(57)【要約】【課題】主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流を、電流ノイズの影響を排除して簡易に、しかも高精度に検出することのできる電流検出回路を提供する。【解決手段】制御信号が印加されてオン・オフ駆動される大電力用の主スイッチング素子Ｑｍと並列に設けられて前記制御信号が印加されてオン・オフ駆動され、前記主スイッチング素子よりも小さいサイズで、且つ互いに異なるサイズの複数の副スイッチング素子とＱｓ１,Ｑｓ２、これらの各副スイッチング素子にそれぞれ直列接続された複数の電流検出抵抗Ｒ１,Ｒ２と、これらの各電流検出抵抗に生じる電圧の差から前記主スイッチング素子に流れる電流を検出する差動増幅器Ａｍｐとを備えることを特徴とする。【選択図】      図１
2014052192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御信号が印加されてオン・オフ駆動される主スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出回路であって、
前記主スイッチング素子と並列に設けられて前記制御信号が印加されてオン・オフ駆動され、前記主スイッチング素子よりも小さいサイズで、且つ互いに異なるサイズの複数の副スイッチング素子と、
これらの各副スイッチング素子にそれぞれ直列接続された複数の電流検出抵抗と、
これらの各電流検出抵抗に生じる電圧の差から前記主スイッチング素子に流れる電流を検出する差動増幅器と
を具備したことを特徴とする電流検出回路。
【請求項２】
前記主スイッチング素子および前記複数の副スイッチング素子は、同一の半導体基板上に形成されたものである請求項１に記載の電流検出回路。
【請求項３】
前記複数の電流検出抵抗は、同一の抵抗値を有するものである請求項１に記載の電流検出回路。
【請求項４】
前記主スイッチング素子は、その制御端子に入力抵抗を介して前記制御信号が印加されてオン・オフ起動され、前記複数の副スイッチング素子は、その制御端子に前記制御信号がそれぞれ直接印加されてオン・オフ駆動されるものである請求項１に記載の電流検出回路。
【請求項５】
前記主スイッチング素子および前記複数の副スイッチング素子は、それぞれＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴからなる請求項１に記載の電流検出回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子に流れる電流を高精度に検出することのできる電流検出回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の点火装置やスイッチング電源等に用いられるＩＧＢＴ等の大電力用のスイッチング素子の駆動回路には、前記スイッチング素子に定格以上の過電流が流れたとき、該スイッチング素子のみならず、スイッチング素子に接続された回路や負荷を保護する為の電流制限機能を組み込むことが多い。これ故、スイッチング素子に流れる電流を精度良く検出することが重要となる。
【０００３】
そこで従来では、例えば図５に示すように大電流をスイッチングする主スイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｑｍと並列に、前記主スイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｑｍに比較して、その素子面積（サイズ）が［１／Ｍ］と小さい電流検出用の副スイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｑｓを設けている。そしてこの副スイッチング素子Ｑｓに流れる電流を、該副スイッチング素子Ｑｓのエミッタに直列接続された電流検出抵抗（センシング抵抗）Ｒを介して検出することが提唱されている（例えば特許文献１,２を参照）。尚、図中ＲＬは前記主スイッチング素子Ｑｍの負荷である。
【０００４】
ちなみに前記主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流と副スイッチング素子Ｑｓに流れる電流との比は、前記主スイッチング素子Ｑｍと副スイッチング素子Ｑｓとのサイズ比（素子面積比）により決定される。そして一般的には前記電流検出抵抗Ｒでの電力損失や発熱を抑え、また副スイッチング素子Ｑｓを併設する為の面積的なデメリットを最小限に抑える為に、前記サイズ比を決定するＭ値は［Ｍ≫１］、具体的には数百〜数千程度に設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２７１０９８号公報
【特許文献２】特開２００１−３４５６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら上述した手法は、主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流を直接検出するものではなく、前記副スイッチング素子Ｑｓを介して間接的に検出するものである。しかも前述したように前記副スイッチング素子Ｑｓは、前記主スイッチング素子Ｑｍの［１／Ｍ］のサイズとして実現される。これ故、前記副スイッチング素子Ｑｓは、前記主スイッチング素子Ｑｍに比較して周辺機器による電磁干渉や放射等による電流ノイズの影響を受け易く、前記主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流を正確に検出（推定）する上で課題が残される。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流を、電流ノイズの影響を排除して簡易に、しかも高精度に検出することのできる電流検出回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するべく本発明に係る電流検出回路は、制御信号が印加されてオン・オフ駆動される大電力用の主スイッチング素子に流れる電流を検出するに好適なものであって、
前記主スイッチング素子と並列に設けられて前記制御信号が印加されてオン・オフ駆動され、前記主スイッチング素子よりも小さいサイズで、且つ互いに異なるサイズの複数の副スイッチング素子と、
これらの各副スイッチング素子にそれぞれ直列接続された複数の電流検出抵抗と、
これらの各電流検出抵抗に生じる電圧の差から前記主スイッチング素子に流れる電流を検出する差動増幅器と
を具備したことを特徴としている。
【０００９】
好ましくは前記主スイッチング素子および前記複数の副スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴからなり、同一の半導体基板上に形成される。また前記複数の電流検出抵抗は、好ましくは同一の抵抗値を有する。
【００１０】
また前記主スイッチング素子を、その制御端子に入力抵抗を介して前記制御信号が印加してオン・オフ起動し、前記複数の副スイッチング素子については、その制御端子に前記制御信号がそれぞれ直接印加してオン・オフ駆動するように構成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成の電流検出回路によれば、主スイッチング素子に流れる電流を前記複数の副スイッチング素子を介して前記各電流検出抵抗にそれぞれ流れる電流として並列に検出することができる。そしてこれらの各電流検出抵抗を介して検出された電流検出信号（電圧）の差分を求めるもので、前記複数の副スイッチング素子のそれぞれに入り込む同相の電流ノイズの影響を除去、または減少させることができる。従って耐ノイズ性に優れた電流検出回路を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る電流検出回路の概略的な構成を示す図。
【図２】本発明の別の実施形態に係る電流検出回路の概略的な構成を示す図。
【図３】本発明に係る電流検出回路を用いた内燃機関用点火装置の構成例を示す図。
【図４】本発明の更に別の実施形態に係る電流検出回路の概略的な構成を示す図。
【図５】従来の電流検出回路の構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る電流検出回路について説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る電流検出回路の概略的な構成を示す図で、Ｑｍは、例えばＩＧＢＴからなる大電力用の主スイッチング素子、ＲＬは該主スイッチング素子Ｑｍのコレクタに接続された負荷である。この主スイッチング素子Ｑｍは、そのゲートに駆動回路（図示せず）からのゲート制御信号を受けてオン・オフ動作し、前記負荷ＲＬに所定の電力を供給する。
【００１４】
このような主スイッチング素子Ｑｍに対して、この実施形態においては前記主スイッチング素子Ｑｍの［１／Ｍ］のサイズの第１の副スイッチング素子Ｑｓ１と、［１／Ｎ］のサイズの第２の副スイッチング素子Ｑｓ２とがそれぞれ並列に接続して設けられる。これらの第１および第２の副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２は、前記主スイッチング素子Ｑｍと同一の半導体基板（図示せず）上に形成されたＩＧＢＴからなり、そのゲートおよびコレクタを相互に共通接続することで並列に設けられる。
【００１５】
そして前記第１および第２の副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２の各エミッタには、それぞれ電流検出抵抗Ｒ１,Ｒ２が直列接続され、これらの各電流検出抵抗Ｒ１,Ｒ２にそれぞれ生じた電流検出信号（電圧）は、差動増幅器Ａｍｐに入力される。この差動増幅器Ａｍｐは、前記電流検出信号（電圧）の差分を求めることで、前記各副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２にそれぞれ混入した同相の電流ノイズを除去し、或いは低減して前記主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流に相当する電流検出信号を求める役割を担う。
【００１６】
尚、前記第１および第２の副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２については、周辺機器による電磁干渉や放射に起因する電流ノイズの影響ができる限り共通になるように、好ましくは前記半導体基板上の互いに近接した位置に設けることが望ましい。また前記各電流検出抵抗Ｒ１,Ｒ２の抵抗値については、後述するようにその差ができる限り小さいこと、好ましくは同じ値であることが望ましい。
【００１７】
ここで前記主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流をＩとすると、［１／Ｍ］のサイズの前記第１の副スイッチング素子Ｑｓ１には［Ｉ／Ｍ］なる電流が流れ、また［１／Ｎ］のサイズの前記第２の副スイッチング素子Ｑｓ２には［Ｉ／Ｎ］なる電流が流れる。また前記各電流検出抵抗Ｒ１,Ｒ２にそれぞれ混入する電流ノイズに起因する電流変動量がΔＩnであり、前記電流検出抵抗Ｒ１,Ｒ２の抵抗値をｒ１,ｒ２とすると、前記各電流検出抵抗Ｒ１,Ｒ２には
Ｖ１＝（Ｉ／Ｍ）×ｒ１＋ΔＩn×ｒ１
Ｖ２＝（Ｉ／Ｎ）×ｒ２＋ΔＩn×ｒ２
なる電圧がそれぞれ生じる。
【００１８】
尚、ここでは前記各電流検出抵抗Ｒ１,Ｒ２に生じた電圧降下に起因する前記第１および第２の副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２のゲート・エミッタ間電圧の低下による前記主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流Ｉの分流比に変化が生じないものと仮定している。また前記サイズを示すＭ,Ｎ値については［１／Ｍ＞１／Ｎ］であり、前記抵抗値が［ｒ１≧ｒ２］であるとする。すると前記差動増幅器ＡｍｐのゲインをＧとすると、該差動増幅器Ａｍｐの出力として
Ｖsense＝Ｇ（Ｖ１−Ｖ２）
＝Ｇ｛（ｒ１／Ｍ−ｒ２／Ｎ）Ｉ＋（ｒ１−ｒ２）ΔＩn｝
なる電流検出信号Ｖsenseが得られることになる。
【００１９】
従って上記電流検出信号Ｖsenseから前記主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流Ｉを、
Ｉ＝｛ＭＮ／（Ｎ・ｒ１−Ｍ・ｒ２）｝
×｛（Ｖsense／Ｇ）−（ｒ１−ｒ２）ΔＩn｝
として求めることが可能となる。この式に示されるように前記電流ノイズに起因する電流変動量ΔＩnの項は、前記電流検出抵抗Ｒ１,Ｒ２の抵抗値ｒ１,ｒ２の差が小さい程小さくなり、特にその値が等しい場合には実質的に無視することが可能となる。
【００２０】
従って上述した如く構成された電流検出回路によれば、周辺機器による電磁干渉や放射に起因する電流ノイズの影響を除去し、若しくは低減して主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流Ｉを精度良く検出することができる。しかもサイズの異なる第１および第２の副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２を用いることで、これらの各副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２にそれぞれ流れる電流に差を付けながら、電流検出抵抗Ｒ１,Ｒ２にそれぞれ流入する電流ノイズの量を等しくし、これらの電流ノイズを打ち消すように動作するので、前記主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流Ｉを簡易に、しかも精度良く検出することができる等の効果が奏せられる。
【００２１】
ところで図２に示すようにサイズの異なる３個の副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２,Ｑｓ３を前記主スイッチング素子Ｑｍに並列接続して、該主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流Ｉを検出するようにしても良い。この場合には、３個の副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２,Ｑｓ３のサイズを［１／Ｍ］,［１／Ｎ］,［１／Ｌ］として互いに異ならせ、副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２,Ｑｓ３の各エミッタに直列接続した電流検出抵抗Ｒ１,Ｒ２,Ｒ３に生じた電圧の差を求めるように構成すれば良い。
【００２２】
具体的には、例えば第１の差動増幅器Ａｍｐ１にて前記電流検出抵抗Ｒ１,Ｒ２に生じた電圧の差を求め、更に第２の差動増幅器Ａｍｐ２にて上記第１の差動増幅器Ａｍｐ１の出力電圧と前記電流検出抵抗Ｒ３に生じた電圧の差を求めるようにすれば良い。即ち、この場合には、前記各電流検出抵抗Ｒ１,Ｒ２,Ｒ３には
Ｖ１＝（Ｉ／Ｍ）×ｒ１＋ΔＩn×ｒ１
Ｖ２＝（Ｉ／Ｎ）×ｒ２＋ΔＩn×ｒ２
Ｖ３＝（Ｉ／Ｌ）×ｒ３＋ΔＩn×ｒ３
なる電圧がそれぞれ生じる。
【００２３】
従って、例えば前記第１の差動増幅器Ａｍｐ１のゲインを［１］としておけば、該第１の差動増幅器Ａｍｐ１の出力として
Ｖamp＝（Ｖ１−Ｖ２）
＝（ｒ１／Ｍ−ｒ２／Ｎ）Ｉ＋（ｒ１−ｒ２）ΔＩn
が得られる。
【００２４】
そしてこの第１の差動増幅器Ａｍｐ１の出力電圧Ｖampと前記電流検出抵抗Ｒ３に生じる電圧Ｖ３との差を前記第２の差動増幅器Ａｍｐ２にて求めれば、該第２の差動増幅器Ａｍｐ２の出力として
Ｖsense＝Ｇ（Ｖamp−Ｖ３）
＝Ｇ（Ｖ１−Ｖ２−Ｖ３）
＝Ｇ（ｒ１／Ｍ−ｒ２／Ｎ−ｒ３／Ｌ）Ｉ＋Ｇ（ｒ１−ｒ２−ｒ３）ΔＩn
なる電流検出信号Ｖsenseが得られることになる。
【００２５】
従って前記電流検出抵抗Ｒ２,Ｒ３の抵抗値ｒ２,ｒ３を、例えば前記電流検出抵抗Ｒ１の抵抗値ｒ１の［１／２］にそれぞれ設定しておけば、先の実施形態と同様に電流ノイズの影響を除去、若しくは低減して主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流Ｉを精度良く検出することができる。但し、この場合、前述した２個の副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２を用いた場合よりも構成が複雑化し、電流ノイズの影響も受け易くなることが否めない。従って実用的には先に説明した実施形態の方が好ましい。
【００２６】
図３は上述した電流検出回路を用いて構成した内燃機関用点火装置の要部概略構成図である。この内燃機関用点火装置は、前記主スイッチング素子Ｑｍにてイグニッションコイル１０の一次コイル１１に流れる電流をパルス的に制御し、該イグニッションコイル１０の二次コイル１２に接続された点火プラグ１３を点火制御するものである。具体的には車載用制御ユニット（ＥＣＵ）２０からの点火制御信号を入力するゲートドライブ回路２１にて前記主スイッチング素子Ｑｍのゲートにゲート抵抗２２を介してゲート駆動信号を印加し、これによって前記点火プラグ１３を点火するように構成される。
【００２７】
このように機能する前記主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流Ｉを検出する電流検出回路は、前述したように前記主スイッチング素子Ｑｍに並列に設けた２つの副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２を備え、これらの各副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２のエミッタにそれぞれ接続された電流検出抵抗Ｒ１,Ｒ２を介して前記電流Ｉに比例する電圧をそれぞれ検出する。
【００２８】
そして各電流検出抵抗Ｒ１,Ｒ２に生じた電圧を前記差動増幅器Ａｍｐを介して検出し、該差動増幅器Ａｍｐの出力である電流検出信号Ｖsenseを過電流検出回路２３に入力して過電流の発生を検出する。具体的には前記過電流検出回路２３においては、前記電流検出信号Ｖsenseと予め設定した基準電圧Ｖrefとを比較し、該電流検出信号Ｖsenseが基準電圧Ｖrefを超えたとき、これを前記主スイッチング素子Ｑｍに過電流が流れたとして検出する。そして過電流検出回路２３の出力にて前記ゲートドライブ回路２１の作動を制御し、例えば前記主スイッチング素子Ｑｍに対するゲート駆動電圧を低下させることにより該主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流Ｉを低下させる。これによって該主スイッチング素子Ｑｍのみならず、前記イグニッションコイル１０および点火プラグ１３がそれぞれ過電流から保護される。
【００２９】
ちなみにこのようなゲート駆動電圧の低減による前記主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流Ｉの低減制御、つまり電流のフィードバック制御を実行する場合、前述した主スイッチング素子Ｑｍと２つの副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２のサイズの違いにより、前記主スイッチング素子Ｑｍが、そのゲート制御信号の変化に対する応答遅れが生じ易い。すると上述したフィードバック制御によって前記主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流を一定に保とうとした場合、主スイッチング素子Ｑｍがゲート制御信号の変化に追従できず、発振を誘発することが懸念される。
【００３０】
前述したゲート抵抗２２は、前記主スイッチング素子Ｑｍの入力寄生容量（図示せず）とによりローパスフィルタを形成し、前記ゲート制御信号を前記主スイッチング素子Ｑｍに対してだけ緩やかに変化させる役割を担う。換言すれば前記ゲート制御信号は、前記２つの副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２の各ゲートに直接印加されることで、その高速応答性が確保される。この結果、前記ゲート制御信号のフィードバック制御が速やかに実行され、過電流に対する保護動作が確実に実行される。
【００３１】
また上述した構成によれば、前記主スイッチング素子Ｑｍおよび電流検出回路が、車両におけるノイズの発生源となるエンジン（内燃機関）や各種のモータが設けられた部位の近傍に搭載されることが多いので、前述した耐ノイズ性の向上は実用的に多大な効果を奏する。
【００３２】
ところで、例えば前述したようにサイズの異なる３個の副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２,Ｑｓ３を用いる場合、図４に示すように第１の差動増幅器Ａｍｐ１にて前記電流検出抵抗Ｒ１,Ｒ２に生じた電圧の差を求めると共に、第２の差動増幅器Ａｍｐ２にて前記電流検出抵抗Ｒ３,Ｒ１に生じた電圧の差を求める。そして第３の差動増幅器Ａｍｐ３により上記各差動増幅器Ａｍｐ１,Ａｍｐ２の出力電圧の差を求めるようにすれば良い。
【００３３】
この場合、前記差動増幅器Ａｍｐ１,Ａｍｐ２の各ゲインをそれぞれ［１］としておけば、第１の差動増幅器Ａｍｐ１の出力として
Ｖamp１＝（Ｖ１−Ｖ２）
＝（ｒ１／Ｍ−ｒ２／Ｎ）Ｉ＋（ｒ１−ｒ２）ΔＩn
が得られる。
【００３４】
また第２の差動増幅器Ａｍｐ２の出力として
Ｖamp２＝（Ｖ３−Ｖ１）
＝（ｒ３／Ｌ−ｒ１／Ｍ）Ｉ＋（ｒ３−ｒ１）ΔＩn
が得られる。
【００３５】
そして前記差動増幅器Ａｍｐ３のゲインを［Ｇ］としておけば、該第３の差動増幅器Ａｍｐ３の出力として
Ｖsense＝Ｇ（Ｖamp１−Ｖamp２）
＝Ｇ｛（Ｖ１−Ｖ２−（Ｖ３−Ｖ１））
＝Ｇ（２・Ｖ１−Ｖ３−Ｖ２）
＝Ｇ（２・ｒ１／Ｍ−ｒ２／Ｎ−ｒ３／Ｌ）Ｉ
＋Ｇ（２・ｒ１−ｒ２−ｒ３）ΔＩn
なる電流検出信号Ｖsenseが得られることになる。
【００３６】
従って、例えば前記電流検出抵抗Ｒ２,Ｒ３の抵抗値ｒ２,ｒ３を、それぞれ前記電流検出抵抗Ｒ１の抵抗値ｒ１と等しくなるように設定しておけば、先の各実施形態と同様に電流ノイズの影響を除去、若しくは低減して主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流Ｉを精度良く検出することができる。しかもこのような構成であれば、前記第１の副スイッチング素子Ｑｓ１に流れる電流から前記第２および３の副スイッチング素子Ｑｓ２,Ｑｓ３にそれぞれ流れる電流の同相成分を除去した後、前記第３の差動増幅器Ａｍｐ３においてその検出誤差を打ち消すことが可能となるので、前記主スイッチング素子Ｑｍに流れる電流Ｉの検出精度をより高くすることが可能となる。
【００３７】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば副スイッチング素子Ｑｓ１,Ｑｓ２のサイズ［１／Ｍ］,［１／Ｎ］の値Ｍ,Ｎについては、前述したように数百〜数千程度に設定すれば良いものであるが、各種仕様に合わせて定めれば良いことは言うまでもない。また前記差動増幅器ＡｍｐのゲインＧについても制御仕様に応じて定めれば十分である。更には前記各スイッチング素子Ｑｍ,Ｑｓ１,Ｑｓ２としては、前述したＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタであっても良いことは勿論のことである。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【符号の説明】
【００３８】
Ｑｍ  主スイッチング素子
Ｑｓ１,Ｑｓ２  副スイッチング素子
Ｒ１,Ｒ２  電流検出抵抗
Ａｍｐ  差動増幅器
ＲＬ  負荷
１０  イグニッションコイル
１３  点火プラグ
２０  車載用制御ユニット（ＥＣＵ）
２１  ゲートドライブ回路
２２  ゲート抵抗
２３  過電流検出回路
【図１】
2014052192.tif 000003
【図２】
2014052192.tif 000004
【図３】
2014052192.tif 000005
【図４】
2014052192.tif 000006
【図５】
2014052192.tif 000007