DE102007060231A1

DE102007060231A1 - Generator mit Gleichrichteranordnung

Info

Publication number: DE102007060231A1
Application number: DE102007060231A
Authority: DE
Inventors: Alfred Goerlach; Markus Baur
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2009-06-18
Also published as: JP2011519543A; CN101897112A; JP5049392B2; WO2009077369A1; US20100259137A1; US9172310B2; CN101897112B

Abstract

Es wird ein Generator, beispielsweise ein Drehstromgenerator mit einer zugeordneten Gleichrichteranordnung beschrieben, der beispielsweise zur elektrischen Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs dient. Die vom Generator erzeugte Wechselspannung wird mit Hilfe der Gleichrichteranordnung mit mehreren gleichrichtenden Elementen 2 bzw. 7 gleichgerichtet. Wesentlich ist, dass die gleichrichtenden Elemente 2 des Gleichrichters mehrere Reihenschaltungen eines selbstleitenden n-Kanal JFETs und eines selbstleitenden p-Kanal JFETs aufweisen, wobei die Gateanschlüsse mit den äußeren Source- bzw. Drainkontakten des jeweils anderen Transistors verbunden sind. Alternativ können die selbstleitenden JFETs aus dem gleichrichtenden Element 2 in Figur 1 durch selbstleitende MOS-Feldeffekttransistoren (Depletion MOSFET) ersetzt werden. Der p-Kanal JFET des Ausführungsbeispiels nach Figur 1 ist dabei durch einen selbstleitenden p-Kanal MOSFET und der n-Kanal JFET durch einen selbstleitenden n-Kanal MOSFET ersetzt. Wieder erfolgt die Verschaltung der Gateanschlüsse zu den gegenüberliegenden äußeren Anschlüssen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Generator mit einer zugehörigen Gleichrichteranordnung, insbesondere einen Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge.
Zur elektrischen Spannungs- bzw. Stromversorgung für die Verbraucher eines Kraftfahrzeugs werden üblicherweise Drehstromgeneratoren eingesetzt. Diese Drehstromgeneratoren sind mit drei- oder mehr Phasen ausgeführt. Zur Erzeugung der benötigten Gleichspannung bzw. des benötigten Gleichstroms umfassen die eingesetzten Generatoren bzw. Drehstromgeneratoren Gleichrichter mit gleichrichtenden Elementen, die bei einem Dreiphasengenerator üblicherweise aus sechs pn-Dioden aus Silizium bestehen. Üblicherweise werden die Dioden in ein Einpressdiodengehäuse verpackt und in dafür vorgesehene Öffnungen des Gleichrichters eingepresst. Solche Einpressdioden sind beispielsweise aus der DE-195 49 202 A bekannt.
Konventionelle Gleichrichter mit wie vorstehend ausgestalteten Dioden haben Durchlassverluste, die von den unumgänglichen Flussspannungen der pn-Dioden verursacht werden. Damit einher geht eine Wirkungsgradverschlechterung des Generators. Da im Mittel immer zwei Dioden in Reihe geschaltet sind, betragen die mittleren Durchlassverluste bei einem 100 Ampere-Generator ca. 200 Watt. Die durch diese Verluste verursachte Aufheizung der Dioden bzw. des Gleichrichters muss durch aufwendige Kühlmaßnahmen, beispielsweise einen geeigneten Kühlkörper sowie einen zugehörigen Lüfter verringert werden.
Eine deutliche Reduzierung des Spannungsabfalls und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades eines Generators kann durch Verwendung von Leistungsfeldeffekttransistoren anstatt Dioden erzielt werden. Diese Leistungsfeldeffekttransistoren müssen, damit sie als Gleichrichter arbeiten, aktiv angesteuert werden. Eine solche aktive Gleichrichtung ist wesentlich aufwändiger als eine einfache Diodengleichrichtung bei herkömmlichen Gleichrichtern, da bei aktiver Gleichrichtung eine zusätzliche Ansteuerelektronik benötigt wird. Dabei ist auch die thermisch-mechanische Auslegung des Generators beim Einsatz von Leistungsfeldeffekttransistoren gegenüber herkömmlichen Generatoren vollkommen neu zu gestalten.
Der erfindungsgemäße Generator mit zugehörender Gleichrichteranordnung mit den vorteilhaften gleichrichtenden Elementen hat demgegenüber den Vorteil, dass der Spannungsabfall an den gleichrichtenden Elementen deutlich geringer ausfällt als bei gewöhnlichen Diodengleichrichtern mit pn-Siliziumdioden. Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann im Prinzip ein beliebig niedriger Spannungsabfall wie er sonst nur mit Feldeffekttransistoren erzielt werden könnte, erreicht werden. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber Diodengleichrichtern, bei denen aus prinzipiellen Gründen mindestens die Flussspannung bzw. Diffusionsspannung von ca. 0,8 Volt aufgebracht werden muss.
Die vorteilhafter Weise aus zwei Halbleiterchips bestehende Gleichrichteranordnung als Bestandteil eines Generators kann in besonders vorteilhafter Weise in einem Gehäuse, vorzugsweise in einem Einpressdiodengehäuse verpackt werden, damit kann auf aufwendige Um- oder Neukonstruktionen des Generators bzw. des zugeordneten Gleichrichters verzichtet werden und es lassen sich herkömmliche Generatoren so weiterbilden bzw. verbessern, dass sie mit geringeren Verlusten arbeiten. Mit dem erfindungsgemäßen Generator sowie der zugeordneten Gleichrichteranordnung wird also in vorteilhafter Weise der Generatorwirkungsgrad erhöht und infolge der geringeren Verluste werden die maximal auftretenden Temperaturen reduziert, ohne dass die mechanische Konstruktion des Generators bzw. Gleichrichters gegenüber herkömmlicher Generatoren bzw. Gleichrichtern geändert werden muss.
Offenbarung der Erfindung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im Einzelnen zeigt 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Generators mit zugeordnetem Gleichrichter im Schaltbild. 2 zeigt den Aufbau und die Verschaltung eines gleichrichtenden Elements. In 3 Ist die elektrische Kennlinie eines gleichrichtenden Elements nach 2 in willkürlichen Einheiten dargestellt und 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schaltbild.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Generators samt zugehöriger Gleichrichteranordnung mit den erfindungsgemäßen gleichrichtenden Elementen dargestellt. Dabei bezeichnet 1 einen in Sternschaltung betriebenen Drehstromgenerator mit den Phasen bzw. Wicklungen U, V und W und der rotierbaren Erregerwicklung E. Als Generator bzw. Drehstromgenerator 1 kann beispielsweise ein für Kfz-Generatoren üblicher Klauenpolgenerator Verwendung finden. Es sind aber auch andere Generatoren, auch solche mit mehr als drei Phasenwicklungen möglich. Auch eine andere elektrische Verschaltung innerhalb des Generators, wie beispielsweise eine Dreieckverschaltung ist möglich.
Wesentlich ist, dass das gleichrichtende Element 2, das einer Diode bei einem herkömmlichen Generator entspricht, einen speziellen Aufbau aufweist. Beispielsweise besteht das gleichrichtende Element 2 aus einer Reihenschaltung eines selbstleitenden n-Kanal JFETs (Junction Field-Effect Transistor) und eines selbstleitenden p-Kanal JFETs besteht, bei dem die Gateanschlüsse auf die jeweiligen Drain- bzw. Sourceanschlüsse des anderen JFETs, die den Kontakt nach außen darstellen, verschaltet sind. Die Kontakte nach außen sind die Anode A bzw. die Kathode K. Die Verschaltung der sechs gleichrichtenden Elemente 2 mit dem Drehstromgenerator bzw. dessen Phasen bzw. Wicklungen U, V, W ist der 1 zu entnehmen. Zwischen dem Ausgang + und Masse entsteht die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Generators, die zur Versorgung der Bordnetzverbraucher und zur Ladung der Batterie (jeweils nicht dargestellt) dient.
Beide Transistoren eines gleichrichtenden Elements 2 können in einem Gehäuse verpackt und verschaltet werden. Besonders vorteilhaft ist die Verpackung der Transistoren in einem herkömmlichen Einpressdiodengehäuse.
Der Aufbau und die Verschaltung eines gleichrichtenden Elements 2 mit zwei Junction Field-Effect Transistoren (JFET) ist schematisch in 2 aufgezeigt. Die beiden Anschlüsse des gleichrichtenden Elements 2 werden mit Anode A und Kathode K bezeichnet. Der n-Kanal JFET ist mit 3 und der p-Kanal JFET ist mit 4 bezeichnet. 5 und 6 bezeichnen die jeweiligen Gateanschlüsse. Die Drain- und Sourceanschlüsse sind in der Darstellung nicht mit einem Bezugszeichen versehen.
Das elektrische Verhalten einer Anordnung bzw. eines gleichrichtenden Elements gemäß 2 ist in 3 illustriert. Bei Anlegen einer positiven Spannung an den Anschluss bzw. die Anode A des gleichrichtenden Elements 2 verhält dieses sich wie ein sehr niederohmiger Widerstand. Der Spannungsabfall ist also gering. Bei sehr hohen Strömen werden die Gate-pn-Übergänge schließlich in den Durchlassbetrieb getrieben und es ergibt sich eine Diodenkennlinie. Allerdings ist dieser Betriebszustand nicht vorteilhaft, die Bauelemente werden daher so ausgelegt, dass der Spannungsabfall deutlich kleiner als eine Flussspannung bleibt.
Bei Anlegen einer negativen Spannung an den Anschluss bzw. die Anode A eines gleichrichtenden Elements 2 verhält sich dieses im ersten Moment ebenfalls wie ein sehr niederohmiger Widerstand. Allerdings wird der Strom mit zunehmender Spannung begrenzt und fällt dann schnell auf einen vernachlässigbaren Sperrstrom ab (Rückkopplung), durch geeignete Auslegung der JFETs kann beispielsweise ab 1 Volt Sperrspannung der Strom abgeschaltet sein. Eine weitere Erhöhung der Spannung hat keinen Stromanstieg zur Folge. Bei einer Spannung, die der Summe der Gate-Source- bzw. Gate-Drain-Durchbruchspannung der JFETs entspricht, tritt der bei pn-Übergängen bekannte Avalanchedurchbruch auf, der einen weiteren Spannungsanstieg verhindert. Dieser Betriebsmodus kann wie bei Zenerdioden in Vorteilhafterweise zur Begrenzung der Generatorspannung im Load-Dump-Fall verwendet werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 4 als Schaltbild dargestellt. Dabei sind die selbstleitenden JFETs aus des gleichrichtenden Elements 2 in 1 durch selbstleitende MOS-Feldeffekttransistoren (Depletion MOSFET) ersetzt. Die zugehörige Gleichrichteranordnung ist in 4 gezeigt, mit den gleichrichtenden Elementen 7. Der p-Kanal JFET des Ausführungsbeispiels nach 1 ist durch einen selbstleitenden p-Kanal MOSFET und der n-Kanal JFET durch einen selbstleitenden n-Kanal MOSFET ersetzt. Wieder erfolgt die Verschaltung der Gateanschlüsse zu den gegenüberliegenden äußeren Anschlüssen analog zur Verschaltung der Gleichrichteranordnung mit den gleichrichtenden Elementen 2 in 1 bzw. 7 in 4. Auch diese beiden Transistoren können gemeinsam in einem Gehäuse, beispielsweise in einem Einpressdiodengehäuse montiert werden. Es werden beim Zusammenbau mit einem (herkömmlichen) Drehstromgenerator wiederum keine wesentlichen Änderungen erforderlich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19549202 A [0002]

Claims

Generator mit zugeordneter Gleichrichteranordnung zum Gleichrichten der vom Generator erzeugten Wechselspannung, wobei die Gleichrichteranordnung Reihenschaltungen von gleichrichtenden Elementen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichrichtenden Elemente (2) aus einer Reihenschaltung eines selbstleitenden n-Kanal Junction Field-Effect Transistor JFETs und eines selbstleitenden p-Kanal Junction Field-Effect Transistor JFETs bestehen, bei denen die Gateanschlüsse mit den äußeren Source- bzw. Drainkontakten des jeweils anderen Junction Field-Effect Transistors in Verbindung stehen.
Generator mit zugeordneter Gleichrichteranordnung zum Gleichrichten der vom Generator erzeugten Wechselspannung, wobei die Gleichrichteranordnung Reihenschaltungen von gleichrichtenden Elementen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichrichtenden Elemente (7) aus einer Reihenschaltung eines selbstleitenden (Depletion) n-Kanal MOSFETs und eines selbstleitenden p-Kanal MOSFETs besteht, wobei jeweils die Gateanschlüsse mit den äußeren Source- bzw. Drainkontakten des jeweils anderen MOSFETs in Verbindung stehen.
Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine integrierte Spannungsbegrenzung als Load-Dump-Schutz vorhanden ist.
Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsspannung er integrierten Spannungsbegrenzung der Summe der Sperrspannungen der beiden Junction Field-Effect Transistor JFETs oder MOSFETs entspricht.
Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichrichtenden Elemente (2) oder (7) in einem zweipoli gen Einpressdiodengehäuse integriert sind.
Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator drei Phasenstränge aufweist und entsprechend sechs gleichrichtende Elemente (2, 7) vorhanden sind.
Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator mehr als drei Phasenstränge aufweist und entsprechend mehr als sechs gleichrichtende Elemente (2, 7) vorhanden sind.