WO2025126792A1

WO2025126792A1 - 電流測定用半導体装置

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Publication number: WO2025126792A1
Application number: PCT/JP2024/041234
Authority: WO
Inventors: 仁小林
Original assignee: Nuvoton Technology Corp Japan
Current assignee: Nuvoton Technology Corp Japan
Priority date: 2023-12-11
Filing date: 2024-11-21
Publication date: 2025-06-19
Anticipated expiration: 2026-06-11

Abstract

測定対象装置（３）が備えるシャント抵抗（４）を流れる電流を測定する電流測定用半導体装置（３０）であって、シャント抵抗（４）の両端の電圧を検知することによりシャント抵抗（４）を流れる電流を測定する第一の電流測定回路（１０）と、コアレス磁気センサ（５０）を有し、コアレス磁気センサ（５０）によりシャント抵抗（４）を流れる電流を測定する第二の電流測定回路（２０）とを備える。

Description

電流測定用半導体装置

　本発明は、電流測定用半導体装置に関し、特に、測定対象装置が備えるシャント抵抗を流れる電流を測定する電流測定用半導体装置にかかるものである。

　従来、電気自動車用が備えるリチウムイオンバッテリーの電流測定は、磁気センサ型で磁気コアがある電流測定回路（以下、コア有磁気センサ方式と呼ぶ）が広く利用されてきた。しかしながら、コア有磁気センサ方式は、小電流での測定が可能である一方で、磁気コアによるヒステリシスや磁気飽和により、小電流から大電流まで広いダイナミックレンジを確保することが難しい。コア有磁気センサの電流測定精度は、±１％前後が一般的である。

　一方、磁気コアのないコアレス磁気センサは、磁気コアによる磁気飽和が無く、より大電流領域での測定が可能だが、外乱ノイズや設置場所により高精度な測定ができないという課題がある。そのため、設置後の調整が必要であり、リチウムイオンバッテリーの電流測定にはほとんど利用されていない。

　近年、電気自動車性能向上により、リチウムイオンバッテリーの電流測定は、停車時の１０ｍＡから１００ｍＡ程度の電流測定に加え、最大には１，０００Ａから２，０００Ａ程度の電流範囲の測定が必要となっている。また、リチウムイオンバッテリー容量（ＳＯＣ：　Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ）を高精度に算出するため、電流測定によるクーロンカウントでは±０．１％前後の電流測定精度が求められている。

　そのため、電気自動車用の電流測定は、コア有磁気センサ方式からシャント抵抗による電流測定回路（以下、シャント電流方式と呼ぶ）への置換が進んでいる。

　しかしながら、シャント電流方式では、バッテリー電流が直接流れるシャント抵抗においてショートモード故障が発生した場合に、原理上、測定電流値が見かけ上小さく測定され、その異常検知ができないという課題がある。つまり、シャント電流方式のショートモード故障は、リチウムイオンバッテリーの発火や爆発につながる危険な領域での過電流検知ができずフェールセーフを実現しているとは言いがたい。そのため、シャント抵抗による電流測定回路を複数設置して冗長化をする等の機能安全的な対策が不可欠である。

　そこで、従来、抵抗値の異なる２つのシャント抵抗を直列接続して冗長化し、共通原因故障が発生しないように冗長化を行う方法が提案されている（特許文献１参照）。

国際公開第２０１６－０４７０１０号

　しかし、特許文献１のように、抵抗値が異なるとはいえシャント抵抗という同一技術の冗長化では、バッテリーを流れる過電流により、同時に同一故障モードが発生する共通原因故障の可能性を否定できているとは言い難い。

　そこで、本発明は、シャント抵抗を流れる電流を測定する電流測定用半導体装置であって、共通原因故障が抑制された電流測定用半導体装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電流測定用半導体装置は、測定対象装置が備えるシャント抵抗を流れる電流を測定する電流測定用半導体装置であって、前記シャント抵抗の両端の電圧を検知することにより前記シャント抵抗を流れる電流を測定する第一の電流測定回路と、コアレス磁気センサを有し、前記コアレス磁気センサにより前記シャント抵抗を流れる電流を測定する第二の電流測定回路とを備える。

　本発明により、シャント抵抗を流れる電流を測定する電流測定用半導体装置であって、共通原因故障が抑制された電流測定用半導体装置が提供される。

図１は、実施の形態に係る電流測定用半導体装置の構成を示す回路ブロック図である。図２Ａは、実施の形態に係る電流測定用半導体装置の実装例を示す外観図である。図２Ｂは、実施の形態に係る電流測定用半導体装置における主要な回路要素のレイアウト例を示す図である。図３は、測定対象装置が備えるシャント抵抗及び電流測定用半導体装置が備えるコアレス磁気センサの電流電圧特性及び電流測定用半導体装置における補正を説明する図である。図４は、実施の形態に係る電流測定用半導体装置の動作を示すフローチャートである。図５は、実施の形態に係る電流測定用半導体装置によるシャント抵抗についての異常検知の動作を示すフローチャートである。図６は、実施の形態に係る電流測定用半導体装置による測定対象装置についての異常検知の動作を示すフローチャートである。

　（発明の概要及び効果）
　本発明の一実施例では、シャント抵抗を流れる電流を測定する電流測定用半導体装置（以下、単に「半導体装置」ともいう）に、コアレス磁気センサを搭載し、これによって、コアレス電流センサ回路を実現することで、共通原因故障が抑制された冗長型電流測定回路を実現することを可能にする。

　より詳しくは、本発明の一実施例では、シャント抵抗が検出できない大電流領域では、コアレス磁気センサにより電流を測定する第二の電流測定回路を使用する。すなわちコアレス磁気センサ回路が測定不能となる微小電流領域において、磁気センサ不感帯を設定し、その磁気センサ不感帯での第二の電流測定回路の測定値を無視するように使用する（つまり、シャント抵抗による測定値だけを採用する）。

　また、コアレス磁気センサおよびシャント抵抗の温度依存性を補正するため、半導体装置に、コアレス磁気センサ及びシャント抵抗に対する温度測定回路を備えることで、第一の電流測定回路及び第二の電流測定回路の温度依存性を補正することを可能にする。

　一般的に、コアレス磁気センサは、半導体装置のみで構成されるので、非常に小さく設置が容易である。一方、コアレス磁気センサは、磁気センサとバスバーなどの被測定対象配線からの距離や外乱ノイズにより、流れる電流により発生する磁束密度が変わる。そのため、コアレス磁気センサは、電流の絶対値計測に用いるためには、設置後に補正を行うことが不可欠であり、微小電流の検出も難しいことから、リチウムイオンバッテリーの電流測定にはほとんど利用されていない。

　そこで、本発明では、シャント抵抗により電流を測定する第一の電流測定回路と、コアレス磁気センサにより電流を測定する第二の電流測定回路とを、同一半導体装置に備えることで、シャント抵抗により電流を測定する第一の電流測定回路の測定値により、磁気センサにより電流を測定する第二の電流測定回路を補正することを可能にする。

　また、シャント抵抗のショートモード故障が発生する要因は、主に大電流が流れることによるものであり、リチウムイオン電池が発火・爆発に至る状況も大電流（過電流）が流れている状態である。

　したがって、微小電流の検出が難しいコアレス磁気センサでも、大電流が流れる期間のみにおいて、シャント抵抗により電流を測定する第一の電流測定回路の測定値と、コアレス磁気センサにより電流を測定する第二の電流測定回路の測定値とを比較すれば、シャント抵抗のショートモード故障の検出が可能になる。

　さらに、シャント抵抗により電流を測定する電流測定回路を搭載する本発明に係る半導体装置は、シャント抵抗に対して近接して設置されるため、半導体装置上のコアレス磁気センサは、シャント抵抗を流れる電流により発生する磁束を検出するうえで最適な場所に設置することを可能にする。

　また、本発明に係る半導体装置には、容易に温度測定回路を搭載可能なため、半導体装置上のコアレス磁気センサ及び測定対象装置上のシャント抵抗の温度依存性を補正することは容易に実施可能である。

　（実施の形態）
　以下、本発明示の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示す。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、回路要素、回路要素の配置位置及び接続形態、信号波形、信号タイミング等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化する。また、「接続」とは、電気的な接続を意味し、２つの回路要素が直接的に接続される場合だけでなく、２つの回路要素の間に他の回路要素を挿入した状態で２つの回路要素が間接的に接続される場合も含まれる。

　図１は、実施の形態に係る電流測定用半導体装置３０の構成を示す回路ブロック図である。なお、本図には、電流測定用半導体装置３０による電流測定の対象となる測定対象装置３、電流測定用半導体装置３０による測定結果の通知先となる上位システム９０等も併せて図示されている。

　電流測定用半導体装置３０は、測定対象装置３が備えるシャント抵抗４を流れる電流を測定して上位システム９０に通知する一つの半導体装置であり、例えば、温度センサ７５を除いて、１チップの半導体又は複数チップが一つのパッケージに混載された半導体として実現される。なお、温度センサ７５についても、他の回路部品と同様に、１チップの半導体又は一つのパッケージ内に設けられてもよい。

　測定対象装置３は、本実施の形態では、電気自動車用のリチウムイオンバッテリー・システムであり、リチウムイオンバッテリーの組電池３ａ、組電池３ａと直列に接続されるシャント抵抗４、組電池３ａ及びシャント抵抗４を接続するバスバー８ａ及び８ｂ等を備える。上位システム９０は、例えば、電気自動車に備えられるコントローラとしてのＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）等である。

　電流測定用半導体装置３０は、測定対象装置３が備えるシャント抵抗４の両端の電圧を検知することによりシャント抵抗４を流れる電流を測定する第一の電流測定回路１０と、コアレス磁気センサ５０によってシャント抵抗４を流れる電流を冗長的に測定する第二の電流測定回路２０と、コアレス磁気センサ５０及びシャント抵抗４の温度を測定する温度測定回路７０と、第一の電流測定回路１０及び第二の電流測定回路２０の測定値に対する補正及び異常検知等を行う信号処理回路６０と、各回路要素にクロック信号を供給するための基準クロック生成回路８０及びクロック分配回路８１とを備える。

　基準クロック生成回路８０は、単一の基準クロックを生成する。クロック分配回路８１は、基準クロック生成回路８０からの基準クロックを分周等することで、図示されるように、チョッピング回路１８ａ～１８ｆ等に対して、基準クロックＣＫ１１～１３、ＣＫ２１～２３、ＣＫ３１～３３、及び、ＣＫ４を供給する。

　第一の電流測定回路１０は、測定対象装置３が備えるシャント抵抗４を流れる電流を測定する回路であり、入力端子１０ａ及び１０ｂ、差動の可変利得増幅器（ＶＧＡ）１１、ΔΣ型ＡＤコンバータ等のアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１２、デシメーションフィルタ等のフィルタ（Ｆｉｌｔｅｒ）１３、及び、チョッピング回路１８ａ～１８ｆを有する。なお、シャント抵抗４と入力端子１０ａ及び１０ｂとの間には、ノイズカット用のフィルタ回路５（チップ抵抗５ａ及び５ｂ、チップコンデンサ６）が設けられる。

　シャント抵抗４の両端に生じた電圧は、フィルタ回路５でノイズが除去され、チョッピング回路１８ａ及び１８ｂを経て可変利得増幅器１１に入力され、可変利得増幅器１１で増幅された後にチョッピング回路１８ｃ及び１８ｄを経てアナログデジタル変換器１２に入力され、アナログデジタル変換器１２でデジタル信号系列に変換された後にチョッピング回路１８ｅを経てフィルタ１３に入力され、フィルタ１３で平均化されパラレル信号に変換された後にチョッピング回路１８ｆを経て測定値として出力される。

　チョッピング回路１８ａ及び１８ｆは、クロック分配回路８１からの基準クロックＣＫ１１に同期して信号をチョッピングすることで、主に、第一の電流測定回路１０での信号処理で生じ得るオフセットをグローバルに除去する。チョッピング回路１８ｂ及び１８ｃは、クロック分配回路８１からの基準クロックＣＫ１２に同期して差動信号の正負を入れ替えるチョッピングをし、チョッピング回路１８ｄ及び１８ｅは、クロック分配回路８１からの基準クロックＣＫ１３に同期して差動信号の正負を入れ替えるチョッピングをすることで、それぞれ、主に、可変利得増幅器１１及びアナログデジタル変換器１２での信号処理で生じ得る１／ｆノイズを除去する。

　第二の電流測定回路２０は、コアレス磁気センサ５０によってシャント抵抗４を流れる電流を冗長的に測定する回路であり、コアレス磁気センサ５０、差動の可変利得増幅器（ＶＧＡ）２１、ΔΣ型ＡＤコンバータ等のアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）２２、デシメーションフィルタ等のフィルタ（Ｆｉｌｔｅｒ）２３、及び、チョッピング回路２８ａ～２８ｆを有する。コアレス磁気センサ５０は、ホール素子５１、ホール素子５１に電流を印加する電流源５２、ホール素子５１と電流源５２及びチョッピング回路２８ａとの接続を切り替えるスイッチ回路５３で構成される。

　ホール素子５１で生じた電圧は、スイッチ回路５３及びチョッピング回路２８ａを経て可変利得増幅器２１に入力され、可変利得増幅器２１で増幅された後にチョッピング回路２８ｂ及び２８ｃを経てアナログデジタル変換器２２に入力され、アナログデジタル変換器２２でデジタル信号系列に変換された後にチョッピング回路２８ｄを経てフィルタ２３に入力され、フィルタ２３で平均化されパラレル信号に変換された後にチョッピング回路２８ｅを経て測定値として出力される。

　スイッチ回路５３及びチョッピング回路２８ｅは、クロック分配回路８１からの基準クロックＣＫ２１に同期して、それぞれ、ホール素子５１に対する電流印加及び電圧測定箇所の切り替えと、信号のチョッピングとをすることで、主に、第二の電流測定回路２０での信号処理で生じ得るオフセットをグローバルに除去する。チョッピング回路２８ａ及び２８ｂは、クロック分配回路８１からの基準クロックＣＫ２２に同期して差動信号の正負を入れ替えるチョッピングをし、チョッピング回路２８ｃ及び２８ｄは、クロック分配回路８１からの基準クロックＣＫ２３に同期して差動信号の正負を入れ替えるチョッピングをすることで、それぞれ、主に、可変利得増幅器２１及びアナログデジタル変換器２２での信号処理で生じ得る１／ｆノイズを除去する。

　温度測定回路７０は、コアレス磁気センサ５０及びシャント抵抗４の温度を測定する回路であり、温度センサ７４及び７５、マルチプレクサ（ＭＵＸ）７６、差動の増幅器（Ａｍｐ）７１、ΔΣ型ＡＤコンバータ等のアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）７２、デシメーションフィルタ等のフィルタ（Ｆｉｌｔｅｒ）７３、及び、チョッピング回路７８ａ～７８ｇを有する。温度センサ７４は、コアレス磁気センサ５０に接触又近接して配置され、コアレス磁気センサ５０の温度を検知する温度センサであり、例えば、ダイオード等の半導体温度センサである。温度センサ７５は、シャント抵抗４に接触又近接して配置され、シャント抵抗４の温度を検知する温度センサであり、例えば、サーミスタ等である。

　温度センサ７４によって検知されたホール素子５１の温度に対応する電圧は、チョッピング回路７８ａを経てマルチプレクサ７６の一つの入力端子に入力され、一方、温度センサ７５によって検知されたシャント抵抗４の温度に対応する電圧は、チョッピング回路７８ｂを経てマルチプレクサ７６の他の一つの入力端子に入力され、マルチプレクサ７６でいずれかの入力信号だけが選択されて出力され、チョッピング回路７８ｃを経て増幅器７１に入力され、増幅器７１で増幅された後にチョッピング回路７８ｄ及び７８ｅを経てアナログデジタル変換器７２に入力され、アナログデジタル変換器７２でデジタル信号系列に変換された後にチョッピング回路７８ｆを経てフィルタ７３に入力され、フィルタ７３で平均化されパラレル信号に変換された後にチョッピング回路７８ｇを経て測定値として出力される。

　チョッピング回路７８ａ、７８ｂ及び７８ｇは、クロック分配回路８１からの基準クロックＣＫ３１に同期して、信号をチョッピングすることで、主に、温度測定回路７０での信号処理で生じ得るオフセットをグローバルに除去する。チョッピング回路７８ｃ及び７８ｄは、クロック分配回路８１からの基準クロックＣＫ３２に同期して差動信号の正負を入れ替えるチョッピングをし、チョッピング回路７８ｅ及び７８ｆは、クロック分配回路８１からの基準クロックＣＫ３３に同期して差動信号の正負を入れ替えるチョッピングをすることで、それぞれ、主に、増幅器７１及びアナログデジタル変換器７２での信号処理で生じ得る１／ｆノイズを除去する。

　信号処理回路６０は、第一の電流測定回路１０及び第二の電流測定回路２０の測定値に対する補正と、電流測定用半導体装置３０、コアレス磁気センサ５０及びシャント抵抗４に対する異常検知とを行う処理回路であり、補正部６１及び６２、計算部６３、記憶部６４、比較部６５、異常検知部６６～６８、データＩ／Ｆ（インタフェース）６９を有する。補正部６１及び６２、計算部６３、比較部６５、異常検知部６６～６８は、例えば、ゲートアレイ、あるいは、プログラムを記憶する半導体メモリとプログラムを実行するプロセッサ等とで実現される。記憶部６４は、例えば、ＳＲＡＭ等の半導体メモリで実現される。データＩ／Ｆ（インタフェース）６９は、例えば、論理回路で実現される。

　記憶部６４は、温度測定回路７０で得られたコアレス磁気センサ５０及びシャント抵抗４の温度依存性を補正するための温度係数を予め保持していたり、計算部６３で算出される第二の電流測定回路２０の測定値に対する補正パラメータ（傾き、オフセット）を保持したりする。

　計算部６３は、シャント抵抗４を用いた第一の電流測定回路１０の測定値によって、コアレス磁気センサ５０を用いた第二の電流測定回路２０の測定値を補正し、得られた補正情報（傾き及びオフセットを示す補正パラメータ）を記憶部６４に記憶するキャリブレーションモードと、記憶した補正情報を補正部６１に通知することで第二の電流測定回路２０の測定値に対する補正を可能にして電流測定を行わせる通常測定モードとを有する。また、計算部６３は、通常測定モードでは、温度測定回路７０で得られたコアレス磁気センサ５０及びシャント抵抗４の温度に対応する温度係数を記憶部６４から読み出し、それぞれ、補正部６１及び６２に通知することで、第一の電流測定回路１０の測定値及び第二の電流測定回路２０の測定値に対する温度依存性の補正を可能にする。

　補正部６１は、コアレス磁気センサ５０を用いた第二の電流測定回路２０の測定値に対して、計算部６３から通知される温度係数に基づく温度依存性の補正をしたり、温度補正後の測定値に対して、計算部６３から通知される補正情報（傾き及びオフセットを示す補正パラメータ）に基づく補正をしたりする。

　補正部６２は、シャント抵抗４を用いた第一の電流測定回路１０の測定値に対して、計算部６３から通知される温度係数に基づく温度依存性を補正したりする。

　比較部６５は、通常測定モードにおいて、第一の電流測定回路１０の測定値に対して補正部６２で補正された後の第一測定値と、第二の電流測定回路２０の測定値に対して補正部６１で補正された後の第二測定値とを比較し、その比較結果を異常検知部６７に通知する。より詳しくは、比較部６５は、コアレス磁気センサ５０を用いた第二の電流測定回路２０の測定値に対して補正部６１で補正された後の第二測定値が、コアレス磁気センサ５０及びシャント抵抗４の両方が有効な測定電流を示す範囲である場合に、シャント抵抗４を用いた第一の電流測定回路１０の測定値に対して補正部６２で補正された後の第一測定値と、コアレス磁気センサ５０を用いた第二の電流測定回路２０の測定値に対して補正部６１で補正された後の第二測定値とを比較し、その比較結果を異常検知部６７に通知する。

　異常検知部６７は、比較部６５から通知された比較結果に基づいて、第一測定値と第二測定値とが一定範囲内で一致しない場合に、そのことを示す異常信号をデータＩ／Ｆ６９に出力する。例えば、異常検知部６７は、通知を受けた比較結果に基づいて、第一測定値が第二測定値よりも所定範囲を超えて低いことを示す場合には、シャント抵抗４においてショートモード故障が発生していると判断し、そのことを示す異常信号をデータＩ／Ｆ６９に出力する。

　異常検知部６６は、コアレス磁気センサ５０を用いた第二の電流測定回路２０の測定値に対して補正部６１で補正された後の第二測定値が、予め定められた正常な動作電流範囲（つまり、測定対象装置３が正常に動作している場合に流れ得る電流の範囲）を超えているか否かを判断し、超えている場合に、測定対象装置３においてシャント抵抗４を流れる電流値が異常に大きいことを示す異常信号をデータＩ／Ｆ６９に出力する。

　異常検知部６８は、同様に、シャント抵抗４を用いた第一の電流測定回路１０の測定値に対して補正部６２で補正された後の第一測定値が、予め定められた正常な動作電流範囲を超えているか否かを判断し、超えている場合に、測定対象装置３においてシャント抵抗４を流れる電流値が異常に大きいことを示す異常信号をデータＩ／Ｆ６９に出力する。

　データＩ／Ｆ６９は、第一の電流測定回路１０の測定値に対して補正部６２で補正された後の第一測定値、コアレス磁気センサ５０を用いた第二の電流測定回路２０の測定値に対して補正部６１で補正された後の第二測定値、及び、異常検知部６６～６８から出力される異常信号を、クロック分配回路８１からの基準クロックＣＫ４に同期して、上位システム９０に送信する。なお、データＩ／Ｆ６９は、第一測定値及び第二測定値の少なくとも一方を用いることで、シャント抵抗４を流れる電流が、第二の電流測定回路２０が測定不能となる予め定められた微小電流領域である判断した場合には、第二の電流測定回路２０の測定値を破棄し（つまり、上位システム９０に通知せず）、第一の電流測定回路１０の測定値だけを出力（つまり、上位システム９０に通知）する。

　図２Ａは、実施の形態に係る電流測定用半導体装置３０の実装例を示す外観図である。ここでは、プリント基板３１に、１チップの半導体又は一つの半導体パッケージとして実現された電流測定用半導体装置３０の実装例が示されている。

　本図に示されるように、プリント基板３１の上面には、両端がバスバー８ａ及び８ｂに接続されたシャント抵抗４が配置され、シャント抵抗４と配線パターンで接続されたフィルタ回路５（チップ抵抗５ａ及び５ｂ、チップコンデンサ６）が設けられ、さらに、フィルタ回路５と配線パターンで接続された電流測定用半導体装置３０が実装されている。電流測定用半導体装置３０は、コアレス磁気センサ５０を内蔵しており、チップ部品で構成される小さなフィルタ回路５を挟んで、シャント抵抗４に近接して配置されている。これにより、シャント抵抗４を流れる電流によって生じる磁束が高感度で電流測定用半導体装置３０に内蔵されたコアレス磁気センサ５０によって検知され得る。なお、本図では、シャント抵抗４の温度を検知する温度センサ７５の図示が省略されている。

　図２Ｂは、実施の形態に係る電流測定用半導体装置３０における主要な回路要素のレイアウト例を示す図である。このレイアウト例では、温度センサ７４の一例であるダイオードがホール素子５１に接触又近接して配置されている。Ｓｉダイオード等のダイオードの順方向電圧は、一定の負の温度係数を有するので、ダイオードの両端電圧を測定することで温度を測定できる。

　図３は、測定対象装置３が備えるシャント抵抗４及び電流測定用半導体装置３０が備えるコアレス磁気センサ５０の電流電圧特性及び電流測定用半導体装置３０における補正を説明する図である。横軸は、検知対象となるシャント抵抗４を流れる電流を示し、縦軸は、シャント抵抗４及びコアレス磁気センサ５０からの出力電圧を示す。

　横軸において、「微小電流範囲」は、コアレス磁気センサ５０が正確に検知できない電流範囲（「コアレス磁気センサ不感帯」）を示し、「コアレス磁気センサ有効領域」は、コアレス磁気センサ５０が有効に検知できる電流範囲を示す。「正常動作領域」は、測定対象装置３が正常に動作している場合に流れ得る電流の範囲（「正常な動作電流範囲」ともいう）を示し、測定対象装置３における異常の発生の有無の判断に用いられる。

　本図において、太い実線は、シャント抵抗４の電流電圧特性を示す。「正常動作領域」を含む広い電流範囲に渡って線形性を示すが、極めて大きな電流範囲では、測定回路におけるダイナミックレンジの限界により、飽和特性を示す。

　本図において、一点鎖線及びそれに続く細い実線は、コアレス磁気センサ５０の電流電圧特性を示す。一点鎖線は、コアレス磁気センサ５０が正確に検知できない「微小電流領域」におけるコアレス磁気センサ５０の電流電圧特性である。

　本図において、一部領域が太い実線に重なる破線は、シャント抵抗４を用いた補正後のコアレス磁気センサ５０の電流電圧特性を示す。元来、コアレス磁気センサ５０の電流電圧特性は、本図の一点鎖線及びそれに続く細い実線で示されるように、シャント抵抗４よりも小さな傾きを有し、かつ、電流値がゼロの場合における出力電圧のオフセットをもつ。そこで、本実施の形態に係る電流測定用半導体装置３０が備える信号処理回路６０の計算部６３は、シャント抵抗４を流れる電流が「正常動作領域」で、かつ、「コアレス磁気センサ有効領域」にある場合に（異なる２箇所以上の電流値において）、シャント抵抗４を用いた第一の電流測定回路１０の測定値とコアレス磁気センサ５０を用いた第二の電流測定回路２０の測定値とを記録し、それらの関係を一次近似式等で算出することで、コアレス磁気センサ５０を用いた第二の電流測定回路２０の測定値に対する「ゲイン補正」及び「オフセット補正」（つまり、一部領域が太い実線に重なる破線が示す補正後のコアレス磁気センサ５０の電流電圧特性の利用）を可能にしている。つまり、信号処理回路６０の補正部６１は、補正後のコアレス磁気センサ５０の電流電圧特性を用いることで、コアレス磁気センサ５０を用いた補正後の第二の電流測定回路２０の測定値を出力することができる。

　図４は、実施の形態に係る電流測定用半導体装置３０の動作を示すフローチャートである。ここでは、主に、電流測定用半導体装置３０が備える信号処理回路６０の計算部６３による補正処理（つまり、第一の電流測定回路１０の測定値を用いた第二の電流測定回路２０の測定値に対する補正、並びに、コアレス磁気センサ５０及びシャント抵抗４の温度依存性の補正）についての動作が示されている。

　電流測定用半導体装置３０の動作は、キャリブレーションモード（Ｓ１０～Ｓ１７）と、それに続く通常測定モード（Ｓ１８～Ｓ２１）とで構成される。なお、キャリブレーションモードは、電流測定用半導体装置３０が製造されて製造会社から出荷される前の段階で行われてもよいし、出荷された後の運用時に行われてもよい。

　キャリブレーションモードでは（Ｓ１０～Ｓ１７）において、まず、信号処理回路６０の計算部６３は、シャント抵抗４を用いた第一の電流測定回路１０による測定値を取得する（Ｓ１１）。

　次に、計算部６３は、取得した測定値が図３に示される「正常動作領域」で、かつ、「コアレス磁気センサ有効領域」にあるか否かを判断し（Ｓ１２）、否定的に判断した場合には（Ｓ１２でＮｏ）、ステップＳ１１に戻って処理を繰り返し、肯定的に判断した場合には（Ｓ１２でＹｅｓ）、さらに、コアレス磁気センサ５０を用いた第二の電流測定回路２０の測定値を取得し（Ｓ１３）、それらの測定値を、補正前測定データとして、記憶部６４に蓄積する（Ｓ１４）。

　続いて、計算部６３は、補正に必要なデータポイント数を取得したか否かを判断し（Ｓ１５）、否定的に判断した場合には（Ｓ１５でＮｏ）、ステップＳ１１に戻って処理を繰り返し、肯定的に判断した場合には（Ｓ１５でＹｅｓ）、それまで記憶部６４に蓄積した補正前測定データを用いて、それらの関係を一次近似式等で算出することで、コアレス磁気センサ５０を用いた第二の電流測定回路２０の測定値に対する「ゲイン補正」及び「オフセット補正」を可能する補正パラメータ（傾き、オフセット）を算出し、記憶部６４に格納する（Ｓ１６）。

　なお、記憶部６４には、コアレス磁気センサ５０及びシャント抵抗４の温度依存性を補正するための温度係数が予め保持されている。よって、上記ステップＳ１０～Ｓ１７でのキャリブレーションモードでは、第一の電流測定回路１０の測定値及び第二の電流測定回路２０の測定値として、温度補正後の測定値が用いられてもよい。

　次に、通常測定モード（Ｓ１８～Ｓ２１）では、まず、信号処理回路６０の計算部６３は、シャント抵抗４を用いた第一の電流測定回路１０及びコアレス磁気センサ５０を用いた第二の電流測定回路２０のそれぞれから測定値を取得し、温度測定回路７０からコアレス磁気センサ５０及びシャント抵抗４の温度を取得する（Ｓ１９）。

　そして、計算部６３は、取得したコアレス磁気センサ５０及びシャント抵抗４の温度に対応する温度係数を記憶部６４から読み出し、それぞれ、補正部６１及び６２に通知することで、補正部６１による第二の電流測定回路２０の測定値に対する温度依存性の補正、及び、補正部６２による第一の電流測定回路１０の測定値に対する温度依存性の補正を可能にし、さらに、補正情報（傾き及びオフセットを示す補正パラメータ）を記憶部６４から読み出して補正部６１に通知することで、補正部６１によるコアレス磁気センサ５０を用いた第二の電流測定回路２０の測定値に対する「ゲイン補正」及び「オフセット補正」を可能にする（Ｓ２０）。

　続いて、計算部６３は、最後のキャリブレーションモードの実行から所定期間が経過したか否か等を判断することによって、再補正が必要か否かを判断し（Ｓ２１）、肯定的に判断した場合には（Ｓ２１でＹｅｓ）、キャリブレーションモード（Ｓ１０～Ｓ１７）に戻って処理を繰り返し、否定的に判断した場合には（Ｓ２１でＮｏ）、通常測定モード（Ｓ１８～Ｓ２１）に戻って処理を繰り返す。

　このようにして、実施の形態に係る電流測定用半導体装置３０により、第一の電流測定回路１０の測定値を用いて第二の電流測定回路２０の測定値の補正が行われたり、コアレス磁気センサ５０及びシャント抵抗４の温度依存性の補正が行われたりすることで、共通原因故障が発生しないように冗長化された電流測定用半導体装置３０による高い精度での電流測定が実現される。

　図５は、実施の形態に係る電流測定用半導体装置３０によるシャント抵抗４についての異常検知の動作を示すフローチャートである。ここでは、主に、電流測定用半導体装置３０が備える信号処理回路６０の比較部６５及び異常検知部６７によってシャント抵抗４の異常が検知される処理が示されている。

　比較部６５は、通常測定モードにおいて、シャント抵抗４を用いた第一の電流測定回路１０の測定値に対して補正部６２で補正された後の第一測定値と、コアレス磁気センサ５０を用いた第二の電流測定回路２０の測定値に対して補正部６１で補正された後の第二測定値とを取得する（Ｓ３０）。

　そして、比較部６５は、取得した第二測定値が、コアレス磁気センサ５０及びシャント抵抗４の両方が有効な測定電流を示す範囲であるか否かを判断し（Ｓ３１）、否定的に判断した場合には（Ｓ３１でＮｏ）、ステップＳ３０に戻って処理を繰り返し、肯定的に判断した場合には（Ｓ３１でＹｅｓ）、取得した第一測定値と第二測定値とを比較し、その比較結果を異常検知部６７に通知する（Ｓ３２）。

　異常検知部６７は、比較部６５から通知された比較結果に基づいて、第一測定値と第二測定値とが一定範囲内で一致するか否かを判断し（Ｓ３３）、肯定的に判断した場合には（Ｓ３３でＹｅｓ）、異常がないと判断し、ステップＳ３０に戻って処理を繰り返し、否定的に判断した場合には（Ｓ３３でＮｏ）、そのことを示す異常信号を生成し（Ｓ３４）、データＩ／Ｆ６９を介して、上位システム９０に通知する。例えば、異常検知部６７は、通知を受けた比較結果に基づいて、第一測定値が第二測定値よりも所定範囲を超えて低いことを示す場合には、シャント抵抗４においてショートモード故障が発生していると判断し、そのことを示す異常信号を生成する。

　このようにして、実施の形態に係る電流測定用半導体装置３０によって、第一の電流測定回路１０の測定値と第二の電流測定回路２０の補正された測定値とが比較されることで、シャント抵抗４のショートモード故障が検知され、安全な運用が確保される。

　図６は、実施の形態に係る電流測定用半導体装置３０による測定対象装置３についての異常検知の動作を示すフローチャートである。ここでは、主に、電流測定用半導体装置３０が備える信号処理回路６０の異常検知部６８及び６６によって測定対象装置３における電流値の異常が検知される処理が示されている。

　まず、異常検知部６８及び６６は、それぞれ、シャント抵抗４を用いた第一の電流測定回路１０の測定値に対して補正部６２で補正された後の第一測定値、及び、コアレス磁気センサ５０を用いた第二の電流測定回路２０の測定値に対して補正部６１で補正された後の第二測定値を取得する（Ｓ４０）。

　そして、異常検知部６８及び６６は、それぞれ、取得した第一測定値及び第二測定値が予め定められた正常な動作電流範囲（つまり、測定対象装置３が正常に動作している場合に流れ得る電流の範囲）であるか否かを判断する（Ｓ４１）。

　その結果、異常検知部６６及び６８は、それぞれ、肯定的に（つまり、第一測定値及び第二測定値のいずれもが予め定められた正常な動作電流範囲にあると）判断した場合には（Ｓ４１でＹｅｓ）、異常がないと判断し、ステップＳ４０に戻って処理を繰り返し、否定的に（つまり、第一測定値及び第二測定値の少なくとも一つが予め定められた正常な動作電流範囲にないと）判断した場合には（Ｓ４１でＮｏ）、測定対象装置３においてシャント抵抗４を流れる電流値が異常に大きいことを示す異常信号を生成し（Ｓ４２）、データＩ／Ｆ６９を介して、上位システム９０に通知することで、組電池３ａと直列に接続された遮断器（図示せず）を動作させ、シャント抵抗４を流れる電流を遮断したりする。

　このようにして、実施の形態に係る電流測定用半導体装置３０によって、第一測定値及び第二測定値と正常な動作電流範囲とが比較されることで、測定対象装置３において異常に大きな電流が流れていることが検知され、測定対象装置３の安全な運用が確保され得る。

　以上のように、本実施の形態に係る技術１に係る電流測定用半導体装置３０は、測定対象装置３が備えるシャント抵抗４を流れる電流を測定する装置であって、シャント抵抗４の両端の電圧を検知することによりシャント抵抗４を流れる電流を測定する第一の電流測定回路１０と、コアレス磁気センサ５０を有し、コアレス磁気センサ５０によりシャント抵抗４を流れる電流を測定する第二の電流測定回路２０とを備える。

　これにより、実施の形態に係る電流測定用半導体装置３０は、シャント抵抗４を流れる電流を測定する一つの半導体装置であって、磁気コアによる磁気飽和が無くより大電流領域での測定が可能なコアレス磁気センサ５０が備えられ、シャント抵抗４に近接して配置可能な一つの半導体として構成されるので、共通原因故障が抑制された電流測定用半導体装置が実現される。

　また、技術２に係る電流測定用半導体装置３０は、技術１に係る電流測定用半導体装置３０に、さらに、基準クロック生成回路８０を備え、第一の電流測定回路１０及び第二の電流測定回路２０のそれぞれは、基準クロック生成回路８０で生成される基準クロックに同期して動作するチョッピング回路１８ａ～１８ｆ及び２８ａ～２８ｅを有する。これにより、第一の電流測定回路１０及び第二の電流測定回路２０において生じ得るオフセット及び１／ｆノイズ等の誤差要因が抑制され、高い精度の電流測定が実現される。

　また、技術３に係る電流測定用半導体装置３０は、技術１又は２に係る電流測定用半導体装置３０に、さらに、コアレス磁気センサ５０及びシャント抵抗４の温度を検知する温度センサ７４及び７５と、温度センサ７４及び７５が検知した温度に基づいて、第一の電流測定回路１０及び第二の電流測定回路２０の温度依存性を補正する信号処理回路６０とを備える。これにより、コアレス磁気センサ５０及びシャント抵抗４の温度依存性が補正され、高い精度の電流測定が実現される。

　また、技術４に係る電流測定用半導体装置３０は、技術１～３のいずれかに係る電流測定用半導体装置３０に、さらに、第一の電流測定回路１０の測定値により、第二の電流測定回路２０の測定値を補正する信号処理回路６０を備える。

　また、技術５に係る電流測定用半導体装置３０は、技術１～４のいずれかに係る電流測定用半導体装置３０において、信号処理回路６０は、第一の電流測定回路１０の測定値により、第二の電流測定回路２０の測定値を補正し、得られた補正情報を記憶するキャリブレーションモードと、記憶した補正情報をもとに補正された第二の電流測定回路２０の測定値で電流測定を行う通常測定モードとを有し、通常測定モードでは、第一の電流測定回路１０の測定値と、第二の電流測定回路２０の補正された測定値とを比較して、シャント抵抗４の異常を検知する。これにより、第一の電流測定回路１０の測定値を用いて第二の電流測定回路２０の測定値が補正され、さらに、２つの測定値の一致性が確認され、シャント抵抗４のショートモード故障が検知され得る。

　また、技術６に係る電流測定用半導体装置３０は、技術１～５のいずれかに係る電流測定用半導体装置３０において、信号処理回路６０は、第一の電流測定回路１０の測定値、又は、第二の電流測定回路２０の補正された測定値のいずれか一方が、予め定められた正常な動作電流範囲を超えた場合に、測定対象装置３が異常であると検知する。これにより、測定対象装置３において異常に大きな電流が流れていることが検知され、測定対象装置３の安全な運用が確保され得る。

　また、技術７に係る電流測定用半導体装置３０は、技術１～６のいずれかに係る電流測定用半導体装置３０において、信号処理回路６０は、第二の電流測定回路２０が測定不能となる予め定められた微小電流領域において、第二の電流測定回路２０の測定値を破棄し、第一の電流測定回路１０の測定値を出力する。これにより、微小電流領域において、精度の低い第二の電流測定回路２０の測定値が破棄されるので、全電流領域において、有効な測定値だけが出力される。

　なお、技術１～７のいずれかに係る電流測定用半導体装置３０において、コアレス磁気センサ５０は、ホール素子であってもよいし、磁気抵抗素子であってもよい。

　以上、本発明に係る電流測定用半導体装置３０について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本開示の範囲内に含まれる。

　例えば、上記実施の形態では、コアレス磁気センサ５０として、ホール素子５１が用いられたが、これに限られず、高感度なＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ；磁気抵抗）素子やＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ；巨大磁気抵抗）素子を、薄膜形成技術を用いて電流測定用半導体装置３０の基板表面に形成してもよい。

　また、上記実施の形態では、シャント抵抗４の温度を検知する温度センサ７５は、電流測定用半導体装置３０を構成する１チップの半導体又は半導体パッケージの外部に設けられたが、このような形態に限られず、電流測定用半導体装置３０を構成する１チップの半導体又は半導体パッケージの内部に設けられてもよい。

　また、上記実施の形態では、フィルタ回路５は、電流測定用半導体装置３０とは異なる回路としてプリント基板３１に実装されたが、このような形態に限られず、電流測定用半導体装置３０が備える回路として電流測定用半導体装置３０に組み込まれてもよい。

　また、上記実施の形態では、シャント抵抗４は、測定対象装置３に備えられたが、このような形態に限られず、電流測定用半導体装置３０が備える回路要素であってもよい。

　また、本発明は、電流測定用半導体装置として実現できるだけでなく、電流測定用半導体装置が備える信号処理回路による処理（図４～図６のフローチャートで示される処理）に係る方法（例えば、第一の電流測定回路及び第二の電流測定回路の温度依存性を補正する方法、シャント抵抗の異常を検知する方法）として実現したり、その方法をプロセッサに実行させるプログラムとして実現したり、そのプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体として実現したり、そのプログラムを含むプログラム製品として実現したりしてもよい。

　本発明は、測定対象装置が備えるシャント抵抗を流れる電流を測定する電流測定用半導体装置として、主に電気自動車用のリチウムイオンバッテリー電流計測において、高精度かつ高ダイナミックレンジに測定可能な、シャント抵抗により電流を測定する電流測定回路を使用し、かつ機能安全面での共通原因故障が抑制された、コアレス磁気センサによる冗長化を容易に実現することを可能にする。シャント抵抗による高精度な電流測定は、電気自動車用のリチウムイオンバッテリーのＳＯＣやＳＯＨ（Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　Ｈｅａｌｔｈ）の算出精度を高精度に行うことを可能にし、電気自動車用の航続距離を延ばすことを実現することができる。

　３　測定対象装置
　３ａ　組電池
　４　シャント抵抗
　５　フィルタ回路
　５ａ、５ｂ　チップ抵抗
　６　チップコンデンサ
　８ａ、８ｂ　バスバー
　１０　第一の電流測定回路
　１０ａ、１０ｂ　入力端子
　１１、２１　可変利得増幅器（ＶＧＡ）
　１２、２２、７２　アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）
　１３、２３、７３　フィルタ（Ｆｉｌｔｅｒ）
　１８ａ～１８ｆ、２８ａ～２８ｅ、７８ａ～７８ｇ　チョッピング回路
　２０　第二の電流測定回路
　３０　電流測定用半導体装置
　３１　プリント基板
　５０　コアレス磁気センサ
　５１　ホール素子
　５２　電流源
　５３　スイッチ回路
　６０　信号処理回路
　６１、６２　補正部
　６３　計算部
　６４　記憶部
　６５　比較部
　６６～６８　異常検知部
　６９　データＩ／Ｆ（インタフェース）
　７０　温度測定回路
　７１　増幅器（Ａｍｐ）
　７４、７５　温度センサ
　７６　マルチプレクサ（ＭＵＸ）
　８０　基準クロック生成回路
　８１　クロック分配回路
　９０　上位システム

Claims

　測定対象装置が備えるシャント抵抗を流れる電流を測定する電流測定用半導体装置であって、
　前記シャント抵抗の両端の電圧を検知することにより前記シャント抵抗を流れる電流を測定する第一の電流測定回路と、
　コアレス磁気センサを有し、前記コアレス磁気センサにより前記シャント抵抗を流れる電流を測定する第二の電流測定回路とを備える、
　電流測定用半導体装置。
　さらに、基準クロック生成回路を備え、
　前記第一の電流測定回路及び第二の電流測定回路のそれぞれは、前記基準クロック生成回路で生成される基準クロックに同期して動作するチョッピング回路を有する、
　請求項１記載の電流測定用半導体装置。
　さらに、
　前記コアレス磁気センサ及び前記シャント抵抗の温度を検知する温度センサと、
　前記温度センサが検知した温度に基づいて、前記第一の電流測定回路及び前記第二の電流測定回路の温度依存性を補正する信号処理回路とを備える、
　請求項１又は２記載の電流測定用半導体装置。
　さらに、前記第一の電流測定回路の測定値により、前記第二の電流測定回路の測定値を補正する信号処理回路を備える、
　請求項１又は２記載の電流測定用半導体装置。
　前記信号処理回路は、前記第一の電流測定回路の測定値により、前記第二の電流測定回路の測定値を補正し、得られた補正情報を記憶するキャリブレーションモードと、記憶した補正情報をもとに補正された前記第二の電流測定回路の測定値で電流測定を行う通常測定モードとを有し、前記通常測定モードでは、前記第一の電流測定回路の測定値と、前記第二の電流測定回路の補正された測定値とを比較して、前記シャント抵抗の異常を検知する、
　請求項４記載の電流測定用半導体装置。
　前記信号処理回路は、前記第一の電流測定回路の測定値、又は、前記第二の電流測定回路の補正された測定値のいずれか一方が、予め定められた正常な動作電流範囲を超えた場合に、前記測定対象装置が異常であると検知する、
　請求項５記載の電流測定用半導体装置。
　前記信号処理回路は、前記第二の電流測定回路が測定不能となる予め定められた微小電流領域において、前記第二の電流測定回路の測定値を破棄し、前記第一の電流測定回路の測定値を出力する、
　請求項４記載の電流測定用半導体装置。
　前記コアレス磁気センサは、ホール素子である、
　請求項１又は２記載の電流測定用半導体装置。
　前記コアレス磁気センサは、磁気抵抗素子である、
　請求項１又は２記載の電流測定用半導体装置。