JP2013501494A - 整流装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、設定された数の整流素子を含むブリッジ回路を有する整流装置、特にジェネレータ用整流装置に関する。本発明によれば、少なくとも１つの整流素子が、少なくとも設定領域において阻止電圧から独立した特性曲線を有する整流素子である。有利には、少なくとも１つの負極ダイオードは対応する正極ダイオードよりも高い阻止飽和電流を有する。また有利には、少なくとも１つの負極ダイオードが当該の整流装置内で温度の高い箇所に配置される。

Description

本発明は、車両のジェネレータ用の整流装置に関する。

従来技術
特に、車両内の回転型発電機または光学機械では、整流のために、たいていの場合、Ｂ６交流ブリッジ回路が整流装置として用いられている。この場合、整流を行う素子として、シリコン（ケイ素）から形成された６個のｐｎ半導体ダイオードが用いられることが多い。こうした装置の例が図１に示されている。

また、時には、７個以上のダイオードを含む交流ブリッジ回路が用いられることもある。例えば、電流がきわめて大きい場合、並列接続された複数のダイオードを有するブリッジ回路が用いられる。こうした装置の例は図２に示されている。

ここで、半導体ダイオードはたいていツェナーダイオードとして構成されるが、このケースは回路図に示されている２つのシミュレーションに対して仮定される。ジェネレータシステム全体は、回転型発電機および交流ブリッジ回路に加えて電圧制御回路も含み、この電圧制御回路は、整流された電圧が所定の値、例えば１４．３Ｖを有するように制御を行う。当該の電圧制御回路はジェネレータの励磁電流を制御する。ジェネレータ電圧が所望の値を上回ると、電圧制御回路が励磁電流を遮断するので、励磁状態が弱まって、ジェネレータ電圧が低下する。ジェネレータ電圧が下方閾値を下回ると、電圧制御回路は励磁電流を再びスイッチオンする。当該の励磁電流はジェネレータの励起コイルのリングを介して供給される。多機能制御回路を有するジェネレータは励磁電流を直接に正の端子Ｂ＋から取り出す。こうした電圧制御回路の素子はふつうモノリシックにシリコン基板に集積されている。

始動のケースにおいて、電圧制御回路はバッテリから供給された予励磁電流をスイッチオンする。ジェネレータのロータが回転しはじめると、ただちに、電圧制御回路が所定の相端子での電圧信号Ｕｐを検出する。電圧制御回路は当該の電圧信号の周波数からジェネレータ回転数を導出する。導出されたジェネレータ回転数の値がスイッチオン回転数の設定値に達すると、電圧制御回路が完全な励磁電流をスイッチオンし、ジェネレータが電流を送出しはじめる。

電圧制御回路によってロータの回転数を識別するには、相信号Ｕｐ＿ＡＣの交流成分が所定の最小電圧を有していなければならない。また、電圧制御回路の評価回路はふつう所定の電圧値までしか機能しないので、相信号の直流成分Ｕｐ＿ＤＣは、たいていの場合、所定の閾値を上回ってはいけないことになっている。したがって、ピーク間で必要とされる最小交流相電圧Ｕｐ＿ＡＣは例えば３Ｖとなり、発生する最大直流成分Ｕｐ＿ＤＣは８Ｖとなる。

ジェネレータが車両に搭載されている電気システムへ電流を送出しない予励磁クロックのあいだ、または、整流が行われない期間では、相電圧の直流電圧値および交流電圧値は整流ダイオードの阻止電流によって制御される。当該の動作状態において、バッテリ電圧ＵＢが端子Ｂ＋に生じる。各ダイオードを通って直列回路に同じ阻止電流が流れるのであれば、相電圧Ｕｐ＿ＤＣ＝ＵＢ／２となる。

ここでは、相タップとアースとのあいだの制御回路の内部抵抗が無限に大きいと仮定されている。このことはほとんど起こらず、制御回路の相タップとアースとのあいだにはふつうは例えば１ｋΩから１００ｋΩの抵抗が存在する。当該の抵抗は、図１の例では、例えばダイオードＤ３に対して並列に接続されている。ただし、さらなる考察に対してわかりやすくするために、当該の抵抗の影響は無視する。シリコンから成るｐｎダイオードの阻止電流ＩＲの特性は、温度に強く依存しており、阻止電圧の増大につれて増大する。このことは、S.M.Sze, "Physics of Semiconductor Devices", John Wiley & Sons, New York, 1981の第91頁および図3に詳しく説明されている。

それぞれ正極ダイオードと負極ダイオードとが直列に接続されているので、相電圧Ｕｐ＿ＤＣは、正極ダイオードおよび負極ダイオードが異なる温度の位置にあるとき、変化する。正極ダイオードの阻止電流が高い場合、極端なケースでは、相電圧の直流成分Ｕｐ＿ＤＣが最大値（許容可能閾値）を上回る値を取ることがある。そうなると、制御回路が始動回転数を早期には識別できず、回転数が高くなってからしかジェネレータをスイッチオンできなくなる。

各ｐｎダイオードの温度の相違に起因して阻止電流が種々の値になると、相電圧の直流成分Ｕｐ＿ＤＣが最大値を上回って上昇し、ジェネレータの始動特性が保証されなくなるという欠点が生じる。

米国特許第７０８４６１０号明細書から、整流ブリッジ回路として、複数のショットキーダイオードから成るＢ６ブリッジ回路を用いた車両用ジェネレータ装置が公知である。ここでは、電圧制限のために、阻止方向に接続されたツェナーダイオードが用いられている。当該のツェナーダイオードはジェネレータに由来するノイズおよび障害パルスに対して動作電圧を制限する。

発明の開示
本発明によれば、上述した従来技術の欠点が解消される。ここで、本発明では、相電圧の直流成分Ｕｐ＿ＤＣが所定の低い電圧値に維持されることが保証される。

ｐｎ整流ダイオードに代わる整流素子として、阻止電流がバッテリ電圧ＵＢを下回る電圧範囲においてほとんど阻止電圧に依存しない性質の整流素子が用いられ、整流装置の適切な設計により、直流相電圧が制御回路の予励磁クロックのあいだ所定の閾値を下回る値にとどまることが保証される。適切な整流素子として、特に、阻止電流の電圧依存性の成分を抑圧することのできる新規なショットキーダイオードが用いられる。阻止飽和電流は一定である。これは、例えば、トレンチＭＯＳバリアジャンクションダイオード（ＴＭＢＳダイオード）あるいはトレンチジャンクションバリアショットキーダイオード（ＴＪＢＳダイオード）である。

Ｂ６ブリッジ整流装置の回路図である。 並列接続された複数のダイオードを含むＢ６ブリッジ整流装置の回路図である。 ｐｎダイオードの典型的な阻止特性曲線のグラフである。ここで、ダイオードＤ３＋は構造または製造方法に起因してダイオードＤ３−より高い阻止電流を有し、高温となる。 本発明の電圧から独立した阻止飽和電流を有する整流素子の阻止特性曲線のグラフである。ここで、ダイオードＤ３＋は構造または製造方法に起因してダイオードＤ３−より高い阻止電流を有している。また、ここには、本発明の整流素子をバッテリとアースとのあいだに直列接続した場合の無視できる程度に小さい相電圧Ｕｐ＿ＤＣも示されている。 ｐｎダイオードと本発明の整流素子とを組み合わせた整流装置の阻止特性曲線のグラフである。ここでは、ダイオードＤ３−は０からＵＢ（例えば１２Ｖ）までの全電圧領域においてｐｎダイオードＤ３＋よりも高い阻止電流を有する。ここにも、本発明の整流素子をバッテリとアースとのあいだに直列接続した場合の無視できる程度に小さい相電圧Ｕｐ＿ＤＣが示されている。

本発明の構造・機能・選択的手段の説明
図４には、本発明の、阻止電圧から独立した整流素子の電流‐電圧特性のグラフが示されている。ここから、２つのダイオードにほぼ等しい電流ＩＲ３が流れるので、この２つのダイオードの直列回路において、低い阻止電流を有するダイオードにかかるバッテリ電圧がほぼ完全に低下することがわかる。

第１の実施例では、図１または図２の整流装置においてＴＭＢＳダイオードが用いられ、少なくとも正極ダイオードＤ３＋が負極ダイオードＤ３−よりも、有利には全正極ダイオードＤ１＋からＤ６＋までが全負極ダイオードＤ１−からＤ６−までよりも、格段に低い阻止飽和電流を有する。正極ダイオードの阻止電流が低いため、図１または図２の正極ダイオードと負極ダイオードとの直列回路では、負極ダイオードの阻止飽和電流は達成されず、負極ダイオードでの電圧降下は小さいままである。したがって、相信号Ｕｐ＿ＤＣの直流電圧成分もきわめて小さい。

第２の実施例では、電圧から独立した阻止飽和電流を有する複数の整流素子、例えば複数のＴＭＢＳダイオードが整流装置において用いられるが、負極ダイオードが有利には整流装置の高温領域に配置されるという熱分布の点で、第１の実施例と異なっている。温度が上昇するにつれて阻止飽和電流も増大するので、負極ダイオードの阻止飽和電流はいっそう高まり、相電圧Ｕｐ＿ＤＣが小さい値に保持されることが保証される。

第３の実施例では、複数のｐｎダイオードと、電圧から独立した阻止電流を有する複数の整流素子、例えば複数のＴＭＢＳダイオードとが、組み合わされる。この場合、図１，図２の整流装置のＴＭＢＳダイオードによる負極ダイオードと、従来のｐｎダイオードによる正極ダイオードとが組み合わされている。ＴＭＢＳダイオードおよびｐｎダイオードの阻止電流は、０からＵＢまでの電圧領域のダイオード温度の全範囲にわたってＴＭＢＳダイオードの阻止飽和電流のほうがｐｎダイオードの阻止飽和電流よりも高くなるように選定される。このことは、図５に示されている。

第４の実施例では、図２の整流装置において、並列接続されたＴＭＢＳダイオードが設けられ、少なくとも１つの並列回路（一対のダイオード）が、ｐｎダイオードとＴＭＢＳダイオードとから成る並列回路に置き換えられている。ここで、ｐｎダイオードとＴＭＢＳダイオードとから成る並列回路の阻止電流は、０からＵＢまでの電圧領域のダイオード温度の全範囲にわたってＴＭＢＳダイオードの阻止飽和電流のほうがｐｎダイオードの阻止飽和電流よりも高くなるように選定される。整流装置は、並列接続されたｐｎダイオードおよびＴＭＢＳダイオードを含むダイオード対を負極ダイオードとして有し、これに対応する正極ダイオードが低い阻止電流を有するように構成されている。

Claims (10)

1. 設定された数の整流素子（Ｄ１＋，…，Ｄ６−）を含むブリッジ回路を有する整流装置、例えばジェネレータ用整流装置において、
   少なくとも１つの整流素子が、少なくとも設定領域において阻止電圧から独立した特性曲線を有する整流素子である
   ことを特徴とする整流装置。
2. 前記設定された数の整流素子（Ｄ１＋，…，Ｄ６−）は正極ダイオードおよび負極ダイオードである、請求項１記載の整流装置。
3. 少なくとも１つの負極ダイオードは対応する正極ダイオードよりも高い阻止飽和電流を有する、請求項２記載の整流装置。
4. 少なくとも１つの負極ダイオードは当該の整流装置内で温度の高い位置に配置される、請求項１から３までのいずれか１項記載の整流装置。
5. 少なくとも１つの整流素子が従来の整流素子によって置換される、請求項１から４までのいずれか１項記載の整流装置。
6. 少なくとも１つの正極ダイオードが従来のｐｎダイオードによって置換される、請求項１から５までのいずれか１項記載の整流装置。
7. 少なくとも１つの整流素子が２つの整流素子から成る並列回路を含み、少なくとも１つの並列回路がｐｎダイオードと阻止電圧から独立した特性曲線を有する整流素子との組み合わせから成る、請求項１から６までのいずれか１項記載の整流装置。
8. 前記阻止電圧から独立した特性曲線を有する整流素子としてＴＭＢＳダイオードが用いられる、請求項１から７までのいずれか１項記載の整流装置。
9. 前記阻止電圧から独立した特性曲線を有する整流素子としてＴＪＢＳダイオードが用いられる、請求項１から８までのいずれか１項記載の整流装置。
10. 前記阻止電圧から独立した特性曲線を有する整流素子は電子回路によって実現されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の整流装置。

Images