电流检测装置的制作方法

[0001]
本发明涉及一种电流检测装置。


背景技术：

[0002]
从省电的观点出发，在各种设备中设置有电力监视系统。在电力监视系统中，在测量电流的部分中存在被称为电流互感器(ct(current transformer))的设备。电流互感器是将应测定的交流电流转换为与线圈的匝数比相应的次级电流的设备。这种电流互感器例如记载在专利文献1中。专利文献1所记载的电源装置具备相互并联连接的两个初级绕组，通过驱动开关对经由两个初级绕组流动的电流进行控制。经由初级绕组流动的电流分别利用两个电流互感器来检测。
[0003]
现有技术文献
[0004]
专利文献
[0005]
专利文献1：日本特开2010-41814号公报


技术实现要素：

[0006]
发明要解决的问题
[0007]
专利文献1所记载的电源装置使用多个电流互感器来检测电流，并使用该电流来控制驱动开关。然而，如果配置多个电流检测用的电流互感器，并将流过全桥电路的桥臂的电流插入各个电流互感器，则在装置中配置电流互感器的空间变大，因此装置大型化，另外，在装置中引绕的布线长度变长。布线长度是对于浪涌噪声、电路驱动的稳定性有用的因素，从浪涌噪声的降低、电路驱动的稳定性的观点出发，期望布线长度短。
[0008]
本发明是鉴于上述的点而完成的，本发明涉及一种有利于小型化且能够缩短被引绕的布线长度的电流检测装置。
[0009]
用于解决问题的方案
[0010]
本发明的电流检测装置具备：第一电流流过的第一电流路径和第二电流流过的第二电流路径；开关元件，其对所述第一电流路径与所述第二电流路径进行切换，来使所述第一电流与所述第二电流交替地流动；共用的线圈部，其通过所述第一电流和所述第二电流而流过感应电流；以及电流交变部，其使通过所述第一电流而在所述线圈部中流过的所述感应电流与通过所述第二电流而在所述线圈部中流过的所述感应电流交变。
[0011]
发明的效果
[0012]
本发明涉及一种有利于小型化且被引绕的布线长度短的电流检测装置。
附图说明
[0013]
图1是用于说明包括本发明的第一实施方式的电流检测装置的电流测定系统的图。
[0014]
图2是用于说明图1所示的线圈部的示意性的纵截面图。
[0015]
图3的(a)是表示第一感应电流的示意图，(b)是表示第二感应电流的示意图，(c)是表示将第一感应电流与第二感应电流进行了合成的状态的示意图。
[0016]
图4是用于说明本发明的第二实施方式的图，并且是示出环形线圈的上表面的示意图。
[0017]
图5的(a)用于说明第一实施方式的变形例1的图，(b)是用于说明第二实施方式的变形例1的图。
[0018]
图6的(a)用于说明第一实施方式的变形例1的其它的图，(b)是用于说明第二实施方式的变形例1的其它的图。
[0019]
图7的(a)是用于说明第一实施方式的变形例2的图，(b)是用于说明第一实施方式的变形例2的其它的图。
[0020]
附图标记说明
[0021]
1：电流检测装置；2：供电部；3：电流判定部；11：直流电源；15：电流互感器；16、17：电流路径；18：全桥控制电路；19、20、46、47：线圈；21：负载；28：推挽控制电路；31、32：二极管；33：电流判定电路；45：环形线圈；45a：上表面；100：电流测定系统；131、132、133、134：开关元件；150：芯；151：线圈部；152：第一线圈；153：第二线圈；161、171：线圈端部；170：转向电流路径；a、b、c：输出端子。
具体实施方式
[0022]
下面，对本发明的第一实施方式、第二实施方式进行说明。第一实施方式、第二实施方式均表示本发明的技术思想和结构例，并非限定具体的结构、尺寸形状。另外，在第一实施方式、第二实施方式中使用的附图主要是示意性地示出各构件的功能、配置以及相互的关系等，并未准确地示出其尺寸形状、纵横比等。
[0023]
[第一实施方式]
[0024]
图1是用于说明包括第一实施方式的电流检测装置1的电流测定系统100的图。电流测定系统100包括：电流检测装置1；供电部2，其包括从直流电源11接受电力供给的负载21；以及电流判定部3，其对电流检测装置1所检测出的电流进行整流来判定电流值。电流判定部3判定由电流检测装置1检测出的电流的值，并且控制电流检测装置1的开关元件。此时，电流判定部3也可以根据判定结果来停止或开始电流检测装置1的驱动。
[0025]
(电流检测装置)
[0026]
电流检测装置1具备电流路径16和电流路径17，该电流路径16是第一电流ia流过的第一电流路径，该电流路径17是第二电流ib流过的第二电流路径。另外，电流检测装置1具备：开关元件131、132、133、134，其对电流路径16与电流路径17进行切换，来使第一电流ia与第二电流ib交替地流动；以及共用的线圈部151，其通过第一电流ia和第二电流ib而流过感应电流。线圈部151是电流互感器15的线圈部分，通过在线圈部151中产生的感应电动势而从线圈部151的输出端子a、c输出检测信号。
[0027]
开关元件132、133构成第一晶体管对，该第一晶体管对包括使第一电流ia在电流路径16中流过的两个晶体管元件。另外，开关元件131、134构成第二晶体管对，该第二晶体管对包括使第二电流ib在电流路径17在流过的两个晶体管元件。开关元件131～134构成全桥电路，电流路径16、17分别为全桥电路的桥臂。流过电流路径16的第一电流ia和流过电流
路径17的第二电流ib为全桥电路的桥臂电流。
[0028]
在像这样的全桥电路中，例如开关元件132、133在相同的定时接通，在该期间内，开关元件131、134处于断开状态。此时，在电流检测装置1中，形成从开关元件132到线圈端部171、线圈19、线圈端部161、开关元件133的电流的流路(电流路径)。电流路径16是指像这样的电流路径中的开关元件132、133之间的部分。在这样的状态下，从直流电源11流出的电流流过开关元件132的源极与漏极之间而流入电流路径17。流入电流路径17的电流从线圈端部171通过线圈19而成为第一电流ia，通过开关元件133的源极与漏极之间并反馈至电流检测装置1。
[0029]
接着，在第一实施方式中，开关元件131、134在相同的定时接通，在该期间内，开关元件132、133处于断开状态。此时，在电流检测装置1中，形成从开关元件131到线圈端部161、线圈19、线圈端部171、开关元件134的电流路径。其中，电流路径17是指像这样的电流路径中的开关元件131、134之间的部分。在这样的状态下，从直流电源11流出的电流通过开关元件131的源极与漏极之间，并且通过线圈19而从线圈端部171流入转向电流路径170。流入转向电流路径170的电流成为第二电流ib，并通过开关元件134的源极与漏极之间而反馈至电流检测装置1。
[0030]
线圈部151通过在两个开关元件132、133之间、或者两个开关元件131、134之间流过的电流而产生感应电流。
[0031]
并且，电流检测装置1具备：直流的直流电源11；以及全桥控制电路18，其对开关元件131～134的栅极施加电压来控制开关元件131～134。全桥控制电路18进行控制使得将开关元件132、133在相同的定时接通，且开关元件131、134在该期间内断开。此时，在电流检测装置1中，如上述那样形成从直流电源11向电流路径16并从电流路径16上的开关元件133返回到直流电源11的电流路径。
[0032]
另外，全桥控制电路18进行控制使得将开关元件131、134在相同的定时接通，且开关元件132、133在该期间内断开。此时，在电流检测装置1中，如上述那样形成从直流电源11向电流路径17并从电流路径17上的开关元件134返回到直流电源11的电流路径。
[0033]
像这样的全桥控制电路18例如也可以利用微型计算机等小型的计算机。
[0034]
另外，在第一实施方式中，线圈部151除了具备输出端子a、c以外还具备输出端子b，具备共计三个输出端子a、b、c。其中的一个输出端子b是在线圈部151的中间从线圈部151引出的中心抽头(center tap)。当在线圈部151设置中心抽头时，线圈部151如两个半波电路那样进行动作，从而对流过线圈部151的电流进行双波整流。第一实施方式通过像这样进行双波整流，能够以各自的+侧的峰值检测第一电流ia和第二电流ib，从而能够通过电流判定电路内的一个判定基准值来进行第一电流ia、第二电流ib双方的判定。
[0035]
另外，第一实施方式具备电流交变部，该电流交变部使通过第一电流ia而在线圈部151中流过的感应电流与通过第二电流ib而在线圈部151中流过的感应电流交变。在此，使感应电流交变是指，使通过感应电动势在线圈部151中产生的感应电流以流动方向按固定的周期彼此反转的方式流动。感应电流通过直流的第一电流ia和第二电流ib流动或消失(下面记载为“第一电流ia的接通、断开、第二电流ib的接通、断开”)而在线圈部151中流动。像这样的感应电流通过具有与第一电流ia及第二电流ib的接通、断开对应的周期的波形来表示。另外，在第一实施方式中，由于第一电流ia与第二电流ib的流动方向反转，因此通过
第一电流ia而在线圈部151中流过的第一感应电流ia
i
的相位与通过第二电流ib而在线圈部151中流过的第二感应电流ib
i
的相位彼此反转。
[0036]
如图1所示，第一实施方式的电流检测装置1在电流路径17中包括用于第二电流ib向与第一电流ia的流动方向相反的方向流动。在线圈部151中通过流过转向电流路径170的电流而产生感应电流。如上所述，通过第一电流ia与第二电流ib的流动方向反转，从而第一感应电流ia
i
与第二感应电流ib
i
彼此交变，因此在第一实施方式中，转向电流路径170作为电流交变部而发挥功能。换言之，第一实施方式通过将开关元件132、133与开关元件131、134交替地接通、断开，由此根据直流的第一电流ia、第二电流ib产生交流电流。
[0037]
图2是用于说明线圈部151的示意图，仅关于次级侧示出线圈部151的纵截面。图2所示的线圈部151使用在芯150具有中柱的线圈部。作为这样的芯，例如有ei形状、er形状等。线圈部151包括铁芯等芯150以及卷绕于芯150的第一线圈152及第二线圈153。第一线圈152和第二线圈153被双线卷绕于一个芯150。此外，在图2中，通过截面的影线的倾斜来区分第一线圈152和第二线圈153。
[0038]
如图2所示，双线卷绕是指将两根导线沿芯150的长度方向并列卷绕。另外，双线卷绕也可以是将两根导线在捻合之后卷绕。
[0039]
上述双线卷绕的线圈部151由于线圈间的结合良好，从而能够减少漏感，工作阻抗变小。像这样的线圈部151是对于测量两个电流路径16和电流路径17中交替流过的电流的电流互感器15而言较佳的结构。
[0040]
(供电部)
[0041]
供电部2具备：线圈19，其一个线圈端部161与电流路径16连接，另一个线圈端部171与电流路径17连接；以及与线圈19分离的线圈20。线圈19和线圈20构成绝缘变压器，通过流过线圈19的第一电流ia或第二电流ib而在线圈20中产生感应电动势。在线圈20中产生的感应电动势被供给至负载21。此外，在将电流测定系统100例如应用于车载设备的情况下，启动电动机(日语：
セルモーター
)、空调、汽车导航等能够成为负载21。
[0042]
(电流判定部)
[0043]
电流判定部3与线圈部151的输出端子a、b、c连接。另外，电流判定部3具备电流判定电路33，该电流判定电路33通过从输出端子a、c输入的第一感应电流ia
i
、第二感应电流ib
i
来判定供给到供电部2的电流。在输出端子a与电流判定电路33之间设置有二极管31，在输出端子c与电流判定电路33之间设置有二极管32。二极管31、32均使电流向朝向电流判定电路33的方向流动。从输出端子a输出的第一感应电流ia
i
和从输出端子c输出的第二感应电流ib
i
被合流并输入到电流判定电路33。
[0044]
图3的(a)是表示第一感应电流ia
i
的示意图。图3的(b)是表示第二感应电流ib
i
的示意图。如图3的(a)、图3的(b)所示，第一感应电流ia
i
和第二感应电流ib
i
为以输出端子b的电位为基准而相位彼此相反且振幅相等的波形。图3的(c)是表示第一感应电流ia
i
与第二感应电流ib
i
的合成波形的图。
[0045]
电流判定电路33检测在图3的(c)所示的合成波形的正方向上输出的电流(下面也记载为“高电流侧”)的值。而且，将所检测出的检测值输出到全桥控制电路18。全桥控制电路18例如也可以基于表示检测值的信号的输入定时来将开关元件132、133和开关元件131、134接通、断开。另外，全桥控制电路18也可以根据高电流侧的检测值来判定第一电流ia、第
二电流ib的值，并判定供给电流的多少、异常。此时，全桥控制电路18也可以将开关元件131～134全部断开来停止向负载21供给第一电流ia、第二电流ib。
[0046]
另外，第一电流ia、第二电流ib的值的判定例如能够通过预先将第一电流ia、第二电流ib的值与根据第一电流ia、第二电流ib产生的第一感应电流ia
i
、第二感应电流ib
i
的值进行对应来实现。电流判定电路33也可以预先存储与被判断为异常的第一电流ia、第二电流ib的阈值对应的第一感应电流ia
i
、第二感应电流ib
i
的值，在被输入的第一感应电流ia
i
、第二感应电流ib
i
的值超过阈值或低于阈值的情况下，将开关元件131～134断开。
[0047]
并且，电流判定电路33也可以将检测值输出到外部，未图示的外部的运算装置根据高电流侧的检测值，计算供给到线圈19的电流，进而计算供给到负载21的电力。由电流判定电路33检测出的检测值例如被使用于电流检测装置1的恒流控制、或者过电流保护(ocp：over current protection)控制。
[0048]
接着，对以上说明的电流测定系统100的整体动作进行说明。在电流检测装置1中，首先，全桥控制电路18将开关元件132、133接通，将开关元件131、134断开。此时，从直流电源11流出的电流作为第一电流ia通过电流路径16，在线圈部151中感应出第一感应电流ia
i
。
[0049]
接着，全桥控制电路18将开关元件131、134接通，将开关元件132、133断开。此时，从直流电源11流出的电流作为流动方向相反的第二电流ib通过电流路径17，在线圈部151中感应出第二感应电流ib
i
。其结果为，第一感应电流ia
i
和第二感应电流ib
i
从输出端子a或输出端子c输出。
[0050]
所输出的第一感应电流ia
i
和第二感应电流ib
i
进行合流并输入到电流判定电路33。此时，第一实施方式能够通过使流过电流路径16、电流路径17的电流中的一方相对于另一方反转，来使由流过电流路径16的电流产生的第一感应电流ia
i
的相位与由流过电流路径17的电流产生的第二感应电流ib
i
的相位相反。而且，能够根据将第一感应电流ia
i
与第二感应电流ib
i
合成得到的波形，来检测第一感应电流ia
i
、第二感应电流ib
i
的高电流侧的值。
[0051]
根据像这样的第一实施方式，能够通过共用的电流互感器15来测定第一电流ia、第二电流ib双方。这种结构与通过不同的电流互感器来测定第一电流ia、第二电流ib的上述专利文献1的结构相比，能够减少电流互感器的数量。电流互感器因具备线圈而设置空间比较大，从而减少电流互感器的个数有利于装置整体的小型化。
[0052]
另外，在小型的装置中，能够缩短装置内被引绕的布线的长度。因此，在第一实施方式中，布线不易受到浪涌电流、噪声的影响，能够提高信号品质并提高驱动的可靠性。
[0053]
在第一实施方式中，与由不同的电流互感器分别测定第一电流ia和第二电流ib的结构相比，初级侧的电流变为两倍。但是，第一实施方式通过使第一电流ia与第二电流ib交变，由此能够在电流互感器15中使用与使用两个电流互感器的情况同样的芯尺寸及匝数的线圈部151。
[0054]
并且，第一实施方式通过将一个电流互感器15的线圈部151进行双线卷绕，由此即使是一个线圈也能够良好地检测流过两个电流路径16、17的电流，从而能够获得与由不同的电流互感器进行测定的结构同等的测定精度。在具备一个电流互感器15的电流测定系统100中，电流判定电路33也可以为一个，更有利于装置的小型化。
[0055]
[第二实施方式]
[0056]
接着，对本发明的第二实施方式进行说明。
[0057]
图4是用于说明第二实施方式的图，是示出环形线圈45的上表面45a的示意图。在第二实施方式中，线圈部151是具有未图示的环形铁芯的环形线圈45，这一点与使用具有中柱的芯150的第一实施方式不同。环形铁芯是使纵截面呈矩形的带形状的强磁性体的起始端与末端一致而形成为圆环形状的环状的芯。作为强磁性体，有铁、镍、钴及其合金等。
[0058]
如图4所示，环形线圈45在俯视观察中具有圆环形状，在图4中示出圆环形状的一个面(例如上表面45a)。在此，将圆环形状的未图示的面记载为另一面，该未图示的面相当于上表面45a的背面。电流路径16、17插通于环形线圈45。在第二实施方式中，电流路径17不具有转向电流路径170，取而代之地，在环形线圈45的俯视观察中，电流路径17从上表面45a朝向另一面插通于环形线圈45。另外，电流路径16从另一面朝向上表面45a插通于环形线圈45。
[0059]
环形线圈45通过电流路径16的位于开关元件131、133之间的部分和电流路径17的位于开关元件132、134之间的部分而被固定。向电流路径16、电流路径17分别供给向相同的方向流动的第一电流ic、第二电流id。
[0060]
根据这样的结构，在环形线圈45的圆环部分交替地流过流动方向各自相反的第一电流ic、第二电流id。通过第一电流ic、第二电流id分别在线圈部151中产生的感应电流为交变电流。换言之，在第二实施方式中，环形线圈45以及从上表面45a朝向背面插通于环形线圈45的电流路径17及从背面朝向上表面45a插通于环形线圈45的电流路径16作为电流交变部而发挥功能。
[0061]
以上说明的第二实施方式能够通过在现有的电流路径中安装一个环形线圈45来测定第一电流ic、第二电流id。另外，在环形线圈45中，也能够将两根导线并列卷绕于环形铁芯来进行双线卷绕，或者将两根导线在捻合之后卷绕于环形铁芯来进行双线卷绕。因此，第二实施方式也能够与第一实施方式同样地使用一个环形线圈45来准确地测定两个电流路径16、17的电流。
[0062]
[变形例]
[0063]
接着，对以上说明的第一实施方式、第二实施方式的变形例1、变形例2进行说明。
[0064]
(变形例1)
[0065]
在变形例1中，开关元件包括使第一电流ia在电流路径16中流过的开关元件132、133以及使第二电流ib在电流路径17中流过的开关元件131、134，线圈部151通过在比开关元件132、133和开关元件131、134靠上游或下游的部分流过的电流而产生电动势。也就是说，变形例1并不限定于电流互感器15在开关元件132与开关元件133之间、或者开关元件131与开关元件134之间测量电流，能够在电流路径16、17的任意的位置测定电流。
[0066]
图5的(a)示出如下的例子：在第一实施方式的电流检测装置1中，线圈部151通过比开关元件132、133和开关元件131、134靠上游的电流而产生感应电流。图5的(a)所示的电流互感器15设置于比开关元件131靠上游的位置，在电流路径17的比开关元件133靠上游的位置构成有转向电流路径170。
[0067]
在图5的(a)所示的电流检测装置中，与第一实施方式同样地，线圈端部161连接于开关元件131与开关元件134之间，线圈端部171连接于开关元件132与开关元件133之间，从而向线圈19供给电流。另外，全桥控制电路18与第一实施方式同样地，将开关元件131、134
作为一对，将开关元件132、133作为一对，并交替地进行接通、断开。
[0068]
图5的(b)示出将第二实施方式的环形线圈45设置于比开关元件132、133和开关元件131、134靠上游的位置的例子。图5的(b)所示的环形线圈45以及插通于环形线圈45的电流路径16、17是与第二实施方式同样的结构。但是，在图5的(b)所示的例子中，环形线圈45设置于直流电源11与开关元件131之间，且设置于直流电源11与开关元件133之间。因此，紧接着从直流电源11流出后的电流if进行分支并作为第一电流ic、第二电流id流入、流出电流路径16、电流路径17。
[0069]
图6的(a)示出如下的例子：在第一实施方式的电流检测装置1中，线圈部151通过比开关元件132、133和开关元件131、134靠下游的电流而产生感应电流。图6的(a)所示的电流互感器15设置于比开关元件132靠下游的位置，在电流路径17的比开关元件134靠下游的位置构成有转向电流路径170。
[0070]
图6的(b)示出将第二实施方式的环形线圈45设置于比开关元件132、133和开关元件131、134靠下游的位置的例子。图6的(b)所示的环形线圈45以及插通于环形线圈45的电流路径16、17是与第二实施方式同样的结构。但是，在图6的(b)所示的例子中，环形线圈45设置于开关元件132与直流电源11之间，且设置于开关元件134与直流电源11之间。因此，第一电流ic和第二电流id流入电流路径16、电流路径17，并在流出后进行合流而作为电流ie流入直流电源11。
[0071]
(变形例2)
[0072]
接着，对第一实施方式的变形例2进行说明。
[0073]
图7的(a)、图7的(b)是用于说明变形例2的电流检测装置的图。变形例2是将第一实施方式的电流检测装置应用于推挽电路的例子，图7的(a)示出电流互感器15设置于比开关元件131、132靠上游的位置的例子，图7的(b)示出电流互感器15设置于比开关元件131、132靠下游的位置的例子。图7的(a)、图7的(b)所示的电流检测装置均是推挽控制电路28将开关元件131、132交替地接通、断开。此时，从直流电源11供给的直流的电流交替地流入电流路径16和电流路径17，从输出端子a、c输出在线圈部151中产生的第一感应电流。
[0074]
另外，图7的(a)、图7的(b)的电流检测装置1将线圈46与电流路径16连接，将同线圈46分离的线圈47与电流路径17连接。向线圈46和线圈47交替地供给与第一电流ia相同朝向的电流。通过这样的动作，在线圈46、47中交替地流过方向互不相同的电流，通过电磁感应而在线圈20中产生向与线圈47相同的朝向流动的电流。在线圈20中产生的感应电动势被供给到负载21。
[0075]
上述实施方式包含下面的技术思想。
[0076]
(1)一种电流检测装置，具备：第一电流流过的第一电流路径和第二电流流过的第二电流路径；开关元件，其对所述第一电流路径与所述第二电流路径进行切换，使所述第一电流与所述第二电流交替地流动；共用的线圈部，其通过所述第一电流和所述第二电流而流过感应电流；以及电流交变部，其使通过所述第一电流而在所述线圈部中流过的所述感应电流与通过所述第二电流而在所述线圈部中流过的所述感应电流交变。
[0077]
(2)根据(1)的电流检测装置，所述线圈部包括第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈被双线卷绕于一个芯。
[0078]
(3)根据(1)或(2)的电流检测装置，所述开关元件第一晶体管对和第二晶体管对，
所述第一晶体管对包括使所述第一电流在所述第一电流路径中流过的两个晶体管元件，所述第二晶体管对包括使所述第二电流在所述第二电流路径中流过的两个晶体管元件，所述线圈部通过在所述第一晶体管对中包括的两个所述晶体管元件之间、或者在所述第二晶体管对中包括的两个所述晶体管元件之间流过的电流而产生感应电流。
[0079]
(4)根据(1)或(2)的电流检测装置，所述开关元件包括第一晶体管对和第二晶体管对，所述第一晶体管对包括使所述第一电流在所述第一电流路径中流过的两个晶体管元件，所述第二晶体管对包括使所述第二电流在所述第二电流路径中流过的两个晶体管元件，所述线圈部通过在比所述第一晶体管对和所述第二晶体管对靠上游或下游的部分流过的电流而产生电动势。
[0080]
(5)根据(1)至(4)中的任一个的电流检测装置，所述电流交变部在所述第二电流路径中包括转向电流路径，所述转向电流路径用于所述第二电流向与所述第一电流的流动方向相反的方向流动，在所述线圈部中通过流过所述转向电流路径的电流而产生感应电流。
[0081]
(6)根据(1)至(4)中的任一个的电流检测装置，所述线圈部卷绕于环形铁芯而构成环形线圈，所述电流交变部包括所述第一电流路径和所述第二电流路径，所述第一电流路径从所述环形线圈的俯视观察中的圆环形状的一个面朝向另一个面插通于所述环形线圈，所述第二电流路径从所述环形线圈的俯视观察中的所述另一个面朝向所述一个面插通于所述环形线圈。
[0082]
(7)根据(1)至(6)中的任一个的电流检测装置，从所述线圈部引出中心抽头。
[0083]
本申请以在2019年7月19日申请的日本申请特愿2019-133552号为基础要求优先权，并将该公开的全部内容并入本申请。