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JP2018112472A - 電流検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
電流検出装置において、高周波電流の電流検出を高精度化する技術を提供することが課題となる。
【解決手段】
本発明の電流検出装置は、同一の導体から分流した電流が流れる２つ以上の導体を備え、分流した電流が流れる導体同士が対向する部分を有し、導体同士の対向部では電流が逆向きに流れ、導体同士の対向部の間に磁界検出素子を設けることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、電流検出装置に関し、特に車両駆動用モータに交流電流を供給する電力変換装置に用いられる電流検出装置に関する。
電力変換装置等の導体に流れる電流を検出する電流検出装置には、小型化や電流検出精度向上が求められている。
特許文献１には、並列配置された複数の扁平形状の導体（バスバー）の延在方向を設定することで、電流検出の高精度化を可能とする技術が開示されている。
特開２０１０−１７５４７４号公報
上記のような電流検出装置について、本発明者らが電流検出のさらなる高精度化を検討したところ、以下に説明するような課題が見出された。
特許文献１では、電力変換装置等の扁平形状の導体に交流電流が流れる場合、交流電流の周波数が高くなると、表皮効果のために、導体の中央部の電流密度が減少し、端部の電流密度が増大する。この結果、交流電流の流れによって生じる磁界に基づいて、交流電流の電流量を検出する場合、電流量の検出精度が低下する恐れがある。
したがって、電流検出装置において、高周波電流の電流検出を高精度化する技術を提供することが課題となる。
上記課題を解決するために、本発明の電流検出装置は、同一の導体から分流した電流が流れる２つ以上の導体を備え、分流した電流が流れる導体同士が対向する部分を有し、導体同士の対向部では電流が逆向きに流れ、導体同士の対向部の間に磁界検出素子を設けることを特徴とする。
本発明によれば、電流検出が高精度な電流検出装置を実現できる。
ハイブリッド方式の自動車のシステム構成図を示したものである。 電力変換装置２５１の回路構成図である。 実施例１に係る電流検出装置１０１ないし１０３の外観斜視図である。 実施例１に係る電流検出装置１０１の分解斜視図である。 磁界検出素子１１５で検出される磁界について説明するための図３におけるＡ−Ａ’部の断面図である。 対向する導体がない場合の導体内の高周波電流密度分布の計算結果を示す図である。 対向する導体がある場合の導体１１２と導体１１３の高周波電流密度分布の計算結果を示したものである。 実施例２に係る電流検出装置１０１ないし１０３の外観斜視図である。 図９は、電流検出装置１０１ないし１０３の分解斜視図をそれぞれ示したものである。 実施例３に係る電流検出装置４０１の外観斜視図である。 実施例３に係る電流検出装置４０１の分解斜視図である。 図１０におけるＢ−Ｂ’部の断面構造を示す図である。
本発明による電流検出装置においては、同一の導体から分流した電流が流れる２つ以上の導体を備え、分流した電流が流れる導体同士が対向する部分を有し、導体同士の対向部では電流が逆向きに流れ、導体同士の対向部の間に磁界検出素子を設ける。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。
本実施形態に係る電流検出装置は、各種の電力変換装置の導体を流れる電流の検出に適用可能であるが、代表例としてハイブリッド自動車に適用した場合について説明する。
図１は、ハイブリッド方式の自動車のシステム構成図を示したものである。内燃機関ＥＧＮおよびモータジェネレータＭＧは自動車の走行用トルクを発生する動力源である。また、モータジェネレータＭＧは回転トルクを発生するだけでなく、モータジェネレータＭＧに加えられる機械エネルギ(回転力)を電力に変換する機能を有する。モータジェネレータＭＧは、例えば同期電動/発電機あるいは誘導電動/発電機であり、自動車の運転方法により電動機としても発電機としても動作する。
内燃機関ＥＧＮの出力側は動力分配機構ＴＳＭを介してモータジェネレータＭＧに伝達され、動力分配機構ＴＳＭからの回転トルクあるいはモータジェネレータＭＧが発生する回転トルクは、トランスミッションＴＭおよびデファレンシャルギアＤＥＦを介して車輪ＷＨに伝達される。
一方、回生制動の運転時には、車輪ＷＨから回転トルクがモータジェネレータＭＧに伝達され、伝達された回転トルクに基づいてモータジェネレータＭＧは交流電力を発生する。発生した交流電力は電力変換装置２５１により直流電力に変換され、高電圧用のバッテリ２５２を充電し、充電された電力は再び走行エネルギとして使用される。
電力変換装置２５１は、インバータ回路２１０と、平滑コンデンサ２５５と、を備える。インバータ回路２１０は平滑コンデンサ２５５を介してバッテリ２５２と電気的に接続されており、バッテリ２５２とインバータ回路２１０との相互において電力の授受が行われる。平滑コンデンサ２５５は、インバータ回路２１０に供給される直流電力を平滑化する。直流コネクタ２６２は、電力変換装置２５１に設けられ、かつバッテリ２５２と平滑コンデンサ２５５を電気的に接続する。交流コネクタ２６３は、電力変換装置２５１に設けられ、かつインバータ回路２１０とモータジェネレータＭＧを電気的に接続する。
電力変換装置２５１のマイコン回路２０３は、通信用のコネクタ２６１を介して上位の制御装置から指令を受けたり、上位の制御装置に状態を表すデータを送信したりする。マイコン回路２０３は、入力される指令に基づいて、モータジェネレータＭＧの制御量を演算し、演算結果に基づいて制御信号を発生してゲート駆動回路２０４へ制御信号を供給する。この制御信号に基づいてゲート駆動回路２０４がインバータ回路２１０を制御するための駆動信号を発生する。
モータジェネレータＭＧを電動機として動作させる場合には、インバータ回路２１０はバッテリ２５２から供給された直流電力に基づき交流電力を発生し、モータジェネレータＭＧに供給する。モータジェネレータＭＧとインバータ回路２１０からなる構成は電動/発電ユニットとして動作する。
図２は、電力変換装置２５１の回路構成図である。以下の説明ではパワー半導体素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を使用した例で説明する。
電力変換装置２５１は、ＩＧＢＴ２０１及びダイオード２０２を備えてなる上アームおよび下アームを、交流電力のＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相に対応して備えている。これらの３相の上下アームはインバータ回路２１０を構成する。
上アームのＩＧＢＴ２０１のコレクタ電極は平滑コンデンサ２５５の正極側のコンデンサ端子に、下アームのＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極は平滑コンデンサ２５５の負極側のコンデンサ端子にそれぞれ電気的に接続されている。
ＩＧＢＴ２０１はコレクタ電極、エミッタ電極、ゲート電極を備えている。また、ダイオード２０２がコレクタ電極とエミッタ電極との間に電気的に接続されている。なお、パワー半導体素子として、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を用いてもよく、この場合、ダイオード２０２は不要である。パワー半導体素子の母体となる材料は、シリコンが広く用いられているが、ＳｉＣやＧａＮでもよい。
ゲート駆動回路２０４は、ＩＧＢＴ２０１のエミッタ電極と、ゲート電極との間に設けられ、ＩＧＢＴ２０１をオンオフ制御する。マイコン回路２０３は、ゲート駆動回路２０４へ制御信号を供給する。
電流検出装置１０１ないし１０３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの交流配線の電流量を検出し、マイコン回路２０３にフィードバックする。
上述のように、マイコン回路２０３は電流検出装置１０１、１０２、１０３からのフィードバック信号を受け、インバータ回路２１０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ２０１を制御する制御信号を発生し、ゲート駆動回路２０４に供給する。
ゲート駆動回路２０４は制御信号に基づき各相の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ２０１を駆動するための駆動信号を各相のＩＧＢＴ２０１に供給する。ＩＧＢＴ２０１はゲート駆動回路２０４からの駆動信号に基づき、オンあるいはオフ動作を行い、バッテリ２５２から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、この変換された電力はモータジェネレータＭＧに供給される。
図３は、実施例１に係る電流検出装置１０１の外観斜視図である。図４は、実施例１に係る電流検出装置１０１の分解斜視図である。電流検出装置１０２及び１０３も、図３及び図４で示される電流検出装置１０１と同様の構成である。
導体１１１には導体１１２と導体１１３が接続される。さらに、導体１１２と導体１１３は導体１１４に接続される。配線基板１１６は、磁界検出素子１１５の電源線と信号線が配線されている。
磁界検出素子１１５及び配線基板１１６は、導体１１２と導体１１３が互いに対向するように配置される間の空間に設けられる。
導体１１１を流れる電流は、導体１１２と導体１１３に分流され、導体１１４で再び合流する。なお、説明の便宜上、導体１１１ないし１１４はそれぞれ別の番号を付しているが、例えば、導体１１１と導体１１２と導体１１４を一体の導体としてもよい。導体同士の接合は、はんだ接合や溶接、ネジ止めを用いることができる。
また、組立性を向上するために、導体１１３、磁界検出素子１１５、配線基板１１６をモジュール化してもよい。例えば、磁界検出素子１１５と導体１１３を封止する封止材を設け、導体１１３の一部が封止材から突出されかつこの突出した部分において導体１１１と接続される
図５は、磁界検出素子１１５で検出される磁界について説明するための図３におけるＡ−Ａ’部の断面図である。
導体１１２は手前から奥に向かって電流が流れ、導体１１３は奥から手前に向かって電流が流れる。導体１１２を流れる電流は、時計回りの方向の磁界１５１を発生させる。導体１１３を流れる電流は、反時計回りの方向の磁界１５２を発生させる。
その結果、磁界検出素子１１５では磁界１５１と磁界１５２の合計値が左から右の方向（−Ｙ方向）に検出される。導体１１２と導体１１３を流れる電流は、導体１１１から分流した電流なので、磁界１５１と磁界１５２の合計値は、導体１１１を流れる電流量に比例する。よって、磁界検出素子１１５によって導体１１１を流れる電流量を検出することが可能となる。
続いて、導体を流れる高周波電流の表皮効果の抑制について、計算結果を用いて説明する。
図６は、対向する導体がない場合の導体１１２の高周波電流密度分布の計算結果を示したものである。導体１１２を流れる電流密度分布は、表皮効果のために、中央部の電流密度が減少し、端部の電流密度が増大している。その結果、磁界検出素子１１５が検出する磁界が減少する。
図７は、対向する導体がある場合の導体１１２と導体１１３の高周波電流密度分布の計算結果を示したものである。導体１１２と導体１１３の電流はそれぞれ反対方向に流れるため、導体１１２と導体１１３の電流密度分布において表皮効果の影響は抑制されている。その結果、磁界検出素子１１５が検出する磁界の減少を抑制し、電流検出の高精度化が可能となる。
このように、本実施例によれば、高周波電流の電流検出を高精度化できる。
図８は、実施例２に係る電流検出装置１０１ないし１０３の外観斜視図である。図９は、電流検出装置１０１ないし１０３の分解斜視図をそれぞれ示したものである。
本実施例においては、実施例１で説明した電流検出装置１０１と同様の電流検出装置１０２及び電流検出装置１０３を並列に配置することで、複数の配線における電流を検出することが可能となる。
例えば、図２に示した電力変換装置２５１において、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの交流配線の電流を検出できる。さらに、磁界検出素子１１５と磁界検出素子１２５と磁界検出素子１３５の検出する磁界が他相電流のつくる磁界に対して平行になるため、磁界検出素子１１５と磁界検出素子１２５と磁界検出素子１３５の検出値は他相電流の影響を受けにくくなる。
本実施例によれば、本発明の実施例１と同様の効果に加えて、他相の電流の影響を抑制することで、電流検出のさらなる高精度化が可能となる。
図１０は、実施例３に係る電流検出装置４０１の外観斜視図である。図１１は、実施例３に係る電流検出装置４０１の分解斜視図である。
導体１１１には導体１１２と導体１１３と導体１４２と導体１４３が接続されている。さらに、導体１１２と導体１１３と導体１４２と導体１４３は、導体１１４に接続される。
導体１１２と導体１１３が互いに対向するように配置される間の空間に磁界検出素子１１５が設けられる。さらに導体１４２と導体１４３が互いに対向するように配置される間の空間に磁界検出素子１４５が設けられる。また、導体１１２と導体１１３が互いに対向するように配置される間と導体１４２と導体１４３が互いに対向するように配置される間を貫通するように、磁界検出素子１１５と磁界検出素子１４５の電源線と信号線が配線されている配線基板１１６が設けられる。
導体１１１を流れる電流は、導体１１２と導体１１３と導体１４２と導体１４３に分流され、導体１１４で再び合流する。図１０におけるＡ−Ａ’部の断面図は図５と同様である。
図１２は、図３におけるＢ−Ｂ’部の断面図を示したものである。磁界検出素子１４５では磁界１６１と磁界１６２の合計値が右から左の方向（＋Ｙ方向）に検出される。よって、磁界検出素子１１５の−Ｙ方向の磁界検出値と、磁界検出素子１４５の＋Ｙ方向の磁界検出値との合計値は、導体１１１を流れる電流値に比例する。よって、磁界検出素子１１５、１４５によって導体１１１を流れる電流量を検出することが可能となる。さらに、磁界検出素子１１５と１４５とはそれぞれ反対方向の磁界を検出するため、一方向（−Ｙ方向または＋Ｙ方向）の外乱磁界は、磁界検出素子１１５と１４５の磁界検出値を合計することで相殺される。その結果、外乱を抑制することが可能となる。
本実施例によれば、本発明の実施例１と同様の効果に加えて、磁界の外乱を抑制することで、電流検出のさらなる高精度化が可能となる。
以上説明したように、本発明は、電流検出装置に関し、特に、ハイブリッド自動車や電気自動車に用いるインバータシステムに適用可能である。また、鉄道車両の駆動システムや一般産業のモータドライブにも使用可能である。
なお、本発明の技術的範囲は上記の各実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々の変形例が可能であることはいうまでもない。
１０１…電流検出装置、１０２…電流検出装置、１０３…電流検出装置、１１１…導体、１１２…導体、１１３…導体、１１４…導体、１１５…磁界検出素子、配線基板１１６、１２１…導体、１２２…導体、１２３…導体、１２４…導体、１３１…導体、１３２…導体、１３３…導体、１３４…導体、１４２…導体、１４３…導体、１２５…磁界検出素子、１３５…磁界検出素子、１４５…磁界検出素子、１５１…磁界、１５２…磁界、１６１…磁界、１６２…磁界、２０１…ＩＧＢＴ、２０２…ダイオード、２０３…マイコン回路、２０４…ゲート駆動回路、２１０…インバータ回路、２５１…電力変換装置、２５２…バッテリ、２５５…平滑コンデンサ、２６１…コネクタ、２６２…直流コネクタ、２６３…交流コネクタ、ＤＥＦ…デファレンシャルギア、ＥＧＮ…内燃機関、ＭＧ…モータジェネレータ、ＴＳＭ…動力分配機構、ＷＨ…車輪

Claims (5)

  1. 第１導体と、
    前記第１導体に接続される第２導体と、
    前記第１導体に接続される第３導体と、
    第１磁界検出素子と、を備え、
    前記第１導体に流れる電流が、前記第２導体と前記第３導体に分流され、
    前記第３導体は、前記第２導体と対向する対向部を有し、
    前記第３導体は、前記対向部が前記第２導体に流れる電流と前記第３導体に流れる電流が逆向きになるように形成され、
    前記第１磁界検出素子は、前記第３導体の対向部と前記第２導体の間の空間に配置される電流検出装置。
  2. 請求項１に記載の電流検出装置において、
    前記第１磁界検出素子と前記第３導体を封止する封止材を備え、
    前記第３導体の一部は、前記封止材から突出されかつ当該突出した部分において第１導体と接続される電流検出装置。
  3. 請求項１に記載の電流検出装置において、
    前記第１導体に接続される第４導体と、前記第１導体に接続される第５導体と、第２磁界検出素子と、を備え、
    前記第１導体に流れる電流が、前記第４導体と前記第５導体に分流され、
    前記第４導体は、前記第５導体と対向する対向部を有し、
    前記第５導体は、前記対向部が前記第４導体に流れる電流と前記第５導体に流れる電流が逆向きになるように形成され、
    前記第２磁界検出素子は、前記第５導体の対向部と前記第４導体の間の空間に配置され、
    前記第１磁界検出素子と、前記第２磁界検出素子の磁界検出面が互いに対向する電流検出装置。
  4. パワー半導体素子によって電力を変換する電力変換装置において、
    請求項１乃至３に記載のいずれかの電流検出装置を電流量の検出に用いられる電力変換装置。
  5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
    前記電流検出装置は他相の電流検出装置に対して、前記第１導体を流れる電流が概平行となるように配置される電力変換装置。
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