JP2008043070A

JP2008043070A - 車両用発電制御装置

Info

Publication number: JP2008043070A
Application number: JP2006214893A
Authority: JP
Inventors: Hideto Okahara; 秀登岡原; Tadatoshi Asada; 忠利浅田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-08-07
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2026-08-07
Also published as: DE102007035890B4; US20080030184A1; JP4556926B2; CN101123411A; US7705580B2; DE102007035890A1; CN101123411B

Abstract

【課題】車両用発電機の出力電圧を平滑化する際の特性を改善することができる車両用発電制御装置を提供すること。
【解決手段】車両用発電制御装置は、車両用発電機の出力電圧を取り込んで平滑化する平滑化回路１０４を有する。この平滑化回路１０４は、第１および第２のコンデンサ１６、１８と、第２のコンデンサ１８の一方端および他方端のそれぞれに接続された第１および第２のスイッチ２０、２２とを備え、第１のスイッチ２０、第２のコンデンサ１８、第２のスイッチ２２からなる直列回路と第１のコンデンサ１６とを並列接続するとともに、第１および第２のスイッチ２０、２２が同時にオンオフされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用発電機の出力電圧を制御する車両用発電制御装置に関する。

車両用交流発電機において発生するリップル電圧の周期は回転数に応じて変化する。車両用発電機の出力電圧を制御する上で、このリップル電圧の影響を受けにくくすることは重要であり、このため、従来は励磁電流を制御する回路に含まれるフィルタ定数を回転数に応じて変更する構成が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。この構成では、容量が異なる複数のコンデンサの一方端が共通に接続されており、それぞれの他方端側の断続をスイッチで切り替えている。
特開平２−５１３９８号公報（第１−２頁、図２）

ところで、特許文献１に開示された従来構成では、コンデンサの一方端側のみにスイッチが接続されている。ＩＣ内においてはスイッチは半導体素子を用いて実現されるが、特に自動車部品として高温状態で使用されると、このスイッチにおいて発生するリーク電流が無視できない場合があり、特性が悪化するという問題があった。例えば、差動増幅段とコンデンサとを組み合わせて構成されるフィルタにおいて、コンデンサの一方端に接続されたスイッチからサブストレートにリーク電流が発生すると、差動増幅段を構成する２つのトランジスタに流れる電流のバランスが崩れるため、理想的なフィルタに比べて特性が悪化する。このため、本来であれば除去されるはずの電圧の変動成分が除去できずに残ってしまい、車両用発電機の出力電圧制御の精度が悪化するおそれがある。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、車両用発電機の出力電圧を平滑化する際の特性を改善することができる車両用発電制御装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用発電制御装置は、車両用発電機の出力電圧を取り込んで平滑化する平滑化回路を有しており、平滑化回路は、第１および第２のコンデンサと、第２のコンデンサの一方端および他方端のそれぞれに接続された第１および第２のスイッチとを備え、第１のスイッチ、第２のコンデンサ、第２のスイッチからなる直列回路と第１のコンデンサとを並列接続するとともに、第１および第２のスイッチが同時にオンオフされる。具体的には、上述した平滑化回路は、反転入力端子が第１の抵抗を介して入力端子に接続された差動増幅器をさらに備え、差動増幅器の出力端子と反転入力端子の間に第２の抵抗と第１のコンデンサと直列回路とからなる並列回路が接続されることが望ましい。これにより、第２のコンデンサの両端に設けられた第１および第２のスイッチにおいてリーク電流が発生した場合であっても第２のコンデンサの両端で電流のバランスをとることができるため、平滑化する際の平滑化回路の特性の悪化を防止して車両用発電制御装置としての特性を改善することができる。

また、上述した第１および第２のスイッチは、半導体基板上に形成された半導体素子によって構成されていることが望ましい。第１および第２のスイッチを半導体素子によって構成した場合に、オフ状態においても半導体基板にわずかにリーク電流が生じるが、このような場合であっても第２のコンデンサの両端で電流のバランスをとることが可能となる。

また、上述した第１および第２のスイッチのそれぞれは、ＭＯＳ−ＦＥＴによって構成されていることが望ましい。第１および第２のスイッチとして電圧駆動のＭＯＳ−ＦＥＴを用いることにより、接続状態を切り替える切替信号によって電流が流れることを防止することができるため、回路特性をさらに改善することができる。

また、上述した第１および第２のスイッチのそれぞれは、ｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴとｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴからなるＣＭＯＳスイッチであることが望ましい。これにより、第１および第２のスイッチの動作範囲を広くすることができる。

また、上述した第１のスイッチに含まれるｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴと第２のスイッチに含まれるｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴは半導体基板上の同一の島（ウェル）に形成されており、第１のスイッチに含まれるｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴと第２のスイッチに含まれるｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴは半導体基板上の同一の島に形成されていることが望ましい。これにより、電流リークに影響のある電位や温度の影響に対するペア性をそろえることで、第１および第２のスイッチの特性がさらに安定し、第１および第２のスイッチの性能の差異による回路特性への影響をなくすことができる。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用発電制御装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態の車両用発電制御装置の構成を示す図であり、あわせてこの車両用発電制御装置と車両用発電機との接続状態が示されている。

図１において、車両用発電制御装置１は、車両用発電機２の出力端子（Ｂ端子）の電圧が所定の調整電圧設定値（例えば１４Ｖ）になるように制御するためのものである。車両用発電機２は、回転子に含まれる励磁巻線２０１と、固定子に含まれる３相の固定子巻線２０２と、この固定子巻線２０２の３相出力を全波整流するために設けられた整流回路２０３とを含んで構成されている。この車両用発電機２の出力電圧の制御は、励磁回路を構成する励磁巻線２０１に対する通電を車両用発電制御装置１によって適宜断続制御することにより行われる。車両用発電機２の出力端子は、バッテリや電気負荷（図示せず）に接続されており、これらに対する充電電流や動作電流が供給される。

次に、車両用発電制御装置１の詳細について説明する。図１に示すように、車両用発電制御装置１は、励磁電流駆動トランジスタ１００、環流ダイオード１０１、抵抗１０２、１０３、平滑化回路１０４、基準電圧発生回路１０５、電圧比較器１０６、１０８、電圧制御回路１０７、回転数検出回路１０９を備えている。

励磁電流駆動トランジスタ１００は、励磁巻線２０１に直列に接続されており、オン状態のときに励磁巻線２０１に励磁電流が流れる。環流ダイオード１０１は、励磁巻線２０１に並列に接続されており、励磁電流駆動トランジスタ１００がオフ状態のときに、励磁巻線２０１に流れる励磁電流を環流させる。

抵抗１０２、１０３は、出力電圧を分圧する分圧回路であり、出力電圧を所定の分圧比で分圧した電圧を平滑化回路１０４に印加する。平滑化回路１０４は、印加される電圧を平滑化して出力する。この出力電圧は、電圧比較器１０６のマイナス端子に印加される。この平滑化回路１０４の平滑化の時定数は切替信号に応じて切り替えられる。平滑化回路１０４の詳細については後述する。

基準電圧発生回路１０５は、調整電圧相当の基準電圧（具体的には調整電圧に抵抗１０２、１０３からなる分圧回路の分圧比を掛けた電圧）を発生する。この基準電圧は、電圧比較器１０６のプラス入力端子に印加される。電圧比較器１０６は、平滑化回路１０４から出力される電圧と基準電圧発生回路１０５から出力される基準電圧とを比較し、平滑化回路１０４から出力される電圧の方が基準電圧よりも高いときにローレベルの信号を出力し、反対に平滑化回路１０４から出力される電圧の方が基準電圧よりも低いときにハイレベルの信号を出力する。電圧制御回路１０７は、電圧比較器１０６の出力信号の電圧レベルに基づいて励磁電流駆動トランジスタ１００を駆動する。例えば、電圧制御回路１０７は、電圧比較器１０６の出力信号がローレベルのときには、励磁電流駆動トランジスタ１００を０％あるいは０％に近いデューティ比で駆動する。反対に、電圧比較器１０６の出力信号がハイレベルのときには、励磁電流駆動トランジスタ１００を１００％あるいは１００％に近いデューティ比で駆動する。

電圧比較器１０８は、マイナス入力端子に印加された回転数検出用の判定電圧と、プラス入力端子に印加された固定子巻線２０２のいずれかの相に現れる相電圧とを比較し、相電圧が判定電圧以上のときにハイレベルの信号を出力する。回転数検出回路１０９は、電圧比較器１０８の出力信号に基づいて車両用発電機２の回転数検出を行い、回転数検出結果に応じた切替信号を出力する。例えば、車両用発電機２の回転数が所定の基準回転数以下か以上かで切替信号の電圧レベルが変更される。この切替信号は平滑化回路１０４に入力される。

図２は、平滑化回路１０４の詳細構成を示す図である。図２に示すように、平滑化回路１０４は、差動増幅器１０、抵抗１２、１４、コンデンサ１６、１８、スイッチ２０、２２を備えている。コンデンサ１６が第１のコンデンサ、コンデンサ１８が第２のコンデンサ、スイッチ２０、２２が第１および第２のスイッチにそれぞれ対応する。抵抗１２の一方端には入力端子（ＩＮ）が接続されており、この入力端子には抵抗１０２、１０３からなる分圧回路によって車両用発電機２の出力電圧を分圧した電圧が印加される。差動増幅器１０の反転入力端子には抵抗１２の他方端が接続されており、非反転入力端子は接地されている。また、差動増幅器１０の反転入力端子と出力端子の間には、抵抗１４とコンデンサ１６からなる並列回路が接続されている。また、この並列回路とさらに並列に、スイッチ２０、コンデンサ１８、スイッチ２２からなる直列回路が接続されている。このような構成を有する平滑化回路１０４では、スイッチ２０、２２がオフされたときには抵抗１４とコンデンサ１６からなる並列回路のみが差動増幅器１０の反転入力端子と出力端子の間に接続され、比較的短い時定数で、入力端子に印加された電圧を平滑化して出力端子（ＯＵＴ）から出力する。また、スイッチ２０、２２がオンされたときには抵抗１４とコンデンサ１６にコンデンサ１８を加えた並列回路が差動増幅器１０の反転入力端子と出力端子との間に接続され、比較的長い時定数で、入力端子に印加された電圧を平滑化して出力端子（ＯＵＴ）から出力する。

このように、本実施形態の平滑化回路１０４では、時定数の切替をコンデンサ１８の両端に設けられた２つのスイッチ２０、２２を同時にオンオフ制御することにより行っている。したがって、これらのスイッチ２０、２２をＩＣ上の半導体素子によって実現した場合にリーク電流が発生したとしても、スイッチ２０、２２のそれぞれにおけるリーク電流をほぼ同じにすることができ、平滑化回路１０４の特性悪化を防止することができる。

図３は、リーク電流による平滑化回路の特性への影響を示す具体的構成を示す図である。図３では、リーク電流による影響をわかりやすく説明するために、図２に示した差動増幅器１０の差動出力段を分離し、この差動出力段にコンデンサ１６、１８、スイッチ２０、２２を接続した場合の構成が示されている。図３に示す構成には、差動出力段を構成する２つのトランジスタ３０、３２と出力バッファとなる定電流源３６およびトランジスタ３４とが備わっている。一方のトランジスタ３０のコレクタと、他方のトランジスタ３２のコレクタとの間に、コンデンサ１６、１８等からなる並列回路が接続されている。また、他方のトランジスタ３２のコレクタに、定電流源３６とトランジスタ３４からなる出力バッファが接続されている。

仮に、一方のスイッチ２０を省略してコンデンサ１８の一方端をトランジスタ３０のコレクタに配線を通して直結し、コンデンサ１８の他方端のみをスイッチ２２を介してトランジスタ３２のコレクタに接続した場合を考えるものとする。平滑化回路１０４や車両用発電制御装置１内のその他の構成をＩＣ化する場合には、スイッチ２２も半導体基板上に半導体素子を用いて形成することになる。例えば、バイポーラトランジスタやＣＭＯＳスイッチによってスイッチ２２を形成する場合が考えられる。このような半導体素子によって形成されたスイッチ２２は、オフしたときに完全に電流をゼロにすることはできず、わずかにリーク電流が半導体基板等に流れる。すなわち、スイッチ２２をオフしても、定電流源３６からスイッチ２２側に流れる電流を完全にゼロにすることができず、その結果、トランジスタ３２に供給される電流が減少することになる。これでは、２つのトランジスタ３０、３２のそれぞれのベースを共通に接続しても、これらのトランジスタ３０、３２に流れる電流を同じにすることはできないため、電流のバランスが崩れることによる特性悪化が生じる。

これに対し、本実施形態の平滑化回路１０４では、図３に示すようにコンデンサ１８の両端に２つのスイッチ２０、２２が設けられている。したがって、それぞれのスイッチ２０、２２においてリーク電流が発生した場合に、トランジスタ３０、３２のそれぞれに供給される電流を同じように減少させるように作用し、電流のバランスが大きく崩れることはなく、特性悪化は生じない。なお、２つのスイッチ２０、２２は、同じ構成の半導体素子で構成されており、リーク電流が生じる場合にはその値がほぼ同じになるようにする必要がある。

図４は、スイッチをＭＯＳ−ＦＥＴで構成した場合の平滑化回路１０４の具体例を示す図である。低速回転時にハイレベルの切替信号がｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴによって構成される２つのスイッチ２０、２２のゲートに入力されると、これら２つのスイッチ２０、２２はともにオフされるため、コンデンサ１８は接続されない。このとき、スイッチ２０、２２のソースあるいはドレインと半導体基板との間にはわずかにリーク電流が流れるが、これらのスイッチ２０、２２を同一のトレンチ島（あるいは同一のウェル上）に形成することにより、それぞれのリーク電流をほぼ同じにすることができる。

図５は、スイッチをｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴとｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴからなるＣＭＯＳスイッチで構成した場合の平滑化回路１０４の具体例を示す図である。一方のスイッチ２０は、ｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ２０ａとｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ２０ｂのソース同士およびドレイン同士を共通に接続することにより構成されている。切替信号は、ｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ２０ａのゲートに直接入力されるとともに、ｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ２０ｂのゲートにはインバータ回路２４を介して入力される。同様に、他方のスイッチ２２は、ｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ２２ａとｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ２２ｂのソース同士およびドレイン同士を共通に接続することにより構成されている。切替信号は、ｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ２２ａのゲートに直接入力されるとともに、ｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ２２ｂのゲートにはインバータ回路２４を介して入力される。

このように、ｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴとｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴとを組み合わせたＣＭＯＳスイッチによるスイッチ２０、２２を用いることにより、ゲートあるいはドレインの電位によらず安定したオン抵抗を実現することができ、動作範囲を大きくすることができる。これに対し、図４に示したように、ｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴあるいはｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴのみでスイッチ２０、２２を形成した場合には、オン状態を維持するために常に閾値電圧ＶＴ以上の電位をゲートに印加する必要があるため、ソースあるいはドレインに入力される信号の電圧範囲が制限される。

図６は、図５に示した平滑化回路１０４をＩＣ化した場合のスイッチ２０、２２の構造を示す図である。図６では、スイッチ２０、２２に対応する構造のみが示されており、同一の半導体基板上に形成されたインバータ回路２４（２４ａ、２４ｂ）やコンデンサ１８等の詳細構造については省略されている。図６に示すように、２つのｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ２０ａ、２２ａは、支持基板３００上の絶縁層３０２によって区画された同一のトレンチ島内に、さらに具体的には共通のＮ^-ウェル領域３０４内に形成されている。同様に、２つのｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ２０ｂ、２２ｂは、支持基板３００上の絶縁層３０２によって区画された同一のトレンチ島内に、さらに具体的には共通のＰ^-ウェル領域３０６内に形成されている。これにより、対応する２つのｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ２０ａ、２２ａによって生じるリーク電流と、対応する２つのｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ２０ｂ、２２ｂによって生じるリーク電流をほぼ同じにすることができる。

このように、本実施形態では、コンデンサ１８の両端に設けられた２つのスイッチ２０、２２においてリーク電流が発生した場合であってもコンデンサ１８の両端で電流のバランスをとることができるため、平滑化する際の平滑化回路１０４の特性の悪化を防止して車両用発電制御装置１としての特性を改善することができる。特に、２つのスイッチ２０、２２を半導体素子によって構成した場合に、オフ状態においても半導体基板にわずかにリーク電流が生じるが、このようにな場合であってもコンデンサ１８の両端で電流のバランスをとることが可能となる。

また、スイッチ２０、２２として電圧駆動のＭＯＳ−ＦＥＴを用いることにより、接続状態を切り替える切替信号によって電流が流れることを防止することができるため、回路特性をさらに改善することができる。

また、２つのスイッチ２０、２２としてｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴとｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴからなるＣＭＯＳスイッチを用いることにより動作範囲を広くすることができる。

また、スイッチ２０に含まれるｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ２０ｂとスイッチ２２に含まれるｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ２２ｂは半導体基板上の同一の島（ウェル）に形成されており、スイッチ２０に含まれるｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ２０ａとスイッチ２２に含まれるｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ２２ａは半導体基板上の同一の島に形成されている。これにより、電流リークに影響のある電位や温度の影響に対するペア性をそろえることで、２つのスイッチ２０、２２の特性がさらに安定し、これら２つのスイッチ２０、２２の性能の差異による回路特性への影響をなくすことができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、２つのコンデンサ１６、１８を並列接続する場合を説明したが、さらにコンデンサを追加して並列接続し、順番に各コンデンサの接続状態を切り替える場合にも本発明を適用することができる。

一実施形態の車両用発電制御装置の構成を示す図である。平滑化回路の詳細構成を示す図である。リーク電流による平滑化回路の特性への影響を示す具体的構成を示す図である。スイッチをＭＯＳ−ＦＥＴで構成した場合の平滑化回路の具体例を示す図である。スイッチをＣＭＯＳスイッチで構成した場合の平滑化回路の具体例を示す図である。図５に示した平滑化回路をＩＣ化した場合のスイッチの構造を示す図である。

符号の説明

１車両用発電制御装置
２車両用発電機
１０差動増幅器
１２、１４、１０２、１０３抵抗
１６、１８コンデンサ
２０、２２スイッチ
１００励磁電流駆動トランジスタ
１０１環流ダイオード
１０４平滑化回路
１０５基準電圧発生回路
１０６、１０８電圧比較器
１０７電圧制御回路
１０９回転数検出回路
２０１励磁巻線
２０２固定子巻線
２０３整流回路

Claims

車両用発電機の出力電圧を取り込んで平滑化する平滑化回路を有する車両用発電制御装置において、
前記平滑化回路は、第１および第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサの一方端および他方端のそれぞれに接続された第１および第２のスイッチとを備え、前記第１のスイッチ、前記第２のコンデンサ、前記第２のスイッチからなる直列回路と前記第１のコンデンサとを並列接続するとともに、前記第１および第２のスイッチが同時にオンオフされることを特徴とする車両用発電制御装置。
請求項１において、
前記平滑化回路は、反転入力端子が第１の抵抗を介して入力端子に接続された差動増幅器をさらに備え、
前記差動増幅器の出力端子と前記反転入力端子の間に第２の抵抗と前記第１のコンデンサと前記直列回路とからなる並列回路が接続されることを特徴とする車両用発電制御装置。
請求項１または２において、
前記第１および第２のスイッチは、半導体基板上に形成された半導体素子によって構成されていることを特徴とする車両用発電制御装置。
請求項３において、
前記第１および第２のスイッチのそれぞれは、ＭＯＳ−ＦＥＴによって構成されていることを特徴とする車両用発電制御装置。
請求項３において、
前記第１および第２のスイッチのそれぞれは、ｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴとｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴからなるＣＭＯＳスイッチであることを特徴とする車両用発電制御装置。
請求項５において、
前記第１のスイッチに含まれるｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴと前記第２のスイッチに含まれるｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴは前記半導体基板上の同一の島に形成されており、前記第１のスイッチに含まれるｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴと前記第２のスイッチに含まれるｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴは前記半導体基板上の同一の島に形成されていることを特徴とする車両用発電制御装置。