JP2010051145A - Rotary electric machine for vehicle - Google Patents

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  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rotary electric machine for a vehicle, capable of enhancing power generation characteristics by preventing output reduction all over the rotational range. <P>SOLUTION: The rotary electric machine 1 comprises a field winding 3 magnetizing the field poles of a rotor, an armature inducing AC voltage through the rotating field generated with the field poles, a rectifier converting the AC voltage induced with the armature into DC voltage through synchronous rectification, and a control unit 7 switching the operation state of the synchronous rectification in a predetermined rotation speed or a predetermined rotation speed range. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用回転電機に関する。   The present invention relates to a vehicular rotating electrical machine mounted on a passenger car, a truck, or the like.

近年の環境問題に対する燃費規制や、CO2排出量削減規制の強化に対応するため、一部の車両カテゴリにおいては、信号待ちなどの一時停止時にエンジンを停止させるアイドルストップ機能を備えた車両が普及し始めている。 In some vehicle categories, vehicles equipped with an idle stop function that stops the engine during a temporary stop such as waiting for a signal have become widespread in order to respond to recent fuel efficiency regulations against environmental problems and tightening regulations for reducing CO 2 emissions. Have begun to do.

自動車がアイドルストップを行う手段の一つとして、車両用交流発電機にモータ機能を追加し、一時停止後のエンジン始動を行う始動用電動機と発電を行う発電機能を一つにまとめた回転電機が必要となる。また、アイドルストップを行う回転電機に必要な機能としては、エンジンを再始動させるための起動トルク特性はもちろんのこと、近年の自動車のエレクトロニクス化に伴う車両負荷の増加により、走行時の回生発電特性についても高効率化、高出力化が望まれるようになってきている。   As one of the means for an automobile to perform idle stop, a rotating electric machine that adds a motor function to an AC generator for a vehicle and combines a starting motor for starting an engine after a temporary stop and a generating function for generating power is combined. Necessary. In addition to the starting torque characteristics for restarting the engine, the functions required for the rotating electrical machine that performs idle stop include regenerative power generation characteristics during driving due to the increase in vehicle load accompanying the recent electronics conversion of automobiles. High efficiency and high output have been demanded.

回生発電特性の高効率化、高出力化を実現する手段として、三相インバータを用いた同期整流方式がある。発電電動機において同期整流を行う場合には、車両用回転電機の出力端子とGND端子間に接続された三相インバータブリッジ回路によりダイオードに電流が流れる期間、つまり電流が流れる位相に対してスイッチング素子をオンすることにより、ダイオードよりもオン抵抗が低いスイッチング素子の効果によって整流損失を低減することができる(例えば、特許文献1、2参照。)。   There is a synchronous rectification method using a three-phase inverter as means for realizing high efficiency and high output of regenerative power generation characteristics. When synchronous rectification is performed in a generator motor, a switching element is used for a period during which a current flows through a diode by a three-phase inverter bridge circuit connected between an output terminal and a GND terminal of a vehicular rotating electrical machine, that is, a phase in which a current flows. By turning on, rectification loss can be reduced by the effect of a switching element having an on-resistance lower than that of a diode (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

ダイオードのVF−IF特性と、スイッチング素子(MOS−FET)のVDS−ID特性とのかねあいにより、低出力・低回転領域においてはダイオードの順方向電圧降下VFよりも、MOS−FETのドレイン・ソース間電圧VDSの方が低いため、整流損失が少なくなり、したがって回生発電効率の向上につながる。特に、MOS−FETを用いた三相フルブリッジインバータではその効果が大きい。
特開2004−7964号公報(第10−14頁、図1−8) 特開2004−147461号公報(第7−6頁、図1−4)
And V F -I F characteristics of the diodes, the balance with V DS -I D characteristic of the switching elements (MOS-FET), in a low output and low-speed region than the forward voltage drop V F of the diode, MOS- Since the FET drain-source voltage VDS is lower, the rectification loss is reduced, which leads to improvement in regenerative power generation efficiency. In particular, the effect is great in a three-phase full-bridge inverter using a MOS-FET.
Japanese Patent Laying-Open No. 2004-7964 (pages 10-14, FIGS. 1-8) JP 2004-147461 A (page 7-6, FIGS. 1-4)

ところで、特許文献1、2に開示されているようにダイオードの代わりにMOS−FETを用いた場合には、発電電動機の回転数が上昇するにしたがって発電電流が増加し、高出力・高回転領域となる条件では、MOS−FETのドレイン・ソース間電圧VDSは回転数とともにリニアに増加するため、ダイオードの順方向電圧降下VFを超えた通電電流が流れるようになると、ダイオードによる整流時の整流損失よりもMOS−FETによる同期整流時の整流損失の方が大きくなってしまう逆転現象が生じる。このため、同期整流を行った場合には、高出力・高回転領域ではダイオード整流時よりも出力が低下してしまうという問題があった。なお、上述した説明では、発電電動機としての車両用回転電機について説明したが、発電のみを行う車両用交流発電機の整流をMOS−FETを用いて行う場合についても同様の問題がある。 By the way, when the MOS-FET is used instead of the diode as disclosed in Patent Documents 1 and 2, the generated current increases as the number of revolutions of the generator motor increases, resulting in a high output / high rotation range. Under these conditions, the drain-source voltage V DS of the MOS-FET increases linearly with the rotational speed, and therefore when a current flowing exceeding the forward voltage drop V F of the diode flows, A reverse phenomenon occurs in which the rectification loss at the time of synchronous rectification by the MOS-FET becomes larger than the rectification loss. For this reason, when synchronous rectification is performed, there is a problem in that the output is lower in the high output / high rotation region than during diode rectification. In the above description, the vehicular rotating electrical machine as a generator motor has been described. However, there is a similar problem when the rectification of a vehicular AC generator that performs only power generation is performed using a MOS-FET.

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、全ての回転領域において出力低下を防止して発電特性の向上を図ることができる車両用回転電機を提供することにある。   The present invention has been created in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a rotating electrical machine for a vehicle that can prevent a decrease in output in all rotation regions and improve power generation characteristics. It is in.

上述した課題を解決するために、本発明の車両用回転電機は、回転子の界磁極を磁化させる界磁巻線と、界磁極により発生する回転磁界によって交流電圧を誘起する電機子と、同期整流を行って、電機子に誘起された交流電圧を直流に変換する整流器と、所定回転数または所定回転範囲において同期整流の動作状態を切り替える制御装置とを備えている。特に、上述した整流器は、寄生ダイオードを有する複数のスイッチ素子によって構成されており、同期整流の動作状態を所定回転数において切り替える場合に、この所定回転数は、寄生ダイオードを用いて整流動作を行う場合の出力特性曲線と、寄生ダイオードを除くスイッチ素子を用いて整流動作を行う場合の出力特性曲線とが重なる回転数に設定されている。これにより、寄生ダイオードによる整流動作とスイッチ素子による同期整流動作とを適宜使い分けることができるため、全ての回転領域において出力低下を防止して発電特性の向上を図ることができる。   In order to solve the above-described problems, a rotating electrical machine for a vehicle according to the present invention includes a field winding that magnetizes a field pole of a rotor, an armature that induces an AC voltage by a rotating magnetic field generated by the field pole, A rectifier that performs rectification and converts an AC voltage induced in the armature into a direct current, and a control device that switches an operation state of synchronous rectification at a predetermined rotation speed or a predetermined rotation range are provided. In particular, the rectifier described above is composed of a plurality of switching elements having parasitic diodes, and when the operation state of synchronous rectification is switched at a predetermined rotation speed, the predetermined rotation speed performs a rectification operation using the parasitic diode. The output characteristic curve in this case and the output characteristic curve in the case where the rectifying operation is performed using the switching element excluding the parasitic diode are set to the number of rotations. As a result, the rectification operation by the parasitic diode and the synchronous rectification operation by the switch element can be properly used, so that it is possible to prevent a decrease in output in all the rotation regions and improve the power generation characteristics.

また、上述した同期整流の動作状態を所定回転範囲において切り替える場合に、この所定回転範囲は、寄生ダイオードを用いて整流動作を行う場合の出力特性曲線と、寄生ダイオードを除くスイッチ素子を用いて整流動作を行う場合の出力特性曲線とが重なる回転数に対してヒステリシスが設定された範囲であることが望ましい。これにより、同期整流の動作状態を切り替える回転数近傍で車両用回転電機の回転数が上下した場合に頻繁に同期整流の動作状態が切り替わることを防止して整流動作が不安定になることを防止することができる。   Further, when the operation state of the synchronous rectification described above is switched in a predetermined rotation range, the predetermined rotation range is rectified by using an output characteristic curve when performing a rectification operation using a parasitic diode and a switching element excluding the parasitic diode. It is desirable that the hysteresis be in a range where the rotation speed overlaps with the output characteristic curve when the operation is performed. This prevents the rectifying operation from becoming unstable by preventing frequent switching of the synchronous rectifying operation state when the rotational speed of the rotating electrical machine for the vehicle increases or decreases near the rotational speed for switching the operation state of the synchronous rectification. can do.

また、上述した制御装置は、同期整流の動作状態を所定回転数において切り替える場合に、発電を開始する回転数から所定回転数までの回転領域において、整流器に同期整流を行わせることが望ましい。また、上述した制御装置は、所定回転数から最高回転数までの回転領域において、整流器にスイッチ素子に含まれる寄生ダイオードによる全波整流を行わせることが望ましい。これにより、回転数に応じて損失が少ないスイッチ素子あるいは寄生ダイオードを用いて整流動作を行うことが可能になり、全ての回転領域において出力低下を防止して発電特性の向上を図ることができる。特に、車両用回転電機によって回生発電を行う場合には、高回転領域での回生発電の効率を上げることができる。   In addition, the control device described above preferably causes the rectifier to perform synchronous rectification in a rotation region from a rotation speed at which power generation is started to a predetermined rotation speed when switching the operation state of synchronous rectification at a predetermined rotation speed. Further, it is desirable that the control device described above causes the rectifier to perform full-wave rectification by a parasitic diode included in the switch element in a rotation range from a predetermined rotation speed to a maximum rotation speed. This makes it possible to perform a rectifying operation using a switching element or a parasitic diode with a small loss in accordance with the number of rotations, thereby preventing a decrease in output in all rotation regions and improving power generation characteristics. In particular, when regenerative power generation is performed by a vehicular rotating electrical machine, the efficiency of regenerative power generation in a high rotation region can be increased.

また、上述した同期整流の動作状態を切り替える所定回転数または所定回転範囲は、温度による出力特性の変動を考慮して設定されることが望ましい。これにより、温度が変化した場合であっても常に損失が少ない整流動作が可能になり、温度変化によって出力特性が変動しても常に最も損失が少ない整流動作を行うことができる。   Further, it is desirable that the predetermined rotation speed or the predetermined rotation range for switching the operation state of the synchronous rectification described above is set in consideration of variation in output characteristics due to temperature. As a result, even when the temperature changes, a rectification operation with little loss is always possible, and even when the output characteristics fluctuate due to a temperature change, the rectification operation with the least loss can always be performed.

以下、本発明の車両用回転電機を適用した一実施形態の発電電動機について、図面を参照しながら説明する。図1は、一実施形態の発電電動機の構成を示す図である。図1に示すように、本実施形態の発電電動機1は、電機子巻線2、界磁巻線3、三相インバータ4および制御装置7を含んで構成されている。   Hereinafter, a generator motor according to an embodiment to which a vehicular rotating electrical machine of the present invention is applied will be described with reference to the drawings. Drawing 1 is a figure showing the composition of the generator motor of one embodiment. As shown in FIG. 1, the generator motor 1 of this embodiment includes an armature winding 2, a field winding 3, a three-phase inverter 4, and a control device 7.

電機子巻線2は、多相巻線(例えば三相巻線)であって、電機子鉄心に巻装されて電機子を構成している。発電電動機1が発電動作を行う場合には、電機子巻線2に誘起される交流出力が三相インバータ4に供給される。一方、発電電動機1が電動動作を行う場合には、三相インバータ4から電機子巻線2に交流電圧が印加され、電機子巻線2による回転磁界が発生する。   The armature winding 2 is a multiphase winding (for example, a three-phase winding), and is wound around an armature core to constitute an armature. When the generator motor 1 performs a power generation operation, an AC output induced in the armature winding 2 is supplied to the three-phase inverter 4. On the other hand, when the generator motor 1 performs an electric operation, an AC voltage is applied from the three-phase inverter 4 to the armature winding 2, and a rotating magnetic field is generated by the armature winding 2.

界磁巻線3は、発電動作時に電機子巻線2に電圧を誘起させたり、電動動作時に電機子巻線2の回転磁界によって回転力を発生するために必要な鎖交磁束を発生する。この界磁巻線3は、界磁極(図示せず)に巻装されて回転子を構成しており、界磁巻線に界磁電流を流すことにより界磁極が磁化される。   The field winding 3 generates an interlinkage magnetic flux necessary for inducing a voltage in the armature winding 2 during a power generation operation or generating a rotational force by a rotating magnetic field of the armature winding 2 during an electric operation. The field winding 3 is wound around a field pole (not shown) to form a rotor, and the field pole is magnetized by passing a field current through the field winding.

三相インバータ4は、スイッチ素子として6個のMOS−FET5a〜5fを有する三相ブリッジ回路である。6個のMOS−FET5a〜5fには寄生ダイオードが形成されており、三相インバータ4の負極端子から正極端子に向けてこれらの寄生ダイオードに順方向電流が流れるようになっている。   The three-phase inverter 4 is a three-phase bridge circuit having six MOS-FETs 5a to 5f as switching elements. Parasitic diodes are formed in the six MOS-FETs 5a to 5f, and forward current flows through these parasitic diodes from the negative terminal to the positive terminal of the three-phase inverter 4.

この三相インバータ4は、発電動作時には同期整流を行って電機子巻線2に誘起された交流電圧を直流に変換する整流動作を行う三相全波整流器として動作する。この整流動作は、所定回転数以下の低回転領域ではMOS−FET5a〜5fを適宜オンオフ制御することにより行われ、所定回転数以上の高回転領域では寄生ダイオードによって行われる。所定回転数を境にした整流動作の切り替えの詳細については後述する。   The three-phase inverter 4 operates as a three-phase full-wave rectifier that performs a rectifying operation that performs synchronous rectification and converts an AC voltage induced in the armature winding 2 into a direct current during a power generation operation. This rectification operation is performed by appropriately turning on and off the MOS-FETs 5a to 5f in the low rotation region where the rotation speed is lower than the predetermined rotation speed, and is performed by a parasitic diode in the high rotation area where the rotation speed is higher than the predetermined rotation speed. Details of the switching of the rectification operation at the predetermined rotation speed will be described later.

また、この三相インバータ4は、電動動作時には6個のMOS−FET5a〜5fを電機子巻線2の各相毎に120度ずらしたタイミングでオンオフ制御することにより、バッテリ10から印加される直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ回路として動作する。   In addition, the three-phase inverter 4 controls the direct current applied from the battery 10 by performing on / off control of the six MOS-FETs 5 a to 5 f at a timing shifted by 120 degrees for each phase of the armature winding 2 during electric operation. It operates as an inverter circuit that converts voltage into three-phase AC voltage.

制御装置7は、発電電動機1に発電動作あるいは電動動作を行わせる制御を行っており基準電圧調整回路8とインバータ制御回路9とを含んで構成されている。基準電圧調整回路8は、発電動作時に、界磁巻線3に通電する界磁電流を調整することにより発電電動機1の出力電圧を制御する。   The control device 7 performs control for causing the generator motor 1 to perform power generation operation or electric operation, and includes a reference voltage adjustment circuit 8 and an inverter control circuit 9. The reference voltage adjustment circuit 8 controls the output voltage of the generator motor 1 by adjusting the field current supplied to the field winding 3 during the power generation operation.

インバータ制御回路9は、発電動作時には、三相インバータ4に含まれる6個のMOS−FET5a〜5fをオンオフ制御して三相インバータ4に同期整流を行わせる同期整流制御信号を生成する。また、発電動作時には、三相インバータ4に含まれる6個のMOS−FET5a〜5fをオンオフ制御して三相インバータ4によって三相交流を発生する制御信号を生成する。   The inverter control circuit 9 generates a synchronous rectification control signal that causes the three-phase inverter 4 to perform synchronous rectification by performing on / off control of the six MOS-FETs 5 a to 5 f included in the three-phase inverter 4 during the power generation operation. Further, during the power generation operation, the six MOS-FETs 5 a to 5 f included in the three-phase inverter 4 are on / off controlled, and a control signal for generating a three-phase alternating current is generated by the three-phase inverter 4.

なお、図1に示した発電電動機1では1組の電機子巻線2および三相インバータ4が備わっていたが、図2に示す発電電動機1Aのように2組の電機子巻線2および三相インバータ4が備わっている場合であってもよい。   The generator motor 1 shown in FIG. 1 is provided with a set of armature windings 2 and a three-phase inverter 4. However, like the generator motor 1A shown in FIG. The case where the phase inverter 4 is provided may be sufficient.

本実施形態の発電電動機1はこのような構成を有しており、次に、発電動作時に所定回転数を境にして整流動作を切り替える場合の詳細について説明する。   The generator motor 1 according to the present embodiment has such a configuration. Next, details of a case where the rectification operation is switched at a predetermined rotation speed during the power generation operation will be described.

図3は、インバータ制御回路9の具体的な構成を示す図である。なお、図3には電機子巻線2の1相分(W相)に対応する構成が示されており、実際には同じ構成が各相巻線に対応して設けられている。また、図3には、発電動作時の整流動作の切り替えに着目した部分的な構成が示されており、電動動作を行うための構成については省略されている。   FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration of the inverter control circuit 9. FIG. 3 shows a configuration corresponding to one phase (W phase) of the armature winding 2, and actually the same configuration is provided corresponding to each phase winding. FIG. 3 shows a partial configuration focusing on switching of a rectifying operation during a power generation operation, and a configuration for performing an electric operation is omitted.

図3に示すように、インバータ制御回路9は、同期整流制御信号生成回路90と周波数−電圧変換制御回路92とを含んで構成されている。同期整流制御信号生成回路90は、電機子巻線2のW相電圧に基づいて、W相巻線に対応する2つのMOS−FET5c、5fをオンオフ制御するために必要な同期整流制御信号を生成する。具体的には、同期整流制御信号生成回路90は、W相電圧が、0Vよりも若干高い正側基準電圧よりも高くなったときに、ハイサイド整流部を構成するMOS−FET5cをオンさせる同期整流制御信号を生成して、MOS−FET5cのゲートに入力する。また、同期整流制御信号生成回路90は、W相電圧が、0Vよりも若干低い負側基準電圧よりも低くなったときに、ローサイド整流部を構成するMOS−FET5fをオンさせる同期整流制御信号を生成して、MOS−FET5fのゲートに入力する。   As shown in FIG. 3, the inverter control circuit 9 includes a synchronous rectification control signal generation circuit 90 and a frequency-voltage conversion control circuit 92. The synchronous rectification control signal generation circuit 90 generates a synchronous rectification control signal necessary for on / off control of the two MOS-FETs 5c and 5f corresponding to the W-phase winding based on the W-phase voltage of the armature winding 2 To do. Specifically, the synchronous rectification control signal generation circuit 90 performs synchronization to turn on the MOS-FET 5c constituting the high-side rectifier when the W-phase voltage becomes higher than the positive reference voltage slightly higher than 0V. A rectification control signal is generated and input to the gate of the MOS-FET 5c. Further, the synchronous rectification control signal generation circuit 90 outputs a synchronous rectification control signal for turning on the MOS-FET 5f constituting the low-side rectification unit when the W-phase voltage is lower than the negative reference voltage slightly lower than 0V. It is generated and input to the gate of the MOS-FET 5f.

周波数−電圧変換制御回路92は、回転数が所定回転数以上の場合に同期整流停止信号を生成するためのものであり、周波数−電圧変換器11、電圧比較器CP、抵抗R1、R2、R3、R4、R5を含んで構成されている。周波数−電圧変換器11は、W相電圧の周波数を電圧に変換し、相電圧の周波数に比例した電圧を出力する。この出力電圧は、抵抗R2を介して電圧比較器CPのマイナス入力端子に印加される。電圧比較器CPのマイナス入力端子と出力端子との間には抵抗R3が接続されている。したがって、電圧比較器CPの出力電圧がローレベルのときは、ローレベルの電圧と周波数−電圧変換器11の出力電圧とを抵抗R2、R3で分圧した電圧がマイナス入力端子に印加され、電圧比較器CPの出力電圧がハイレベルのときは、ハイレベルの電圧と周波数−電圧変換器11の出力電圧とを抵抗R2、R3で分圧した電圧がマイナス入力端子に印加される。一方、電圧比較器CPのプラス入力端子には、動作電圧Vccを抵抗R4、R5で分圧した基準電圧が抵抗R1を介して印加されている。   The frequency-voltage conversion control circuit 92 is for generating a synchronous rectification stop signal when the rotational speed is equal to or higher than a predetermined rotational speed. The frequency-voltage converter 11, voltage comparator CP, resistors R1, R2, R3 , R4, and R5. The frequency-voltage converter 11 converts the frequency of the W-phase voltage into a voltage, and outputs a voltage proportional to the frequency of the phase voltage. This output voltage is applied to the negative input terminal of the voltage comparator CP via the resistor R2. A resistor R3 is connected between the negative input terminal and the output terminal of the voltage comparator CP. Therefore, when the output voltage of the voltage comparator CP is at a low level, a voltage obtained by dividing the low level voltage and the output voltage of the frequency-voltage converter 11 by the resistors R2 and R3 is applied to the negative input terminal. When the output voltage of the comparator CP is high level, a voltage obtained by dividing the high level voltage and the output voltage of the frequency-voltage converter 11 by the resistors R2 and R3 is applied to the negative input terminal. On the other hand, a reference voltage obtained by dividing the operating voltage Vcc by the resistors R4 and R5 is applied to the positive input terminal of the voltage comparator CP via the resistor R1.

発電電動機1が低速回転時であって、電圧比較器CPのマイナス入力端子に印加される電圧が基準電圧よりも小さい場合には電圧比較器CPからはハイレベルの信号が出力される。この信号はアンド回路94、96のそれぞれの一方の入力端子に入力される。アンド回路94、96のそれぞれの他方の入力端子には同期整流制御信号生成回路90から出力される2種類の同期整流制御信号が別々に入力されている。したがって、周波数−電圧変換制御回路92内の電圧比較器CPからハイレベルの信号が出力されると、アンド回路94、96のそれぞれの出力端子からは、同期整流制御信号生成回路90から入力された同期整流制御信号がそのまま出力される。これらの同期整流制御信号がMOS−FET5cあるいは5fに入力される。   When the generator motor 1 is rotating at a low speed and the voltage applied to the negative input terminal of the voltage comparator CP is smaller than the reference voltage, a high level signal is output from the voltage comparator CP. This signal is input to one input terminal of each of the AND circuits 94 and 96. Two types of synchronous rectification control signals output from the synchronous rectification control signal generation circuit 90 are separately input to the other input terminals of the AND circuits 94 and 96. Therefore, when a high level signal is output from the voltage comparator CP in the frequency-voltage conversion control circuit 92, the signal is input from the synchronous rectification control signal generation circuit 90 from each output terminal of the AND circuits 94 and 96. The synchronous rectification control signal is output as it is. These synchronous rectification control signals are input to the MOS-FET 5c or 5f.

また、発電電動機1の回転数が所定回転数以上に上昇して、電圧比較器CPのマイナス入力端子に印加される電圧が基準電圧よりも高くなると、電圧比較器CPからはローレベルの信号が同期整流停止信号として出力される。この同期整流停止信号がアンド回路94、96のそれぞれに入力されると、アンド回路94、96は、同期整流制御信号生成回路90から入力された同期整流制御信号を遮断する。このため、同期整流制御が停止される。この場合には、MOS−FET5c、5fをオンオフ制御することにより行われる同期整流ではなく、寄生ダイオードによる整流が行われる。   Further, when the rotational speed of the generator motor 1 rises to a predetermined rotational speed or more and the voltage applied to the negative input terminal of the voltage comparator CP becomes higher than the reference voltage, a low level signal is output from the voltage comparator CP. Output as a synchronous rectification stop signal. When the synchronous rectification stop signal is input to the AND circuits 94 and 96, the AND circuits 94 and 96 block the synchronous rectification control signal input from the synchronous rectification control signal generation circuit 90. For this reason, synchronous rectification control is stopped. In this case, rectification by a parasitic diode is performed instead of the synchronous rectification performed by turning on and off the MOS-FETs 5c and 5f.

次に、同期整流制御を停止する所定回転数の設定方法について説明する。図4は、寄生ダイオードの順方向電圧降下VFと順方向電流IFとの関係と、MOS−FETのドレイン・ソース間電圧VDSとドレイン・ソース間電流IDとの関係を示す図である。図4に示すように、MOS−FETのドレイン・ソース間電圧VDSとドレイン・ソース間電流IDはほぼ線形の関係を有しており、ドレイン・ソース間電流IDの増加に伴ってドレイン・ソース間電圧VDSが次第に大きくなる。これに対し、寄生ダイオードの順方向電圧降下VFはほぼ一定である。したがって、発電電動機1の出力電流が回転上昇に伴って上昇していくと、MOS−FET5a〜5fのドレイン・ソース間電圧VDSが寄生ダイオードの順方向電圧降下VFをある時点で超えることになる、この時点に対応する回転数が同期整流制御を停止させる所定回転数として設定されている。 Next, a method for setting the predetermined rotation speed for stopping the synchronous rectification control will be described. Figure 4 is a graph showing the relationship between the forward voltage drop V F and the forward current I F of the parasitic diode, the relationship between the drain-source voltage V DS and the drain-source current I D of the MOS-FET is there. As shown in FIG. 4, the drain-source voltage V DS and the drain-source current I D of the MOS-FET have a substantially linear relationship, and the drain-source current I D increases as the drain-source current I D increases.・ The source-to-source voltage V DS gradually increases. On the other hand, the forward voltage drop V F of the parasitic diode is almost constant. Therefore, when the output current of the generator motor 1 rises with the rotation rise to exceed when the MOS-FET5a~5f the drain-source voltage V DS is the forward voltage drop V F of the parasitic diode The rotational speed corresponding to this time is set as a predetermined rotational speed for stopping the synchronous rectification control.

図5は、発電電動機1の出力と整流動作切替えとの関係を示す図である。図5において、実線で示された出力特性曲線OUT1は、全回転領域において同期整流を行った場合の回転数と出力電流の関係を示している。また、点線で示された出力特性曲線OUT2は、全回転領域において寄生ダイオードによる整流を行った場合の回転数の出力電流の関係を示している。   FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the output of the generator motor 1 and the rectifying operation switching. In FIG. 5, an output characteristic curve OUT1 indicated by a solid line indicates the relationship between the rotational speed and the output current when synchronous rectification is performed in the entire rotational region. Further, an output characteristic curve OUT2 indicated by a dotted line shows the relationship between the output current of the rotational speed when rectification is performed by a parasitic diode in the entire rotational region.

図4を用いて説明したように、所定回転数(図5ではNc)よりも低回転領域では出力電流が少なく、MOS−FET5a〜5fのドレイン・ソース間電圧VDSの方が寄生ダイオードの順方向電圧降下VFよりも小さくなる。このため、発電を開始する回転数Ninから所定回転数Ncまでの低回転領域では、同期整流を行った場合の方が出力電流が大きくなる。一方、所定回転数Nc以上の高回転領域では出力電流が多くなるため、MOS−FET5a〜5fのドレイン・ソース間電圧VDSの方が寄生ダイオードの順方向電圧降下VFよりも大きく。このため、所定回転数Ncから最高回転数までの高回転領域では、同期整流を行わずに寄生ダイオードによる整流を行った場合の方が出力電流が大きくなる。 As described with reference to FIG. 4, the output current is smaller in the rotation speed region lower than the predetermined rotation speed (Nc in FIG. 5), and the drain-source voltage V DS of the MOS-FETs 5a to 5f is in the order of the parasitic diode. It is smaller than the forward voltage drop V F. For this reason, in the low rotation speed region from the rotation speed Nin at which power generation is started to the predetermined rotation speed Nc, the output current becomes larger when synchronous rectification is performed. Meanwhile, since the output current is increased in the high rotation region above the predetermined rotation speed Nc, greater than the forward voltage drop V F of the parasitic diode towards the drain-source voltage V DS of MOS-FET5a~5f. For this reason, in the high rotation speed region from the predetermined rotation speed Nc to the maximum rotation speed, the output current becomes larger when the rectification by the parasitic diode is performed without performing the synchronous rectification.

なお、周波数−電圧変換制御回路92内の電圧比較器CPのマイナス入力端子と出力端子との間に抵抗R3が接続されているため、回転数が上昇していって同期整流制御が停止される所定回転数Ncに対し、回転数が減少していってそれまで停止されていた同期整流制御が再開される回転数Nc’の方が低く設定されている。このように、同期整流停止信号の出力、停止のタイミングにヒステリシスを持たせることにより、回転数Nc近傍で回転数が変動した場合に同期整流制御の停止と再開が頻繁に繰り返されることを防止している。   Since the resistor R3 is connected between the negative input terminal and the output terminal of the voltage comparator CP in the frequency-voltage conversion control circuit 92, the rotational speed increases and the synchronous rectification control is stopped. The rotational speed Nc ′ at which the synchronous rectification control, which has been stopped until then, is reduced is set lower than the predetermined rotational speed Nc. In this way, by providing hysteresis in the output and stop timing of the synchronous rectification stop signal, when the rotational speed fluctuates in the vicinity of the rotational speed Nc, frequent stop and restart of the synchronous rectification control are prevented. ing.

すなわち、本実施形態では、同期整流の動作状態を切り替えるタイミングとしては、所定回転数Ncだけでなく、Nc’〜Ncまでの回転数範囲が設定されているといえる。また、ヒステリシスを持たせることが不要な場合には、電圧比較器CPのマイナス入力端子と出力端子との間に接続された抵抗R3を省略すればよい。   That is, in the present embodiment, it can be said that not only the predetermined rotation speed Nc but also the rotation speed range from Nc ′ to Nc is set as the timing for switching the operation state of the synchronous rectification. If it is not necessary to provide hysteresis, the resistor R3 connected between the negative input terminal and the output terminal of the voltage comparator CP may be omitted.

図6は、本実施形態の発電電動機1の出力特性を示す図である。図6に示すように、所定回転数Nc以下の低回転領域では、寄生ダイオードを用いた整流によって得られる出力特性CではなくMOS−FET5a〜5fを用いた同期整流によって得られた出力特性Aが得られる。これにより、低回転領域では、寄生ダイオードを用いた整流によって得られる出力特性Cに対してFで示される出力増加となる。   FIG. 6 is a diagram showing output characteristics of the generator motor 1 of the present embodiment. As shown in FIG. 6, in the low rotation speed region of the predetermined rotation speed Nc or less, the output characteristic A obtained by the synchronous rectification using the MOS-FETs 5a to 5f is not the output characteristic C obtained by the rectification using the parasitic diode. can get. As a result, in the low rotation region, the output increases as indicated by F with respect to the output characteristic C obtained by rectification using a parasitic diode.

一方、所定回転数Nc以上の高回転領域では、MOS−FET5a〜5fを用いた同期整流によって得られる出力特性Bではなく寄生ダイオードを用いた整流によって得られる出力特性Dが得られる。これにより、高回転領域では、MOS−FET5a〜5fを用いた同期整流によって得られる出力特性Bに対してGで示される出力増加となる。   On the other hand, in the high rotation speed region of the predetermined rotation speed Nc or more, the output characteristic D obtained by rectification using a parasitic diode is obtained instead of the output characteristic B obtained by synchronous rectification using the MOS-FETs 5a to 5f. As a result, in the high rotation region, the output increases as indicated by G with respect to the output characteristic B obtained by the synchronous rectification using the MOS-FETs 5a to 5f.

このように、本実施形態の発電電動機1では、寄生ダイオードによる整流動作とMOS−FETによる同期整流動作とを適宜使い分けることができるため、全ての回転領域において出力低下を防止して発電特性の向上を図ることができる。特に、所定回転数以下の低回転領域ではより損失の少ないMOS−FETを用いた同期整流を行い、所定回転数以上の高回転領域ではより損失の少ない寄生ダイオードを用いた整流を行うことにより、全ての回転領域において出力低下を防止して発電特性の向上を図ることができる。また、同期整流の動作状態を切り替える所定回転範囲としてヒステリシスを持たせることにより、所定回転数近傍で発電電動機1の回転数が上下した場合に頻繁に同期整流の動作状態が切り替わることを防止して整流動作が不安定になることを防止することができる。   As described above, in the generator motor 1 of the present embodiment, the rectification operation by the parasitic diode and the synchronous rectification operation by the MOS-FET can be properly used, so that the output reduction is prevented in all the rotation regions and the power generation characteristics are improved. Can be achieved. In particular, by performing synchronous rectification using a MOS-FET with less loss in a low rotation region below a predetermined rotation number, and performing rectification using a parasitic diode with less loss in a high rotation region above a predetermined rotation number, It is possible to improve the power generation characteristics by preventing a decrease in output in all the rotation regions. In addition, by providing hysteresis as a predetermined rotation range for switching the operation state of synchronous rectification, it is possible to prevent frequent switching of the operation state of synchronous rectification when the number of rotations of the generator motor 1 increases or decreases in the vicinity of the predetermined rotation number. It is possible to prevent the rectification operation from becoming unstable.

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において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、一定の所定回転数Nc(あるいはNc’〜Ncの範囲)で同期整流の動作状態を切り替えたが、発電電動機1の温度によって出力電流が増減し、寄生ダイオードの順方向電圧降下VFとMOS−FETのドレイン・ソース間電圧VDSとの関係が逆転する回転数が変化するため、発電電動機1の温度による出力特性の変動を考慮して、同期整流の動作状態を切り替える所定回転数または所定回転範囲を設定するようにしてもよい。この設定は、例えば周波数−電圧変換制御回路92内の抵抗R2、R3の抵抗値を温度に応じて可変すればよい。これにより、温度が変化した場合であっても常に損失が少ない整流動作が可能になり、温度変化によって出力特性が変動しても常に最も損失が少ない整流動作を行うことができる。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation implementation is possible within the range of the summary of this invention. For example, in the above-described embodiment, the synchronous rectification operation state is switched at a constant predetermined rotation speed Nc (or a range of Nc ′ to Nc). However, the output current increases or decreases depending on the temperature of the generator motor 1, and the order of parasitic diodes increases. Since the rotational speed at which the relationship between the directional voltage drop V F and the drain-source voltage V DS of the MOS-FET is reversed changes, the operation state of the synchronous rectification is considered in consideration of the fluctuation of the output characteristics due to the temperature of the generator motor 1 A predetermined number of rotations or a predetermined range of rotation may be set. For this setting, for example, the resistance values of the resistors R2 and R3 in the frequency-voltage conversion control circuit 92 may be varied according to the temperature. As a result, even when the temperature changes, a rectification operation with little loss is always possible, and even when the output characteristics fluctuate due to a temperature change, the rectification operation with the least loss can always be performed.

また、上述した実施形態では、電動動作と発電動作を行う発電電動機について説明したが、発電動作のみを行う車両用交流発電機についても本発明を適用することができる。また、上述した実施形態では、相電圧に基づいて同期整流制御信号を生成するようにしたが、回転子の回転位置をセンサで検出し、検出した回転位置に応じた同期整流制御信号を生成するようにしてもよい。   In the above-described embodiment, the generator motor that performs the electric operation and the power generation operation has been described. However, the present invention can also be applied to a vehicle AC generator that performs only the power generation operation. In the above-described embodiment, the synchronous rectification control signal is generated based on the phase voltage. However, the rotational position of the rotor is detected by the sensor, and the synchronous rectification control signal corresponding to the detected rotational position is generated. You may do it.

一実施形態の発電電動機の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the generator motor of one Embodiment. 発電電動機の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of a generator motor. インバータ制御回路の具体的な構成を示す図である。It is a figure which shows the specific structure of an inverter control circuit. 寄生ダイオードの順方向電圧降下と順方向電流との関係と、MOS−FETのドレイン・ソース間電圧とドレイン・ソース間電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the forward voltage drop of a parasitic diode, and a forward current, and the relationship between the drain-source voltage and drain-source current of MOS-FET. 発電電動機の出力と整流動作切替えとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the output of a generator motor, and rectification operation switching. 本実施形態の発電電動機の出力特性を示す図である。It is a figure which shows the output characteristic of the generator motor of this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 発電電動機
2 電機子巻線
3 界磁巻線
4 三相インバータ
5a、5b、5c、5d、5e、5f MOS−FET
7 制御装置
8 基準電圧調整回路
9 インバータ制御回路
10 バッテリ
11 周波数−電圧変換器
90 同期整流制御信号生成回路
92 周波数−電圧変換制御回路
94、96アンド回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Generator motor 2 Armature winding 3 Field winding 4 Three-phase inverter 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f MOS-FET
DESCRIPTION OF SYMBOLS 7 Control apparatus 8 Reference voltage adjustment circuit 9 Inverter control circuit 10 Battery 11 Frequency-voltage converter 90 Synchronous rectification control signal generation circuit 92 Frequency-voltage conversion control circuit 94, 96 AND circuit

Claims (6)

回転子の界磁極を磁化させる界磁巻線と、
前記界磁極により発生する回転磁界によって交流電圧を誘起する電機子と、
同期整流を行って、前記電機子に誘起された交流電圧を直流に変換する整流器と、
所定回転数または所定回転範囲において前記同期整流の動作状態を切り替える制御装置と、
を備えることを特徴とする車両用回転電機。
Field windings to magnetize the rotor field poles;
An armature that induces an alternating voltage by a rotating magnetic field generated by the field pole;
A rectifier that performs synchronous rectification and converts the alternating voltage induced in the armature into direct current;
A control device for switching the operation state of the synchronous rectification at a predetermined rotation speed or a predetermined rotation range;
A vehicular rotating electrical machine comprising:
請求項1において、
前記整流器は、寄生ダイオードを有する複数のスイッチ素子によって構成されており、
前記同期整流の動作状態を前記所定回転数において切り替える場合に、この所定回転数は、前記寄生ダイオードを用いて整流動作を行う場合の出力特性曲線と、前記寄生ダイオードを除く前記スイッチ素子を用いて整流動作を行う場合の出力特性曲線とが重なる回転数に設定されることを特徴とする車両用回転電機。
In claim 1,
The rectifier is composed of a plurality of switch elements having parasitic diodes,
When switching the operation state of the synchronous rectification at the predetermined rotational speed, the predetermined rotational speed is obtained by using an output characteristic curve when performing the rectifying operation using the parasitic diode and the switch element excluding the parasitic diode. A rotating electrical machine for a vehicle, characterized in that the rotational speed is set to overlap with an output characteristic curve when performing a rectifying operation.
請求項1において、
前記同期整流の動作状態を前記所定回転範囲において切り替える場合に、この所定回転範囲は、前記寄生ダイオードを用いて整流動作を行う場合の出力特性曲線と、前記寄生ダイオードを除く前記スイッチ素子を用いて整流動作を行う場合の出力特性曲線とが重なる回転数に対してヒステリシスが設定された範囲であることを特徴とする車両用回転電機。
In claim 1,
When the operation state of the synchronous rectification is switched in the predetermined rotation range, the predetermined rotation range is determined by using an output characteristic curve when the rectification operation is performed using the parasitic diode and the switch element excluding the parasitic diode. A vehicular rotating electrical machine characterized in that a hysteresis is set in a range in which the output characteristic curve when the rectifying operation is performed overlaps with the rotation speed.
請求項1において、
前記制御装置は、前記同期整流の動作状態を前記所定回転数において切り替える場合に、発電を開始する回転数から前記所定回転数までの回転領域において、前記整流器に同期整流を行わせることを特徴とする車両用回転電機。
In claim 1,
The control device causes the rectifier to perform synchronous rectification in a rotation region from a rotation speed at which power generation is started to the predetermined rotation speed when the operation state of the synchronous rectification is switched at the predetermined rotation speed. Rotating electric machine for vehicles.
請求項4において、
前記制御装置は、前記所定回転数から最高回転数までの回転領域において、前記整流器に前記スイッチ素子に含まれる寄生ダイオードによる全波整流を行わせることを特徴とする車両用回転電機。
In claim 4,
The control device causes the rectifier to perform full-wave rectification by a parasitic diode included in the switch element in a rotation region from the predetermined rotation speed to the maximum rotation speed.
請求項1〜5のいずれかにおいて、
前記同期整流の動作状態を切り替える前記所定回転数または前記所定回転範囲は、温度による出力特性の変動を考慮して設定されることを特徴とする車両用回転電機。
In any one of Claims 1-5,
The rotating electrical machine for a vehicle according to claim 1, wherein the predetermined rotation speed or the predetermined rotation range for switching the operation state of the synchronous rectification is set in consideration of variation in output characteristics due to temperature.
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