DE102012207654A1 - Motor vehicle-generator device has generator stabilizer, generator, rectifier and protection arrangement for noise suppression, where protection arrangement is formed such that suppresses short, low-power noise pulse - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeug-Generatorvorrichtung mit einer Schutzanordnung zur Störsignalunterdrückung.The invention relates to a motor vehicle generator device with a protective device for noise suppression.
(Stand der Technik)(State of the art)
Generatorvorrichtungen, welche zur Bereitstellung einer im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs benötigten Gleichspannung vorgesehen sind, sind bereits bekannt. Derartige Generatorvorrichtungen weisen einen Generatorregler, einen Generator und einen Gleichrichter auf, der die vom Generator erzeugte Wechselspannung in der Regel unter Verwendung von Gleichrichterdioden in eine Gleichspannung umwandelt. Beispielsweise werden die Wechselspannungen der drei Phasen eines Drehstromgenerators mittels sechs Dioden, die als sogenannte B6-Brücke verschaltet sind, in Gleichspannung umgewandelt. Die Ausgangsspannung UB+ eines Generators wird üblicherweise mittels eines Generatorreglers geregelt. Sie ist abhängig von mehreren Einflussgrößen, zu denen die Drehzahl, die elektrische Belastung, der Ladezustand der Batterie und die Temperatur gehören. Diese Regelung erfolgt über eine Anpassung des durch die Erregerwicklung des Generators fließenden Erregerstromes, beispielsweise über eine Änderung des Tastverhältnisses (Pulsweitenmodulation oder PWM). Generator devices, which are provided for providing a voltage required in the electrical system of a motor vehicle DC voltage, are already known. Such generator devices have a generator controller, a generator and a rectifier, which converts the AC voltage generated by the generator usually using rectifier diodes into a DC voltage. For example, the alternating voltages of the three phases of an alternator are converted into DC voltage by means of six diodes, which are connected as a so-called B6 bridge. The output voltage UB + of a generator is usually controlled by means of a generator regulator. It is dependent on several influencing factors, which include the speed, the electrical load, the state of charge of the battery and the temperature. This regulation takes place via an adaptation of the exciter current flowing through the field winding of the generator, for example via a change of the pulse duty factor (pulse width modulation or PWM).
Die Gleichrichterdioden sind für einen Betrieb bei hohen Strömen bzw. bei Stromdichten bis zu 500 A/cm2 und hohen Temperaturen, beispielsweise einer Sperrschichttemperatur Tj < 225°C, ausgelegt. Typischerweise beträgt der Spannungsabfall in Flussrichtung, die Flussspannung UF, bei den verwendeten hohen Strömen ca. 1 Volt. Bei Betrieb in Sperrrichtung dagegen fließt im Allgemeinen nur ein sehr kleiner Sperrstrom IR bis zu einer Durchbruchsspannung UZ, die je nach Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs etwa 20–40 Volt beträgt. Ab dieser Spannung steigt der Sperrstrom stark an. Ein weiterer Spannungsanstieg wird deshalb verhindert. Die Dioden können im Durchbruch zumindest kurzzeitig mit sehr hohen Strömen belastet werden. Sie werden deshalb zur Begrenzung der überschießenden Generatorspannung bei Lastwechseln bzw. Loaddump eingesetzt. Neben diesen sehr seltenen Loaddump-Ereignissen treten am Ausgang eines Generators oft transiente, leistungsarme Spannungsspitzen bzw. Spikes auf, die beispielsweise aus dem an die Generatorvorrichtung angeschlossenen Bordnetz stammen können. Diese Spikes weisen häufig eine hohe Wiederholfrequenz auf. Auch diese Spannungsspitzen werden durch die Generatordioden begrenzt. The rectifier diodes are designed for operation at high currents or at current densities of up to 500 A / cm 2 and high temperatures, for example a junction temperature Tj <225 ° C. Typically, the voltage drop in the flow direction, the forward voltage UF, at the high currents used is about 1 volt. When operating in the reverse direction, however, generally only a very small reverse current IR flows up to a breakdown voltage UZ, which is about 20-40 volts depending on the vehicle electrical system voltage of the motor vehicle. From this voltage, the reverse current increases sharply. A further increase in voltage is therefore prevented. The diodes can be loaded in the breakthrough at least briefly with very high currents. They are therefore used to limit the excess generator voltage during load changes or load dump. In addition to these very rare load dump events occur at the output of a generator often transient, low-power voltage spikes or spikes, which can come for example from the electrical system connected to the generator system. These spikes often have a high repetition rate. These voltage peaks are also limited by the generator diodes.
In der
Zwischen der Spannung UB+ und der Durchbruchsspannung UZ der Dioden muss ein gewisser Abstand vorliegen, da beim Betrieb eines Generators in gewissen Betriebszuständen auch hohe energiereiche Spannungen über längere Zeit vorkommen (Welligkeit), was zu unzulässig hohen Verlustleistungen in den Dioden führen würde, wenn sie dauerhaft im Durchbruch betrieben würden. Der relativ große Spannungsunterschied zwischen der Spannung UB+ eines Generators von beispielsweise 13,5 V und der Durchbruchsspannung UZ der Dioden von beispielsweise 22 V stellt einen Nachteil dar. Spannungsspitzen können daher bis zu einer Spannung von ungefähr UZ auftreten, ehe sie begrenzt werden. There must be a certain distance between the voltage UB + and the breakdown voltage UZ of the diodes, since during operation of a generator in certain operating states high energy-rich voltages occur over a longer period of time (waviness), which would lead to unacceptably high power losses in the diodes, if they are permanent would be operated in breakthrough. The relatively large voltage difference between the voltage UB + of a generator of for example 13.5 V and the breakdown voltage UZ of the diodes of, for example, 22 V represents a disadvantage. Voltage spikes can therefore occur up to a voltage of approximately UZ before being limited.
Bei Generatoren mit pn-Dioden fällt in Durchlassrichtung an den Dioden die Flussspannung ab. Da der Generatorstrom immer zwei Dioden passieren muss, liegen deshalb immer zwei Flussspannungen vor. Mit den üblicherweise verwendeten pn-Dioden betragen die mittleren Durchlassverluste bei einem 100A-Generator deshalb ca. 200 W. Die damit verbundene Aufheizung von Dioden und Gleichrichter muss durch aufwendige Kühlmaßnahmen (Kühlkörper, Lüfter) verringert werden. In the case of generators with pn diodes, the forward voltage drops at the diodes in the forward direction. Since the generator current must always pass through two diodes, there are therefore always two forward voltages. With the commonly used pn diodes, the average forward losses for a 100A generator are therefore about 200 W. The associated heating of diodes and rectifiers must be reduced by expensive cooling measures (heat sink, fan).
Zur Reduktion der Durchlassverluste können statt der pn-Dioden spezielle Schottkydioden mit niedriger Flussspannung – im Folgenden als Hocheffizienzdioden oder HEDs bezeichnet – eingesetzt werden. Damit lassen sich die Diodenverluste um etwa 40% reduzieren. Die Generatoreffizienz steigt dadurch an. Zur Reduzierung des Sperrstroms enthalten HEDs neben dem eigentlichen Schottkykontakt zusätzliche Strukturen. Als besonders günstig hat sich eine Anordnung erwiesen, die als Trench-MOS-Barrier-Schottkydiode (TMBS) bezeichnet wird. Ein Nachteil derartiger Dioden besteht darin, dass die Sperrspannung bei Betrieb im Durchbruch ansteigt und dass dieser Betriebsfall nur eine begrenzte Zeit, bezogen auf die Lebensdauer des Bauelementes, gestattet ist. Der Aufbau und die Funktionsweise derartiger Dioden sind beispielsweise in der
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Kraftfahrzeug-Generatorvorrichtung vorgeschlagen, die in vorteilhafter Weise kurze, leistungsarme Spannungsspitzen (Spikes) auf Spannungen unterhalb der Durchbruchsspannung der Loaddumpschutzelemente des Gleichrichters, bei denen es sich vorzugsweise um HEDs handelt, begrenzt, so dass die HEDs nur im Fall von hohen, leistungsstarken – dafür aber selteneren – Spannungsanstiegen (Loaddump) belastet werden. Dadurch wird das System gegenüber sehr häufig auftretenden Spannungsspitzen geschützt, ohne dass dadurch die Durchbruchsspannung der Dioden ansteigt. Unabhängig davon, ob als Gleichrichterdioden HEDs, PSDs oder übliche pn-Begrenzerdioden eingesetzt werden, werden leistungsarme Spannungsspitzen zudem auf Werte begrenzt, die niedriger sind als die Durchbruchsspannung UZ der Dioden.According to the present invention, a motor vehicle generator device is proposed which advantageously limits short, low-power spikes to voltages below the breakdown voltage of the load dump protection elements of the rectifier, which are preferably HEDs, such that the HEDs only in the case high, powerful - but less frequent - voltage increases (load dump) are burdened. This protects the system from very common voltage spikes without increasing the breakdown voltage of the diodes. Regardless of whether HEDs, PSDs or conventional pn-limiter diodes are used as rectifier diodes, low-power voltage peaks are also limited to values that are lower than the breakdown voltage UZ of the diodes.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der
Ein Ausführungsbeispiel für eine Kraftfahrzeug-Generatorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Form eines vereinfachten Schaltbildes in der
Die Schutzanordnung
Die Dimensionierung der Spannung UZS, bei welcher der Durchbruch der Schutzdiode
Dabei ist berücksichtigt, dass zwischen der Generatorspannung UB+ und der Durchbruchsspannung UZ der Dioden D1 bis D6 wegen des 2. Kirchoffschen Gesetzes die folgende Beziehung gilt:
Die
Je nach Toleranzlage der Durchbruchsspannung UZ beginnen die Dioden D1 bis D6 zwischen einem Durchbruchsstrom IZ von 27,3 mA und 100 mA durchzubrechen. Bei Störimpulsen, die zu kleineren Strömen führen, wird die Überspannung von der Schutzanordnung
Die Schutzdiode
Alternativ zur Ausführung der Schutzdiode als pn-Klammerdiode (Z-Diode) können auch andere Elemente zur Spannungsbegrenzung wie beispielsweise ein MOSFET mit Spannungsbegrenzung oder PSDs eingesetzt werden. As an alternative to the design of the protective diode as a pn-clamp diode (Zener diode), other voltage limiting elements such as a voltage limited MOSFET or PSDs may be used.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für die Schutzanordnung beschrieben, bei dem die Schutzanordnung
Die Schutzdiode
Als Schutzwiderstand
Am Rand des Chips befindet sich ein umlaufender Bereich
In der
Im Zentrum des Halbleiterscheibchens ist auf der Vorderseite eine flache, vorzugsweise kreisförmige, hoch n+-dotierte Schicht
Die Oberfläche der n-dotierten Siliziumschicht
Weiterhin ist von der Rückseite eine Borschicht
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102010028203 [0007] DE 102010028203 [0007]
- DE 19549202 A1 [0022] DE 19549202 A1 [0022]
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- 2012-05-08 DE DE201210207654 patent/DE102012207654A1/en not_active Ceased
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Nichtlineare Schutzschaltungen. Versuchsanleitung Master ET, Versuch 778. Institut für Theoretische Elektrotechnik - E18 , Technische Universität Hamburg-Harburg, 2011. Stand: 06.04.2011 * |
Nichtlineare Schutzschaltungen. Versuchsanleitung Master ET, Versuch 778. Institut für Theoretische Elektrotechnik – E18 , Technische Universität Hamburg-Harburg, 2011. Stand: 06.04.2011 |
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R016 | Response to examination communication | ||
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R003 | Refusal decision now final |