This paper proposes a new current measurement system for inverter control. The system consists of a Field-Program-Gate-Allay (FPGA), and tiny Rogowski-coils (PCB Rogowski-coil) made of a print-circuit-board. This paper presents a mitigating method of reverse recovery current and tail current that is not enough discussed in the previous study. This system is enough small to be integrated in a power module. This study will contribute to downsizing inverter.電気学会電子デバイス/半導体電力変換合同研究会（IEE-SPC）パワーデバイス・パワーエレクトロニクスとその実装技術, 2017年11月20日-21日, 鹿児島大学 稲盛会館, 鹿児島

一木  真生

大村  一郎

田畑  勝次

長谷川  一徳

附田  正則

This paper proposes a new current measurement system for inverter control. The system consists of a Field-Program-Gate-Allay (FPGA), and tiny Rogowski-coils (PCB Rogowski-coil) made of a print-circuit-board. This paper presents a mitigating method of reverse recovery current and tail current that is not enough discussed in the previous study. This system is enough small to be integrated in a power module. This study will contribute to downsizing inverter.電気学会電子デバイス/半導体電力変換合同研究会（IEE-SPC）パワーデバイス・パワーエレクトロニクスとその実装技術, 2017年11月20日-21日, 鹿児島大学 稲盛会館, 鹿児島県conference pape

田畑, 勝次

21265

Hasegawa, Kazunori

28366

長谷川, 一徳

80712637

ハセガワ, カズノリ

36938413600

100000664

一木, 真生

21267

Omura, Ichiro

16176

大村, 一郎

10510670

オオムラ, イチロウ

7003814580

附田, 正則

21269

Kyutacar : Kyushu Institute of Technology Academic Repository

パワーモジュール内蔵型インバータ出力電流測定システムの開発著者 田畑  勝次, 長谷川  一徳, 一木  真生, 大村  一郎, 附田  正則雑誌名 電気学会研究会資料. EDD, 電子デバイス研究会巻 2017ページ 63-67発行年 2017-11-20その他のタイトル Development of a New Inverter-CurrentMeasurement System Integrated in a PowerModuleURL http://hdl.handle.net/10228/000064941／5 パワーモジュール内蔵型インバータ出力電流測定システムの開発 田畑 勝次＊  長谷川 一徳  一木 真生  大村 一郎（九州工業大学）附田 正則（北九州市環境エレクトロニクス研究所， 九州工業大学）Development of a New Inverter-Current Measurement System Integrated in a Power Module Shoji Tabata＊, Kazunori Hasegwa, Mao Ichiki, Ichiro Omura, (Kyushu Institute of Technology)  Masanori Tsukuda, (Green Electronics Research Institute-Kitakyushu, Kyushu Institute of Technology) This paper proposes a new current measurement system for inverter control. The system consists of a Field-Program-Gate-Allay (FPGA), and tiny Rogowski-coils (PCB Rogowski-coil) made of a print-circuit-board. This paper presents a mitigating method of reverse recovery current and tail current that is not enough discussed in the previous study. This system is enough small to be integrated in a power module. This study will contribute to downsizing inverter. キーワード：電流センサ, インバータ電流, ロゴスキーコイル, 磁気コア, パワーモジュール (Current Sensor, Inverter-Current, Rogowski-Coil, Magnetic Core, Power Module) 1. はじめにインバータに組み込まれる出力電流センサがインバータ小型化の課題となっている。出力電流センサには，カレントトランス（CT）やホール素子電流センサが従来用いられている。それらのセンサには磁性コアが内蔵されており，磁気飽和を防ぐためにコアが大型化している。 センサの小型化のためには飽和磁束密度の大きい磁性材料を使用するか，コアを持たないセンサを用いる必要がある。しかし，磁性材料の飛躍的な特性向上は期待できないため，コアを持たないセンサを用いた電流測定手法について検討する。 コアを持たないセンサとしてロゴスキーコイル，シャント抵抗，また，最近開発された空芯ホール素子電流センサが挙げられる[1]。特に，ロゴスキーコイルは安価，非接触で測定できるなどの利点があるため，本研究ではロゴスキーコイルをインバータ出力電流測定に採用する。 ロゴスキーコイルは小型で安価に作れる反面，低周波の電流測定は困難であるため，インバータ出力電流を出力端で測定する従来の手法では測定が困難である。先行研究において，スイッチング時にパワーデバイスを流れる高周波電流から出力電流を測定する手法を提案している[2]。図 1に提案システムが内蔵された IPMの概要図を示す。提案するシステムは IPM(Intelligent-power-module）を始めとしたパワーモジュールに内蔵可能でありインバータの小型化へ貢献できる [3-7]。また，還流ダイオードにより生じるリバースリカバリ電流の影響を緩和する手法についても検討した[8]。しかし，IGBTのテール電流による影響については十分に検討されていない。 本稿では，リバースリカバリ電流とテール電流に依存しない電流測定手法について提案する。 図 1 パワーモジュール内蔵型出力電流測定システム Fig. 1 New inverter-current measurement system integrated in a power module 2／5 2. システム構成と電流測定手法 〈2･1〉 パワーモジュール内蔵型出力電流測定システム 図 2に採用したロゴスキーコイルを示す。提案するシステムではプリント基板技術を基に作製された超小型ロゴスキーコイル（PCBロゴスキーコイル）を使用する[9-13]。PCBロゴスキーコイルは各レグのローサイドエミッタ，またはハイサイドコレクタに設置される。提案システムは図3(a)に示すように，PCBロゴスキーコイル，積分アンプ，A/Dコンバータで構成され，FPGAによるデジタル解析によって出力電流を測定する。図 3(b)に提案システムの構成と提案システムが内蔵された IPMの内部構成を示す。提案システムが内蔵された IPMを使用したインバータでは，出力端に電流センサを必要としない。 〈2･2〉 ロゴスキーコイル採用時の課題解決手法    図 4に出力電流再現手法を示す。先行研究において，図 4に示す手法によってインバータ出力電流を測定する手法を検討した。ロゴスキーコイルでは低周波の電流測定は困難であるため，スイッチングにより高周波で切り替わるデバイス電流に注目した。出力電流波形はデバイスを流れる電流から再現することができる。オン・オフが切り替わった瞬間のデバイス電流（ION，IOFF）を取得し，スイッチング毎に取得した IONと IOFFを結ぶことで出力電流波形が再現できる。提案された手法ではロゴスキーコイルを用いてデバイス電流の IONと IOFFを取得する。デバイス電流をロゴスキーコイルで測定した場合，ロゴスキーコイルから出力される信号はデバイス電流の微分に比例した電圧信号 vCとなる。測定電流を Iとした場合のロゴスキーコイルの出力信号 vCとの関係式を式(１)に示す。 𝑣𝐶 ∝𝑑𝐼𝑑𝑡......…………………………………………………(１) また，式(２)のようにロゴスキーコイルの出力信号を積分することで測定電流に比例した電圧波形を得ることができる。 ∫𝑣𝐶𝑑𝑡 ∝ ∫𝑑𝐼𝑑𝑡𝑑𝑡 = 𝐼…..…………………………………...(２) 積分器はオペアンプを基にしたアナログ積分アンプを用いる。積分アンプの飽和を防ぐために，CR時定数を PWMのオン・オフ時間より十分に短くし，ターンオン及びターンオフより前に積分アンプの出力がゼロ電位まで落ちるようにする。積分信号を整流し，ターンオン・オフ毎に現れる積分信号のピーク点を結ぶことで出力電流波形を再現できる。  3. リバースリカバリ電流及びテール電流の影響の除去手法 〈3･1〉 先行研究における測定手法の課題 IONと IOFFを取得するうえで，リバースリカバリ電流とテール電流が課題となる。IGBTがオンした瞬間，リバースリ カバリ電流が流れるため， ION が大きく出てしまう。一方で，IGBT がオフした時に生じるテール電流により， IOFFは小さく出てしまう。 先行研究では，ターンオン時の積分信号を一定時間平均しリバースリカバリ電流の影響を緩和する手法を提案している[3]。図 5 に示す実験波形から提案手法による改善はみられるが，十分な精度が得られていない。 図 6に示すようにテール電流により電流の傾きが緩やかになるため，その積分信号も傾きが緩やかになる。これにより，本来のピーク値に到達せず，IOFFの測定結果が小さくなる。リバースリカバリの影響を緩和する平均化の手法ではテール電流による影響を低減できない。以上より，IONの測定精度向上と，テール電流に依存しない IOFFの測定手法が必要である。   図 2 PCBロゴスキーコイル Fig. 2 PCB Rogowski-coil   (a) The constitution of proposed system  (b)The constitution of the IPM 図 3 提案する電流測定システムの概要 Fig. 3 The overview of proposed system     3／5 〈3･2〉 短時間積分補正を用いたリバースリカバリ電流とテール電流の除去手法    図 7 に今回提案する手法の概要を示す。今回提案する手法では，リバースリカバリ電流及びテール電流の影響が終わった後の電流値を取得する。リバースリカバリ電流及びテール電流終了時の積分信号は積分アンプの CR 時定数に応じてピークから減少した値である。そのため，リバースリカバリ電流及びテール電流が流れる間，CRで消費された減少分を補正することでリバースリカバリ電流とテール電流による影響が終了した時点の電流値を得ることができる。補正式を式（３）に示す。 I ∝ 𝑣𝑂 +1𝐶𝑅∫𝑣𝑂𝑑𝑡…………………………………………(３) そのため，提案手法による電流測定では，リバースリカバリ時間またはテール時間分の時遅れを含む。  4. 提案システムの実証実験  本研究ではバックコンバータを用いて実証実験を行った。使用した回路を図 8 に示す。実験では積分アンプの出力を A/Dコンバータ(8bit, 50MHz)によりデジタル変換し，FPGA(100MHz)により整流，波形の補正を行った。実験ではリバースリカバリ電流及びテール電流の補正時間を 5usとした。   図 4 出力電流再現手法 Fig. 4 The method of reproducing the inverter output current   (a)Without reverse recovery current mitigation  (b)With reverse recovery current mitigation 図 5 先行研究において提案したリバースリカバリ電流緩和手法の実験結果 Fig. 5 The results with the mitigation method of reverse recovery current of previous research and Hall current sensor   図 6 テール電流によるターンオフ時のピーク電流値取得の課題 Fig. 6 The problem of peak current obtainment when switches turn off by the tail current    4／5   図７ リバースリカバリ電流とテール電流を避けた電流値測定手法 Fig. 7 The current measurement method avoiding reverse recovery current and tail current  図 9 に電流測定結果を示す。スイッチング周波数４kHzで回路を動作させた。図 9 中の破線で示されたタイミングで Dutyを 40％から 50％へと変化させ過渡的な変化を測定した。定常状態における測定結果は安定しているが，過渡時の測定結果は最大で 0.97Aの誤差があった。これは，ADコンバータの分解能 2 目盛分に相当する。誤差の要因として，ADコンバータの分解能と誤差が挙げられる。今回提案したシステムにおける A/D コンバータの分解能は電流値に換算すると 1 目盛あたり 415mA である。また，使用したA/D コンバータは最大で 4 目盛の誤差を含む。その為，分解能を高くし，A/D 変換の精度を上げることでより良い結果が得られると考えられる。 図 10に出力電流に対する提案システムの測定結果の比較グラフを示す。IONと IOFFの測定結果は同等の特性を示しており，前述した A/D コンバータの改善によってより精度の高い結果が得られると考えられる。  5. まとめ  インバータの小型化を目的とした，インバータ出力電流測定システムを提案した。PCB ロゴスキーコイルを用いてスイッチング時にデバイスを流れる電流を取得する際，リバースリカバリ電流とテール電流が障害となるが，電流を取得するタイミングをずらすことで影響を取り除いた。取得したデバイス電流より出力電流を測定した。   (a)Experimental circuit diagram  (b)Photogram of setup 図 8 実験回路 Fig. 8 Experimental the setup  (a)Current probe  (b)Proposed system 図 9 提案手法による出力電流の測定結果 Fig. 9 The result of output current measurement by proposed system   5／5   図 10 出力電流と提案システムによる出力電流測定結果の比較 Fig. 10 The comparison of output current and the results of proposed system   文   献  (１)  旭化成エレクトロニクス株式会社，鈴木健治，電流センサ及び製造方法， 特開 2017-134022，2017-08-03 (２)  K. Hasegawa, S. Takahara, S. Tabata, M. Tsukuda and I. Omura, “A New Output Current Measurement Method with Tiny PCB Sensors Capable of Being Embedded in an IGBT Module,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 32, no. 3, pp. 1707-1712, Mar. 2017.                            (３)  R. Herzer, “Integrated gate drive circuit solutions,” in Proc. Intl. Conf. on Integrated Power Electron. Sys. (CIPS), no. 1.2, Mar. 2010.  (４)  B. Vogler, M. Rossberg, R. Herzer, and L. Reusser, “Integration of 1200V SOI gate driver ICs into a medium power IGBT module package.” in Proc. Intl. Sympo. on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), pp. 97-100, 2010. (５)  M. März, A. Schletz, B. Eckardt, S. Egelkraut, and H. Rauh, “Power Electronics System Integration for Electric and Hybrid Vehicles,” in Proc. Intl. Conf. on Integrated Power Electron. Sys. (CIPS), no. 6.1, Mar. 2010. (６)  G. Majumdar, T. Oi, T. Terashima, S. Idaka, D. Nakajima, and Y. Goto, “Review of Integration Trends in Power Electronics Systems and Devices,” in Proc. Intl. Conf. on Integrated Power Electron. Sys. (CIPS), Mar. (７)  D. Cooper, “Power Module Integration: A new approach,” IEEE Power Electron Mag., vol. 3, no. 3, pp. 31-36, Sep. 2016.  (８)  S. Tabata, K. Hasegawa, M. Tsukuda, I. Omura, “New Power Module Integrating Output Current Measurement Function,” in Proc. Intl. Sympo. on Power Semiconductor Devices and IC's (ISPSD), pp. 267-270,2017 (９)  M. Koga, M. Tsukuda, K. Nakashima, and I. Omura,”Application-specific micro Rogowski coil for power modules─Design tool.novel coil pattern and demonstration,” in Proc. Intl. Conf. on Integrated Power Electron. Sys. (CIPS), Mar. 2016. (１０)  M. Tsukuda, M. Koga, K. Nakashima, I. Omura, “Clamp type built-in current sensor using PCB in high-voltage power modules,” Original research article  Microelectronics Reliability, Volumes 76–77, September 2017, Pages 517-521 (１１)  M. Tsukuda, M. Koga, K. Nakashima, I. Omura, “Micro PCB Rogowski coil for current monitoring and protection of high voltage power modules,” Original research article Microelectronics Reliability, Volume 64, September 2016, Pages 479-483 (１２)  D. Gerber, T. Guillod, and J. Biela, “IGBT gate-drive with PCB Rogowski coil for improved short circuit detection and current turn-off capability,” in Proc. IEEE Pulsed Power Conf., pp. 1359-1364, Jun. 2011. (１３) L. Dalesandro, N. Karrer, M. Ciappa, A. Castellazzi, W. Fichtner, “Online and Offline Isolated Current Monitoring of Parallel Switch High-Voltage Multi-Chip IGBT Modules”, IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC), pp.  2600-2606, 2008. 

パワーモジュール内蔵型インバータ出力電流測定システムの開発

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Development of a New Inverter-Current Measurement System Integrated in a Power Module

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