JP5464367B2 - 車両用回転電機 - Google Patents

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。

従来から、複数のスイッチング素子を有する電力変換器を用いて電機子巻線の出力電圧を整流するようにした電力変換装置を備えた車両用発電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この電力変換装置では、例えば上アームのスイッチング素子がオン動作しているか否かの診断を、（１）上アームダイオードがオン状態であること、（２）上アームのスイッチング素子のゲート指令がオンになっていること、（３）相電圧が所定の範囲（Ｖ４以下）にあること、を確認することで行っている。

特開２０１０−１１０１７６号公報（第５−１４頁、図１−１５）

ところで、特許文献１に開示された電力変換装置では、ダイオード通電期間に合わせて各スイッチング素子が正常にオン動作しているか否かを診断することはできるが、同期整流動作開始までの異常の有無、特に各スイッチング素子が短絡故障しているか否かを正確に判断することはできないという問題があった。

特許文献１には、スイッチング素子を用いた同期整流動作に移行した後に各スイッチング素子の動作を診断する手法が記載されているが、エンジン始動直後や何らかの原因によって同期整流が中断された後に同期整流を開始する条件については記載がない。相電圧波形が乱れているタイミングやスイッチング素子が短絡故障しているときに不用意に同期整流を開始すると、上アームと下アームを介してバッテリの端子間を短絡するおそれがあるため、少なくともこのような短絡のおそれがないことを確認した後に同期整流を開始することが望ましい。スイッチング素子の短絡故障さえ発生していなければ、仮にオープン故障が発生していたとしてもダイオード整流が行われるため、発電動作は継続することができる。

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、短絡故障が生じていないことを確実に確認した後にスイッチング素子を用いた同期整流を開始す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る複数の上アームおよび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タイミングを設定するオンオフタイミング設定部と、オンオフタイミング設定部によって設定されたオンオフタイミングでスイッチング素子を駆動するスイッチング素子駆動部と、相巻線の相電圧が第１のしきい値に達した後第２の閾値に達するまでを通電期間としたときに、上アームに対応する通電期間と下アームに対応する通電期間とが交互に到来することを検出した場合に、オンオフタイミング設定部とスイッチング素子駆動部とによってスイッチング素子をオンオフ制御する同期整流動作を開始するタイミングとして判定する同期制御開始判定部とを備えている。

上アームと下アームのそれぞれの通電期間が交互に現れることを検出することにより、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子の両方が短絡していないことを確かめた後にスイッチング素子を用いた同期整流を開始することが可能となる。

また、上述した同期制御開始判定部は、通電期間の開始タイミングに同期したカウントを行うことにより、上アームに対応する通電期間と下アームに対応する通電期間とが交互に到来することを検出することが望ましい。これにより、同期整流動作に入る直前の状態を確認した後に同期整流動作を開始することが可能となる。

また、上述した同期制御開始判定部は、連続する２つの通電期間の間隔が電気角で１周期以下であるときに、同期整流動作を開始するタイミングとして判定することが望ましい。これにより、スイッチング素子に短絡故障が生じていないことをさらに正確に判定することが可能となる。

また、上述した同期制御開始判定部は、交互に到来する通電期間の回数が、機械角で１回転に相当する回数以上であるときに、同期整流動作を開始するタイミングとして判定することが望ましい。このように、回転子が１回転する範囲について相電圧波形を調べることにより、スイッチング素子の短絡の有無だけでなく、磁気回路の異常の有無も確認することができる。

また、上述した同期制御開始判定部は、バッテリに接続される出力端子の電圧が正常範囲として設定された所定範囲に含まれる場合に、同期整流動作を開始するタイミングとして判定することが望ましい。これにより、出力電圧が正常範囲を外れて低い場合や高い場合には同期制御を開始しないようにすることができる。

また、上述したスイッチング素子の過熱異常状態を検出する過熱異常検出部をさらに備え、同期制御開始判定部は、過熱異常検出部によって過熱異常状態が検出されていない場合に、同期整流動作を開始するタイミングとして判定することが望ましい。これにより、異常発熱時に同期制御を開始しないようにすることができる。

また、上述した同期制御開始判定部は、バッテリに接続される出力端子の電圧がサージ電圧発生の基準となる基準電圧を超えたときに、下アームのスイッチング素子をオンすることにより、出力端子の電圧を低下させる保護動作を行うロードダンプ保護部をさらに備え、同期制御開始判定部は、ロードダンプ保護部による保護動作中でないときに、同期整流動作を開始するタイミングとして判定することが望ましい。これにより、ロードダンプ保護動作中は同期制御を開始しないようにすることができる。

また、上述した同期制御開始判定部は、バッテリに接続される出力端子の電圧の所定時間あたりの変動値が所定値よりも小さい場合に、同期整流動作を開始するタイミングとして判定することが望ましい。出力電圧の変動が大きく通電期間の変化が大きい場合には、スイッチング素子のオンオフタイミング（特にオフタイミング）の正確な設定が難しい。このような場合に同期制御を開始しないようにすることで、スイッチング素子のオンオフタイミングの誤設定を回避することができる。

また、上述したオンオフタイミング設定部は、同期制御開始判定部によって同期整流動作を開始するタイミングとして判定される前であっても、スイッチング素子のオフタイミングの設定を行っており、同期制御開始判定部は、オフタイミングから通電期間の終了時点までの長さが所定値よりも長い場合に、同期整流動作を開始するタイミングとして判定することが望ましい。オフタイミングから通電期間の終了時点までの長さが極端に短い場合には何らかの異常が発生していると考えられる。このような場合に同期制御を開始しないようにすることで、スイッチング素子のオンオフタイミングの誤設定を回避することができる。

一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。 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。 上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部による電圧比較の具体例を示す図である。 下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部による電圧比較の具体例を示す図である。 温度検出部による温度検出結果の具体例を示す図である。 制御部の詳細構成を示す図である。 制御部によって行う同期制御の動作タイミング図である。 同期制御開始判定を行うために必要な構成を示す図である。 同期制御開始判定の動作タイミングを示す図である。

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は、一実施形態の車両用発電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、発電制御装置７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。励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。

発電制御装置７は、Ｆ端子を介して接続された界磁巻線４に流す励磁電流を制御する励磁制御回路であって、励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、発電制御装置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への励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に励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、発電制御装置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。

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。

図２は、整流器モジュール５Ｘの構成を示す図である。なお、他の整流器モジュール５Ｙ、５Ｚ、６Ｕ、６Ｖ、６Ｗも同じ構成を有している。図２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。これら２つのＭＯＳトランジスタ５０、５１からなる直列回路がバッテリ９の正極端子と負極端子の間に配置され、これら２つのＭＯＳトランジスタ５０、５１の接続点にＸ相巻線が接続されている。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３は、制御回路５４の詳細構成を示す図である。図３に示すように、制御回路５４は、制御部１００、電源１６０、出力電圧検出部１１０、上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０、下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０、温度検出部１５０、ドライバ１７０、１７２を備えている。

電源１６０は、発電制御装置７から界磁巻線４に励磁電流が供給されるタイミングで動作を開始し、制御回路５４に含まれる各素子に動作電圧を供給するとともに、励磁電流の供給が停止されたときに動作電圧の供給を停止する。この電源１０２の起動、停止は、制御部１００からの指示に応じて行われる。

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。

出力電圧検出部１１０は、例えば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−デジタル変換器によって構成されており、車両用発電機１（あるいは整流器モジュール５Ｘ）の出力端子（Ｂ端子）の電圧に対応するデータを出力する。なお、アナログ−デジタル変換器は、制御部１００側に設けるようにしてもよい。

上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０は、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSを検出し、検出したドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSを所定のしきい値と比較してその大小に応じた信号を出力する。

図４は、上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０による電圧比較の具体例を示す図である。図４において、横軸はドレイン側の出力電圧Ｖ_B を基準としたドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSを示している。また、縦軸は上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０から出力される信号の電圧レベルを示している。図４に示すように、相電圧Ｖ_P が高くなって出力電圧Ｖ_B よりも０．３Ｖ以上高くなるとＶ_DSが０．３Ｖ以上になるため、上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０の出力信号がローレベル（０Ｖ）からハイレベル（５Ｖ）に変化する。その後、相電圧Ｖ_P が出力電圧Ｖ_B よりも１．０Ｖ以上低くなるとＶ_DSが−１．０Ｖ以下になるため、上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０の出力信号がハイレベルからローレベルに変化する。

上述した出力電圧Ｖ_B よりも０．３Ｖ高い値Ｖ１０（図８）が、第１のしきい値に対応している。この第１のしきい値は、ダイオード通電期間の開始時点を確実に検出するためのものであり、出力電圧Ｖ_B にオン時のＭＯＳトランジスタ５０のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSを加算した値よりも高く、出力電圧Ｖ_B にＭＯＳトランジスタ５０と並列接続されたダイオードの順方向電圧ＶＦを加算した値よりも低い値に設定されている。また、上述した出力電圧Ｖ_B よりも１．０Ｖ低い値Ｖ２０（図８）が第２のしきい値に対応している。この第２のしきい値は、ダイオード通電期間の終了時点を確実に検出するためのものであり、出力電圧Ｖ_B よりも低い値に設定されている。相電圧Ｖ_P が第１のしきい値に達した後に第２のしきい値に達するまでを上アームの「オン期間」としている。このオン期間が特許請求の範囲における「通電期間」に対応する。なお、このオン期間は、ＭＯＳトランジスタ５０がオフ状態のときに実際にダイオードに通電される「ダイオード通電期間」とは開始時点と終了時点がずれているが、本実施形態の同期制御はこのオン期間に基づいて行われる。

下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０は、ローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSを検出し、検出したドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSを所定のしきい値と比較してその大小に応じた信号を出力する。

図５は、下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０による電圧比較の具体例を示す図である。図５において、横軸はドレイン側のバッテリ負極端子電圧であるグランド端子電圧Ｖ_GND を基準としたドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSを示している。また、縦軸は下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０から出力される信号の電圧レベルを示している。図５に示すように、相電圧Ｖ_P が低くなってグランド電圧Ｖ_GND よりも０．３Ｖ以上低くなるとＶ_DSが−０．３Ｖ以下になるため、下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０の出力信号がローレベル（０Ｖ）からハイレベル（５Ｖ）に変化する。その後、相電圧Ｖ_P がグランド電圧Ｖ_GND よりも１．０Ｖ以上高くなるとＶ_DSが１．０Ｖ以上になるため、下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０の出力信号がハイレベルからローレベルに変化する。

上述したグランド電圧Ｖ_GND よりも０．３Ｖ低い値Ｖ１１（図８）が、第１のしきい値に対応している。この第１のしきい値は、ダイオード通電期間の開始時点を確実に検出するためのものであり、グランド電圧Ｖ_GND からオン時のＭＯＳトランジスタ５１のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSを減算した値よりも低く、グランド電圧Ｖ_GND からＭＯＳトランジスタ５１と並列接続されたダイオードの順方向電圧ＶＦを減算した値よりも高い値に設定されている。また、上述した出力電圧Ｖ_B よりも１．０Ｖ高い値Ｖ２１（図８）が第２のしきい値に対応している。この第２のしきい値は、ダイオード通電期間の終了時点を確実に検出するためのものであり、グランド電圧Ｖ_GND よりも高い値に設定されている。相電圧Ｖ_P が第１のしきい値に達した後に第２のしきい値に達するまでを下アームの「オン期間」としている。このオン期間が特許請求の範囲における「通電期間」に対応する。なお、このオン期間は、ＭＯＳトランジスタ５１がオフ状態のときに実際にダイオードに通電される「ダイオード通電期間」とは開始時点と終了時点がずれているが、本実施形態の同期整流はこのオン期間に基づいて行われる。

温度検出部１５０は、例えばＭＯＳトランジスタ５０、５１の近傍に配置されたダイオードの順方向電圧に基づいてＭＯＳトランジスタ５０、５１の温度を検出し、温度が高いときにハイレベル、低いときにローレベルの信号を出力する。この温度検出部１５０は、制御部１００に含ませるようにしてもよい。

図６は、温度検出部１５０による温度検出結果の具体例を示す図である。図６において、横軸は温度（°Ｃ）を示している。また、縦軸は温度検出部１５０から出力される信号の電圧レベルを示している。図６に示すように、温度が上昇していって２００°Ｃ以上になると、温度検出部１５０の出力信号がローレベル（０Ｖ）からハイレベル（５Ｖ）に変化する。その後、温度が低下していって１７０°Ｃよりも低くなると、温度検出部１５０の出力信号がハイレベルからローレベルに変化する。

制御部１００は、同期整流動作を開始するタイミングの判定、同期整流を実施するためのＭＯＳトランジスタ５０、５１のオン／オフタイミングの設定、このオン／オフタイミングの設定に対応したドライバ１７０、１７２の駆動、ロードダンプ保護動作移行タイミングの判定および保護動作の実施などを行う。

図７は、制御部１００の詳細構成を示す図である。図７に示すように、制御部１００は、回転数演算部１０１、同期制御開始判定部１０２、上ＭＯＳオンタイミング判定部１０３、下ＭＯＳオンタイミング判定部１０４、目標電気角設定部１０５、上ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部１０６、上ＭＯＳオフタイミング演算部１０７、下ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部１０８、下ＭＯＳオフタイミング演算部１０９、ロードダンプ判定部１１１、電源起動・停止判定部１１２を備えている。これらの各構成は、例えばメモリ等に記憶された所定の動作プログラムをＣＰＵで実行することにより実現されるが、各構成をハードウエアを用いて実現するようにしてもよい。また、各構成の具体的な動作内容については後述する。

上述した上ＭＯＳオンタイミング判定部１０３、下ＭＯＳオンタイミング判定部１０４、目標電気角設定部１０５、上ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部１０６、上ＭＯＳオフタイミング演算部１０７、下ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部１０８、下ＭＯＳオフタイミング演算部１０９がオンオフタイミング設定部に、ドライバ１７０、１７２がスイッチング素子駆動部に、温度検出部１５０が過熱異常検出部に、ロードダンプ判定部１１１がロードダンプ保護部にそれぞれ対応する。

本実施形態の整流器モジュール５Ｘ等はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。

（１）電源起動・停止判定
電源起動・停止判定部１１２は、発電制御装置７のＦ端子から界磁巻線４に供給されるＰＷＭ信号（励磁電流）の有無を監視し、ＰＷＭ信号の出力が３０μ秒継続したときに電源１６０に起動を指示する。また、電源起動・停止判定部１１２は、ＰＷＭ信号の出力が１秒継続したときに電源１６０に停止を指示する。このようにして、界磁巻線４に励磁電流の供給が開始されたときに整流器モジュール５Ｘ等が動作を開始し、励磁電流の供給が停止したときに動作を停止するため、車両用発電機１の発電時のみ整流器モジュール５Ｘ等を動作させることで無駄な電力消費を抑えることができる。

（２）同期制御動作
図８は、制御部１００によって行う同期整流制御（同期制御）の動作タイミング図である。図８において、「上アーム・オン期間」は上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０の出力信号を、「上ＭＯＳオン期間」はハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０のオン／オフタイミングを、「下アーム・オン期間」は下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０の出力信号を、「下ＭＯＳオン期間」はローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１のオン／オフタイミングをそれぞれ示している。また、Ｔ_FB1 、Ｔ_FB2 、目標電気角、ΔＴについては後述する。

上ＭＯＳオンタイミング判定部１０３は、上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０の出力信号（上アーム・オン期間）を監視しており、この出力信号のローレベルからハイレベルへの立ち上がりをハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０のオンタイミングとして判定し、ドライバ１７０に指示を送る。ドライバ１７０は、この指示に応じてＭＯＳトランジスタ５０をオンする。

上ＭＯＳオフタイミング演算部１０７は、ＭＯＳトランジスタ５０がオンされてから所定時間経過後をＭＯＳトランジスタ５０のオフタイミングとして判定し、ドライバ１７０に指示を送る。ドライバ１７０は、この指示に応じてＭＯＳトランジスタ５０をオフする。

このオフタイミングを決定する所定時間は、上アーム・オン期間の終了時点（上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１２０の出力信号がハイレベルからローレベルに立ち下がる時点）よりも「目標電気角」だけ早くなるように、その都度可変設定される。

この目標電気角は、ＭＯＳトランジスタ５０を常時オフしてダイオードを通して整流を行う場合を考えたときに、このダイオード整流における通電期間の終了時点よりもＭＯＳトランジスタ５０のオフタイミングが遅くならないようにするためのマージンであり、目標電気角設定部１０５によって設定される。目標電気角設定部１０５は、回転数演算部１０１によって演算された回転数に基づいて目標電気角を設定する。この目標電気角は、回転数に関係なく一定でもよいが、より望ましくは、低回転領域および高回転領域において目標電気角を大きく、その中間領域において目標電気角を小さく設定するようにしてもよい。

なお、回転数演算部１０１は、下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０の出力信号の立ち上がり周期あるいは立ち下がり周期に基づいて回転数を演算している。下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０の出力信号を用いることにより、車両用発電機１の出力電圧Ｖ_B の変動に関係なく、安定した回転数検出が可能になる。

同様に、下ＭＯＳオンタイミング判定部１０４は、下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０の出力信号（下アーム・オン期間）を監視しており、この出力信号のローレベルからハイレベルへの立ち上がりをローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１のオンタイミングとして判定し、ドライバ１７２に指示を送る。ドライバ１７２は、この指示に応じてＭＯＳトランジスタ５１をオンする。

下ＭＯＳオフタイミング演算部１０９は、ＭＯＳトランジスタ５１がオンされてから所定時間経過後をＭＯＳトランジスタ５１のオフタイミングとして判定し、ドライバ１７２に指示を送る。ドライバ１７２は、この指示に応じてＭＯＳトランジスタ５１をオフする。

このオフタイミングを決定する所定時間は、下アーム・オン期間の終了時点（下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部１３０の出力信号がハイレベルからローレベルに立ち下がる時点）よりも「目標電気角」だけ早くなるように、その都度可変設定される。

この目標電気角は、ＭＯＳトランジスタ５１を常時オフしてダイオードを通して整流を行う場合を考えたときに、このダイオード整流における通電期間の終了時点よりもＭＯＳトランジスタ５１のオフタイミングが遅くならないようにするためのマージンであり、目標電気角設定部１０５によって設定される。

ところで、実際には、上アーム・オン期間や下アーム・オン期間の終了時点は、ＭＯＳトランジスタ５０、５１をオフする時点ではわかっていないため、上ＭＯＳオフタイミング演算部１０７や下ＭＯＳオフタイミング演算部１０９は、半周期前の情報をフィードバックすることにより、ＭＯＳトランジスタ５０やＭＯＳトランジスタ５１のオフタイミングの設定精度を上げている。

例えば、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０のオフタイミングは以下のようにして設定される。下ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部１０８は、半周期前のローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１をオフしてから下アーム・オン期間の終了時点までの時間Ｔ_FB2 （図８）を演算し、上ＭＯＳオフタイミング演算部１０７は、このＴ_FB2 から目標電気角を差し引いたΔＴを求める。回転等が安定していればＴ２と目標電気角とが等しくなってΔＴ＝０となるはずであるが、（１）車両の加減速に伴う回転変動、（２）エンジン回転の脈動、（３）電気負荷の変動、（４）所定のプログラムを実行して制御部１００を実現する場合の動作クロック周期の変動、（５）ドライバ１７０、１７２にＭＯＳトランジスタ５０、５１をオフする指示を出してから実際にオフされるまでのターンオフ遅れ、などに伴ってΔＴが０にならないことが多い。

そこで、上ＭＯＳオフタイミング演算部１０７は、半周期前に下ＭＯＳオフタイミング演算部１０９で用いられた下ＭＯＳオン期間をΔＴに基づいて補正して上ＭＯＳオン期間を設定し、ＭＯＳトランジスタ５０のオフタイミングを決定している。具体的には、補正係数をαとしたときに、上ＭＯＳオン期間は、以下の式で設定される。

（上ＭＯＳオン期間）＝（半周期前の下ＭＯＳオン期間）＋ΔＴ×α
同様に、ローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１のオフタイミングは以下のようにして設定される。上ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部１０６は、半周期前のハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５１をオフしてから上アーム・オン期間の終了時点までの時間Ｔ_FB1 （図８）を演算し、下ＭＯＳオフタイミング演算部１０９は、このＴ_FB1 から目標電気角を差し引いたΔＴを求める。下ＭＯＳオフタイミング演算部１０９は、半周期前に上ＭＯＳオフタイミング演算部１０７で用いられた上ＭＯＳオン期間をΔＴに基づいて補正して下ＭＯＳオン期間を設定し、ＭＯＳトランジスタ５１のオフタイミングを決定している。具体的には、補正係数をαとしたときに、下ＭＯＳオン期間は、以下の式で設定される。

（下ＭＯＳオン期間）＝（半周期前の上ＭＯＳオン期間）＋ΔＴ×α
このようにして、ダイオード整流を行う場合と同じ周期で、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０とローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１が交互にオンされ、ＭＯＳトランジスタ２０、５１を用いた低損失の整流動作が行われる。

（３）同期制御の開始判定
次に、上述した同期制御に移行するか否かの判定動作について説明する。整流器モジュール５Ｘ等が起動された直後や、何らかの異常が発生して同期制御を一旦中断した後は、所定の同期制御開始条件を満たす場合に同期制御に移行する。同期制御開始判定部１０２は、同期制御開始条件を満たすか否かの判定を行い、満たすと判断した場合にその旨の通知が上ＭＯＳオンタイミング判定部１０３と下ＭＯＳオンタイミング判定部１０４に送られる。以後、上述した同期制御が実施されて、ＭＯＳトランジスタ５０、５１が交互にオンされる。

同期制御開始条件としては、以下の（１）〜（６）が用いられる。
（１）上アーム・オン期間と下アーム・オン期間（図８）が上下連続して３２回発生する。なお、３２回は、８極の回転子を想定し、機械角２回転分に相当する値である。この値は、１回転に相当する値である１６や、３回転以上に相当する値、あるいは機械角１回転の整数倍に相当する値以外に変更してもよい。
（２）出力電圧Ｖ_B が正常範囲である７Ｖより高く１８Ｖよりも低い範囲に含まれる。なお、１２Ｖ系の車両システムを想定して正常範囲の下限値を７Ｖ、上限値を１８Ｖとしたが、これらの下限値および上限値は適宜変更するようにしてもよい。また、２４Ｖ系等の車両システムでは、発電電圧に合わせて下限値および上限値を変更する必要がある。
（３）ＭＯＳトランジスタ５０、５１が過熱状態でない。
（４）ロードダンプ保護動作中でない。
（５）出力電圧ＶＢ の変動が０．５Ｖ／２００μ秒よりも小さい。なお、同期制御を開始したときにこの変動がどの程度許容されるかは、使用する素子やプログラムによって変化するため、この変動の許容値は、使用する素子等に応じて適宜変更するようにしてもよい。
（６）Ｔ_FB1、Ｔ_FB2がともに１５μ秒より長い。なお、これらの期間がどの程度以下になると異常といえるかは、異常の発生原因等によって変化するため、この許容値（１５μ秒）は、異常発生原因等に応じて適宜変更するようにしてもよい。また、Ｔ_FB1、Ｔ_FB2は、上ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部１０６、下ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部１０８によって同期制御動作中に演算されるものとして説明したが、同期制御開始前であってもこれらの演算は行われており、同期制御の開始判定に用いられる。

図９は、上記の同期制御開始判定を行うために必要な構成を示す図である。ロードダンプ判定部１１１は、出力電圧Ｖ_B が２０Ｖを超えたときに、車両用発電機１の出力端子やバッテリ端子が外れてサージ電圧が発生するロードダンプを検出し、ドライバ１７０、１７２に指示を送ってハイサイド側のＭＯＳトランジスタ５０をオフするとともに、ローサイド側のＭＯＳトランジスタ５１をオンするロードダンプ保護動作を開始する。また、ロードダンプ判定部１１１は、一旦２０Ｖよりも高くなった出力電圧Ｖ_B が低下して１７Ｖより低くなったときに、ロードダンプ保護動作を終了する。なお、ロードダンプ保護動作の開始あるいは終了時にＭＯＳトランジスタ５０、５１のオン／オフによって新たなサージ電圧が発生することを避けるため、ロードダンプ保護判定部１１１は、図８に示す下アーム・オン期間の間にロードダンプ保護動作の開始あるいは終了を行うようにしている。ロードダンプ判定部１１１は、ロードダンプ保護動作中はハイレベル、それ以外のときにローレベルとなる信号を同期制御開始判定部１０２に向けて出力する。

Ｖ_B 範囲判定部１１３は、出力電圧検出部１１０によって検出された出力電圧Ｖ_B が７〜１８Ｖの範囲に含まれているか否かを判定し、含まれている場合にはローレベル、含まれていない場合（７Ｖ以下か１８Ｖ以上の場合）にはハイレベルの信号を出力する。Ｖ_B 変動判定部１１４は、出力電圧検出部１１０によって検出された出力電圧Ｖ_B の変動が０．５Ｖ／２００μ秒よりも小さいか否かを判定し、小さい場合にはローレベル、大きい場合にはハイレベルの信号を出力する。Ｔ_FB時間判定部１１５は、上ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部１０６によって検出されたＴ_FB1 と、下ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部１０８によって検出されたＴ_FB2 のそれぞれが１５μ秒よりも長いか否かを判定し、長い場合にはローレベル、以下の場合にハイレベルの信号を出力する。なお、図９では、Ｖ_B 範囲判定部１１３、Ｖ_B 変動判定部１１４、Ｔ_FB時間判定部１１５を同期制御開始判定部１０２の外部に設けたが、同期制御開始判定部１０２に内蔵するようにしてもよい。また、上述した例では、（１）〜（６）の全ての条件を満たす場合に同期制御を開始する場合を想定したが、（２）〜（６）の少なくとも一つと（１）とを組み合わせて同期制御開始条件としてもよい。

図１０は、同期制御開始判定の動作タイミングを示す図である。図１０において、「カウント値」は上アーム・オン期間と下アーム・オン期間のそれぞれの立ち上がり（開始タイミング）に同期したカウント値を、「Ｔ_FB時間フラグ」はＴ_FB時間判定部１１５の出力を、「電圧範囲フラグ」はＶ_B 範囲判定部１１３の出力を、「ＬＤフラグ」はロードダンプ判定部１１１の出力を、「過熱フラグ」は温度検出部１５０の出力を、「電圧変動フラグ」はＶ_B 変動判定部１１４の出力をそれぞれ示している。

同期制御開始判定部１０２は、上アーム・オン期間と下アーム・オン期間のそれぞれの立ち上がりに同期したカウント動作を行い、このカウント動作のカウント値が「３２」に達したときに同期制御開始を示す信号（ローレベルが同期制御開始を示し、ハイレベルが同期制御停止を示している）を上ＭＯＳオンタイミング判定部１０３および下ＭＯＳオンタイミング判定部１０４に入力する。上ＭＯＳオンタイミング判定部１０３および下ＭＯＳオンタイミング判定部１０４では、同期制御開始を示す信号が入力されると、ＭＯＳトランジスタ５０、５１を交互にオンする同期制御を開始する。

ところで、同期制御開始判定部１０２は、上アーム・オン期間と下アーム・オン期間の立ち上がりの間隔が電気角で１周期以下であること、Ｔ_FB時間判定部１１５、Ｖ_B 範囲判定部１１３、ロードダンプ判定部１１１、温度検出部１５０、Ｖ_B 変動判定部１１４の各出力（Ｔ_FB時間フラグ、電圧範囲フラグ、ＬＤフラグ、過熱フラグ、電圧変更フラグ）が全てローレベルであること、を条件に上述したカウント動作を継続する。反対に、同期制御開始判定部１０２は、カウント値が３２に達するまでに、上アーム・オン期間と下アーム・オン期間の立ち上がりの間隔が電気角で１周期を超えたり、Ｔ_FB時間判定部１１５、Ｖ_B 範囲判定部１１３、ロードダンプ判定部１１１、温度検出部１５０、Ｖ_B 変動判定部１１４のいずれかの出力がハイレベルになった場合には、カウント値を０にリセットし、カウント動作継続の条件を満たすようになってからカウント動作を再開する。

このように、本実施形態の車両用発電機１では、上アームと下アームのそれぞれのオン期間が交互に現れることを検出することにより、上アーム（ハイサイド側）のＭＯＳトランジスタ５０と下アーム（ローサイド側）のＭＯＳトランジスタ５１の両方が短絡していないことを確かめた後にＭＯＳトランジスタ５０、５１を用いた同期整流を開始することが可能となる。

特に、連続する２つのオン期間の間隔が電気角で１周期以下である場合に、同期整流動作を開始するタイミングとして判定することにより、ＭＯＳトランジスタ５０、５１に短絡故障が生じていないことをさらに正確に判定することが可能となる。あるいは、交互に到来するオン期間の回数が、機械角で１回転に相当する回数以上であるときに、同期整流動作を開始するタイミングとして判定しており、回転子が１回転する範囲について相電圧波形を調べることにより、ＭＯＳトランジスタ５０、５１の短絡の有無だけでなく、磁気回路の異常の有無も確認することができる。

また、出力電圧Ｖ_B が正常範囲として設定された所定範囲に含まれる場合に、同期整流動作を開始するタイミングとして判定することにより、出力電圧Ｖ_B が正常範囲を外れて低い場合や高い場合には同期制御を開始しないようにすることができる。また、過熱異常状態が検出されていない場合に同期整流動作を開始するタイミングとして判定することにより、異常発熱時に同期制御を開始しないようにすることができる。保護動作中でないときに同期整流動作を開始するタイミングとして判定することにより、ロードダンプ保護動作中は同期制御を開始しないようにすることができる。

また、出力電圧Ｖ_B の変動が大きくオン期間の変化が大きい場合には、ＭＯＳトランジスタ５０のオンオフタイミング（特にオフタイミング）の正確な設定が難しい。このような場合に同期制御を開始しないようにすることで、ＭＯＳトランジスタ５０のオンオフタイミングの誤設定を回避することができる。

また、ＭＯＳトランジスタ５０、５１のオフタイミングから通電期間（上アーム・オン期間や下アーム・オン期間）の終了時点までの長さ（Ｔ_FB1、Ｔ_FB2）が所定値よりも長い場合に同期整流動作を開始するタイミングとして判定している。Ｔ_FB1、Ｔ_FB2が極端に短い場合には何らかの異常が発生していると考えられる。このような場合に同期制御を開始しないようにすることで、ＭＯＳトランジスタ５０、５１のオンオフタイミングの誤設定を回避することができる。

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に供給して電動動作を行わせる車両用回転電機に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、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。

上述したように、本発明によれば、上アームと下アームのそれぞれのオン期間が交互に現れることを検出することにより、上アームのＭＯＳトランジスタ５０と下アームのＭＯＳトランジスタ５１の両方が短絡していないことを確かめた後にＭＯＳトランジスタ５０、５１を用いた同期整流を開始することが可能となる。

１ 車両用発電機
２、３ 固定子巻線
４ 界磁巻線
５、６ 整流器モジュール群
５Ｘ、５Ｙ、５Ｚ、６Ｕ、６Ｖ、６Ｗ 整流器モジュール
７ 発電制御装置
８ ＥＣＵ
９ バッテリ
１０ 電気負荷
１２ 充電線
５０、５１ ＭＯＳトランジスタ
５４ 制御回路
１００ 制御部
１０１ 回転数演算部
１０２ 同期制御開始判定部
１０３ 上ＭＯＳオンタイミング判定部
１０４ 下ＭＯＳオンタイミング判定部
１０５ 目標電気角設定部
１０６ 上ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部
１０７ 上ＭＯＳオフタイミング演算部
１０８ 下ＭＯＳ・Ｔ_FB時間演算部
１０９ 下ＭＯＳオフタイミング演算部
１１０ 出力電圧検出部
１１１ ロードダンプ判定部
１１２ 電源起動・停止判定部
１１３ Ｖ_B 範囲判定部
１１４ Ｖ_B 変動判定部
１１５ Ｔ_FB時間判定部
１２０ 上ＭＯＳ Ｖ_DS検出部
１３０ 下ＭＯＳ Ｖ_DS検出部
１５０ 温度検出部
１６０ 電源

Claims (9)

1. 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る複数の上アームおよび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と、
   前記スイッチング素子のオンオフタイミングを設定するオンオフタイミング設定部と、
   前記オンオフタイミング設定部によって設定されたオンオフタイミングで前記スイッチング素子を駆動するスイッチング素子駆動部と、
   前記相巻線の相電圧が第１のしきい値に達した後第２の閾値に達するまでを通電期間としたときに、前記上アームに対応する前記通電期間と前記下アームに対応する前記通電期間とが交互に到来することを検出した場合に、前記オンオフタイミング設定部と前記スイッチング素子駆動部とによって前記スイッチング素子をオンオフ制御する同期整流動作を開始するタイミングとして判定する同期制御開始判定部と、
   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、
   前記同期制御開始判定部は、前記通電期間の開始タイミングに同期したカウントを行うことにより、前記上アームに対応する前記通電期間と前記下アームに対応する前記通電期間とが交互に到来することを検出する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、
   前記同期制御開始判定部は、連続する２つの前記通電期間の間隔が電気角で１周期以下であるときに、前記同期整流動作を開始するタイミングとして判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、
   前記同期制御開始判定部は、交互に到来する前記通電期間の回数が、機械角で１回転に相当する回数以上であるときに、前記同期整流動作を開始するタイミングとして判定することを特徴とする車両用回転電機。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記同期制御開始判定部は、バッテリに接続される出力端子の電圧が正常範囲として設定された所定範囲に含まれる場合に、前記同期整流動作を開始するタイミングとして判定することを特徴とする車両用回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記スイッチング素子の過熱異常状態を検出する過熱異常検出部をさらに備え、
   前記同期制御開始判定部は、前記過熱異常検出部によって過熱異常状態が検出されていない場合に、前記同期整流動作を開始するタイミングとして判定することを特徴とする車両用回転電機。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記同期制御開始判定部は、バッテリに接続される出力端子の電圧がサージ電圧発生の基準となる基準電圧を超えたときに、前記下アームのスイッチング素子をオンすることにより、前記出力端子の電圧を低下させる保護動作を行うロードダンプ保護部をさらに備え、
   前記同期制御開始判定部は、前記ロードダンプ保護部による保護動作中でないときに、前記同期整流動作を開始するタイミングとして判定す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、
   前記同期制御開始判定部は、バッテリに接続される出力端子の電圧の所定時間あたりの変動値が所定値よりも小さい場合に、前記同期整流動作を開始するタイミングとして判定することを特徴とする車両用回転電機。
9. 請求項１〜８のいずれかにおいて、
   前記オンオフタイミング設定部は、前記同期制御開始判定部によって同期整流動作を開始するタイミングとして判定される前であっても、前記スイッチング素子のオフタイミングの設定を行っており、
   前記同期制御開始判定部は、前記オフタイミングから前記通電期間の終了時点までの長さが所定値よりも長い場合に、前記同期整流動作を開始するタイミングとして判定することを特徴とする車両用回転電機。

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