DE112014006828T5 - Aktiver Gleichrichter für Wechselstromgenerator - Google Patents

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Stojan Markič
Gorazd Modrijan
Robert Reščič
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Abstract

Es ist ein aktiver Gleichrichter einer elektrischen Drehmaschine, insbesondere ein aktiver Gleichrichter für Wechselstromgeneratoren, zum Gleichrichten von Wechselströmen (AC) in Gleichströme (DC) zum Laden von Batterien an Fahrzeugen vorgesehen. Der aktive Gleichrichter weist Leistungs-MOSFET-Transistoren mit einer Detektions- und Antriebsschaltung auf, die allesamt auf einem einzelnen Substrat montiert sind, um ein Halbbrücken-Konfigurations-Modul zu bilden. Eine Anzahl von N Modulen, die zusammengeschaltet sind, dienen als ein N-Phasen-Gleichrichter. Jedes Modul ist derart verbunden, um Ströme von einer Phase der Elektromaschine gleichzurichten, und weist seine eigene Stromversorgung für die enthaltene Antriebsschaltung auf. Die Stromversorgung nimmt den Strom von der Phase auf, welcher gleichgerichtet wird, und arbeitet unabhängig von dem Spannungsregler des Wechselstromgenerators. Die Halbbrückenmodule weisen ein Aluminiumgehäuse mit Kühlrippen auf, die dem Luftstrom ausgesetzt sind, der durch den Wechselstromgenerator strömt. Der aktive Gleichrichter stellt einen verringerten Spannungsabfall bei dem Gleichrichten bereit und erhöht daher die Gesamteffizienz des Wechselstromgenerators.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Der Gegenstand dieser Patentanmeldung bezieht sich auf die Struktur eines aktiven Gleichrichters (hauptsächlich zum Gleichrichten von Wechselströmen von elektrischen Drehmaschinen und insbesondere von Wechselstromgeneratoren vorgesehen), bei welchem Leistungs-MOSFET-Transistoren anstelle von normalerweise verwendeten Leistungsdioden implementiert sind. Die MOSFET-Transistoren stellen einen verringerten Spannungsabfall über den Gleichrichter bereit und erhöhen die Gesamteffizienz des Wechselstromgenerators.
  • Die Erfindung bezieht sich auf die Kategorien: H05K 7/20; H01L23/34; H01L25/07; H02J7/00; H02K11/04; H02M7/12.
  • STAND DER TECHNIK
  • In elektrischen Wechselstrom(AC)-Drehmaschinen, welche in der Funktion von elektrischen Gleichstromgeneratoren verwendet werden, sind in der Regel Dioden integriert, um Wechselströme in die benötigten Gleichströme gleichzurichten. Wechselstromgeneratoren (welche zum Laden von Batterien in Anlassersystemen an Fahrzeugen oder in stationären Geräten, wie zum Beispiel Generatorgruppen oder Ähnlichem, vorgesehen sind) weisen insbesondere Leistungsdioden auf, die in der Gleichrichterschaltung angeschlossen sind. Die Halbleiterleistungsdioden arbeiten mit einem unvermeidbaren Spannungsabfall in dem Bereich von 0,6 V bis 1 V pro Diode in der Vorwärtsleitungsrichtung. Dieser Spannungsabfall stellt einen deutlichen Leistungsverlust dar, während die erzeugten Ströme zu der Batterie oder zu sonstigen elektrischen Lasten geleitet werden. Folglich weisen Wechselstromgeneratoren eine eher niedrige Betriebseffizienz auf, insbesondere jene, die für niedrige Systemspannungen von 14 V oder 28 V vorgesehen sind.
  • Das technische Problem, das wir gerne lösen würden, ist, solch eine Gleichrichterstruktur zu finden, die einen verringerten Spannungsabfall und folglich verringerte Leistungsverluste bei dem Gleichrichten und daher eine bessere Gesamteffizienz aufweisen würde. Zusätzlich ist erwünscht, dass die Struktur des Gleichrichters derart ist, dass er den normalen Diodengleichrichter an demselben Ort an einem Wechselstromgenerator ersetzen würde, ohne die einfache Luftkühlung und vorhandene Halterung zu verändern, um die Produktionskosten der Maschine nicht zu erhöhen.
  • Das Verwenden von MOSFET-Transistoren vorzugsweise vom Typ TOLL (TO-Leadless Package) mit einem ausreichend geringen Widerstand verringert den unerwünschten Spannungsabfall von 0,6 V–1 V auf den Bereich von 0–0,2 V, womit proportional auch Leistungsverluste des Wechselstromgenerators verringert werden und dieser effizienter gemacht wird. Das Montieren von Transistoren an demselben Ort wie Dioden und das Nicht-Verändern der Zwangsbelüftung zur Kühlung ermöglicht es den erneuerten Wechselstromgeneratoren, mit einer niedrigeren Arbeitstemperatur ihrer kritischen Teile (Bürsten, Rotorringe und Lager) zu arbeiten, verringert deren Verschleiß und erhöht folglich die Lebensdauer der Wechselstromgeneratoren.
  • Die Struktur des erfundenen aktiven Gleichrichters ist derart, dass er aus angeschlossenen Modulen besteht, wobei jedes davon eine Halbbrücken-Konfiguration aufweist und die beiden Dioden ersetzt, welche an dieselbe Phase des Generators angeschlossen werden könnten. In der Regel sind drei gleiche Module notwendig, um eine Dreiphasen-Wechselstromgenerator-Gleichrichtung einzurichten. Generatoren mit einer größeren oder kleineren Anzahl an Phasen benötigen eine angemessen größere oder kleinere Anzahl an gleichen Modulen.
  • Jeder MOSFET-Transistor weist seine eigene Antriebs- und Nulldurchgangs-Detektionsschaltung auf, die aus kleinen Signalelektroniken besteht, die in der Nähe des MOSFET zusammengebaut und auf einem einzelnen Substrat mit einem guten Wärmekontakt mit dem Aluminiumgehäuse des Moduls, welches auch ein Wärmeableiter ist, der in dem Luftstrom der Zwangsluftkühlung des Wechselstromgenerators platziert ist, montiert sind. Jedes Modul ist in dem Inneren an die Phase angeschlossen, welche gleichgerichtet wird, und verwendet die Leistung der Phase zum Versorgen der Detektions- und Antriebsschaltung. Dies macht das Modul unabhängig von der Fahrzeugsystemspannung und dem Spannungsregler des Wechselstromgenerators. Das Modul benötigt keinerlei zusätzliche Verbindung. Der Gleichrichter, wie im Folgenden beschrieben, führt nur geringe Veränderungen in den Herstellungsprozess von Wechselstromgeneratoren (oder anderen Generatoren) ein und behält so deren geringen Produktionskosten bei.
  • Es gibt einige bekannte Lösungen für den aktiven Gleichrichter. Ein Beispiel ist in der Patentveröffentlichung US7292445 B2 vorgeschlagen, welche einen Spannungsregler beschreibt, der mit einem aktiven Gleichrichter zum effizienteren Laden der Batterie integriert ist. Die integrierte mehrschichtige Vorrichtung ist auf einer separaten Aluminiumbodenplatte mit Wasserkühlung montiert, und die gesamte Baugruppe ist auf der Seite eines vorhandenen Wechselstromgenerators als eine Erweiterung, welche dessen Gesamtdurchmesser erhöht, montiert.
  • Ein weiteres Beispiel wird in der Patentveröffentlichung US2006151874 vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Lösung besteht aus einer Leistungsschaltung, welche von einem Steuerungsteil gesteuert wird. Alle leistungsleitenden Komponenten der Leistungsschaltung sind Leistungs-MOS-Komponenten und sind in einer gestapelten Konstruktion integriert, in welcher zwei parallele Substrate integriert sind, zwischen welchen die Leistungs-MOS-Komponenten mit Kontakten auf beiden Seiten platziert sind.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung löst die technischen Probleme, die mit einer traditionellen Gleichrichterstruktur verknüpft sind, welche Leistungsdioden mit dem Einführen von Leistungs-MOSFET-Transistoren als deren Ersatz verwendet. Die entsprechende Steuerungsschaltung stellt die Steuersignale bereit, die die Transistoren synchron mit der Wechselausgangsspannung des Elektrogenerators ein- und ausschalten. Der unerwünschte Spannungsabfall in der Vorwärtsleitungsrichtung, der normalweise mit Dioden verknüpft ist, wird detektiert und deutlich reduziert durch Einschalten der MOSFET-Transistoren. Da der Spannungsabfall über dem Halbleiter verringert ist, sind auch die Leistungsverluste über dem Gleichrichter verringert und ist folglich die Gesamtgeneratoreffizienz verbessert. Diese Verbesserung führt auch zu einem Senken der Betriebstemperatur der kritischen Verschleißteile des Wechselstromgenerators.
  • Die Struktur des erfundenen aktiven Gleichrichters ist derart, dass sie aus N angeschlossenen Modulen besteht, wobei jedes davon eine Halbbrücken-Konfiguration aufweist und die beiden Dioden ersetzt, die normalerweise an dieselbe Phase des Generators angeschlossen würden. In der Regel sind drei gleiche Module notwendig, um einen Dreiphasen-Wechselstromgenerator-Gleichrichter zu bilden. Die elektrische Verbindung der Module des Wechselstromgenerators ist identisch zu der Verbindung von herkömmlichen Diodengleichrichtern.
  • Alle Transistoren in einem aktiven Gleichrichter weisen eine identische Nulldurchgangsdetektions- und Antriebsschaltung auf, welche sich auf demselben einzelnen Substrat wie die MOSFET-Transistoren befindet. Zwei Leistungstransistoren in einer Halbbrücken-Konfiguration und zwei Steuerungsschaltungen in deren unmittelbaren Nähe sind auf einem einzelnen Substrat eines Moduls zusammengebaut. Zusammen mit den mechanischen und thermischen Kontakten mit dem Aluminiummodulgehäuse (welches gleichzeitig ein Kühlungselement ist) bilden sie ein Halbbrückenmodul, welches an eine Phase eines Generators angeschlossen ist, und welches seinen Strom gleichrichtet. Unter Verwendung von drei identischen Modulen wird die Gleichrichtungsfunktion eines Dreiphasen-Gleichrichters erreicht. Die modulare Struktur des Gleichrichters ermöglicht die Zusammensetzung von mehrphasigen Gleichrichtern, bei welchen ein Minimum von zwei Modulen für Zwei-Phasen-Systeme und bis zu N Module für N-Phasen-Systeme verwendet werden kann. Zusammengefasst ermöglicht die modulare Struktur die Verwendung von gleichen Modulen für die Konstruktion von Gleichrichterbrücken in Generatoren, die weniger oder mehr als 3 Phasen aufweisen. Ferner kann eine Vorrichtung, die aus zwei solchen Modulen besteht, effizient als ein Gleichrichter für eine nicht-drehende Stromversorgung, wie zum Beispiel ein Niederfrequenztransformator (zum Beispiel zur Verwendung in einem Batterieladegerät) wirken.
  • Ein nicht zu vernachlässigender Vorteil des beschriebenen aktiven Halbbrückenmoduls ist die Kühlung des Moduls und in der Folge auch des gesamten Gleichrichters, welche alleine durch Zwangsluftkühlung durchgeführt werden kann. Dieses Patent umfasst die Beschreibung eines Kühlerelements, das aus Metall besteht, vorzugsweise aber nicht ausschließlich aus Gussaluminium besteht, welches Kühlrippen aufweist, die derart ausgerichtet sind, dass sie parallel zu der Richtung der Wechselstromgeneratorwelle sind, und welches sich in dem Luftstrom des Ventilators des Wechselstromgenerators befindet.
  • Der Gleichrichter weist seine eigene Stromversorgung für die Steuerungsschaltung auf, so dass er unabhängig von dem Spannungsregler des Wechselstromgenerators arbeitet. Wenn er an einem Wechselstromgenerator verwendet wird, weist der Gleichrichter mindestens zwei Leistungs-Zener-Dioden (die in Reihe geschaltet sind, was sie gegenüber falschen Polaritätsverbindungen resistent macht) zwischen ihren Ausgangsklemmen auf, um die Spannung während Lastabwurfbedingungen zu klemmen. Die Zener-Dioden sollten eine Zener-Spannung vorzugsweise in dem Bereich von 16 V bis 32 V aufweisen, um die Spannung des Wechselstromgenerators in dem Bereich von 32 V bis 64 V zu klemmen. Aufgrund der rauen Umgebung, welcher die Module des aktiven Gleichrichters ausgesetzt sind, sollten sie mit einem Gussmaterial über alle elektronischen Komponenten mit Ausnahme der Anschlussklemmen beschichtet werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht des aktiven Gleichrichter-Halbbrückenmoduls, die ein einzelnes Substrat einschließlich Leistungs-MOSFET-Transistoren mit einer Nulldurchgangsdetektions- und Antriebsschaltung, die auf demselben Substrat platziert ist, zeigt, wobei all dies auf dem Kühlelement montiert ist.
  • 2 zeigt das elektrische Blockdiagramm einer Halbbrücken-Konfiguration des Gleichrichtermoduls.
  • 3 zeigt das Blockdiagramm der Dreiphasen-Gleichrichter-Konfiguration einschließlich der Verbindung von zwei schützenden Zener-Dioden.
  • 4 zeigt das Verbindungsdiagramm eines mehrphasigen Gleichrichters, der aus mehreren identischen Halbbrückenmodulen und schützenden Zener-Dioden besteht.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Struktur des erfundenen aktiven Gleichrichters ist derart, dass er aus N angeschlossenen Modulen (5) (3) besteht, wobei jedes davon eine Halbbrücken-Konfiguration aufweist und die beiden Dioden eines passiven Gleichrichters ersetzt, die an dieselbe Phase eines Elektrogenerators angeschlossen werden würden. In der Regel sind drei gleiche Module notwendig, um einen Dreiphasen-Wechselstromgenerator-Gleichrichter zu bilden. Die elektrische Verbindung an dem Wechselstromgenerator (30) (3) ist identisch zu der Verbindung eines herkömmlichen Diodengleichrichters. Die Phasen-Klemmen (22) (2) sind die Eingänge des Gleichrichters und die gemeinsamen (B+) und (B–)-Klemmen sind der Ausgang des Gleichrichters.
  • Wie in 1 dargestellt, sind alle elektrischen Komponenten (einschließlich der Leistungs-MOSFET-Transistoren (10), kleiner elektronischer Signal-Komponenten in der entsprechenden Detektions- und Antriebsschaltung (20) sowie der 15 V-Spannungsversorgung (15) zum Versorgen der Antriebsschaltung) auf demselben einzelnen Substrat (50) platziert. Das Substrat (50) muss einen guten mechanischen und thermischen Kontakt mit dem Modulgehäuse (31) aufweisen, welcher durch einen Klebstoff, der zwischen diesen beiden aufgebracht wird, bereitgestellt wird. Das Gehäuse (31) des Moduls sollte mehrere Kühlrippen (32) aufweisen, um eine effiziente Kühlung bereitzustellen, wenn es dem Luftstrom ausgesetzt wird, der durch den Wechselstromgenerator (30) strömt.
  • Das Substrat (50) von jedem Halbbrückenmodul (5) unterstützt die drei Klemmen mit hohem Strom (B+), (22) und (B–), welche als Anschlussklemmen zwischen den Phasenklemmen der Elektronik des aktiven Gleichrichters und des Generators (30) dienen. Um einen ausreichenden Schutz vor einer Kraftfahrzeugumgebungsbedingung zu bieten, sind alle elektronischen Komponenten auf dem Substrat (50), die auf dem Modulgehäuse (31) zusammengebaut sind, mit einem Gussmaterial (40) beschichtet.
  • 2 zeigt ein elektrisches Blockdiagramm einer Halbbrücken-Konfiguration des aktiven Gleichrichtermoduls. Die wichtigsten leitfähigen Elemente bei dem vorgeschlagenen aktiven Gleichrichter sind die Leistungs-MOSFET-Transistoren (10). Das Ziel des Betriebs des aktiven Gleichrichters ist, die Transistoren (10) synchron mit der von dem Wechselstromgenerator (30) erzeugten Phasenspannung einzuschalten und den Phasenstrom effizient mit einem Mindestspannungsabfall während der leitenden Halbperiode zu leiten. Um dies zu erreichen, müssen die MOSFET-Transistoren (10) durch eine geeignete Gate-Spannung derart angetrieben werden, dass die Drain-Source-Spannung des MOSFET unter 0,2 V gehalten wird. Die Diode (17) erfasst die Drain-Spannung des Transistors (10). Während des Zeitraums der leitfähigen Gleichrichtung wird die erfasste Spannung von der Diode (17) zu der Detektions- und Antriebsschaltung (20) geliefert, welche die Spannung für das Gate des MOSFET-Transistors ausgibt. Die so produzierte Antriebsschaltung muss zwischen der Schwellenspannung des Gates des Transistors und der 15 V-Versorgungsspannung liegen und sollte derart geregelt werden, dass der gewünschte Spannungsabfall über dem MOSFET-Transistor unter 0,2 V liegt.
  • Die 15 V-Versorgung (15) nimmt die Wechselspannung von der Phasen-Klemme (22) auf, richtet sie gleich und stabilisiert sie auf die gewünschte 15 V-Gleichspannung, um die Detektor- und Treiberschaltung (20) angemessen zu versorgen. Jedes der in einer Halbbrücke konfigurierten Module (5) weist eine 15 V-Versorgungsschaltung (15) auf, welche die Versorgung sowohl für High-Side- als auch Low-Side-MOSFET-Transistoren (10) bereitstellt. Die so entworfenen Module weisen keine Ausgangsklemmen oder -stifte für die 15 V-Versorgung auf, was für den Betrieb der Detektor- und Treiberschaltung (20) notwendig ist.
  • 3 veranschaulicht die Verbindung von drei identischen Halbbrückenmodulen (5) für eine typische Dreiphasen-Gleichrichter-Konfiguration, wobei alle (B+)- und (B–)-Klemmen zusammengeschaltet sind, um den Gleichstrom-Ausgang des Generators bereitzustellen, und wobei jede Modulklemme (22) an eine Phase des Wechselstromgenerators (30) angeschlossen ist. Ein Wechselstromgenerator, der unter Kraftfahrzeugbedingungen arbeitet, wird manchmal der sogenannten Lastwurfbedingung ausgesetzt, unter welcher eine hohe Spannungsspitze erzeugt wird, welche die elektronischen Komponenten in dem aktiven Gleichrichter beschädigen könnte. Um dies zu verhindern, werden zwei Leistungs-Zener-Dioden (25), die in Reihe geschaltet sind, zwischen der (B+)- und (B–)-Klemme des Gleichrichters geschaltet. Für Niederspannungssysteme (14 V oder 28 V) wird die Verwendung von Zener-Dioden (25) mit einer Nennspannung in dem Bereich von 16 V bis 32 V bevorzugt. Für einen zuverlässigen Betrieb muss die Summe von beiden Zener-Dioden(25)-Spannungen geringer als die Nenn-Abbruchspannung der MOSFET-Transistoren (10) sein, die in dem aktiven Gleichrichter verwendet werden.
  • 4 veranschaulicht ein Verbindungsdiagramm eines mehrphasigen Gleichrichters, der aus mehreren identischen Halbbrückenmodulen (5) besteht. Ein Paar schützenden Zener-Dioden (25) muss in dem aktiven N-Phasen-Gleichrichter eingeschlossen werden.

Claims (4)

  1. Struktur eines aktiven Gleichrichters in Verbindung mit einem Elektrogenerator, vorzugsweise einem Wechselstromgenerator, der zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs vorgesehen ist, umfassend: Leistungs-MOSFET-Transistoren, vorzugsweise vom drahtlosen Typ, mit Antriebskomponenten in deren Nähe, die auf einem einzelnen Substrat in solch einer elektrischen Verbindung montiert sind, dass sie eine Halbbrücken-Konfiguration für eine Phase der gleichzurichtenden elektrischen Quelle bilden; wobei das einzelne Substrat in einem separaten, vorzugsweise in Aluminium gegossenen Wärmeableiterelement montiert ist, um ein Einphasen-Gleichrichtermodul zu bilden; wobei das Wärmeableiterelement Kühlrippen aufweist, die in einer zu der Rotorwelle des Elektrogenerators parallelen Richtung ausgerichtet und in dem Kühlungsluftstrom des Generators platziert sind; eine Anzahl von mindestens zwei und bis zu N identischen Gleichrichtermodulen, die angeschlossen sind, um mindestens zwei- und bis zu N-phasige Gleichrichter für den Generator zu bilden; wobei die eigene Spannungsversorgungsschaltung der Detektions- und Antriebskomponenten derart angeschlossen ist, dass sie die Spannung von derselben Phase der elektrischen Quelle aufnimmt, welche gleichgerichtet wird, wodurch sie unabhängig von der Systemspannung und unabhängig von dem Spannungsregler an dem Generator arbeitet.
  2. Struktur eines aktiven Gleichrichters nach Anspruch 1, umfassend: ein Paar Leistungs-Zener-Dioden, die in Reihe geschaltet sind, und wobei das Paar Zener-Dioden parallel zu den Gleichrichter-Ausgangsklemmen geschaltet ist; wobei die Zener-Dioden-Spannung der Spannungsbereich von 16 V bis 32 V für jede Diode ist.
  3. Struktur eines aktiven Gleichrichters nach Anspruch 1, umfassend: dass alle elektronischen Komponenten der Halbbrückenmodule mit einem Gussmaterial beschichtet sind, das über das gesamte einzelne Substrat verteilt und in dem Wärmeableiterelement platziert ist.
  4. Struktur eines aktiven Gleichrichters nach Anspruch 1, umfassend: dass das Aluminiumgehäuse der Halbbrückenmodule mit den Kühlrippen ausgestattet ist, die parallel zu der Generatorwelle ausgerichtet und in dem Kühlungsluftstrom platziert sind, welcher durch den Generator strömt.
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