(57)【要約】【課題】被測定導体を通流する電流を電気的に非接触の状態での検出と同時に温度の検出を、部品点数の増加や組み込みの手間の増大を招かずに実現できるようにすることにある。【解決手段】被測定導体としての半導体チップ１０に直近に配置したロゴスキーコイル３にリード線４を介して該ロゴスキーコイル３と並列に出力抵抗５を接続し、この出力抵抗５の電圧から前記半導体チップ１０の通流電流を検出する第１電流検出回路６を備えて電流センサを構成し、該ロゴスキーコイル３に電流を流してその電流と電圧から前記半導体チップ１０の温度を検出する第１温度検出回路１２と、前記出力抵抗５と第１電流検出回路６の代わりにこの第１温度検出回路１２を前記ロゴスキーコイル３に接続する第１回路切替器１１とを備える。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定導体に直近に配置したロゴスキーコイルにリード線を介して該ロゴスキーコイルと並列に出力抵抗を接続し、この出力抵抗の電圧から前記被測定導体の通流電流を検出する第１電流検出回路を備えている電流センサにおいて、
前記ロゴスキーコイルに電流を流してその電流と電圧から前記被測定導体の温度を検出する第１温度検出回路と、前記出力抵抗と第１電流検出回路の代わりにこの第１温度検出回路を前記ロゴスキーコイルに接続する第１回路切替器と、を備えることを特徴とするハイブリッドセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のハイブリッドセンサにおいて、
前記出力抵抗を、前記第１電流検出回路の入力インピーダンスで代用することを特徴とするハイブリッドセンサ。
【請求項３】
請求項１乃至請求項２に記載のハイブリッドセンサにおいて、
前記第１電流検出回路へ入力する電圧の検出位置を、前記ロゴスキーコイルの出力端とすることを特徴とするハイブリッドセンサ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載のハイブリッドセンサにおいて、
前記ロゴスキーコイルの一部または全部を、固有抵抗が大きい導体で構成することを特徴とするハイブリッドセンサ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４に記載のハイブリッドセンサにおいて、
前記ロゴスキーコイルの一部または全部を、抵抗温度係数の大きさよりも固有抵抗の大きさを優先して選択した導体で構成することを特徴とするハイブリッドセンサ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５に記載のハイブリッドセンサにおいて、
前記第１回路切替器を、前記リード線の先端に設けることを特徴とするハイブリッドセンサ。
【請求項７】
被測定導体に直近に配置した巻き回数が１回乃至数回で平坦なピックアップコイルにリード線を介して第２電流検出回路を接続して前記被測定導体の通流電流を検出する電流センサにおいて、
前記ピックアップコイルに電流を流してその電流と電圧から前記被測定導体の温度を検出する第２温度検出回路と、前記第２電流検出回路の代わりにこの第２温度検出回路を前記ピックアップコイルに接続する第２回路切替器と、を備えることを特徴とするハイブリッドセンサ。
【請求項８】
請求項７に記載のハイブリッドセンサにおいて、
前記第２電流検出回路へ入力する電圧の検出位置を前記ピックアップコイルの出力端とすることを特徴とするハイブリッドセンサ。
【請求項９】
請求項７乃至請求項８に記載のハイブリッドセンサにおいて、
前記ピックアップコイルの一部または全部を、固有抵抗が大きい導体で構成することを特徴とするハイブリッドセンサ。
【請求項１０】
請求項７乃至請求項９に記載のハイブリッドセンサにおいて、
前記ピックアップコイルの一部または全部を、抵抗温度係数の大きさよりも固有抵抗の大きさを優先して選択した導体で構成することを特徴とするハイブリッドセンサ。
【請求項１１】
請求項７乃至請求項１０に記載のハイブリッドセンサにおいて、
前記第２回路切替器は、前記リード線の先端に設けることを特徴とするハイブリッドセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、被測定導体を通流する電流で生じる磁界からその電流値を計測する電流センサを利用して前記被測定導体の温度を検出するハイブリッドセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
被測定導体を流れる電流により生じる磁界を計測することで電流を計測することができる磁界計測電流センサとしてロゴスキーコイルがある（例えば、特許文献１参照。）
図５は被測定導体の通流電流をロゴスキーコイルにより検出する一般的な構成を示した構成図であって、閉鎖ループ状の一部を切り欠いた形状の非磁性導体でなる第１導体１に、同じく非磁性導体でなる第２導体２を前記第１導体１とは絶縁して巻き付け、これら第１導体１と第２導体２を直列に接続してロゴスキーコイル３を形成し、被測定導体７の周囲をこのロゴスキーコイル３で取り囲むように配置する。被測定導体７に電流が流れるとその周囲に磁界が発生するから、これを周回積分することで、被測定導体７の通流電流を求めることができる。そのために、ロゴスキーコイル３に接続したリード線４の先端に出力抵抗５をロゴスキーコイル３と並列に接続し、出力抵抗５の電圧を周回積分する第１電流検出回路６を備える。
【０００３】
このような構成にすることにより、被測定導体７とは電気的に非接触の状態で電流を測定することができるし、ロゴスキーコイル３には切り欠き部があるので電流路を開放しなくても装着することができるなどの特徴が有する。
このような特徴は、半導体素子の通流電流を計測するのに都合が良い。最近の電力変換用半導体素子の電流容量はますます増大しつつあり、この大きな通流電流容量を確保するために、多数の半導体チップを並列に接続して１つのパッケージに収納する構造にしている。このとき同一パッケージ内の全部あるいは一部の半導体チップに流れる電流を、このロゴスキーコイルを使って検出することにより、各半導体チップに流れる電流に不平衡が生じているか否かをチェックすることができる（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
ところで半導体素子の接合部温度が素子の使用限界を規定するのは周知であるから、各半導体チップに流れる電流を計測すると共に、各半導体チップの温度を計測することが重要になる。そこで電流を計測する場合と同様に、同一パッケージ内の全部あるいは一部の半導体チップに熱電対あるいは測温抵抗体などの温度センサを取り付ける。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３４３４０１号公報
【０００６】
【非特許文献１】
降矢正保、石山泰士，「平型ＩＧＢＴ素子内部の電流測定技術」，富士時報，富士電機株式会社，平成１４年８月，第７５巻，第８号，ｐ４５３−４５５
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
半導体チップの温度は、前述したように熱電対か測温抵抗体を素子に密着させて検出するのであるが、熱電対は出力信号が微弱であるため、半導体素子がスイッチング動作をした場合に生じるノイズなどが原因で測定誤差が大きくなる恐れがあるし、温度の基準点も必要である。また測温抵抗体を使用する場合は、測温用センサに余分なスペースが必要になる。且つ、いずれの場合も温度測定用の部品をパッケージ内部に組み込まなければならないから、部品点数が増加するし、組み込みのための手間も増加する不具合がある。
【０００８】
そこでこの発明の目的は、被測定導体を通流する電流を電気的に非接触の状態での検出と同時に温度の検出を、部品点数の増加や組み込みの手間の増大を招かずに実現できるようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明のハイブリッドセンサは、
被測定導体に直近に配置したロゴスキーコイルにリード線を介して該ロゴスキーコイルと並列に出力抵抗を接続し、この出力抵抗の電圧から前記被測定導体の通流電流を検出する第１電流検出回路を備えて電流センサを構成し、該ロゴスキーコイルに電流を流してその電流と電圧から前記被測定導体の温度を検出する第１温度検出回路と、前記出力抵抗と第１電流検出回路の代わりにこの第１温度検出回路を前記ロゴスキーコイルに接続する第１回路切替器とを備える。
【００１０】
前記出力抵抗を、前記第１電流検出回路の入力インピーダンスで代用する。
前記第１電流検出回路へ入力する電圧の検出位置を、前記ロゴスキーコイルの出力端とする。
前記ロゴスキーコイルの一部または全部を、抵抗温度係数の大きさよりも固有抵抗の大きさを優先して選択した導体で構成する。
前記第１回路切替器は、前記リード線の先端に設ける。
前記ロゴスキーコイルの代わりに、被測定導体に直近に巻き回数が１回乃至数回で平坦なピックアップコイルを配置し、該ピックアップコイルにリード線を介して第２電流検出回路を接続して電流センサを構成し、該ピックアップコイルに電流を流してその電流と電圧から前記被測定導体の温度を検出する第２温度検出回路と、前記第２電流検出回路の代わりにこの第２温度検出回路を前記ピックアップコイルに接続する第２回路切替器とを備える。
【００１１】
前記第２電流検出回路へ入力する電圧の検出位置を前記ピックアップコイルの出力端とする。
前記ピックアップコイルの一部または全部を、抵抗温度係数の大きさよりも固有抵抗の大きさを優先して選択した導体で構成する。
前記第２回路切替器は、前記リード線の先端に設ける。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施例を表した構成図であるが、この図１に記載の第１導体１と第２導体２で構成しているロゴスキーコイル３，リード線４，出力抵抗５および第１電流検出回路６の名称・用途・機能は、図５で既述の従来例と同じであるから、これらの説明は省略する。
図１の第１実施例では、ロゴスキーコイル３の端子部に第１回路切替器１１を設置し、被測定導体としての半導体チップ１０（実際の半導体チップは平角板状であるが、電流の通流状況を表すために円柱状で図示している）の通流電流を計測する際には、出力抵抗５と第１電流検出回路６をロゴスキーコイル３に接続している。なおこの出力抵抗５は、第１電流検出回路６の入力インピーダンスで代用することができる。
【００１３】
次に半導体チップ１０の温度を測定する場合は、通流電流をオフにすると共に第１回路切替器１１を切り換えて、ロゴスキーコイル３を第１温度検出回路１２に接続する。このとき、ロゴスキーコイル３の温度と半導体チップ１０の温度はほぼ同じ値まで上昇しているから、ロゴスキーコイル３を構成する導体が正の抵抗温度係数を持つならば、その抵抗値は大きくなっている。そこで第１温度検出回路１２からはロゴスキーコイル３へ計測用の電流を供給すると共に、電流検出器１３と電圧検出器１４とで検出する電流値と電圧値から抵抗値を演算することで、ロゴスキーコイル３の温度すなわち半導体チップ１０の温度を知ることができる。このとき、電圧検出器１４がロゴスキーコイル３の出力端に近接した位置にあると、第１回路切替器１１やリード線の電圧降下が含まれないので、温度検出の精度を向上させることができる。
【００１４】
図２は本発明の第２実施例を表した構成図であるが、この図２では、ロゴスキーコイル３を固有抵抗が大きい導体で構成していることと、第１回路切替器１１をリード線４の先端部（出力抵抗５に近い位置）に設置していることが、図１の第１実施例と異なっているが、これ以外はすべて図１と同じである。
リード線４は通常は銅線であるが、ロゴスキーコイル３の全部または一部に固有抵抗が大きな導体，例えば固有抵抗が銅の約４０倍であるステンレス線を使用すれば、第１回路切替器１１をロゴスキーコイル３から遠い位置に設置した場合には、ロゴスキーコイル３の抵抗値を計測する際にリード線４の抵抗値が含まれることになるが、そのための測定誤差は無視できる程度に小さい。よって第１回路切替器１１を半導体素子から離れた位置に設置できるから、当該半導体素子の周辺に多数のリード線４や第１回路切替器１１が集中するのを回避することができる。
【００１５】
なお、ロゴスキーコイル３を構成する材料は、抵抗温度係数が大きくなくても固有抵抗が大であるほうが好ましい。例えば前述のステンレス線は、抵抗温度係数は銅の約２５％しかないけれども、固有抵抗が銅の約４０倍であることから、温度１度当たりの抵抗値の変化量は固有抵抗が小さい銅の１０倍である。よって温度の検出精度を高くできるし、耐ノイズ性も向上する。
図３は本発明の第３実施例を表した構成図であるが、この図３はロゴスキーコイル３の代わりにピックアップコイル２０を使って半導体チップ１０の通流電流を検出するところが図１で既述の第１実施例と異なるが、これ以外のリード線４，第２回路切替器２１，第２温度検出回路２２，電流検出器２３，電圧検出器２４および第２電流検出回路２６の名称は異なるが、その機能は殆ど同じである。すなわち、ピックアップコイル２０と第２電流検出回路２６で半導体チップ１０の通流電流を検出するが、第２回路切替器２１を切り換えることによりピックアップコイル２０が測温抵抗体となり、その抵抗値の変化から第２温度検出回路２２がピックアップコイル２０の温度，すなわち半導体チップ１０の温度を検出する。なお前述の場合と同様に、電圧検出器２４をピックアップコイル２０の出力端に近接して位置させると、第２回路切替器２１やリード線の電圧降下が含まれないので、温度検出の精度を向上させることができる。
【００１６】
図４は本発明の第４実施例を表した構成図であって、図２で既述の第２実施例と同様に、ピックアップコイル２０を固有抵抗が大なる導体で構成することで、抵抗温度係数があまり大きくなくても、温度変化に対応する抵抗値の変化量を大きくできるから、第２回路切替器２１をピックアップコイル２０から離れた位置に設置しても、リード線４の抵抗値が温度測定の際の誤差要因にならないし、ノイズの影響も受け難くなるし、半導体素子の周辺にリード線４や第２回路切替器２１が集中するのを回避することもできる。
【００１７】
【発明の効果】
従来のロゴスキーコイルは、被測定導体を流れる電流を電気的に非接触で検出することはできたが、被測定導体の温度は、別途の温度センサを被測定導体に取り付けていたので、この温度センサ設置用のスペースが必要であったし、リード線も増えていた。これに対して本発明では、電流を測定しないときは回路を切り換えてロゴスキーコイルまたはピックアップコイルを測温抵抗体として使用することにより、別途の温度センサを取り付ける必要がなくなって、取り付けスペースが削減できるし、取り付けの手間を不要にできる効果も得られる。更にこれらロゴスキーコイルまたはピックアップコイルは、抵抗温度係数が大きくなくても固有抵抗が大なる導体で形成することで、温度変化に対する抵抗値の変化量を大きくすることができるので、ノイズの影響を排除できるし、リード線を含んだ状態で抵抗値を計測しても、そのときの誤差は無視できる程度に小さくなるから、温度測定のための回路切替器を被測定導体から離れた位置に設置できる。よって被測定導体の周辺に回路切替器やリード線が集中する不具合を回避できる効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を表した構成図
【図２】本発明の第２実施例を表した構成図
【図３】本発明の第３実施例を表した構成図
【図４】本発明の第４実施例を表した構成図
【図５】被測定導体の通流電流をロゴスキーコイルにより検出する一般的な構成を示した構成図
【符号の説明】
３        ロゴスキーコイル
４        リード線
５        出力抵抗
６        第１電流検出回路
１０        被測定導体としての半導体チップ
１１        第１回路切替器
１２        第１温度検出回路
１３，２３  電流検出器
１４，２４  電圧検出器
２０        ピックアップコイル
２１        第２回路切替器
２２        第２温度検出回路
２６        第２電流検出回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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