JP5243611B2 - 同期整流器の駆動制御 - Google Patents

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Description

本発明は、ジェネレータによって生成された相電圧を整流するために同期整流素子を駆動制御するための、請求項1の上位概念に記載の整流ブリッジ回路に関する。
先行技術
整流器は交流電圧を直流電圧に変換するためのものである。公知の整流器はたいてい、整流素子として複数のダイオードを有するブリッジ回路で構成されている。慣用されている構成は、いわゆるハーフブリッジ整流器やフルブリッジ整流器である。自動車用多相ジェネレータも通常は、車載電源網に直流電圧を供給するためにブリッジ整流器を有する。この整流器の損失電力は、ダイオードの抵抗と出力電流とによって決定され、たとえば相ごとに複数のダイオードを並列接続する等の回路技術的な手段では、この損失電力を実質的に低減することはできない。それゆえ、整流器スイッチをたとえばMOSFETトランジスタ等の能動スイッチに置き換えることが公知である。このことにより、損失電力を格段に低減することができる。しかし、能動スイッチを使用する際には、能動スイッチを相周波数に同期して駆動制御しなければならない。その際には、能動スイッチのスイッチオン時点およびスイッチオフ時点が特に重要である。このような公知の整流器では、能動スイッチを制御装置によって駆動制御するのは比較的複雑かつ不正確である。
本発明の課題
それゆえ本発明の課題は、簡単かつロバストな評価電子回路を備え半導体スイッチを含む整流ブリッジ回路と、特に簡単かつ正確に動作し可変の動作状態でも機能できる整流ブリッジ回路のスイッチの駆動制御方法とを提供することである。
この課題は本発明では、請求項1に記載の特徴により解決される。従属請求項に、本発明の別の実施形態が記載されている。本発明の基本的思想は、各スイッチのスイッチオン時間tschalter ein および/またはスイッチオフ時間tschalter aus を特性マップまたは関数によって計算することである。前記特性マップまたは関数は入力パラメータとして、回転数ng、または回転数ngおよび励磁電流IE、または回転数ngおよび励磁電流IEおよびジェネレータ電圧UG、または回転数ngおよび励磁電流IEおよびロータの回転角φ等の機器固有のパラメータを使用する。付加的な入力パラメータとして、回転数の変化および/または励磁電流の変化および/またはジェネレータ電圧の変化および/またはロータの回転角の変化を使用することができる。
もちろん、上記のパラメータの代わりに、該パラメータに比例して挙動する別の入力パラメータを使用することもできる。たとえば、ジェネレータ回転数ngを使用する代わりにジェネレータの相の交流電圧の周波数を使用するか、または、異なる相のスイッチオン時点間の時間的間隔を使用することができる。また、励磁電流の代わりに、ジェネレータ電流や1相を流れる電流を使用することもできる。
前記スイッチを制御するために制御信号を発生させる制御信号発生装置が設けられる。この制御信号発生装置には、ジェネレータの相電圧、回転数および/または励磁電流および/またはジェネレータ電圧および/または可動子の回転角が供給され、このパラメータから前記制御信号を発生させる。スイッチのスイッチオン条件は、該スイッチに並列するダイオードの順方向電圧を測定することによって求められる。これによって、整流スイッチの最適かつ「自然な」転流時点で相転流を行うことができ、この時点に、スイッチのスイッチオフ時点を所望のように関連づけることができる。順方向電圧に依存してスイッチオン時点を制御することにより、このスイッチオン時点の制御を論理回路によって特に簡単かつ低コストで実現できるという利点が得られる。
以下で、添付図面に基づいて本発明の実施例をより詳細に説明する。
クローポールロータを有する自動車用の交流電流モータジェネレータの縦断面図である。 能動スイッチを含むブリッジ整流器の構造を示す。 デルタ結線された3相構成の交流電流モータジェネレータを示す。 五芒星形にスター結線された5相構成の交流電流モータジェネレータを示す。 鈍角の七芒星形にスター結線された7相構成の交流電流モータジェネレータを示す。 相電圧の基本的な特性を示す。 本発明のスイッチの駆動制御時の相電流、スイッチ電流およびダイオード電流ないしは電圧を示す。 時間tschalter aus にわたる制御を示す。 schalter aus にわたる制御と、簡単な特性マップとを示す。 時間tschalter ein にわたる制御を示す。 schalter aus における制御を示す。
実施例の説明
図1aに、自動車用の交流電流モータジェネレータ100の断面図が示されている。これはとりわけ、2つの部分から成るケーシング113を有し、これは第1のベアリングシールド113.1および第2のベアリングシールド113.2から成る。ベアリングシールド113.1およびベアリングシールド113.2はステータ116を収容する。このステータ116は円環形の薄板積層体117を有し、この薄板積層体117のスロット119は内側に向かって開放されて軸方向に延在し、このスロットにステータ巻線118が嵌め込まれている。環状のステータ116は、半径方向に内側を向く表面で、電磁的に励磁されるロータ120を包囲し、該ロータ120はクローポール可動子として形成されている。ロータ120はとりわけ2つのクローポールプレート122および123から成り、これらのクローポールプレート22および23の外周にはそれぞれ軸方向に延在するクローポールフィンガ124および125が配置されている。2つのクローポールプレート122および123はロータ120に次のように配置されている。すなわち2つのクローポールプレートの、軸方向に伸長するクローポールフィンガ124,125が、ロータ120の周面においてN極およびS極として形成され、N極とS極とが交互に入れ替わるように配置されている。
このことにより、磁化方向が逆のクローポールフィンガ124と125との間において、磁気的に必要なクローポールスペースが得られる。これらのクローポールフィンガ124,125は、自身の自由端部に向かって先細りになっており、機器軸に対して僅かに傾斜している。このようなクローポールスペースに、漏れ磁束を補償するための永久磁石を挿入することができる。以下の本発明の実施例の説明および請求項では、このような方向を簡単に軸方向と称する。ロータ120は、シャフト127と、各ロータ側に1つずつ設けられた転がり軸受128とによって、各ベアリングシールド113.1ないしは113.2に相対回動可能に支承される。ロータ120は、軸方向の端面を2つ有し、これら端面にはそれぞれファン130が固定されている。このファン130は基本的に、プレート形ないしはディスク形の部分から成り、この部分からファンブレードが公知のように出ている。
ファン130は、ベアリングシールド113.1および113.2の開口部140を介して、電気機器100の外側と内側空間との間で空気交換を行うために使用される。こうするために、開口140はベアリングシールド113.1および113.2の軸方向の端面に設けられており、これらの開口140を介してファン130によって冷却空気が電気機器100の内側空間に吸入される。この冷却空気はファン130の回転によって半径方向に外側に加速され、駆動側に設けられた冷却空気透過性の巻回端部145と電子回路側に設けられた冷却空気透過性の巻回端部146とを透過する。このような作用により、巻回端部145,146は冷却される。冷却空気は巻回端部145,146を透過するかないしは該巻回端部145,146の周囲を流れた後、半径方向に外側に向かって、図中に示されていない開口を通る。
図1aの右側に、種々の部品を周辺の影響から保護する保護キャップ147が設けられている。この保護キャップ147はたとえば、励磁巻線151に励磁電流を供給するスリップリングモジュール149を被覆する。スリップリングモジュール149の周囲に冷却体153が設けられており、該冷却体153はここでは、制御される整流器/インバータを冷却するための冷却体と、制御装置を冷却するための冷却体として作用する。ベアリングシールド113.2と冷却体153との間には、制御装置ないしは整流器/インバータの端子と巻線接続ワイヤとを接続する端子板156が設けられている。
図1bは、能動スイッチを含むブリッジ整流器の構造を示す。この構造に基づいて本発明の方法を説明する。この回路中の名称は、理解しやすくするためのものである。ダイオードD1〜D6のうち少なくとも1つまたはすべての電圧を評価する。この電圧の評価は、たとえば比較器によって3.3Vのスイッチング閾値と比較することによって行われる。
本発明では、能動スイッチング素子を含む整流器を制御するための制御信号を生成するための制御方法を開示する。この制御信号は、位置センサおよび高精度のアナログ回路を使用することなく、最小公差または電流測定によってダイオードの順方向電圧を測定することによって得ることができる。しかし、この回路で重要なのは、能動スイッチに受動ダイオードが並列に設けられていることである。
それゆえ、本方法ないしは本回路は特に、すでに半導体構成に受動ダイオードを含む能動スイッチを有する整流器に適しており、たとえばMOSFETトランジスタを有する整流器に適している。このような整流器では、さらに付加的なダイオードを設ける必要がない。主な目的は、制御信号を簡単に生成することにより、同期整流を低コストおよびロバストに実現し、整流器損失を低減することである。本発明は、簡単な評価電子回路で、可変の動作状態でも機能するロバストな駆動制御を実現する駆動制御構成を提供する。
能動スイッチのスイッチオン条件は、MOSFETの逆ダイオードの電圧を評価することによって簡単に得ることができる。0.7Vの典型的な順方向電圧の場合、スイッチオン条件をたとえば0.35Vの限界値で確実に検出することができる。しかし、駆動制御が行われると直ちにこの信号は急峻に降下する。というのも、ダイオード順方向電圧はMOSFETのRDS_onによってバイパスするからである。ここで効率のゲインが決定される。上述の発明では、次の相(Folgephase)の相電圧を介して、または計算によってスイッチオフ決定を求めることが提案された。このことは、回転数および励磁電流のダイナミクスで、問題的であると考えられる。重要なのは、ヒステリシス素子において意図的に早期に遮断を行うことにより、時間的幅を制御することができる信号を発生させることである。
図2に、3相を形成する相巻線190,191,192を有する交流電流モータジェネレータ100を回路図によって示す。これらすべての相巻線190,191,192が固定子巻線118を構成する。3相を形成する相巻線190,191,192の基本的な結線構成はデルタ結線であり、結線されたこれらの相巻線は、3角形の角において約60°の電気角を成す。3角形の角200,201,202の結線点に整流/インバータブリッジ回路129が接続されている。相巻線は以下のように結線される。部分相巻線190は結線点200において部分相巻線191に接続され、相巻線191の他端は結線点201において相巻線192に接続されている。相巻線192の他端は結線点202において相巻線190に接続されている。前記結線点は有利には、軸方向に電子回路側の巻線端部146に設けられているか、または該巻線端部146の隣に設けられることにより、結線距離が可能な限り短くなるようにされる。こうするためには、結線点200,201,202の各相巻線190,191,192の結線すべき各接続ワイヤは、有利には周方向に直接隣接するスロット119から引き出される。
相巻線190,191,192の結線点200,201,202は、制御される別個のブリッジインバータ‐ブリッジ整流器119に接続されており、このブリッジインバータ‐ブリッジ整流器119は3つのローサイドスイッチ208と5つのハイサイドスイッチ209とから構成される。ローサイドスイッチの数はハイサイドスイッチの数に相応し、相を形成する相巻線の数に相応する。ローサイドスイッチおよびハイサイドスイッチは有利には、MOS(金属酸化物半導体)トランジスタ、バイポーラトランジスタ、IGPT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)または同様のスイッチング素子とされる。バイポーラトランジスタまたはIGPTを使用する場合、PN接合ダイオードが各ハイサイドスイッチないしは各ローサイドスイッチに並列接続され、これらのダイオードに流れる直流電流の方向は、各スイッチング素子の直流電流の方向に対して逆にされる。
ハイサイドスイッチないしはローサイドスイッチのトランジスタとして有利には、キャリアが電子であるパワートランジスタが使用される。というのも、このようなパワートランジスタによって抵抗損失およびコストが低減するからである。すなわち、全種類のMOSトランジスタの中ではnチャネルMOSトランジスタが選択され、全種類のバイポーラトランジスタの中ではnpnトランジスタが選択され、全種類のIGPTの中では絶縁ゲートnpnトランジスタが選択される。直流電圧側には、励磁巻線151を流れる電流を制御することによってジェネレータの電圧を制御する制御装置が並列接続されている。前記制御装置はさらに、相を形成する巻線によって誘導された誘導電圧の交流電圧の周波数を求め、この周波数からモータジェネレータの実際の回転数を求めるために、整流器との接続部も有する。
制御装置はオプションとして、ロータ位置信号と、通信端子からの信号と、制御信号とを受信するように構成される。制御装置はまた動作中に、受信した信号に基づいて各素子のゲート電圧VG1〜VG6を生成するように構成されている。このゲート電圧VG1〜VG6はスイッチング素子のゲート端子G1〜G6へ供給され、各スイッチング素子のオン状態およびオフ状態をスイッチング制御する。
図3に、5相を形成する相巻線170,171,172,173,174を有する交流電流ジェネレータ100を回路図によって示す。これらすべての相巻線170,171,172,173,174が固定子巻線118を構成する。5相を形成する相巻線170,171,172,173,174は五芒星形の基本接続(ペンタグラム(Drudenfuss)とも称される)を成すように結線され、この五芒星形の各頂点で結線された相巻線は、約36°elの電気角を成す。五芒星の頂点180,181,182,183,184の結線点に整流ブリッジ回路129が接続されている。相巻線は以下のように結線される。
部分相巻線170は結線点180において部分相巻線171に接続され、相巻線171の他端は結線点181において相巻線172に接続されている。相巻線17の他端は結線点182において相巻線173に接続されている。相巻線173の他端は結線点183において相巻線174に接続されている。相巻線174は他端の結線点184において相巻線170に接続されている。前記結線点は有利には、軸方向に電子回路側の巻線端部146に設けられているか、または該巻線端部146の隣に設けられることにより、結線距離が可能な限り短くなるようにされる。
こうするためには、結線点180,181,182,183,184の各相巻線170,171,172,173,174の結線すべき各接続ワイヤは、有利には周方向に直接隣接するスロット119から引き出される。相巻線170,171,172,173,174の結線点180,181,182,183,184は、別個のブリッジ整流器/ブリッジインバータに接続されており、該ブリッジ整流器/ブリッジインバータは5つのローサイドスイッチおよび5つのハイサイドスイッチ159から構成されている。この構成の他の部分は、図2の構成に相応する。ダイオードの電圧が測定され、この電圧から、ジェネレータの実際の回転数が求められる。車載電源網は車両バッテリ30および車両負荷33によって概略的に示されている。
図4に、巻線が7相を形成する有利な結線形態を示す。
独立した3相システムが相互に電気的にシフトしている2×3相の構成も、好適なステータ構成として使用することができる。
図5aに、(相)電圧の基本的な特性を示す。ここでは、
Y相LL_電圧は、無負荷電圧のときの理論的な特性を示し、U_Y_ダイオードは、従来のダイオード整流器を使用した場合の電圧特性を示し、U_Y_MOSFETは、理想的なスイッチを使用した場合の電圧特性を示す。
ここで問題なのは、スイッチオフの決定を下すときである。というのも、導通制御されている状態では、バッテリー電圧がジェネレータに重畳されるからである。さらに、システムにおける動的な変化(回転数変化、負荷ジャンプ変化、励磁界変化)によってスイッチオフ時点が変化する可能性が常にあることも考慮しなければならない。
図5bに、接地に対する無負荷時相電圧の理論的な特性を示す。同図では一例として、U_BATとY相との間に300mVのスイッチング閾値と比較するコンパレータを使用した場合の上半波の詳細記録を示す。
ここでは、
Y相LL_電圧。B+は、ブリッジ整流器の端子における整流後の電圧の特性を示す。駆動制御Yは、スイッチを駆動制御するための信号を示す。
Y_ダイオードは、スイッチを使用せずにダイオード動作のみが行われた場合の、接地に対する相電圧の理論的な特性を示す。
Y_MOSFETは、接地に対する相電圧の実際の特性を示し、最初の時点では時間t Diode einの間に、電圧は、ダイオードにおける電圧降下Ufの発生に起因して上昇する。MOSFETのスイッチオン条件が満たされると直ちに、時間区分tdiode ein が終了し、時間区分tschalter ein が開始する。この時間区分中、接地に対する相の電圧がジェネレータ電圧を超えるのは最小限のみである。時点T1ではスイッチが開放され、接地に対する相の電圧は、ダイオード動作モードによる値まで上昇する。このダイオードは、時間tschalter aus にわたって電流を引き継ぐ。
本発明の方法の可能な1つの実施例は、以下のように実施される:
時点T_0において、コンパレータの識別に基づいて駆動制御決定が下される。スイッチの電圧が降下し、コンパレータ信号は「オフ」になる。時点T_1において、駆動制御論理回路は、学習したデューティ比に基づいてスイッチを遮断する。システムはダイオード動作モードに移行し、相の電圧はコンパレータ閾値を超え、コンパレータ信号は「オン」まで上昇する。システムが自然に転流(abkommutieren)を行うと直ちに、T_2に達する。測定された時間差T_2−T_1に基づいて、時間差T_2−T_1を制御するための制御器を構築することができ、この制御器は、T_0とT_1との間のアクティブ領域ひいては効率を最大化する。T_2−T_1の目標値設定として、回転数nに依存する特性マップが使用される。というのも、低回転数領域において遵守しなければならないシステムのダイナミクス性が高くなるからである。さらに、アクティブ窓の長さは機器の励磁電流に依存する。このことは、窓幅T_2−T_1を調整することによって実現される。そのためには、T_2−T_1はゼロであってはならない。
本発明の主な利点は、スイッチごとに1つずつ設けられた耐雑音性のアナログコンパレータ系だけで、MOSFETのスイッチオン時点およびスイッチオフ時点を確実に識別できることである。この時間制御は有利には、定義された時間T_2−T_1に制御するのと同様に、とりわけ最小時間T_2−T_1に制御するのと同様に、デジタル方式で行われる。
また本発明は、最大のパフォーマンスを実現しかつ障害に対する脆弱性を最小化するために、システムにおける動的な変化、とりわけ回転数変化、負荷ジャンプ、励磁界変化等の適応制御を補正できるという別の主な利点も有する。
図6に、本発明の第1の実施形態の構成を示す。ここでは特性マップが使用され、この特性マップは入力パラメータとして回転数ngを使用するか、または回転数ngと励磁電流IEとを使用するか、または回転数ngと励磁電流IEとジェネレータ電圧UGとを使用するか、または回転数ngと励磁電流IEとロータの回転角φとを使用し、出力パラメータとしてtschalter aus soll を出力する。この値は目標値として制御器に供給される。
図7に第1の実施例の詳細を示す。ここではtschalter aus soll が、入力パラメータとしてジェネレータ回転数ngを有する特性マップから計算される。制御器はPI制御器として構成される。
図8に、本発明の第2の実施形態の構成を示す。ここでは特性マップが使用され、この特性マップは入力パラメータとして回転数ngを使用するか、または回転数ngと励磁電流IEとを使用するか、または回転数ngと励磁電流IEとジェネレータ電圧UGとを使用するか、または回転数ngと励磁電流IEとロータの回転角φとを使用し、出力パラメータとしてtschalter ein soll を出力する。この値は目標値として制御器に供給される。
図9に第3の実施例の基本的な流れを示す。ここでは、時間tschalter aus が測定される。この時点が0を上回る場合には、時間tschalter aus を時点tschalter aus min に制御する制御アルゴリズムが実行される。値tschalter aus min は有利には一定値であるか、または、転流時間またはスイッチング時間のパーセンテージの割合である。その際には、値tschalter aus は0以下である。

Claims (12)

  1. ジェネレータによって生成された相電圧を整流するための整流ブリッジ回路であって、
    当該整流ブリッジ回路は、制御可能なスイッチを含む複数の整流素子を有する正のハーフブリッジと、制御可能なスイッチを含む複数の整流素子を有する負のハーフブリッジとを有し、
    前記制御可能なスイッチには、ダイオードが並列接続されており、
    前記制御可能なスイッチをスイッチオン/スイッチオフするための駆動制御回路が設けられており、
    前記制御可能なスイッチのスイッチオン時間tschalter ein soll および/またはスイッチオフ時間tschalter aus soll は、特性マップまたは数学的関数によって計算され
    前記特性マップまたは数学的関数の入力パラメータは、前記ジェネレータの回転数ngであるか、または前記ジェネレータの回転数ngおよび励磁電流IEであるか、または前記ジェネレータの回転数ngおよび前記励磁電流IEおよび前記ジェネレータの電圧UGであるか、または前記ジェネレータの回転数ngおよび前記励磁電流IEおよびロータの回転角φであるか、または前記ジェネレータの回転数ng、および、駆動制御時間と理論的な最大スイッチオフ時間(転流時間)との比である
    ことを特徴とする、整流ブリッジ回路。
  2. 前記特性マップまたは数学的関数はさらに入力パラメータとして、前記ジェネレータの回転数ngの変化を有するか、または前記ジェネレータの回転数ngの変化および前記励磁電流IEの変化を有するか、または前記ジェネレータの回転数ngの変化および前記励磁電流IEの変化および前記ジェネレータの電圧UGの変化を有するか、または前記ジェネレータの回転数ngの変化および前記励磁電流IEの変化および前記ロータの回転角φの変化を有する、請求項記載の整流ブリッジ回路。
  3. 前記特性マップまたは数学的関数から計算された前記制御可能なスイッチのスイッチオン時間の目標値schalter ein soll 、該スイッチオン時間の制御で使用する、請求項1または2記載の整流ブリッジ回路。
  4. 前記制御可能なスイッチのスイッチオフ時間schalter aus、前記特性マップまたは数学的関数から計算された前記制御可能なスイッチのスイッチオフ時間の目標値schalter aus soll、前記スイッチオフ時間の実際値schalter aus ist とに基づいて制御する制御器が設けられている、請求項1または2記載の整流ブリッジ回路。
  5. 回転数が低い場合および/または励磁電流が小さい場合、前記制御器の制御は迅速化される、請求項1からまでのいずれか1項記載の整流ブリッジ回路。
  6. 前記制御可能なスイッチのスイッチオン時間が転流時間を超えた場合、前記制御器に基づくスイッチオン時間はゼロにセットされる、請求項1からまでのいずれか1項記載の整流ブリッジ回路。
  7. 励磁電流および/または回転数が低くなると、前記特性マップまたは数学的関数における微分挙動は大きくなる、請求項1からまでのいずれか1項記載の整流ブリッジ回路。
  8. 1つの制御可能なスイッチのスイッチオン時点がコンパレータによって求められる、請求項1からまでのいずれか1項記載の整流ブリッジ回路。
  9. 前記コンパレータに入力される入力パラメータとして前記ダイオードの順方向電圧が使用され、
    前記ダイオードの順方向電圧が0.7Vである場合に前記制御可能なスイッチは導通制御される、請求項記載の整流ブリッジ回路。
  10. 前記コンパレータに入力される入力パラメータとして前記ダイオードの順方向電圧が使用され、
    前記ダイオードの順方向電圧が0.35Vである場合に前記制御可能なスイッチは導通制御される、請求項8記載の整流ブリッジ回路。
  11. スイッチオフ時間tschalter aus を値tschalter aus min に低減する制御が行われる、請求項1からまでのいずれか1項記載の整流ブリッジ回路。
  12. 前記制御可能なスイッチのスイッチオン時間が転流時間を超えた場合、前記制御器に基づくスイッチオン時間は前記特性マップまたは数学的関数からの値tschalter ein soll に設定され、
    微分動作は、 schalter aus soll と全転流時間との比のパーセンテージを定義する、請求項11記載の整流ブリッジ回路。
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