JP2014036546A - 車両用回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロードダンプ時の高電圧発生を迅速に終わらせて信頼性を向上させることができる車両用回転電機を提供すること。
【解決手段】車両用発電機は、整流器モジュール群の出力電圧を監視し、出力電圧が第１のしきい値電圧Ｖ１を超えたときに、下アームを構成するＭＯＳトランジスタを所定の遅れ時間でオンする指示を制御部１００に対して行い、第１のしきい値電圧を超えた後に出力電圧が第１のしきい値電圧よりも低い第２のしきい値電圧よりも低くなったときに、下アームを構成するＭＯＳトランジスタを所定時間のオフの後にオンする指示を制御部１００に対して行うロードダンプ保護判定部１４０を備える。
【選択図】図５

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。

車両用発電機は、出力端子に接続された充電線を介してバッテリや各種の電気負荷に充電電力や動作電力を供給している。この車両用発電機の発電動作時に出力端子やバッテリ端子が外れると、ロードダンプと称される過渡的な高電圧が発生する。このとき発生する電圧は、出力電流等にもよるが場合によっては１００Ｖ以上に達することがある。このようにして発生する高電圧は、電気負荷や車両用発電機内の各種素子の破損の原因になるため、何らかの対策（ロードダンプ保護）が必要になる。このような対策を行う従来技術としては、例えば車両用発電機のブリッジ回路のローサイド素子をＭＯＳトランジスタで構成し、ロードダンプ発生時に車両用発電機の出力電圧が基準電圧を超えたときにこれらのＭＯＳトランジスタをオンすることにより、高電圧の発生を抑制する保護動作を行うようにした車両用発電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この車両用発電機では、ブリッジ回路のローサイド素子としての各ＭＯＳトランジスタをオンすることで出力電圧が再び基準電圧以下になると、各ＭＯＳトランジスタは再びオフされ、ブリッジ回路による通常の整流動作が再開されるようになっている。

特開平９−２１９９３８号公報

ところで、特許文献１に開示された車両用発電機において、実際に出力電圧が基準電圧を超えたことを検出してから保護動作に入るまでには遅れ時間が存在する。例えば、ノイズで誤動作しないようにするためにはローパスフィルタが必要であり、この遅れ時間の他に内部回路の反応時間も必要となる。ＭＯＳトランジスタをオンするまでの遅れ時間の間は、固定子に蓄積されたエネルギーが出力端子に出力され、短時間にノイズ低減用のコンデンサの両端電圧を上昇させることにより、ＭＯＳトランジスタの耐圧あるいは発電制御回路部の耐圧を超えて損傷を与えるため、信頼性を低下させるおそれがあるという問題があった。ロードダンプ保護時のＭＯＳトランジスタのオン後は、固定子のエネルギーの出力が停止され、出力電圧はＭＯＳトランジスタの制御回路や発電制御回路部の消費電力などによって低下するため、所定電圧以下に低下するとロードダンプ保護が解除される。そして、固定子に蓄積されたエネルギーが消滅するまでこのロードダンプ保護と解除が繰り返されるが、出力端子に接続されたコンデンサの容量が小さいとこの繰り返し回数が多くなって損失が蓄積され、ＭＯＳトランジスタ等が故障するおそれがある。特に、この現象は、車両用発電機の出力端子に接続された充電線が外れる場合に顕著であり、何らかの対策が望まれる。

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、ロードダンプ時の高電圧発生を迅速に終わらせて信頼性を向上させることができる車両用回転電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用回転電機は、２相以上の相巻線を有する電機子巻線と、ダイオードが並列接続されたスイッチング素子によって構成された複数の下アームを有するブリッジ回路を構成し、電機子巻線の誘起電圧を整流するスイッチング部と、スイッチング素子のオンオフを制御する制御部と、スイッチング部の出力に並列に接続されたコンデンサと、スイッチング部の出力電圧を監視し、出力電圧が第１のしきい値電圧を超えたときに、下アームを構成するスイッチング素子を所定の遅れ時間でオンする指示を制御部に対して行い、第１のしきい値電圧を超えた後に出力電圧が第１のしきい値電圧よりも低い第２のしきい値電圧よりも低くなったときに、下アームを構成するスイッチング素子を所定時間のオフの後にオンする指示を制御部に対して行うロードダンプ保護判定部とを備えている。

出力電圧が第１のしきい値電圧を超えてロードダンプ保護動作に入った後に第２のしきい値電圧以下に低下したときに下アームのスイッチング素子をオフする時間を所定時間としているため、この所定時間を適切な値に設定することにより、スイッチング素子をオフしている間に再度出力電圧が上昇する程度を小さくすることができ、ロードダンプ時の高電圧発生を迅速に終わらせることが可能となる。これにより、高電圧が長時間にわたってスイッチング素子等に印加されることを防止して信頼性向上を図ることができる。

一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。 界磁制御部の詳細構成を示す図である。 整流器モジュールの構成を示す図である。 制御回路の詳細構成を示す図である。 ロードダンプ保護判定部の詳細構成を示す図である。 ロードダンプ発生時に保護動作に移行し、その後、再度通常の整流動作に復帰するまでの遷移状態を示す図である。 車両用発電機の相電圧を示す図である。 ロードダンプ発生時の保護動作のタイミング図である。 ロードダンプ発生時の保護動作のタイミング図である。 ロードダンプ発生時の保護動作のタイミング図である。 界磁制御部の変形例を示す図である。

以下、本発明の車両用回転電機を適用した一実施形態の車両用発電機について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態の車両用発電機１は、２つの固定子巻線（電機子巻線）２、３、界磁巻線４、２つの整流器モジュール群５、６、界磁制御部７、ツェナーダイオード２０、３０、ダイオード２２を含んで構成されている。２つの整流器モジュール群５、６がスイッチング部に対応する。

一方の固定子巻線２は、多相巻線（例えばＸ相巻線、Ｙ相巻線、Ｚ相巻線からなる三相巻線）であって、固定子鉄心（図示せず）に巻装されている。同様に、他方の固定子巻線３は、多相巻線（例えばＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線からなる三相巻線）であって、上述した固定子鉄心に、固定子巻線２に対して電気角で３０度ずらした位置に巻装されている。本実施形態では、これら２つの固定子巻線２、３と固定子鉄心によって固定子が構成されている。

界磁巻線４は、固定子鉄心の内周側に対向配置された界磁極（図示せず）に巻装されて回転子を構成している。界磁電流を流すことにより、界磁極が磁化される。界磁極が磁化されたときに発生する回転磁界によって固定子巻線２、３が交流電圧を発生する。

一方の整流器モジュール群５は、一方の固定子巻線２に接続されており、全体で三相全波整流回路（ブリッジ回路）が構成され、固定子巻線２に誘起される交流電流を直流電流に変換する。この整流器モジュール群５は、固定子巻線２の相数に対応する数（三相巻線の場合には３個）の整流器モジュール５Ｘ、５Ｙ、５Ｚを備えている。整流器モジュール５Ｘは、固定子巻線２に含まれるＸ相巻線に接続されている。整流器モジュール５Ｙは、固定子巻線２に含まれるＹ相巻線に接続されている。整流器モジュール５Ｚは、固定子巻線２に含まれるＺ相巻線に接続されている。

他方の整流器モジュール群６は、一方の固定子巻線３に接続されており、全体で三相全波整流回路（ブリッジ回路）が構成され、固定子巻線３に誘起される交流電流を直流電流に変換する。この整流器モジュール群６は、固定子巻線３の相数に対応する数（三相巻線の場合には３個）の整流器モジュール６Ｕ、６Ｖ、６Ｗを備えている。整流器モジュール６Ｕは、固定子巻線３に含まれるＵ相巻線に接続されている。整流器モジュール６Ｖは、固定子巻線３に含まれるＶ相巻線に接続されている。整流器モジュール６Ｗは、固定子巻線３に含まれるＷ相巻線に接続されている。

界磁制御部７は、Ｆ端子を介して接続された界磁巻線４に流す界磁電流を整流器モジュール群５、６の出力電圧に応じて制御しており、界磁電流を調整することにより車両用発電機１の出力電圧（各整流器モジュールの出力電圧）Ｖ_B が調整電圧Ｖreg になるように制御する。例えば、界磁制御部７は、出力電圧Ｖ_B が調整電圧Ｖreg よりも高くなったときに界磁巻線４への界磁電流の供給を停止し、出力電圧Ｖ_B が調整電圧Ｖreg よりも低くなったときに界磁巻線４に界磁電流の供給を行うことにより、出力電圧Ｖ_B が調整電圧Ｖreg になるように制御する。また、界磁制御部７は、Ｐ端子に印加される固定子巻線のいずれかの相電圧（例えばＸ相）に基づいて回転子の回転数を検出し、回転停止を検出したときに界磁巻線４へ供給する界磁電流を低減する。具体的には、初期励磁状態に対応した値（例えば２Ａ前後の値）に設定される。さらに、界磁制御部７は、通信端子Ｌおよび通信線を介してＥＣＵ８（外部制御装置）と接続されており、ＥＣＵ８との間で双方向のシリアル通信（例えば、ＬＩＮ（Local Interconnect Network）プロトコルを用いたＬＩＮ通信）を行い、通信メッセージを送信あるいは受信する。

ツェナーダイオード２０は、２つの整流器モジュール群５、６の出力に並列接続されている。具体的には、車両用発電機１の出力端子側がカソード、アース側がアノードとなるようにツェナーダイオード２０が配置されている。また、このツェナーダイオード２０には、車両用発電機１の出力側にバッテリ９が逆接続されたときに流れる電流を阻止する電流制限素子としてのダイオード２２が直列に接続されている。電流を阻止する向きとは、ダイオード２２のアノード側が車両用発電機１の出力端子側となるような向きである。なお、図１では、ダイオード２２が車両用発電機１の出力端子側に配置されているが、ツェナーダイオード２０を車両用発電機１の出力端子側に配置してもよい。

ツェナーダイオード３０は、界磁制御部７のＰ端子とアース間に、Ｐ端子がカソード側となるように接続されている。このようにツェナーダイオード３０を配置することにより、Ｐ端子が接続された固定子巻線のいずれかの相巻線（例えばＸ相）に対応する下アーム（ローサイド側）のスイッチング素子とこのツェナーダイオード２２が並列接続される。また、上述したツェナーダイオード２０、３０は、スイッチング素子の耐圧や界磁制御部７の耐圧よりも低いツェナー電圧を有している。上述したツェナーダイオード２０が第１のツェナーダイオードに、ツェナーダイオード３０が第２のツェナーダイオードにそれぞれ対応する。

図２に示すように、界磁制御部７は、ＭＯＳトランジスタ７１、還流ダイオード７２、抵抗７３、７４、電圧比較回路７５、界磁電流制御回路７６、回転検出回路７７、通信回路７８、電源回路７９、コンデンサ８０を有している。通信回路７８は、ＥＣＵ８との間でシリアル通信を行う。これにより、ＥＣＵ８から送られてくる調整電圧Ｖreg 等のデータを受信することができる。

抵抗７３、７４は、分圧回路を構成し、車両用発電機１の発電電圧（出力電圧）を分圧した電圧を電圧比較回路７５に入力する。電圧比較回路７５は、抵抗７３、７４で分圧された発電電圧と、通信回路７８によって受信した調整電圧Ｖreg に対応する基準電圧とを比較する。例えば、比較結果として、基準電圧の方が発電電圧よりも高い場合にはハイレベルの信号が出力され、反対に発電電圧の方が基準電圧よりも高い場合にはローレベルの信号が出力される。

界磁電流制御回路７６は、電圧比較回路７５の出力（電圧比較結果）に基づいて決定した駆動デューティを有するＰＷＭ信号でＭＯＳトランジスタ７１をオンオフ制御する。なお、出力電流の急激な変動を抑えるために、界磁電流を徐々に変化させる徐励制御等を界磁電流制御回路７６によって行うようにしてもよい。

回転検出回路７７は、Ｐ端子を介して一方の固定子巻線２のＸ相巻線が接続されており、Ｘ相巻線の端部に現れる相電圧Ｖ_P に基づいて、具体的には、相電圧と回転検出用の基準電圧の大小関係が周期的に変化することを検出して回転検出を行っている。整流器モジュール５Ｘや固定子巻線２などに短絡故障が発生していない正常時には、発電時にＰ端子には所定の振幅を有する相電圧Ｖ_P が現れるため、この相電圧Ｖ_P に基づく回転検出が可能となる。

界磁電流制御回路７６は、回転検出回路７７による回転検出結果が入力されており、回転検出中は発電動作に必要な界磁電流を界磁巻線４に供給するために必要なＰＷＭ信号を出力するが、所定時間（あるいは周期）以上回転停止（回転検出不能）状態が継続すると、界磁電流を初期励磁状態に対応した値にするために必要なＰＷＭ信号を出力する。

電源回路７９は、界磁制御部７に含まれる各回路に動作電圧を供給する。コンデンサ８０は、整流器モジュール群５、６の出力端子から侵入するノイズを除去するためのものであり、例えば１μＦ程度の容量を有している。

本実施形態の車両用発電機１はこのような構成を有しており、次に、整流器モジュール５Ｘ等の詳細について説明する。整流器モジュール５Ｘと他の整流器モジュール５Ｙ、５Ｚ、６Ｕ、６Ｖ、６Ｗは同じ構成を有している。以下では、整流器モジュール５Ｘについて詳細を説明する。図３に示すように、整流器モジュール５Ｘは、２つのＭＯＳトランジスタ５０、５１、制御回路５４を備えている。ＭＯＳトランジスタ５０は、ソースが固定子巻線２のＸ相巻線に接続され、ドレインが充電線１２を介してを電気負荷１０やバッテリ９の正極端子に接続された上アーム（ハイサイド側）のスイッチング素子である。ＭＯＳトランジスタ５１は、ドレインがＸ相巻線に接続され、ソースがバッテリ９の負極端子（アース）に接続された下アーム（ローサイド側）のスイッチング素子である。また、ＭＯＳトランジスタ５０、５１のそれぞれのソース・ドレイン間にはダイオードが並列接続されている。このダイオードはＭＯＳトランジスタ５０、５１の寄生ダイオード（ボディダイオード）によって実現されるが、別部品としてのダイオードをさらに並列接続するようにしてもよい。なお、上アームおよび下アームの少なくとも一方を、ＭＯＳトランジスタ以外のスイッチング素子を用いて構成するようにしてもよい。

図４に示すように、制御回路５４は、制御部１００、電源１０２、バッテリ電圧検出部１１０、動作検出部１２０、１３０、ロードダンプ保護判定部１４０、温度検出部１５０、ドライバ１７０、１７２、通信回路１８０を備えている。

電源１０２は、エンジン始動に伴って固定子巻線２のＸ相巻線に所定の相電圧が発生したときに動作を開始し、制御回路５４に含まれる各素子に動作電圧を供給する。この動作自体は、界磁制御部７において従来から行われている動作と同じであり、同じ技術を用いて実現することができる。

ドライバ１７０は、出力端子（Ｇ１）がハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０のゲートに接続されており、ＭＯＳトランジスタ５０をオンオフする駆動信号を生成する。同様に、ドライバ１７２は、出力端子（Ｇ２）がローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１のゲートに接続されており、ＭＯＳトランジスタ５１をオンオフする駆動信号を生成する。

バッテリ電圧検出部１１０は、差動増幅器とその出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器（ＡＤ）によって構成されており、車両用発電機１の出力端子と充電線１２を介して接続されたバッテリ９の正極端子の電圧に対応するデータを出力する。

動作検出部１２０は、差動増幅器とその出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器（ＡＤ）によって構成されており、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０のソース・ドレイン間電圧（図３、図４のＢ−Ｃ端子間電圧）に対応するデータを出力する。制御部１００は、このデータに基づいて、ドライバ１７０の駆動状態に対応するＭＯＳトランジスタ５０の動作状態を監視し、適宜ＭＯＳトランジスタ５０の制御や故障検知を行う。

動作検出部１３０は、差動増幅器とその出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器（ＡＤ）によって構成されており、ローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１のソース・ドレイン間電圧（図３、図４のＣ−Ｄ端子間電圧）に対応するデータを出力する。制御部１００は、このデータに基づいて、ドライバ１７２の駆動状態に対応するＭＯＳトランジスタ５１の動作状態を監視し、適宜ＭＯＳトランジスタ５１の制御や故障検知を行う。

ロードダンプ保護判定部１４０は、車両用発電機１（整流器モジュール群５、６）の出力電圧（Ｂ端子電圧）を監視し、Ｂ端子電圧がロードダンプ発生を判定する第１のしきい値電圧Ｖ１（例えば２０Ｖ）を超えたときに保護動作を開始する指示（保護開始指示）を行い、その後、Ｂ端子電圧がこの保護動作によって低下して第１のしきい値電圧Ｖ１よりも低い第２のしきい値電圧Ｖ２（例えば１６．５Ｖ）を下回ったときに保護動作を停止する指示（保護停止指示）を行う。制御部１００は、ロードダンプ保護判定部１４０による保護開始／保護停止指示等に応じて保護動作や保護動作解除後の整流動作を実行する。ロードダンプ保護判定部１４０の詳細構成および保護動作の詳細については後述する。

温度検出部１５０は、定電流源、ダイオード、差動増幅器とその出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器（ＡＤ）によって構成されており、温度によって変化するダイオードの順方向電圧降下に対応するデータを出力する。制御部１００は、このデータに基づいて整流器モジュール５Ｘの温度を検出する。

通信回路１８０は、界磁制御部７の通信回路７８と同様の通信手段であって、界磁制御部７とＥＣＵ８の間を接続する通信端子および通信線に共通に接続されており、ＥＣＵ８との間で双方向のシリアル通信（例えば、ＬＩＮプロトコルを用いたＬＩＮ通信）を行い、通信メッセージを送信あるいは受信する。

次に、ロードダンプ保護判定部１４０によるロードダンプ保護動作について説明する。図５に示すように、ロードダンプ保護判定部１４０は、Ｂ電圧検出部１４１、しきい値電圧判定部１４２、保護モード判定部１４６、所定時間信号生成部１４７を備えている。

Ｂ電圧検出部１４１は、車両用発電機１（整流器モジュール群５、６）の出力電圧（Ｂ端子電圧）ＶＢを検出する。しきい値電圧判定部１４２は、Ｂ電圧検出部１４１によって検出された出力電圧ＶＢと３つのしきい値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３との高低を比較し、それぞれの比較結果を出力する。このために、しきい値電圧判定部１４２は、Ｖ１判定部１４３、Ｖ２判定部１４４、Ｖ３判定部１４５を備えている。

Ｖ１判定部１４３は、出力電圧ＶＢと第１のしきい値電圧Ｖ１とを比較し、ＶＢ＞Ｖ１のときにその旨を示す信号（例えばハイレベルの信号）を出力する。この第１のしきい値電圧Ｖ１は、車両用発電機１の出力端子と充電線１２との接続が外れて出力電圧ＶＢが急激に上昇してロードダンプが発生したときにこのロードダンプの発生を検出するためのものである。例えば、定格電圧１２Ｖの鉛蓄電池をバッテリ９として用いる場合を想定しており、第１のしきい値電圧Ｖ１が２０Ｖに設定されている。

Ｖ１判定部１４３の出力は制御部１００に入力されている。制御部１００は、Ｖ１判定部１４３の出力信号がローレベルからハイレベルに変化してロードダンプの発生が通知されると、ドライバ１７０を駆動してハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０をオフするとともに、ドライバ１７２を駆動してローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１をオンする。これにより、ロードダンプ保護動作が開始され、第１のしきい値電圧Ｖ１を超えた出力電圧ＶＢを低下させることができる。

Ｖ２判定部１４４は、出力電圧ＶＢと第２のしきい値電圧Ｖ２とを比較し、ＶＢ＜Ｖ２のときにその旨を示す信号（例えばハイレベルの信号）を出力する。この第２のしきい値電圧Ｖ２は、ロードダンプ保護動作が開始されて出力電圧ＶＢが低下したことを検出するためのものである。例えば、第２のしきい値電圧Ｖ２は、第１のしきい値電圧Ｖ１（＝２０Ｖ）よいも低い１６．５Ｖに設定されている。

Ｖ２判定部１４４の出力は所定時間信号生成部１４７に入力されている。所定時間信号生成部１４７は、Ｖ２判定部１４４の出力信号がローレベルからハイレベルに変化して出力電圧ＶＢが第２のしきい値電圧Ｖ２よりも低くなったことが通知されると、所定時間の間ハイレベルとなるパルス信号を出力する。このパルス信号は制御部１００に入力される。制御部１００は、所定時間信号生成部１４７から所定時間ハイレベルとなるパルス信号が入力されると、このパルス信号のハイレベルの期間（所定時間）に合わせてロードダンプ保護動作を中断する。すなわち、制御部１００は、所定時間だけドライバ１７２を駆動してローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１をオフし（ハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０についてはオフ状態を維持する）、所定時間経過後に再度ドライバ１７２を駆動してローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１をオンする。パルス信号がハイレベルの期間（所定時間）の設定方法の具体例については後述する。

また、Ｖ３判定部１４５は、出力電圧ＶＢと第３のしきい値電圧Ｖ３とを比較し、ＶＢ＜Ｖ３のときにその旨を示す信号（例えばハイレベルの信号）を出力する。この第３のしきい値電圧Ｖ３は、ロードダンプ保護動作の終了タイミングを検出するためのものである。このＶ３判定部１４５による電圧比較動作は、所定時間信号生成部１４７から出力されるパルス信号に対応してローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１を所定時間オフした直後の出力電圧ＶＢを用いて行われる。ＭＯＳトランジスタ５１を所定時間オフした直後のタイミングは制御部１００から指示され、この指示されたタイミングにおいてＶ３判定部１４５による電圧比較動作が行われる。

保護モード判定部１４６は、ロードダンプ保護動作中であるか否かを判定する。具体的には、保護モード判定部１４６は、Ｖ１判定部１４３の出力がハイレベルに変化したときにロードダンプ保護動作が開始された旨の判定を行う。この判定結果はＶ３判定部１４５に送られ、その後、Ｖ３判定部１４５の出力がハイレベルに変化したときに、保護モード判定部１４６は、ロードダンプ保護動作が終了した旨の判定を行う。第３のしきい値電圧Ｖ３としては、第１のしきい値電圧Ｖ１よりも低く、第２のしきい値電圧Ｖ２以上に設定されるが、第２のしきい値電圧Ｖ２と同じであってもよい。この場合には、Ｖ２判定部１４４とＶ３判定部１４５とを共通の構成で実現することができるため、回路構成を簡略化することができる。

図６に示す状態遷移図において、「整流」はロードダンプが発生していない通常時において行われる整流動作を示している。バッテリ９の端子電圧をＶbatt、ＭＯＳトランジスタ５０、５１のオン時のソース・ドレイン間電圧をαとすると、ロードダンプが発生していない通常時には、例えばＸ相巻線の相電圧ＶｘがＶbatt＋αを超えたときにハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０がオンされ、相電圧Ｖｘが−αよりも低下したときにローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１がオンされる同期整流が行われる（図７、図６・Ｓ１）。このようにして同期整流が行われることにより、出力電圧ＶＢが所定の調整電圧Ｖreg （例えば１４．５Ｖ）に制御される。このような同期整流動作と並行して、Ｖ１判定部１４３は、出力電圧ＶＢと第１のしきい値電圧Ｖ１とを比較する動作を行う（図６・Ｓ２）。

このような状態において、車両用発電機１の出力端子と充電線１２との接続が外れると、車両用発電機１の固定子巻線２、３の各相電圧が一時的に高くなるロードダンプが発生し、出力電圧ＶＢが第１のしきい値電圧Ｖ１より高くなるため、Ｖ１判定部１４３は、ロードダンプ保護動作の開始を指示するハイレベルの信号を出力する。制御部１００は、Ｖ１判定部１４３からハイレベルの信号が入力されると、ドライバ１７０を駆動してハイサイド側（上アーム）のＭＯＳトランジスタ５０をオフするとともに、ドライバ１７２を駆動してローサイド側（下アーム）のＭＯＳトランジスタ５１をオンする（図６・Ｓ３）。

ところで、Ｖ１判定部１４３の出力がハイレベルに変化してから、制御部１００によってドライバ１７２を駆動して実際にＭＯＳトランジスタ５１をオンするまでには、所定の遅れ時間がある。図８では、この遅れ時間がＴｒで示されている。したがって、Ｖ１判定部１４２の出力がハイレベルに変化してからこの遅れ時間Ｔｒの後にＭＯＳトランジスタ５０がオフされ、ＭＯＳトランジスタ５１がオンされる。ＭＯＳトランジスタ５１がオンされるまでの間に出力電圧ＶＢがさらに上昇するが、車両用発電機１の出力端子にはツェナーダイオード２０が接続されているため、出力電圧ＶＢがツェナーダイオード２０のツェナー電圧に達すると（正確には、出力電圧ＶＢからダイオード２２の順方向電圧を差し引いた電圧がツェナーダイオード２０のツェナー電圧に達すると）、出力電圧ＶＢがその値に維持される。図８ではこの状態がツェナーダイオード「オン」で示されている。

このようにして下アームのＭＯＳトランジスタ５１がオンされた後は出力電圧ＶＢが低下する。この状態において、Ｖ２判定部１４４は、出力電圧ＶＢと第２のしきい値電圧Ｖ２とを比較する動作を行い（図６・Ｓ４）、出力電圧ＶＢが第２のしきい値電圧Ｖ２よりも低くなるとその旨を示す信号を所定時間信号生成部１４７に入力する。所定時間信号生成部１４７は、所定時間の間ハイレベルとなるパルス信号を生成して出力する。制御部１００は、パルス信号が入力されると、このパルス信号のハイレベルの期間（所定時間）に合わせて、所定時間だけドライバ１７２を駆動して下アームのＭＯＳトランジスタ５１をオフし、所定時間経過後に再度ドライバ１７２を駆動して下アームのＭＯＳトランジスタ５１をオンする（図６・Ｓ５）。

ところで、所定時間信号生成部１４７からパルス信号を出力してから、制御部１００によってドライバ１７２を駆動して実際にＭＯＳトランジスタ５１をオフし、再度オンするまでには、所定の遅れ時間がある。図８では、この遅れ時間がＴｒで示されている（ロードダンプ保護動作開始時に遅れ時間と同じＴｒとしたが、これらの遅れ時間は異なっていてもよい）。また、図８では、ＭＯＳトランジスタ５１をオフする所定時間がＴ０で示されている。その後、Ｖ３判定部１４５は、ＭＯＳトランジスタ５１を所定時間Ｔ０オフした直後の出力電圧ＶＢと第３のしきい値電圧Ｖ３とを比較する動作を行う（図６・Ｓ６）。

ロードダンプ発生時に固定子に蓄積されたエネルギーが消滅するまでは、下アームのＭＯＳトランジスタ５１をオフ（このとき上アームのＭＯＳトランジスタ５１もオフされている）すると、並列接続されたダイオードを通して電流が流れるため、出力電圧ＶＢが再び上昇する。このような場合には、ＭＯＳトランジスタ５１を所定時間Ｔ０オフした直後の出力電圧ＶＢが第３のしきい値電圧Ｖ３よりも高くなり、ロードダンプ保護動作が継続される。一方、ロードダンプ発生時に固定子に蓄積されたエネルギーが消滅すると、ＭＯＳトランジスタ５１を所定時間Ｔ０オフした直後の出力電圧ＶＢが第３のしきい値電圧Ｖ３よりも低くなり、制御部１００による通常の整流動作（同期整流）に復帰する。

次に、ロードダンプ保護動作中に下アームのＭＯＳトランジスタ５１をオフする「所定時間」について説明する。本実施形態では、下アームのＭＯＳトランジスタ５１を所定時間オフした直後の出力電圧ＶＢの値に応じて、その後のＭＯＳトランジスタ５１をオフする所定時間の値を設定している。これにより、ロードダンプ時の出力電圧ＶＢの上昇の程度に応じて、下アームのＭＯＳトランジスタ５１をオフする適切な時間を設定することができる。また、この場合の所定時間の最小値は、所定の遅れ時間Ｔｒよりも短く設定されている。これにより、出力電圧ＶＢを検出して下アームのＭＯＳトランジスタ５１を再度オンする場合に比べて速やかにＭＯＳトランジスタ５１をオンすることができ、オンするタイミングが遅れることにより出力電圧が上昇してしまうことを防止することができる。具体的には、以下の（１）〜（３）のいずれかの方法により「所定時間」が設定される。

（１）下アームのＭＯＳトランジスタ５１を所定時間オフした直後の出力電圧ＶＢの値が第１のしきい値電圧Ｖ１以上である場合に、その後の所定時間Ｔ０を遅れ時間Ｔｒよりも短く設定する（図８）。これにより、出力電圧ＶＢが第１のしきい値電圧Ｖ１を超えたことを検出して下アームのＭＯＳトランジスタ５１を再度オンする場合に比べて、ＭＯＳトランジスタ５１を速やかにオンすることができ、オンするタイミングが遅れることにより出力電圧ＶＢが上昇してしまうことを防止することができる。

（２）下アームのＭＯＳトランジスタ５１を所定時間オフした直後の出力電圧ＶＢの値が第１のしきい値電圧Ｖ１以上である場合に、その後の所定時間Ｔ０を、それまでの所定時間Ｔ０の１／２以下に設定する（図９）。但し、所定時間Ｔ０には下限時間が設定されており、この下限時間を下回る場合には所定時間Ｔ０はこの下限時間に設定される。これにより、下アームのＭＯＳトランジスタ５１を再度オンするタイミングが遅いことを検出してこのタイミングを早くすることができるため、オンするタイミングが遅れることにより出力電圧ＶＢが上昇してしまうことを防止することができる。

（３）下アームのＭＯＳトランジスタ５１を所定時間オフした直後の出力電圧ＶＢの値が第１のしきい値電圧Ｖ１と第２のしきい値電圧Ｖ２の間にある場合に、その後の所定時間Ｔ０を、それまでの所定時間Ｔ０の２倍以上に設定する（図１０）。これにより、下アームのＭＯＳトランジスタ５１を再度オンするタイミングが早すぎる場合にこのタイミングを遅くすることができるため、下アームのＭＯＳトランジスタ５１をオフする十分な時間を確保することができ、出力電圧ＶＢの上昇を確実に抑えることができる。

上述した（１）と（２）はいずれかの方法が選択的に用いられる。また、（３）の方法は、（１）あるいは（２）の方法と組み合わせて用いることができる。

このように、本実施形態の車両用発電機１では、出力電圧ＶＢが第１のしきい値電圧Ｖ１を超えてロードダンプ保護動作に入った後に第２のしきい値電圧Ｖ２以下に低下したときに下アームのＭＯＳトランジスタ５１をオフする時間を所定時間としているため、この所定時間を適切な値に設定することにより、ＭＯＳトランジスタ５１をオフしている間に再度出力電圧ＶＢが上昇する程度を小さくすることができ、ロードダンプ時の高電圧発生を迅速に終わらせることが可能となる。これにより、高電圧が長時間にわたってＭＯＳトランジスタ５０、５１や界磁制御部７に印加されることを防止して信頼性向上を図ることができる。特に、下アームのＭＯＳトランジスタ５１を繰り返しオンすることにより、ロードダンプ時に発生する長時間の高電圧を確実に低下させることができる。

また、下アームのＭＯＳトランジスタ５１を所定時間オフした直後の出力電圧ＶＢが第３のしきい値電圧Ｖ３よりも低下した場合に保護動作を終了しており、固定子に蓄えられたエネルギーが消滅した適切なタイミングでロードダンプ保護動作を終了させることができる。特に、第３のしきい値電圧Ｖ３を第２のしきい値電圧Ｖ２と同じにした場合には、第２のしきい値電圧を検出する構成（Ｖ２判定部１４４）と第３のしきい値電圧Ｖ３を検出する構成（Ｖ３判定部１４５）とを共通の構成で実現することができるため、回路構成を簡略化することができる。

また、ＭＯＳトランジスタ５０等の耐圧よりも低いツェナー電圧を有し、整流器モジュール群５、６の出力に並列接続されたツェナーダイオード２０を備えることにより、過剰な発電機出力をツェナーダイオード２０で吸収することができるため、ＭＯＳトランジスタ５０等の発熱を抑えることができる。特に、バッテリ９が逆接続されたときに流れる電流を阻止するダイオード２２をツェナーダイオード２０に直列接続しているため、バッテリ９が逆接続された際にツェナーダイオード２０を通して大電流が流れることを防止することができる。

また、ＭＯＳトランジスタ５０等の耐圧よりも低いツェナー電圧を有し、界磁制御部７のＰ端子に接続されたツェナーダイオード３０を備えることにより、ロードダンプ時に固定子巻線の相巻線から界磁制御部７に印加される高電圧から界磁制御部７を確実に守ることができる。

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、２つの固定子巻線２、３と２つの整流器モジュール群５、６を備えるようにしたが、一方の固定子巻線２と一方の整流器モジュール群５を備える車両用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、各整流器モジュール５Ｘ等を用いて整流動作（発電動作）を行う場合について説明したが、ＭＯＳトランジスタ５０、５１のオン／オフタイミングを変更することにより、バッテリ９から印加される直流電流を交流電流に変換して固定子巻線２、３に供給することにより、車両用発電機１に電動動作を行わせるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、２つの整流器モジュール群５、６のそれぞれに３つの整流器モジュールを含ませるようにしたが、整流器モジュールの数は３以外であってもよい。

また、上述した実施形態では、各整流器モジュール毎に図５に示したロードダンプ保護判定部１４０を設けたが、その中で、Ｂ電圧検出部１４１およびしきい値電圧判定部１４２については、各整流器モジュール毎に設けるのではなく、全体で１つあるいは整流器モジュール群５、６毎に１つずつ設けるようにしてもよい。また、各相巻線に対応させた整流器モジュールを備えて各整流器モジュール毎に同期整流の制御を行う場合の他、共通の制御装置を用いて同期整流の制御を行う構成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、上アームと下アームの両方にＭＯＳトランジスタを用いたが、下アームのみをＭＯＳトランジスタとし、上アームをダイオードで構成するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、界磁制御部７の外部に、ツェナーダイオード２０、３０、ダイオード２２を設けたが、図１１に示すように、これら（あるいは一部）を界磁制御部７内に設けるようにしてもよい。これにより、ツェナーダイオード２０、３０やダイオード２２を単体部品として車両用発電機１に実装する必要がなくなるため構成の簡略化が可能となる。また、コンデンサ８０を界磁制御部７内に設けたが、界磁制御部７の外部に設けるようにしてもよい。

上述したように、本発明によれば、出力電圧が第１のしきい値電圧を超えてロードダンプ保護動作に入った後に第２のしきい値電圧以下に低下したときに下アームのスイッチング素子をオフする時間を所定時間としているため、この所定時間を適切な値に設定することにより、スイッチング素子をオフしている間に再度出力電圧が上昇する程度を小さくすることができ、ロードダンプ時の高電圧発生を迅速に終わらせることが可能となる。

１ 車両用発電機
２、３ 固定子巻線
５、６ 整流器モジュール群
２０、３０ ツェナーダイオード
２２ ダイオード
５０、５１ ＭＯＳトランジスタ
８０ コンデンサ
１００ 制御部
１４０ ロードダンプ保護判定部

Claims (13)

1. ２相以上の相巻線を有する電機子巻線（２、３）と、
   ダイオードが並列接続されたスイッチング素子（５１）によって構成された複数の下アームを有するブリッジ回路を構成し、前記電機子巻線の誘起電圧を整流するスイッチング部（５、６）と、
   前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御部（１００）と、
   前記スイッチング部の出力に並列に接続されたコンデンサ（８０）と、
   前記スイッチング部の出力電圧を監視し、前記出力電圧が第１のしきい値電圧を超えたときに、前記下アームを構成する前記スイッチング素子を所定の遅れ時間でオンする指示を前記制御部に対して行い、前記第１のしきい値電圧を超えた後に前記出力電圧が前記第１のしきい値電圧よりも低い第２のしきい値電圧よりも低くなったときに、前記下アームを構成する前記スイッチング素子を所定時間のオフの後にオンする指示を前記制御部に対して行うロードダンプ保護判定部（１４０）と、
   を備えることを特徴とする車両用回転電機。
2. 請求項１において、
   前記ロードダンプ保護判定部は、前記下アームを構成するスイッチング素子を前記所定時間のオフの後にオンする指示を前記制御部に対して行った後に、前記スイッチング部の出力電圧を監視し、前記出力電圧が前記第２のしきい値電圧よりも低くなったときに再び前記所定時間のオフの後にオンする指示を行うことを特徴とする車両用回転電機。
3. 請求項１または２において、
   前記ロードダンプ保護判定部は、前記所定時間のオフの直後の前記スイッチング部の出力電圧の値に応じてその後の前記所定時間の値を設定することを特徴とする車両用回転電機。
4. 請求項３において、
   前記ロードダンプ保護判定部は、前記所定時間のオフの直後の前記スイッチング部の出力電圧の値が前記第１のしきい値電圧以上である場合に、その後の前記所定時間を前記所定の遅れ時間よりも短く設定することを特徴とする車両用回転電機。
5. 請求項３において、
   前記ロードダンプ保護判定部は、前記所定時間のオフの直後の前記スイッチング部の出力電圧の値が前記第１のしきい値電圧以上である場合に、その後の前記所定時間を、それまでの前記所定時間の１／２以下に設定するとともに、１／２以下に設定したときに下限時間を下回る場合にはこの下限時間に設定することを特徴とする車両用回転電機。
6. 請求項３または５において、
   前記ロードダンプ保護判定部は、前記所定時間のオフの直後の前記スイッチング部の出力電圧の値が前記第１のしきい値電圧と前記第２のしきい値電圧の間にある場合に、その後の前記所定時間を、それまでの前記所定時間の２倍以上に設定することを特徴とする車両用回転電機。
7. 請求項３、５、６のいずれかにおいて、
   前記所定時間の最小値は、前記所定の遅れ時間よりも短く設定されていることを特徴とする車両用回転電機。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、
   前記ロードダンプ保護判定部は、前記所定時間のオフの直後の前記スイッチング部の出力電圧が第３のしきい値電圧よりも低下した場合に保護動作を終了することを特徴とする車両用回転電機。
9. 請求項８において、
   前記第３のしきい値電圧は前記第２のしきい値電圧と同じであることを特徴とする車両用回転電機。
10. 請求項１〜９のいずれかにおいて、
    前記スイッチング素子の耐圧よりも低いツェナー電圧を有し、前記スイッチング部の出力に並列接続された第１のツェナーダイオード（２０）をさらに備えることを特徴とする車両用回転電機。
11. 請求項１０において、
    前記第１のツェナーダイオードには、前記スイッチング部の出力側にバッテリが逆接続されたときに流れる電流を阻止する電流制限素子（２２）が直列接続されていることを特徴とする車両用回転電機。
12. 請求項１０または１１において、
    前記スイッチング部の出力電圧に応じて界磁電流を制御する界磁制御部（７）をさらに備え、
    前記第１のツェナーダイオードは、前記界磁制御部に搭載されていることを特徴とする車両用回転電機。
13. 請求項１〜１１のいずれかにおいて、
    前記スイッチング部の出力電圧に応じて界磁電流を制御する界磁制御部と、
    前記スイッチング素子の耐圧および前記界磁制御部の耐圧よりも低いツェナー電圧を有し、前記界磁制御部が接続された前記相巻線に対応する前記下アームと並列接続された第２のツェナーダイオード（３０）と、
    をさらに備えることを特徴とする車両用回転電機。

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