JP5720259B2

JP5720259B2 - 電流検出回路

Info

Publication number: JP5720259B2
Application number: JP2011007543A
Authority: JP
Inventors: 潤武藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2031-01-18
Also published as: JP2012149934A

Description

本発明は、電流検出回路に係り、特に、電流経路上に設けられるシャント抵抗とそのシャント抵抗に並列に接続されるセンス抵抗とが複数組、流れる電流量が相関を有する複数の電流経路に対応して基板上に配設され、各電流経路に流れる電流それぞれをシャント抵抗とセンス抵抗との分流比を利用して検出するうえで好適な電流検出回路に関する。

従来、電流経路上に設けられるシャント抵抗を備え、そのシャント抵抗を用いてその電流経路に流れる電流を検出する電流検出回路が知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる電流検出回路において、電流経路にシャント抵抗を通じて電流が流れると、そのシャント抵抗の両端間にその電流量に応じた電圧が発生する。従って、シャント抵抗の両端間に生じる電圧の大きさを検出することで、その電圧とシャント抵抗の抵抗値とに基づいて電流経路に流れる電流を検出することができる。

特開２００７−１８１３４９号公報

一般に、例えばモータの各通電相の如く流れる電流量が相関を有する複数の電流経路に流れる電流それぞれを検出する場合、モータ制御を適切に行ううえでは、各電流経路に流れる電流のすべてを精度よく検出できることが望ましい。ここで、抵抗特性は温度に応じて変動するので、各電流経路に流れる電流のすべてを精度よく検出するうえでは、各通電相に流れる電流の検出時にシャント抵抗側に作用する温度が各相間でほぼ等しいことが望ましい。各通電相に流れる電流の検出時にシャント抵抗側に作用する温度が各相間で異なるものであると、各電流経路に流れる電流を精度よく検出することが難しくなり、その結果として、モータ制御を適切に行うことが困難となる。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、各組間での電流検出精度の差を吸収することが可能な電流検出回路を提供することを目的とする。

上記の目的は、電流経路上に設けられるシャント抵抗と該シャント抵抗に並列に接続されるセンス抵抗とが複数組、流れる電流量が相関を有する複数の電流経路に対応して基板上に配設され、各電流経路に流れる電流それぞれを前記シャント抵抗と前記センス抵抗との分流比を利用して検出する電流検出回路であって、前記センス抵抗の温度係数は、前記シャント抵抗の温度係数よりも大きく、各組それぞれの前記シャント抵抗と前記センス抵抗とは、該電流経路の電流検出時に該シャント抵抗と該センス抵抗との間に生じる温度差が各組間で等しくなるように前記基板上に配置されている電流検出回路により達成される。

本発明によれば、各組間での電流検出精度の差を吸収することができる。

本発明の一実施例である電流検出回路の構成図である。本実施例におけるシャント抵抗及びセンス抵抗の温度係数Ｘ，Ｙを表した図である。本実施例におけるシャント抵抗とセンス抵抗との基板上での配置位置を表した斜視図である。本実施例におけるシャント抵抗の発熱による温度分布下でのシャント抵抗とセンス抵抗との配置位置を表した上面図である。

以下、図面を用いて、本発明に係る電流検出回路の具体的な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施例である電流検出回路１０の構成図を示す。本実施例の電流検出回路１０は、例えば車両に搭載される可変吸気システムなどが備えるモータ１２の制御回路に適用される。

モータ１２は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相を有する三相交流モータである。モータ１２には、そのモータ１２を駆動する駆動回路１４が接続されている。駆動回路１４は、モータ１２の各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗごとに一組ずつ対応して設けられた三組の半導体素子１６，１８を有している。半導体素子１６，１８は、例えばＭＯＳ型の電界効果トランジスタである。各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗの半導体素子１６，１８はそれぞれ、所定のバッテリ電圧ＶＢが印加される電源端子２０と車体が接続される接地端子２２との間で直列接続されている。以下、適宜、半導体素子１６を正側半導体素子１６と、半導体素子１８を負側半導体素子１８と、それぞれ称す。モータ１２の制御回路は、各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗごとに一組の半導体素子１６，１８を適当なタイミングで交互にスイッチング駆動すると共に、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相に対して所定の順序でスイッチング駆動を行う。

各組の半導体素子１６，１８のうち正側半導体素子１６がオンされると、電源端子２０から正側半導体素子１６を介してモータ１２の当該通電相へ電流が流通する。また、各組の半導体素子１６，１８のうち負側半導体素子１８がオンされると、モータ１２の当該通電相から負側半導体素子１８を介して接地端子２２へ電流が流通する。かかる電流流通が各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗにおいて適当に行われると、モータ１２が適切に作動する。

上記の電流が流通する電流経路２４上には、シャント抵抗２６が設けられている。シャント抵抗２６は、電源端子２０と正側半導体素子１６との間に介在しており、モータ１２の通電相Ｕ，Ｖ，Ｗごとに一つずつ設けられている。シャント抵抗２６は、所定の温度係数（例えば、１００ｐｐｍ／℃）Ｘを有する抵抗であって、素子温度に応じて変化する抵抗値（例えば、３ｍΩ程度）Ｒｏを有している。

電流経路２４には、センス抵抗２８の一端が接続されている。具体的には、センス抵抗２８の一端は、電源端子２０にすなわちシャント抵抗２６の電源端子２０側端子に接続されている。センス抵抗２８は、シャント抵抗２６ごとに、対となる抵抗として設けられている。センス抵抗２８は、所定の温度係数（例えば、１５０ｐｐｍ／℃）Ｙを有する抵抗であって、素子温度に応じて変化する抵抗値（例えば、１２Ω程度）Ｒｓを有している。尚、センス抵抗２８の抵抗値Ｒｓは、シャント抵抗２６の抵抗値Ｒｏのｎ倍（“１”を超える倍数であって、例えば、４０００倍）に設定されている。また、センス抵抗２８の温度係数Ｙは、シャント抵抗２６の温度係数Ｘよりも大きい値に設定されている。

シャント抵抗２６の半導体素子１６側端子、及び、センス抵抗２８の他端には、電流検出回路１０の有する制御ＡＳＩＣ３０が接続されている。シャント抵抗２６及びセンス抵抗２８は、電流経路２４上の同一点（具体的には、電源端子２０）と制御ＡＳＩＣ３０との間で互いに並列に接続されている。制御ＡＳＩＣ３０は、各通電相の電流経路２４に流れる電流Ｉｏを、センス抵抗２８に流れる電流（以下、センス電流と称す）Ｉｓに基づいて検出する機能を有している。

制御ＡＳＩＣ３０は、センス抵抗２８の他端に生じる電位（以下、センス出力電位Ｖｓと称す）をシャント抵抗２６の半導体素子１６側端子に生じる電位（以下、シャント出力電位Ｖｏと称す）に等しい電位に調整するための電圧調整部３２を有している。制御ＡＳＩＣ３０は、シャント抵抗２６の半導体素子１６側端子が接続する第１入力端子３４と、センス抵抗２８の他端が接続する第２入力端子３６と、を有している。

電圧調整部３２は、非反転入力端子が第１入力端子３４に接続されかつ反転入力端子が第２入力端子３６に接続されるオペアンプ３８を有している。オペアンプ３８の出力は、ｐｎｐトランジスタＱ１のベースに接続されている。ｐｎｐトランジスタＱ１のエミッタはオペアンプ３８の反転入力端子に接続されており、そのコレクタはｎｐｎトランジスタＱ２のベースに接続されている。ｎｐｎトランジスタＱ２のコレクタはオペアンプ３８の反転入力端子に接続されており、そのエミッタは端子４０を介して抵抗４２の一端に接続されている。抵抗４２の他端は接地されている。

上記した制御ＡＳＩＣ３０において、電圧調整部３２は、センス出力電位Ｖｓとシャント出力電位Ｖｏとが同電位となるように帰還動作を行う。オペアンプ３８の非反転入力端子にはシャント出力電位Ｖｏが入力されると共に、オペアンプ３８の反転入力端子にはセンス出力電位Ｖｓが入力される。

Ｖｓ＜Ｖｏが成立するときは、（Ｖｏ−Ｖｓ）が正であるため、オペアンプ３８の出力端子からハイ信号が出力される。この場合、ｐｎｐトランジスタＱ１のベース電位が高電位となってそのベースに電流が流れないので、ｐｎｐトランジスタＱ１はオフに維持される。このため、かかる場合は、ｎｐｎトランジスタＱ２のベース電位が低電位となってそのベースに電流が流れないので、ｎｐｎトランジスタＱ２はオフに維持され、その結果として、ｎｐｎトランジスタＱ２のコレクタ電位すなわちセンス出力電位Ｖｓが一気に上昇する。

一方、Ｖｓ＞Ｖ０が成立するときは、（Ｖｏ−Ｖｓ）が負であるため、オペアンプ３８の出力端子からロー信号が出力される。この場合、ｐｎｐトランジスタＱ１のベース電位が低電位となってそのベースに電流が流れるので、ｐｎｐトランジスタＱ１はオンする。ｐｎｐトランジスタＱ１がオンすると、ｎｐｎトランジスタＱ２のベース電位が高電位となってそのベースに電流が流れるので、ｎｐｎトランジスタＱ２はオンする。このため、かかる場合は、センス電流ＩｓがｎｐｎトランジスタＱ２を介して抵抗４２に流れると共に、ｎｐｎトランジスタＱ２のコレクタ電位すなわちセンス出力電位Ｖｓが一気に下降する。

このように電圧調整部３２における動作が繰り返されると、センス出力電位Ｖｓは、シャント出力電位Ｖｏと略同電位となるように調整される。シャント出力電位Ｖｏとセンス出力電位Ｖｓとが略同電位に調整されると、シャント抵抗２６の両端間電圧とセンス抵抗２８の両端間電圧とが略等しくされる。上記の如く、センス抵抗２８の抵抗値Ｒｓは、シャント抵抗２６の抵抗値Ｒｏのｎ倍に設定される。従って、シャント抵抗２６に流れる電流すなわち電流経路２４に流れる電流Ｉｏは、センス電流Ｉｓのｎ倍となる。以下、ｎをセンス比（分流比）ｎとする。

制御ＡＳＩＣ３０は、抵抗４２の両端間電圧（具体的には、抵抗４２のｎｐｎトランジスタＱ２側端子に生じる電位（＝端子４０へ向けて出力される電位））と、予め規定された抵抗４２の抵抗値と、に基づいて、次式（１）を参照して、センス電流Ｉｓを検出する。そして、その検出したセンス電流Ｉｓを予め規定されたセンス比ｎ倍で乗算することにより、電流経路２４に流れる電流Ｉｏを検出する（Ｉｏ＝ｎ×Ｉｓ）。制御ＡＳＩＣ３０は、各通電相ごとに上記の電流検出処理を行うことで、検出したセンス電流Ｉｓとセンス比ｎとに基づいて、各通電相の電流経路２４に流れる電流Ｉｏをそれぞれ検出する。

図２は、本実施例におけるシャント抵抗２６及びセンス抵抗２８の温度係数Ｘ，Ｙを表した図を示す。図３は、本実施例におけるシャント抵抗２６とセンス抵抗２８との基板上での配置位置を表した斜視図を示す。また、図４は、本実施例におけるシャント抵抗２６の発熱による温度分布下でのシャント抵抗２６とセンス抵抗２８との配置位置を表した上面図を示す。

一般に、素子の特性は温度変化に伴って変化する。例えば、温度が高くなるほど、抵抗の抵抗値が大きくなる。抵抗の抵抗値が変動すると、流れる電流量が変化する。この際、温度変化に伴った抵抗値変化率がシャント抵抗２６とセンス抵抗２８とで異なるものとすると、シャント抵抗２６に流れる電流とセンス抵抗２８に流れる電流との実際の分流比が、予め規定したセンス比ｎに一致しなくなり、その結果として、電流経路２４に流れる電流Ｉｏを精度よく検出することができなくなる。従って、電流経路２４に流れる電流Ｉｏを精度よく検出するためには、温度変化に伴う抵抗値変化率がシャント抵抗２６とセンス抵抗２８とで等しくなることが必要である。

また、シャント抵抗２６は、モータ１２を駆動するための比較的大きな電流が流通するので、センス抵抗２８に比べて大きな発熱量を有する。この点、シャント抵抗２６の温度係数とセンス抵抗２８の温度係数とが等しいものとすると、シャント抵抗２６の抵抗値変化率が常にセンス抵抗２８の抵抗値変化率に比べて大きくなり、その結果として、電流経路２４に流れる電流Ｉｏを精度よく検出することができなくなる。従って、電流経路２４に流れる電流Ｉｏを精度よく検出するためには、シャント抵抗２６の抵抗値変化率とセンス抵抗２８の抵抗値変化率とが等しくなるようにシャント抵抗２６の温度変化とセンス抵抗２８の温度変化とがそれぞれ生じること、すなわち、かかる特性が実現されるように各抵抗２６，２８の温度係数が互いに異なることが必要である。

更に、本実施例の如く、各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗに流れる電流量が相関を有する複数の電流経路２４に流れる電流Ｉｏをそれぞれ検出し、その検出電流Ｉｏに基づくモータ１２の制御を適切に行ううえでは、各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗの電流経路２４に流れる電流Ｉｏのすべてを精度よく検出できることが望ましい。各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間でシャント抵抗２６とセンス抵抗２８との相対的な温度環境（例えば、シャント抵抗２６とセンス抵抗２８との基板上での離間距離）が異なると、各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗのシャント抵抗２６が同じ発熱量で発熱しているときすなわち各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗのシャント抵抗２６の発熱による上昇温度が同じであるときにも、センス抵抗２８に作用する温度が各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間で異なるものとなり、各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間での電流検出精度に差が発生して、モータ制御を適切に行うことができなくなってしまう。従って、各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間での電流検出精度に差を生じさせないためには、シャント抵抗２６とセンス抵抗２８との温度環境が各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間で同じであることが必要である。

そこで、本実施例においては、比較的広い温度領域に亘って電流経路２４に流れる電流Ｉｏを精度よく検出しつつ、各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間での電流検出精度の差を吸収することとしている。

本実施例においては、上記の如く、センス抵抗２８の温度係数Ｙが、シャント抵抗２６の温度係数Ｘよりも大きい値に設定されている。このため、センス抵抗２８は、シャント抵抗２６に比べて同じ温度変化に対して大きな抵抗値変化率を示し、逆に、少ない温度変化でシャント抵抗２６と同等の抵抗値変化率を示すので、シャント抵抗２６の温度が発熱により大きく上昇する一方でセンス抵抗２８の温度があまり上昇しなくても、センス抵抗２８の抵抗値変化率をシャント抵抗２６の抵抗値変化率と一致させることが可能である。尚、「抵抗値変化率」とは、例えば常温での基準抵抗値を基準とした抵抗値の増加率又は減少率のことである。

本実施例において、電流検出回路１０や駆動回路１４を構成する各素子は、基板４４上に配設されている。基板４４は、例えばセラミック基板やガラエポ基板などの熱伝導効率の良い基板である。電流検出回路１０を構成するセンス抵抗２８とシャント抵抗２６とは、基板４４上で所定の離間距離Ｌだけ離れており、センス抵抗２８は、基板４４上で、モータ１２への駆動電流で発熱するシャント抵抗２６からの熱伝導を受ける位置に配置されている。このため、センス抵抗２８は、シャント抵抗２６の発熱により温度上昇し、そのセンス抵抗２８の温度上昇は、シャント抵抗２６の温度上昇に応じたもの（具体的には、シャント抵抗２６の上昇温度よりも少ない上昇温度だけ上げたもの）となる。

また、上記した基板４４上でのセンス抵抗２８の配置位置は、電流経路２４に流れる電流Ｉｏの検出時におけるシャント抵抗２６の温度上昇に対する抵抗値変化率と、そのシャント抵抗２６の温度上昇に伴うセンス抵抗２８の温度上昇に対する抵抗値変化率と、が等しくなるような位置である。また逆に、シャント抵抗２６の温度係数Ｘとセンス抵抗２８の温度係数Ｙとは、基板４４上でのセンス抵抗２８の配置位置で電流経路２４に流れる電流Ｉｏの検出時におけるシャント抵抗２６の温度上昇に対する抵抗値変化率と、そのシャント抵抗２６の温度上昇に伴うセンス抵抗２８の温度上昇に対する抵抗値変化率と、が等しくなる関係が実現されるように設定されている。

かかる電流検出回路１０の構成においては、電流経路２４に流れる電流Ｉｏの検出時にシャント抵抗２６の発熱に伴う温度上昇に応じてセンス抵抗２８が温度上昇して、シャント抵抗２６の抵抗値変化率とセンス抵抗２８の抵抗値変化率とが略等しくなる。このため、電流経路２４に流れる電流Ｉｏの検出時にシャント抵抗２６に流れる電流とセンス抵抗２８に流れる電流との分流比を一定に保つことすなわち予め規定したセンス比ｎに一致させることができ、その分流比の変化を小さく抑えることができる。

尚、上記した電流検出回路１０の構成においては、電流経路２４の電流検出時にシャント抵抗２６に流れる電流量に応じてそのシャント抵抗２６の発熱量が変動するが、かかる発熱量の変動が生じても、センス抵抗２８の温度上昇がそのシャント抵抗２６の温度上昇に応じたものとなり、シャント抵抗２６の抵抗値及びセンス抵抗２８の抵抗値は共に温度変化に対して一定の変化を示すので、両抵抗２６，２８の抵抗値変化率を略等しくすることが可能である。従って、本実施例の電流検出回路１０によれば、比較的広い温度領域に亘って電流経路２４に流れる電流Ｉｏを精度よく検出することができる。

また、本実施例において、センス抵抗２８は、上記の如く、基板４４上で、モータ１２への駆動電流で発熱するシャント抵抗２６からの熱伝導を受ける位置に配置されているが、各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗそれぞれのシャント抵抗２６とセンス抵抗２８とは、両抵抗２６，２８の基板４４上での離間距離Ｌが各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間でほぼ等しくなるように配置されている。各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗそれぞれのシャント抵抗２６は、各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間で同じ温度係数Ｘを有していると共に、各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗそれぞれのセンス抵抗２８は、各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間で同じ温度係数Ｙを有している。

このため、上記した電流検出回路１０の構成においては、各通電相それぞれの電流経路２４の電流検出時にシャント抵抗２６に発生する熱のセンス抵抗２８への伝導状態が各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間でほぼ等しくなり、シャント抵抗２６とセンス抵抗２８との間の温度差が各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間でほぼ等しくなる。シャント抵抗２６とセンス抵抗２８との間の温度差が各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間で等しければ、シャント抵抗２６の発熱による上昇温度が各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間で同じであるときは、センス抵抗２８の温度が各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間で同じとなるので、各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗのセンス抵抗２８の実際の抵抗値は各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間でほぼ一致する。従って、本実施例の電流検出回路１０によれば、各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗそれぞれのシャント抵抗２６とセンス抵抗２８との離間距離をほぼ等しくすることで、各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間での電流検出精度の差を吸収することができ、その結果として、モータ１２の制御を適切に行うことが可能である。

このように、本実施例の電流検出回路１０によれば、モータ１２の各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗの電流経路２４に流れる電流Ｉｏを比較的広い温度領域に亘って精度よく検出することができると共に、モータ１２の各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ間での電流経路２４に流れる電流Ｉｏの検出精度の差を吸収することができるので、シャント抵抗２６の発熱状態に関係なくモータ１２の回転駆動を常にスムースに行うことが可能である。

尚、上記の実施例においては、電流経路２４上に設けられるシャント抵抗２６を、一対の半導体素子１６，１８のうち正側半導体素子１６と電源端子２０との間に介在させることとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、一対の半導体素子１６，１８のうち負側半導体素子１８と接地端子２２との間に介在させることなどとしてもよい。

また、上記の実施例においては、電流Ｉｏを検出する対象を、モータ１２の各通電相Ｕ，Ｖ，Ｗにおける電流量が相関を有する複数の電流経路２４としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、モータ１２の通電相Ｕ，Ｖ，Ｗ以外において少なくとも電流量が相関を有する複数の電流経路に適用すればよい。

１０電流検出回路
１２モータ
１４駆動回路
１６，１８半導体素子
２４電流経路
２６シャント抵抗
２８センス抵抗
３０制御ＡＳＩＣ
３２電圧調整部
４４半導体基板
Ｒｏシャント抵抗の抵抗値
Ｒｓセンス抵抗の抵抗値
Ｉｏ電流経路に流れる電流
Ｉｓセンス電流
Ｘシャント抵抗の温度係数
Ｙセンス抵抗の温度係数

Claims

電流経路上に設けられるシャント抵抗と該シャント抵抗に並列に接続されるセンス抵抗とが複数組、流れる電流量が相関を有する複数の電流経路に対応して基板上に配設され、各電流経路に流れる電流それぞれを前記シャント抵抗と前記センス抵抗との分流比を利用して検出する電流検出回路であって、
前記センス抵抗の温度係数は、前記シャント抵抗の温度係数よりも大きく、
各組それぞれの前記シャント抵抗と前記センス抵抗とは、該電流経路の電流検出時に該シャント抵抗と該センス抵抗との間に生じる温度差が各組間で等しくなるように前記基板上に配置されていることを特徴とする電流検出回路。
各組それぞれの前記シャント抵抗と前記センス抵抗とは、該電流経路の電流検出時に該シャント抵抗に発生する熱の該センス抵抗への伝導状態が各組間で等しくなるように前記基板上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の電流検出回路。
各組それぞれの前記シャント抵抗と前記センス抵抗との前記基板上での離間距離は、各組間で同じであることを特徴とする請求項２記載の電流検出回路。
前記複数の電流経路は、モータの有する各通電相に対応する電流経路であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の電流検出回路。