(57)【要約】【課題】検出回路と被測定点との間で高い絶縁性能を持ち、高感度で、安価かつ小型化可能な電流検出回路を提供すること。【解決手段】電流検出回路１００は、高透磁率材料の磁心を備えたトランスＴ１と、トランスＴ１に接続された交流電流発生回路１１０と、交流電流発生回路１１０が備える演算増幅器Ｕ１の出力電圧を判定する判定回路１２０とからなる。判定回路１２０は、ウィンドコンパレータ１２１と計数回路１２２とからなる。トランスＴ１の一次巻線に電流が流れると、その向きと大きさに比例して、二次巻線電流によってトランスＴ１の磁心が飽和磁束密度に達するまでの二次巻線電流値が、一次巻線に電流が流れていないときに対して変化する。このシフト量は一次巻線電流に比例した値となるので、ウィンドコンパレータ１２１と計数回路１２２で一次巻線電流に比例した数値を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性材料を磁心とした一次巻線および二次巻線を有するトランスと、
前記二次巻線に接続され、前記磁心が磁気飽和する電流以上のピーク値を持つ交流電流を前記二次巻線に流す交流電流発生回路と、
前記二次巻線の電圧波形のピーク位置の変化を判定する判定回路と、
を備え、前記電圧波形のピーク位置の変化の判定結果から、前記一次巻線に流れた電流量を判定することを特徴とする電流検出回路。
【請求項２】
前記交流電流は、三角波電流であることを特徴とする請求項１に記載の電流検出回路。
【請求項３】
前記一次巻線は、１又は２巻きであることを特徴とする請求項１に記載の電流検出回路。
【請求項４】
前記磁心は、アモルファスパーマロイであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電流検出回路。
【請求項５】
前記判定回路は、ウィンドコンパレータおよび計数回路からなり、前記ウィンドコンパレータにより検出された正の電圧ピークと負の電圧ピークとの間隔を前記計数回路で測定することにより、前記一次巻線に流れた電流量を判定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電流検出回路。
【請求項６】
前記判定回路は、Ａ／Ｄ変換器およびプロセッサからなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか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、太陽光発電や蓄電池システムといった直流高電圧回路の地絡検出を行う電流検出回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電や定置型蓄電池システムにおいては、その発電効率を上げるために数百Ｖ以上の電圧で発電部とインバータ装置とが接続されることが多い。そのため、安全を確保することを目的として、地絡電流が所定値以上で検出されると電源を遮断する等、感電に対する保護が図られている。
【０００３】
太陽光発電や定置型蓄電池システムにおいて地絡電流を検出するためには、太陽光発電パネルや蓄電池が直流発電源であるため、直流から測定できる電流検出器が必要になる（特許文献１参照）。また、地絡電流検出における検出下限値は数１００μＡから数ｍＡ程度であるため、直流のドリフト特性は非常に小さいことが求められる。
【０００４】
さらに、電流検出器において検出部と操作部は、同一コモンライン上に構成されることが多く、この場合は人が操作したり他の機器と通信したりする都合上、被測定点とは絶縁されていることが必要である。また、回路規模を大きくしないために、絶縁ポイントは被測定点の直近で行われることが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１８７１５０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、従来、この地絡電流検出にはホール素子を用いた電流センサなどが用いられてきたが、感度が低いために地絡電流検出線を数ターンから数十ターンも巻きつけなければならず、直流ドリフトが大きく、価格も高いという課題があった。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、検出回路と被測定点との間で高い絶縁性能を持ち、高感度で、安価かつ小型化可能な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】
上記の課題を解決するために、本発明は、電流検出回路であって、磁性材料を磁心とした一次巻線および二次巻線を有するトランスと、前記二次巻線に接続され、前記磁心が磁気飽和する電流以上のピーク値を持つ交流電流を前記二次巻線に流す交流電流発生回路と、前記二次巻線の電圧波形のピーク位置の変化を判定する判定回路と、を備え、前記電圧波形のピーク位置の変化の判定結果から、前記一次巻線に流れた電流量を判定することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電流検出回路において、前記交流電流は、三角波電流であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の電流検出回路において、前記一次巻線は、１又は２巻きであることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の電流検出回路において、前記磁心は、アモルファスパーマロイであることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の電流検出回路において、前記判定回路は、ウィンドコンパレータおよび計数回路からなり、前記ウィンドコンパレータにより検出された正の電圧ピークと負の電圧ピークとの間隔を前記計数回路で測定することにより、前記一次巻線に流れた電流量を判定することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の電流検出回路において、前記判定回路は、Ａ／Ｄ変換器およびプロセッサからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、電流検出器において、電流検出の感度を高め、低価格化、小型化する効果を奏する。また、直流ドリフトを低減することも容易に可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態１に係る電流検出回路の構成を示す図である。
【図２】高透磁率材料の磁気飽和特性を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態において電流検出回路を動作させたときのトランスＴ１の二次巻線に誘起される電圧を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態においてトランスＴ１の一次巻線に電流が流れたときのトランスＴ１の二次巻線に誘起される電圧を示す図である。
【図５】本発明の別の実施形態に係る電流検出回路の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は太陽光発電や蓄電池システムといった直流高電圧回路の地絡検出のように高感度で優れた安定性と絶縁性能が求められる直流電流検出を、磁性材料の磁気飽和特性を利用して安価かつシンプルに実現するものである。以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１７】
図１に、本発明の一実施形態に係る電流検出回路の構成を示す。実施形態１に係る電流検出回路１００は、高透磁率材料の磁心を備えたトランスＴ１と、トランスＴ１に接続された交流電流発生回路１１０と、交流電流発生回路１１０が備える演算増幅器Ｕ１の出力電圧を判定する判定回路１２０とからなる。判定回路１２０は、ウィンドコンパレータ１２１と計数回路１２２とからなる。
【００１８】
トランスＴ１は、一次巻線が１又は２巻き程度であるのに対し、二次巻線は２０巻き程度とすることができる。
【００１９】
交流電流発生回路１１０は、三角波電圧源１１１と、抵抗Ｒ１と、演算増幅器Ｕ１とからなる。トランスＴ１の二次巻線を演算増幅器Ｕ１の出力と負入力間の帰還路に接続し、演算増幅器Ｕ１の正入力は接地電位としておく。尚、三角波電圧源１１１の周波数は、１ｋＨｚ程度で良い。また、図１に示す実施形態では、三角波電圧源１１１としたが、電圧源で発生させる電圧は三角波に限定されずサイン波等でも良い。
【００２０】
ここで抵抗Ｒ１を通じて三角波電圧ｖを演算増幅器Ｕ１の負入力加えると、トランスＴ１の二次巻線に流れる電流Ｉは、演算増幅器Ｕ１のオープンループゲインが十分に大きな値とすると、
Ｉ＝ｖ／Ｒ１
となり、電圧ｖに比例した三角波電流となる。尚、抵抗Ｒ１は、三角波電流Ｉのピーク値がトランスＴ１の磁心が飽和磁束密度に達する以上の値となるように設定する。これにより、磁心が帯磁しても消磁することができる。
【００２１】
図２に、高透磁率材料の磁気飽和特性を示す。トランスＴ１の磁心には、図２に示すように急峻な磁気飽和特性と小さいヒステリシスの磁性材料、例えば比透磁率が１×１０4程度の、アモルファスパーマロイなどを使用することができる。
【００２２】
一般に透磁率μはＢ−Ｈ曲線の傾き、すなわち
μ＝Ｂ／Ｈ
で表される。この曲線からわかるように、磁気飽和するまでは非常に大きな透磁率を示し、飽和磁束密度に達すると傾きは急激にゼロに近づく特性を示している。
【００２３】
従って、トランスＴ１の二次巻線電流によってトランスＴ１の磁心が飽和磁束密度に達したときの二次巻線インダクタンスは非常に小さくなり、磁心が非飽和状態のときには大きなインダクタンスとなる。
【００２４】
図３、本発明の一実施形態において電流検出回路を動作させたときのトランスＴ１の二次巻線に誘起される電圧を示す。二次巻線に誘起される電圧、すなわち演算増幅器Ｕ１の出力電圧（２）は、トランスＴ１の二次巻線のインダクタンス変化に応じて図３に示すように大きなピークを伴って変化する。
【００２５】
ここでトランスＴ１の一次巻線に電流が流れると、その向きと大きさに比例して、二次巻線電流によってトランスＴ１の磁心が飽和磁束密度に達するまでの二次巻線電流値が、一次巻線に電流が流れていないときに対して変化する。図４に、一次巻線に電流が流れたときのトランスＴ１の二次巻線に誘起される電圧を示す。このため、一次巻線電流が正方向に流れるとＵ１出力電圧（２）は一点鎖線で示す波形のようにピーク位置がシフトし、一次巻線電流が負方向に流れると点線で示す波形のようにシフトする。周波数が１ｋＨｚ程度の場合、正の電圧ピークと負の電圧ピーク間でシフト量は数十パーセントであり、０．１〜０．２ｍｓ程度の変化が生じる。
【００２６】
このシフト量は一次巻線電流に比例した値となるので、図１に示すように、ウィンドコンパレータ１２１と計数回路１２２で一次巻線電流に比例した数値を得ることができる。すなわち、正の電圧ピークと負の電圧ピークとの時間間隔を計数回路１２２で測定することで、予め求めておいた一次巻線電流値と時間間隔との対応関係からその時間間隔に応じた一次巻線電流値を判定することができる。もちろん、図５に示すように、判定回路２２０として、Ａ／Ｄ変換器２２１とプロセッサ２２２を用いて波形の変化量を判別して一次巻線電流値を求めることも可能である。
【００２７】
以上のように、本発明は、トランスの磁心が正負に磁気飽和する以上の交番三角波電流を流すため磁心が帯磁しづらく、ホール素子などを用いた電流センサに比べて帯磁によるオフセットドリフトが生じ難くすることができる。また、磁心が磁気飽和する点は温度に対して安定であるため、温度安定性も高い。
【００２８】
また、本発明は、高透磁率で急峻な磁気飽和特性を有するアモルファスパーマロイを磁心材料とすることで、磁気飽和点と非飽和点の間を遷移する際に大きく急峻な検出電圧を得られる。それにより、ウィンドコンパレータのように簡単な回路で一次回路電流に比例したパルス間隔を得ることができるので、小型で低コストの電流検出回路を提供することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１１０、２１０  交流電流発生回路
１１１  電圧源
１２０、２２０  判定回路
１２１  計数回路
１２２  ウィンドコンパレータ
２２１  Ａ／Ｄ変換器
２２２  プロセッサ
Ｕ１  演算増幅器
【図１】
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【図２】
2017009502.tif 000004
【図３】
2017009502.tif 000005
【図４】
2017009502.tif 000006
【図５】
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