JP2016212005A - Current detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回路に流れる電流を検出する電流検出装置に関する。 The present invention relates to a current detection device that detects a current flowing in a circuit.
従来、電流検出装置の一種として、過電流判定値のばらつきと温度依存性とを緩和ないし解消する半導体装置が知られている(特許文献1参照)。図3は、図示しない半導体パワーモジュールに組み込まれた半導体装置の回路構成を示す図である。半導体装置は、半導体素子Q、電流検出抵抗R1、電流保護判定回路1、ゲート駆動回路2、過電流判定基準電源6及び調整抵抗R2を備える。
2. Description of the Related Art Conventionally, a semiconductor device that relaxes or eliminates variations in overcurrent determination values and temperature dependence is known as a type of current detection device (see Patent Document 1). FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration of a semiconductor device incorporated in a semiconductor power module (not shown). The semiconductor device includes a semiconductor element Q, a current detection resistor R1, a current
半導体素子Qは、例えばIGBT素子からなり、入力端子3からコレクタに供給される主電流Icに対し、所定の分流率で与えられるセンス電流Isをセンス端子7から出力するセル分離構造を有し、マルチエミッタとして実現されている。
The semiconductor element Q is composed of, for example, an IGBT element, and has a cell isolation structure that outputs a sense current Is given at a predetermined shunt ratio from the
半導体素子Qのゲートはゲート駆動回路2に接続され、半導体素子Qの一方のエミッタはメイン素子として機能し接地されている。半導体素子Qの他方のエミッタはセンス素子として機能し、センス端子7及び電流検出抵抗R1を介して接地されている。
The gate of the semiconductor element Q is connected to the
電流保護判定回路1は、コンパレータC1からなる。コンパレータC1の一方の入力端子には電流検出抵抗R1の電圧V1が入力され、他方の入力端子には過電流判定基準電源6からの基準電圧Vrefが入力される。コンパレータC1は、センス電流Isに応じた電圧V1と基準電圧Vrefとを比較し、電圧V1が基準電圧Vrefより大きくなった場合にゲート遮断信号をゲート駆動回路2に出力する。
The current
ゲート駆動回路2は、電流保護判定回路1からゲート遮断信号を入力しない場合に、入力端子4から入力されたゲート駆動信号を半導体素子Qのゲートに出力し、半導体素子Qをオンさせる。過電流判定基準電源6は、直流電源5の電圧を調整抵抗R2で設定された値に応じた電圧に変換し、基準電圧Vrefとして出力する。
When the gate cutoff signal is not input from the current
コンパレータC1は、センス電流Isの分流率や電流検出抵抗R1の抵抗値のばらつきによって半導体装置毎にばらつきを有する電圧V1と、調整抵抗R2によって適切に調整された後の基準電圧Vrefとを比較することにより、主電流Icのレベルが本来の過電流判定レベルに達したか否かを判定する。 The comparator C1 compares a voltage V1 having a variation for each semiconductor device due to a variation in the current shunting ratio of the sense current Is and a resistance value of the current detection resistor R1, and the reference voltage Vref after being appropriately adjusted by the adjustment resistor R2. Thus, it is determined whether or not the level of the main current Ic has reached the original overcurrent determination level.
即ち、コンパレータC1は、電圧V1が予め定められた判定時間(例えば10ms)内だけ基準電圧Vref以上にあることを検出した場合には、主電流Icのレベルが過電流判定レベル以上にあると判定して、ゲート遮断信号をゲート駆動回路2に出力する。これにより、ゲート駆動回路2は半導体素子Qのゲートの駆動を停止する。
That is, when the comparator C1 detects that the voltage V1 is equal to or higher than the reference voltage Vref only within a predetermined determination time (for example, 10 ms), it determines that the level of the main current Ic is equal to or higher than the overcurrent determination level. Then, the gate cutoff signal is output to the
しかしながら、上述した従来の電流検出装置では、電流検出抵抗R1の影響によって、メイン素子のゲート−エミッタ間の電圧とセンス素子のゲート−エミッタ間の電圧が異なってしまう。このため、メイン素子とセンス素子との動作点が異なり、電流検出の精度が悪くなる。 However, in the above-described conventional current detection device, the voltage between the gate and the emitter of the main element and the voltage between the gate and the emitter of the sense element are different due to the influence of the current detection resistor R1. For this reason, the operating points of the main element and the sense element are different, and the accuracy of current detection is deteriorated.
また、電流検出装置は、電流依存性が高く、メイン電流Icが大きくなればなるほど、メイン素子のゲート−エミッタ間の電圧とセンス素子のゲート−エミッタ間の電圧差が大きくなり、電流検出の精度が悪化する。 In addition, the current detection device has a high current dependency, and as the main current Ic increases, the voltage difference between the gate-emitter voltage of the main element and the gate-emitter voltage of the sense element increases. Gets worse.
本発明の課題は、電流検出の精度の悪化を防止できる電流検出装置を提供することにある。 The subject of this invention is providing the electric current detection apparatus which can prevent the deterioration of the precision of electric current detection.
上記課題を解決するために、本発明に係る電流検出装置は、第1のソースと第1のドレインと第1のゲートとを有し、前記第1のソースに所定の電流を流すメイン素子と、第2のソースと第2のドレインと第2のゲートとを有し、前記第2のゲートが前記メイン素子の第1のゲートに接続され前記メイン素子の第1のソースに流れる電流と所定の電流比の電流を前記第2のソースに流すセンス素子と、前記メイン素子の第1のソース電位とセンス素子の第2のソース電位とを同電位にする電位制御部とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a current detection device according to the present invention includes a main element having a first source, a first drain, and a first gate, and supplying a predetermined current to the first source. , A second source, a second drain, and a second gate, the second gate being connected to the first gate of the main element, and a predetermined current flowing through the first source of the main element A sense element that causes a current of a current ratio to flow to the second source, and a potential control unit that sets the first source potential of the main element and the second source potential of the sense element to the same potential. And
本発明によれば、メイン素子の第1のソース電位とセンス素子の第2のソース電位とを同電位にすることにより、メイン素子とセンス素子の動作点を同じにすることができるので、電流検出の精度の悪化を防止可能な電流検出装置を提供できる。 According to the present invention, by setting the first source potential of the main element and the second source potential of the sense element to the same potential, the operating points of the main element and the sense element can be made the same. It is possible to provide a current detection device capable of preventing deterioration in detection accuracy.
以下、本発明の実施の形態に係る電流検出装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, a current detection device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例1に係る電流検出装置の構成を示す図である。この電流検出装置は、バッテリ端子B、バッテリBAT、メイン素子Q1、センス素子Q2、界磁電流出力端子F、オペアンプOP、半導体素子Q3、電流検出抵抗VR、A/D変換器10及び検出電流値出力端子Cを備えている。
1 is a diagram illustrating a configuration of a current detection device according to a first embodiment of the present invention. This current detection device includes a battery terminal B, a battery BAT, a main element Q1, a sense element Q2, a field current output terminal F, an operational amplifier OP, a semiconductor element Q3, a current detection resistor VR, an A /
バッテリ端子Bは直流電力の入出力に使用される。バッテリ端子BにはバッテリBATの正極が接続されるとともに、メイン素子Q1のドレイン及びセンス素子Q2のドレインが接続されている。 The battery terminal B is used for DC power input / output. The battery terminal B is connected to the positive electrode of the battery BAT, and is connected to the drain of the main element Q1 and the drain of the sense element Q2.
バッテリBATは、例えば12ボルトの蓄電池からなり、正極はバッテリ端子Bに接続され、負極は接地されている。バッテリBATは、バッテリ端子Bを介して充放電される。 The battery BAT is made of, for example, a 12-volt storage battery, the positive electrode is connected to the battery terminal B, and the negative electrode is grounded. The battery BAT is charged and discharged via the battery terminal B.
メイン素子Q1は、負荷(オペアンプOP及び界磁電流出力端子Fに接続された外部の素子)への通電経路をオン/オフするnチャネル型パワーMOSFETからなる。このnチャネル型パワーMOSFETは、ソース(第1のソース)とドレイン(第1のドレイン)とゲート(第1のゲート)とを有している。 The main element Q1 is composed of an n-channel power MOSFET that turns on / off a current path to a load (an external element connected to the operational amplifier OP and the field current output terminal F). This n-channel power MOSFET has a source (first source), a drain (first drain), and a gate (first gate).
センス素子Q2は、負荷(オペアンプOP及び半導体素子Q3)への通電経路をオン/オフするnチャネル型パワーMOSFETから構成されている。このnチャネル型パワーMOSFETは、ソース(第2のソース)とドレイン(第2のドレイン)とゲート(第2のゲート)とを有している。 The sense element Q2 is composed of an n-channel power MOSFET that turns on / off a current path to a load (the operational amplifier OP and the semiconductor element Q3). This n-channel power MOSFET has a source (second source), a drain (second drain), and a gate (second gate).
メイン素子Q1及びセンス素子Q2のゲートは共通接続され、ドレインはバッテリBATの正極に共通に接続されている。メイン素子Q1とセンス素子Q2とにより、電流比(ミラー比)が1000:1のカレントミラー回路が形成されている。即ち、センス素子Q2は、メイン素子Q1のソースに流れる電流と所定の電流比の電流をソースに流す。 The gates of the main element Q1 and the sense element Q2 are commonly connected, and the drain is commonly connected to the positive electrode of the battery BAT. The main element Q1 and the sense element Q2 form a current mirror circuit with a current ratio (mirror ratio) of 1000: 1. That is, the sense element Q2 allows a current having a predetermined current ratio to flow through the source of the main element Q1.
メイン素子Q1のソースは、オペアンプOPの非反転入力端子に接続されるとともに界磁電流出力端子Fに接続されている。センス素子Q2のソースは、オペアンプOPの反転入力端子及びMOSFETからなる半導体素子Q3のドレインに接続されている。 The source of the main element Q1 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier OP and to the field current output terminal F. The source of the sense element Q2 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier OP and the drain of the semiconductor element Q3 made of a MOSFET.
オペアンプOPの出力は、半導体素子Q3のゲートに接続され、半導体素子Q3のソースは、電流検出抵抗VRを介して接地されている。電流検出抵抗VRは、可変抵抗からなる。 The output of the operational amplifier OP is connected to the gate of the semiconductor element Q3, and the source of the semiconductor element Q3 is grounded via the current detection resistor VR. The current detection resistor VR is a variable resistor.
オペアンプOPは、メイン素子Q1のソース電位とセンス素子Q2の第2のソース電位とを比較する。半導体素子Q3は、例えば、MOSFETからなり、オペアンプOPの出力に応じてオペアンプOPの入力に戻す電流を制御する。オペアンプOP及び半導体素子Q3は、本発明の電位制御部に対応し、メイン素子Q1のソース電位とセンス素子Q2のソース電位とを同電位にする。 The operational amplifier OP compares the source potential of the main element Q1 with the second source potential of the sense element Q2. The semiconductor element Q3 is made of, for example, a MOSFET, and controls a current returned to the input of the operational amplifier OP according to the output of the operational amplifier OP. The operational amplifier OP and the semiconductor element Q3 correspond to the potential control unit of the present invention, and set the source potential of the main element Q1 and the source potential of the sense element Q2 to the same potential.
また、半導体素子Q3のソースと電流検出抵抗VRとの接続点にはA/D変換器10が接続されている。A/D変換器10は、接続点の電圧をデジタル信号に変換し、得られたデジタル値を検出された電流値として検出電流値出力端子Cを介して外部に出力する。
An A /
次に、このように構成された本発明の実施例1に係る電流検出装置の動作を説明する。この電流検出装置では、メイン素子Q1に電流が流れた場合、センス素子Q2にはその電流に比例した電流が流れる。 Next, the operation of the current detection device according to the first embodiment of the present invention configured as described above will be described. In this current detection device, when a current flows through the main element Q1, a current proportional to the current flows through the sense element Q2.
この場合、メイン素子Q1及びセンス素子Q2を流れる電流がオペアンプOPを介してイマジナリショートすることにより、メイン素子Q1のソース電位とセンス素子Q2のソース電位が同電位になる。 In this case, the current flowing through the main element Q1 and the sense element Q2 is imaginarily short-circuited via the operational amplifier OP, so that the source potential of the main element Q1 and the source potential of the sense element Q2 become the same potential.
これにより、メイン素子Q1とセンス素子Q2の動作点を同じにすることができるので、電流検出装置としての精度を上げることができる。センス素子Q2からの電流は電流検出抵抗VRにより電圧に変換され、A/D変換器10によりデジタル信号に変換されて検出電流値出力端子Cから出力される。この検出電流値出力端子Cから出力されたデジタル信号は、電子制御ユニット(ECU16、図2参照)に読み込まれ、電流の制御に使用される。
Thereby, the operating points of the main element Q1 and the sense element Q2 can be made the same, so that the accuracy as the current detection device can be increased. The current from the sense element Q2 is converted into a voltage by the current detection resistor VR, converted into a digital signal by the A /
具体的には、「メイン素子Q1:センス素子Q2」のミラー比は「1000:1」に構成されているので、メイン素子Q1に10Aの電流が流れた場合、センス素子Q2には10mAの電流が流れる。この場合、200Ωの電流検出抵抗VRに10mAの電流が流れるので2Vの電圧が出力される。この2Vの電圧は、A/D変換器10によりデジタル信号に変換され、検出された電流値として検出電流値出力端子Cから出力される。
Specifically, since the mirror ratio of “main element Q1: sense element Q2” is “1000: 1”, when a current of 10 A flows through main element Q1, a current of 10 mA flows through sense element Q2. Flows. In this case, since a current of 10 mA flows through the 200Ω current detection resistor VR, a voltage of 2 V is output. The 2V voltage is converted into a digital signal by the A /
図2は、上述した実施例1に係る電流検出装置を三相交流発電機に適用した例を示す図である。以下、電流検出装置について簡単に説明する。三相交流発電機は、ICとして構成されている電流検出装置11、ステータからなる電機子コイル12、ロータからなる界磁コイル13、全波整流回路14、バッテリBAT及び電子制御ユニット(ECU)16を備えている。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example in which the current detection device according to the first embodiment described above is applied to a three-phase AC generator. Hereinafter, the current detection device will be briefly described. The three-phase AC generator includes a
この三相交流発電機は、例えば図示しない機関により駆動される。この機関による駆動によって界磁コイル13が回転し、電機子コイル12に電力が発生する。この電機子コイル12に発生された電力は、全波整流回路14により整流され、バッテリ15に供給される。これにより、バッテリ15が充電される。また、全波整流回路14により整流された電力は、電力検出装置11のバッテリ端子Bに供給される。
This three-phase AC generator is driven by an engine (not shown), for example. The
電流検出装置11は、三相交流発電機の界磁コイルに流れる界磁電流を検出し、界磁電流値をECU16に出力する。ECU16は、電流検出装置11からの検出結果に応じて界磁コイル13に流す界磁電流を制御する。これにより、三相交流発電機の界磁電流値を所定値に制御することができる。
The
以上説明したように、実施例1に係る電流検出装置によれば、メイン素子Q1のソース電位とセンス素子Q2のソース電位とを同電位にすることにより、メイン素子Q1とセンス素子Q2の動作点を同じにすることができるので、電流検出の精度の悪化を防止できる。 As described above, according to the current detection device according to the first embodiment, the operating points of the main element Q1 and the sense element Q2 are obtained by setting the source potential of the main element Q1 and the source potential of the sense element Q2 to the same potential. Can be made the same, so that deterioration of current detection accuracy can be prevented.
B バッテリ端子
F 界磁電流出力端子
C 検出電流値出力端子
Q1 メイン素子
Q2 センス素子
Q3 半導体素子
BAT、15 バッテリ
OP オペアンプ
VR 調整抵抗
10 A/D変換器
11 電流検出装置
12 電機子コイル
13 界磁コイル
14 全波整流回路
16 電子制御ユニット(ECU)
B Battery terminal F Field current output terminal C Detection current value output terminal Q1 Main element Q2 Sense element Q3 Semiconductor element BAT, 15 Battery OP Operational amplifier
Claims (2)
第2のソースと第2のドレインと第2のゲートとを有し、前記第2のゲートが前記メイン素子の第1のゲートに接続され前記メイン素子の第1のソースに流れる電流と所定の電流比の電流を前記第2のソースに流すセンス素子と、
前記メイン素子の第1のソース電位とセンス素子の第2のソース電位とを同電位にする電位制御部と、
を備えることを特徴とする電流検出装置。 A main element having a first source, a first drain, and a first gate, and supplying a predetermined current to the first source;
A second source, a second drain, and a second gate, wherein the second gate is connected to the first gate of the main element, and a current flowing through the first source of the main element and a predetermined current A sense element that causes a current of a current ratio to flow to the second source;
A potential control unit for setting the first source potential of the main element and the second source potential of the sense element to the same potential;
A current detection device comprising:
前記メイン素子の第1のソース電位と前記センス素子の第2のソース電位とを比較するオペアンプと、
前記オペアンプの出力に応じて該オペアンプの入力に戻す電流を制御する半導体素子と、
を備えることを特徴とする請求項1記載の電流検出装置。 The potential controller is
An operational amplifier for comparing the first source potential of the main element and the second source potential of the sense element;
A semiconductor element for controlling a current to be returned to the input of the operational amplifier according to the output of the operational amplifier;
The current detection device according to claim 1, further comprising:
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