CN1035350C - 用于车辆的发电·电动装置 - Google Patents

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Abstract

一种进行发电及电动动作的用于车辆的发电电动装置，由多个MOSFET构成，连接于电机体线圈与电池组之间，具有交流-直流转换装置，将该交流-直流转换装置中的MOSFET在把电机体线圈中产生的交流输出转换成直流输出给电池组充电的发电模式与为了使电机线圈形成相对于旋转磁极产生的磁场保持一定相位差的旋转磁场而由电池向电机体线圈通电的电动模式之间进行切换动作的切换装置，且上述MOSFET是以SiC为原材料形成的。

Description

用于车辆的发电·电动装置
本发明是关于具有从引擎接受转矩作用而发电的功能和向引擎施加转矩作用的电动功能的用于车辆的发电电动装置。
以往，如特开昭63-202255号所公布的那样，在控制电机体线圈电流的开关元件中使用MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，通过齐纳二极管对该MOSFET的耐电压值进行补偿的发电电动装置是众所周知的。
这种已有技术，是着眼于在以前的Si衬底上构成的MOS晶体管的导电电阻与元件必需的耐压之间的折衷关系，通过增设功率型齐纳二极管，降低MOS晶体管的耐压设定，降低元件耐压层的导电电阻，从而起到一定的提高起动功能的效果。但这种技术中，所增设的功率型齐纳二极管作为发电时的整流二极管一般要采用大电流规格，或如果元件间的齐纳电压不稳定，当吸收浪涌时，能量集中于特定的齐纳电压较低的元件而容易损坏等原因，必须将浪涌耐量设计得较大，或必须对齐纳电压质量数据进行检查、挑选，花费很高的费用。另外，还有由于齐纳二极管的散热片而使体积增大的问题。
也就是说，以往的技术中，在发电电动装置中，由于发电时内部产生高电压(如12V电池组时，为其10倍以上的150-300V)，需要对元件进行保护。因此不能不提高元件的导电电阻(相对于只进行电动动作的机器所需元件耐压只是电源电压的几倍的情况)。尤其是起动静止的引擎时，通过该高导电电阻元件来进行大起动电流的通电控制，会产生更大的导电电阻，这会带来电源电压的相当一部分会损失在MOSFET上的不良状态。
本发明的目的是通过采用从本质上不同于以前的Si-MOS的具有特别的高耐压且低导电电阻特性的元件，来解决上述问题。
本发明提供了具有以下特征的用于车辆的发电电动装置；
具有与和引擎的曲柄轴连动的旋转轴一起旋转的旋转磁极；
具备固定于外壳上的电机体铁芯和绕在其上面的电机体线圈的电机体；
由多个MOSFET构成的连接于上述电机体线圈与电池组之间的交流-直流转换装置；
将上述交流-直流转换装置中的上述MOSFET在如下两种模式，即把上述电机体线圈中产生的交流输出变换成直流输出对上述电池组进行充电的发电模式和为了使上述电机体线圈形成相对于上述旋转磁极的磁场具有一定相位差的旋转磁场、从上述电池组向上述电机体线圈通电的电动模式间切换并使之动作的切换装置；
且上述MOSFET是以SiC为原材料构成的。
根据上述的构成，在发电时需要高耐压，而对于电动时的大电流需要低导电电阻的交流-直流转换装置的MOSFET中使用了SiC，显著地减少了元件上的电压降损失，使得电池组的电压能够几乎毫无损失地提供给电机体线圈，从而能够得到良好的驱动转矩。
附图简单说明：
图1是本发明的说明第一实施例的线路构成图。
图2是上述实施例的用于车辆的发电机的剖面图。
图3是上述用于车辆的交流发电机除去外壳后从后侧看的侧面图。
图4是上述用于车辆的交流发电机内部的整流装置的斜视图。
图5是上述用于车辆的交流发电机内部的整流装置的斜视图。
图6是上述用于车辆的交流发电机的线路图。
图7是为了说明构成图4的整流装置的MOS功率晶体管的一个例子的局部放大剖面图。
图8是为了说明构成图4的整流装置的MOS功率晶体管的一个例子的局部放大剖面图。
图9是以SiC为原材料的MOS功率晶体管的电压-电流特性图。
图10是以Si为原材料的MOS功率晶体管的电压-电流特性图。
图11是表示图9和图10的MOS功率晶体管的耐压与沟道电阻之间关系的说明图。
图12是表示使用图9和图10的MOS功率晶体管时的转数与转矩关系的说明图。
图13是表示上述用于车辆的交流发电机的控制例的流程图。
图14是表示本发明的第二实施例的线路构成图。
下面根据附图对本发明的实施例进行说明。
图1是表示本发明的第1实施例的构成图。发电机是由不含励磁调节装置的磁铁式旋转体1和由旋转体感应发电的三相电机体线圈5构成。该发电机是由起动器起动车辆引擎30带动皮带以大约3的增速比来驱动的。
图2-5表示的是发电机的构成。如这些图所示，发电机外壳是由一体化的由良导电金属构成的前罩14和后罩15构成，通过四根通螺栓23固定。铁芯2固定在外壳14与15的内壁上，三相电机体线圈绕在铁芯2上。
固定在外壳14、15上的轴承21、22用于支撑旋转体的自由旋转。旋转体1是具有16个极的多极磁体，由磁铁18、转子芯12及支持它们的非磁性材料20和轴16构成。
在后罩15的内侧，集成整流装置10是由胶固定的。集成整流装置10在三相电机体线圈接线柱的近接位置，且具有到电机体线圈接线柱的取出处对应的位置短距离伸出的三相交流输出电流的输入接线柱10b和直流电流输出接线柱10c以及电池组信号输入接线柱10d等输入输出接线柱，与三相电机体线圈5和三相交流电流输入接线柱10b在后述的冷却风排出窗26的位置通过焊接相连，与连接直流电流输出接线柱10c和车辆电池组(图中未表示)的正极接线柱的导线(图中未表示)通过螺母连接，与电池组信号输入接线柱10d和引擎按键开关信号(IG)接线柱10a及磁场正极的旋转角信号输入接线柱10e、引擎起动信号(ST)输入接线柱10s通过连接器相连。该一体集成整流装置10，除输入接线柱外，为了易于电磁屏蔽和放热，均包在金属制的电磁屏蔽部件9中。
集成整流装置10具有三相全波整流半导体电路19和对其进行控制的电机体电流切换控制电路10f，并输入磁场正极旋转角检测部分10g的信号。该磁场正极旋转角检测部分10g如图2所示的那样，与磁场旋转体的磁铁相邻，比集成整流装置10的顶盖部件9a更向外突出，这个部分具有磁场探测器(图中未画)。
在旋转体1的两侧设置有翼片17，从前罩14与后罩15上设置的进风窗25吸入冷却风24。集成整流装置10、进风窗25及排风窗26几乎是沿离心方向排列。因此，一部分冷却风迎面磁到翼片17，然后到翼片屏蔽处的电磁屏蔽部件9的顶侧部件9a的表面从排风窗26排出。同样，电磁屏蔽部件9的底侧9b与后罩15具有良导热性的紧密连接。
具有上述构成的集成整流装置10与具有以前的用于车辆的交流发电机的电压调整器(稳压器)和三相全波整流器的用于车辆的交流发电机的三相全波整流器相比，轴向后罩15的端面面积的占有率约减少了一半。由于这种空间的节省，使后罩15的进风窗25的面积增大，减小了通风障碍，容易防止集成整流装置10以及电机体线圈5的升温，由此可以抑制配线、导线的电阻增加，降低感应机的转矩损失。
下面根据图1对线路的构成进行详细说明。
三相全波整流半导体电路19是以单晶体的、特别是晶体构造为称为SiC六方晶系的SiC为原材料的N沟道增强型MOS功率晶体管(MOSFET)19a-19f构成的三相全波整流器。在高端的晶体管19a-19c具有共同的源区及源极，接在三相电机体线圈5的各相输出端与电池组21的高电位端之间。低端的晶体管19d-9f具有共同的漏区和漏极，接在三相电机体线圈的各相输出端与电池组21的低电位端之间。
电机体电流切换控制电路10f，是从三相电机体线圈5的各个输出端接收各相发电电压Vu、Vv、Vw输入，根据这些输入信号控制加在MOS功率晶体管19a-19f各栅极上的栅极电压。即集成整流装置10的电机体电流切换控制电路10读取电池组21的电压，通过控制MOS功率晶体管19a-19f的开闭使之保持稳定。这样，切换控制根据上述磁场正极的旋转角检测部分10g的输出信号θ，使电机体电流形成的旋转磁场与旋转体磁场正极保持所定的角度同步旋转。
另外，电机体电流切换控制电路10f，接收按键开关信号IG和引擎起动信号ST的输入，当引擎起动时，控制电机体电流切换的时序使电机体电流产生的旋转磁场的位置与磁场正极正交而驱动马达动作。
以SiC为衬底材料的MOS功率晶体管型三相全波整流器半导体电路19的详细说明，在后面参照图6、图7及图8进一步说明。不过，图6是把该实施例的MOS功率晶体管型三相全波整流器半导体电路表示成电子线路形式的交换电路图，图7、图8分别是MOS功率晶体管19a-19f的剖面构造的示例。
图6的N沟道MOS功率晶体管的交换电路图中，高端的MOS功率晶体管19a、19b、19c的漏极D和低端的MOS功率晶体管19d、19e、19f的源极S接在三相电机体线圈5的一相输出端，低端的MOS功率晶体管19d、19e、19f的漏极D接在电池组21的低电位端，高端的MOS功率晶体管101的源极S接在电池组21的高电位端。另外，电池充电时的充电电流方向与电子移动方向相反，源极是指的这样充电时将载流子电荷向沟道注入侧的电极。
众所周知，MOS功率晶体管19a-19c，19d-19f中，是其P型阱区与N型源区、或P型阱区与N型漏区之间，分别为寄生二极管Ds(源侧)、或寄生二极管Dd(漏侧)并列连接的构造。然而，由于有必要给P型阱区103加电位，如图6的所示(元件构造参见图7或图8)高端的MOS功率晶体管19a、19b、19e的P型阱区103是通过高电阻体120与漏极111连接的。
另一方面，低端的MOS功率晶体管也有必要给P型阱区103加电位，所以其P型阱区103与源极111是短路连接的构造。由此，高端的MOS功率晶体管19a、19b、19c的源侧的寄生二极管Ds能够阻止来自电池组21的逆流。
高电阻体120具有例如150欧姆以上的高电阻值，当低端的MOS功率晶体管19d-19f关闭、其源加上发电电压(正值)的情况下，电流通过漏侧寄生二极管Dd的逆流被压缩到允许范围内。
下面，以图6的三相全波整流器19的高端的MOS功率晶体管19a-19c为例，参照图8对其剖面构造进行说明。
在SiC为原材料的N+型衬底106上N型耐压层105是由晶体外延生长形成的，N型耐压层105表面的P型阱区103是把铝进行离子注入形成的，另外P型阱区103表面的N+型区104是把氮进行离子注入形成的。这样，在晶片表面上，只在准备形成格栅的地方开口其他地方用保护膜或绝缘膜遮住，然后进行离子腐蚀反应，使沟槽108凹陷。在沟槽108表面上置有通过热氧化法形成的硅氧化膜所构成的栅绝缘膜109。而且，在沟道108内，置有经过掺杂可导电的多晶硅构成的栅极110。
在晶体表面，形成了分离各晶体管19a、19b、19c的场效绝缘膜(图中未画)，各晶体管19a、19b、19c中，设置了做为漏极与N+型区104及P型阱区103相接触的镍电极。另一方面，在衬底后面，做为共用的源极，金电极112与N+型衬底相接触，构成了图8所示的元件。该镍电极111是通过溅射或真空镀膜形成的。
这样，在镍电极111和P型阱区103之间形成了镍和SiC的高阻合金层(图中未画)，这个合金层构成了高电阻体120。如此，高电阻体120的制造可以简化，具有不延长制造过程的好处。
在高端的晶体管19a-19c中，高电阻体120与漏区104和阱区103之间的寄生二极管(漏侧的寄生二极管Dd)并列连接在一起，所以，阱区103通过该高电阻体120获得电位。这样，通过源区105和阱区103之间的寄生二极管(源侧寄生二极管Ds)的电池组充电电流经过高电阻体120大幅度削减，良好地抑制了电池组的过分充电。
另一方面，在低端的晶体管19d-19f中，高电阻体120与源相连，阱区103通过该高电阻体120获得源电位。如此，在三相电机体线圈5的电位较高，MOS功率晶体管19d-19f的漏电位较低时，寄生二极管Dd顺序获得偏压，从电池组流经这些寄生二极管的逆流由于高电阻体120得到良好的抑制。从而，在内部具有该高电阻体的MOS功率晶体管中，不必为了给阱区加电位而将阱区与漏区短接。这样，能够在阱区和漏区之间设置耐压层。由此，因为不必在漏极与沟道始端之间设置耐压层，这就意味着可以大大减小源寄生电阻Rs上的电力损失及发热。
这个实施例中，当MOS功率晶体管处于闭状态，在源极112与漏极111之间加高电压(如+300V)时，主要是由N型耐压层105中产生的耗尽层(空乏层)来承受。这样，该N型层105成为源反馈电阻，如上所述其自身电阻与沟道电阻的合成效果产生电力损失。
但是，本实施例中，由于采用了单晶SiC为原料，与以前的Si相比，希望同等耐压的情况下，通过使N型耐压层105的厚度更薄，且其掺杂浓度更浓，降低导电阻，可以大幅度提高效率。
下面，考虑N型耐压层为300V时N型耐压层105的设计条件。
Si的情况下，其击穿电场强度约为30V/μm，N型耐压层厚度在要求耐压300V时约为20μm，其掺杂浓度约为10×1015原子/cm3。这时，该N型耐压层的电阻率为50Ω·cm。
而SiC的情况下，其击穿电场强度约为400V/μm，N型耐压层105的厚度约为4μm，其掺杂浓度约为2×1016原子/cm3，因而其电阻率约为1.25Ω·cm。
由于N型耐压层电阻为电阻率×厚度，所以SiC的N型耐压层105与Si的N型耐压层相比，可以降低到约1/20的电阻值。
结果，以SiC为原材料的MOS功率晶体管的源寄生电阻Rs与Si相比可以降低到大约1/15，而且与之相应地也可以大幅度减小沟道电阻，其叠加的效果，可以实现极低损失的用于车辆的起动器兼发电机所使用的三相全波整流半导体电路部分19。
即，由于采用了SiC，改善了N型耐压层105的击穿电场强度，能够实现以原来的装置无法预测的具有优良效率的三相全波整流半导体电路部分19。当然，上述的关系在N型耐压层105上加以300V以外的其他高电压时也是同样的。
下面对由以上所述构成的本实施例的三相全波整流半导体电路部分19的其他作用效果进行说明。
该磁铁式发电机，在高旋速度时发电电压将增大，所以在以前的MOS功率晶体管型三相全波整流器中产生过即使MOS功率晶体管关闭时也会发生电池组过分充电的问题。这是因为为了防止从电池组流向三相电机体线圈的反向电流，不得不将寄生二极道Dd短接线阱区提供电位的缘故。为了解决这一问题，本实施例中，三相全波整流器19的高端的MOS功率晶体管19a-19c的漏极D与P型阱区103通过高电阻体120连接，通过该高电阻体120给P型阱区103提供电位。
这样，高端的MOS功率晶体管19a-19c的寄生二极管Dd为了阻止会将沟道旁路的电池组充电电流，阻止电池组21的过分充电。另外低端的晶体管的高电阻体120将三相电机体线圈的短路电流限制在允许范围内。
下面，将同样芯片尺寸及设计规则下制造的Si材MOS功率晶体管和SiC材MOS功率晶体管的电压·电流特性表示在图9-图10中。其耐压假定为300V。图9表示了SiC材MOS功率晶体管的特性，图10表示了Si材MOS功率晶体管的特性。从图9-图10可以看出，在源·漏间电流为75A的条件下，本实施例(SiC)的三相全波整流半导体电路19与以前(Si)的三相全波整流器相比，电力损失可减少90％以上。
图11中所示的是MOS功率晶体管的要求耐压变化时的有关导电电阻率的计算结果的一个例子。另外，该导电电阻率虽然是沟道电阻与N型耐压层105的电阻之和，特别是沟道电阻是随各种因素而变动的，但从图11可看出，在高耐压区，N型耐压层的上述的电阻是占主要地位的。
即，要求耐压增加时，沟道电阻本身是几乎不变的(在忽略源寄生电阻R2增加引起上述反馈结果而使沟道电阻增加的情况)，而N型耐压层105的电阻与耐压保持正的相关关系而增加。因而，从图11可以知道，Si材MOS功率晶体管从耐压25V附近开始随着要求耐压的增加其电阻率也成比例地增加，而SiC材的情况下，直到耐压250V，N型耐压层105的电阻增加大体上可以忽略，耐压超过250V后导电电阻率才开始慢慢增加。
另外，虽然上述的实施例的MOS功率晶体管19a-19f是以六方晶系单晶SiC为原材料，耐压假定300V而设计的，下面将对使用该SiC材MOS功率晶体管19a-19f的用于车辆的交流发电机用的三相全波整流器19和使用Si材MOS功率晶体管的用于车辆的交流发电机的三相全波整流器19的电阻值分析结果(参考图11)进行理论说明。不过，这里将忽略源寄生电阻Rs的反馈结果产生的沟道电阻的增加效果。而且，电路构造采用图8的纵型构造，芯片面积相同。
晶体管的电阻R是沟道电阻rc与N+型耐压层105的电阻rb之和，分别为：rc＝L/W(1/μs·εs·εo)-·(Tox/Vg-Vt)rb＝4Vb2·(1/μ·εs·εo·Ec·A)
与Si材MOS功率晶体管相比，SiC材MOS功率晶体管的电阻值的为其1/15。另外，击穿电场强度Ec，Si是3×105V/cm，SiC是3×106V/cm，相对介电常数εs，Si是11.8，SiC是10.0，面积A两者都是1mm2、Vb是击穿电压或耐压。
另外μ是电子表面迁移率，Si为1100cm2/(V·s)，SiC为370cm2/(V·s)、沟道长二者均为1μm，沟道宽二者都为222μm，μs为电子沟道迁移率，Si为500cm2/(v·s)，SiC为100cm2/(V·s)。
从上式可知，耐压50V以上时，SiC一方电阻值变小。另外，上式计算中是把衬底做为漏的，所以当把衬底做为源的情况下，上面说明的源寄生电阻Rs的反馈效果引起的沟道电阻的增加会使Si的电阻大幅度增大。
无论如何，即使设计规则有些变化，也可以推定耐压100V以上时SiC材MOS功率晶体管确实会呈现低电阻。
即，如图11所示，对于用于车辆的交流发电机的电流元件所要求的耐压范围A，使用SiC材的MOS晶体管(范围C)比低耐压品Si材的MOS晶体管(范围B)能得到更好的效果。
本实施例中，高端的MOS功率晶体管19a-19c可以为在源侧具有耐压层的共用源构造，低端的MOS功率晶体管19d-19f可以为漏侧具有耐压层的共用漏构造，所以如图1所示的那样，共用源的高端MOS功率晶体管19a-19c由一个芯片构成，共用漏的低端的MOS功率晶体管19d-19f由一个芯片构成。
如果更加详细地进行说明，对于图1、8，N+型衬底106上构成了高端的MOS功率晶体管19a-19c的共用源S，衬底106上形成的各相的P型阱区分别以不能穿通的距离相互充分分开，各P型阱区103表面上分别形成各自的N+型漏区104，各P型阱区103表面上还以栅绝缘膜109为中介设置了各栅极110，各漏区104通过电机体电流切换控制电路10f加在各栅极110上的各栅极信号、利用耐压层105分别与共用源导通。
这样，就带来不用增加任何工序就可在一个芯片上将3个高端MOS功率晶体管19a-19c集成为半桥的好的效果。而且由于各MOS功率晶体管19a19c的电力损失很小，避免了上述集成中各部分的高温化。
另外，在图1、8中，N+型衬底106上构成了低端的各MOS功率晶体管19d-19f的共用漏D，衬底106上形成的各相的P型阱区103以不能穿通的距离相互充分分开；各P型阱区103表面上分别形成各自的N+型源区104，各P型阱区103表面上的栅电极110分别以栅绝缘膜109为中介设置。这样，各源区104通过电机体电流切换控制电路10f加在各栅极110上的各栅极信号、利用耐压层108分别与共用漏导通。
这样，就带来了不必增加任何工序就可以在一个芯片上将3个低端MOS功率晶体管19d-19f集成为半桥的好的效果。而且由于各MOS功率晶体管19d-19f上的电力损失很小，避免了上述集成各元件的高温化。
如上所述，由于在具有发电功能、特别是由于是磁铁型的需要高耐压，且在起动时没有反向电压的情况下对于大电流呈现出低导电电阻的全波整流半导体电路19中，采用了单晶SiC，显著减少了损失在元件上的电压降，使得电池组电压能够几乎毫无损失地加到电机体线圈上，所以大大提高了转矩的效率，如图12所示的那样在起动时约50％，连续旋转数为100rPm时约为60％，实现了本发明的主要目的，而且由于存在通过高电阻层遮断在正方向通过寄生二极管的电源极(电源ミ-ト)的双向整流控制元件，所以可以采用小型低费用的永久磁铁型的磁场旋转体。
另外图12中，是采用12V120A的发电机、外径约130mm的电机体铁芯作为起动机动作时的试验值，是皮带轮比为2.9时以引擎曲柄皮带轮侧为起动端所描绘的曲线。另外起动时(转数＝0rPm)与连续转数为100rpm时的转矩相比，转矩升高率比100rpm时大10个百分点，这是基于由于如上所述的SiC晶体管导电电阻低、发电机必须的电机体线圈圈数即使只是元素低电阻改善所需的圈数、也能够确保接线电压而减少了线圈圈数，降低了交流阻抗。由此可以知道，由于采用了SiC，产生了副效应。
由以上构成所述，引擎是通过皮带对16极的多极(极)磁场旋转子进行增速驱动的，其频率很高，引擎空转速度大约为500rpm时也有200Hz，引擎高速运转时约2kHz，而且为了降低上述MOSFET的噪声通常选载频为其十倍左右，所以MOSFET的开闭频率非常高(2kHz-20kHz)。
这种情况下存在如果在上述整流电路部分中存在布线电感，则有不易提高导通控制的速度、噪声信号严重的实用问题，本发明通过将有脉冲信号或功率变化的部分集成模块化并用防噪声金属板包装，然后装入金属制的前罩、后罩的中部，可以起到防止上述问题发生的很好的效果。
图13是对本实施例的三相全波整流半导体电路19的控制方式的建议，由把各种功能综合于车辆引擎控制计算机的控制器(图中未画)完成该控制。当然，电机体电流切换电路10f也能够进行这种控制。
下面对该控制动作进行说明。
首先，输入电池组电压(步骤200)，据此推断电池组处于充电状态(步骤202)。
然后，由三相电机体线圈5的各相输出端输入发电机电压信号Vu、Vv、Vw(步骤204)，由此计算各相的线间电压(步骤206)，检测出磁场磁极角度(步骤2061)当静止时等情况下角度检测失败时根据预先确定的估算逻辑设定估算角度(步骤2062)，输入引擎是否可以点火的IG信号(步骤2063)，输入引擎起始信号是否已到的信号(步骤2064)，应当起动时，选择是否应该发电同时选择SiC-MOSFET的切换使马达准备动作，当应当发电时，线间电压大于电池组电压且检测出处于给电池组充电方向的相、然后选择连接于该相的线间的高端及低端的MOS功率晶体管(步骤208)。
然后，由相电压计算出发电机转数(步骤210)，在此基础上检测出引擎的转数，存放到存贮器中(步骤212)。
当引擎空转时，引擎的转动不稳定，导致转矩的变化。这又引起了引擎速度的脉动。当引擎是四缸引擎时，该引擎速度脉动的二次谐波成份被检测。当引擎是六缸引擎时，该引擎速度脉动的三次谐波成份被检测(步骤214)。
然后，检索计算出的电池组充电状态下根据引擎旋转波动预先设定的控制模式(步骤216)，决定MOS功率晶体管19a-19f的导通时间、开闭时序等控制量，在决定的控制量的基础上控制MOS功率晶体管19a-19f(步骤218)。
如此，能够实现进行改变发电量的转矩控制，例如，当电池组剩余电量较小时进行着重充电的发电控制，当引擎旋转波动量较大时进行旋转波动的控制。
另外，以前对于这种旋转波动的抑制控制理论上做到了，但未能实用化，原因在于磁场式线圈型发电机的情况下，机械振动传到磁场线圈有时引起旋转故障、或磁场电路的定时较长不适于高速下旋转波动的抑制。而在永久磁铁旋转体的情况下，原因在于未能发现能够象上述控制输出电流保持低失损的装置。由本实施例，可以实现抑制电力损失增大的引擎的旋转振动的降低。
图14是表示本发明的第二实施例的构成图。三相感应发电·电动装置是由笼型旋转体1’与三相电机体线圈5构成。
图14中所示的集成整流装置，与第1实施例的构成是相同的，只是电压调整器10f中不需要电机线圈的电压信号。
在用于车辆的引擎30的驱动下，笼型旋转体产生旋转，另一方面，电机体电流切换控制电路10f控制MOS功率晶体管19a-19f的开闭，并加以各相的电机体线圈的三相交流电压。根据转数检测器10g’的旋转体频率信号f，通过增减三相交流电压的频率(即，转差率(slipping))，进行发电·电动量的控制。该感应机中，通过对流经电机体的电流量进行PWM控制来进行元件的开闭控制，所以将产生浪涌电压，与第一实施例一样，需要高耐压。
本实施例中，由于交流-直流转换装置采用了高耐压且具有低导电电阻特性的SiC-MOS晶体管，与第一实施例一样，当起动时流过大电流时，能够显著减少元件上的电压降损失，获得良好的驱动转矩。并且，本实施例中的感应机中，电机体电流成分中包含了产生磁通的磁场电流成分，所以元件上电压降的减少，带来了空气隙中磁通量的增加，比第一实施例在转子中单独设有磁通发生源具有更好的效果。
另外本感应机的旋转体可以是线圈型的，采用非三相的或半波整流等感应机也会得到同样的效果。
在上述各实施例中，高端的MOS功率晶体管19a-19c和低端的MOS功率晶体管19d-19f中的任何一个换成PN结二极管也是可以的，而且也可以混合使用SiC-MOSFET和Si-MOSFET。
另外，本实施例除了还适用于不进行励磁磁通量控制的磁场线圈型旋转体以外，对于采取磁场线圈与磁铁并用构造的旋转体也是适用的。
在以上说明中，对用于车辆的起动兼发电机的三相全波集成整流装置10进行了说明，由于本实施例的三相全波整流器半导体电路10是可以切换的，所以产生三相交流电压的切换反相电路也能够采用或兼用之是理所当然的。另外以上的说明中是以曲柄皮带轮驱动发电机的，采用齿轮或采用行星轮或者在变速侧的环形齿轮采用半径较大的皮带轮来驱动皮带，甚至直接连结也是可以的。另外上述说明中，说明的是全波整流电路部分、整流控制电路部分及角度检测部分一体化的实施例，个别单独拆开也是可以的。再有，上述实施例中发电机是永久磁铁型的，若采用磁场线圈型也能产生相应的效果是不言而喻的。
另外以上的实施例中，该起动兼发电机作为辅助起动器而动作使得主起动器小型化，如果在皮带轮比为2～5之间适当地选择高增速比也可以取消主起动器而付之于全部的起动转矩。这种情况下则产生可以省略主起动器的好的效果。另外也可以使主起动器分担起动时的大锁定转矩而起动后连续旋转时只由该起动兼发电机辅助驱动。
另外在以上说明中，表示的是以一定的比率对引擎的动力传送进行增速的构成，如果利用变速机构或离合器可以更好地减小必要的电动转矩即元件通电电流，减少由于元件导电阻引起的电压损失是不言而喻的。
再有，以上构成中，由于没必要采用吸收发电时大功率浪涌的功率齐纳二极管，所以这里没有使用，因而由于车辆外部大的浪涌从外部引入到输出线上且因此而降低了可靠性的情况也会存在。这种情况下为了吸收这种小能量的外来浪涌可以附加齐纳管或电容器，不言而喻，这也属于本发明的构成、作用效果范围之内。

Claims (10)

1、一种配置在车辆上进行发电和电动操作的用于车辆的发电电动装置，其特征在于包括：
与引擎的曲柄轴连动旋转并由外壳支撑的旋转轴、以及具有与这个旋转轴一起旋转的旋转磁极的旋转体；
具有固定在上述外壳上的电机体铁芯和绕在上面的多相电机体线圈的电机体；
由多个MOSFET构成、连接在上述电机体线圈和电池组之间的交流-直流转换装置，该交流-直流转换装置将上述电机体线圈中产生的交流输出转换成用于电池组充电的直流输出，同时将上述电池组的直流输出转换成用于形成旋转磁场的交流输出；和
将上述交流-直流转换装置的上述MOSFET切换成把上述电机体线圈中产生的交流输出转换成直流输出对上述电池组充电的发电模式和为了使上述电机体线圈形成相对于上述旋转磁极存在一定相位差的旋转磁场、从电池组给上述电机体线圈通电的电动模式这两种模式，并使之动作的切换装置；
且上述MOSFET是以由硅元素(Si)和碳元素(C)的化合物碳化硅(SiC)为原材料构成的。
2、如权利要求1所述的发电电动装置，其特征是上述发电电动装置具有三相电机体线圈，并具备与该三相电机体线圈各端和上述电池组高电位端并行连接的高端MOSFET及与上述三相电机体线圈各端和上述电池组低电位端并行连接的低端MOSFET。
3、如权利要求1或2所述的发电电动装置，其特征是上述MOSFET具备构成漏或源的N型衬底、衬底上的比该衬底低掺杂浓度的N型耐压层、该耐压层表面上的P型阱区、该阱区表面上的构成源或漏的N型区、以该N型区与上述耐压层之间的上述阱区为沟道、对于该沟道配置的栅极。
4、如权利要求2所述的发电电动装置，其特征是上述高端MOSFET具备构成共用源的N型衬底、该衬底上的比该衬底低掺杂浓度的N型耐压层、该耐压层表面上的各相分别的P型阱区、该各阱区表面上构成各相的漏的各相分别的N型区、以该各N型区与上述耐压层之间的上述各阱区作为各相分别的沟道区，对于该各沟道区配置的各相分别的栅极。
5、如权利要求2中所述的发电电动装置，其特征是上述低端MOSFET具备构成共用漏的N型衬底、该衬底上的比该衬底低掺杂浓度的N型耐压层、该耐压层表面上的各相分别的P型阱区、该各阱区表面上构成各相的源的各相分别的N型区、以该各N型区与上述耐压层之间的上述各阱区作为各相分别的沟道区，对于该沟道区配置的各相分别的栅极。
6、如权利要求1或2所述的发电电动装置，其特征是上述切换装置在上述发电模式时，控制上述MOSFET的各栅极电压使上述电池组的电压成为所定值，并对上述MOSFET的开闭进行控制。
7、如权利要求1或2所述的发电电动装置，其特征是还具有对上述旋转体的旋转磁极的旋转角进行检测的旋转角检测装置，上述切换装置在上述电动模式时，从上述电机体线圈的各相输出端输入各相发电电压，从上述施转角检测装置输入旋转角信号，控制MOSFET的各栅极电压及各MOSFET的开闭，以使上述电机体电流产生的旋转磁场旋转时与上述旋转磁极保持所定的角度。
8、如权利要求1或2所述的发电电动装置，其特征是上述电池组的电压在24V以下。
9、如权利要求1或2所述的发电电动装置，其特征是在上述引擎开始起动时，上述切换装置将上述交流-直流转换装置的MOSFET设定成电动模式，与另外设置的上述引擎的专用起动器连动进行电动动作，产生辅助起动转矩以分担一部分引擎所需要的总起动转矩，并至少分担一部分产生起动转矩的旋转范围。
10、如权利要求1或2所述的发电电动装置，其特征是上述旋转体是具有永久磁铁的磁铁式旋转体，或是笼型旋转体。
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