DE102010063041A1

DE102010063041A1 - Generatorvorrichtung mit verbesserter Verpolfestigkeit

Info

Publication number: DE102010063041A1
Application number: DE102010063041A
Authority: DE
Inventors: Richard Spitz; Paul Mehringer; Rolf Jaros; Alfred Goerlach; Markus Baur; Helmut Suelzle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-06-14
Also published as: WO2012079816A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Generatorvorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, welche einen Generator und einen mit dem Generator verbundenen Gleichrichter aufweist. Der Gleichrichter weist zur Verbesserung der Verpolfestigkeit mindestens eine Schottkydiode auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Generatorvorrichtung mit verbesserter Verpolfestigkeit.
Stand der Technik
Bei Wechselstromgeneratoren (Lichtmaschinen) werden zur Gleichrichtung Wechselstrombrücken (Gleichrichter) verwendet. Beispielsweise werden bei 3-phasigen Drehstromsystemen sogenannte B6-Brücken verwendet, die als gleichrichtende Elemente 6 pn-Halbleiterdioden ZD1 bis ZD6 aus Silizium enthalten. Ein derartiger Gleichrichter ist in der 1 gezeigt. Er ist an die Phasenanschüsse U, V und W eines Generators G angeschlossen und ist zusammen mit dem Generator G Bestandteil einer Generatorvorrichtung. Die Halbleiterdioden des Gleichrichters werden üblicherweise als Z-Dioden ausgelegt. Neben 3-phasigen Systemen werden auch Wechselstromgeneratoren mit anderer Phasenzahl verwendet. Die als Gleichrichter verwendeten Brücken sind dann entsprechend aufgebaut. Ein komplettes Generatorsystem enthält neben dem Generator und derb Gleichrichter des Weiteren einen Spannungsregler, mittels dessen sichergestellt wird, dass die vom Gleichrichter gleichgerichtete Spannung einen bestimmten Wert, beispielsweise 14,3 V, aufweist. Ferner weist die Generatorvorrichtung einen Entstörkondensator von beispielsweise 2,2 μF auf, der zwischen den positiven Gleichspannungsanschluss B+ des Gleichrichters und Masse geschaltet ist. Der Regler und der Entstörkondensator sind in der 1 nicht eingezeichnet. Die Z-Dioden sind für einen Betrieb bei hohen Strömen in Flussrichtung mit Stromdichten bis etwa 500 A/cm² und hohen Temperaturen ausgelegt. Typischerweise beträgt der Spannungsabfall in Flussrichtung, die Flussspannung UF, bei den verwendeten hohen Strömen etwa 1 Volt. Bei Betrieb in Sperrrichtung fließt dagegen nur ein sehr kleiner Sperrstrom IR bis zu einer Durchbruchsspannung UZ.
Die Dioden werden in der Regel in spezielle Gehäuse, sogenannte Einpressgehäuse, montiert, wie es in der DE 195 49 202 B4 beschrieben ist. Einpressdioden weisen auf der einen Seite einen mit einer Rändelung versehenen Einpresssockel auf, der in eine entsprechende Aussparung einer Gleichrichteranordnung eingepresst ist. Der Einpresssockel übernimmt dabei gleichzeitig eine dauerhafte thermische und elektrische Verbindung der Gleichrichterdiode mit der Gleichrichteranordnung. Die andere Seite weist einen Anschlussdraht auf, der elektrisch beispielsweise durch Löten oder Schweißen fest mit anderen Komponenten des Gleichrichters kontaktiert ist.
Einpressdioden werden seit vielen Jahren als robuste, zuverlässige und günstige Dioden in Gleichrichtern von Kraftfahrzeug-Generatoren eingesetzt. In der Praxis werden aber des öfteren unzulässige Eingriffe und Veränderungen am Bordnetz eines Kraftfahrzeugs vorgenommen. So kommt es beispielsweise bei Reparatur- und Wartungsarbeiten gelegentlich vor, dass versucht wird, die Batterie des jeweiligen Kraftfahrzeugs mit falscher Polarität anzuschließen. Dann fließt ein sehr hoher Strom von der Plusklemme der Batterie über die nun in Durchlassrichtung gepolten Dioden. Da dabei die Batterie außer mit Leitungs- und Übergangswiderständen nur mit den beiden Durchlassspannungen der Dioden des Gleichrichters belastet wird, fließt ein sehr hoher Strom. Die erzeugte Verlustleistung erhöht die Temperatur an den Dioden bis zu Ihrer Zerstörungsgrenze.
Eine dauerhafter Betrieb bei verpolter Batterie ist deshalb prinzipiell nicht möglich. Allerdings wird im Allgemeinen zumindest gefordert, dass die Generatorvorrichtung eine kurzfristige Verpolung übersteht. Beispielsweise wird für einen Gleichrichter gefordert, dass er für eine Dauer von 5 Sekunden eine Verpolung bei 600 A unbeschadet übersteht.
Dabei schützt der Gleichrichter die übrigen elektronischen Systeme des Fahrzeugs dadurch, dass er während der Verpolung die Spannung am Bordnetz auf niedrige Werte begrenzt. Beispielsweise wird angestrebt, dass bei einer Verpolung während einer Dauer von 100 ms nur eine Spannung von bis zu 2 V am Bordnetz auftritt.
Von den Spannungsabfällen an den Leitungs- und Übergangswiderständen abgesehen besteht der Spannungsabfall im Wesentlichen aus dem Flussspannungsabfall an den Dioden des Gleichrichters. Dabei sind bei einem 3-phasigen Generator drei Ketten von jeweils zwei in Reihe geschalteten Dioden parallel geschaltet. Bei Generatoren mit anderen Phasenzahlen ist die Anzahl der Ketten entsprechend angepasst.
Bei einem festen Verpolstrom von beispielsweise 600 A ist es günstig, Dioden mit niedriger Flussspannung zu verwenden.
Offenbarung der Erfindung
Eine Generatorvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen weist den Vorteil auf, dass die Verpolfestigkeit der Generatorvorrichtung verbessert ist. Im Vergleich zu bekannten Generatorvorrichtungen wird dabei entweder die Verpolspannung bei fest vorgegebenem Verpolstrom kleiner oder es wird der Verpolstrom, der bei bekannten Generatorvorrichtungen zu einer Zerstörung der Dioden führt, höher.
Dieser Vorteil wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass an Stelle von üblichen Dioden in Gleichrichtern, die eine pn-Halbleiterstruktur darstellen, Schottkydioden mit niedriger Flussspannung eingesetzt werden. Insbesondere wird vorgeschlagen eine besonders vorteilhafte Trench-MOS-Barrier-Schottkydiode (TMBS) – also eine Kombination von Schottky-Diode und Trench-MOS-Struktur – zu verwenden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Flussspannung niedriger als bei pn-Dioden eingestellt werden kann. Beispielsweise kann eine Flussspannung um 20%–40% niedriger als bei herkömmlichen pn-Dioden gewählt werden.
Die 2 zeigt als ein erstes Ausführungsbeispiel ein Schaltbild des Gleichrichters einer verpolfesten 3-phasigen Generatorvorrichtung. Dabei sind anstelle der üblichen pn-Dioden Schottkydioden S1 bis S6 mit niedrigeren Flussspannungen eingesetzt. Im Verpolfall ist deshalb der Spannungsabfall am Gleichrichter geringer. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, an Stelle von einfachen Schottkydioden Trench-MOS-Barrier-Schottkydioden (TMBS) zu verwenden. TMBS-Dioden weisen eine geringere Spannungsabhängigkeit des Sperrstromes auf als einfache Schottkydioden. Die TMBS- bzw. Schottkydioden sind dabei wiederum in vorteilhafter Weise in Einpressdiodengehäusen verpackt. Infolge des geringeren Spannungsabfalls ist bei gleichbleibendem Strom auch der Leistungsabfall an den Dioden geringer. Die negative Spannung am Bordnetz ist damit geringer, d. h. die restliche Bordnetzelektronik wird besser geschützt. Außerdem kann der Gleichrichter länger im Verpolfall betrieben werden, bevor Schäden an den Dioden auftreten.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer verpolfesten Generatorvorrichtung ist in der 3 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Gleichrichter der Generatorvorrichtung um einen Synchrongleichrichter. Bei einem Synchrongleichrichter sind die Dioden durch aktive Leistungsschalter ersetzt, die als Chip realisiert sind. Als Leistungsschalter sind bei diesem Ausführungsbeispiel n-Kanal MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) vorgesehen. Im Gegensatz zu Dioden benötigt ein Synchrongleichrichter noch eine Elektronik zur Ansteuerung der Transistoren. Diese Ansteuerelektronik ist in der 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.
In den MOS-Transistorchips T1 bis T6 sind sogenannte Inversdioden integriert. Sie stellen pn-Dioden dar und begrenzen die Spannung im Falle einer Verpolung ebenfalls. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist den Transistoren T1 bis T6 jeweils eine TMBS-Diode S1 bis S6 parallel geschaltet. Dabei können die Dioden thermisch besonders vorteilhaft wiederum in Einpressdiodengehäusen verpackt sein. Abhängig von der Montageart der Transistoren sind natürlich auch andere Verpackungsarten möglich. Im Falle einer Verpolung fällt ebenso wie beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel nur die geringe Flussspannung an den TMBS-Dioden ab.
In einem dritten Ausführungsbeispiel, das nicht in den Figuren dargestellt ist, werden als Transistoren MOSFETs verwendet, bei denen Inversdioden in TMBS-Technik integriert sind. Solche MOSFETs werden auch als Syncfet bezeichnet und sind beispielsweise als solche in der US 2005/0199918 A1 beschrieben.
Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel wird eine Generatorvorrichtung verwendet, wie sie in der 4 gezeigt ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden Verpolschutzdioden S7 und S8 in besonders vorteilhafter Weise direkt zwischen den positiven Gleichspannungsanschluss B+ des Gleichrichters und Masse geschaltet. Im gezeigten Beispiel sind dabei zwei Schottky- oder TMBS-Dioden S7 und S8 parallel geschaltet. Natürlich können auch weniger oder mehr als 2 Dioden parallel geschaltet sein.
Gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel ist es in einer Anordnung, wie sie in der 4 gezeigt ist, sogar möglich, an Stelle von Schottkydioden gewöhnliche pn-Dioden einzusetzen, da im Verpolfall keine Reihenschaltung von zwei Flussspannungen, sondern nur eine Flussspannung an der Batterie anliegt.
Selbstverständlich sind entsprechende Anordnungen auch für Generatoren mit anderer Phasenzahl möglich.
Des Weiteren kann anstelle einer Trench-MOS-Barrier-Schottkydiode (TMBS) in ähnlich vorteilhafter Weise auch eine sogenannte Trench-Junction-Barrier-Schottky-Diode (TJBS) verwendet werden, wie sie als solche in der DE 10 2004 053 761 A1 beschrieben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19549202 B4 [0003]
US 2005/0199918 A1 [0014]
DE 102004053761 A1 [0018]

Claims

Generatorvorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, welche einen Generator und einen mit dem Generator verbundenen Gleichrichter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter zur Verbesserung, der Verpolfestigkeit mindestens eine Schottkydiode aufweist.
Generatorvorrichtung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussspannung der Schottkydiode kleiner ist als die Flussspannung einer pn-Diode.
Generatorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussspannung der Schottkydiode im Bereich zwischen 0,5 V und 0,7 V liegt.
Generatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schottkydiode eine Trench-MOS-Barrier-Schottkydiode oder eine Trench-Junction-Barrier-Schottkydiode ist.
Generatorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schottkydiode eine Schottky-Barriere im Bereich von 0,65 eV bis 0,7 eV aufweist.
Generatorvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schottkydiode ein Schottky-Barrieremetall aus Nickel oder Nickelsilicid enthält.
Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 4–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schottkydiode Gräben aufweist, die eine Tiefe von 0,5 μm bis 2 μm haben und der Abstand zwischen benachbarten Gräben zwischen 0,3 μm und 1 μm liegt.
Generatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter zur Verbesserung der Verpolfestigkeit mehrere Schottkydioden aufweist, die unterschiedliche Barrierenhöhen und/oder unterschiedliche Flussspannungen aufweisen.
Generatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter zur Verbesserung der Verpolfestigkeit mehrere verschiedenartige Schottkydioden aufweist.
Generatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter ein Synchrongleichrichter ist, der mehrere Transistorschalter aufweist, wobei einem, mehreren oder allen Transistorschaltern eine Schottkydiode parallel geschaltet ist.
Generatorvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Transistorschalter in einem Halbleiterchip realisiert ist und dem Transistorschalter die Schottkydiode im Halbleiterchip parallel geschaltet ist.
Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schottkydiode zwischen einem positiven Gleichspannungsanschluss (B+) des Gleichrichters und Masse geschaltet ist.
Generatorvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen dem positiven Gleichspannungsanschluss (B+) und Masse geschalteten Schottkydiode weitere Schottkydioden parallel geschaltet sind
Generatorvorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, welche einen Generator und einen mit dem Generator verbundenen Gleichrichter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter zur Verbesserung der Verpolfestigkeit mindestens eine pn-Diode aufweist, die zwischen dem positiven Gleichspannungsanschluss (B+) und Masse geschaltet ist.