CN101542902A - 同步整流器电桥的部件、相关同步整流器电桥及其应用 - Google Patents

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Abstract

同步整流器电桥部件(14)典型地包括：至少第一和第二接线端子(B+，P)的；至少第一场效应晶体管(15)，其源极和漏极(16，17)分别连接到所述至少第一和第二接线端子(B+，P)；和至少一个比较器，用于比较具有预定参考电压的至少第一电压源与施加于所述第一和第二接线端子(B，P)的电压之间的至少第一电压差，其第一输出端连接到所述晶体管(15)的栅极(21)。根据本发明，所述部件(11，14)进一步至少一个包括负荷泵(25)，由所述施加的电压产生用于为所述第一放大器供电的至少一个电源电压(VH，VL)。

Description

同步整流器电桥的部件、相关同步整流器电桥及其应用
技术领域
本发明涉及同步整流器电桥部件，特别是电桥臂，以及包括多个这种部件的电压整流器电桥。
本发明还涉及使用这种整流器电桥的旋转电机。
背景技术
如图1所示的二极管整流器电桥在现有技术中是公知的。
用在这类整流器电桥中的二极管，不管是结型、PIN还是肖特基二极管，在低压时在导通方向都具有可观的电压降。
这表示在运行在低压下的机动车装备的领域中存在缺点。例如，结果，使得交流发电机的电输出下降。
为了改善采用二极管电桥的电气设备的总输出，已知使用具有开关(晶体管、晶闸管、三端双向可控硅开关等等)的同步整流器。
文献EP1347564描述了这种类型的三相同步整流器电桥，其示意图在图2中示出。
执行开关操作的N沟道MOSFET(绝缘栅场效应晶体管)或IGBT(绝缘栅双极晶体管)类型的晶体管的栅极根据相间的电压差的绝对值而被控制，以便在该电桥的输出端处产生连续的电压。
从文献WO2004/034439也可以知道，在导通状态下以线性模式来驱动该MOSFET，即通过伺服机制线性地驱动它们的内部电阻器，以便模拟理想二极管的行为。
在文献FR2884079中，VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES公司公开了一种用于控制MOS晶体管的方法，其预期以变换电桥(逆变器或整流器)来实现，以便克服晶体管中的电荷的累积，该累积会引起开关过程中的延迟，产生大的恢复电流。图3给出了相应器件的示意图。
上面回顾的技术发展已经使得优化了同步整流器的输出。
然而，已知同步整流器的晶体管需要附加控制和电源电路，并且不能替换二极管以便将异步整流器电桥转换成同步整流器电桥。
发明内容
因此，本发明的目的在于用功率组件、电源及其控制机构插入到单个盒中，以便使得利用同步整流器电桥部件能够代替一个或多个二极管。
这准确地涉及具有至少第一接线端子和至少第二接线端子的同步整流器电桥部件。
该部件是那些已知类型的，本质上包括：至少第一场效应晶体管，其第一源极和第一漏极分别连接到第一和第二接线端子；和包括第一反馈环路的至少第一运算放大器，其第一输出端连接到该第一晶体管的第一栅极。
该放大器被设置作为比较器，用于具有预定参考电压的至少第一电压源与施加于该第一和第二接线端子的电压之间的至少第一电压差的比较。
根据本发明的同步整流器电桥部件的显著特点在于，它进一步包括负荷泵，由施加于该接线端子的电压产生第一放大器的电源电压中的至少一个。
优选地，该负荷泵由振荡器控制，该振荡器由该负荷泵本身馈电(feed)。
根据本发明的同步整流器电桥部件有利地包括如下电路，当该施加电压中的至少一个的平均幅度或频率小于预定值时，该电路将该负荷泵设置为备用。
根据本发明，将由同步整流器电桥部件获得优势，该同步整流器电桥部件包括：至少第二场效应晶体管，其第二源极和第二漏极分别连接到第二接线端子和第三接线端子；并且进一步包括第二运算放大器，包括第二反馈环路，其中该放大器至少部分被该负荷泵产生的电源电压馈电，并且其第二输出端连接到该第二晶体管的第二栅极。
该第二放大器被设置作为比较器，用于具有相同预定参考电压的第二电压源与所施加的电压中的第二接线端子上呈现的电压和所施加的电压中的第三接线端子上呈现的电压之间的第二电压差的比较。
在本发明的该实施例中，根据所施加的电压中的第二接线端子上呈现的电压的平均值或频率，来在第一和第三接线端子之间优选地选择性地馈电给所述负荷泵。
可替换地或同时地，当所施加的电压中的第二接线端子上呈现的电压的频率为零时，该部件的第二接线端子有利地由旁路电路连接到第三接线端子，该旁路电路包括电阻器。
根据本发明的同步整流器电桥部件优选地包括附加接线端子，具有诊断信号，指示该部件的故障。
根据本发明的目的，该同步整流器电桥部件很有利地被生产为模制(overmoulded)盒的形式，具有连接到第二或第三接线端子的金属底部，和连接到第一接线端子并支持第一晶体管或者连接到第一和第二接线端子并支持第一和第二晶体管的一个或多个绝缘引线框。
优选地，该第一放大器和/或第二放大器、该负荷泵和/或该振荡器、和/或该备用的设置电路、和/或该旁路电路、和/或该诊断电路被生产为一个或多个ASIC(专用集成电路类型)电路，优选地为单个ASIC电路。
本发明还涉及同步整流器电桥，其显著特点在于，它由一个或多个具有上述特征的整流器电桥部件构成，并且涉及合并至少这样的同步整流器电桥的发电机类型的旋转电机。
这些基本的说明将已经使得，与现有技术相比，由该同步整流器电桥部件、相应的整流器电桥及其应用带来的优点对本领域技术人员来说显而易见。
下面参考附图给出本发明的详细描述。应当注意，这些附图除了为了图示该描述的正文之外没有其他的目的，并不表示限制本发明的范围。
附图说明
图1示出了现有技术已知的二极管异步三相整流器电桥的传统示意图。
图2示出了现有技术已知的使用开关晶体管的三相同步整流器电桥的示意图。
图3示出了现有技术已知的用于控制MOS晶体管并且已被实施在变换电桥中的器件的示意图。
图4示出了根据本发明的同步整流器电桥部件的第一优选实施例的总览图。
图5示出了根据本发明的同步整流器电桥部件的第二优选实施例的总览图。
图6示出了根据本发明的同步整流器电桥部件的第二优选实施例的示意图。
图7示意地示出了对应于本发明的第二优选实施例的集成电路的结构。
图8是合并了由根据本发明的第二实施例的三电桥部件构成的整流器电桥的三相旋转电机的示意性视图。
具体实施方式
回顾整流器电桥的现有技术的发展的主要阶段(这些阶段由图1、2和3中所示的器件表示)将使得能够很好地理解图4和5中以概要方式所示的本发明的益处。
图1示出了三相整流器电桥1，该三相整流器电桥1由三相交流发电机的绕组2的端子P1、P2、P3处的交流电压产生相对于地的正的连续电压B+。
在机动车领域，交流发电机工作在低电压情况下，以便在整流之后提供大约14V的连续电压B+馈给电池和车载网络。二极管两端在导电方向上的大约0.7V的电压降在电源电路中产生大约10％的相对较大的电压降。
在图2所示的同步整流器电桥中，上述装配的二极管1被替换为开关工作的N沟道MOSFET晶体管3。MOSFET晶体管3在导通状态下非常小的电阻在相2的绕组电路中仅仅产生大约几十毫伏的附加电压降。
在由图2所示的器件说明的技术发展阶段中，通过由工作在二元方式的控制电路5施加于MOSFET晶体管3的栅极4的开关电压来“导通-截止”控制该MOSFET晶体管3。
下列改善在于，将二元模式的控制电路5替换为用于以线性模式驱动MOSFET晶体管的电路6(例如如图3所示)，以便使得电压Vds在漏极D1和源极S 1之间恒定，或者最小化导通状态期间的电荷的积累。
为了做到这一点，线性模式的驱动电路6包括运算放大器7，被设置作为参考电压源Uref和漏源电压Vds的比较器，其输出端8通过电阻器R”连接到MOSFET 10的栅极9。该运算放大器7包括由RC电路构成的反馈环路。
运算放大器7由连接到其正电源端V+和连接到其负电源端V-的电压源馈电，该电压源相对于漏极D1和源极S1电势具有足够的电平，以使得输出电压有效控制N沟道MOSFET晶体管10的栅极9。
相对于图1的装配，需要为控制电路5或驱动电路6提供适当的电源恰恰是图2和3所示的器件的不足之处：MOSFET晶体管3、10不能简单地替换整流二极管1。
在第一优选实施例中，图4是其总览图，因此本发明在于从N沟道MOSFET晶体管10(或者并联的几个)的端子D1、S1处的电压为用于以线性模式驱动N沟道MOSFET晶体管10(或者并联的几个)的电路6的电源V+、V-供电。
由于该装配具有独立的电源，因此它在第一接线端子D1和第二接线端子S1之间形成同步整流器电桥部件11，其以透明方式替换整流二极管，该整流二极管的阳极将是第一接线端子D1，其阴极为第二接线端子S1。
与接线端子D1、S1并联的负荷泵12产生驱动电路6的运算放大器7所需的高电源电压VH和低电源电压VL。
该负荷泵12由振荡器13控制，该振荡器13本身由所产生的电压VH、VL馈电。
本发明的第二优选实施例是同步整流器电桥部件14，图5给出了其总览图，其以透明方式替换二极管异步整流器电桥臂(如图1所示)。
因此部件14包括三个接线端子：对应于整流器电桥的正极的第一接线端子B+、连接到该交流发电机的多相中的一相的第二接线端子P和通常接地的第三接线端子B。
以类似于用于替换单个二极管的装配的方式，用于替换该二极管电桥臂的装配包括第一N沟道MOSFET晶体管15(或并联的几个)，其漏极16连接到第一接线端子B+，其源极17连接到第二接线端子P。
它进一步包括第二N沟道MOSFET晶体管18(或并联的几个)，其漏极19连接到第二接线端子P，其源极20连接到第三接线端子B-。
第一和第二MOSFET晶体管15、18的栅极21、22的每一个分别由如图3所示的驱动电路23、24驱动。
驱动电路23、24由从第一B+和第三B-端子之间的电压产生高电源电压VH和低电源电压VL的负荷泵25馈电。
高电源电压VH馈入第一驱动电路23的正电源端V+，第一驱动电路23的负电源端V-连接到第二接线端子P。
低电源电压VL馈入第二驱动电路24的正电源端V+，第二驱动电路24的负电源端V-连接到第三接线端子B-。
该负荷泵25由振荡器26控制，该振荡器26本身由所产生的电源电压VH、VL馈电。
用于将负荷泵25设置为备用的电路27根据由第二接线端子P(即该相端子)和第三接线端子B-(即通常为地)之间的电阻电桥28汲取的电压的平均幅度而进入操作。
当该平均幅度小于预定值时，该备用设置电路27将负荷泵25与第一接线端子B+隔离开来。
如果该交流发电机的端子处的电压不够晶体管15、18的正确控制(这可能会使它们损坏)，则该低电压保护使得该同步整流不激活。
当该相电压的频率小于最小频率时，停止负荷泵25也有利地被触发。
在这种情况下，由于MOSFET晶体管15、18的寄生二极管而使得同步整流器电桥部件14充当传统二极管电桥。
优选地，当相电压的频率为零(即，当该交流发电机已经停止)时，用于驱动MOSFET晶体管的电路23、24将第二接线端子P或相端子经由包括电阻器的旁路电路接地。
附加接线端子发送回指示部件14的故障(其可能导致交流发电机过热)的诊断信号。
图6给出了根据本发明的第二优选实施例的同步整流器电桥部件14的示意图。
驱动电路23、24的细节本质上是已知的，不需要详细说明。
产生电源电压VH和VL的负荷泵25包括两个二极管D1、D2和三个电容器C3、C4、C5，其并联充电和串联放电是由两个N沟道MOSFET晶体管M5、M6控制的，N沟道MOSFET晶体管M5、M6的栅极由振荡器26的输出G1、G2驱动。
备用设置电路27包括NPN型晶体管Q2，其用作用于给同步整流器电桥部件14的第一接线端子B+和第三接线端子B-之间的负荷泵25馈电的电路中的开关。
该晶体管Q2的基极由电阻电桥28在相端子P和第三接线端子B-之间汲取的电压来控制，该电压由电容器C6滤波并且由NPN型晶体管Q1以及其后的PNP晶体管Q3级联放大之后被施加到晶体管Q2的基极。
根据本发明的同步整流器电桥部件优选地被生产为IML(绝缘模制引线框)技术模制盒的形式。
图7示意地示出了将根据本发明第二实施例的同步整流器电桥部件14(即整流器电桥臂)集成到IML技术的示例。
模制盒30的金属底部29形成部件14的第三接线端子B-并且耗散热量。
使用热传导但是电绝缘的粘合剂(例如玻璃珠硅树脂)将分别对应于部件14的第一和第二接线端子B+、P的第一和第二引线框31、32粘合在金属底部29上。
具有基本细长矩形形状的第一引线框31支持第一MOSFET晶体管15(或并联的几个)。
基本上为L形且与第一引线框31并置的第二引线框32支持第二MOSFET晶体管18(或并联的几个)以及ASIC(专用集成电路)电路33。
该ASIC电路33包括负荷泵25、振荡器26、备用设置电路27和用于驱动MOSFET 15、18的电路23、24。
它也优选地包括部件14的旁路电路和诊断电路。
该同步整流器电桥部件14到独立模块30的集成使得它能够以与形成传统整流器电桥臂的一对二极管的相同的方式被封装在按钮部件(buttonmember)中。
结果，图8的图是根据本发明的同步整流器电桥部件的应用的例子：用新的MOSFET部件35替换交流发电机34的旧的二极管按钮部件是完全透明的，其中在该图中，本领域技术人员将认为他/她可以容易地识别出三相交流发电机34的外观图，其具有三个按钮部件35，每个通常包含二极管整流器电桥臂。
当然，本发明不局限于如上所述的仅仅优选实施例(其涉及等效于一个或两个整流二极管的电路的集成)。
类似的描述可以应用于等效于多于两个二极管的同步整流器电桥部件。
此外，上述指定的半导体部件的具体类型(即，N沟道MOSFET、PNP或NPN型晶体管)仅仅是以示例的方式给出的。
本发明覆盖采用任何其他类型的半导体部件的所有可能的可替换实施例，这些半导体部件具有等效于所引用的部件的功能，可能以改变施加电压的极性为代价，这些可替换实施例都保持在后面的权利要求书所定义的范围内。

Claims (11)

1、一种同步整流器电桥部件(11，14)，具有至少第一接线端子(D1，B+)和至少第二接线端子(S1，P)，所述部件(11，14)是这些类型的，其包括：至少第一场效应晶体管(10，15)，其第一源极(10a，16)和第一漏极(10b，17)分别连接到所述至少第一和第二接线端子(D1，B+；S1，P)；和包括第一反馈环路(R，C；R3，C1)的至少第一运算放大器(7，U1A)，其被设置作为比较器，用于具有预定参考电压的至少第一电压源(Uref，Vref)与施加于所述至少第一和第二接线端子(D1，B+；S1，P)的电压之间的至少第一电压差(Vds)的比较，其第一输出端(8)连接到所述第一晶体管(10，15)的第一栅极(9，21)，其特征在于，所述部件(11，14)进一步包括负荷泵(12，25)，由所述施加的电压产生第一放大器(7，U1A)的电源电压(VH，VL)中的至少一个。
2、如权利要求1所述的同步整流器电桥部件(11，14)，其特征在于，所述负荷泵(12，25)由振荡器(13，26)控制，该振荡器由所述负荷泵(12，25)馈电。
3、如权利要求1或2所述的同步整流器电桥部件(11，14)，其特征在于，其包括一电路(27)，当所述施加的电压中的至少一个的平均幅度或频率小于预定值时，该电路将所述负荷泵(25)设置为备用。
4、如权利要求1至3中任一权利要求所述的同步整流器电桥部件(11，14)，其特征在于，其包括：至少第二场效应晶体管(18)，其第二源极(19)和第二漏极(20)分别连接到所述第二接线端子(P)和第三接线端子(B-)；和第二运算放大器(U1B)，至少部分被所述负荷泵(25)产生的电源电压(VH，VL)馈电，其包括第二反馈环路(R4，C2)，其中该第二放大器被设置作为比较器，用于具有所述预定参考电压的第二电压源(Vref)与在所述施加的电压中的所述第二接线端子(P)上呈现的电压和所述施加的电压中的所述第三接线端子(B-)上呈现的电压之间的第二电压差的比较，并且其第二输出端连接到所述第二晶体管(18)的第二栅极(22)。
5、如权利要求4所述的同步整流器电桥部件(14)，其特征在于，根据所述施加的电压中的所述第二接线端子(P)上呈现的电压的平均值或频率，来在所述第一和第三接线端子(B+，B-)之间选择性地馈电给所述负荷泵(25)。
6、如权利要求4所述的同步整流器电桥部件(14)，其特征在于，当所述施加的电压中的所述第二接线端子(P)上呈现的电压的频率为零时，所述第二接线端子(P)由包括电阻器的旁路电路连接到所述第三接线端子(B-)。
7、如权利要求1至6中任一权利要求所述的同步整流器电桥部件，其特征在于，其包括附加接线端子，具有指示该部件的故障的诊断信号。
8、如权利要求1至7中任一权利要求所述的同步整流器电桥部件(11，14)，其特征在于，该同步整流器电桥部件被生产为模制盒(30)的形式，具有连接到所述第二接线端子(S1)或所述第三接线端子(B-)的金属底部(29)，和连接到所述第一接线端子(D1)并支持所述第一晶体管(10)、或者连接到所述第一和第二接线端子(B+，P)并支持所述第一和第二晶体管(15，18)的一个或多个绝缘引线框(31，32)。
9、如权利要求1至8中任一权利要求所述的同步整流器电桥部件(11，14)，其特征在于，所述第一放大器(7，U1A)和/或第二放大器(U1B)、所述负荷泵(12，25)和/或所述振荡器(13，26)、和/或所述备用设置电路(27)、和/或所述旁路电路、和/或所述诊断电路被生产为一个或多个ASIC电路(33)的形式，优选地为单个ASIC电路(33)。
10、由一个或多个如权利要求1至9中任一权利要求所述的同步整流器电桥部件(11，14)构成的同步整流器电桥。
11、合并至少如权利要求10所述的同步整流器电桥的发电机类型的旋转电机(34)。
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