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ロゴスキ型電流センサ 新技術説明会

国内特許コード P180015241
整理番号 KIT14043,(S2015-1808-N0)
掲載日 2018年8月31日
出願番号 特願2017-529943
出願日 平成28年7月22日(2016.7.22)
国際出願番号 JP2016071542
国際公開番号 WO2017014297
国際出願日 平成28年7月22日(2016.7.22)
国際公開日 平成29年1月26日(2017.1.26)
優先権データ
  • 特願2015-145674 (2015.7.23) JP
発明者
  • 大村 一郎
  • 附田 正則
出願人
  • 国立大学法人九州工業大学
発明の名称 ロゴスキ型電流センサ 新技術説明会
発明の概要 パワー半導体デバイスにおいて、チップ間およびチップ内の電流バラツキを測定し、不良発見や故障を未然に防ぐことが可能な電流センサの提供。複数のコイル1を、1つの閉じた線Lに沿って連続的に接続するとともに複数のコイル1の最後のコイルの巻き終わりから最初のコイルの巻き始め側までの復線路2を有し、最初のコイルの巻き始め側端子と復線路2の端子との間に誘起される電圧を閉じた線Lの内部に挿通される被測定回路の電流の関数として検出するロゴスキ型電流センサにおいて、複数のコイル1を構成する各コイル1が、閉じた線Lに直交する平面上に形成され、隣り合うコイルのうち、あるコイルの巻き終わりと次のコイルの巻き始め間が、閉じた線Lに並行する往線路2により接続され、往線路2全体と復線路3とを、近接して配置する。
従来技術、競合技術の概要


IGBTの市場は、産業機器向け、車載機器向け、民生機器向けの3分野に大きく分けられる。産業機器向けで大きいのは、電車や産業ロボット、工作機械のモータ制御インバータ用途である。車載機器向けでも、ハイブリッド自動車の駆動用モータとカー・エアコン制御用のインバータ用途が多い。民生機器ではカメラのストロボ向けとエアコンのインバータ用途が主流である。特にハイブリッド自動車や電気自動車におけるIGBT需要により市場は拡大している。



電流の大きさを検出するセンサとして、従来より、リング状鉄心にコイルを巻いて鉄心の中心を貫通する電流を検出するCT(電流変成器)が用いられているが、鉄心を用いているために小型化できないこと、また磁気飽和により大電流の測定には誤差が大きくなるなどの欠点がある。これに対して、ロゴスキーコイルを用いた電流センサでは、空芯であるため磁気飽和がなく、また小型化ができるという利点がある。IGBT等の、高集積化、大電流化が進んでいるパワーデバイスにおいては、ロゴスキ型電流センサは好適と考えられている。
ロゴスキーコイルは、複数のコイルを、1つの閉じた線に沿って連続的に接続するとともに、前記閉じた線に沿った1ターン分の巻線を相殺するため、前記閉じた線に並行した復線路を有し、複数のコイルのうちの最初のコイルの巻き始め側端子と、前記復線路の端子とを出力端子とするものである。このロゴスキーコイルを電流センサとして用いることが、特許文献1~4に記載されている。



特許文献5には、導電体または導電ワイヤが非磁性コアの周囲に巻かれて構成され、その内部に被測定導体が配置され、導電ワイヤは非磁性コアの断面の中心を通過するラインに対して直角方向に沿って巻き込まれたロゴスキ型コイルが記載されている。



特許文献6には、送変電機器の主回路交流電流を検出し、その交流電流量をアナログ電圧信号として出力するロゴスキ型コイルと、前記アナログ電圧信号をデジタル電気信号に変換するアナログ/デジタル変換器、そのデジタル電気信号をデジタル光信号に変換する電気/光変換器とを有するセンサユニットと、前記デジタル光信号を上位システムに伝送する光伝送手段とを有し、前記ロゴスキ型コイルは、中央に導体が貫通する開口部を有する4層のプリント基板であって、その両外側の基板面と内層の2層とに前記開口部の中心を略中心としてそれぞれ放射状に延びる複数本の金属箔が形成され、一方の基板面の金属箔と前記内層の2層のうち隣接する内層の金属箔との間、及び、他方の基板面の金属箔と前記内層の2層のうち隣接する内層の金属箔との間を、それぞれプリント基板を厚さ方向に貫通するメッキを施した穴により電気的に接続することにより互いに鏡像関係にある2つの巻線を形成し、前記2つの互いに鏡像関係にある巻線を直列に接続した変流器が記載されている。



特許文献7には、第1のコイルと、前記第1のコイルと直列に接続された第2のコイルと、を備え、前記第1及び第2のコイルの間または、前記第1及び第2のコイルのいずれかの近傍に配置された被測定体を流れる電流を検出可能とした電流検出装置であって、前記第1及び第2のコイルのそれぞれは、基板の表面に設けられた第1の導体パターンと、前記基板の裏面に設けられた第2の導体パターンと、前記第1の導体パターンと前記第2の導体パターンとを接続する接続部と、からなる電流検出装置が記載されている。



特許文献8には、多層印刷回路基板の上部層に第一の導電トレースを、底部層に第二のトレースを設け、基板に対して横方向に広がるコイル形状に形成したセンサが記載されている。



特許文献9には、複数のプリント回路基板にそれぞれ渦巻状のコイルを形成し、各プリント基板のコイルをスルーホールにより接続した多層化コイルが記載されている。



非特許文献1には、プリント基板を用いない配線によるロゴスキーコイルの例が記載されている。

産業上の利用分野


本発明は、電力用半導体デバイス、特にIGBTとよばれる、1kW以上の電気機器および電子機器の電源やインバータ等に広く使われているデバイスを用いたパワーモジュールおよび圧接パッケージ内の電流分布を測定するロゴスキ型電流センサに関し、特に外部磁界の影響を受けにくく、また量産性に富む超小型ロゴスキ型電流センサに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
複数のコイルを、1つの閉じた線に沿って連続的に接続するとともに前記複数のコイルの最後のコイルの巻き終わりから最初のコイルの巻き始め側までの前記閉じた線に並行した復線路を有し、前記最初のコイルの巻き始め側端子と前記復線路の端子との間に誘起される電圧を前記閉じた線の内部に挿通される被測定回路の電流の関数として検出するロゴスキ型電流センサにおいて、
前記複数のコイルを構成する各コイルが、前記閉じた線に直交する平面上に形成され、隣り合うコイルのうち、あるコイルの巻き終わりと次のコイルの巻き始め間が、前記閉じた線に並行する往線路により接続され、前記往線路全体と前記復線路とが、近接して配置されていることを特徴とするロゴスキ型電流センサ。

【請求項2】
複数のコイルを、1つの閉じた線に沿って連続的に接続するとともに前記複数のコイルの最後のコイルの巻き終わりから最初のコイルの巻き始め側までの前記閉じた線に並行した復線路を有し、前記最初のコイルの巻き始め側端子と前記復線路の端子との間に誘起される電圧を前記閉じた線の内部に挿通される被測定回路の電流の関数として検出するロゴスキ型電流センサにおいて、
前記複数のコイルを構成する各コイルは、前記閉じた線に直交する平面に投影したときに矩形となる形状で形成され、当該各コイルのうち前記復線路から離隔した3辺は前記閉じた線に直交する平面上に形成され、残りの1辺は次のコイルと接続するように斜めに形成された往線路であり、前記コイル全体において前記斜めの辺が形成する面は前記閉じた線が作る面と平行でかつ前記復線路と近接して配置されていることを特徴とするロゴスキ型電流センサ。

【請求項3】
前記各コイルは、中央に被測定回路を挿通する穴を有し、少なくとも3層の導電パターン層を有する環状基板の異なる2層に形成された第1コイルパターン及び第2コイルパターンと、これらの第1コイルパターンと第2コイルパターン間を接続するスルーホールとによって形成され、
前記往線路は、前記3層のうちいずれかの層に形成され、
前記復線路は、前記往線路に近接した、当該往線路とは異なる層に形成された請求項1記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項4】
前記往線路は、前記第1コイルパターンと同じ層に形成され、
前記復線路は、前記往線路と近接した、前記第1コイルパターンおよび第2コイルパターンとは異なる層に形成された請求項3記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項5】
前記復線路は、前記第1コイルパターンおよび前記第2コイルパターンの間にある層に形成された請求項4記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項6】
前記最後のコイルの前記第1コイルパターンのうち、前記復線路と接続された第1コイルパターンは、前記第2コイルパターンと接続された前記スルーホールから、前記復線路と同じ層に配線された請求項3から5のいずれかの項に記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項7】
前記ロゴスキ型電流センサにおいて、前記閉じた線の長さ(L)、前記往線路と前記復線路の距離(d)、各コイルの面積の総和(A)が、d<0.1・A/Lの関係となっている請求項3記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項8】
前記コイルと前記復線路とのいずれか一方が接続された第1の電極パッドが中心にありその両側に他方が接続された第2の電極パッドがある請求項3に記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項9】
前記第1の電極パッドと前記第2の電極パッドとに、コネクタが接続された請求項8記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項10】
前記環状基板の、前記コイル、往線路、または復線路が形成されていない部分に、前記被測定回路を前記環状基板の穴に挿通するための切り込みを設けた請求項3記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項11】
前記第1コイルパターン、第2コイルパターン、スルーホールおよび往線路が並ぶコイル群が第1の電極パッドから前記切り込みに向かってまで配線され、前記コイル群に接続された前記復線路が第2の電極パッドまで配線された請求項10記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項12】
前記第1コイルパターン、第2コイルパターン、スルーホールおよび往線路が並ぶコイル群は、第1のコイル群と第2のコイル群とに分割され、
前記第1のコイル群が第1の電極パッドから前記切り込みに向かってまで配線され、前記第1のコイル群に接続された前記復線路が前記切り込みに向かって配線され、前記復線路に接続された前記第2のコイル群が第2の電極パッドまで配線された請求項10記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項13】
前記第1コイルパターン、第2コイルパターン、スルーホールおよび往線路が並ぶコイル群は、第1のコイル群と第2のコイル群に分割され、
前記復線路は、第1の線路と第2の線路に分割され、
前記第1のコイル群が第1の電極パッドから前記切り込みに向かって配線され、前記第1のコイル群に接続された前記第1の線路が前記第1の電極パッドの位置まで配線され、前記第1の線路に接続された前記第2のコイル群が前記切り込みに向かって配線され、前記第2のコイル群に接続された前記第2の線路が第2の電極パッドまで配線された請求項10記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項14】
前記複数のコイルのコイル間隔が等間隔である請求項3記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項15】
アンプ回路が前記環状基板に搭載されている請求項3記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項16】
前記環状基板はノイズシールドで覆われている請求項3記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項17】
前記ノイズシールドは、前記各コイルが形成された内層より外側のそれぞれの外層に形成された第1の導電パターンおよび第2の導電パターンを備えた請求項16に記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項18】
前記ノイズシールドは、更に、前記第1の導電パターンおよび前記第2の導電パターンが形成された層間を貫通し、前記コイルの内周側と外周側との両方に、円周方向に沿って形成された第1のスルーホールおよび第2のスルーホールを備え、
前記第1の導電パターンと、前記第1のスルーホールと、前記第2の導電パターンと、前記第2のスルーホールとによるループの形成を回避するために、前記ループに非接続部が形成された請求項17に記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項19】
前記環状基板をパワー半導体チップまたはパワー半導体モジュールに搭載する場合に、前記環状基板が、前記パワー半導体チップまたはパワー半導体モジュールと接続する電極、導電部およびボンディングワイヤを取り囲むように構成されている請求項3記載のロゴスキ型電流センサ。

【請求項20】
パワー半導体のボンディングワイヤ1本ずつに取り囲むように構成されている請求項19記載のロゴスキ型電流センサ。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2017529943thum.jpg
出願権利状態 公開
詳細は、下記「問合せ先」まで直接お問い合わせください。


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