JP7388552B2 - 電流検出装置及び電流検出方法 - Google Patents

電流検出装置及び電流検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、電流検出装置及び電流検出方法に関する。
オペアンプを用いた電流検出装置として、シャント抵抗と、オペアンプと、ローパスフィルタと、演算部とを備える電流検出装置が知られている(例えば、特許文献1)。シャント抵抗は、電流が流れる経路に直列に接続されている。オペアンプは、シャント抵抗の両端の電圧を所定の増幅率で増幅する。ローパスフィルタは、オペアンプからの出力電圧を平均化する。演算部は、ローパスフィルタから出力される電圧に基づいて、経路に流れる電流を演算する。この電流検出装置では、オペアンプの電源電圧が演算部の電源電圧よりも高く設定されており、ローパスフィルタにおいてオペアンプからの出力電圧が演算部の電源電圧よりも低い値に平均化される。
特開2010-249751号公報
特許文献1の電流検出装置では、オペアンプの電源電圧を演算部の電源電圧よりも高く設定することで、オペアンプの出力電圧範囲を広げ、電流の検出精度を高めている。すなわち、特許文献1の電流検出装置は、電流の検出精度を高めるために、電圧の高さが異なる複数種類の電源を設けている。このため、電圧の高さが異なる複数種類の電源を設けずに、電流の検出精度を高くするのが難しい、という問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、電圧の高さが異なる複数種類の電源を設けずに、電流の検出精度を高くすることができる電流検出装置及び電流検出方法を提供することである。
本発明は、電流が流れる経路に直列に接続されたシャント抵抗と、シャント抵抗の両端の電圧を所定の差動電圧に変換する第1回路と、第1回路から一対の配線を介して所定の差動電圧が入力され、所定の差動電圧を増幅する第2回路と、一対の配線の間に接続される定電流回路と、演算回路を備える。そして、本発明では、演算回路は、第2回路により増幅された電圧に基づき、経路に流れる電流を演算することで、上記課題を解決する。
本発明によれば、定電流回路によって差動増幅回路の出力電圧範囲を調整できるため、本発明では、電圧の高さが異なる複数種類の電源を設けることなく、電流の検出精度を高くすることができる。
図1は、本実施形態に係る電流検出装置のブロック図である。 図2は、定電流回路で流す電流を変化させたときに、シャント抵抗に流れる電流に対して演算回路が検出する検出電圧の特性である。 図3は、電流調整用の抵抗を変化させたときに、シャント抵抗に流れる電流に対して演算回路が検出する検出電圧の特性である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本実施形態に係る電流検出装置100のブロック図である。電流検出装置100は、例えば、モータを走行駆動源とする電動車両に設けられている。このような電動車両には、モータを駆動するためのインバータが設けられており、電流検出装置100は、インバータからモータに流れる電流の値(以降、電流値と称す)を計測する。なお、電流検出装置100が設けられる装置は特に限定されず、電動車両以外であってもよい。また、電流検出装置100が計測する電流の種別は、インバータからモータに流れる電流に限られず、電流検出装置100は、その他の電流の値を計測してもよい。
図1に示すように、電流検出装置100は、基板51~基板53の3つの基板で構成されている。各基板には、後述する素子、部品、又は回路などが設けられている。
基板51と基板52の間は、一対の接続体54によって接続されている。接続体54は、接続体54a及び接続体54bで構成されている。また基板52と基板53の間は、一対の接続体55によって接続されている。接続体55は、接続体55a及び接続体55bで構成されている。接続体54及び接続体55は、基板間を接続可能な配線体であればよく、本実施形態では、接続体の長さ、材料、形態などは特に限定されない。接続体54及び接続体55には、例えば、ハーネスコネクタが用いられる。
電流検出装置100は、シャント抵抗1と、絶縁回路2と、差動増幅回路3と、定電流回路4と、演算回路5を備える。以降、電流検出装置100を構成する素子、部品、及び回路について説明する。
シャント抵抗1は、基板51に設けられている。シャント抵抗1は、電流Ifが流れる経路に直列に接続されており、電流Ifを検知するための電流検出用の抵抗である。シャント抵抗1は、電流Ifを検知するための検知部として機能する。図1では、図面上、上から下に電流Ifが流れている。シャント抵抗1の両端の電圧は、接続体54を介して、絶縁回路2に印加される。なお、シャント抵抗1の抵抗値、構造、大きさなどは特に限定されず、シャント抵抗1は、電流検出装置100が設けられる装置に応じて選択される。
絶縁回路2は、基板52に設けられている。絶縁回路2には、接続体54を介してシャント抵抗1の両端の電圧が入力される。接続体54と絶縁回路2の間には、入力抵抗6、7が設けられている。入力抵抗6は、接続体54aと絶縁回路2の間に直列に接続され、入力抵抗7は、接続体54bと絶縁回路2の間に直列に接続されている。
絶縁回路2は、シャント抵抗1の両端の電圧を所定の差動電圧に変換する。図1の例では、絶縁回路2は、接続体54を介して基板51から入力されるシャント抵抗1の両端の電圧に基づき、所定の差動電圧を生成する。絶縁回路2は、接続体55を介して、差動増幅回路3に差動電圧を出力する。差動電圧において、接続体55aの電圧は、接続体55bの電圧よりも高い。
図1に示すように、絶縁回路2は、変調部21と復調部22を有している。変調部21と復調部22の間は電気的に絶縁されており、絶縁回路2では、変調部21と復調部22の間を直流信号が伝送できない構成になっている。
変調部21は、シャント抵抗1の両端の電圧を所定の信号に変調させる変調回路を有している。変調回路は、電流Ifに応じた変調信号を生成する。変調回路によって変調された信号は、復調部22に伝送される。
復調部22は、変調部21から伝送された信号に基づき差動電圧を生成する復調回路を有している。復調回路は、生成した差動電圧を出力する。変調部21と復調部22との間は絶縁されているため、復調部22は、シャント抵抗1の両端の電圧に影響されず、差動電圧を生成することができる。すなわち、絶縁回路2は、シャント抵抗1の両端の電圧の高さにかかわらず、微小信号である差動電圧を生成することができる。
本実施形態では、変調部21から復調部22に伝送される信号は、交流信号であり、変調部21と復調部22の間は、コンデンサ23によって交流結合(ACカップリング)されている。シャント抵抗1の両端電圧に基づく電圧のうち交流成分が、コンデンサ23を介して変調部21から復調部22に伝送される。
例えば、変調部21は、シャント抵抗1の両端電圧に基づき所定の交流信号に変調する。変調された交流信号は、復調部22に伝送される。復調部22は、交流信号を直流信号に変換し、直流信号に基づき差動電圧を生成する。復調部22により生成された差動電圧は、接続体55を介して差動増幅回路3に出力される。なお、変調部21の変調回路と復調部22の復調回路には、本願出願時に知られ、交流結合によって交流信号を伝送可能な変調回路及び復調回路をそれぞれ適用することができる。また、図1では、コンデンサ23を代表として一つ示しているが、変調部21の変調回路及び復調部22の復調回路の各回路構成に応じて、コンデンサ23の数を変更することができる。
差動増幅回路3は、基板53に設けられている。差動増幅回路3には、接続体55を介して差動電圧が入力される。差動増幅回路3は、入力される差動電圧を所定の増幅率で増幅するオペアンプ8を有している。オペアンプ8は、電源電圧V1(例えば、5V)で動作する。差動増幅回路3は、増幅させた電圧を演算回路5に出力する。差動増幅回路3の増幅率は、抵抗R1~抵抗R4に応じて設定される。なお、差動増幅回路3には、本願出願時に知られた差動増幅回路を適用することができる。
図1に示すように、基板53には、接続体55と差動増幅回路3の間に定電流回路4が設けられている。また基板53には、接続体55と導通する一対の差動配線が設けられている。絶縁回路2から出力される差動電圧は、接続体55及び差動配線を介して差動増幅回路3に入力される。定電流回路4は、差動配線間に一定の電流を流す。
本実施形態では、定電流回路4として、差動配線間を接続する抵抗41が用いられる。このため、抵抗41の抵抗値を変えることで、差動配線間に流れる電流を変えることができる。別の言い方をすれば、抵抗41の抵抗値を変えることで、差動増幅回路3の入力端子31aと入力端子31bとの間の電圧を変えることができる。抵抗41は、差動配線間に流れる電流を調整するための電流調整用の抵抗である。また、差動電圧によって、絶縁回路2と差動増幅回路3の間におけるノイズ耐性を向上させることができる。
演算回路5は、電流Ifを計測するためのコンピュータである。演算回路5は、電流値を演算するためのプログラムを格納したROM(Read Only Memory)と、このROMに格納されたプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)と、アクセス可能な記憶装置として機能するRAM(Random Access Memory)とから構成される。演算回路5は、オペアンプ8と同様に、電源電圧V1(例えば、5V)で動作する。演算回路5には、差動増幅回路3で増幅された電圧が入力される。演算回路5は、ROMに格納されたプログラムを実行することにより、差動増幅回路3からの電圧に基づいて、電流Ifに対応した電流値(デジタル値)を演算する。言い換えると、演算回路5は、アナログ信号からデジタル信号を生成する。
ここで、図2及び図3を用いて、演算回路5の検出電圧特性について説明する。図2は、定電流回路4で流す電流を変化させたときに、シャント抵抗1に流れる電流に対して演算回路5が検出する検出電圧の特性である。図2において、横軸は、シャント抵抗1に流れる電流If(単位:[A])を示し、縦軸は、演算回路5が検出する検出電圧(単位:[V])を示す。また図2において、Ic1~Ic5は、定電流回路4が流す電流値を示す。Ic1~Ic5の順で電流値は大きくなる。
演算回路5は、図2に示す検出電圧に基づいて、電流Ifに対応した電流値を演算する。図2に示すように、電流Ifと演算回路5の検出電圧は比例関係にある。このため、演算回路5は、検出電圧が低いほど電流値を低く演算する。一方、演算回路5は、検出電圧が高いほど電流値を高く演算する。
ここで、図2を用いて、演算回路5の演算精度と差動増幅回路3の出力電圧の関係について説明する。演算回路5の演算精度は、図2に示す電流Ifに対する検出電圧の傾きによって決まる。演算回路5は、検出電圧の傾きが大きい場合、検出電圧の傾きが小さい場合に比べて、広い検出電圧の範囲から電流値を演算する。このため、電流検出装置100の検出精度の観点から、演算回路5の検出電圧範囲が広いほど、すなわち、差動増幅回路3の出力電圧範囲が広いほど、演算回路5の演算精度を高くすることができる。別の言い方をすれば、差動増幅回路3の最大出力電圧が演算回路5の電源電圧V1に近いほど、演算回路5の演算精度を高くすることができる。
本実施形態に係る電流検出装置100では、定電流回路4で流す電流に応じて、電流Ifに対する演算回路5の検出電圧の特性を変化させることができる。図2に示すように、定電流回路4で流す電流が小さいほど、電流Ifに対する検出電圧Vの傾きは大きくなる。これは、定電流回路4で流す電流が小さいほど、差動増幅回路3に入力される差動電圧が大きくなり、差動増幅回路3の最大出力電圧が高くなることを示す。すなわち、定電流回路4で流す電流が小さいほど、差動増幅回路3の最大出力電圧を、演算回路5の電源電圧V1に近づけることができ、演算回路5の演算精度を高くすることができる。
図3は、抵抗41の抵抗値を変化させたときに、シャント抵抗1に流れる電流に対して演算回路5が検出する検出電圧の特性である。図3において、横軸は、シャント抵抗1に流れる電流Ifを示し、縦軸は、演算回路5が検出する検出電圧を示す。また図3において、Rc1~Rc5は、抵抗41の抵抗値を示す。Rc1~Rc5の順で抵抗値は小さくなる。
本実施形態のように、定電流回路4として抵抗41を用いた場合、抵抗41の抵抗値に応じて、電流Ifに対する演算回路5の検出電圧の特性を変化させることができる。図3に示すように、抵抗41の抵抗値が大きいほど、定電流回路4で流す電流が小さくなり、電流Ifに対する検出電圧Vの傾きは大きくなる。定電流回路4で流す電流と差動増幅回路3の出力電圧との関係については、図2での説明を援用する。つまり、本実施形態に係る電流検出装置100では、抵抗41の抵抗値を大きくするほど、差動増幅回路3の最大出力電圧を、演算回路5の電源電圧V1に近づけることができ、演算回路5の演算精度を高くすることができる。
以上のように、本実施形態に係る電流検出装置100は、シャント抵抗1と、絶縁回路2と、差動増幅回路3と、定電流回路4と、演算回路5とを備える。シャント抵抗1は、電流Ifが流れる経路に直列に接続されている。絶縁回路2は、シャント抵抗1の両端の電圧を所定の差動電圧に変換する。差動増幅回路3には、絶縁回路2から一対の接続体55を介して差動電圧が入力され、差動増幅回路3は、入力された差動電圧を増幅する。定電流回路4は、一対の接続体55の間に接続されている。演算回路5は、差動増幅回路3により増幅された電圧に基づいて、経路に流れる電流Ifを演算する。定電流回路4によって、差動増幅回路3の出力電圧範囲を調整できるため、差動増幅回路3の電源電圧V1を演算回路5の電源電圧V1に合わせることができる。その結果、電圧の高さが異なる複数種類の電源を設けることなく、電流の検出精度を高くすることができる。また、部品点数の削減を図ることができ、コストの低減化を図ることができる。さらに、差動増幅回路3を用いることで、片線接地(シングルエンド)の増幅回路を用いる場合にくらべて、ノイズ耐性を向上させることができる。
また、本実施形態では、シャント抵抗1は、基板51に設けられ、絶縁回路2は、基板52に設けられ、差動増幅回路3、定電流回路4、及び演算回路5は、基板53に設けられる。複数の基板に分けることで、電流検出装置100のレイアウトの自由度を高めることができる。また、絶縁性の確保のために、回路内に一定の距離を要する絶縁回路2を独立した基板に設けているため、電流検出装置100が一枚の基板で構成されている場合に比べて、絶縁回路2での絶縁性を確保しやすくなる。
さらに、本実施形態では、定電流回路4は、一対の接続体55の間に接続される抵抗41で構成される。これにより、抵抗41の抵抗値で差動増幅回路3の出力電圧範囲を調整できるため、差動増幅回路3の電源電圧V1と演算回路5の電源電圧V1を合わせつつ、演算回路5の演算精度を高くすることができる。
加えて、本実施形態では、絶縁回路2は、変調部21及び復調部22を含み、変調部21と復調部22は絶縁されている。変調部21は、シャント抵抗1の両端の電圧を変調した変調信号を生成し、復調部22は、変調部21により変調された変調信号を復調することで、所定の差動電圧を生成する。変調部21と復調部22の間が電気的に絶縁されているため、差動増幅回路3の電源電圧をシャント抵抗1に印加される電圧とは独立した電圧にすることができる。その結果、差動増幅回路3の電源電圧V1と演算回路5の電源電圧V1を合わせることができる。
また、本実施形態では、絶縁回路2は、コンデンサ23を有し、変調部21と復調部22は、コンデンサ23により交流結合されている。変調部21は、コンデンサ23を介して交流信号を復調部22に伝送し、復調部22は、コンデンサ23を介して入力される交流信号に基づき、所定の差動電圧を生成する。復調部22は、シャント抵抗1に印加される電圧とは独立した電圧で動作できるため、絶縁回路2は、差動増幅回路3の電源電圧V1に応じた差動電圧を生成することができる。
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
例えば、上述の実施形態では、電流検出装置100として、基板51~基板53の3つの基板で構成される例を挙げて説明したが、電流検出装置100は、基板151(図示しない)と基板152(図示しない)の2つの基板で構成されてもよい。この場合、シャント抵抗1及び絶縁回路2は、基板151に設けられ、差動増幅回路3、定電流回路4、及び演算回路5は、基板152に設けられる。基板151と基板152の間は、一対の接続体153(図示しない)によって接続される。上述の実施形態と同様に、複数の基板に分けることで、電流検出装置100のレイアウトの自由度を高めることができる。また、差動増幅回路3及び演算回路5とは別の基板に絶縁回路2を設けているため、電流検出装置100が一枚の基板で構成されている場合に比べて、絶縁回路2での絶縁性を確保しやすくなる。
また、例えば、上述の実施形態では、変調部21から復調部22へ伝送される信号として、交流信号を例に挙げて説明したが、変調部21から復調部22へ伝送される信号はこれに限定されない。
例えば、変形例に係る電流検出装置では、絶縁回路2は、絶縁トランスを有している。変調部21は、絶縁トランスのうち一次側コイルで構成され、復調部22は、絶縁トランスのうち二次側コイルで構成される。一次側コイルには、電流Ifに応じた電流を一次側コイルに流す変調回路が設けられる。また二次側コイルには、二次側コイルに流れる電流に応じた差動電圧を生成する復調回路が設けられる。変調回路によって一次側コイルに電流が流れると、一次側コイルの周辺に磁界が発生する。二次側コイルでは、一次側コイルで発生した磁界によって電流が流れ、復調回路によって、二次側コイルに流れる電流に応じた差動電圧が生成される。絶縁回路2は、変調部21と復調部22の間を電気的に絶縁させた状態で、電磁誘導の原理により、変調部21から復調部22へ信号を伝送してもよい。
またその他の例として、例えば、変形例に係る電流検出装置では、絶縁回路2は、電気信号を光信号に変換し、光信号を再度電気信号に変換するフォトカプラを有している。変調部21は、フォトカプラのうち電気信号を光信号に変換する発光素子で構成され、復調部22は、フォトカプラのうち光信号を電気信号に変換する受光素子で構成される。発光素子側には、電流Ifに応じた電流を発光素子に流す変調回路が設けられる。また受光素子側には、受光素子に流れる電流に応じた差動電圧を生成する復調回路が設けられる。変調回路によって発光素子に電流が流れると、発光素子は当該電流に応じて発光する。受光素子では、発光素子の発光によって電流が流れ、復調回路によって、受光素子に流れる電流に応じた差動電圧が生成される。絶縁回路2は、変調部21と復調部22の間を電気的に絶縁させた状態で、変調部21から復調部22へ光信号を伝送してもよい。
また上述の実施形態では、定電流回路4として接続体55の間に接続される抵抗41を例に挙げて説明したが、定電流回路4の回路構成は、抵抗に限られない。例えば、定電流回路4は、トランジスタを用いた回路(例えば、カレントミラー回路)で構成されていてもよい。また、抵抗41は、抵抗値が固定された抵抗に限定されず、抵抗値を変更可能な可変抵抗であってもよい。
また上述の実施形態では、差動増幅回路3の出力電圧範囲の観点から、定電流回路4で流す電流が小さいほど、演算回路5の演算精度が高くなることを説明したが、ノイズ耐性の観点からは、定電流回路4で流す電流が大きいほど演算回路5の演算精度は高くなる。すなわち、定電流回路4で流す電流が大きいほど、差動増幅回路3の差動配線に対するノイズ耐性を高くすることができるため、ノイズによって差動増幅回路3の出力電圧に誤差が生じる可能性を低減することができる。その結果、演算回路5の演算精度を高くすることができる。本発明では、差動増幅回路3の出力電圧範囲とノイズ耐性の観点から、定電流回路4で流す電流を設定するのが好ましい。
また上述の実施形態では、本発明の「シャント抵抗」の一例としてシャント抵抗1を挙げて説明したが、本発明の「シャント抵抗」はシャント抵抗1に限定されない。また本発明の「第1回路」の一例として絶縁回路2を挙げて説明したが、本発明の「第1回路」は絶縁回路2に限定されない。また本発明の「第2回路」の一例として差動増幅回路3を例に挙げて説明したが、本発明の「第2回路」は差動増幅回路3に限定されない。また本発明の「定電流回路」の意一例として定電流回路4を例に挙げて説明したが、本発明の「定電流回路」は定電流回路4に限定されない。また本発明の「演算回路」の一例として演算回路5を例に挙げて説明したが、本発明の「演算回路」は演算回路5に限定されない。
1…シャント抵抗
2…絶縁回路
21…変調部
22…復調部
23…コンデンサ
3…差動増幅回路
31a、31b…入力端子
4…定電流回路
41…抵抗
5…演算回路
6、7…入力抵抗
8…オペアンプ
51…基板
52…基板
53…基板
54…接続体
54a、54b…接続体
55…接続体
55a、55b…接続体
100…電流検出装置

Claims (9)

  1. 電流が流れる経路に直列接続されるシャント抵抗と、
    前記シャント抵抗の両端電圧を所定の差動電圧に変換する第1回路と、
    前記第1回路から一対の配線を介して前記所定の差動電圧が入力され、前記所定の差動電圧を増幅する第2回路と、
    前記一対の配線の間に接続される定電流回路と、
    前記第2回路により増幅された電圧に基づいて、前記経路に流れる電流を演算する演算回路とを備える電流検出装置。
  2. 請求項1記載の電流検出装置であって、
    前記シャント抵抗は、第1基板に設けられ、
    前記第1回路は、第2基板に設けられ、
    前記第2回路、前記定電流回路、及び前記演算回路は、第3基板に設けられる電流検出装置。
  3. 請求項1記載の電流検出装置であって、
    前記シャント抵抗及び前記第1回路は、第1基板に設けられ、
    前記第2回路、前記定電流回路、及び前記演算回路は、第2基板に設けられる電流検出装置。
  4. 請求項1又は2に記載の電流検出装置であって、
    前記定電流回路は、前記一対の配線間に接続される抵抗で構成される電流検出装置。
  5. 請求項1~4の何れかに記載の電流検出装置であって、
    前記第1回路は、変調部及び復調部を含み、
    前記変調部と前記復調部は、絶縁されており、
    前記変調部は、前記シャント抵抗の前記両端電圧を変調した変調信号を生成し、
    前記復調部は、前記変調信号を復調することで、前記所定の差動電圧を生成する電流検出装置。
  6. 請求項5に記載の電流検出装置であって、
    前記第1回路は、コンデンサを有し、
    前記変調部と前記復調部は、前記コンデンサにより交流結合されており、
    前記変調部は、前記コンデンサを介して前記変調信号を前記復調部に伝送し、
    前記復調部は、前記コンデンサを介して入力される前記変調信号に基づき、前記所定の差動電圧を生成する電流検出装置。
  7. 請求項5に記載の電流検出装置であって、
    前記第1回路は、絶縁トランスを有し、
    前記変調部は、前記絶縁トランスのうち一次側コイルで構成され、
    前記復調部は、前記絶縁トランスのうち二次側コイルで構成される電流検出装置。
  8. 請求項5に記載の電流検出装置であって、
    前記第1回路は、フォトカプラを有し、
    前記変調部は、前記フォトカプラのうち発光素子で構成され、
    前記復調部は、前記フォトカプラのうち受光素子で構成される電流検出装置。
  9. 経路に流れる電流を検出する電流検出方法であって、
    第1回路において、前記経路に直列接続されたシャント抵抗の両端電圧を所定の差動電圧に変換し、
    前記第1回路と第2回路との間に接続された一対の配線間に、定電流回路を用いて電流を流し、
    前記第2回路において、前記第1回路から前記一対の配線を介して入力された前記差動電圧を増幅し、
    演算回路において、前記第2回路により増幅された電圧に基づいて、前記経路に流れる電流を演算する電流検出方法。
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