電流測定装置

本発明は、電流測定装置に関し、特に、インバータ回路などのパワーモジュールの電流測定装置に関する。

インバータ装置によって電動モータを駆動する技術がある。インバータ装置は、電源(バッテリ)側からの直流電流をスイッチング素子のスイッチング動作により交流電流に変換する。

このようなインバータ装置において、半導体スイッチング素子や、電流を平滑化するための電解コンデンサが搭載される。このようなインバータ装置として、例えば、特許文献1のモータ制御モジュールが挙げられる。このモータ制御モジュールにおいて、プリント基板上には、電解コンデンサの温度を計測する第1の温度検出素子と、FET(スイッチング素子)の温度を計測する第2の温度検出素子とが設けられている。また、電解コンデンサの一端子と第1の温度検出素子とが接続され、FETの一端子と第2の温度検出素子とが接続されている。このため、電解コンデンサの一端子と第1の温度検出素子とは、ほぼ同じ温度になり、FETの一端子と第2の温度検出素子とは、ほぼ同じ温度になる。

そして、温度計測回路により、第1及び第2の温度検出素子の抵抗値を検出することで、電解コンデンサ及びFETの温度を計測することができる。計測された温度から電解コンデンサ及びFETの温度が所定温度を超えた場合には、モータの制御ユニットによりモータの最大出力を下げる等の制御が行われ、電解コンデンサ及びFETが保護されるようになっている。

また、特許文献2には、スイッチ動作を行うスイッチング素子(IGBT、FET等)が搭載され、またLCフィルタを構成する電解コンデンサが搭載され、電流検出素子としてシャント抵抗器を用いて交流モータの電流を検出する技術が開示されている。

特開2004−96848号公報

特開2011−217463号公報

図6は、一般的なインバータ回路付き電流測定装置Xの一構成例を示す回路図である。図6に示すように、モータMを電源Pにより駆動する場合に、主回路コンデンサ101からインバータブリッジ103までの配線105、107において、スイッチング素子のオン、オフにより発生するサージ電圧が問題となる(図7参照)。

サージ電圧を低減することはインバータ装置等の設計において品質上重要なテーマである。一般に、配線105、107における配線インダクタンスを小さくしないと、サージ電圧は大きくなる。

本発明は、インバータ回路等のパワーモジュールにおいて使用される電流測定装置として特に有用であり、電流検出素子としてシャント抵抗器を用いた場合における配線のインダクタンスを低減することを目的とする。

本発明の一観点によれば、導電性の金属で形成した第1の配線部材と、導電性の金属で形成されるとともに、一部に抵抗体金属を備えた第2の配線部材と、を有し、前記第1の配線部材と前記第2の配線部材とは、少なくとも前記抵抗体金属を備えた部位において、絶縁体を介して併設した、電流測定装置が提供される。

これにより、例えばインバータ回路において、コンデンサからパワーモジュールまでの直流配線経路にシャント抵抗器からなる電流検出器を設ける際に、電流ループの形成される面積を低減することができる。従って、配線のインダクタンスを低減し、パワーモジュールへのサージ電圧を抑制することができる。

前記第1の配線部材と前記第2の配線部材とは板状であり、前記第1の配線部材と前記第2の配線部材の幅広の面同士を対向させて併設することが好ましい。

前記抵抗体金属を備えた部位には、電圧信号が入力される回路を内蔵した電流検出部を備えるようにすると良い。

電源と接続するための第1の端子及び第2の端子を有し、電力制御を行うためのパワーモジュールを備え、前記第1の配線部材は、前記第1の端子に接続され、前記第2の配線部材は、前記第2の端子に接続されていることが好ましい。

この際、コンデンサ(キャパシタ)を備え、前記第1の配線部材と前記第2の配線部材は、前記コンデンサ(キャパシタ)に接続されることが好ましい。

インバータ回路等の電流測定装置において、電流検出素子としてシャント抵抗器を用いた場合における配線のインダクタンスを低減することができる。

本発明の第1の実施の形態による電流測定装置の一構成例を示す図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は側面図である。図1(c)から(e)までは、図1(b)のIb−Ib線に沿う断面構造の例を示す図である。

図2(a)は、シャント抵抗器近傍の詳細な構成例を示す斜視図であり、図2(b)から図2(d)は、シャント抵抗器の構成例を示す斜視図である。

本実施の形態によるインバータ回路付き電流測定装置の一構成例を示す回路図である。

本発明の第2の実施の形態による電流測定装置の一構成例を示す図であり、図4(a)は平面図、図4(b)は側面図である。

シャント抵抗器近傍の詳細な構成例を示す斜視図であり、図2(a)に対応する図である。

一般的なインバータ回路付き電流測定装置の一構成例を示す回路図である。

サージ電圧が発生している様子を示す図である。

本明細書において、インバータ(回路)とは、直流電力から交流電力を電気的に生成する(逆変換する)電源回路、またはその回路を持つ電力変換装置を指す。

以下に、本発明の実施の形態による電流測定装置(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。

(第1の実施の形態) まず、本発明の第1の実施の形態について説明する。図1は、本実施の形態による電流測定装置の一構成例を示す図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は側面図である。図1(c)から図1(e)までは、図1(b)のIb−Ib線に沿う断面構造の例を示す図である。

また、図2(a)は、シャント抵抗器近傍の詳細な構成例を、図2(b)から図2(d)は、シャント抵抗器の構成例を示す斜視図である。

図1(a)、図1(b)に示すように、本実施の形態による電流測定装置Aは、例えば、インバータ回路1と、インバータ回路1を駆動させる電源(図5にて後述する)のプラス端子(+)に接続する第1の配線部材11およびマイナス端子(−)に接続する第2の配線部材15と、コンデンサ(キャパシタ)25と、を有している。

第1の配線部材11は、インバータ回路1のプラス端子側からコンデンサ25のプラス端子に向けて、順番に、第1の接続部5aと、本体部5cと、第2の接続部5bとからなるバスバーにより構成されている。第1の配線部材11(バスバー)は、Cuなどの材料を用いることができる。

第2の配線部材15は、インバータ回路1のマイナス端子側からコンデンサ25のマイナス端子に向けて、順番に、第1の接続部(電極端子)7aと、本体部7cと、シャント式の電流検出部17と、第2の接続部(電極端子)7bにより構成されている。

さらに、第1の配線部材11側と電源とを接続する配線27と、第2の配線部材15と電源とを接続する配線31とを有する。

そして、第1の配線部材11と第2の配線部材15とは、絶縁体23を介して近接して併設配置されている。

絶縁体23は、例えば、エポキシ樹脂、シリコン、ガラス繊維等からなる絶縁シート(絶縁紙)、酸化膜、窒化膜などの薄膜、エポキシ樹脂やガラスなどの被膜を用いることができる。尚、第1の配線部材11と第2の配線部材15とは、一定の間隔を保つ構造にしてもよい(即ち、絶縁体23を空気とする)。

図1(b)に示すように、インバータ1とコンデンサ25とにネジ止めされる部分、すなわち、第1の接続部5a、第2の接続部5bおよび第1の接続部7a、第2の接続部(電極端子)7bは、水平になっている。

一方、併設される本体部5cと本体部7cとは、各接続部に対して垂直に立ち上がっている縦型構造となっている。すなわち、インバータ1の表面、コンデンサ25の上面から、平行に立ち上がるように併設配置されている。そして、本体部5cと本体部7cとは、その対向する面が近接しており、その間隔は、狭くなっている。対向する面は、幅広の面であることが好ましい。

そして、その対向する面の間に、絶縁体23が設けられていることが好ましい。本実施の形態では、絶縁体23は、近接配置された配線部材11、15の自立を補助する機能も有する。

絶縁体23の例を、図1(c)から図1(e)に示す。図1(c)は、絶縁体23が本体部5cと本体部7cとの対向面よりも広く、図示において上下方向(図1(a)(b)では上下左右方向)に絶縁体23がはみ出すように構成した例である。図1(d)は、一方の配線、本例では本体部5cの外周を絶縁体23により覆うことで絶縁した構造である。図1(e)は、絶縁体23が、本体部5cと本体部7cの間に介在するとともに、本体部5cの上部を覆い、また、本体部7cの下部を覆うように、かぎ型にした構造である。第1の配線部材11と第2の配線部材15には大電流が流れることから、より確実な絶縁を図るために、図1(c)〜図1(e)に示すような、沿面距離を確保する構造が好ましい。

尚、本体部5cと本体部7cとの間に挟む絶縁体23としては、電気的な絶縁性能を有する絶縁シートを用いることができ、1mm以下の厚みで、加工も容易である。

図2は、第2の配線部材15側の詳細な構成を示す図である。図2(a)に示すように、第1の配線部材11の本体部5cと、第2の配線部材15の本体部7cとが、絶縁体23を介して縦型に配置固定されている。

図2(b)に示すように、シャント抵抗器を備えた配線部分には、その本体部7cに、例えば、電圧信号の出力回路などを備えた電流検出部17が配置されており、電流検出部17からは電圧信号を取り出すための配線31が引き出されている。

図2(c)、図2(d)は、本体部7cのより詳細な構成例を示す図である。図2(c)に示す構成では、抵抗体41と、抵抗体41と溶接接合された第1および第2の電極43a、43bを備えた、シャント抵抗器を備える。抵抗体41と電極43a、43bとは、端面同士を突き合わせて溶接している。シャント抵抗器の電極43a、43bを、それぞれ第1の接続部7a、第2の接続部7bに接続している。かかる接続は、レーザービーム溶接、電子ビーム溶接などで溶接したり、ネジ止め機構などにより接続することができる。

抵抗体41は、Cu−Ni系、Ni−Cr系、Cu−Mn系などの抵抗材料を用いることができる。電極43a、電極43b、第1の接続部7a、第2の接続部7bは、Cuなどの材料を用いることができる。

第1および第2の電極43a、43bから立設された電圧検出端子45a、45bを、電流検出部17の内部に配置した出力回路に接続し、取り出し用の配線31から信号を取り出す。電流検出部17には、必要に応じて、増幅回路やA/D変換回路、マイコン等が内蔵される。電流検出部は、第2の配線部材15における、第1の配線部材11の対向面と反対側の面にのみ搭載されている。このため、第1の配線部材11と第2の配線部材15とをより近接して併設できるため、好適である。

図2(d)は、本体部7cの他の構造例である。本例では抵抗体51を備える。抵抗体51は、抵抗体41と同様に、Cu−Ni系などの抵抗材料である。第1の接続部7aと一体に構成された本体部7cの一部を構成する立設部位は、抵抗体51に接続されている。また、第2の接続部7bと一体に構成された本体部7cの一部を構成する立設部位は、抵抗体51に接続されている。両者の接続は、電子ビーム、レーザービームなどの溶接の他、クラッド接合、金属ナノペーストによるろう付け等を用いて形成することができる。

本構造は、第1の配線部材11と第2の配線部材15とをより近接して併設できるため、好適である。なお、第2の配線部材15にのみ電流検出部17を設けたが、第1の配線部材11に電流検出部17を設けたり、第1および第2の配線部材の双方に電流検出部を設けてもよい。

図3は、本実施の形態によるインバータ回路付き電流測定装置Aの一構成例を示す回路図である。上記の構成により、破線部Cを近接させて短くすることができる。

従って、インバータ回路において、コンデンサからパワーモジュールまでの直流配線経路にシャント抵抗器からなる電流検出器を設ける際に、電流ループの形成される面積を低減することができる。従って、配線のインダクタンスを低減し、パワーモジュールへのサージ電圧を抑制することができる。

(第2の実施の形態) 次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図4は、本実施の形態による電流測定装置Bの一構成例を示す図であり、図4(a)は平面図、図4(b)は側面図である。

また、図5は、斜視図であり、図2(a)に対応する図である。 第1の実施の形態との相違点は、第2の実施の形態では、基板面に水平な方向に配線が対向して配置されている点である。図示するように、第1の配線部材11の本体部5c(図示なし)と第2の配線部材15の本体部7cとを上下方向に重なるように対向配置している。そして、その間に絶縁体23を介装している。

以上のように構成することで、インバータ回路において、コンデンサからパワーモジュールまでの直流配線経路にシャント抵抗器からなる電流検出器を設ける際に、電流ループの形成される面積を低減することができる。従って、配線のインダクタンスを低減し、パワーモジュールへのサージ電圧を抑制することができる。

また、本実施の形態では、絶縁体23は、上下に近接配置された配線部材5、7間の間隔を維持するための機能も有する。

本実施の形態によれば、インバータ回路を備える電流測定装置において、電流検出素子としてシャント抵抗器を用いた場合におけるインダクタンスを低減することができる。

上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。上記の説明では、インバータ回路を例に説明したが、本発明は、トランジスタ、ダイオード、FETなどのパワー半導体素子が搭載された、電力の制御に関わる各種パワーモジュールに適用できる。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

本発明は、電流測定装置に利用可能である。

A…電流測定装置 1…インバータ回路 5a…第1の接続部 5b…第2の接続部 5c…本体部 7a…第1の接続部(電極端子) 7b…第2の接続部(電極端子) 7c…本体部 11…第1の配線部材 15…第2の配線部材 17…電流検出部 23…絶縁体 25…コンデンサ 27…プラス端子側の配線 31…マイナス端子側の配線