JP2005033905A

JP2005033905A - 発電機の制御回路および発電システム

Info

Publication number: JP2005033905A
Application number: JP2003195492A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Hashimoto; 幸一郎橋本; Yusuke Shimamune; 祐介島宗
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】誤警報を生じることなくエンジンの加速中に発電機を停止させて燃費を向上させることができる車載用発電機の制御用ＩＣレギュレータを提供する。
【解決手段】基準電圧を切り替えることにより上記制御パルスのデューティを変化させパルス幅をゼロとした信号を出力可能であるとともに電圧検出手段（２１２）の出力に基づいて発電機のコイルの誘起電圧が所定のレベル以下の時に強制発電を指令する信号と異常を示す信号を出力可能なＩＣレギュレータにおいて、基準電圧Ｖｒｅｆと電圧検出手段（２１１）により検出された電圧とを比較するコンパレータ（２２６）を設け、該コンパレータの出力により上記強制発電を指令する信号と異常を示す信号の出力を可能または不能にするように構成した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車載用発電機の制御技術さらには入力信号に応じて発電制御を停止する機能を有する発電機の制御回路に適用して有効な技術に関し、例えばスイッチング方式で発電制御を行なう車載用ＩＣレギュレータに利用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンや軽油を燃料とするディゼルエンジンなどの内燃機関を搭載した自動車においては、エンジンの動力で動作してバッテリーの電力を補充したり余力の電力でバッテリーを充電する発電機が設けられている。近年、車載用発電機の制御回路としては、発電機のロータコイルに流れる電流をスイッチングするトランジスタと、該トランジスタをＰＷＭ制御して発電電圧を制御するＩＣレギュレータと呼ばれる制御用半導体集積回路とを備えたものが広く使用されるようになっている。
【０００３】
また、かかる車載用発電機のシステムにおいては、発電機を構成するロータコイルの断線等、発電機に異常が発生して発電電圧が低下すると、ＩＣレギュレータがこれを検出して警報を発するようにしたものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
車載用発電機はエンジンの動力の一部を使用して発電を行なうものである。そのため、加速中のような重負荷の状態で発電を行なうと、エンジンのトルクの一部が発電機に回されてしまいエンジンの性能を充分に活かした加速が実現できないという不具合がある。そこで、加速中は発電機の発電動作を停止させることが考えられる。
【０００５】
しかし、加速中に発電機の発電動作を完全に停止させると、発電機の発電電圧を監視して発電機に異常が発生するとこれを検出して警報を発する機能を有するＩＣレギュレータにおいては、加速中における発電機の停止を発電機の異常と判定して警報を発してしまうおそれがある。そこで、加速中はＩＣレギュレータ内のＰＷＭ制御等に用いられる基準電圧を、外部からの信号でバッテリー電圧よりも低く警報発令のための比較電圧よりも若干高い電圧に切り替えて、警報が発生されないレベルで発電を継続させる。あるいは、無発電の状態の継続時間を管理して警報が発する前に発電を開始させることが考えられる。
【０００６】
ところが、加速中に発電機を完全に停止させないとエンジンのトルクロスが多くなり、燃費を改善することが困難になるという不具合がある。また、バッテリーの負荷が急に遮断されたり急速に低下したような場合には、余剰エネルギーにより発電電圧が急上昇するので発電機を停止させる必要があるが、上記のように無発電の状態の継続時間を管理して警報が発する前に発電を開始させる方法にあっては、余剰エネルギーによる発電電圧の急上昇という不具合を回避できなくなるおそれがある。
【０００７】
この発明の目的は、誤警報を生じることなくエンジンの加速中に発電機を停止させて燃費を向上させることができる車載用発電機の制御用ＩＣレギュレータを提供することにある。
この発明の他の目的は、ＰＷＭ制御等に用いられる基準電圧を外部からの信号で切り替えて発電電圧を制御できるように構成された発電制御用のＩＣレギュレータにおいて、エンジンの加速中における発電機の停止時や負荷の急断による発電機の停止時に誤まって強制発電が開始されたり異常を知らせる警報が発せられることがないようにすることにある。
【０００８】
この発明のさらに他の目的は、ＰＷＭ制御等に用いられる基準電圧を外部からの信号で切り替えて発電電圧を制御できるように構成された発電制御用のＩＣレギュレータにおいて、エンジンの加速中における発電機の停止時や負荷の急断による発電機の停止時等においても発電機に異常が発生した場合には正確に警報を発することができるようにすることにある。
この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添附図面から明らかになるであろう。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、発電機で生成された発電電圧のレベルを検出する発電電圧検出手段と、該発電電圧検出手段により検出された電圧と基準電圧との電位差を増幅する誤差アンプと、該誤差アンプの出力に応じたパルス幅を有する制御パルスを生成する制御パルス生成回路と、発電機のコイルに誘起される電圧のレベルを検出する誘起電圧検出手段とを備え、上記基準電圧を切り替えることにより上記制御パルスのデューティを変化させパルス幅をゼロとした信号を出力可能であるとともに上記誘起電圧検出手段の出力に基づいて誘起電圧が所定のレベル以下の時に強制発電を指令する信号と異常を示す信号を出力可能なＩＣレギュレータにおいて、基準となる電圧と電圧検出手段により検出された電圧とを比較するコンパレータを設け、該コンパレータの出力により上記強制発電を指令する信号と異常を示す信号の出力を可能または不能にするように構成したものである。
【００１０】
上記した手段によれば、ＩＣレギュレータを車載用発電機の制御装置として用いた場合には、誤警報を生じることなくエンジンの加速中に発電機を停止させて燃費を向上させることができる。また、エンジンの加速中における発電機の停止時や負荷の急断による発電機の停止時に誤まって強制発電が開始されたり異常を知らせる警報が発せられることがないようにできるとともに、エンジンの加速中における発電機の停止時や負荷の急断による発電機の停止時等においても、発電機に異常が発生した場合には正確に警報を発することができるようになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係るＩＣレギュレータを使用したＰＷＭ制御方式の車載用発電システムの一実施例を示す。
この実施例の車載用発電システムは、互いに一方の端子が結合された３相コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３からなるステータＳＴとロータコイルＲＣとを有する発電機１００と、ロータコイルＲＣが回転されることによりステータＳＴの３相コイルに誘起される交流電圧を整流して直流電圧に変換するダイオード・ブリッジからなる整流回路１１０と、ロータコイルＲＣに流れる電流を制御して発電電圧を制御する半導体集積回路化された制御用ＩＣとしてのＩＣレギュレータ２１０を含むモジュール２００と、整流回路１１０により変換された直流電圧によって充電されるバッテリ３００とから構成されている。
【００１２】
本明細書においては、表面や内部にプリント配線が施されたセラミック基板のような絶縁基板に複数の半導体チップとディスクリート部品が実装されて上記プリント配線やボンディングワイヤで各部品が所定の役割を果たすように結合されることであたかも一つの電子部品として扱えるように構成されたものをモジュールと称する。
【００１３】
実施例のレギュレータ・モジュール２００は、ロータコイルＲＣと直列に接続されるパワーＭＯＳトランジスタＴＲ１と、該トランジスタＴＲ１のオン・オフ制御信号を生成するＩＣレギュレータ２１０と、バッテリ３００の正極端子と接地点との間に直列に接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２と、ステータＳＴの３相コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３のうちいずか一つのコイル（例えばＬ３）の端子と接地点との間に直列に接続された抵抗Ｒ３，Ｒ４と、警報出力用トランジスタＴＲ２と、タイマ機能用の容量素子Ｃ１などが１つの絶縁基板上に実装されて構成されている。
【００１４】
Ｐ１〜Ｐ４はモジュール２００に設けられた外部端子としてのパッド、Ｐ１１〜Ｐ１５はＩＣレギュレータ２１０に設けられた外部端子としてのパッドである。
【００１５】
ＩＣレギュレータ２１０は、抵抗Ｒ１，Ｒ２によりバッテリー電圧ＶＢを分圧した電圧（直流電圧）をパッドＰ１１より取り込むバッファ２１１や、抵抗Ｒ３，Ｒ４によりステータコイルの誘起電圧を分圧した電圧（交流電圧）をパッドＰ１２より取り込むバッファ２１２、チップ内部の基準電圧を生成する基準電圧回路２１３、外部のマイクロコンピュータ（以下、マイコンと称する）などから設定される電圧設定値を保持するレジスタ２１４、該レジスタ２１４の設定値に応じた電圧を生成する外部制御基準電圧回路２１５、上記基準電圧回路２１３または外部制御基準電圧回路２１５で生成された電圧のいずれかをマイコンからの制御信号に応じて基準電圧Ｖｒｅｆとして選択する切替えスイッチ２１６、選択された基準電圧Ｖｒｅｆとバッファ２１１により取り込まれた検出電圧Ｖｄｔの電位差を増幅する誤差アンプ２１７、ＰＷＭ制御ための基準波形（三角波）を生成する基準波形生成回路２１８、生成された基準波形と上記誤差アンプ２１７の出力とを比較して上記パワーＭＯＳトランジスタＴＲ１に対するＰＷＭ制御パルスＰｐｗｍを生成するコンパレータ２１９などを備える。
【００１６】
また、ＩＣレギュレータ２１０は、上記バッファ２１１により取り込まれたステータコイルの誘起電圧（交流電圧）の周波数を検出する周波数検出回路２２１や、バッファ２１１の出力信号をレベルシフトするレベルシフト回路２２２、レベルシフトされた交流信号のピーク値すなわち振幅を検出するピーク電圧検出回路２２３、検出された電圧と比較電圧Ｖｃ１とを比較するコンパレータ２２４、検出された電圧と比較電圧Ｖｃ２（Ｖｃ２＜Ｖｃ１）とを比較するコンパレータ２２５、上記切替えスイッチ２１６により選択された基準電圧Ｖｒｅｆとバッファ２１１により取り込まれた検出電圧Ｖｄｔとを比較するコンパレータ２２６、上記パワーＭＯＳトランジスタＴＲ１をゲート端子をハイレベルに固定して強制的にオン状態にさせるハイ固定回路２２７、該ハイ固定回路２２７または上記コンパレータ２１９のいずれかの出力を選択して上記パワーＭＯＳトランジスタＴＲ１のゲート端子に供給する切替えスイッチ２２８、上記コンパレータ２２６の出力に応じて上記コンパレータ２２４の出力を上記切替えスイッチ２２８へ制御信号として供給したり遮断したりするスイッチＳＷ１、上記コンパレータ２２６の出力に応じて上記コンパレータ２２５の出力を上記警報出力用トランジスタＴＲ２のゲート端子へ供給したり遮断したりするスイッチＳＷ２を備える。
【００１７】
上記コンパレータ２２６は、バッファ２１１により取り込まれた検出電圧Ｖｄｔが基準電圧Ｖｒｅｆよりも高い時に出力がロウレベルとなってスイッチＳＷ１，ＳＷ２をオフさせてコンパレータ２２４，２２５の出力を遮断し、検出電圧Ｖｄｔが基準電圧Ｖｒｅｆよりも低い時は出力がハイレベルとなってスイッチＳＷ１，ＳＷ２をオンさせてコンパレータ２２４，２２５の出力を通過させる。
【００１８】
コンパレータ２２４はピーク電圧検出回路２２３により検出された電圧が比較電圧Ｖｃ１よりも低いと出力がハイレベルに変化し、このハイレベル信号が切替えスイッチ２２８に供給されると、切替えスイッチ２２８はハイ固定回路２２７の出力を選択して上記パワーＭＯＳトランジスタＴＲ１のゲート端子に供給し、これを連続的にオンさせる。これにより、発電機は強制発電状態にされる。
【００１９】
また、ピーク電圧検出回路２２３により検出された電圧が比較電圧Ｖｃ１よりも高いとコンパレータ２２４の出力がロウレベルに変化し、この信号により切替えスイッチ２２８はコンパレータ２１９の出力を選択して上記パワーＭＯＳトランジスタＴＲ１のゲート端子にＰＷＭ制御パルスＰｐｗｍを供給し、これを間欠的にオンさせる。これにより、発電機はパルス幅に応じた電圧を発生するように動作する。
【００２０】
この実施例のＩＣレギュレータは、通常動作時には、コンパレータ２１９は、発電機の出力を分圧した電圧を取り込むバッファ２１１の検出電圧と基準電圧Ｖｒｅｆの電位差に応じた電圧を出力する誤差アンプ２１１の出力電圧Ｖｅと基準波形（三角波）ＴＷとを比較して、図２に示すように、電圧Ｖｅが基準波形ＴＷよりも低い期間だけロウレベルになるパルスＰｐｗｍを出力する。
【００２１】
これにより、例えば発電機の出力が下がって誤差アンプの電圧Ｖｅが小さくなると、コンパレータ２１９の出力パルスＰｐｗｍの幅が広がってパワーＭＯＳトランジスタＴＲ１のオン時間が長くなって発電機の出力が高くなる。また、発電機の出力が上がって誤差アンプの電圧Ｖｅが大きくなると、コンパレータ２１９の出力パルスＰｐｗｍの幅が狭くなってパワーＭＯＳトランジスタＴＲ１のオン時間が短くなって発電機の出力が低くなる。このような制御を繰り返すことにより、発電機の発電電圧は基準電圧Ｖｒｅｆに応じた電圧に制御される。
【００２２】
この実施例のＩＣレギュレータは、自動車の加速時に、マイコンからの指令により切替えスイッチ２１６が外部制御基準電圧回路２１５の出力を選択し、外部制御基準電圧回路２１５の基準電圧がバッテリー電圧ＶＢよりも低い電圧に設定されていると、誤差アンプの電圧Ｖｅが図２に破線Ｅで示すように、基準波形ＴＷの最大電圧Ｖｐ１よりも大きくなって、コンパレータ２１９の出力がロウレベルに固定される。これにより、パワーＭＯＳトランジスタＴＲ１が連続してオフ状態にされて発電機は発電動作を停止する。そのため、エンジンのトルクロスが減少し、燃費の向上に寄与することができる。
【００２３】
また、このような発電停止状態においては、発電機のステータコイルに誘起される電圧が下がり、そのピーク値を検出するピーク電圧検出回路２２３の出力レベルが下がってコンパレータ２２４から強制発電指令信号が、またコンパレータ２２５から異常を示す信号が出力されるが、この実施例のＩＣレギュレータにおいては、バッテリー電圧ＶＢを検出するバッファ２１１の出力が基準電圧Ｖｒｅｆよりも高い間は、コンパレータ２２６の出力がロウレベルにされてスイッチＳＷ１，ＳＷ２をオフさせる。そのため、強制発電指令信号が切替えスイッチ２２８へ、また異常を示す信号がパッドＰ１４を介して警報用トランジスタＴＲ２へ出力されるのが防止される。これによって、加速中に強制発電状態になったり、誤警報が発せられるのを回避することができる。
【００２４】
ただし、加速中であっても、バッテリー電圧ＶＢが異常に下がってバッファ２１１の出力が基準電圧Ｖｒｅｆよりも下がると、コンパレータ２２６の出力がハイレベルにされてスイッチＳＷ１，ＳＷ２をオンさせる。そのため、強制発電指令信号が切替えスイッチ２２８へ、また異常を示す信号がパッドＰ１４を介して警報用トランジスタＴＲ２へ出力され、トランジスタＴＲ１，ＴＲ２がオン状態にされて強制発電動作および異常を示す警報信号ＡＬＭの出力がなされる。
【００２５】
バッテリーの負荷が急になくなったり急速に低下したような場合は、発電機の発電電圧が急に増加するため、加速中と同様に、誤差アンプの電圧Ｖｅが図２に破線Ｅで示すように、基準波形ＴＷの最大電圧Ｖｐ１よりも大きくなって、コンパレータ２１９の出力がロウレベルに固定されることにより、パワーＭＯＳトランジスタＴＲ１が連続してオフ状態にされて発電機は発電動作を停止する。そして、この場合にも、バッテリー電圧ＶＢを検出するバッファ２１１の出力が基準電圧Ｖｒｅｆよりも充分に高いため、コンパレータ２２６の出力がロウレベルにされてスイッチＳＷ２をオフさせるので、異常を示す信号がパッドＰ１４を介して警報用トランジスタＴＲ２へ出力されて誤警報が発せられるのを回避することができる。
【００２６】
次に、ピーク電圧検出回路２２３とコンパレータ２２４および２２５による強制発電指令信号と異常を示す信号の出力について、図３を用いて説明する。ピーク電圧検出回路２２３には、図１に示すようにパッドＰ１５に接続された外付け容量Ｃ１がピーク電圧を保持する積分容量として接続されており、図３に示すように、タイミングｔ１で発電が停止されると容量Ｃ１の充電電荷が徐々に放電されて電圧Ｖａが次第に下がり、コンパレータ２２４の比較電圧Ｖｃ１に達した時点でコンパレータ２２４の出力ＣＭＰ１がハイレベルに変化され、強制発電が開始される（タイミングｔ２）。
【００２７】
その後、発電機が正常でステータコイルの誘起電圧が高くなると、図３の破線Ａのように、容量Ｃ１の充電電圧Ｖａが次第に高くなるため、コンパレータ２２５の出力ＣＰＭ２はロウレベルのままにされて警報信号ＡＬＭは発せられない。一方、強制発電動作が開始されても発電機が異常でステータコイルに充分な誘起電圧が出てこない場合には、図３に実線Ｂで示すように、容量Ｃ１の充電電圧Ｖａが下がり続けるため、コンパレータ２２５の比較電圧Ｖｃ２に達した時点ｔ３でコンパレータ２２４の出力がハイレベルに変化して警報信号ＡＬＭが発せられることとなる。
【００２８】
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、前記実施例においては、バッファ２１１の出力と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較するコンパレータ２２６を設けて、このコンパレータ２２６の出力によって強制発電指令信号および警報信号を供給したり遮断したりするスイッチＳＷ１，ＳＷ２を制御するようにしているが、誤差アンプ２１７の出力とＰＷＭ制御のための基準波形生成回路２１８に供給される電圧Ｖｐ１またはＶｐ２とを比較するコンパレータを設けてスイッチＳＷ１，ＳＷ２を制御するようにしても良い。
【００２９】
また、前記実施例においては、基準電圧Ｖｒｅｆが比較的高い場合またはコンパレータ２２４，２２５の入力比較電圧Ｖｃ１とＶｃ２の差が小さい場合、強制発電開始後における発電電圧の上昇が遅いと誤って警報信号が出力されてしまうおそれがあるが、誤差アンプ２１７の出力と電圧Ｖｐ１またはＶｐ２とを比較するコンパレータでスイッチＳＷ１，ＳＷ２を制御することで、そのような誤警報の出力を回避することができる。
【００３０】
また、前記実施例においては、基準電圧回路２１３が生成する基準電圧とは異なる基準電圧を生成する外部制御基準電圧回路２１５と、該外部制御基準電圧回路２１５が生成すべき電圧を外部から設定可能なレジスタ２１４とを設けているが、基準電圧を外部から直接入力できるようにしたりレジスタを省略して外部制御基準電圧回路２１５が段階的に複数の電圧を生成できるように構成して外部から生成する電圧の切替え信号を与えるようにしても良い。
【００３１】
さらに、前記実施例においては、発電機のロータコイルに流す電流を制御するトランジスタＴＲ１や警報信号を出力するトランジスタＴＲ２としてＭＯＳトランジスタを使用しているが、バイポーラ・トランジスタを用いることも可能である。
【００３２】
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野である車載用の発電機に適用した場合について説明したが、本発明は車載用以外のエンジンの動力の一部によって動作する発電機に広く利用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
すなわち、本発明に従うと、誤警報を生じることなくエンジンの加速中に発電機を停止させて燃費を向上させることができる。また、ＰＷＭ制御等に用いられる基準電圧を外部からの信号で切り替えて発電電圧を制御できるように構成された発電制御用のＩＣレギュレータにおいて、エンジンの加速中における発電機の停止時や負荷の急断による発電機の停止時に誤まって強制発電が開始されたり異常を知らせる警報が発せられるのを回避することができる。
【００３４】
さらに本発明に従うと、エンジンの加速中における発電機の停止時や負荷の急断による発電機の停止時等においても発電機に異常が発生した場合には正確に警報を発することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＩＣレギュレータを使用したＰＷＭ制御方式の車載用発電システムの一実施例を示す回路構成図である。
【図２】実施例のＩＣレギュレータにおけるＰＷＭ制御信号の生成の仕方を示す波形図である。
【図３】実施例のＩＣレギュレータにおける強制発電指令信号および警報信号の生成のタイミングを示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１００発電機
１１０ダイオード整流回路
２００制御用モジュール
２１０ＩＣレギュレータ
２１１，２１２バッファ
２１７誤差アンプ
２１９，２２４，２２５，２２６コンパレータ
２２２レベルシフト回路
３００バッテリー
ＳＴステータ
ＲＣロータコイル

Claims

発電機で生成された発電電圧のレベルを検出する発電電圧検出手段と、該電圧検出手段により検出された電圧と基準電圧との電位差を増幅する誤差増幅回路と、該誤差増幅回路の出力に応じたパルス幅を有する制御パルスを生成する制御パルス生成回路と、前記発電機のコイルに誘起される電圧のレベルを検出する誘起電圧検出手段と、該誘起電圧検出手段の出力に基づいて誘起電圧が所定のレベル以下の時に強制発電を指令する信号と異常を示す信号を生成する信号生成手段と、前記電圧検出手段により検出された電圧もしくはそれに応じた電圧と基準となる電圧とを比較するコンパレータとを備え、前記コンパレータの出力により前記強制発電を指令する信号と異常を示す信号の伝達もしくは生成を可能または不能にするように構成されていることを特徴とする発電機の制御回路。
前記基準電圧を切り替えることにより前記制御パルスのデューティを変化させパルス幅をゼロとした信号を出力可能に構成されていることを特徴とする発電機の制御回路。
基準電圧を生成する第１の基準電圧回路と、前記基準電圧とは異なるレベルの基準電圧を生成可能な第２の基準電圧回路とを備え、前記第２の基準電圧回路は２以上のレベルの基準電圧を生成可能に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発電機の制御回路。
外部から設定可能なレジスタを備え、前記第２の基準電圧回路は前記レジスタの設定値に応じた基準電圧を生成可能に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の発電機の制御回路。
エンジンの動力によって回転駆動される発電機と、請求項１〜４のいずれかに記載の制御回路と、前記発電機のロータコイルと直列に接続された第１トランジスタと、前記異常を示す信号によってオン・オフ制御される第２トランジスタとを備え、前記第１トランジスタが前記制御パルスによってオン・オフ制御されるように構成されていることを特徴とする発電システム。