JP2009257811A - 電流検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】オペアンプを用いて高精度に電流を検出する。
【解決手段】シャント抵抗３２の両端の電位差を、第１のオペアンプ１２が増幅率で電圧Ｖ１に増幅し、第２のオペアンプ２２が増幅率で電圧Ｖ２に増幅する。増幅された電圧Ｖ１が電圧閾値ＶＴ以下の場合には、高い増幅率で増幅された電圧Ｖ１に基づいて求められる電流値を電流Ｉｄｃとして採用し、電圧Ｖ１が電圧閾値ＶＴよりも高い場合には、低い増幅率で増幅された電圧Ｖ２に基づいて求められた電流値を電流Ｉｄｃとして採用する。
【選択図】図２

Description

本発明は電流検出回路に関する。

インバータからの電流を検出する技術としてオペアンプを用いて安価で簡単に検出する技術が提案されているが、オペアンプを用いて電流を検出する場合には、オペアンプの出力電圧が入力されるマイコンの電源電圧、マイコンのＬＳＢ（Least Significant Bit；最下位ビット）誤差及び抵抗誤差等のバラツキによる誤差が生じる。また、マイコンに入力する電圧が小さいほどその誤差は大きくなる。

このような課題を解決すべく下掲の特許文献１には、インバータを制御するための電流指令値の大きさに基づいて増幅率を可変とするオペアンプを採用した技術が開示されている。

特開平１０−１３２８６１号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている技術では、電流指令値なる、いわゆる参照電圧をコンパレータに入力し、当該コンパレータの出力に基づいて増幅率を変更しなければならない。増幅率の変更はオペアンプの帰還抵抗の一部を短絡するか否かで決定しているので、コンパレータの誤作動や、帰還抵抗を短絡するためのスイッチの動作不良等が懸念される。

また、検出される電流が、増幅率を変更するための電流閾値の近傍である場合には、チャタリングの発生を抑制するために更なる工夫、具体的には増幅率を変更するためのスイッチの切替えタイミングにヒステリシス特性をもたせることが必要となる。

本発明は上記課題に鑑み、オペアンプを用いて高精度に電流を検出する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、第１の発明は、電流経路と直列に接続された抵抗（３２）と、前記抵抗の両端の電圧を第１の増幅率（Ｇ１）で増幅する第１のオペアンプ（１２）と、前記第１のオペアンプからの第１の出力電圧（Ｖ１）に基づいて第１の電流値（Ｉ１）を得、前記電流経路に流れる電流を検出する第１の検出部（１８）と、前記電圧を前記第１の増幅率よりも小さい第２の増幅率（Ｇ２）で増幅する第２のオペアンプ（２２）と、前記第２のオペアンプからの第２の出力電圧（Ｖ２）に基づいて第２の電流値（Ｉ２）を得、前記電流経路に流れる電流を検出する第２の検出部（２８）と、予め定められた電圧閾値（ＶＴ）を格納する記憶部（３４）と、前記第１の出力電圧が前記電圧閾値以下の場合には前記第１の電流値をもって前記電流経路に流れる電流値と判断し、前記第１の出力電圧が前記電圧閾値よりも高い場合には前記第２の電流値をもって前記電流経路に流れる電流値と判断する判断部（３６）とを備える、電流検出回路（１）である。

第２の発明は、電流経路と直列に接続された抵抗（３２）と、前記抵抗の両端の電圧を第１の増幅率（Ｇ１）で増幅する第１のオペアンプ（１２）と、前記第１のオペアンプからの第１の出力電圧（Ｖ１）に基づいて第１の電流値（Ｉ１）を得、前記電流経路に流れる電流を検出する第１の検出部（１８）と、前記電圧を前記第１の増幅率よりも小さい第２の増幅率（Ｇ２）で増幅する第２のオペアンプ（２２）と、前記第２のオペアンプからの第２の出力電圧（Ｖ２）に基づいて第２の電流値（Ｉ２）を得、前記電流経路に流れる電流を検出する第２の検出部（２８）と、予め定められた電流閾値（ＣＴ）を格納する記憶部（３４Ａ）と、前記第１の電流値が前記電流閾値以下の場合には前記第１の電流値をもって前記電流経路に流れる電流値と判断し、前記第１の電流値が前記電流閾値よりも高い場合には前記第２の電流値をもって前記電流経路に流れる電流値と判断する判断部（３６Ａ）とを備える、電流検出回路（１Ａ）である。

第１の発明によれば、オペアンプに入力される電圧が低い場合には高い増幅率で増幅した電圧に基づいて電流検出を行い、当該電圧が高い場合には低い増幅率で増幅した電圧に基づいて電流検出を行うので、単一のオペアンプでは生じ得る誤差を抑制しつつ簡単な回路構成で電流を高精度に検出できる。特に、電圧閾値を記憶しているので、参照電圧の入力が必要なコンパレータを必要としない。

第２の発明によれば、第１の検出部で検出する電流値が低い場合には高い増幅率で増幅した電圧に基づいて電流検出を行い、当該電流値が高い場合には低い増幅率で増幅した電圧に基づいて電流検出を行うので、単一のオペアンプでは生じ得る誤差を抑制しつつ簡単な回路構成で電流を高精度に検出できる。特に、電流閾値を記憶しているので、参照電圧の入力が必要なコンパレータを必要としない。

以下、本発明の好適な態様について、図面を参照しながら説明する。なお、図１を初めとする以下の図には、本発明に関係する要素のみを示す。

〈インバータ回路１００の構成〉
図１は本発明の電流検出回路１が搭載されるインバータ回路１００の構成を例示する図である。インバータ回路１００は例えば商用電源２００を用いて負荷であるモータ３００を制御する。

商用電源２００からの交流電流はダイオードブリッジが採用されたコンバータ部１０２に入力されて整流され、直流電流が得られる。得られた直流電流はその脈動（リプル）は平滑用コンデンサ１０４で低減され、平滑用コンデンサ１０４の両端電圧がインバータ部１０６に印加される。インバータ部１０６は例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor；絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等の半導体スイッチング素子によって所望の三相交流を生成し、モータ３００を駆動する。

このようなインバータ回路１００においては、過電流保護及び過電圧保護等を目的として適宜の位置に電流検出回路１及び電圧検出回路２が配設され、それぞれの検出値は制御部（図示省略）に入力される。具体的には電流検出回路１が有する電流センサがコンバータ部１０２とインバータ部１０６との間での電流経路に配設され、電圧検出回路２が有する電圧センサが平滑用コンデンサ１０４と並列に配設される。

電流検出回路１及び電圧検出回路２には直流電源１１０から給電されて、それぞれ電流又は電圧を検出する。

〈電流検出回路１の構成〉
図２は電流検出回路１の回路構成を例示する図である。電流検出回路１では電流経路に直列に接続された電流センサたるシャント抵抗３２の両端の電位に基づいてマイコン５０が電流値を計測する。

シャント抵抗３２は電流Ｉｄｃが流れる電流経路上の点Ｐ１，Ｐ２間に接続されており、２点Ｐ１，Ｐ２間の電圧がそれぞれ２つのオペアンプ１２，２２に入力される。具体的には、第１のオペアンプ１２の正側入力端子１３にはシャント抵抗３２の高電圧側の点Ｐ１での電圧が入力される。また、第１のオペアンプ１２の負側入力端子１４にはシャント抵抗３２の低電圧側の点Ｐ２での電圧が入力抵抗１１を介して入力される。オペアンプ１２の出力と負側入力端子１４との間には帰還抵抗１５が接続されている。

また、第２のオペアンプ２２の正側入力端子２３には点Ｐ１での電圧が入力され、負側入力端子２４には点Ｐ２での電圧が入力抵抗２１を介して入力される。オペアンプ２２の出力と負側入力端子２４との間には帰還抵抗２５が接続されている。

換言すれば、第１のオペアンプ１２及び第２のオペアンプ２２のそれぞれは、入力抵抗１１，２１及び帰還抵抗１５，２５とともに反転増幅回路１０，２０を形成している。これら反転増幅回路１０，２０の増幅率Ｇ１，Ｇ２は互いに異なっており、したがって、シャント抵抗３２を流れる電流Ｉｄｃを異なる増幅率Ｇ１，Ｇ２で増幅する。第１の反転増幅回路１０の増幅率Ｇ１が第２の反転増幅回路２０の増幅率Ｇ２よりも大きい。

第１の反転増幅回路１０で増幅された電圧から、抵抗１６及びコンデンサ１７を含むローパスフィルタ１８で高周波ノイズの除去及び、平滑化されて生成された電圧Ｖ１はマイコン５０に入力される。第２の反転増幅回路２０で増幅された電圧から、抵抗２６及びコンデンサ２７を含むローパスフィルタ２８で高周波ノイズの除去及び、平滑化されて生成された電圧Ｖ２もマイコン５０に入力される。

図３はマイコン５０の機能を説明する図である。マイコン５０は第１の反転増幅回路１０から入力された電圧Ｖ１と、記憶部３４に格納された電圧閾値ＶＴとを比較し、比較結果に基づいて電流Ｉｄｃの電流値を決定する。

具体的には、電圧Ｖ１が電圧閾値ＶＴ以下であると判断部３６によって判断された場合には、第１検出部１８が電圧Ｖ１に基づいて電流値Ｉ１を取得し、電流値Ｉ１が電流Ｉｄｃの電流値と判断する。

また、電圧Ｖ１が電圧閾値ＶＴよりも高い場合と判断部３６によって判断された場合には、第２検出部２８が電圧Ｖ２に基づいて電流値Ｉ２を取得し、電流Ｉ２が電流Ｉｄｃの電流値と判断する。

なお、電圧Ｖ１から電流値Ｉ１への変換、及び電圧Ｖ２から電流値Ｉ２への変換は、それぞれ第１検出部１８及び第２検出部２８が、入力される電圧Ｖ１，Ｖ２とそれらに対応する電流値Ｉ１，Ｉ２のデータテーブルを保持し、当該テーブルを参照して電流値Ｉ１，Ｉ２を得ても良いし、シャント抵抗３２の抵抗値、増幅率Ｇ１，Ｇ２及び電圧Ｖ１，Ｖ２等をパラメータとして算出するようにしても良い。

以上のようなマイコン５０の機能をまとめると図４のようになる。

図４はマイコン５０への入力電圧Ｖ１，Ｖ２と電流値Ｉ１，Ｉ２の関係を示す図である。ここで、増幅率Ｇ１で増幅された入力電圧Ｖ１と電流値Ｉ１との関数を線Ｌ１とし、増幅率Ｇ２で増幅された入力電圧Ｖ２と電流値Ｉ２との関数を線Ｌ２としている。また、線Ｌ１は縦軸を入力電圧Ｖ１、横軸を電流値Ｉ１とし、線Ｌ２は縦軸を入力電圧Ｖ２、横軸を電流値Ｉ２としている。図４に示す如く、マイコン５０に入力される電圧Ｖ１が電圧閾値ＶＴ以下の場合には、増幅率Ｇ１で増幅された電圧Ｖ１に対応する電流値Ｉ１を電流Ｉｄｃの電流値として採用し、マイコン５０に入力される電圧Ｖ１が電圧閾値ＶＴよりも高い場合には、増幅率Ｇ２で増幅された電圧Ｖ２に対応する電流値Ｉ２を電流Ｉｄｃの電流値として採用する。なお、図４では、電流Ｉｄｃの電流値として採用される電流値Ｉ１又は電流値Ｉ２のグラフを太線で示した。

このように、第１のオペアンプ１２及び第２のオペアンプ２２に入力される電圧が低い場合には高い増幅率Ｇ１で増幅した電圧に基づいて電流検出を行い、当該電圧が高い場合には低い増幅率Ｇ２で増幅した電圧に基づいて電流検出を行うので、単一のオペアンプでは生じ得る誤差を抑制しつつ簡単な回路構成で電流Ｉｄｃを高精度に検出できる。特に、電圧閾値ＶＴを記憶しているので、参照電圧の入力が必要なコンパレータを必要としない。

〈動作〉
図５は電流検出回路１の動作を説明するフローチャートである。電流検出回路１は以上のような構成を備えることにより、以下のような動作を行う。なお、本フローチャートでは、電流検出回路１が電流Ｉｄｃの電流値を検出するための動作のみを示し、その他の処理動作については図示及び説明を省略する。また、特に断りのない限り、電流検出回路１の処理動作は、マイコン５０の制御下で自動的に行われる。

シャント抵抗３２に電流Ｉｄｃが流れると、点Ｐ１，Ｐ２間の電位差を第１のオペアンプ１２及び第２のオペアンプ２２がそれぞれ増幅率Ｇ１，Ｇ２で増幅する（ステップＳ１１）。

第１のオペアンプ１２で増幅された電圧は、抵抗１６及びコンデンサ１７で構成されるローパスフィルタ１８を経て電圧Ｖ１を得、マイコン５０に入力する。また、第２のオペアンプ２２で増幅された電圧は、抵抗２６及びコンデンサ２７で構成されるローパスフィルタ２８を経て電圧Ｖ２を得、マイコン５０に入力する（ステップＳ１２）。

マイコン５０の判断部３６は入力された電圧Ｖ１と電圧閾値ＶＴとを比較し、電圧Ｖ１が電圧閾値ＶＴ以下か否かを判断する（ステップＳ１３）。

電圧Ｖ１が電圧閾値ＶＴ以下であると判断された場合には、ステップＳ１３においてＹｅｓを選択し、第１検出部１８によって取得される電流値Ｉ１をもって電流Ｉｄｃの電流値とする（ステップＳ１４）。一方、電圧Ｖ１が電圧閾値ＶＴよりも高い場合には、ステップＳ１３においてＮｏを選択し、第２検出部２８によって取得される電流値Ｉ２をもって電流Ｉｄｃの電流値とする（ステップＳ１５）。

〈変形例〉
以上、本発明の好適な態様について説明したが本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態ではマイコン５０に入力される電圧Ｖ１と電圧閾値ＶＴとの比較に基づいていずれかの電流値Ｉ１，Ｉ２を採用する態様について説明したが、電流検出回路１と略同様の構成を備える電流検出回路１Ａ（図１参照）が電流閾値ＣＴに基づいて電流値Ｉ１，Ｉ２のいずれかを採用しても良い。

〈マイコン５０Ａの機能〉
図６は変形例に係るマイコン５０Ａの機能を説明する図である。マイコン５０Ａに入力される電圧Ｖ１，Ｖ２はそれぞれ第１検出部１８Ａ及び第２検出部２８Ａに入力され、第１検出部１８Ａ及び第２検出部２８Ａが電流値Ｉ１，Ｉ２をそれぞれ取得する。そして、判断部３６Ａが、記憶部３４Ａに格納された電流閾値ＣＴと電流値Ｉ１とを比較し、電流値Ｉ１が電流閾値ＣＴ以下の場合には電流値Ｉ１をもって電流Ｉｄｃの電流値として決定し、電流値Ｉ２が電流閾値ＣＴよりも高い場合には電流値Ｉ２をもって電流Ｉｄｃの電流値として決定する。

このようなマイコン５０Ａの機能をまとめると図７のようになる。

図７はマイコン５０Ａへの入力電圧Ｖ１と電流値Ｉ１，Ｉ２の関係を示す図である。ここで、増幅率Ｇ１で増幅された入力電圧Ｖ１と電流値Ｉ１との関数を線Ｌ３で示し、増幅率Ｇ２で増幅された入力電圧Ｖ２と電流値Ｉ２との関数を線Ｌ４で示している。また、線Ｌ３１は縦軸を入力電圧Ｖ１、横軸を電流値Ｉ１とし、線Ｌ４は縦軸を入力電圧Ｖ２、横軸を電流値Ｉ２としている。図７に示す如く、マイコン５０Ａに入力される電圧Ｖ１が電流閾値ＣＴに対応する電圧値以下の場合には、増幅率Ｇ１で増幅された電圧Ｖ１に対応する電流値Ｉ１を電流Ｉｄｃの電流値として採用し、マイコン５０Ａに入力される電圧Ｖ１が電流閾値ＣＴに対応する電圧値よりも高い場合には、増幅率Ｇ２で増幅された電圧Ｖ２に対応する電流値Ｉ２を電流Ｉｄｃの電流値として採用する。なお、図７では、電流Ｉｄｃの電流値として採用される電流値Ｉ１又は電流値Ｉ２のグラフを太線で示した。

このように、電流Ｉｄｃの電流値として、第１検出部１８Ａで検出する電流値Ｉ１が低い場合には高い増幅率Ｇ１で増幅した電圧Ｖ１に基づいて取得した電流値Ｉ１を採用し、電流値Ｉ１が高い場合には低い増幅率Ｇ２で増幅した電圧Ｖ２に基づいて取得した電流値Ｉ２を採用するので、単一のオペアンプでは生じ得る誤差を抑制しつつ簡単な回路構成で電流Ｉｄｃを高精度に検出できる。特に、電流閾値ＣＴを記憶しているので、参照電圧の入力が必要なコンパレータを必要としない。

〈動作〉
図８は電流検出回路１Ａの動作を説明するフローチャートである。電流検出回路１Ａは以上のような機能を備えることにより、以下のような動作を行う。なお、本フローチャートでも、電流検出回路１Ａが電流Ｉｄｃを検出するための動作のみを示し、その他の処理動作については図示及び説明を省略する。また、特に断りのない限り、電流検出回路１Ａの処理動作は、マイコン５０Ａの制御下で自動的に行われる。

シャント抵抗３２に電流Ｉｄｃが流れると、点Ｐ１，Ｐ２間の電位差を第１のオペアンプ１２及び第２のオペアンプ２２がそれぞれ増幅率Ｇ１，Ｇ２で増幅する（ステップＳ２１）。

第１のオペアンプ１２で増幅された電圧から抵抗１６及びコンデンサ１７を用いて電圧Ｖ１を得、マイコン５０Ａに入力する。また、第２のオペアンプ２２で増幅された電圧から抵抗２６及びコンデンサ２７を用いて電圧Ｖ２を得、マイコン５０Ａに入力する（ステップＳ２２）。

第１検出部１８Ａは入力された電圧Ｖ１から電流値Ｉ１を取得し、第２検出部２８Ａは入力された電圧Ｖ２から電流値Ｉ２を取得する（ステップＳ２３）。

判断部３６Ａは電流値Ｉ１と電流閾値ＣＴとを比較し、電流値Ｉ１が電流閾値ＣＴ以下か否かを判断する（ステップＳ２４）。

電流値Ｉ１が電流閾値ＣＴ以下であると判断された場合には、ステップＳ２４においてＹｅｓを選択し、第１検出部１８Ａによって取得された電流値Ｉ１をもって電流Ｉｄｃの電流値とする（ステップＳ２５）。一方、電流値Ｉ１が電流閾値ＣＴよりも高い場合には、ステップＳ２４においてＮｏを選択し、第２検出部２８Ａによって取得された電流値Ｉ２をもって電流Ｉｄｃの電流値とする（ステップＳ２６）。

本発明の電流検出回路が搭載されるインバータ回路の構成を例示する図である。 電流検出回路の回路構成を例示する図である。 マイコンの機能を説明する図である。 マイコンへの入力電圧と電流値の関係を示す図である。 電流検出回路の動作を説明するフローチャートである。 変形例に係るマイコンの機能を説明する図である。 マイコンへの入力電圧と電流値の関係を示す図である。 電流検出回路の動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１，１Ａ 電流検出回路
１２，２２ オペアンプ
１８，２８ 検出部
３２ 抵抗
３４，３４Ａ 記憶部
３６，３６Ａ 判断部
ＣＴ 電流閾値
Ｇ１，Ｇ２ 増幅率
Ｉ１，Ｉ２ 電流値
Ｖ１，Ｖ２ 出力電圧
ＶＴ 電圧閾値

Claims (2)

1. 電流経路と直列に接続された抵抗（３２）と、
   前記抵抗の両端の電圧を第１の増幅率（Ｇ１）で増幅する第１のオペアンプ（１２）と、
   前記第１のオペアンプからの第１の出力電圧（Ｖ１）に基づいて第１の電流値（Ｉ１）を得、前記電流経路に流れる電流を検出する第１の検出部（１８）と、
   前記電圧を前記第１の増幅率よりも小さい第２の増幅率（Ｇ２）で増幅する第２のオペアンプ（２２）と、
   前記第２のオペアンプからの第２の出力電圧（Ｖ２）に基づいて第２の電流値（Ｉ２）を得、前記電流経路に流れる電流を検出する第２の検出部（２８）と、
   予め定められた電圧閾値（ＶＴ）を格納する記憶部（３４）と、
   前記第１の出力電圧が前記電圧閾値以下の場合には前記第１の電流値をもって前記電流経路に流れる電流値と判断し、前記第１の出力電圧が前記電圧閾値よりも高い場合には前記第２の電流値をもって前記電流経路に流れる電流値と判断する判断部（３６）と
   を備える、電流検出回路（１）。
2. 電流経路と直列に接続された抵抗（３２）と、
   前記抵抗の両端の電圧を第１の増幅率（Ｇ１）で増幅する第１のオペアンプ（１２）と、
   前記第１のオペアンプからの第１の出力電圧（Ｖ１）に基づいて第１の電流値（Ｉ１）を得、前記電流経路に流れる電流を検出する第１の検出部（１８）と、
   前記電圧を前記第１の増幅率よりも小さい第２の増幅率（Ｇ２）で増幅する第２のオペアンプ（２２）と、
   前記第２のオペアンプからの第２の出力電圧（Ｖ２）に基づいて第２の電流値（Ｉ２）を得、前記電流経路に流れる電流を検出する第２の検出部（２８）と、
   予め定められた電流閾値（ＣＴ）を格納する記憶部（３４Ａ）と、
   前記第１の電流値が前記電流閾値以下の場合には前記第１の電流値をもって前記電流経路に流れる電流値と判断し、前記第１の電流値が前記電流閾値よりも高い場合には前記第２の電流値をもって前記電流経路に流れる電流値と判断する判断部（３６Ａ）と
   を備える、電流検出回路（１Ａ）。

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