特開 2024-2567 電流測定装置、電流測定方法及び電流測定装置作成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024002567

(43)【公開日】2024-01-11

(54)【発明の名称】電流測定装置、電流測定方法及び電流測定装置作成方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 15/18 20060101AFI20231228BHJP

【ＦＩ】

G01R15/18 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022101832

(22)【出願日】2022-06-24

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和３年度、文部科学省、科学技術試験研究委託事業「革新的パワーエレクトロニクス創出基盤技術開発事業」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】305027401

【氏名又は名称】東京都公立大学法人

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100152272

【弁理士】

【氏名又は名称】川越 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100181722

【弁理士】

【氏名又は名称】春田 洋孝

(72)【発明者】

【氏名】高野 耕至

(72)【発明者】

【氏名】和田 圭二

(72)【発明者】

【氏名】備前 良雄

(72)【発明者】

【氏名】織田 紘介

【テーマコード（参考）】

2G025

【Ｆターム（参考）】

2G025AA00

2G025AB04

2G025AB14

2G025AC01

(57)【要約】

【課題】電流センサの定格電流を超える電流を測定する。
【解決手段】第１電流経路と、前記第１電流経路と並列に接続される第２電流経路と、貫通穴を前記第１電流経路及び前記第２電流経路が互いに電流の流れ方向が逆となるように通り、かつ前記第１電流経路を流れる電流が整数Ｎ回通るようにＮ回巻き付けた、第１貫通型電流センサと、貫通穴を前記第１電流経路が通る第２貫通型電流センサと、を備える電流測定装置。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１電流経路と、
前記第１電流経路と並列に接続される第２電流経路と、
貫通穴を前記第１電流経路及び前記第２電流経路が互いに電流の流れる方向が逆となるように通り、かつ前記第１電流経路を流れる電流が整数Ｎ回通るようにＮ回巻き付けた、第１貫通型電流センサと、
貫通穴を前記第１電流経路が通る第２貫通型電流センサと、
を備える電流測定装置。

【請求項2】

前記Ｎは、前記第１電流経路を流れる第１電流と前記第２電流経路を流れる第２電流の和と前記第１電流の比である分流比ｋ－２以上であり、前記ｋ以下である、
請求項１に記載の電流測定装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の電流測定装置を用いる電流測定方法であって、
前記第２電流経路を流れる第２電流と、前記第２電流と逆方向に流れるようにした前記第１電流経路を流れる第１電流の整数Ｎ倍の大きさとの差である差分電流を測定し、
前記第１電流の大きさを測定し、
前記差分電流及び前記第１電流の大きさに基づいて、前記第１電流と前記第２電流の和を算出する、
電流測定方法。

【請求項4】

第１電流と前記第１電流と並列に流れる第２電流の和と前記第１電流の比である分流比ｋを決定し、
巻き数Ｎを、ｋ－２以上であり、ｋ以下の値に決定し、
前記分流比ｋに基づいて、前記第１電流が流れる第１電流経路及び前記第２電流を流れる第２電流経路を作成し、
前記第２電流と前記第１電流の整数Ｎ倍との差である差分電流が測定されるように、前記第１電流経路及び前記第２電流経路を第１貫通型電流センサに貫通させ、
前記第１電流の大きさを測定されるように、前記第１電流経路を第２貫通型電流センサに貫通させる、
電流測定装置作成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電流測定装置、電流測定方法及び電流測定装置作成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電気自動車・電車・航空機などのパワーユニットには、約１００ｋＷ以上の大容量の出力と小型軽量化が必要とされている。また、パワーユニットの性能としては、スイッチング周波数ｆ_ｓｗが２０ｋＨｚ以上で定格電流が１００Ａ以上であることが要求されている。パワーユニット内のフィルタを構成するインダクタには、直流電流又は正弦波電流にスイッチング周波数ｆ_ｓｗの三角波状のリプル電流が重畳した電流（以下、インダクタ電流と呼ぶ）が流れる。

【0003】

パワーユニットの開発には、インダクタ電流の時間波形を正確に測定することが重要である。インダクタ電流に含まれるスイッチング周波数ｆ_ｓｗの三角波状のリプル電流を正確に測定するためには、スイッチング周波数ｆ_ｓｗの１０倍の周波数を正確に測定する必要がある。また、インダクタ電流の測定には例えば貫通型の電流センサが使用される。使用される電流センサの周波数帯域は、通常、測定する必要のある電流の周波数の１０倍以上であることが望ましい。

【0004】

つまり、電流センサの周波数帯域は、スイッチング周波数ｆ_ｓｗの１０倍の周波数の１０倍以上であることが望ましく、言い換えると、スイッチング周波数ｆ_ｓｗの１００倍以上であることが望ましい。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、電流センサにおいては周波数帯域が広くなるにしたがい測定可能な定格電流の大きさが小さくなるため、電流の時間波形を正確に測定することが難しい。
本発明の目的は、電流センサの定格電流を超える電流を測定することができる電流測定装置及び電流測定方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様は、第１電流経路と、前記第１電流経路と並列に接続される第２電流経路と、貫通穴を前記第１電流経路及び前記第２電流経路が互いに電流の流れ方向が逆となるように通り、かつ前記第１電流経路を流れる電流が整数Ｎ回通るようにＮ回巻き付けた、第１貫通型電流センサと、貫通穴を前記第１電流経路が通る第２貫通型電流センサと、を備える電流測定装置である。

【0007】

本発明の一態様は、第１電流と前記第１電流と並列に流れる第２電流の和と前記第１電流の比である分流比ｋを決定し、巻き数Ｎを、ｋ－２以上であり、ｋ以下の値に決定し、前記分流比ｋに基づいて、前記第１電流が流れる第１電流経路及び前記第２電流を流れる第２電流経路を作成し、前記第２電流と前記第１電流の整数Ｎ倍との差である差分電流が測定されるように、前記第１電流経路及び前記第２電流経路を第１貫通型電流センサに貫通させ、前記第１電流の大きさを測定されるように、前記第１電流経路を第２貫通型電流センサに貫通させる、電流測定装置の作成方法である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、電流センサの定格電流を超える電流を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】電流測定装置１の構成を示す図である。

【図2】電流測定装置１による動作を示すフローチャートである。

【図3】電流測定装置１の作成方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。

【0011】

〈第１の実施形態〉
図１は、第１の実施形態に係る電流測定装置１の構成を示す図である。電流測定装置１は、入力端子２、出力端子３、第１電流経路１１、第２電流経路１２、第１貫通型電流センサ２１、第２貫通型電流センサ２２及び算出部３１を備える。電流測定装置１は、入力端子２に入力され、出力端子３から出力される電流を測定する。
第２電流経路１２は、入力端子２と出力端子３を接続する。第１電流経路１１は、入力端子２及び出力端子３に対して第２電流経路１２と並列に設けられる。つまり、入力端子２に入力された電流（以下、被測定電流ｉ_０）は、第１電流経路１１を流れる電流（以下、第１電流ｉ_１）と第２電流経路１２を流れる電流（以下、第２電流ｉ_２）に分流される。

【0012】

貫通型電流センサは、円環上に構成された磁気コアによって測定対象の導体の周囲に発生する磁束密度を計測することで、導体を流れる電流の大きさを計測する。そのため、貫通型電流センサには、導体を磁気コアに通すための貫通穴が形成されている。貫通型電流センサは、クランプ型電流センサを含む。クランプ型電流センサにおいて、貫通穴はクランプを閉じたときに形成される穴部である。

【0013】

第１貫通型電流センサ２１は、貫通穴を第１電流経路１１と第２電流経路１２とが互いに電流の流れる方向が逆となるように通るように設置される。つまり、貫通穴において、第１電流ｉ_１と第２電流ｉ_２とが逆方向に通るように第１貫通型電流センサ２１、第１電流経路１１及び第２電流経路１２が設置される。また、第１貫通型電流センサ２１の貫通穴には、第１電流経路１１がＮ回巻き付けられる。

【0014】

第２貫通型電流センサ２２は、貫通穴を第１電流経路１１が通るように設置される。

【0015】

以下、電流測定装置１による測定方法について詳細に説明する。電流測定装置１には入力端子２に測定対象である被測定電流ｉ_０が入力され、出力端子３から出力される。被測定電流ｉ_０は電流測定装置１内部で第１電流経路１１を流れる第１電流ｉ_１と第１電流経路１１と並列に接続される第２電流経路１２を流れる第２電流ｉ_２とに分流される。つまり、被測定電流ｉ_０、第１電流ｉ_１及び第２電流ｉ_２の関係は式（１）で表される。

【0016】

【数1】

【0017】

また、第１電流ｉ_１を式（２）により被測定電流ｉ_０を用いて定義する。

【0018】

【数2】

【0019】

ｋを電流測定装置１における分流比と呼ぶ。例えば第１電流経路１１と第２電流経路１２とに使用される導体の材料を同じとし、それぞれの断面積Ｓ_１とＳ_２を、式（３）を満たすように設定することで、所望の分流比ｋを実現することができる。

【0020】

【数3】

【0021】

これは、導体の電気抵抗が断面積に反比例することによる。後述するが、第１電流ｉ_１は第２貫通型電流センサ２２により測定されるため、分流比ｋは、想定される被測定電流ｉ_０の最大値Ｉ_０及び第２貫通型電流センサ２２の定格電流Ｉ_２に基づいて設定される。例えば、分流比ｋはＩ_０をＩ_２で割った値以上の値に設定される。

【0022】

第１貫通型電流センサ２１の貫通穴には、第２電流経路１２が通り、また、第１電流経路１１がＮ回巻き付けられている。第１貫通型電流センサ２１により測定される電流（以下、差分電流Δｉ）は、第１電流ｉ_１、第２電流ｉ_２及び巻き数Ｎにより式（４）で表される。

【0023】

【数4】

【0024】

第２貫通型電流センサ２２の貫通穴には、第１電流経路１１が通る。すなわち、第２貫通型電流センサ２２は、第１電流ｉ_１を測定する。

【0025】

算出部３１は、第１貫通型電流センサ２１及び第２貫通型電流センサ２２による測定結果に基づいて、被測定電流ｉ_０を算出する。式（１）及び（４）を用いて第２電流ｉ_２を消去すると式（５）が導出される。

【0026】

【数5】

【0027】

ここで、第１電流ｉ_１は第２貫通型電流センサ２２による測定結果である。差分電流Δｉは第１貫通型電流センサ２１による測定結果である。以上より、算出部３１は、例えば巻き数Ｎを記憶することで、第１貫通型電流センサ２１及び第２貫通型電流センサ２２による測定結果を式（５）に適用することで、被測定電流ｉ_０を算出する。

【0028】

算出部３１の一部又は全部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記録装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものを含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。また、算出部３１の一部または全部は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

【0029】

以下、分流比ｋと巻き数Ｎの関係について説明する。式（５）に式（２）を代入し、ｉ_０を消去すると式（６）が導出される。

【0030】

【数6】

【0031】

また、差分電流Δｉの大きさが第１電流ｉ_１の大きさより小さいとき、第１貫通型電流センサ２１の定格電流Ｉ_１は第２貫通型電流センサ２２の定格電流Ｉ_２と等しければよい。差分電流Δｉの大きさが第１電流ｉ_１の大きさより小さい場合、式（７）が成立する必要がある。

【0032】

【数7】

【0033】

式（６）及び式（７）により、分流比ｋと巻き数Ｎの関係を示す式（８）が導出される。

【0034】

【数8】

【0035】

つまり、巻き数Ｎは分流比ｋにより決定される。なお、式（６）に基づくとＮ＝ｋ－１のときΔｉ＝０となる。

【0036】

図２は、電流測定装置１による動作を示すフローチャートである。第１貫通型電流センサ２１が差分電流Δｉを測定し（ステップＳ１１）、第２貫通型電流センサ２２が第１電流ｉ_１を測定する（ステップＳ１２）。その後、算出部３１が第１貫通型電流センサ２１及び第２貫通型電流センサ２２による測定結果に基づいて、被測定電流ｉ_０を算出する（ステップＳ１３）。

【0037】

図３は、電流測定装置１の作成方法を示すフローチャートである。初めに電流測定装置１の被測定電流の最大値Ｉ_０及びスイッチング周波数ｆ_ｓｗを確認する（ステップＳ２１）。その後、第１貫通型電流センサ２１及び第２貫通型電流センサ２２として使用する貫通型電流センサをスイッチング周波数ｆ_ｓｗに基づいて決定する（ステップＳ２２）。例えば、周波数帯域がスイッチング周波数ｆ_ｓｗの１００倍以上である貫通型電流センサを、第１貫通型電流センサ２１及び第２貫通型電流センサ２２として使用する貫通型電流センサとして決定する。その後、被測定電流の最大値Ｉ_０及び決定した貫通型電流センサの定格電流Ｉ_２に基づいて、分流比ｋを決定する（ステップＳ２３）。例えば、分流比ｋを、Ｉ_０をＩ_２で割った値以上の値に決定する。

【0038】

その後、分流比ｋ及び式（８）に基づいて、巻き数Ｎを決定する（ステップＳ２４）。分流比ｋに基づいて、第１電流経路１１及び第２電流経路１２を作成する（ステップＳ２５）。例えば、式（３）に基づいて、第１電流経路１１と第２電流経路１２とに使用される導体の断面積を決定し、第１電流経路１１及び第２電流経路１２を作成する。例えば、第１電流経路１１と第２電流経路１２に使用される導体の断面積は同じであるが、本数を変えることにより、異なる断面積の導体を使用するのと同じ効果を実現してもよい。

【0039】

巻き数Ｎに基づいて、第１電流経路１１及び第２電流経路１２を第１貫通型電流センサ２１及び第２貫通型電流センサ２２に貫通させる（ステップＳ２６）。前述のように、第１貫通型電流センサ２１に第２電流経路１２を貫通させ、第１電流経路１１を貫通する第２電流経路１２における第２電流ｉ_２の向きと逆方向に第１電流ｉ_１が貫通するように第１貫通型電流センサ２１に巻き数Ｎで貫通させる。前述のように、第２貫通型電流センサ２２に第１電流経路１１を貫通させる。

【0040】

以上のように、電流測定装置１は、これにより、貫通型電流センサの定格電流を超える電流を測定することができる。

【0041】

〈他の実施形態〉
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

【符号の説明】

【0042】

１ 電流測定装置、１１ 第１電流経路、１２ 第２電流経路、２１ 第１貫通型電流センサ、２２ 第２貫通型電流センサ、３１ 算出部

【図1】

【図2】

【図3】