JP4224932B2 - 車両用交流発電機の電圧制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を用いて発電機の励磁コイルの通電制御を行う車両用発電機の電圧制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両用交流発電機の電圧制御装置の内部回路構成はますます複雑、高機能化されるとともに、励磁電流スイッチング素子を除いてコンパレータなどのオペアンプ回路や発振回路などが同一チップに集積されるようになっている。
【０００３】
これらのオペアンプ回路や発振回路などにバッテリ電圧のような変動が大きい電圧を電源電圧として用いると特性のふらつきが生じるので、このレギュレータチップに定電圧回路（以下、電源回路ともいう）を集積し、この定電圧回路にバッテリからキースイッチを通じてバッテリ電圧を印加し、形成した定電圧の内部電源電圧を各回路に電源電圧として給電している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、車両に搭載する電磁アクチュエータの数が増大する傾向にあり、これらの電磁アクチエータがまれに同時にターンオフする場合がある。すると、バッテリからこれら電磁アクチエータに給電する外部電源ラインに大きな負サージ電圧が発生し、この負サージ電圧が、この外部電源ラインから給電される上記定電圧回路の高位入力端に印加されることがある。
【０００５】
このような負サージ電圧が定電圧回路の高位入力端に入力すると、定電圧回路の出力電圧すなわち内部電源電圧ＶDDがが大幅に変動し、車両用交流発電機の制御回路に内蔵されるコンパレータや発振回路などの動作特性が大幅に変動するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、車載誘導負荷の開閉に伴う誤動作や動作特性の変動を良好に防止可能な車両用交流発電機の電圧制御装置を提供することをその目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の車両用交流発電機の電圧制御装置は、バッテリと前記バッテリを充電する発電機の界磁巻線との間に接続されて前記界磁巻線の励磁電流を断続するスイッチ素子と、前記バッテリの電圧に応じて前記スイッチ素子の作動を制御する制御回路と、高位入力端に入力される入力電圧から定電圧の内部電源電圧を形成して前記制御回路の各部に内部電源電圧として配電する電源回路とを有する車両用交流発電機の電圧制御装置において、
アノード電極が外部電源ラインを通じて前記バッテリに接続され、カソード電極が前記電源回路の前記高位入力端に接続される逆流防止ダイオ−ドを有することを特徴としている。
【０００８】
本発明によれば、定電圧回路である電源回路は逆流防止ダイオ−ドを通じてバッテリから給電されるので、バッテリと逆流防止ダイオ−ドのアノード電極とを接続する（正確にはキースイッチとＩＧ端子とを接続する）外部電源ラインが、それに接続された複数の誘導負荷の同時ターンオフなどにより大きな負サージ電圧を発生しても、逆流防止ダイオ−ドが電源回路（定電圧回路）へのその侵入を防止するので、制御回路内のコンパレータや発振回路などが誤動作したり、特性変動したりするのを防止することができる。なお、この種の負サージ電圧の発生時間は誘導性負荷の短い遮断過渡期間に限定されるので、上記逆流防止ダイオ−ドによる電源回路へのバッテリ電流の給電停止にもかかわらず、電源回路が出力する内部電源電圧ＶDDを制御回路内部に配電する内部電源線の浮遊容量や寄生容量や追加の容量などにより、内部電源電圧ＶDDの低下を許容範囲に制限することができ、上記特性ばらつきを良好に防止することができる。
【００１０】
なお、従来の接合分離型集積回路構造では、負サージ電圧（図８参照）が生じると、素子分離用のＰＮ接合が順バイアスして基板（又はウエル領域）や隣接回路素子領域にリーク電流が流れ（図７参照）、回路の信頼性を損なわれる可能性がある。
【００１４】
更に、本発明の車両用発電機の電圧制御装置では、前記逆流防止ダイオ−ドと少なくとも前記電源回路とは異なる導電性支持基板に別々に固定され、各前記導電性支持基板は互いに電気的に絶縁され、かつ、空間的にも分離され、前記電源回路を含む前記制御回路は、前記導電性支持基板としてのヒートシンク上に固定され、前記逆流防止ダイオ−ドは、前記導電性支持基板としてのリード上に固定され、前記リードは、前記ヒートシンクよりも高い位置に配置され、前記逆流防止ダイオ−ドは、前記電源回路にボンディングワイヤで直接接続されて前記ボンディングワイヤとともに樹脂封止されていることを特徴とする。
すなわち、本構成によれば、たとえば２チップ１樹脂モールドパッケージ構造を採用するとともに、各チップを導電性支持基板に固定するので、導電パターンを有する回路基板を必要とせず回路構成を簡素化することができる。
【００１５】
また、逆流防止用ダイオ−ド及び、他の制御回路が電気的に絶縁されているのみならず、空間的にも分離され、かつ、電圧制御装置内のスイッチ素子作動に伴う自己発熱の影響が、逆流防止ダイオ−ドに及ぶことが無い。
【００１７】
これにより、モ−ルド樹脂にて一括封止されているので、電圧制御装置を小型にすることができ好都合である。また、逆流ダイオ−ドと電源回路とはボンディングワイヤにて接触しているので、５０μｍ程度以下のボンディングワイヤを選択することで、電源回路に過電流が流れるようなケースにいたっても、ボンディングワイヤが溶断し回路がオープン側で故障するので、フェールセーフとして働き電圧制御回路はより安全なものとなる。
【００１８】
更に、電圧制御装置内のスイッチ素子作動に伴う自己発熱の影響が逆流ダイオ−ドに及ぶことが無いので、電圧制御装置内において逆流ダイオ−ドの温度を低くできる、従い、接合部の高温劣化特性を考慮した場合、接合品質は他の接合部に較べ、逆流防止ダイオ−ドの接合状態をより良くできる。この結果、接合劣化に伴い、逆流防止ダイオ−ドが先にオープン故障することが無いので、逆流防止ダイオ−ドを付加しても、電圧制御装置全体の寿命を低下させることが無いので良い。
【００１９】
好適態様において、前記逆流防止ダイオ−ド及び少なくとも前記電源回路は、同一の導電性部材により異なる前記リードフレームに同時に固着されているので、素子構成が簡素となり、更に逆流防止ダイオ−ドの接合状態は、他の電圧制御装置内の回路の接合状態と同等にできる。又、逆流防止ダイオ−ドを接合している接合部材は、他の接合部と同一の材料特性（例えば融点、熱分解温度）を有するので、発電機がエンジンよりの輻射熱等で異常に温度が上がり、電圧制御装置の温度も異常上昇するような過熱時は、逆流防止ダイオ−ドの接合材の誘導性が他の接合部と同じくオープンモ−ドとなり、電圧制御装置の電源回路にバッテリからの電源供給が断たれるためスイッチ素子がオフし、発電機は発電を停止するのでフェールセーフとして働き、電圧制御回路はより安全なものとなる。
なお、各実施例の好適な態様において、電源回路の出力端に並列コンデンサを接続される。これにより、上記逆流防止ダイオ−ドによる電源電流断時の内部電源電圧ＶDDの低下を抑止することができる。この並列コンデンサは、当然、集積回路チップに集積してもよく、外付けしてもよい。外付けの場合には集積回路チップと同一樹脂モールドで封止してもよく、集積回路チップと同一基板に実装してもよく、リードフレームのリードに固定してもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の車両用交流発電機の電圧制御装置の好適な態様を以下の実施例を参照して説明する。
【００２１】
【実施例１】
この実施例の車両用発電機の電圧制御装置を図１を参照して以下に説明する。図１は車両用交流発電機の回路図である。
【００２２】
（全体構成）
車両は、搭載された電気負荷６へ、電力の供給を行うバッテリ４を備える。バッテリ４は、エンジン（図示しない）によって駆動される発電機によって充電される。
【００２３】
この発電機は、充電されて磁界を形成する励磁コイル２と、励磁コイル２の発生する磁界の変化によって起電力を発生する電機子コイル１とを有し、励磁コイル２または電機子コイル１の一方が回転駆動される。電機子コイル１で発生した交流電流は、整流回路３によって直流に変換された後、電気負荷６やバッテリ２へ出力される。
【００２４】
発電機の発電量、つまり電機子コイル１の発電量は、発電機の駆動速度と、励磁コイル２の通電状態とによって決定される。励磁コイル２の通電状態は、制御回路８によって制御される。
【００２５】
（制御回路８の構成及び基本動作）
制御回路８は、励磁コイル２に供給される電流を断続するスイッチ素子１１を備える。スイッチ素子１１はソースホロワ接続のＮチャンネルＭＯＳＦＥＴで構成され、ゲ−ト電極に印加される電圧値の制御状態に応じて、励磁コイル２に供給される電流値を制御している。１２は励磁コイル２と並列に接続された還流素子としてのフライホイールダイオ−ドである。スイッチ素子１１のゲ−ト電圧は、チャージポンプ回路１４で必要な電位まで充電され、ゲ−ト放電トランジスタ１７にて放電される。
【００２６】
バッテリ電圧は、バッテリ接続端（Ｓ）より制御回路８に入力され、分圧回路を構成する抵抗２０、２１にて分圧された後、比較器１９の負入力端に入力される。コンデンサ２２は、上記分圧回路の出力電圧に流入するバッテリ電圧のリップル成分をバイパスしている。
【００２７】
上記分圧回路の出力電圧は、コンパレータ１９にて基準電圧Ｖｒと比較され、コンパレータ１９は、バッテリ電圧が所定電圧を下回る場合にアンド回路１６及びインバータ１８にＨｉ信号を入力する。インバータ１８は、Ｈｉ信号の入力によりゲ−ト放電トランジスタ１７をオフし、スイッチ素子１１のゲ−ト電荷の放電を停止する。
【００２８】
アンド回路１６は、入力された上記Ｈｉ信号に基づき発振回路１５の出力をチャージポンプ回路１４に入力してチャージポンプ回路１４を駆動し、あるいは、チャージポンプ回路１４の出力を許可し、スイッチ素子１１のゲ−ト電極が充電されて、必要なレベルまで昇圧され、スイッチ素子１１がオンする。これにより、励磁コイル２に通電される励磁電流が増加し、発電量が増加する。
【００２９】
逆に、チャージポンプ回路１４は、バッテリ電圧が所定電圧を上回る場合にスイッチ素子１１のゲート電極の充電を停止し、かつ同時にインバータ１８を通じてゲ−ト放電トランジスタ１７がオンして、スイッチ素子１１をオフさせる。これにより、励磁コイル２に通電される励磁電流が減少し、発電量が減少する。
【００３０】
上記コンパレータ１９の動作により、バッテリ４の電圧は、基準電圧Ｖｒと分圧回路の分圧比で定まるレベルに収束することになる。
【００３１】
次に、エンジン始動時の動作について説明する。
【００３２】
エンジン停止時にキースイッチ５を投入してスイッチ素子１１を励磁しても、電機子コイル１は交流発電電圧を発生しないので、電機子コイル１の一相電圧を検出する発電検出回路３１は、ワーニングランプ４０駆動用のスイッチ素子３０をオンして、ワーニングランプ４０を点灯させる。エンジンが始動して発電機が発電を開始すると、発電検出回路３１が、電機子コイル１に発生した交流発電電圧を検出してワーニングランプ４０駆動用のスイッチ素子３０をオフし、ワーニングランプ４０を消灯させる。なお、ワーニングランプ４０の点消灯制御は、スイッチ素子３０で直接駆動する他に、他の機器に信号として出力し、この他の機器がワーニングランプ４０を点灯・消灯しても良いことはもちろんである。
【００３３】
（電源回路１０の構成及び動作）
次に、制御回路８の内部電源電圧ＶDDを形成する電源回路１０について説明する。
【００３４】
この電源回路１０は、定電圧ダイオ−ド１０１と、好適には抵抗素子からなる電流制限素子１０２とを直列接続した周知の定電圧回路である。電源回路１０は、逆流防止ダイオード９及びＩＧスイッチ５を通じてバッテリ４から給電され、制御回路８内の各部に定電圧化された内部電源電圧ＶDDを給電している。
【００３５】
ＩＧ端子から給電されてスイッチ７により開閉される電気負荷６が誘導負荷である場合、スイッチ７のオフにより電気負荷６は負サージ電圧を発生し、この負サージ電圧はＩＧ端子の電位を一時的にではあるが大きく低下させる。逆流防止ダイオ−ド９は、この負サージ電圧が電源回路１０に印加されるのを阻止する。
【００３６】
（逆流防止ダイオ−ド９の構造及び作用）
次に、この逆流防止ダイオ−ド９の具体的な構造の参考例を図２を参照して説明する。
【００３７】
この逆流防止ダイオ−ドは絶縁分離型集積回路に他の回路素子（電流制限抵抗１０２のみ図示）を集積したものであり、２００は低濃度Ｐ型基板、２０１、２０２は酸化膜絶縁領域、基板２００の表面に必要個数のＮ型島領域を互い電気絶縁して形成している。各島領域の底面には高濃度Ｎ型埋め込み層が形成され、その上に低濃度Ｎ型エピタキシャル層が形成され、その表面部には、高濃度Ｐ型アノード領域２０５、Ｐ型抵抗領域２０６、高濃度Ｐ型コンタクト領域２０７、２０８、高濃度Ｎ型コンタクト領域２０９が形成されている。図２中、右側の島領域には逆流防止ダイオ−ドが９が形成され、左側の島領域には電源回路１０の電流制限用の抵抗１０２が形成されている。構造及び製造方法は知られており、説明を省略する。
【００３８】
この絶縁分離型集積回路構造を採用すれば、逆流防止ダイオ−ド９と制御回路８内の他の素子とをワンチップに集積することができるので、電圧制御装置をコンパクトにすることができ、小型化に寄与できる。
【００３９】
（変形態様１）
定電圧回路１０の変形態様を図３に示す。
【００４０】
この変形態様において、１０５は並列コンデンサ、１０３はエミッタホロワトランジスタ、１０４はコレクタ抵抗である。この変形態様は、図１に示す定電圧回路１０の出力電圧をエミッタホロワ回路で電流増幅したものであり、また、並列コンデンサ１０５により内部電源線３００の電位変動を抑止することができる。
【００４１】
（逆流防止ダイオ−ド９の好適な構造）
【００４２】
この実施態様は、逆流防止ダイオ−ド９をリードフレームのリード５１０上に導電性の部材５４にて固着したもので、逆流防止ダイオ−ド９は図６に模式図示するように、Ｐ型基板９１にＮ型拡散をしたＰＮ接合を持つダイオ−ドで構成されている。
【００４３】
５０はヒートシンク、５２はボンディングワイヤ、５３はモールド樹脂、５４は導電性部材、１０５はチップコンデンサ、５１０〜５１７はリードである。８０は、制御回路８が集積された集積回路チップであり、１０ａはその電源回路１０が集積された部分である。集積回路チップ８０はヒートシンク５０上に固着されている。逆流防止ダイオ−ド９をなす半導体チップは、ｐ型基板９１の表面部にＮ型領域９２を設け、金属電極９３をＮ型領域９２上に固着してなる。逆流防止ダイオ−ド９をなすチップはリード５１０上に固着されている。
【００４４】
金属電極９３はボンディングワイヤ５２の材料組成の主成分を例えばアルミ等に揃えると、異なる金属間の化合物を生成することが無いので、信頼性が高く好ましい。
【００４５】
集積回路８０をヒートシンク５０に接続する部材と導電性の部材５４とは主成分を同一とすることが好ましい。並列コンデンサ１０５をなすチップコンデンサはリード５１６と５１７との間に配されており、コンデンサ１０５の接合部材もやはり逆流防止ダイオ−ドの接合部材９と同一種をもちいると材料が統一でき、コストダウンに寄与でき、好ましい。しかしながら、コンデンサの固着過程に付いては、逆流防止ダイオ−ド等と同時に行う必要性は特に無い。
【００４６】
これら部品をモ−ルド樹脂５３にて一括封止することで、電圧制御装置を小型にすることができる。更に本例においては、逆流防止ダイオ−ド９とスイッチング素子１１を含む制御回路８内の他の素子とをモ−ルド樹脂により熱的にも分離することができる。ここで、スイッチング素子１１は制御回路８と別チップ構成としてもよい。
【００４７】
モールド樹脂５３として熱伝導率が小さい素材を選択することにより、スイッチング素子１１が励磁電流を駆動して自己発熱しても、逆流防止ダイオ−ド９に与える熱的影響を軽減できるので、逆流防止ダイオ−ド９の漏れ電流を小さくすることができる。
【００４８】
また、逆流防止ダイオ−ド９の接合と、制御回路８内の他の素子とを同一種の導電性の部材５４にて同時に固着させると、接合状態を同等にできる。このため接合部の高温劣化特性を考慮した場合、接合品質は他の接合部よりできる。従い、接合劣化に伴い、逆流ダイオ−ドが先にオープン故障することが無いので、逆流ダイオ−ドを付加しても、電圧制御装置全体の寿命を低下させることが無いので良い。
【００４９】
また、逆流防止ダイオ−ド９を接合している接合部材は、他の接合部と同一の材料特性を有するので、発電機がエンジンよりの輻射熱等で異常に温度が上がり、電圧制御装置の温度も異常上昇するような過熱時は、逆流ダイオ−ドの接合材の導電性が他の接合部と同じくオープンモ−ドとなり、電圧制御装置の電源回路にバッテリからの電源供給がたたれるためスイッチ素子がオフし、フェールセーフとして働くので電圧制御回路はより安全なものとなる。
【００５０】
また、並列コンデンサ１０５をセラミックコンデンサ等のチップ部品として、逆流防止ダイオ−ド９と同様にリードフレーム上に同一の接合部材で接続し、モ−ルド樹脂にて一括封止するので、大容量のコンデンサを搭載でき、サージ電圧の時定数がより大きなサージにも対応できるメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車両用交流発電機の電圧制御装置の一実施例を示す回路図である。
【図２】図１に示す制御回路８の参考例を示す模式断面図である。
【図３】図１の電源回路の変形例を示す回路図である。
【図４】図１の制御回路の好適な構造を示す平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図６】図４、図５に示す逆流防止ダイオ−ド近傍の拡大模式断面図である。
【図７】従来の車両用交流発電機の電圧制御装置における負サージによるリーク電流を示す説明図である。
【図８】図７の負サージ電圧の波形を示す波形図である。
【符号の説明】
２……励磁コイル
１……電機子コイル
８……制御回路
９……逆流防止ダイオ−ド
１０……電源回路
１１……スイッチング素子

Claims (1)

1. バッテリと前記バッテリを充電する発電機の界磁巻線との間に接続されて前記界磁巻線の励磁電流を断続するスイッチ素子と、
   前記バッテリの電圧に応じて前記スイッチ素子の作動を制御する制御回路と、
   高位入力端に入力される入力電圧から定電圧の内部電源電圧を形成して前記制御回路の各部に内部電源電圧として配電する電源回路と、
   を有する車両用交流発電機の電圧制御装置において、
   アノード電極が外部電源ラインを通じて前記バッテリに接続され、カソード電極が前記電源回路の前記高位入力端に接続される逆流防止ダイオ−ドを有し、
   前記逆流防止ダイオ−ドと少なくとも前記電源回路とは異なる導電性支持基板に別々に固定され、各前記導電性支持基板は互いに電気的に絶縁され、かつ、空間的にも分離され、
   前記電源回路を含む前記制御回路は、前記導電性支持基板としてのヒートシンク上に固定され、
   前記逆流防止ダイオ−ドは、前記導電性支持基板としてのリード上に固定され、
   前記リードは、前記ヒートシンクよりも高い位置に配置され、
   前記逆流防止ダイオ−ドは、前記電源回路にボンディングワイヤで直接接続されて前記ボンディングワイヤとともに樹脂封止されていることを特徴とする車両用発電機の電圧制御装置。

Images