパス分岐を介して流れ、電流測定装置１１を通る電流をさらに上昇させないように構成されている。

図３は、電力経路の電流に対応する電流をもたらす測定経路の電流を検出する方法１００の一実施形態の基礎をなす概略的なフロー図を示す。この場合、方法１００は、まず測定経路に電流装置を配置するためのステップ１１０を含む。さらにステップ１２０では、バイパス装置が測定経路に配置される。

ステップ１３０では、さらに測定経路の電流の関数としてバイパス装置１２を通る電流が設定される。続いてステップ１３０では、電流測定装置を通る電流が検出される。検出された電流に応じて適切な出力信号を出力することができる。これに続いて、電流測定装置１１によって検出されないバイパス電流を補正し、適切な伝達率を用いて電力経路の電流Ｉ_Ｅを推定するために、出力信号のスケーリングを行ってもよい。

要約すれば、本発明は、測定経路の電流を検出するための方法および装置に関し、この測定経路の電流は電力経路の電流に対応している。この場合、電流測定装置によって測定経路で電流が検出され、同時にバイパス装置によって電流の一部が電流測定装置に並列して伝送され、これにより電流測定装置の負荷が減少される。

Claims (10)

1. 電力経路の電流（Ｉ_Ｅ）に対応する電流をもたらす測定経路の電流（Ｉ_Ｓ）を検出するための電流検出装置（１０）において、
   電流検出装置（１０）が、
   測定経路に配置された電流測定装置（１１）であって、該電流測定装置（１１）を通って流れる電流に対応する出力信号を供給するように構成された電流測定装置（１１）と；
   バイパス電流（Ｉ_Ｂ）を設定するように構成されたバイパス装置（１２）と
   を備え、
   バイパス電流（Ｉ_Ｂ）が、測定電流（Ｉ_Ｓ）の関数として設定され、バイパス装置（１２）が前記電流測定装置（１１）に並列して配置されている電流検出装置（１０）。
2. 請求項１に記載の電流検出装置（１０）において、
   前記バイパス装置（１２）が、測定電流（Ｉ_Ｓ）が所定の第１閾値未満となった場合には、バイパス電流が前記バイパス装置（１２）を通って流れないように構成されている電流検出装置（１０）。
3. 請求項１または２に記載の電流検出装置（１０）において、
   前記バイパス装置（１２）が、測定電流（Ｉ_Ｓ）が所定の第２閾値を超えた場合には、前記電流測定装置（１１）に並列して前記バイパス電流（Ｉ_Ｂ）を設定するように構成されている電流検出装置（１０）。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の電流検出装置（１０）において、
   前記バイパス装置（１２）が、前記電流測定装置（１１）の出力信号の関数として前記バイパス電流（Ｉ_Ｂ）を調整するように構成されている電流検出装置（１０）。
5. 前記請求項１から４までのいずれか一項に記載の電流検出装置（１０）において、
   前記バイパス装置（１２）が、前記電流測定装置（１１）を通る電流を所定の最大限界値に制限するように構成されている電流検出装置（１０）。
6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の電流検出装置（１０）において、
   前記バイパス装置（１２）が参照電圧源（Ｕ_Ｒｅｆ）を含み、該参照電圧源（Ｕ_Ｒｅｆ）が、所定の参照電圧を供給するように構成されており、バイパス装置（１２）が、電圧信号と、参照電圧源（Ｕ_Ｒｅｆ）によって供給された参照電圧とを比較し、比較に応じて、前記電流測定装置（１１）に並列してバイパス電流（Ｉ_Ｂ）を設定するように構成されている電流検出装置（１０）。
7. 請求項６に記載の電流検出装置（１０）において、
   前記バイパス装置（１２）が電流ミラー回路を含み、
   前記バイパス装置（１２）が、電圧信号と参照電圧との比較に基づいて電流ミラー回路を制御する電流検出装置（１０）。
8. 電流（Ｉ_Ｅ）を供給するための回路装置（１）において、
   電力経路に電流（Ｉ_Ｅ）を供給し、供給された電流（Ｉ_Ｅ）に対応する測定電流（Ｉ_Ｓ）を測定経路に供給するように構成された電流制御装置（２０）と；
   請求項１から７までのいずれか一項に記載の電流検出装置（１０）と
   を備える回路装置（１）。
9. 請求項８に記載の回路装置（１）において、
   前記電流制御装置（２０）が、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含む回路装置（１）。
10. 電力経路の電流に対応する電流をもたらす測定経路の電流を検出する方法（１００）であって、方法（１００）が、
    測定経路に電流測定装置（１１）を配置するステップ（１１０）と；
    測定経路にバイパス装置（１２）を配置するステップ（１２０）と；
    測定経路に流れる電流に応じて、前記電流測定装置（１１）に並列してバイパス装置を通って流れる電流（Ｉ_Ｂ）を設定するステップ（１３０）と；
    電流測定装置（１１）を通って流れる電流を検出するステップ（１４０）と
    を含む方法（１００）。

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