專利名稱：車用發(fā)電設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包含交流發(fā)電機的車用發(fā)電設備，該發(fā)電機具有由大量晶體管組成的橋式整流電路。
JPB245-16651提出利用恒壓二極管代替普通結型二極管的三相全波整流器。
JPA63-2022255公開了一種橋接電路，該電路由MOS晶體管和與MOS晶體管并聯(lián)的高壓二極管(該二極管的耐壓為電池電壓的1.5至3倍)組成，安置在三相交流發(fā)電機與電池之間以提供直流-交流轉(zhuǎn)換。
恒壓二極管在整流器的電力負載斷開時鉗位或抑制在發(fā)電機各個輸出端產(chǎn)生的過高電壓(在下文稱為巨脈沖電壓)。
JPA4-138030提出由MOS功率晶體管組成的三相全波整流器。
由受讓人提交的JPA8-116699提出一種控制超前功率因數(shù)操作的變換器電路。
另一方面，眾所周知，由雙極晶體管或IGBT組成的變換器把電池的直流電力變換為用于三相交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈的三相交流電力。通常，結型二極管沿著整流輸出電壓的方向與雙極晶體管或IGBT(絕緣柵雙極晶體管)并聯(lián)。
然而，為了利用上述的恒壓二極管抑制巨脈沖電壓，需要許多昂貴的具有大載流量的二極管，這導致元件數(shù)目和安裝工序增多、設備體積增大。
本發(fā)明是在上述情況下產(chǎn)生的，其目的是提供一種具有橋路的車用發(fā)電設備，該橋路在不使用大功率恒壓二極管的條件下抑制在發(fā)電機的各個輸出端產(chǎn)生的巨脈沖電壓。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種車用發(fā)電設備，該設備在不使用大功率恒壓二極管的條件下抑制在發(fā)電機的各個輸出端產(chǎn)生的巨脈沖電壓并且向電力負載連續(xù)地供電。
橋路由控制超前功率因數(shù)操作和高速開關操作的MOS晶體管組成，因為在開關操作中，橋路的高速開關操作降低了開關過程中的功率損耗，所以它適用于高速橋路。然而，為了保護MOS晶體管的柵極氧化膜，防止巨脈沖電壓作用于它的源極或漏極是很重要的。
因此，本發(fā)明的第三個目的是提供一種具有MOS型晶體管橋路的車用發(fā)電設備，其中在不增加電路的結構和規(guī)模的條件下，可以保證柵氧化膜不受巨脈沖電壓的損害。
根據(jù)本發(fā)明的主要特點，巨脈沖電壓引起的電流，通過導通橋路的一對高邊(high-side)元件和低邊(low-side)元件，在橋路和轉(zhuǎn)子線圈中環(huán)流、衰減。即，巨脈沖電壓引起的沖擊功率在晶體管、引線和轉(zhuǎn)子線圈的阻尼作用下衰減。
構成橋路一相的變換器電路的一對高邊元件和低邊元件之一可以是結型二極管。
更詳細地說，橋路由數(shù)目與相數(shù)相同的并聯(lián)變換器組成，每一個變換器由高邊整流元件和低邊整流元件的串聯(lián)電路組成。根據(jù)它的電流和相角的大小，輸出電流由兩個變換器的高邊元件或一相變換器的高邊元件提供。
如果在向電池供電時，連接電池的引線斷開，巨脈沖電壓將在一個提供充電電流的轉(zhuǎn)子線圈中產(chǎn)生。然而，充電電流流經(jīng)相應的低邊元件而到達的轉(zhuǎn)子線圈是接地的。如果產(chǎn)生的電壓的相角隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動而變化，巨脈沖電壓將保持在斷路時所產(chǎn)生的電平。斷路時產(chǎn)生負電壓的轉(zhuǎn)子線圈通過低邊元件的二極管被鉗位于地電位以保持電流吸收模式。這樣，盡管巨脈沖電壓產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子線圈的輸出端，但它被限制在一定的電位，該轉(zhuǎn)子線圈與被鉗位于地電位的轉(zhuǎn)子線圈不同相。
巨脈沖電壓與短路裝置的晶體管導通電阻(導通狀態(tài)下晶體管的電阻)有關。如果導通電阻很小，則巨脈沖電壓在短時間內(nèi)衰減，過壓檢測裝置關閉晶體管，從而又產(chǎn)生巨脈沖電壓。這種晶體管的間歇工作以高速度重復直到巨脈沖電壓受到抑制。即使巨脈沖電壓沒有因為關斷晶體管而通過高邊元件產(chǎn)生，巨脈沖也可以由其它轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生。該問題可以通過向其它轉(zhuǎn)子線圈提供短路裝置來解決。
帶有寄生二極管的橋路幾乎連續(xù)地向電力負載供電。該運轉(zhuǎn)方式對于應付停電的能力較差的電力負載特別有用，例如ECU。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特點，導通用作低邊元件且與產(chǎn)生最低電壓的轉(zhuǎn)子線圈相連的晶體管。這樣，晶體管鉗位產(chǎn)生巨脈沖電壓的轉(zhuǎn)子線圈的輸出端以抑制巨脈沖電壓。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特點，當與一個作為橋路低邊元件的MOS晶體管相連的轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生巨脈沖電壓時，MOS晶體管導通，由此阻止巨脈沖電壓的產(chǎn)生。
特別是，恒壓降元件連接在MOS晶體管的漏極和柵極之間。如果相應的轉(zhuǎn)子線圈沒有產(chǎn)生巨脈沖電壓(或產(chǎn)生的電壓低于第二電壓電平)，那么恒壓降元件就不導通。當它導通時，與其相連的MOS晶體管導通以將巨脈沖電壓放電到地電位，由此抑制到達電力負載的巨脈沖電壓。因此，只要增加一個簡單電路，并加大MOS晶體管的漏極與柵極之間的耐壓和漏極與源極之間的擊穿電壓，巨脈沖電壓就可以基本上得到抑制。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特點，作為檢測巨脈沖電壓閾值電平的第二電壓電平在電池電壓的2-3倍之間，由此阻止過電壓到達與B端相連的電力負載。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特點，第二電壓電平高于二極管的正向壓降與第一電壓電平之和。因此，工作于正常條件下的轉(zhuǎn)子線圈不會被短路，從而阻止過電壓到達電池和電力負載。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特點，晶體管是導通電阻比Si-MOS晶體管小得多的SiC-MOS晶體管。因此，它可以整流交流電流而損耗很小。SiC-MOS晶體管具有耐高溫特性和高導熱性，因此，晶體管不會在抑制巨脈沖電壓因過熱而造成被擊穿。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特點，高邊元件或低邊元件是由雙極晶體管或IGBT和按整流發(fā)電機輸出電壓的方向連接的結型二極管組成的并聯(lián)電路。在這種情況下，巨脈沖電壓按照上述的相同方式受到抑制，即通過雙極晶體管或IGBT和位于同一邊但與另一轉(zhuǎn)子線圈相連的結型二極管短路轉(zhuǎn)子線圈，由此很容易地抑制巨脈沖電壓。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特點，在巨脈沖電壓產(chǎn)生時，抑制巨脈沖電壓的晶體管不是完全導通而是受脈寬調(diào)制信號控制，以具有一定的平均導通率，由此防止晶體管的過熱和擊穿。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特點，短路裝置在檢測到巨脈沖電壓之后使晶體管在一定的時段內(nèi)導通。因此，短路一直保持到巨脈沖電壓衰減并且轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)的電動勢降低到一定電平，由此阻止巨脈沖電壓。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特點，與產(chǎn)生巨脈沖電壓的轉(zhuǎn)子線圈相連的MOS晶體管在巨脈沖電壓產(chǎn)生時受控制以抑制巨脈沖電壓，直到相應的轉(zhuǎn)子線圈向電力負載供電。
這樣，當電源斷開時，在連續(xù)向電力負載供電時，巨脈沖電壓不會作用于電力負載。
根據(jù)本發(fā)明的另一個特點，MOS晶體管可以用于高邊元件和低邊元件。因此，在巨脈沖電壓產(chǎn)生時，MOS晶體管導通以衰減巨脈沖電壓，這樣MOS晶體管的源極或漏極和柵極之間的電壓不會高到擊穿柵極絕緣膜的程度。結果，MOS晶體管型橋路可以實現(xiàn)超前相位控制或高速開關控制，由此在不使用大載流量元件的條件下提高了它的可靠性。
通過研究下文的詳細描述、所附權利要求和附圖，將會明白本發(fā)明的其它目的、特點和性質(zhì)，以及本發(fā)明相關部分的功能。附圖中

圖1是本發(fā)明的第一實施方案發(fā)電設備的電路圖；圖2是巨脈沖的圖形；圖3是本發(fā)明的第二實施方案發(fā)電設備的電路圖；圖4是本發(fā)明的第三實施方案發(fā)電設備的電路圖；圖5是本發(fā)明的第四實施方案發(fā)電設備主要部分的電路圖；圖6是相應于第二實施方案發(fā)電設備修改第四實施方案的電路而得到的電路圖；圖7A、7B、7C、7D、7E是由構成第一實施方案發(fā)電設備的高邊元件和低邊元件組成的電路圖，其中7A表示Si-MOS晶體管，7B表示結型二極管，7C表示IGBT，7D表示BFT，7E表示SiC-MOS晶體管；圖8是本發(fā)明的第五實施方案發(fā)電設備的電路圖；圖9A和9B是修改第五實施方案電路的相應部分而得到的部分電路圖；圖10是本發(fā)明的第六實施方案發(fā)電設備的電路圖；圖11是示于圖10的控制器主要部分的電路圖；圖12是本發(fā)明的第七實施方案發(fā)電設備的電路圖；圖13是示于圖11的控制器主要部分的電路圖；圖14是示于圖12的電路主要部分的電壓變化時序圖。
參照圖1，下文描述了一種車用發(fā)電設備，其中車用交流發(fā)電機(交流發(fā)電機)的輸出電壓經(jīng)整流向電池充電。
標號1是車用三相交流發(fā)電機，轉(zhuǎn)子線圈11-13的輸出端分別與三相全波整流器3的交流接線端41-43相連，該整流器的直流輸出端與電池7的兩極相連，電力負載9通過開關10與電池兩極相連。
標號2是一個勵磁線圈，它的一端與電池7的正極相連，另一端與產(chǎn)生控制電路5中發(fā)射極接地的晶體管51的集電極相連。標號52表示續(xù)流二極管。發(fā)電控制電路5的結構與傳統(tǒng)的電壓控制器相同，它控制晶體管51的開關，由此控制勵磁電流，這樣轉(zhuǎn)子線圈11-13的輸出電壓穩(wěn)定在預定電平B伏特(第一電壓電平)。上述運轉(zhuǎn)是普通的，因此將不再進一步描述。
三相全波整流器3由作為高邊元件31-33的結型二極管和作為低邊元件34-36的N溝道MOS晶體管組成。每一個高邊元件31-33與相應的一個低邊元件34-36串聯(lián)以構成三條相互并聯(lián)的相電路37-39，這樣它的一端與電池7的正極相連而另一端與電池7的負極相連。相電路37-39的元件31-36的每一個接點或交流端41-43與轉(zhuǎn)子線圈11-13的相應端相連。
每一個由N溝道MOS晶體管組成的低邊元件34-36的電池負極側(cè)主電極與位于柵極正下面的P型板極區(qū)(P型板極或P型阱區(qū))相連，以向該區(qū)域提供一個電位。因此，該實施方案中，在每一個低邊元件34-36的轉(zhuǎn)子線圈側(cè)主電極和P型板極區(qū)之間的結上形成一個寄生二極管D。寄生二極管D是三相全波整流器的低邊元件。于是，有可能把結型整流二極管與低邊元件34-36并聯(lián)。
晶體管34-36是D-MOS型晶體管或垂直型MOS功率晶體管。
這樣，含有作為高邊元件31-33的結型二極管和寄生二極管D的三相全波整流器對三相交流發(fā)電機1的輸出電壓進行整流并向電池7充電。
下文將描述過壓控制電路6(該電路由過壓檢測裝置和短路裝置或控制裝置組成)。
過壓控制電路6由三個分壓電路6a和三個比較器61-63組成，分壓電路是三個分別由電阻R1和R2、R3和R4、R5和R6組成的串聯(lián)電路，比較器檢測任一轉(zhuǎn)子線圈11-13的輸出電壓是否超過預定電壓電平(第二電壓電平)，如果檢測到某一相的輸出電壓高于預定電壓電平，那么就導通該相的晶體管34-36。
分壓電路6a分壓轉(zhuǎn)子線圈11的相電壓V1，分壓電路6a分壓轉(zhuǎn)子線圈12的相電壓V2，分壓電路6a分壓轉(zhuǎn)子線圈的相電壓V3。標號60是恒壓電路，它利用電池7通過與觸發(fā)開關IGSW相連的電阻r5所提供的電壓來產(chǎn)生相應于第二電壓電平的參考電壓Vref。
比較器61-63分別將相電壓V1-V3的分壓與參考電壓進行比較，并通過隔斷高頻波的柵電阻rg在MOS晶體管34-36的柵極上提供一個高電平信號，該晶體管是三相全波整流器3的低邊元件，由此導通晶體管。
下面將描述過壓控制電路6的運轉(zhuǎn)。
在沒有巨脈沖電壓產(chǎn)生時，分壓電路6a的輸出電壓低于參考電壓Vref，這樣比較器61-63的輸出電壓為低，由此關閉晶體管34-36。
如果在充電過程中電池7的一個接線端斷開或者如果三相全波整流器3的輸出電流突然下降，那么在某一個轉(zhuǎn)子線圈中將產(chǎn)生的巨脈沖電壓，該電壓經(jīng)整流器3輸送到接線端B。
如果巨脈沖電壓足夠高，使得與產(chǎn)生巨脈沖電壓的某一線圈相應的比較器61-63之一產(chǎn)生高電平信號，那么MOS晶體管34-36中的相應一個將導通。結果，電流從產(chǎn)生巨脈沖電壓的線圈流入地線，這樣相應的MOS晶體管便鉗位產(chǎn)生巨脈沖電壓的線圈。結果，從產(chǎn)生巨脈沖的相線圈的高邊元件到電力負載9的過高巨脈沖受到抑制，這樣可以抑制對電力負載9和電池7的不利影響。因為產(chǎn)生巨脈沖電壓的轉(zhuǎn)子線圈的電壓受到抑制，所以可以降低MOS晶體管的耐壓，該晶體管是與產(chǎn)生巨脈沖電壓的轉(zhuǎn)子線圈相連的某一個低邊元件。
當巨脈沖電壓的分壓低于參考電壓Vref時，與產(chǎn)生巨脈沖電壓的轉(zhuǎn)子線圈相應的比較器產(chǎn)生低電平信號，這樣與產(chǎn)生巨脈沖電壓的轉(zhuǎn)子線圈相應的MOS晶體管關斷。結果全波整流器3返回到正常整流操作狀態(tài)。
如果比較器61檢測到巨脈沖并產(chǎn)生高電平信號以便導通MOS晶體管34，那么產(chǎn)生巨脈沖電壓的轉(zhuǎn)子線圈11的輸出電壓會突然降低，接著，比較器61產(chǎn)生低電平信號以關斷晶體管34。然后，轉(zhuǎn)子線圈11的輸出電壓又升高，由此使比較器61又產(chǎn)生高電平信號，該信號導通晶體管34。這樣，比較器61的開關、MOS晶體管34的開關和高邊元件二極管31的最終間歇電流的開關將順序地進行。MOS晶體管34的開關頻率很高，巨脈沖電壓受到控制，這樣輸出電壓VB就是第二電壓(是電池電壓的二至三倍)。結果，可以防止所有的半導體元件被擊穿，并且防止過壓作用于電力負載。
當一個產(chǎn)生巨脈沖電壓的轉(zhuǎn)子線圈的MOS晶體管(例如MOS晶體管34)導通時，其余的轉(zhuǎn)子線圈12或13至少會產(chǎn)生一個反相電壓V2或V3，這樣在與其余的轉(zhuǎn)子線圈12和13相連的MOS晶體管35和36中，至少有一個晶體管的寄生二極管D導通以便形成環(huán)路，由此消耗掉包含發(fā)電機1的轉(zhuǎn)子線圈11-13的磁路所積累的磁場能量，并減小巨脈沖電壓。
圖2表示整流器3的輸出電壓中的巨脈沖。在圖2中，點劃線表示無控制時的巨脈沖電壓；實線表示在巨脈沖電壓被抑制到電池電壓的兩倍時所產(chǎn)生的電壓；虛線表示在巨脈沖電壓被抑制到稍高于(大約14V)高邊元件二極管的正向壓降(大約0.7V)與電池電壓之和時所產(chǎn)生的電壓。
參照圖3描述本發(fā)明的第二實施方案。
該實施方案與第一實施方案基本相同，只是用過壓控制電路600代替了第一實施方案中的過壓控制電路6，電路600具有三條由恒壓二極管311和電阻rg組成的串聯(lián)電路。每一條串聯(lián)電路連接在MOS晶體管34-36(低邊元件)的主電極(或漏極)和柵極之間。
在巨脈沖電壓產(chǎn)生時，產(chǎn)生巨脈沖電壓的轉(zhuǎn)子線圈的恒壓二極管311被擊穿，過了由電阻rg和柵極電容組成的積分電路的時間常數(shù)所決定的一段時間后，產(chǎn)生巨脈沖電壓的MOS晶體管的柵極被充電到比閾值電平還高的電平。結果，MOS晶體管導通，并且以與第一實施方案相同的方式抑制巨脈沖電壓。因為只有少量的電流流過恒壓二極管311，所以電路可以做得很緊湊。在沒有巨脈沖電壓產(chǎn)生時，恒壓二極管311不會被擊穿，這樣，晶體管34-36保持關斷狀態(tài)，寄生二極管D對輸出電壓進行整流。
當產(chǎn)生巨脈沖電壓的轉(zhuǎn)子線圈的輸出電壓比柵極電位至少低一個恒壓二極管的正向壓降時，柵極上的電荷將被釋放掉。當柵極電位低于閾值電平時，MOS晶體管就關斷。
MOS晶體管34-36的運轉(zhuǎn)和對巨脈沖電壓的控制與第一實施方案相同，因此，略去了對它的描述。恒壓二極管311的擊穿電壓可以適當?shù)馗淖?。因此，電路的結構很簡單。
參照圖4描述本發(fā)明的第三實施方案。
該實施方案與第一實施方案的差別是用過壓控制電路601代替了過壓控制電路6，二極管用作低邊元件34-35，N溝道MOS晶體管用作高邊元件31-33。
過壓控制電路601包括把分壓電路6a(與第一實施方案相同)的輸出電壓和地電位進行比較的比較器612-614，具有用來分壓三相全波整流器3的輸出電壓V0的電阻R7和R8的分壓電路，把輸出電壓V0的分壓和參考電壓Vref進行比較的比較器611和與門621-623。與門621-623的輸出電壓通過電阻rg分別作用到高邊元件MOS晶體管的柵極。高邊元件MOS晶體管的寄生二極管D的正極連接到轉(zhuǎn)子線圈11-13一側(cè)。
下面描述上述電路的工作。
比較器611把通過由電阻R7和R8組成的分壓電路分壓輸出電壓V0而得到的分壓和參考電壓進行比較。當輸出電壓V0高于參考電壓時，比較器向與門621-623輸出高電平信號。
比較器612-614判定轉(zhuǎn)子線圈11-13的各個端電壓是否低于地電位，如果端電壓低于地電位，那么它向與門621-623輸出高電平信號。
結果，與門621-623通過電阻rg向高邊元件MOS晶體管的柵極輸出由比較器611的邏輯輸出和每個比較器621-623的邏輯輸出得到的與信號。換句話說，當巨脈沖電壓產(chǎn)生時(當比較器611產(chǎn)生高電平信號時)，與一個(例如11)產(chǎn)生負輸出電壓的轉(zhuǎn)子線圈相連的MOS晶體管(例如31)導通。這樣，電流從包含巨脈沖電壓的整流器3的一個輸出端(例如B)流出，經(jīng)過相應的MOS晶體管(例如11)，到達產(chǎn)生負電壓的轉(zhuǎn)子線圈(例如12)，由此抑制了輸出電壓V0中的巨脈沖電壓。
因此，整流器3和轉(zhuǎn)子線圈11-13以與第一和第二實施方案相同的方式衰減巨脈沖電壓。
高邊元件MOS晶體管的間歇運轉(zhuǎn)和對巨脈沖電壓的抑制與第一和第二實施方案相同，對于巨脈沖電壓，低邊元件34-36和高邊元件MOS晶體管的電壓抑制操作與第一和第二實施方案相同。
參照圖5描述第四實施方案。
該實施方案為第一實施方案中的各個MOS晶體管34-36增加了晶體管控制電路8。
每一個晶體管控制電路8由比較器85、二極管86和87、電阻r8組成，并且與某一個MOS晶體管34-36相連。
示于圖1的比較器61的輸出電壓作用于二極管87。比較器85判定轉(zhuǎn)子線圈11的端電壓是否低于地電平。如果端電壓低于地電平，高電平信號便作用到晶體管34的柵極并使其導通。另一方面，如果端電壓高于地電平，將產(chǎn)生低電平信號，這樣MOS晶體管34按第二實施方案的控制模式運轉(zhuǎn)。
于是，MOS晶體管34對流過溝道和寄生二極管的電流進行整流，這樣可以降低整流的功率損耗。
作用在比較器85上的電壓是轉(zhuǎn)子線圈11所產(chǎn)生的電壓的分壓，而不是所產(chǎn)生的總電壓。
在示于圖3的第二實施方案中，如果示于圖5的電路加在各個MOS晶體管34-36上，那么MOS晶體管34-36就可以用作整流元件。在這種情況下可以略去二極管87。
在示于圖4的第三實施方案中，如果示于圖6且運轉(zhuǎn)方式與圖5中電路相同的電路加在各個轉(zhuǎn)子線圈上，那么高邊元件MOS晶體管也可以用作整流元件。在這種情況下，與電路621-623的輸出電壓分別作用在二極管87上。
在該實施方案中，當產(chǎn)生的電壓Vc高于電池電壓或三相全波整流器3的輸出電壓V0時，比較器85產(chǎn)生高電平信號以導通圖4中的MOS晶體管33。
在第一和第二實施方案中，各個高邊元件31-33由結型二極管組成，各個低邊元件由MOS晶體管和它的寄生二極管組成。然而，下列元件中的任何一個都可以用作高邊元件或低邊元件(a)具有寄生二極管的MOS晶體管，(b)結型二極管，(c)具有并聯(lián)結型二極管的IGBT，(d)具有并聯(lián)結型二極管的雙極型晶體管，和(e)具有寄生二極管的SiC-MOS晶體管。
值得注意的是，高邊元件31-33或者低邊元件必須使用晶體管。比較器85和與門621-623的高電平信號應該調(diào)整得足夠高以便導通高邊元件MOS晶體管。
PWM(脈寬調(diào)制)控制系統(tǒng)可以用來抑制用作高邊元件31-33或低邊元件的晶體管過熱。PWM控制系統(tǒng)可以由產(chǎn)生具有適當占空比的穩(wěn)頻信號電壓的振蕩器，接收穩(wěn)頻信號電壓和示于圖1的晶體管的集電極電壓或使所有晶體管34-36導通的電壓的與電路組成。PWM控制系統(tǒng)加入電路5，并根據(jù)與電路的與信號控制MOS晶體管34-36。該電路結構簡單明了，不再作進一步的描述。
耐熱SiC-MOS晶體管優(yōu)選地用于解決在控制巨脈沖電壓時產(chǎn)生的溫升。
參照圖8描述本發(fā)明的第五實施方案。
該實施方案和第二實施方案(示于圖3)的差別是電阻r21連接在各個MOS晶體管34-36的柵極和地之間。
下面描述該實施方案的特點。
在第二實施方案中，如果相應于產(chǎn)生巨脈沖電壓的轉(zhuǎn)子線圈13的恒壓二極管311被擊穿，那么產(chǎn)生巨脈沖電壓的轉(zhuǎn)子線圈11的MOS晶體管36的柵極被充電，只要巨脈沖電壓不低于比電池電壓還低的閾值電平，MOS晶體管36就不關斷。因此，正常輸出電壓不是立即產(chǎn)生的。在本實施方案中，柵極放電路徑的電阻21解決上述問題。如果產(chǎn)生的電壓是V3，那么作用在MOS晶體管36柵極上的柵極電壓等于(V3-Vz)×r21/(rg+r21)。如果柵極電壓高于閾值電平，MOS晶體管36就導通。Vz是恒壓二極管311的擊穿電壓。
參照圖9A和9B描述第五實施方案的變例。
除了恒壓二極管311以外，圖9A顯示了圖8中的相同部分。在這種情況下，分壓電路由電阻rg和r21組成。當被電阻rg和r21分壓的電壓等于MOS晶體管36的閾值電平時，晶體管36就導通。例如，如果閾值電平為3伏特的MOS晶體管在輸出電壓V3為18伏特時導通，那么電阻rg和r21的分壓比為6∶1。
除了用pnp晶體管400代替恒壓二極管311之外，圖9B顯示了圖8中的相同部分。標號rb表示一個電阻。如果產(chǎn)生了巨脈沖，那么晶體管400就導通以便導通MOS晶體管36。晶體管400的發(fā)射極電壓設定為電池電壓的兩倍。反相放大電路可以用pnp晶體管400代替。
參照圖10描述本發(fā)明的第六實施方案。
該實施方案的電路具有一個由替代第一實施方案(示于圖1)中整流器3的高邊元件31-33的N溝道MOS晶體管和包含在產(chǎn)生控制電路5中用于控制MOS晶體管31-36的控制器53組成的橋路。當IG電壓為高時，控制器53由電壓B供電，并開始運轉(zhuǎn)?？刂破?3控制晶體管51使電壓B成為特定電壓(第一電壓電平)，并根據(jù)比較器61-63的輸出信號控制MOS晶體管31-36以便對產(chǎn)生的相電壓V1、V2和V3進行整流。寄生二極管(未圖示出)連接在各個MOS晶體管31-36的源極和漏極之間，其陰極與漏極相連，其陽極與源極(P型阱)相連。圖11示例MOS晶體管31-36中作為某一相的一對晶體管(例如MOS晶體管31和34)的控制電路。下面將描述產(chǎn)生相電壓V1的電路的運轉(zhuǎn)。
當在正常整流操作中沒有巨脈沖電壓產(chǎn)生時，比較器61輸出低電平信號。因此，高電平信號(過電壓檢測信號)不會作用到異或門500或者或門501上。另一方面，低邊元件控制信號(示于圖5的比較器85產(chǎn)生的高電平信號)通過或門501作用到MOS晶體管34的柵極，由此導通該晶體管。由示于圖6的比較器85給出的處于高電壓電平的高邊元件控制信號經(jīng)反相器502反相后，作用到異或門500上，該異或門向MOS晶體管31(高邊元件)的柵極輸出高電平信號并使它導通。
當轉(zhuǎn)子線圈11產(chǎn)生巨脈沖電壓時，比較器61產(chǎn)生作為過電壓檢測信號的高電平信號。當異或門500和或門501收到高電壓信號時，異或門500產(chǎn)生低電平信號以關斷MOS晶體管31，或門501產(chǎn)生高電平信號以導通MOS晶體管34，由此衰減巨脈沖電壓。
換句話說，當巨脈沖電壓產(chǎn)生時，橋路(全MOS晶體管型橋路)的低邊MOS晶體管導通以便抑制巨脈沖電壓和關斷高邊MOS晶體管31，這樣可以阻止巨脈沖電壓通過MOS晶體管31的溝道到達電池7和負載9。
因為MOS晶體管對32和35、MOS晶體管對33和36的運轉(zhuǎn)方式與MOS晶體管對31和34相同，所以不再描述它們的運轉(zhuǎn)。驅(qū)動高邊元件31-33MOS晶體管的電路，例如示于圖4的與門621-623，示于圖6的比較器85，異或門500或者或門501被調(diào)整得產(chǎn)生高于電池電壓的電壓，以便使高邊元件31-33MOS晶體管處于非飽和狀態(tài)。如果使用PMOS晶體管作為高邊元件31-33，就不再需要上述條件了。在本發(fā)明的全MOS晶體管型橋路構成的三相整流電路中，按照第三實施方案的描述，通過導通高邊元件31-33MOS晶體管可以抑制巨脈沖電壓。在這種情況下，與同相高邊元件相應的低邊元件34-36MOS晶體管關斷，該同相高邊元件是導通的以便吸收巨脈沖電壓。
根據(jù)該實施方案，全MOS晶體管型三相全波整流器3具有抑制產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子線圈11-13的巨脈沖電壓的結構。因此，不再需要專門抑制巨脈沖電壓的電路，這將使電路簡單且緊湊。
參照圖12和13描述本發(fā)明的第七實施方案。
該實施方案的電路與示于圖10的第六實施方案的電路的差別在于增加了比較器64-66，恒壓源60產(chǎn)生的參考電壓Vref’(第三電壓電平的分壓)低于參考電壓Vref(第二電壓電平的分壓)，還增加了或門600、保持電路601和與門602。只有或門600和保持電路601是各相共有的。然而，與門602是為每一相而提供的。
比較器64把轉(zhuǎn)子線圈11產(chǎn)生的電壓(相電壓)V1的分壓和參考電壓Vref’進行比較，比較器65把產(chǎn)生的電壓(相電壓)V2的分壓和參考電壓13進行比較，比較器66把產(chǎn)生的電壓(相電壓)V3的分壓和參考電壓13進行比較?？刂破?3接收各個比較器61-66的輸出電壓?？刂破?3的單相控制部分示于圖13。如上所述，或門600和保持電路601是各相共有的。
根據(jù)本發(fā)明，下面將描述與產(chǎn)生電壓V1相應的單相電路的運轉(zhuǎn)。
當在任一定子線圈11-13上產(chǎn)生巨脈沖電壓時，相應的某一比較器61-63產(chǎn)生作為過壓檢測信號的高電平信號，或門600把高電平信號(指示產(chǎn)生了巨脈沖電壓信號)輸送到保持電路601，該電路將連續(xù)地輸出作為過壓檢測信號的高電平信號，直到控制器53斷電為止。只要IG電壓為高電平，該實施方案中的控制器就由電池電壓VB供電。因此，保持電路601的保持操作將一直持續(xù)到觸發(fā)開關IGSW斷開。
比較器64的輸出電壓作為電壓檢測信號作用到與門602上。當包含在產(chǎn)生電壓V1中的巨脈沖電壓的分壓高于參考電壓Vref’時，比較器64產(chǎn)生高電平信號。參考電壓Vref’高于驅(qū)動電力負載所需的最低電壓的分壓，但低于參考電壓Vref。
因此，如果在檢測到巨脈沖電壓之后，產(chǎn)生電壓V1的分壓高于參考電壓Vref，那么就產(chǎn)生高電平信號，以便使保持電路保持高電平信號。這樣，如果產(chǎn)生電壓V1的分壓不高于參考電壓Vref’，那么就產(chǎn)生低電平信號以導通MOS晶體管31、關斷MOS晶體管34，并且由產(chǎn)生電壓V1向電力負載9供電。當MOS晶體管31導通、MOS晶體管34關斷時，由于巨脈沖功率沒有徹底地耗散掉，會產(chǎn)生巨脈沖電壓。然而，高速開關運轉(zhuǎn)使比較器64產(chǎn)生高電平信號以關斷MOS晶體管31、導通MOS晶體管34，由此降低了巨脈沖電壓并防止它到達電力負載。圖14示例了施加到示于圖12的各部分的電壓波形。
總之，根據(jù)該實施方案，甚至于在巨脈沖電壓產(chǎn)生之后，由參考電壓Vref’控制的電壓仍可向電力負載供電。
該實施方案可以應用于任何電路，而不僅僅是示于圖10的全MOS晶體管型橋路3。該實施方案的保持電路601可以用瞬時保持電路替換，例如單穩(wěn)多諧振蕩器。在這種條件下，高電平信號可以保持足夠長的時間(幾百毫秒)以便衰減巨脈沖電壓。這樣，有可能在保持操作結束后，使電路返回到正?？刂撇僮鳡顟B(tài)。比較器61-63可用A-D轉(zhuǎn)換器替換，并配以用于微計算機的軟件，微計算機產(chǎn)生過壓信號，只要它們的可靠性與比較器61-63一樣足夠高。
在本發(fā)明的上述描述中，參照它的特定實施方案公開了本發(fā)明。然而，很明顯，在不偏離附加權利要求所規(guī)定的本發(fā)明的更全面的宗旨和領域的前提下，對本發(fā)明的特定實施方案可以作各種修改。相應地，在本文件中對本發(fā)明的描述應當認為是說明性的而不是限制性的。
權利要求
1.一種車用發(fā)電設備，包括由發(fā)動機驅(qū)動并具有勵磁線圈(2)和轉(zhuǎn)子線圈(11，12，13)的交流發(fā)電機(1)，具有連接在各轉(zhuǎn)子線圈(11，12，13)輸出端和電池(7)之間的高邊整流元件(31，32，33)與低邊整流元件(34，35，36)的橋式電路(3)，控制部分高邊、低邊元件(31-36)的控制單元(6，600，601)，把橋路(3)輸出電壓調(diào)節(jié)到第一電壓電平的電壓調(diào)節(jié)器(5)，其中所述控制單元(6，600，601)包括過壓檢測裝置(61-66，311)，當轉(zhuǎn)子線圈(11，12，13)產(chǎn)生的巨脈沖電壓超過比第一電壓電平還高的第二電壓電平時，與轉(zhuǎn)子線圈(11，12，13)相連的所述過壓檢測裝置產(chǎn)生過壓信號；短路裝置(53，31-33，34-36)，它與過壓檢測裝置(61-66，311)和轉(zhuǎn)子線圈(11，12，13)相連，并根據(jù)所述過壓信號，通過導通部分整流元件，選擇性地短路部分轉(zhuǎn)子線圈(11，12，13)，由此抑制巨脈沖電壓。
2.根據(jù)權利要求1的發(fā)電設備，其特征在于短路裝置(53，31-33，34-36)導通橋路(3)的一個低邊整流元件(34，35，36)。
3.根據(jù)權利要求1的發(fā)電設備，其特征在于橋路(3)的每一個低邊整流元件(34，35，36)包含MOS晶體管；控制電路(6，600，601)包含連接在與發(fā)電機相連的MOS晶體管的主接線端和它的柵極之間的恒壓降元件(311)；過壓檢測裝置(61-66，311)包含在輸出電壓超過第二電壓電平時用于提供柵極電流的恒壓降元件(311)。
4.根據(jù)權利要求1的發(fā)電設備，其特征在于短路裝置(53，31-33，34-36)根據(jù)過壓檢測裝置(61-66，311)的輸出信號導通與處于負電位的轉(zhuǎn)子線圈(11，12，13)的接線端相連的高邊整流元件(31，32，33)。
5.根據(jù)權利要求1的發(fā)電設備，其特征在于第二電壓電平不低于電池(7)的正常電壓的兩倍，也不高于電池(7)正常電壓的三倍。
6.根據(jù)權利要求1的發(fā)電設備，其特征在于第二電壓電平高于結型二極管(31-33)的正向壓降與第一電壓電平之和。
7.根據(jù)權利要求1的發(fā)電設備，其特征在于高邊整流元件(31，32，33)和低邊整流元件(34，35，36)中至少有一個包含SiC-MOS晶體管。
8.根據(jù)權利要求1的發(fā)電設備，其特征在于一個高邊整流元件(31，32，33)和低邊整流元件(34，35，36)是由雙極晶體管和按照轉(zhuǎn)子線圈(11，12，13)所產(chǎn)生的整流電壓的方向連接的結型二極管組成的并聯(lián)電路。
9.根據(jù)權利要求1的發(fā)電設備，其特征在于至少部分高邊和低邊整流元件(31-36)包含具有寄生二極管(D)的N溝道MOS晶體管，該二極管按照整流轉(zhuǎn)子線圈(11，12，13)所產(chǎn)生的電壓的方向配置在位于柵極正下面的P型板極區(qū)域和N+型區(qū)域之間。
10.根據(jù)權利要求7的發(fā)電設備，其特征在于控制單元(6，600，601)間歇地控制高邊MOS晶體管以執(zhí)行交流-直流轉(zhuǎn)換。
11.根據(jù)權利要求1的發(fā)電設備，其特征在于控制單元(6，600，601)以特定的平均導通率導通部分高邊和低邊整流元件(31-36)。
12.根據(jù)權利要求1的發(fā)電設備，其特征在于短路裝置(53，31-33，34-36)根據(jù)過壓信號控制部分高邊和低邊整流元件(31-36)以便把橋路(3)的輸出電壓抑制到向電力負載(9)供電所需的最低電平。
13.根據(jù)權利要求1的發(fā)電設備，其特征在于高邊整流元件(31，32，33)和低邊整流元件(34，35，36)是MOS晶體管。
全文摘要
一種車用發(fā)電設備，包括交流發(fā)電機(1)、電池(7)和整流橋路(3)。橋路(3)由高邊元件(31，32，33)和低邊元件(34，35，36)組成。與產(chǎn)生巨脈沖電壓的轉(zhuǎn)子線圈相連的一個低邊整流元件(31，32，33)導通以便使巨脈沖電壓在轉(zhuǎn)子線圈(11，12，13)中環(huán)流，由此抑制巨脈沖電壓。
文檔編號H02H7/06GK1156347SQ9612188
公開日1997年8月6日 申請日期1996年12月5日 優(yōu)先權日1995年12月5日
發(fā)明者筒井敏雄, 佐藤博英, 丸山敏典 申請人:株式會社電裝