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Die
Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen Dreiphasen-Synchrongenerator,
insbesondere für
einen Kraftfahrzeugmotor, mit obere und untere gleichphasige Wicklungen
in Sternschaltung umfassenden, mittels steuerbarer Halbleiterschalter
für Serien/Parallel-Modus
umschaltbaren Dualwicklungen, denen ein oberer und ein unterer Brückengleichrichter
nachgeschaltet ist, die gleichspannungsseitig parallel liegen, wobei
die Halbleiterschalter im Parallelmodus gesperrt sind. Sie betrifft
ferner eine Steuerschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 2 angegebenen
Art. Eine derartige Steuerschaltung ist beispielsweise in der
DE 32 27 602 C2 beschrieben.
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Elektrische
Generatoren vom Lundell-Typ sind in der Automobilindustrie seit
langem in Gebrauch, um elektrische Leistung für Kraftfahrzeuge und Lastkraftwagen
bereitzustellen. Der heutige typische Kraftfahrzeuggenerator ist
ein selbsterregter synchroner Dreiphasengenerator vom Lundell-Typ. Diese Generatoren
weisen intern parallele Sätze
von Dreiphasenwicklungen auf. Aufgrund der Kundenforderung nach
Komfort und Zweckmäßigkeit
und komplexer Steuersysteme, die erforderlich sind, um staatliche
Vorschriften zu erfüllen,
sind im Laufe der Jahre elektrische Anforderungen an moderne Kraftfahrzeuge
wesentlich gestiegen.
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Diese
Generatoren müssen
sowohl bei hohen als auch niedrigen Motordrehzahlen ausreichenden
Strom bereitstellen. Der Strom, den ein solcher Generator bei einem
mit sehr hohen Drehzahlen laufenden Motor erzeugen kann, ist durch
die Anzahl von Wicklungswindungen in den Spulen begrenzt. Damit
ein Generator einen hohen Strompegel bei sehr hohen Motordrehzahlen
erzeugt, muss seine Spule nur wenige Wicklungswindungen aufweisen. Die
Spule muss jedoch eine größere Anzahl
Wicklungswindungen aufweisen, um bei niedrigen Motordrehzahlen ausreichend
Strom zu erzeugen.
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Um
Generatoren für
Motorfahrzeuge zu entwerfen, die imstande sind, hohe Strompegel
bei hohen Motordrehzahlen zu erzeugen, aber noch imstande sind,
bei niedrigen Motordrehzahlen ausreichend hohe Strompegel zu erzeugen,
kann die Spule in zwei Wicklungen geteilt werden, die bei niedrigen Motordrehzahlen
in Reihe und bei höheren
Motordrehzahlen parallel geschaltet werden. Der Stand der Technik
lehrt die Verwendung von Thyristoren enthaltenden Schaltungen wie
z.B. siliziumgesteuerte Gleichrichter ("SCRs"),
um zu ermöglichen,
dass die Wicklungen des Generators arbeiten, als ob sie in Reihe
oder parallel geschaltet wären
(siehe die Druckschrift
DE
32 27 602 C2 ). Thyristorschaltungen ermöglichen, dass die Wicklungen
bei niedrigeren Drehzahlen in Reihe und bei höheren Drehzahlen parallel arbeiten.
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Thyristorschaltungen
weisen jedoch ihre eigenen Nachteile auf. Zunächst sind Thyristoren im Betrieb
auf Temperaturen von bis zu 125°C
beschränkt,
und typischerweise arbeiten sie nicht bei höheren Temperaturen ohne wesentliche
Verminderung (derating) ihrer Betriebsgrenzen. Zweitens lassen Thyristoren
zu, dass Strom in der Schaltung in nur eine Richtung fließt, und
gestatten somit nicht die Steuerung einer Überspannung, da sie nicht als
mögliche
bidirektionale Umgehungsvorrichtungen genutzt werden können, um
Systemüberspannungen zu
begrenzen, die aufgrund plötzlicher
Laständerungen
auftreten können.
Drittens sind Thyristorschaltungen weniger effizient als andere
Arten von Schaltungen wie z.B. MOSFET-Schaltungen, wenn sie in Reihenschaltung
arbeiten. Viertens sind Thyristoren stromgesteuert und erfordern
mehr Leistung zur Steuerung als spannungsgesteuerte Vorrichtungen wie
z.B. MOSFETs.
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Ein
Wechselstromgenerator mit einer Steuerschaltung der eingangs genannten
Art ist in der
DE 32
27 602 C2 beschrieben. Bei diesem bekannten Wechselstromgenerator
werden zur Serien/Parallel-Umschaltung vorzugsweise Thyristoren
eingesetzt. MOS-Transistoren werden zwar erwähnt, entsprechende Halbleiterschalter
werden jedoch als zu kompliziert und aufwändig angesehen.
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In
der
DE 197 33 208
C1 ist eine Schaltungsanordnung für eine Drehstrom-Lichtmaschine
beschrieben, bei der eine Serien/Parallel-Umschaltung über Thyristoren erfolgt. Wie
bereits erwähnt,
besitzen solche Thyristoren nun aber unter anderem den Nachteil,
dass sie lediglich in einer Richtung Strom führen können, so dass eine entsprechende
Begrenzung von Überspannungen
in der Regel nicht möglich
ist. Dasselbe gilt auch für
den Fall des als Alternative in Betracht gezogenen Einsatzes von
Dioden, die überdies
für den
betreffenden Schaltungsteil einen andauernden Serien-Modus bedeuten.
Zumindest für
diesen Schaltungsteil ist dann also keine Serien/Parallel-Umschaltung
mehr möglich.
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Bei
einem aus der
DE 23
52 227 A1 bekannten Wechselstromgenerator werden entweder
mechanische Schalter oder wieder Thyristoren oder Transduktoren
angesetzt.
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Der
Erfindung liegt im die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Steuerschaltung
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der bei plötzlich auftretenden
Laständerungen
eine Überspannung
an den Anschlussklemmen verhindert wird.
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Ausgehend
von einer Steuerschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen
Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
jeweilige untere Wicklungen von zwei der drei Phasen mit der jeweiligen
oberen Wicklung der dritten Phase durch drei MOSFETs gleichen Typs
mit parasitären
Dioden sternförmig
verbunden sind, wobei die mit den jeweiligen unteren Wicklungen
verbundenen MOSFETs gegensätzlich
gepolt sind zu den mit den jeweiligen oberen Wicklungen verbundenen
MOSFETs, dass die mit den jeweiligen oberen Wicklungen verbundenen
MOSFETs im Serienmodus durchgeschaltet sind, und dass alle MOSFETs bei überhöhter Gleichspannung
synchron derart angesteuert werden, dass ein Stromfluss in beiden Richtungen
möglichst
ist.
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Die
Steuerschaltung kann also drei Teilschaltungen umfassen, von denen
eine erste zwei oder mehr MOSFETs nutzt, die zwischen die oberen
und unteren Wicklungen des Generators geschaltet sind, um zu gestatten,
dass die Wicklungen in Reihe oder parallel arbeiten. Die anderen
beiden Teilschaltungen sind Gate-Steuerschaltungen, die den Betrieb
der MOS-FETs steuern.
Eine Teilschaltung gibt in Abhängigkeit
von Drehzahl und Last vor, wann die Wicklungen in Reihe oder parallel
arbeiten. Die andere Teilschaltung liefert eine Überspannungssteuerung, indem
die MOSFETs als Dioden nur im Normalmodus betrieben werden, aber
ein bidirektionaler Stromfluss gestattet wird, um eine aus plötzlichen
Laständerungen
resultierende Überspannung
zu verhindern.
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Die
erfindungsgemäße Steuerschaltung
ist bei einem Dreiphasengenerator mit Dualwicklungen anwendbar.
Daher gibt es drei Sätze
Wicklungen, wobei die Sätze
typischerweise Phase A, Phase B und Phase C genannt werden. Außerdem hat
jeder Satz Wicklungen eine untere Wicklung und obere Wicklung. Folglich
gibt es in der Schaltung eine untere Wicklung und obere Wicklung,
die der Phase A, Phase B und Phase C entsprechen.
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Eine
alternative erfindungsgemäße Lösung der
Aufgabe, die von einer Steuerschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs
2 angegebenen Art ausgeht, zeichnet sich dadurch aus, dass die Halbleiterschalter
aus der Reihenschaltung zweier gegensätzlich gepolter MOSFETs gleichen
Typs mit parasitären Dioden
bestehen, dass die Halbleiterschalter im Serienmodus derart angesteuert
werden, dass sie jeweils als Diode wirken, und dass die Halbleiterschalter
bei überhöhter Gleichspannung
synchron derart angesteuert werden, dass sie für beide Stromrichtungen durchlässig sind.
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Die
entsprechenden unteren und oberen Wicklungen können also z.B. auch in Bezug
aufeinander 180 Grad außer
Phase und beispielsweise durch einen Halbleiterschalter miteinander
verbunden sein, der aus zwei MOSFETs besteht insbesondere vom P-
oder N-Kanaltyp, deren Drain-Anschlüsse miteinander
verbunden sind. Der Gate-Anschluss eines MOSFET wird durch eine
Gate-Steuerschaltung gesteuert, die die Wicklungen in Reihe oder
parallel betreibt. Der Gate-Anschluss des anderen MOSFET wird durch
eine Gate-Steuerschaltung gesteuert, die gestattet, dass Strom unter
Bedingungen übermäßiger Gleichspannung
in beiden Richtungen fließt,
während
gleichzeitig für
einen Betrieb in Reihenschaltung, dem normalen Betriebsmodus, ein Stromfluss
in nur einer Richtung (nur vom Source- zum Drain-Anschluss) gestattet
wird.
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Demgegenüber können bei
einer jeweiligen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der die entsprechenden unteren und
oberen Wicklungen in Bezug aufeinander in Phase sind, die unteren Wicklungen zweier
Phasen durch drei MOSFETs mit der der dritten Phase entsprechenden
oberen Wicklung verbunden sein. Jeder der drei MOSFETs ist mit dem
Drain-Anschluss der anderen beiden MOSFETs verbunden. Der Gate-Anschluss
eines MOSFET wird durch eine Gate-Steuerschaltung gesteuert, die
die Wicklungen in Reihe oder parallel betreibt. Die Gate-Anschlüsse der
anderen beiden MOSFETs werden durch Gate-Steuerschaltungen gesteuert, die gestatten,
dass unter Bedingungen übermäßiger Gleichspannung
Strom in beiden Richtungen fließt, während im
normalen Betriebsmodus einer Reihenschaltung ein diodenartiges Verhalten
(unidirektionaler Stromfluss) gestattet wird.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Verweis auf die
beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 ein
Schaltungsdiagramm einer durch drei Thyristoren verbundenen herkömmlichen
Dreiphasenschaltung nach dem Stand der Technik ist;
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2 eine
schematische Zeichnung des Diagramms der vorliegenden Erfindung
ist, die den Betrieb von zwei MOSFETs in einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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3 ein
detailliertes Schaltungsdiagramm ist, das die erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgenommen die Gate-Steuerschaltungen
zeigt; und
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4A ein
Schaltungsdiagramm ist, das eine zweite Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt, in der die beiden Thyristoren durch drei MOSFETs
ersetzt sind; und
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4B ein
Schaltungsdiagramm einer Schaltung nach dem Stand der Technik ist,
der 4A äquivalent
ist.
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Bezugnehmend
nun auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 eine herkömmliche
Dreiphasenschaltung. In 1 sind entsprechende untere und
obere Wicklungen 2 und 4 durch Thyristoren 6, 8 und 10 miteinander
verbunden. Die oberen und unteren Wicklungen sind in Bezug aufeinander
um 180 Grad außer
Phase. Wenn sie kontinuierlich gepulst werden, arbeiten die Thyristoren
als Dioden, und die Wicklungen arbeiten in Reihe. Wenn die Thyristoren nicht
gepulst werden, arbeiten die Wicklungen parallel. Diodenbrücken 12 und 14 richten
die Wechselstromsignale gleich, um eine Gleichstromabgabe zu erzeugen.
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2 zeigt
ein schematisches Diagramm der Steuerschaltung der vorliegenden
Erfindung. Wie man erkennen kann, umfaßt sie zwei MOSFETs 16 und 18 (die
mit ihrer jeweiligen Körperdiode
(body diode) dargestellt sind), welche die Schaltung in Reihe oder
parallel betreiben, um einen Stromfluß in beide Richtungen der Schaltung
zu erlauben. In 2 sind zwei N-Kanal-MOSFETs 16, 18 durch
ihre Source-Anschlüsse
(20) miteinander verbunden, obgleich sie auch durch ihre
Drain-Anschlüsse verbunden sein
können.
Eine Steuerung der Gates der MOSFETs 22 und 24 wird
von zwei Gate-Steuerschaltungen 23 und 25 durchgeführt. Diese
Steuerung bestimmt, ob die Schal tung im Reihen- oder Parallel-Modus
arbeitet, und ermöglicht,
dass die MOSFETs Strom in beide Richtungen leiten. Die erste Gate-Steuerschaltung 23 steuert
das Gate 22 des MOSFET 16, so dass es nur AN ist,
wenn der Stromfluß durch
ihn von der Source zum Drain erfolgt. Folglich wird ein Stromfluß in der
Verbundvorrichtung normalerweise nur in der Richtung des Pfeils
gestattet. Die zweite Gate-Steuerschaltung 25 steuert das Gate 24 des
MOSFET 18, so dass es hoch ist, wann immer die MOSFET-Schalterkombination
als Diode fungieren soll. Unter Bedingungen einer übermäßigen Spannung
sind sowohl 22 als auch 24 hoch, was einen Stromfluß in beide
Richtungen über
die Verbundvorrichtung ermöglicht.
Die MOSFET-Schalterkombination der vorliegenden Erfindung kann auch geschaffen
werden, indem statt der Sources die Drains der beiden MOSFETs miteinander
verbunden werden.
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3 veranschaulicht
im Detail die Steuerschaltung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. In 3 ist gezeigt, dass ein Generator 30 zwei
Sätze dreiphasiger
EMF-Quellen 32 mit Phaseninduktivitäten 34 und Reihenwiderständen 36 aufweist.
Die oberen EMF-Quellen
sind bezüglich
der entsprechenden unteren EMF-Quellen 180 Grad außer Phase.
Gleichrichterbrücken 38 und 40 umfassen
je sechs Dioden.
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Eine
Steuerschaltung 42 für
eine Phase AA≌ ist
innerhalb des gestrichelten Rechtecks dargestellt, und es versteht
sich, dass eine ähnliche
Steuerschaltung zwischen den anderen beiden Phasen vorgesehen ist.
Wie man weiter erkennen kann, sind die Drain-Anschlüsse der
beiden MOSFETs 44 und 46 miteinander (49)
verbunden. Der Gate-Anschluß des MOSFET 44 wird
durch eine Steuerschaltung 48 für Reihen-Parallel-Modus gesteuert,
die basierend auf der Generatordrehzahl und Ausgangsleistung bestimmt,
ob die Schaltung in Reihe oder parallel arbeitet. Der Gate-Anschluß des MOSFET 46 wird
durch eine synchrone Gleichrichtersteuerschaltung 50 gesteuert,
die ermöglicht,
dass die Schaltung unter Bedingungen übermäßiger Spannung Strom in beide Richtungen
leitet. Diese Steuerschaltungen sind gemäß einem beliebigen, dem Fachmann
bekannten elektronischen Mittel aufgebaut. Vorspannungsleistung
für die
Gate-Steuerung des Steuerschalters 48 für Reihen-Parallel-Modus wird
von der Rückwärtsspannung über eine
Diode 52 durch eine Diode 54, einen Widerstand 56 und
einen Kondensator 57 abgeleitet, die dazu dienen, diese
Spannung zu halten, wenn die Diode 52 leitet. Ähnlich wird
ein synchroner Gleichrichtersteuerschalter 50 über eine
Diode 59, einen Widerstand 58 und Kondensator 70 gespeist. Vorspannungsleistung
für die
Gate-Steuerschaltungen kann auch von getrennten herkömmlichen
Leerlaufversorgungen (floating supplies) abgeleitet werden, wie
in der Technik bekannt ist. Obgleich diese Diskussion auf Phase
A beschränkt
wurde, versteht sich, dass ähnliche
Steuerschaltungen die Phasen B und C steuern.
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4A veranschaulicht
ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, in der für
zwei Thyristoren drei MOSFETs ersetzt worden sind, wobei es sich
versteht, dass die Details der Schaltung 3 ähnlich sind.
In diesem Fall erkennt man, dass die untere Wicklung mit der entsprechenden
oberen Wicklung in Phase ist. Statt zwei Thyristoren zu verwenden,
sind die unteren Wicklungen, die zwei Phasen entsprechen, durch
drei MOSFETs 60, 62 und 64 mit der der dritten
Phase entsprechenden oberen Wicklung verbunden. Jeder der drei MOSFETs
ist mit dem Drain der anderen beiden MOSFETs verbunden. Die MOSFET-Steuerschaltungskombination
könnte
auch geschaffen werden, indem statt der Drain-Anschlüsse die
Source-Anschlüsse
der drei MOSFETs miteinander verbunden werden. Die Funktion der
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der ersten ähnlich, und es versteht sich,
dass die Details der Schaltung ähnlich
sind. Der Gate-Anschluß des MOSFET 64 wird
durch eine Steuerschaltung 65 für Reihen-Parallel-Modus gesteuert.
Die Gate-Anschlüsse
der MOSFETs 60 und 62 werden durch synchrone Gleichrichtersteuerschaltungen 66 bzw. 68 gesteuert.
Die drei MOSFETs werden durch diese Gate-Steuerschaltungen gesteuert,
um die Schaltung in Reihe oder parallel zu betreiben und zu gestatten,
dass unter Bedingungen einer übermäßigen Gleichspannung
Strom in beide Richtungen fließt. 4B zeigt
die Ersatzschaltung.
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Die
vorhergehende Offenbarung soll nur dazu dienen, bestimmte bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung zu veranschaulichen. Es wird in Betracht gezogen,
dass der Fachmann zahlreiche Wege finden kann, um diese Ausführungsformen
abzuwandeln, ohne von Umfang und Geist abzuweichen.